Tính cấp thiết của đề tài
Nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và ô nhiễm môi trường do đốt nhiên liệu này ngày càng nghiêm trọng, khiến năng lượng tái tạo trở thành lựa chọn hàng đầu cho ngành năng lượng trong tương lai Các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, mặt trời, địa nhiệt, sóng biển và thủy triều đang được quan tâm đặc biệt Năng lượng tái tạo không chỉ cải thiện cuộc sống nhân loại mà còn bảo vệ môi trường Hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo đã phát triển tại các vùng sâu, xa và hải đảo, nơi mà việc phát triển lưới điện quốc gia không khả thi về mặt kinh tế Nhiều vùng cô lập trên thế giới hiện nay đã chuyển sang sử dụng hệ thống phát điện kết hợp giữa năng lượng tái tạo và diesel, trong đó điện gió chiếm ưu thế Tại Việt Nam, khảo sát của Ngân hàng Thế giới cho thấy nước ta có tiềm năng năng lượng gió lớn nhất Đông Nam Á, với tổng công suất ước đạt 513.360 MW, gấp hơn 200 lần công suất của Thủy điện Sơn La.
Để đối phó với tình trạng thiếu điện và biến đổi khí hậu, kế hoạch phát triển "điện xanh" từ nguồn năng lượng tái tạo sẽ là giải pháp khả thi trong những năm tới Mục tiêu này không chỉ đảm bảo an ninh năng lượng mà còn góp phần bảo vệ môi trường Gần đây, Chính phủ đã xác định rõ các mục tiêu trong định hướng phát triển này.
“điện xanh” này, trong đó năng lượng gió được xem như là một lĩnh vực trọng tâm
Chính phủ Việt Nam đã thể hiện rõ ràng các chính sách và cơ chế ưu đãi cho lĩnh vực điện gió thông qua các văn bản pháp lý gần đây Ngày 21/7/2011, Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định 1208/2011/QĐ–TTg phê duyệt Quy hoạch Phát triển Điện lực Quốc gia giai đoạn 2011–2020, có tính đến năm 2030 (Quy hoạch điện VII), với mục tiêu ưu tiên khai thác các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó điện gió đóng vai trò quan trọng.
Trong luận án này, cụm từ “vùng sâu, vùng xa, hải đảo” sẽ được viết ngắn gọn là “vùng cô lập” để tránh lặp từ Mục tiêu là tăng tỷ lệ điện năng sản xuất từ nguồn tái tạo từ 3,5% năm 2010 lên 4,5% vào năm 2020 và 6,0% vào năm 2030 so với tổng điện năng sản xuất hàng năm Đặc biệt, đối với nguồn năng lượng gió, dự kiến nâng tổng công suất từ mức 31 MW hiện tại lên khoảng 1.000 MW vào năm 2020, chiếm khoảng 0,7% tổng điện năng sản xuất, và lên khoảng 6.200 MW trong tương lai.
MW (chiếm khoảng 2,4%) vào năm 2030
Chính phủ Việt Nam cam kết mạnh mẽ phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện gió, qua việc ban hành Quyết định số 37/2011/QĐ–TTg vào ngày 29 tháng 6 năm 2011, có hiệu lực từ 20/8/2011, cùng với nhiều quyết định hỗ trợ khác Việt Nam sở hữu hơn 4.000 đảo, nhiều đảo xa bờ khiến việc cấp điện lưới quốc gia không khả thi về mặt kinh tế Hiện tại, việc sử dụng trạm phát điện diesel cho các đảo dẫn đến giá điện cao, tiêu tốn nhiều nhiên liệu và gây ô nhiễm môi trường Do đó, phát triển hệ thống điện hỗn hợp gió – diesel tại các vùng cô lập là cần thiết và phù hợp với xu hướng toàn cầu.
Tình hình nghiên cứu về hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập
Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Năng lượng gió đã được sử dụng từ hàng trăm năm qua, ban đầu để di chuyển thuyền buồm và khinh khí cầu, cũng như tạo công cơ học qua các cối xay gió Ý tưởng sử dụng năng lượng gió để sản xuất điện ra đời sau các phát minh về điện và máy phát điện Ban đầu, cối xay gió chỉ được cải tiến nhẹ, chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học, nhưng sau đó được áp dụng để sản xuất điện Sự phát triển trong khoa học cơ học dòng chảy đã dẫn đến việc thiết kế đặc biệt cho các thiết bị và hình dáng cánh quạt.
Sau những cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào thập niên 1970, nghiên cứu và sản xuất điện từ các nguồn năng lượng thay thế đã được đẩy mạnh trên toàn cầu, bao gồm cả sự phát triển của các tuabin gió.
Quá trình phát triển năng lượng gió để sản xuất điện bắt đầu từ những năm 1970 với các thí nghiệm ban đầu và bùng nổ vào những năm 1980 Năng lượng gió được ứng dụng đầu tiên tại Đức và hiện nay đã lan rộng ra toàn cầu Theo xu hướng này, hệ thống phát điện kết hợp gió - diesel cũng đang được triển khai tại nhiều vùng hẻo lánh.
Trên thế giới, nhiều phòng thí nghiệm đã được thành lập để nghiên cứu hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel, trong đó có NREL (1996) và RERL–Umass (1989) ở Hoa Kỳ, CRES ở Hy Lạp (1995), DEWI ở Đức (1992), RAL ở Anh (1991), EFI ở Na Uy (1989), IREQ (1986) và AWTS (1985) ở Canada, cùng với RISỉ ở Đan Mạch (1984).
Nghiên cứu về hệ thống phát điện gió kết hợp diesel trong lưới cô lập đã chỉ ra rằng việc lựa chọn hệ thống tối ưu là rất quan trọng Nhiều công trình đã tập trung vào việc xác định số lượng và loại tuabin gió cần lắp đặt cho các khu vực kết nối trong hệ thống Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại chưa tính toán cho lưới cô lập, điều này gây ra hạn chế trong việc áp dụng Một số nghiên cứu khác đã xác định được số lượng tuabin gió phù hợp, nhưng chỉ tập trung vào một loại tuabin nhất định, như loại 600kW hoặc 1500kW, điều này cũng cần được mở rộng để nâng cao hiệu quả của hệ thống.
Nghiên cứu chỉ tập trung vào việc tính toán lựa chọn một tuabin gió kết hợp với máy phát điện diesel, không phù hợp cho việc thiết kế trạm điện gió mới tại các đảo Việt Nam Chương trình tính toán được sử dụng trong các nghiên cứu này chủ yếu phục vụ cho toàn bộ vòng đời dự án, thay vì tính toán theo vận hành cụ thể Do đó, cần có nghiên cứu sâu hơn về vận hành ổn định của hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel để đáp ứng nhu cầu thực tiễn.
Nhiều nghiên cứu [85,87] đã tập trung vào việc tối ưu hóa chế độ vận hành của hệ thống phát điện hỗn hợp gió và diesel, bao gồm cả các thiết bị phụ trợ Bên cạnh đó, việc nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao tỷ lệ thâm nhập điện gió cũng là một vấn đề quan trọng cần được xem xét.
Dựa trên các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật như giá thiết bị, hiệu suất, và độ tin cậy, các nghiên cứu đã đánh giá hiệu năng của các công nghệ lưu trữ năng lượng Kết quả cho thấy, bình áp suất lưu trữ năng lượng có thể áp dụng hiệu quả vào hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel cho khu dân cư Cụ thể, với phụ tải đỉnh 851 kW, hệ thống giảm tiêu hao nhiên liệu 27%, trong khi với phụ tải 5 kW, mức giảm lên tới 98% Nghiên cứu này cũng tập trung vào việc cải thiện chất lượng điện năng của hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel.
Sử dụng cuộn siêu cảm làm kho từ trong lưới cô lập với tải 650 kW cho chất lượng tần số cũng như chất lượng công suất tương đối tốt [84]
Hiện nay, việc tích hợp khớp ly hợp điện từ (EMC) vào tuabin gió mới chỉ được đề xuất trong một số nghiên cứu Các nghiên cứu này chủ yếu nhằm khẳng định rằng tuabin gió sử dụng máy phát đồng bộ nối trực tiếp với lưới có chất lượng điện năng tương đương với các loại tuabin gió hiện tại có tốc độ thay đổi.
Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
Việc nghiên cứu và khai thác năng lượng gió ở Việt Nam đã bắt đầu vào những năm
1970 với sự tham gia của nhiều cơ quan Từ năm 1984 với sự tham gia của chương trình
Dự án “Tiến bộ khoa học kỹ thuật cấp nhà nước” về năng lượng mới và năng lượng tái tạo đã phát triển một số hệ thống phát điện gió với công suất từ 120W đến 500W Các hệ thống này được chế tạo bởi Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh và Đại học Bách khoa Hà Nội, nhằm mục đích cung cấp năng lượng cho việc thắp sáng và vận hành máy thu thanh.
Nghiên cứu về điều khiển tuabin gió tại Việt Nam chủ yếu tập trung vào máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía (DFIG), với các phương pháp điều khiển như thuật toán điều chỉnh momen và hệ số công suất, thuật toán phi tuyến dựa trên kỹ thuật Backstepping, và các phương pháp tựa theo thụ động Euler-Lagrange Ngoài ra, nghiên cứu cũng chú trọng đến việc cải thiện chất lượng điện năng của DFIG thông qua ổn định điện áp và khử sai lệch tĩnh Để hỗ trợ cho các sự cố lưới không đối xứng, một phương pháp tựa thụ động đã được đề xuất, kết hợp với lọc tích cực nhằm nâng cao chất lượng điện năng trong điều kiện lưới ổn định Tuy nhiên, thiết kế tuabin gió cần phù hợp với điều kiện gió và khí hậu đặc trưng của Việt Nam, dẫn đến việc chế tạo máy phát điện gió công suất 10–30kW, mặc dù kết quả vận hành vẫn chưa đạt yêu cầu Nghiên cứu cũng hướng tới việc lựa chọn hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel tối ưu.
