Nghiên cứu chế độ vận hành máy phát điện trong nhà máy phong điện phương mai 1 nhằm hỗ trợ ổn định quá độ lưới điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN LÊ CƠNG TỒN NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY PHONG ĐIỆN PHƯƠNG MAI NHẰM HỖ TRỢ ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ LƯỚI ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Bình Định - Năm 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN LÊ CƠNG TỒN NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY PHONG ĐIỆN PHƯƠNG MAI NHẰM HỖ TRỢ ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ LƯỚI ĐIỆN Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 Người hướng dẫn: TS Lê Thái Hiệp i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu chế độ vận hành máy phát điện nhà máy phong điện Phương Mai nhằm hỗ trợ ổn định q độ lưới điện” cơng trình tơi thực hướng dẫn TS Lê Thái Hiệp Các số liệu kết hoàn toàn trung thực Để hoàn thành luận văn này, sử dụng tài liệu ghi danh mục “Tài liệu tham khảo” không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Bình Định, ngày tháng năm 2022 Tác giả luận văn Lê Cơng Tồn ii LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp bước quan trọng khóa học Tơi hạnh phúc thực xong luận văn tốt nghiệp quan trọng tơi học thời gian qua Bên cạnh kiến thức thu được, học phương pháp nghiên cứu cách độc lập Sự thành công không đơn nỗ lực cá nhân, mà cịn có hỗ trợ giúp đỡ giảng viên hướng dẫn, gia đình bạn bè Nhân hội này, cho phép bày tỏ lời cảm ơn đến họ Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới thầy cô Khoa Kỹ Thuật & Cơng Nghệ trường Đại Học Quy Nhơn tận tình giảng dạy, truyền đạt cho kiến thức, kinh nghiệm quý báu suốt thời gian qua Đặc biệt xin gửi lời cảm ơn đến TS Lê Thái Hiệp, thầy tận tình giúp đỡ, trực tiếp bảo, hướng dẫn tơi suốt q trình học tập thực luận văn Trong thời gian làm việc với thầy, không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà cịn học tập tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, điều cần thiết cho tơi q trình học tập cơng tác sau Do với kiến thức thân giới hạn nên luận văn chắn cịn nhiều thiếu sót, tơi mong nhận bảo, góp ý thầy (cơ) giáo Khoa Kỹ thuật & Công nghệ, trường Đại học Quy Nhơn để luận văn tơi hồn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Tổng quan tình hình nghiên cứu 3 Mục đích nghiên cứu 4 Nội dung nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Chương TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN GIÓ 1.1 Tổng quan lượng gió 1.2 Tổng quan turbine gió 1.2.1 Giới thiệu 1.2.2 Cấu tạo turbine gió 1.2.3 Phân loại turbine gió 12 1.3 Máy phát điện gió 13 1.3.1 Turbine gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng 14 1.3.2 Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát điện khơng đồng rotor lồng sóc 15 1.3.3 Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng nguồn kép 16 iv 1.4 Tổng quan nhà máy phong điện Phương Mai 18 1.5 Kết luận chương 23 Chương 24 NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY PHONG ĐIỆN PHƯƠNG MAI NHẰM HỖ TRỢ ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ LƯỚI ĐIỆN 24 2.1 Cấu trúc hệ thống tự động điều khiển phát điện hệ thống điện quốc gia [6] 24 2.1.1 Giới thiệu 24 2.1.2 Nguyên tắc làm việc hệ thống AGC 26 2.1.3 Các trạng thái vận hành AGC 27 2.1.4 Các chế độ làm việc tổ máy AGC 28 2.2 Cấu trúc hệ thống nhà máy phong điện Phương