Nghiên cứu [19] đề xuất lắp đặt tuabin gió với máy phát không đồng bộ roto lồng sóc (SCIG) hoặc máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) cho lưới cô lập, khẳng định rằng SCIG và PMSG vượt trội hơn so với DFIG Tuy nhiên, nghiên cứu này chưa cung cấp mô phỏng hoặc thực nghiệm để kiểm chứng Hơn nữa, nghiên cứu cũng chưa xác định công suất tuabin gió và số lượng tuabin cần lắp đặt Mục tiêu của nghiên cứu là cải thiện vận hành ổn định và tăng tỷ lệ thâm nhập điện gió trong hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng máy phát điện diesel tải thấp có thể nâng tỷ lệ thâm nhập điện gió lên 70% mà vẫn đảm bảo ổn định tần số Để đạt được hiệu quả kinh tế cho nhà đầu tư, cần thiết có chính sách khuyến khích sự tăng trưởng phụ tải và áp dụng các thiết bị phụ trợ mới.
Nghiên cứu [32] đã mô phỏng chế độ vận hành tối ưu để tận dụng tối đa năng lượng gió trên Matlab với hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập, nhưng chưa xem xét phân bố công suất phản kháng cho điện gió và điện diesel Ngoài ra, nghiên cứu cũng chưa đề cập đến giới hạn làm việc của từng máy phát và tỷ lệ thâm nhập điện gió phù hợp.
Phương pháp nghiên cứu
● Thu thập và tổng hợp các tài liệu về hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel
Thiết lập mô hình toán học cho các giải pháp nhằm tăng cường tỷ lệ thâm nhập của điện gió trong hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel mà không cần thiết bị phụ trợ trong lưới điện cô lập.
● Ứng dụng mô hình toán đã đề xuất cho đối tượng cụ thể là hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel ở đảo Phú Quý;
Mô phỏng kiểm nghiệm các giải pháp đề xuất bằng phần mềm chuẩn như MatLab và PSS/adept Kết quả thu được từ mô phỏng sẽ được so sánh với số liệu thực tế để đánh giá hiệu quả của các đề xuất.
Nội dung và bố cục luận án
Hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập là một giải pháp hiệu quả cho việc cung cấp điện năng Đánh giá khả năng kết nối điện gió với lưới cô lập có công suất nhỏ cho thấy tiềm năng lớn trong việc tối ưu hóa nguồn năng lượng Sự kết hợp giữa điện gió và diesel là cần thiết để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong hoạt động của hệ thống.
Khảo sát cho thấy việc ổn định hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel là điều kiện tiên quyết cho vận hành hiệu quả Nghiên cứu đặc tính hoạt động của hệ thống trong lưới cô lập giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng mạnh đến tính ổn định Từ đó, đề xuất các biện pháp cải thiện và nâng cao tính ổn định của hệ thống này.
Khảo sát cho thấy chế độ làm việc của hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel chưa hiệu quả Luận án đề xuất thuật toán và giải pháp tối ưu nhằm khai thác tối đa năng lượng gió, từ đó tiết kiệm nhiên liệu diesel và bảo vệ môi trường Ngoài ra, các khảo sát chỉ ra rằng tuabin gió lắp đặt tại các vùng cô lập cần thêm thiết bị phụ trợ để nâng cao chất lượng điện năng và tỷ lệ thâm nhập điện gió Do đó, cần phát triển loại tuabin gió chuyên dụng cho vùng cô lập và tích hợp EMC vào tuabin gió để cải thiện chất lượng điện năng.
Khảo sát các hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel cho thấy việc lựa chọn số lượng và công suất tuabin gió chưa hợp lý Luận án đề xuất một chương trình tính toán tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống này trong quá trình vận hành Qua đó, xác định được các loại tuabin gió và số lượng tương ứng phù hợp cho việc lắp đặt mới tại các vùng cô lập.
Mở đầu , giới thiệu về tính cấp thiết, xác định mục đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Chương 1 trình bày tổng quan về hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập, nhấn mạnh vai trò của nguồn năng lượng tái tạo trong việc cung cấp điện năng bền vững Chương 2 tập trung vào mô hình hóa hệ thống này, với mục tiêu đề xuất mô hình toán học nhằm tối ưu hóa hiệu quả khai thác năng lượng gió, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của các hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong điều kiện lưới cô lập.
Chương 3 tập trung vào nghiên cứu tính ổn định của hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập Mục tiêu chính là xây dựng bài toán áp dụng cho mô hình khảo sát ổn định đã được thiết lập ở chương 2 Kết quả khảo sát nhằm xác định các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ thống này, từ đó đề xuất các phương pháp nhằm nâng cao tính ổn định của hệ thống phát điện.
Chương 4 tập trung vào nghiên cứu nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống phát điện hỗn hợp gió - diesel trong lưới cô lập Mục tiêu chính của chương này là phát triển bài toán áp dụng cho các thuật toán và chương trình vận hành đã được đề xuất ở chương 2, nhằm tối ưu hóa việc khai thác nguồn năng lượng gió.
Chương 5 trình bày phương pháp xác định loại và số lượng tuabin gió phù hợp với các trạm điện diesel hiện có tại vùng cô lập Mục tiêu chính là nghiên cứu và đề xuất giải pháp tối ưu nhằm kết hợp hiệu quả giữa năng lượng gió và năng lượng diesel, đảm bảo cung cấp điện ổn định cho các khu vực này.
Kết luận và kiến nghị : Tổng kết các đóng góp của luận án và kiến nghị hướng phát triển tiếp theo.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Luận án nghiên cứu cấu trúc điều khiển và thuật toán vận hành cho hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập, nhằm nâng cao khả năng thâm nhập điện gió Đồng thời, nó phát triển phương pháp tính toán để xác định loại và số lượng tuabin gió phù hợp với trạm điện diesel, tạo cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo và là tài liệu hữu ích cho việc học tập.
Nghiên cứu này đã tính toán kết quả nhằm áp dụng cho hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel tại đảo Phú Quý và các vùng tương tự.
TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ –
Ứng dụng điện gió ở vùng cô lập
1.2.1 Tiềm năng gió của Việt Nam
Việt Nam được Ngân hàng Thế giới xác định là quốc gia có tiềm năng năng lượng gió lớn nhất Đông Nam Á, nhờ vào bờ biển dài hơn 3.200 km, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển nguồn điện từ năng lượng gió Theo thống kê, mật độ năng lượng gió tại Việt Nam nằm trong mức trung bình và lớn so với thế giới Với 8,6% diện tích đất (khoảng 28.000 km²) có tiềm năng gió được đánh giá tốt và rất tốt, Việt Nam được xem là một trong những nước có khả năng phát triển nguồn điện từ năng lượng gió lớn.
Bảng 1.1 Thống kê tốc độ gió trung bình do EVN và Ngân hàng Thế giới khảo sát [78] Địa điểm Tốc độ gió trung bình ở độ cao 65 m trên mặt đất (m/s)
EVN Ngân hàng thế giới
Phước Minh, Ninh Thuận 7,22 8,03 Đà Lạt, Lâm Đồng 6,88 7,57
Hình 1.1 (a) Tiềm năng gió ở đất liền của Việt Nam; (b) Tiềm năng gió ở Biển Đông [78]
Kết quả khảo sát cho thấy nhiều hải đảo và các tỉnh duyên hải từ Bình Định đến Bình Thuận, cùng với Tây Nguyên và dãy Trường Sơn ở Bắc Trung bộ Việt Nam, là những khu vực lý tưởng cho việc lắp đặt hệ thống tuabin gió.
Tốc độ gió tối ưu cho vận hành thương mại của tuabin gió ở độ cao 40 ÷ 60m là khoảng 6 ÷ 7 m/s Tại Việt Nam, tốc độ gió trung bình ở độ cao 30m khoảng 4 ÷ 5 m/s, đặc biệt ở các vùng ven biển Một số hòn đảo độc lập có tốc độ gió vượt quá 9 m/s, cho thấy tiềm năng lớn trong việc khai thác năng lượng gió.
Việt Nam sở hữu hơn 4.000 đảo với tổng diện tích trên 1.720 km², chủ yếu tập trung ở vùng Đông Bắc với 2.321 đảo Các quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa nằm xa bờ, nhiều đảo khó tiếp cận lưới điện quốc gia Tuy nhiên, hầu hết các đảo đều thích hợp cho việc lắp đặt tuabin gió.
1.2.2 Hệ thống phát điện gió hoạt động độc lập
Hệ thống phát điện gió độc lập thường được áp dụng ở những vùng hẻo lánh, bao gồm tuabin gió nhỏ và bộ nạp acqui, nhằm cung cấp điện cho các thiết bị gia đình.
Hình 1.2 Hệ thống phát điện gió làm việc độc lập
Hệ thống này cần thiết bị lưu trữ như ắc quy để khởi động và lưu trữ năng lượng Khi máy phát kết nối trực tiếp với phụ tải, thiết bị lưu trữ sẽ giúp đảm bảo sự ổn định cho toàn bộ hệ thống.
Hệ thống này thường có công suất nhỏ, nhưng nếu công suất lớn, cần sự phối hợp tốt giữa các thiết bị phụ trợ như thiết bị lưu trữ để khởi động và nạp điện khi phát thừa, cũng như cung cấp điện cho tải khi nguồn không đủ Bên cạnh đó, tải giả (dumpload) giúp cân bằng công suất khi phát lớn hơn tiêu thụ, cùng với hệ thống điều khiển hiệu quả Tuy nhiên, chi phí cho hệ thống này cao hơn so với các phương pháp sản xuất điện năng khác.
1.2.3 Hệ thống phát điện gió kết hợp với diesel
Hệ thống phát điện gió kết hợp diesel là giải pháp lý tưởng cho các vùng cô lập, nơi việc mở rộng lưới điện quốc gia tốn kém Chi phí lắp đặt hệ thống pin mặt trời lớn và việc lưu trữ điện năng lâu dài trên acqui cũng làm tăng chi phí bảo trì và vận hành Do đó, lựa chọn hệ thống phát điện gió kết hợp diesel trở thành phương án phù hợp cho những khu vực này.
Hệ thống phát điện gió kết hợp diesel hoạt động như một lưới nhỏ và cô lập, bao gồm trạm điện gió, trạm điện diesel, hệ thống lưu trữ và tải giả Các thành phần này được kết nối qua lưới phân phối, giúp truyền tải điện năng tới các hộ tiêu thụ.
Hình 1.3 Hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel [50,51,56]
Trong hệ thống phát điện gió kết hợp diesel, bộ chuyển đổi quay có thể được thay thế bằng bộ chuyển đổi điện tử công suất, mang lại hiệu quả cao hơn cho quá trình chuyển đổi năng lượng.
Hệ thống phát điện gió kết hợp diesel đã được xây dựng tại Việt Nam, như được nêu trong Bảng 1.2 Một trong những ví dụ là máy phát điện gió 30 kW theo công nghệ Nhật Bản tại Hải Hậu, Nam Định, là trạm phát điện hỗn hợp thử nghiệm giữa điện gió và diesel; tuy nhiên, hiện nay hệ thống này đã ngừng hoạt động.
Bảng 1.2 So sánh các dự án phát điện gió nối lưới cô lập [19]
T Cấu hình Nguyên lý nối lưới Hệ thống phụ trợ Đánh giá
I Lý thuyết Điện gió + diesel + hệ thống lưu trữ năng lượng + tải giả
Nên sử dụng hệ thống phát điện gió kết nối lưới gián tiếp qua bộ biến đổi
Hệ thống lưu trữ năng lượng và tải giả
Hệ thống ổn định và có thể đạt mức thâm nhập cao (mức độ thâm nhập tức thời từ 100% ÷ 400%, mức độ thâm nhập trung bình 50% ÷ 150%)
1 Phú Quý Điện gió (3x2 MW) + diesel (6x0,5 MW)
DFIG, nối lưới trực tiếp
Không có Hoạt động chưa thực sự ổn định, tỷ lệ thâm nhập điện gió chưa cao, chưa khai thác được hết ba tuabin gió
Long Vĩ Điện gió (800 kW) + máy diesel (2x414 kVA)
SCIG nối lưới gián tiếp
Không có Vận hành hệ thống hỗn hợp gió
– diesel rất phức tạp Không đảm bảo được công tác vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa dẫn
Bộ chuyển đổi dạng quay
Bộ lưu trữ điện năng
Hộ tiêu thụ Trạm điện diesel
Báo cáo của NREL (National Renewable Energy Laboratory) chỉ ra rằng để hệ thống phát điện hỗn hợp gió - diesel hoạt động hiệu quả với tỷ lệ thâm nhập điện gió cao, cần có hệ thống điều khiển phức tạp và các giải pháp kỹ thuật phù hợp Mặc dù nhiều dự án đã áp dụng thành công mô hình này, không phải tất cả đều đạt được kết quả như mong đợi.
1.2.4 Hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel ở Phú Quý Ở Việt Nam đã có một số hệ thống phát điện sử dụng năng gió kết hợp với điện diesel Trong số đó chỉ còn hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel ở đảo Phú Quý đang vận hành và có tính chất tiêu biểu hơn (quy mô lớn nhất và hiệu quả nhất), nên luận án chọn làm đối tượng chính cho các tính toán và phân tích cũng như so sánh
Trạm điện gió 3x2 MW Trạm điện diesel
Hình 1.4 (a) Lưới điện 22kV trên đảo Phú Quý; (b) Hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trên đảo Phú
Trạm phát điện diesel, hoạt động từ năm 1999, bao gồm 6 máy phát VTA–28 của hãng Cummin với công suất danh định 500 kW (625 kVA) và công suất tối thiểu 165 kW Hệ thống điện áp đầu cực là 0,4 kV với hệ số công suất 0,8, kết nối lưới 22 kV thông qua 3 máy biến áp 1600 kVA làm việc song song Lưới điện 22 kV có tổng chiều dài khoảng 21,5 km, bao gồm hai phát tuyến 471 và 472.
Kể từ năm 2011, trạm điện gió đã được đưa vào hoạt động song song với trạm điện diesel, bao gồm 3 tuabin gió V80–2MW của Tập đoàn Vestas Mỗi tuabin có công suất danh định 2,0 MW và điện áp 690 V, kết nối với lưới 22 kV qua máy biến áp khô 2,1 MVA, 22/0,69 kV, YN/yn–0 Công suất tối thiểu của mỗi tuabin là 500 kW khi tốc độ gió từ 7,2 m/s đến 17,8 m/s, và từ 550 kW đến 800 kW khi tốc độ gió từ 17,8 m/s đến 25 m/s.
Khái quát về tuabin gió và máy phát điện diesel
1.3.1.1 Cấu trúc chung của tuabin gió
Tuabin gió bao gồm ba phần chính: phần khí động lực, phần cơ và phần điện Cấu trúc của tuabin gió được lắp đặt tại Phú Quý cho phép chuyển đổi động năng của gió thành động năng quay với tốc độ thấp Hộp số sẽ tăng tốc độ quay từ mức thấp lên mức cao để phù hợp với yêu cầu của máy phát điện Máy phát điện sau đó chuyển đổi cơ năng thành điện năng, và bộ chuyển đổi sẽ điều chỉnh điện năng này để tương thích với lưới điện.
Hình 1.5 Các phần hợp thành và kết nối với tuabin gió [26]
Hình 1.6 Cấu trúc tuabin gió V80–2 MW [79,80]
(1) Bộ điều khiển trên nắp chụp trục tuabin (6) Hộp số (11) Máy biến áp tăng áp (16) Bệ máy
(2) Bộ điều chỉnh góc nghiêng cánh
(7) Đĩa phanh (12) Cánh tuabin (17) Bánh răng điều chỉnh hướng tuabin
(3) Trục lắp cánh (8) Cầu trục (13) Bạc đỡ cánh tuabin (18) Trục tốc độ cao
(4) Trục tốc độ thấp (9) Bộ điều khiển ở nắp trên
(14) Hệ thống khóa roto (19) Máy phát điện
(5) Bộ làm mát dầu (10) Cảm biến siêu âm đo gió
(15) Khối thủy lực (20) Bộ làm mát máy phát
Ngoài ra để tuabin gió hoạt động được cần có một hệ thống điều khiển để phối hợp hoạt động giữa các bộ phận với nhau
1.3.1.2 Đặc tính làm việc điển hình của tuabin
Trong quá trình vận hành, cần điều chỉnh tốc độ của tuabin theo tốc độ gió và năng lượng đến cánh để tối ưu hóa việc thu nhận năng lượng Khi tốc độ gió thấp, tuabin cần hoạt động ở mức tối đa, trong khi khi tốc độ gió cao, cần cắt giảm năng lượng để đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Quá trình điều chỉnh đó sẽ thu được đặc tính công suất theo tốc độ gió như Hình 1.7
Hình 1.7 Đường cong P(V) biểu diễn công suất tuabin phụ thuộc theo vận tốc gió
(a) Đường cong P(V) dạng tổng quát ; (b) Đường cong P(V) của tuabin gió V80–2 MW [23,26,80,79]
Trên đặc tính vận hành của một tuabin ở Hình 1.7 có 4 vùng chính là:
● V ng I tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ khởi động VD của tuabin Trong trường hợp này tuabin gió không hoạt động và không phát điện
Vùng II có tốc độ gió nằm trong khoảng (VD, VN), là khu vực tối ưu cho việc biến đổi năng lượng Ở đây, sự thay đổi tốc độ gió là rất quan trọng để đạt được công suất tối đa có thể.
Trong điều kiện gió cấp III, công suất gió tăng lên, tuy nhiên công suất của tuabin bị giới hạn bởi công suất danh định PN Khi tốc độ gió vượt quá giá trị danh định VN, việc tăng kích thước và công suất máy phát cũng như sức bền cơ của cấu trúc sẽ không mang lại lợi ích sản xuất điện đủ lớn để bù đắp cho chi phí đầu tư ban đầu.
Khi tốc độ gió vượt quá giới hạn an toàn mà tuabin gió có thể chịu đựng, hệ thống dừng khẩn cấp sẽ ngừng hoạt động của tuabin để bảo vệ các bộ phận cơ khí khỏi hư hỏng.
1.3.1.3 Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của tuabin
Nếu một khối không khí chuyển động với vận tốc V có thể thu hồi hoàn toàn động năng bằng thiết bị có diện tích A vuông góc với phương chuyển động, thì công suất tức thời sẽ được tính toán dựa trên các yếu tố này.