Mai 31 2.2.1 Giới thiệu hệ thống nhà máy phong điện Phương Mai 31 2.2.2 Đường dây 110kV đấu nối vào hệ thống điện Quốc gia 32 2.2.3 Quy mô tuyến đường dây 33 2.2.4 Đặc điểm tuyến đường dây 33 2.2.5 Trạm biến áp 110kV nhà máy phong điện Phương Mai 34 2.3 Máy phát điện không đồng nguồn kép 36 2.3.1 Nguyên lý hoạt động máy phát điện không đồng nguồn kép 36 2.3.2 Mơ hình tốn học máy phát điện không đồng nguồn kép 40 2.4 Mơ hình tốn máy phát điện khơng đồng nguồn kép 42 2.4.1 Mơ hình tốn học DFIG hệ trục tọa độ tĩnh αβ 44 2.4.2 Mơ hình tốn học DFIG hệ trục tọa độ đồng dq 46 2.5 Chế độ vận hành máy phát điện nhà máy phong điện nhằm hỗ trợ ổn định độ lưới điện 48 v 2.5.1 Các dạng ngắn mạch 48 2.5.2 Ổn định độ lưới điện 50 2.6 Đề xuất phương thức vận hành máy phát điện nhà máy phong điện nhằm hỗ trợ ổn định độ lưới điện 53 2.6.1 MÁY PHÁT LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ WRIG 54 2.6.1.1 Mơ hình hóa WRIG 54 2.6.1.2 Các đường đặc tính máy phát nối điện trở crowbar 58 2.6.1.3 Điều khiển Rcrowbar 59 2.6.2 GSC làm việc chế độ STATCOM 61 2.6.2.1 Cấu trúc STATCOM 62 2.6.2.2 Nguyên lý hoạt động STATCOM 63 2.7 Kết luận chương 66 Chương 67 MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG NHÀ MÁY PHONG ĐIỆN PHƯƠNG MAI NHẰM HỖ TRỢ ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ LƯỚI ĐIỆN 67 3.1 Cấu trúc máy phát điện gió phần mềm mô 67 3.1.1 Tổng quan Matlab 67 3.1.2 Sơ đồ kết nối lưới nhà máy điện gió Phương Mai 68 3.1.3 Cấu trúc máy phát điện gió phần mềm mô 69 3.1.3.1 Khối mô máy phát điện (DFIG Wind Turbine) 70 3.1.3.2 Khối Wound-Rotor Induction Generator 73 3.1.3.3 Khối AC-DC-AC converter Average Model 74 vi 3.1.3.4 Khối điều khiển quạt turbine (Turbine and Drive Train) 75 3.1.3.5 Khối điều khiển phần điện turbine (Wind Turbine Control) 76 3.1.4 Bộ phận hiển thị đặc tính 82 3.1.5 Thiết lập thông số phần tử khối 82 3.1.6 Mô chế độ làm việc bình thường 86 3.1.7 Mô chế độ ngắn mạch 89 3.1.7.1 Thiết kế tạo tín hiệu ngắn mạch 89 3.1.7.2 Khối ngắn mạch ba pha 90 3.1.7.3 Bộ mô điện trở Crowbar 91 3.1.7.4 Kết mô chế độ làm việc xảy ngắn mạch sau máy biến áp 110kV 92 3.1.7.5 Phân tích kiểm tra hiệu chế độ làm việc máy phát xảy ngắn mạch lưới gần nhà máy 95 3.2 Kết luận chương 97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98 KẾT LUẬN 98 KIẾN NGHỊ 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 PHỤ LỤC 103 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt PLC Programmable Logic Controller Bộ điều khiển logic Setpoint Giá trị đặt Inverter Biến tần Doubly-Fed Induction Generator Hệ thống máy phát điện cảm ứng cấp nguồn kép: hệ thống phổ biến giao diện điện tử cơng suất điều khiển dịng điện rơto để đạt tốc độ thay đổi cần thiết để thu lượng tối đa có gió thay đổi Grid-Support Strategies Chế độ hỗ trợ lưới Flexible Alternating Current Transmission System Hệ thống truyền tải dòng điện xoay chiều linh hoạt DFIG FACTS STATCOM A static synchronous compensator Giữ vững điện áp, giảm nhấp nháy lọc sóng hài hệ thống NMĐG Nhà máy điện gió NLTT Năng lượng tái tạo PĐ Phong điện CPC-CPSC Tổng Công Ty Điện Lực Miền Trung - Công ty Dịch vụ điện lực miền Trung TBA Trạm biến áp RTU Remote Terminal Unit Thiết bị đặt trạm điện nhà máy điện phục vụ việc thu thập truyền liệu hệ thống SCADA Trung tâm điều độ hệ thống viii điện Trung tâm điều khiển AGC Automatic Generation Control Hệ thống thiết bị tự động điều chỉnh tăng giảm