Tốc độ cực đại (cut–out) Tốc độ định mức
(1.1) với ρ tỷ trọng của không khí (1,225 kg/m 3 ở mực nước biển)
Hình 1.8 (a) thể hiện đặc tính C p – λ của các loại tuabin với thiết kế cánh khác nhau, trong khi (b) mô tả mối quan hệ giữa C p, tốc độ riêng λ và góc nghiêng cánh β của tuabin 3 cánh.
Trong thực tế, tuabin khai thác công suất nhỏ hơn công suất sẵn có Pw0 vì tốc độ của khối không khí phía sau tuabin không bằng không Để xác định hiệu suất của tuabin, ta áp dụng công thức Betz.
Hiệu quả thu nhận năng lượng của tuabin bị ảnh hưởng bởi đặc tính khí động và các quá trình biến đổi, do đó luôn thấp hơn giới hạn tối đa.
Tốc độ riêng, được định nghĩa là tỷ số giữa tốc độ đầu cánh Vtop và tốc độ gió V, là một biến không thứ nguyên quan trọng để đánh giá các tính năng khởi động của tuabin Biểu thức này thể hiện mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất khởi động của thiết bị.
(1.3) với Ω là tốc độ quay của tuabin, Rwt là bán kính tuabin
Hiệu suất khí động ηa được tính theo công thức (1.4) là biểu diễn “chất lượng khí động” của tuabin trong điều kiện điều chỉnh tốt nhất p a m ax p
Trong thực tế cánh tuabin được điều chỉnh theo yêu cầu của hệ thống, nên hiệu suất khí động được biểu diễn bằng biểu thức sau: p a m ax p
Góc nghiêng cánh β (1.5) là góc giữa trục tham chiếu của mặt cắt cánh và mặt phẳng quay Một trong những đặc trưng thống kê quan trọng nhất của tuabin là các đường cong hiệu suất Cp, được xác định theo tốc độ riêng λ và góc nghiêng cánh β.
1.3.1.4 Điều chỉnh khí động của tuabin
Trong việc điều chỉnh tốc độ tuabin theo tốc độ gió, có nhiều nguyên lý khí động học khác nhau Tuy nhiên, trong khuôn khổ của luận án này, chúng tôi chỉ tập trung vào phương pháp điều khiển góc nghiêng cánh, hay còn gọi là phương pháp điều khiển kiểu pitch.
Hệ thống điều chỉnh kiểu pitch sử dụng phương pháp thay đổi góc nghiêng cánh để điều chỉnh tỷ lệ lực kéo và lực cản, từ đó kiểm soát tốc độ tuabin Hệ thống này tối ưu hóa góc tới để đạt công suất cực đại hoặc hạn chế tốc độ khi gió vượt quá tốc độ danh định VN.
Hình 1.9 Phương pháp điều chỉnh khí động theo kiểu pitch
(a) Lực tác dụng lên thành phần cánh; (b) Hệ số cản C D và hệ số nâng C L [34]
Hình 1.10 Đồ thị mô tả các đặc tính của tuabin điều khiển kiểu pitch [34]
Khi tốc độ gió tăng từ V0 lên V1, góc Φ giữa dòng khí và cánh tăng lên, dẫn đến việc bộ điều khiển phải tăng góc nghiêng β để giảm góc tới α Kết quả là hệ số nâng CL giảm, trong khi hệ số cản C D gần như không thay đổi Bộ điều khiển điều chỉnh lực nâng FL nhằm giữ lực tiếp tuyến F r trong mặt phẳng roto ổn định Phương pháp này cũng giúp giảm lực cơ F T khi tăng góc nghiêng β, tạo ra ưu điểm trong thiết kế tua bin gió Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là cần một nỗ lực lớn để điều chỉnh đáng kể góc nghiêng β khi có biến động năng lượng gió.
Nói chung việc thay đổi góc tới của cánh có bốn tác dụng:
● Khởi động ở tốc độ gió VD thấp nhất;
● Tối ưu chế độ biến đổi năng lượng khi tốc độ gió thay đổi giữa các giới hạn [VD,V N ];
● Điều chỉnh hạn chế công suất khi V > V N ;
● Bảo vệ máy chống lại tốc độ gió quá mạnh V >V M bằng cách xếp cánh (giảm diện tích hứng gió về không)
Hệ thống này điều chỉnh hoạt động của tuabin bằng cách thay đổi góc nghiêng β, nhằm đáp ứng yêu cầu từ giai đoạn khởi động (v ng I) đến chế độ điều chỉnh tốc độ (v ng II và III), cho đến khi xảy ra hiện tượng vượt tốc khí động (v ng IV) của tuabin.
So sánh phương pháp điều chỉnh pitch với một số phương pháp khác:
◊ Hệ thống tốc độ không đổi nhờ nhả khí động – stall [34]
Hệ thống kiểu tốc độ không đổi và góc nghiêng cánh không đổi:
Hình 1.11 Đồ thị mô tả các đặc tính của tuabin kiểu tốc độ không đổi và góc nghiêng cánh không đổi
Hệ thống kiểu tốc độ không đổi và góc nghiêng cánh thay đổi : [34]
Hình 1.12 Đồ thị mô tả các đặc tính của tuabin kiểu tốc độ không đổi và góc nghiêng cánh thay đổi
◊ Hệ thống có tốc độ thay đổi kiểu nhả khí động – passive stall [34]
P ( kW ) Đặc tính lý tưởng Đặc tính thực
M omen T ( Nm ) P ( kW ) Đặc tính lý tưởng Đặc tính thực
Hình 1.13 Đồ thị mô tả các đặc tính của tuabin kiểu passive–stall
So sánh DFIG với các dạng máy phát điện khác được sử dụng cho hệ thống phát điện gió để thấy rõ ưu điểm cũng như nhược điểm
Điều khiển hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel
Hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập được điều khiển theo ba cấp khác nhau, bao gồm cả điều khiển ở cấp độ mili giây Các cấp điều khiển này có chức năng cụ thể để tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.
Điều khiển cấp I là cấp điều khiển trực tiếp tại từng nguồn phát, với cấu trúc tổng quát như Hình 1.19 Chức năng của nó là điều chỉnh công suất, điện áp và tần số một cách tức thời khi có sự thay đổi Đối với tuabin gió, hệ thống điều khiển bao gồm cả cấp 1 và cấp 2, như được thể hiện trong Hình 1.15.
Hình 1.18 Đặc tính độ dốc sử dụng để điều khiển nguồn phát công suất [14,45,69]
Hình 1.19 Sơ đồ điều khiển theo đặc tính độ dốc khi có thay đổi tần số, điện áp [45]
Q ref Q Điều khiển Q Điều khiển theo hệ trục d-q
Hình 1.20 Cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel
Điều khiển cấp II điều chỉnh các thông số điện áp và tần số theo đặc tính độ dốc của nguồn phát khi các thông số này vượt quá giới hạn tiêu chuẩn vận hành do biến động lớn của phụ tải Cấp điều khiển này cũng phân chia phụ tải một cách cân đối cho từng nguồn phát cụ thể, vì các máy phát trong trạm phát điện có đặc tính không hoàn toàn giống nhau, dẫn đến sự tự phân chia phụ tải không đều Thời gian đáp ứng của cấp điều khiển này thường tính bằng phút.
Điều khiển cấp III tối ưu hóa sản xuất điện bằng cách sử dụng dữ liệu dự đoán về phụ tải và tốc độ gió, kết hợp với các thông số đo đạt hiện tại Ở cấp độ này, hệ thống được điều chỉnh theo chế độ vận hành đã được thiết lập trước đó, có thể là một ngày hoặc nhiều giờ Đồng thời, hệ thống cũng điều chỉnh để đảm bảo các thông số điện áp và tần số trên lưới nằm trong giới hạn tiêu chuẩn vận hành Thời gian đáp ứng của cấp điều khiển này thường kéo dài trong vài phút.
Vấn đề phân cấp điều khiển trong hệ thống phát điện gió – diesel đã được tổng hợp từ nhiều nghiên cứu quan trọng [25,35,45,88] Để có cái nhìn sâu hơn về vấn đề này, độc giả có thể tham khảo các công trình nghiên cứu đã được đề cập.
Trạm điện gió thường được điều khiển dựa trên các vòng điều khiển kinh điển như cân bằng công suất, sai lệch công suất, công suất tác dụng, công suất phản kháng, hệ số công suất, tần số, điện áp và xử lý sự cố Nghiên cứu đề xuất bổ sung các vòng điều khiển mới như: vòng điều khiển đáp ứng quán tính với sai lệch và vi phân tần số để điều chỉnh công suất tác dụng theo biến động tần số; vòng điều khiển chống dao động công suất dựa trên thông số công suất và dòng điện; và vòng điều khiển đồng bộ công suất theo sai lệch góc roto giữa các máy Hệ thống điều khiển được phân chia thành ba cấp: ĐK I (điều khiển thiết bị tại hiện trường), ĐK II (điều khiển cấp trạm hoặc nhà máy điện) và ĐK III (điều khiển toàn bộ hệ thống).
Tải phát và sai lệch góc điện áp giữa các nút Các nghiên cứu chuyên sâu về vấn đề này được trình bày trong [21,22,54]
Hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel đang gặp nhiều hạn chế trong việc vận hành, dẫn đến tỷ lệ thâm nhập điện gió trên toàn cầu còn thấp Để khắc phục tình trạng này, cần tiến hành nghiên cứu chuyên sâu cho từng điều kiện cụ thể và từng phạm vi công suất nhất định.
Vận hành hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel
Trong hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel với lưới cô lập, chất lượng điện năng và mức thâm nhập điện gió có mối quan hệ tỷ lệ nghịch Khi công suất phát của trạm điện gió chiếm ưu thế, biến động công suất lớn xảy ra khi tốc độ gió thay đổi, trong khi số lượng máy phát điện diesel ít ỏi không đủ khả năng bù đắp cho những biến động này Hệ quả là các thông số trạng thái trong hệ thống dao động mạnh, dẫn đến chất lượng điện năng kém Do đó, cần cân nhắc ưu tiên nâng cao chỉ tiêu nào dựa trên yêu cầu của phụ tải.
Hình 1.21 Biểu đồ minh họa định tính quan hệ giữa chất lượng điện năng và tỷ lệ thâm nhập điện gió với các điều kiện khác
Các thông số chính ảnh hưởng đến chất lượng điện năng mà luận án tập trung vào là điện áp và tần số Những yếu tố này được quy định trong hệ thống điện phân phối theo Thông tư 32/2010/TT-BCT của Bộ Công Thương.
Tần số định mức trong hệ thống điện quốc gia là 50Hz, với dao động trong phạm vi ±0,2Hz trong điều kiện bình thường Khi hệ thống điện chưa ổn định, tần số có thể dao động trong phạm vi ±0,5Hz so với tần số định mức.
Giới hạn chất lượng 0 theo tiêu chuẩn Giới hạn ổn định
Công suất lắp đặt trạm điện gió
P t_1 < P t_2 < P t_3 < P t_4 < P t_5 Đường cong g thể hiện chất lượng điện năng g(P t_1 ) g(P t_2 ) g(P t_3 ) g(P t_4 ) g(P t_5 )
Giới hạn do điều kiện vận hành
● Tiêu chuẩn kỹ thuật về điện áp:
Trong chế độ vận hành bình thường, điện áp tại điểm đấu nối được phép dao động so với điện áp danh định Cụ thể, tại điểm đấu nối với khách hàng sử dụng điện, mức dao động cho phép là ±5%, trong khi tại điểm đấu nối với nhà máy điện, điện áp có thể tăng lên tối đa 10% và giảm xuống tối thiểu 5%.
Trong chế độ sự cố đơn lẻ hoặc khi khôi phục vận hành ổn định, mức dao động điện áp tại điểm đấu nối với khách hàng bị ảnh hưởng trực tiếp bởi sự cố được cho phép trong khoảng +5% đến -10% so với điện áp danh định.
Trong chế độ sự cố nghiêm trọng của hệ thống điện truyền tải hoặc trong quá trình khôi phục sự cố, mức dao động điện áp được cho phép trong khoảng ±10% so với điện áp danh định Để dễ dàng biểu diễn định tính về chất lượng điện năng, luận án quy đổi các thông số đánh giá liên quan đến điện áp và tần số.
Trong đó: UN, fN – điện áp và tần số danh định theo tiêu chuẩn;
U, f – thông số trạng thái về điện áp và tần số trên lưới;
∆U+, ∆U- – biên độ dao động cho phép theo giới hạn trên và giới hạn dưới đối với điện áp;
∆f+, ∆f- – biên độ dao động cho phép theo giới hạn trên và giới hạn dưới đối với tần số
Tổng hợp hai chỉ tiêu chất lượng điện năng về điện áp và tần số thành một chỉ tiêu chung theo thông số xấu nhất:
U f g m in g , g (1.8) với miền giá trị cho phép từ 0% đến 100% và giá trị của g càng gần 100% thì chất lượng điện áp và tần số càng tốt.
Tổng kết chương
Hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel là giải pháp tối ưu cho các vùng cô lập, trong đó tuabin gió đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác tài nguyên gió tự nhiên Các máy phát điện diesel không chỉ đảm bảo nguồn dự phòng nóng mà còn cung cấp công suất phản kháng cho phụ tải Ngoài ra, chúng còn giúp duy trì các thông số trạng thái của lưới, tạo điều kiện cho tuabin gió sử dụng DFIG điều khiển bám theo.
Chương này tóm tắt hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập, đồng thời phân tích các đặc tính kỹ thuật của tuabin gió sử dụng DFIG và máy phát điện diesel Ngoài ra, chương cũng xem xét cấu trúc điều khiển của hệ thống này, tạo nền tảng cho các phân tích, khảo sát và tính toán trong các chương tiếp theo.
Equation Chapter (Next) Section 1Equation Section (Next)
MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ – DIESEL 28 2.1 Đặt vấn đề
Mô hình toán các nguồn điện
2.2.1.1 Mô hình DFIG ở trạng thái xác lập
Sơ đồ mạch thay thế tương đương một pha cho DFIG như Hình 2.1
Hình 2.1 Sơ đồ mạch tương đương dạng một pha của DFIG
(a) Sơ đồ mạch chi tiết [58]; (b) Sơ đồ mạch chuyển đổi Thevenin
Phương trình cân bằng điện áp: s s s s s m 0
U’r – điện áp roto quy đổi về phía stato
I’r – dòng điện roto quy đổi về phía stato
R s – điện trở dây quấn stato
R’r – điện trở dây quấn roto
Xσs – điện kháng tản trên stato
X’σr – điện kháng tản trên roto quy đổi về phía stato
X m – điện kháng hỗ cảm giữa stato và roto s – hệ số trượt
Thông số chuyển đổi theo sơ đồ Thevenin:
r m r m r r th s s s s r r r m r m jX R ' jX ' jX R ' jsX '
Hình 2.2 Biểu diễn dòng công suất trong DFIG trên sơ đồ mạch tương đương [58]
Hình 2.3 Đặc tính công suất của DFIG theo hệ số trượt [86]
Trong Hình 2.2: ∆P s , ∆Pr – tổn thất công suất trong dây quấn stato và dây quấn roto; P s ,
P r – công suất điện trong stato và trong roto; P wt – công suất cơ nhận được từ phần tuabin,
Pδ – công suất truyền qua khe hở không khí giữa roto và stato
Công suất truyền qua khe hở không khí tính theo công suất cơ nhận từ tuabin:
Trên đồng bộ Dưới đồng bộ s
Trên đồng bộ Dưới đồng bộ s
Trong đó: e{X} – phần thực của số phức X; X * – số phức liên hợp với X; |X| – modun của số phức X
Công suất truyền qua khe hở không khí tính theo thông số phía stato:
Mặc khác cũng có thể biểu diễn:
Từ biểu thức trên ta có thể viết:
Nếu xem P r s P s thì có biểu diễn sau: r s
(2.9) Công suất cơ tính theo thông số trên mạch:
2.2.1.2 Mô hình DFIG theo hệ trục d-q
Phương trình điện áp tính theo từ trường [76]: s s s s s s s d u R i d t
Các chỉ số trên s và r được sử dụng trong các phương trình theo hệ trục gắn với stato (s) hoặc roto (r) Khi chuyển đổi các phương trình (2.11) và (2.12) sang hệ trục q-d, ta thu được: dqs dqs s dqs s dqs d u R i j dt.
Hình 2.4 (a) Sơ đồ mạch tương đương DFIG trên hệ trục d-q; (b) Sơ đồ mạch quy đổi DFIG theo Thevenin
Vận tốc góc của từ trường quay stato được ký hiệu là ωs, trong khi vận tốc góc quay cơ học của roto là ωr Vận tốc góc của từ trường quay roto được gọi là ωslip Mối quan hệ giữa các đại lượng này được thể hiện qua công thức: u s e th z sth i s i m.
Stato của máy DFIG nối trực tiếp với lưới điện có tần số từ trường không đổi, với vận tốc góc ωs = 2πfs/np, trong đó np là số đôi cực từ Ngược lại, roto kết nối với bộ biến đổi, khiến tần số từ trường roto fslip thay đổi theo hệ số trượt s, cụ thể là fslip = s.fs, và vận tốc góc của roto được tính bằng ωslip = 2πfslip/np.
Cụ thể hóa hệ phương trình trên ta có hệ sau: ds qs ds qs s ds qs s ds qs d ( j ) u ju R (i ji ) j ( j ) dt
(2.16) dr qr dr qr r dr qr s r dr qr d ( ' j ' ) u ' ju ' R ' (i ' ji ' ) j( ).( ' j ' ) dt
Phân tích riêng rẽ các thành phần thực và ảo của hệ phương trình trên, ta được hệ sau: d s d s s d s s q s u R i d d t
(2.18) qs qs s qs s ds u R i d dt
(2.20) qr qr r qr s r dr d ' u ' R ' i ' ( ) ' dt
Với L s L s L m , L r L ' r L m ; Ls, Lr là điện cảm của stato, roto
Công suất trên stato của DFIG tính theo tọa độ dq: s d s q s d s q s
Qua các phép biến đổi ta nhận được: s d s d s q s q s
Nếu điện áp cấp phía stato có dạng lý tưởng thì u ds = 0, khi đó P s và Q s : s q s q s
Trong trường hợp lý tưởng có thể xem từ trường trên stato không đổi về độ lớn, chỉ thay đổi phương, chiều d q s d
Khi đó ta có thể quy đổi sang mạch tương đương theo Thevenin như Hình 2.4b [44] với: u z i e (2.29) sth s s z R j L '
2.2.1.3 Mô hình trạm phát điện gió
Trong chế độ làm việc thông thường, dòng điện từ hóa của máy biến áp thấp hơn nhiều so với dòng điện sơ cấp và dòng thứ cấp quy đổi về sơ cấp Do đó, sơ đồ thay thế trạm điện gió có thể được đơn giản hóa như trong Hình 2.6.