công suất tác dụng tổ máy phát điện nhằm trì tần số hệ thống điện ổn định phạm vi cho phép theo nguyên tắc vận hành kinh tế tổ máy phát điện P Công suất tác dụng Q Công suất phản kháng U Điện áp I CSTD CSPK Dịng điện Cơng suất tác dụng Cơng suất phản kháng 95 3.1.7.5 Phân tích kiểm tra hiệu chế độ làm việc máy phát xảy ngắn mạch lưới gần nhà máy Ta thực mô cố ngắn mạch thời điểm 1s, thời gian xảy cố 0,25 giây, sau máy phát làm việc ổn định tụ điện biến đổi nạp đủ, mơ hình mơ ta có gắn thêm điện trở phụ vào rôto điện trở phụ điều khiển đấu nối vào rôto xảy ngắn mạch Khi xảy ngắn mạch rôto quay với tốc độ không đổi công suất phát đưa lên lưới Như giới thiệu chương biến đổi AC-DC-AC tách công suất không chảy qua máy phát chuyển sang chế độ làm việc WRIG, lúc công suất phát stato đưa lên lưới điện Dựa vào Hình 3.32 Hình 3.43 ta phân tích kết mơ cơng suất Hình 3.33 Hình 3.44 đặc tính tốc độ ta thấy hiệu điện trở phụ thông qua việc công suất Pr tiêu tán điểm trở điều làm cho đường đặc tính WRIG thấp nhiều so với đường đặc tính DFIG Tại thời điểm ngắn mạch xảy ra, nhằm mục đích đảm bảo ổn định cho hệ thống dựa vào cấu trúc máy phát DFIG điều khiển phía lưới sau tách nhận lượng từ tụ điện hoạt động bù công suất phản kháng Công suất phản kháng đưa lên lưới nhờ vào điều khiển góc mở thiết bị điện tử công suất Điều ta thấy thơng qua đường đặc tính điện áp Vdc (V) tụ điện Hình 3.33 Hình 3.44 đường đặc tính cơng suất phản kháng Q(Mvar) Hình 3.32 Hình 3.43 96 Ngồi thơng số cơng suất yếu tố điện áp dòng điện lưới điện xảy ngắn mạch thay đổi nhiều Dòng điện giảm nhỏ nhờ việc chuyển chế độ làm việc từ loại DFIG lúc vận hành bình thường thành loại WRIG có ngắn mạch Điều giúp hệ thống giảm thiểu tác động xấu dòng điện lớn qua thiết bị hệ thống điện điểm ngắn mạch Bên cạnh để tối ưu hiệu hoạt động vượt qua cố ngắn mạch gần nhà máy, phận khác máy phát tính tốn điều khiển cách phù hợp dựa liệu thu thập thông qua thiết bị đo lường đặt turbine Với thay đổi chế độ làm việc kết hợp điều khiển công suất, điều khiển điện áp thay đổi khác tốc độ cánh quạt, góc nghiêng cánh quạt… ta thấy công suất máy phát thay đổi sang trạng thái xác lập mới, cụ thể giảm nhiều lúc ngắn mạch (0,2s đến 0,25s) khôi phục lại trạng thái phát công suất gần trước, hết ngắn mạch Thời gian để thực điều diễn nhanh (gần lập tức) nên đảm bảo máy phát khơng bị tách rời khỏi lưới điện sẵn sàng hoạt động lại sự, cố khắc phục Cuối cùng, ngồi khả vượt qua cố yếu tố ổn định sau vượt qua cố để đảm bảo độ tin cậy cho hệ thống điện đảm bảo Qua kết mô ta nhận thấy hệ thống xác lập thông số vận hành thời điểm trước sau ngắn mạch bị thay đổi nhiều, nên chế độ xác lập sau cố chế độ mới, nhiên thông số không thay đổi nhiều so với chế độ xác lập ban đầu, đảm bảo chất lượng cung cấp điện cho hệ thống 97 3.2 Kết luận chương Ở chương này, tác giả phân tích chế vận hành DFIG chế độ trước, sau xảy ngắn mạch lưới điện gần nhà máy Điểm đặc biệt chế máy phát điện DFIG chuyển thành WRIG thông qua việc vơ hiệu hóa GSC nối điện trở phụ crowbar Nhờ chế chuyển đổi làm giảm công suất tác dụng phát lên lưới mức thấp nhất, qua dịng ngắn mạch hạn chế Qua kết mô ta thấy chế hỗ trợ máy phát vượt qua lỗi thấp áp nhanh chóng đạt trạng thái vận hành gần trước xảy cố 98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Những vấn đề luận văn nghiên cứu: - Tổng hợp kiến thức tổng quan máy phát điện gió DFIG - Tìm hiểu