Hình 2.5 Sơ đồ mạch tương đương trạm điện gió ở chế độ xác lập
Hình 2.6 Sơ đồ mạch đơn giản của trạm điện gió ở chế độ xác lập
Khi xảy ra ngắn mạch trên đường dây trạm điện gió, bộ phận bảo vệ roto của DFIG sẽ kết nối các cuộn dây roto với điện trở phụ Rcrowbar Điều này khiến DFIG chuyển sang hoạt động như WRIG với roto nối vào điện trở phụ, và máy phát sẽ hoạt động theo đặc tính mới của WRIG Sơ đồ mạch tương đương trong tình huống này được thể hiện rõ ràng trong tài liệu nghiên cứu.
Phương trình cân bằng điện áp khi xảy ra ngắn mạch trên đường dây phía trạm điện gió:
DFIG Máy biến áp trên tuabin
Trạm điện diesel Đường dây
DFIG Máy biến áp trên tuabin
Trạm điện diesel Đường dây
Hình 2.7 Sơ đồ mô tả chế độ hoạt động của DFIG khi lưới bị sự cố [55]
(a) Sơ đồ điều khiển; (b) Đặc tính công suất theo tốc độ
Hình 2.8 Sơ đồ mạch tương đương khi có ngắn mạch trên đường dây gần trạm điện gió
Sơ đồ thay thế tương đương một pha cho SG d ng trong máy phát điện diesel được trình bày trong Hình 2.9a, trong khi Hình 2.9b thể hiện các thông số trạng thái của dòng và áp trong máy phát.
Hình 2.9 (a) Sơ đồ mạch tương đương một pha của SG; (b) Đồ thị vectơ dòng và áp trong SG
Khi cung cấp nguồn một chiều (Ikt) cho dây quấn kích từ của máy đồng bộ, sẽ tạo ra từ trường roto với tốc độ quay tương đương với tốc độ của động cơ sơ cấp Từ trường này sẽ cắt qua dây quấn phần ứng stato, dẫn đến việc cảm ứng sức điện động xoay chiều hình sin, được biểu diễn qua công thức: \( e = -\omega k \Phi \sin(\omega t + \delta) \).
(2.35) Đặc tính của DFIG Đặc tính của WRIG
Máy phát Động cơ n m in n max n N
Công suất định mức WRIG Công suất định mức DFIG Công suất định mức stato 1
-P (pu) Điều khiển GSC i abcr
Lưới điện Điều khiển bảo vệ u dc
DFIG Máy biến áp trên tuabin gió
Eds0, w ds1, k dsdq và Φds0 là các yếu tố quan trọng trong tính toán sức điện động pha, số vòng dây một pha, hệ số dây quấn và từ thông cực từ roto Tốc độ từ trường quay được quy đổi về tốc độ điện trong lưới là ω e = πf Ngoài ra, δ0 biểu thị góc lệch giữa Uds và Eds0.
Điện trở dây quấn stato thường nhỏ hơn nhiều so với điện kháng, vì vậy có thể bỏ qua trong các tính toán khảo sát Do đó, phương trình tính toán điện áp đầu cực của máy phát được đơn giản hóa.
Các điều kiện ràng buộc trong vận hành
Quá trình tính toán vận hành phải thỏa mãn các điều kiện trong Bảng 2.1
Bảng 2.1 Điều kiện vận hành Điều kiện Ghi chú
Cân bằng công suất (đk1)
1, 2, t – là các ký hiệu thể hiện các thông số của trạm điện gió, trạm điện diesel, tổng phụ tải của lưới
Giới hạn phát công suất (đk2)
Giới hạn phát công suất của máy phát điện diesel [5,19,60]
Cosφ dsN = 0,8 ds – ký hiệu thể hiện các thông số của máy phát điện diesel;
Các chỉ số dưới: min, max, N lần lượt thể hiện các thông số cực tiểu, cực đại, danh định
S dsN – công suất biểu kiến danh định của máy phát điện diesel Giới hạn phát công suất của máy phát điện gió [19,60,81]
Cosφ wN = 0,98 w – ký hiệu thể hiện các thông số của tuabin gió
Khi tốc độ gió nhỏ hơn 17,8m/s;
Khi tốc độ gió từ 17,8m/s đến 25m/s Đặt công suất dự trữ quay cho hệ thống điện (đk3)
P dpmin ≤ P dp P dp – công suất dự trữ quay của hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel;
Công thức tính công suất tối đa của trạm biến áp 22/0,4kV cho phụ tải thứ i được biểu diễn bằng P dpmin = max(P bapt_i), trong đó max() là hàm lấy giá trị lớn nhất Để đảm bảo ổn định cho hệ thống, cần chú ý đến hai loại ổn định: ổn định tĩnh, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định khi có dao động nhỏ, và ổn định quá độ, đảm bảo hệ thống vẫn ổn định khi gặp các biến động lớn như sự cố ngắn mạch dẫn đến cắt đường dây, trạm biến áp hoặc máy phát.
Mô hình toán của các chế độ vận hành
2.4.1 Sơ đồ hệ thống điện hỗn hợp gió – diesel ở vùng cô lập
Luận án này tiến hành phân tích và khảo sát hệ thống điện hỗn hợp gió – diesel tại vùng cô lập, được thể hiện qua cấu trúc như Hình 2.10 Đối với đường dây 22kV, do điện dung đường dây không đáng kể, nên sẽ không được xem xét trong nghiên cứu này.
Tụ b Q cung cấp công suất phản kháng cần thiết cho máy phát điện gió, do đó không cần xem xét ảnh hưởng trong hệ thống Sau khi thực hiện tương đương hóa các nguồn phát, hệ thống khảo sát chỉ tập trung vào các thông số chính như được thể hiện trong Hình 2.11.
Hình 2.10 Sơ đồ đơn giản hóa hệ thống điện hỗn hợp gió – diesel
Hình 2.11 Sơ đồ mạch đơn giản hệ thống điện hỗn hợp gió – diesel
2.4.2 Mô hình toán chế độ xác lập Để khảo sát các đặc tính xác lập của hệ thống, luận án giả sử: tải không đổi, tần số không đổi, điện áp không đổi Khi phụ tải không đổi thì có thể thay thế bằng một tổng trở tương đương Zt Sơ đồ mạch tương đương Thevenin như Hình 2.1b được sử dụng để mô tả trạm điện gió Khi đó có được sơ đồ mạch tương đương như Hình 2.12 Trong hình, tất cả phụ tải trên lưới được quy đổi về một phụ tải tương đương Đây là trường hợp phân bố phụ tải xấu nhất của lưới Nếu các tính toán cho trường hợp này thỏa mãn về ổn định thì trong thực tế sẽ ổn định
Hình 2.12 Sơ đồ mạch tương đương
Chọn điện áp tại nút 3, ký hiệu là U3, làm chuẩn (U = U3) Các phương trình 3 mô tả mối quan hệ giữa các thông số trạng thái của mạch và các thông số mạch liên quan.
Tổng trở trên đoạn đường dây 1’–3: d1 1 01 01
Với l1 – chiều dài đường dây 1’–3; r 01 , x 02 – điện trở và điện kháng của đường dây tính theo đơn vị chiều dài
3 Trong chương này cũng như toàn luận án các công thức có tính tương đồng chỉ trình bày cho phía có trạm điện gió
Với X’wd – điện kháng quá độ của máy phát điện gió đã quy đổi theo Thevenin; U wN ,
S wN là điện áp danh định và công suất biểu kiến danh định của máy phát điện gió, trong khi N w đại diện cho số lượng máy phát điện gió đang vận hành Tỷ số biến điện áp của máy biến áp kết nối máy phát điện gió với lưới được ký hiệu là k1.
Máy biến áp đẳng trị:
Với Ub1ng và Sb1N, điện áp ngắn mạch cùng công suất biểu kiến danh định của máy biến áp kết nối máy phát điện gió với lưới điện; số máy biến áp Nb1 tại trạm điện gió đang hoạt động tương đương với số tuabin gió Nw cũng đang vận hành.
Tổng trở tương đương nút 3:
Với St, cosφt – công suất biểu kiến và hệ số công suất của tổng tải
Tổng trở từ nút nguồn 1 đến tải nút 3:
Tính toán điện áp tại các nút còn lại dựa trên công suất phát của hai trạm điện, trong đó điện gió được coi là nguồn thụ động với công suất không xác định, được lựa chọn làm tham số ngẫu nhiên theo điều kiện gió Ngược lại, nguồn điện diesel có khả năng điều chỉnh linh hoạt, do đó được phát theo nhu cầu của lưới điện Theo điều kiện gió, công suất S1 được đặt là P1 + j.Q1, từ đó tính toán các thông số trạng thái khác dựa trên S1.
Giải hệ (2.47) kết hợp với các điều kiện ràng buộc cho thấy trạm điện gió chỉ có khả năng phát công suất tác dụng mà không thể nhận, đồng thời giới hạn công suất phát của trạm phụ thuộc vào điều kiện gió, từ đó xác định được I1 và E1.
Qua các biểu thức trên xác định được I2 và E2
Biểu diễn đặc tính công suất:
Khi đó có khai triển sau:
2.4.3 Ổn định tĩnh của hệ thống khi có dao động bé
2.4.3.1 Tiêu chuẩn Lyapunov trong khảo sát ổn định tĩnh
Trong hệ thống điện, khi xảy ra kích động, các thiết bị điều chỉnh như thiết bị điều chỉnh kích từ sẽ tự động điều chỉnh, dẫn đến sự thay đổi đồng thời của phụ tải Quá trình này tạo ra các động lực trong lưới điện, được mô tả bằng hệ phương trình vi phân phi tuyến Đối với các kích động nhỏ, hệ phương trình phi tuyến có thể được tuyến tính hóa thành hệ phương trình vi phân tuyến tính, cho phép áp dụng các công cụ toán học để khảo sát Tiêu chuẩn ổn định Lyapunov thường được sử dụng để đánh giá ổn định của hệ thống điện trong trường hợp có kích động nhỏ, với giả thiết rằng các kích động là vô cùng bé, từ đó xấp xỉ hệ phương trình vi phân về dạng tuyến tính với các hệ số hằng số, vẫn đảm bảo tính chất chuyển động của hệ thống quanh điểm cân bằng.
Theo tiêu chuẩn ổn định Lyapunov thì có các kết luận [59]:
Nếu hệ thống chuyển động được tuyến tính hóa theo phương trình vi phân có tính ổn định tiệm cận, thì hệ thống phương trình vi phân ban đầu cũng sẽ đạt được sự ổn định tiệm cận tại điểm cân bằng.
Nếu hệ thống chuyển động được mô tả bởi các phương trình vi phân đã được tuyến tính hóa không ổn định, thì hệ phương trình vi phân ban đầu cũng sẽ không ổn định tiệm cận tại điểm cân bằng.
● Các trường hợp còn lại không kết luận được, cần xét thêm các thành phần bậc cao trong khai triển hoặc theo các tiêu chuẩn khác
Các kết luận về ổn định được xác định dựa trên các nghiệm của phương trình đặc trưng trong hệ phương trình vi phân tuyến tính hóa Phương trình đặc trưng có dạng: n n 1 1.
Với p là toán tử đạo hàm d/dt
Hệ khảo sát ổn định tiệm cận khi tất cả các nghiệm của phương trình đặc trưng đều có phần thực âm Nếu có ít nhất một nghiệm với phần thực dương, hệ khảo sát sẽ không ổn định Trong ứng dụng hệ thống điện, khi có kích động nhỏ, hệ phương trình phi tuyến có thể được tuyến tính hóa thành hệ phương trình vi phân tuyến tính Từ đó, có thể xác định được phương trình đặc trưng.
Phương trình (2.56) là một phương trình tr ng phương Đặt x = p 2 , ta có phương trình tương đương như sau: m m 1
Để hệ thống ổn định, tất cả nghiệm xi của phương trình D(x)=0 cần có phần thực âm, tức là mọi nghiệm p i = u i + jv i của D(p)=0 phải thỏa mãn điều kiện |u| |v| i < i Nếu tất cả các nghiệm p i là thuần ảo, thì hệ thống sẽ ổn định.
Tiêu chuẩn Lyapunov là công cụ chính xác để đánh giá tính ổn định của hệ thống, nhưng việc theo dõi ảnh hưởng của các thông số đến tính ổn định lại gặp khó khăn Do đó, trong luận án này, tiêu chuẩn Gidanov được áp dụng thêm để khảo sát một cách toàn diện hơn.
2.4.3.2 Tiêu chuẩn mất ổn định phi chu kỳ (tiêu chuẩn Gidanov)
Trong khảo sát ổn định hệ thống điện, người ta chia sự mất ổn định làm hai nhóm [9]:
● Mất ổn định gây ra do các thông số hệ thống thì diễn ra theo dạng phi chu kỳ (các biến trạng thái tăng vô hạn không dao động);
Đề xuất thuật toán và cấu trúc điều khiển nhằm nâng cao mức thâm nhập điện gió
Hệ thống điều khiển chung được thiết kế để giám sát và điều khiển linh hoạt hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel ở vùng cô lập, nhưng hiện tại chưa phát huy hết hiệu quả do thuật toán điều khiển chưa phù hợp Vì vậy, cần phát triển một thuật toán điều khiển mới để tối ưu hóa khả năng của trạm điện gió, tập trung vào các hệ hỗn suất tác dụng và công suất phản kháng, đồng thời kiểm tra tất cả các ràng buộc kỹ thuật trong vận hành nhằm khắc phục nhược điểm của các nghiên cứu trước đó Mục tiêu này là trọng tâm của chương này.
Sơ đồ khối mô tả quá trình thu thập dữ liệu, tính toán số lượng tuabin gió và máy diesel hoạt động, cùng với công suất của chúng, và thiết lập lại hệ thống, như được thể hiện trong Hình 2.16.
Hình 2.16 minh họa mối liên hệ giữa các thông số của tuabin gió và máy diesel, với w và ds là ký hiệu đại diện cho các thông số này Ký hiệu N thể hiện số lượng máy phát đang hoạt động trong hệ thống Sơ đồ này giúp hiểu rõ hơn về quá trình tính toán và điều chỉnh hệ thống.
2.5.1 Thuật toán tính toán công suất và số máy phát
Hình 2.17 Lưu đồ tính toán phát cực đại công suất trạm điện gió
Tính lại N ds thỏa mãn
P dp ≥ P dpmin và P ds ≥ P dsmin
Nhận kết quả lần tính thứ k w Đúng Sai
Không phát điện gió Tính số máy diesel thỏa mãn
Không phát điện Đúng Đúng
N ds *P dsmin +N w *P wmin ≤P t Đảm bảo ổn định k w roundup P / P t w min k w = Số tuabin k w < 0 Đúng Sai
Tra tìm P wmin , P wmax theo vận tốc gió
P w , Q w , P ds , Q ds Điều chỉnh công suất của các máy phát điện gió và diesel
Máy phát điện diesel Đo thông số hệ thống
Lưu đồ thuật toán tính toán thông số vận hành của hệ thống phát điện hỗn hợp gió và diesel nhằm tối ưu hóa công suất trạm điện gió được thể hiện trong Hình 2.17 Trong đó, hàm roundup() được sử dụng để làm tròn lên giá trị nguyên lớn hơn gần nhất với giá trị thực hiện có.
Thuật toán đề xuất sẽ phân tích công suất phụ tải hiện tại để quyết định có tiếp tục phát điện hay tạm ngừng nếu phụ tải quá thấp Nếu tiếp tục phát điện, khi công suất phụ tải nhỏ hơn tổng công suất tối thiểu của một tuabin gió và một máy phát diesel, chỉ vận hành trạm điện diesel Ngược lại, sẽ tính toán để tối đa hóa công suất phát của trạm điện gió Quá trình này bao gồm ước lượng số tuabin gió tối đa, tính toán số máy phát điện diesel tối thiểu, kiểm tra dự trữ quay để xác định số lượng máy phát diesel cần thiết, và kiểm tra các điều kiện ràng buộc Nếu các điều kiện thỏa mãn, hệ thống sẽ được điều chỉnh theo số liệu tính toán; nếu không, sẽ giảm một tuabin gió và tính lại.
Khi có biến động công suất trên lưới hoặc sự giảm tốc độ gió đột ngột, máy phát điện diesel sẽ hoạt động để cân bằng công suất Các kết quả đo sẽ được sử dụng để tính toán công suất thực trên lưới, khả năng phát của trạm điện gió, và xác định số lượng cũng như công suất phát của các máy phát tại hai trạm điện Hệ thống điều khiển sẽ từ từ điều chỉnh điểm đặt công suất đến thông số đã tính, đồng thời thêm hoặc giảm số máy phát trong khoảng thời gian phù hợp (khoảng 5 phút) Nhờ đó, hệ thống sẽ nhanh chóng đạt được điểm làm việc mới với công suất phát tối đa từ trạm điện gió.
Tốc độ gió tăng nhanh và có nhiều biến động sẽ được hệ thống điều khiển và tính toán loại bỏ Khi tốc độ gió thay đổi, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh và tính toán lại để theo kịp.
2.5.2 Thuật toán điều chỉnh công suất đặt của các máy phát
Quá trình điều chỉnh công suất toàn hệ thống nhằm tối đa hóa công suất của trạm điện gió, trong đó khi tốc độ gió tăng, công suất của trạm điện gió sẽ được tăng cường trong khi công suất của trạm diesel sẽ được giảm Khi tần số lưới có biến động nhỏ, hệ thống sẽ ưu tiên tăng công suất trạm điện gió và giảm công suất trạm diesel thông qua cơ chế điều chỉnh theo tần số Việc điều chỉnh công suất cho từng máy phát được thực hiện bởi khối phân phối công suất Nếu công suất điều chỉnh liên tục vượt quá giới hạn cho phép trong khoảng 5 phút, hệ thống sẽ huy động thêm máy phát hoặc giảm máy phát, điều này được kiểm soát bởi khối huy động máy Khi tần số biến động vượt quá giới hạn cho phép, hệ thống sẽ điều chỉnh công suất trạm diesel để ổn định tần số kịp thời.
Thuật toán phân phối công suất sẽ tối ưu hóa hệ thống bằng cách ưu tiên tăng công suất phát của các tuabin gió khi lượng công suất cần điều chỉnh (Preg) dương, và ngược lại, sẽ ưu tiên giảm công suất phát của các máy phát điện diesel.