chế độ làm việc máy phát điện gió chế độ bình thường - Nghiên cứu chế độ làm việc máy phát điện gió xảy ngắn mạch lưới điện - Nghiên cứu mơ hình mạch máy phát điện ứng với DFIG WRIG với rôto nối điện trở phụ (crowbar) - Nghiên cứu trình chuyển đổi từ DFIG sang WRIG với rôto nối điện trở phụ có ngắn mạch lưới Đồng thời nghiên cứu việc GSC hoạt động chế độ STATCOM để bơm công suất phản kháng vào lưới nhằm hỗ trợ ổn định ngắn mạch lưới - Tìm hiểu việc mơ hệ thống máy phát điện gió Matlab Thực mô hệ thống điện nhà máy phong điện Phương Mai chế độ làm việc bình thường - Thiết lập mơ hình ngắn mạch, nhập thông số mô hệ thống điện nhà máy phong điện Phương Mai xảy ngắn mạch - Thu thập kết quả, phân tích so sánh kết chế độ làm việc kiểm nghiệm lại mơ hình nghiên cứu chương ❖ Tóm lại Từ kết thu thông qua mô để: kiểm tra đặc tính làm việc hệ thống xảy ngắn mạch, kiểm tra khả ổn định toàn hệ thống xảy ngắn mạch lưới điện gần nhà máy Qua ta thấy 99 hiệu việc ứng dụng phương pháp nối điện trở phụ crowbar vào rôto máy phát nhằm mục đích hỗ trợ hệ thống vượt qua cố hỗ trợ ổn định động KIẾN NGHỊ Từ kết nghiên cứu đạt được, ưu điểm thấy luận văn cịn hạn chế Tác giả đưa hướng nghiên cứu phát triển sau: Phương pháp có vài hạn chế học turbine mà chưa thể khắc phục hết Vì máy phát kết nối điện trở phụ dịng điện rơto thay đổi dẫn đến momen điện từ thay đổi Mặc khác DFIG máy phát có tốc độ thay đổi theo điều kiện gió bên ngồi, điều dẫn đến cân công suất tạm thời trục máy phát lúc ngắn mạch lưới Chính xảy q trình tăng tốc rơto, khống chế mức phù hợp Từ mơ hình nghiên cứu trên, luận văn dừng lại việc xây dựng kiểm tra tính hiệu phương pháp điện trở phụ nối rôto Tác giả mong muốn tiếp tục nghiên cứu kiểm tra khả làm việc điều khiển điện tử công suất, nhằm bù công suất phản kháng dựa cấu trúc máy phát điện DFIG Với phát triển công nghệ nay, việc sử dụng nguồn lượng tái tạo quan tâm, lượng gió dạng lượng đề cập nội dung luận văn Bên cạnh việc vận hành khơng thể tránh khỏi cố thống qua bên ngồi nhà máy Trong khoảng thời gian xảy cố việc kết hợp phương pháp hỗ trợ hệ thống điện vượt qua cố điều cần thiết Mặt khác, thực tốt việc vượt qua cố làm giảm thiểu tác hại nhiều mặt hư hỏng thiết bị, đặc biệt không đảm bảo khả cung cấp điện tin cậy Qua phân tích trên, nội dung 100 nghiên cứu có giá trị áp dụng vào thực tế để góp phần phát triển hệ thống điện 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt [1] Lê Thái Hiệp, (2016) “Nghiên cứu hệ thống phát điện gió – diesel nhằm nâng cao mức thâm nhập điện gió với lưới cô lập”, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Việt Nam [2] Lã Văn Út, (2011) Phân tích điều khiển ổn định hệ thống điện Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [3] PGS.TS Trần Bách, (2001) “ Ổn định hệ thống điện ”, Nhà xuất Bách Khoa Hà Nội [4] Trang thơng tin điện tử Tập đồn Điện lực Việt Nam, trang chủ: www.evn.com.vn [5] Thông tư số 25/2016/TT-BCT, Bộ Cơng Thương - phủ Việt Nam, Năm 2016, Trang chủ: http://www.moit.gov.vn [6] Trung tâm Điều độ Hệ thống Điện Quốc Gia, trang chủ: https://www.nldc.evn.vn [7] Trung tâm điều độ hệ thống điện miền Trung,( 6-10-2020) “Quyết định việc đánh số thiết bị nhà máy điện gió Phương Mai 1’’ Đà Nẵng [8] Trường Thành (TTA): Nhà máy phong điện Phương Mai công nhận vận hành thương mại 24MW (baodautu.vn) https://baodautu.vn/truong-thanh-tta-nha-may-phong-dien-phuong-mai1-duoc-cong-nhan-van-hanh-thuong-mai-24mw [9] Tập đoàn điện lực Việt Nam, “CPCETC: Đóng điện thành cơng TBA 110kV Nhà máy điện gió Phương Mai 1” 102 Tài liệu nước ngồi [10] Gabriele Michalke Variable speed wind turbines – modelling, control, and impact on power systems, PhD thesis, Riso National Laboratory, Denmark, 2008 [11] Vladislav Akhmatov Analysis of dynamic behaviour of electric power systems with large amount of wind power, Technical University of Denmark,95 [12] Anca D Hansen, Gabriele Michalke Fault ride-through capability of DFIG wind turbines, Sciencedirect, 2007, 32, 1594–1610 [13] Pavlos Tourou, Constantinos Sourkounis Review of control strategies for DFIG-based wind turbines under unsymmetrical grid faults, 2014 Ninth International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies (EVER), IEEE, Monaco, 2014/03/25 ~ 27, 1–9 [14] Yang Jin, (2011) Fault analysis and protection for wind power generation systems College of Science and Engineering, University of Glasgow [15] Michalke, Gabriele, (2008) Variable speed wind turbines – modelling, control, and impact on power systems RisøNational Laboratory, Denmark [16] J G Slootweg, H Polinder, and W L Kling, Dynamic modeling of a wind turbine with doubly fed induction generator, IEEE Conference 2001, pp.644-649, 2001 [17] The Mathworks (2016), “ Wind Farm - DFIG Detailed Model ” https://www.mathworks.com/help/physmod/sps/ug/wind-farm-dfig detailedmodel.html 103 PHỤ LỤC Giới thiệu khối sử dụng mơ hình mơ phỏng: • Khối PLL Hình P.1: Khối PLL Khối vịng khóa pha viết tắt PLL, hệ thống mạch điện điều khiển tạo tín hiệu ngõ có pha liên quan đến pha tín hiệu ngõ vào • Khối Gain Hình P.2: Khối GAIN Khối Gain: dùng để khuyếch đại tín hiệu đầu vào • Khối Inport khối Outport Hình P.3: Khối Inport khối Outport 104 Khối In: dùng tạo tín hiệu đầu vào cho hệ thống Khối Out: dùng tạo tín hiệu đầu cho hệ thống đồng thời gửi tín hiệu đến matlab • Khối Mux Hình P.4: Khối Mux Khối Mux kết hợp đầu vào thành đầu vector Một đầu vào tín hiệu vơ hướng vector Tất đầu vào phải kiểu kiệu loại số • Khối Demux Hình P.5: Khối Demux Khối Demux dùng để tách tín hiệu đầu vào thành nhiều tín hiệu đầu • Khối Saturation Hình P.6: Khối Saturation 105 Khối có tác dụng giới hạn giá trị tối đa tín hiệu vào để xuất tín hiệu chặn (Upper limit) chặn (Lower limit) • Khối Constant Hình P.7: Khối Constant Khối Constant: (khối số) dùng tạo số khơng phụ thuộc vào thời gian • Khối From Goto Hình P.8: Khối Goto Hình P.9: Khối From Đầu vào khối Goto đến từ khối From tương ứng Các đầu vào tín hiệu giá trị thực giá trị phức vector loại liệu Khối From khối Goto cho phép ta truyền tín hiệu từ khối khác mà không cần kết nối chúng Một khối Goto truyền tín hiệu đầu vào nhiều khối From, khối From nhận tín hiệu từ khối Goto Các đầu vào với khối Goto thông qua khối From liên kết với thể khối kết nối vật lý 106 • Khối Three – Phase Series RLC load Hình P.10: Khối tải ba pha Khối tải pha RLC thực tải ba pha cân với pha nhánh gồm phần tử R, L, C mắc nối tiếp nối đất nội • Khối Three – Phase Series RLC Branch Hình P.11: Khối tải ba pha nối tiếp Khối tải RLC nối tiếp tạo tải tuyến tính tổ hợp phần tử RLC Chỉ phần tử truy cập với giá trị khác khơng hiển thị khối biểu tượng Chỉ công suất phản kháng cuộn dây công suất phản kháng tụ điện phải nhập giá trị dương Tại tần số định, tải có tổng trở khơng đổi cơng suất tỉ lệ với bình phương điện áp ứng dụng