Hình 2.18 Sơ đồ khối điều chỉnh công suất đặt của các máy phát trong hệ thống
Hình 2.19 Sơ đồ khối phân phối công suất
Khi công suất điều chỉnh liên tục vượt quá giới hạn Pregmax, thuật toán sẽ kiểm tra số lượng tuabin gió đang hoạt động; nếu chưa đạt tối đa, sẽ huy động thêm tuabin gió, ngược lại sẽ huy động máy phát điện diesel Nếu công suất điều chỉnh liên tục âm vượt quá giới hạn Pregmin, sẽ kiểm tra số lượng máy phát điện diesel đang hoạt động; nếu có hơn một máy, sẽ đánh giá khả năng giảm một máy phát điện diesel mà không ảnh hưởng đến dự trữ quay tối thiểu và công suất phản kháng Nếu các điều kiện này thỏa mãn, một máy phát điện diesel sẽ được giảm, nếu không, sẽ giảm một tuabin gió Việc giảm tuabin gió sẽ chỉ diễn ra khi tất cả các máy đang hoạt động ở mức công suất tối thiểu, do đó không cần khởi động thêm máy phát diesel dự phòng.
Thông số trạng thái hệ Đo tần số
Tần số danh định f f N ∆f PI
P reg Khối phân phối công suất
Tốc độ gió Tính toán Đo P w
P wreg1 min(P wmax -P w ,P ds -P dsmin )
P regmax =(P wmax -P w )N w +(P dsmax -P ds )N ds
P regmin =-(P w -P wmin )N w -(P ds -P dsmin )N ds Đúng Sai Đúng Đúng
Đọc các thông số: P reg , P wmin , P wmax , P w , N w , P dsmax , P sdmin P ds , N ds
Hình 2.20 Sơ đồ khối huy động máy
Hình 2.21 Sơ đồ bộ điều khiển khối chuyển đổi phía roto của DFIG [77] αβ abc dq abc
Tính góc quay từ trường stato
L s i ds +L m i dr ω slip ω s ω r ω slip (L mm i ms +σL r i dr ) ω slip σL r i qr dq PWM abc
Tính công suất d/dt 1/L m i sm i dr i ds u dqs
P wreg u αβs i αβs u abcs i abcs ψ ds i dr ω slip u' qr i * dr i * qr u * dr u * qr u * abcr i abcr θ r θ s -θ r θ s ω r
GSC RSC i ds i abcw i dqw
N ds =N ds +1 Đọc các thông số: P regf , P wmin , P wmax , P w , Q w , N w , P ds ,Q ds , N ds
N w =N w +1 Đúng Sai Sai Đúng Đúng Sai Đúng
Hình 2.22 Sơ đồ bộ điều khiển khối chuyển đổi phía lưới của DFIG [77]
Hình 2.23 Sơ đồ bộ điều khiển góc nghiêng cánh của tuabin theo giá trị đặt
Hình 2.24 Sơ đồ điều chỉnh công suất cơ của máy diesel theo giá trị đặt
Quá trình điều chỉnh công suất tác dụng trên tuabin gió được thực hiện thông qua việc điều khiển góc nghiêng cánh, nhằm thay đổi công suất cung cấp cho máy phát điện gió Trong giai đoạn ngắn hạn, sự điều chỉnh này cũng được thực hiện trên bộ chuyển đổi phía roto của DFIG Đồng thời, công suất phản kháng được điều chỉnh trên cả hai bộ chuyển đổi phía roto và phía lưới của DFIG, với bộ chuyển đổi phía lưới hoạt động đồng bộ với bộ chuyển đổi phía roto thông qua quá trình ổn định điện áp một chiều và sự phối hợp điều khiển.
Quá trình điều chỉnh công suất tác dụng trên máy phát diesel diễn ra thông qua bộ điều tốc, trong khi công suất phản kháng được điều chỉnh nhờ bộ ổn định điện áp.
Đề xuất sử dụng tuabin gió có tích hợp khớp ly hợp điện từ nhằm đạt mức thâm nhập điện gió tối đa
Nghiên cứu về các chế độ vận hành của hệ thống phát điện gió sử dụng DFIG kết hợp với diesel cho thấy, trong trường hợp không có thiết bị phụ trợ, máy phát điện diesel vẫn cần phải hoạt động Mặc dù năng lượng gió đôi khi vượt quá nhu cầu điện năng, nhưng do tính không ổn định của nguồn năng lượng này, trạm điện gió không thể vận hành độc lập Hơn nữa, nhiều loại tuabin gió hiện có không phù hợp cho lưới điện cô lập, như đã được chỉ ra trong tài liệu [19,60] Do đó, cần xem xét việc sử dụng thêm thiết bị hỗ trợ.
Tính góc điện áp ω s dq PWM abc
PI d/dt u dg i dqg u αβg u abcg i abcg u' qg i * dg i * qg u * dg u * qg u * abcg θ e u dcref dq i dg abc i qg
Hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trên toàn cầu thường sử dụng thiết bị phụ trợ để tăng cường mức thâm nhập điện gió Nhiều đề xuất tương tự đã được đưa ra trên thế giới, cho thấy tầm quan trọng của việc áp dụng công nghệ hỗ trợ trong các hệ thống năng lượng tái tạo.
Bảng 2.2 Đặc điểm kinh tế, kỹ thuật của các giải pháp sử dụng thiết bị phụ trợ [19]:
P Phát Q Ổn định tần số Ổn định điện áp Tăng độ thâm nhập Ứng dụng chính
Dự án áp dụng Giá tham khảo
5% Pđịnh mức Phát Q Tốt Tốt
Tăng 20% đến 25% khi thay thế diesel thông thường
Tăng thâm nhập và tăng ổn định
Rottnest Island, Hopetoun, Bremer Bay, Denham
2 Tải giả Tiêu thụ P Không Tương đối tốt Không Không Tăng ổn định
3 Bánh đà B đắp P tức thời Không Rất tốt Không Không Tăng ổn định Ross Island
Q Tốt Tốt Không Tăng ổn định 300.000
5 Ắc quy Cân bằng P Phát Q Tốt Tốt
Tăng thâm nhập khi thời gian lưu trữ dài
Tăng thâm nhập và tăng ổn định King Island
6 Pin nhiên liệu Cân bằng P Phát Q Tốt Tốt Tăng thâm nhập khi thời gian lưu trữ dài
Tăng thâm nhập và tăng ổn định
7 Thủy điện tích năng Cân bằng P Phát Q Tốt Tốt
Tăng thâm nhập khi thời gian lưu trữ dài
Tăng thâm nhập và tăng ổn định
8 Tụ b Không Phát Q Không Tương đối tốt Không Bù Q 50.000
Tiêu thụ P để cân bằng P
Phát Q Tốt Tương đối tốt Không Bù Q và tăng ổn định
P Phát Q Rất tốt Tốt Tăng thâm nhập khi thời gian lưu trữ dài
Tăng thâm nhập và tăng ổn định
Bù động Q Rất tốt Tốt Không Tăng ổn định
Tăng 20% đến 25% khi thay thế diesel thông thường
Tăng thâm nhập và tăng ổn định
893.000 Euro/ 800kW diesel + 1.000kWe tải giả
P Phát Q Tốt nhất Rất tốt Tăng thâm nhập Tăng thâm nhập và tăng ổn định
P Phát Q Rất tốt Rất tốt Tăng thâm nhập
Tăng thâm nhập và tăng ổn định
Trên cơ sở Bảng 2.2 cho thấy vai trò của một số thiết bị phụ trợ trong hệ thống điện gió nối lưới cô lập:
Năng lượng gió có thể được tích trữ dưới dạng cơ năng hoặc điện năng khi dư thừa, giúp bổ sung lại cho hệ thống trong thời gian ngắn khi tốc độ gió giảm Điều này không chỉ giảm dao động công suất của nguồn phát mà còn ổn định tần số, góp phần nâng cao hiệu quả của hệ thống năng lượng tái tạo.
Thứ hai, có thể “cắt giảm” được công suất phát của hệ thống khi giảm phụ tải đột ngột
Thường sử dụng tải giả để làm việc này
Thứ ba, có thể đáp ứng được nhu cầu tăng phụ tải đột ngột Thường các thiết bị lưu trữ sẽ hỗ trợ trong trường hợp này
Vào thứ tư, công suất phản kháng (Q) có thể được phát theo nhu cầu của phụ tải thông qua các thiết bị điều khiển Trong trường hợp hệ thống phát điện hỗn hợp gió - diesel, máy phát điện diesel sẽ đảm nhiệm vai trò cung cấp công suất phản kháng cho hệ thống.
Để cải thiện chất lượng điện năng và tăng tỷ lệ thâm nhập điện gió, cần thiết kế một thiết bị đơn giản tích hợp vào tuabin gió Giải pháp này nhằm tránh lãng phí nguồn năng lượng tự nhiên và hướng tới việc phát triển một kiểu tuabin gió chuyên dụng cho lưới cô lập trong tương lai.
2.6.1 Đề xuất giải pháp Đề xuất giải pháp d ng chính quán tính quay của phần tuabin đóng vài trò như bánh đà, không cắt giảm công suất cơ trên cánh nếu chưa quá tốc, sử dụng EMC nối với trục roto của máy phát để điều khiển quá trình nhận tải của tuabin gió Cấu trúc của tuabin gió tích hợp EMC được mô tả trên Hình 2.25
Khớp ly hợp điện từ truyền động năng giữa phần dẫn động sơ cấp và thứ cấp thông qua ma sát hoặc tương tác điện từ Việc điều chỉnh mức độ ma sát được thực hiện bằng cách thay đổi mức độ từ hóa trong nam châm điện Cơ chế ma sát có thể sử dụng đĩa ma sát hoặc bột sắt để tạo liên kết, với bột sắt giúp điều chỉnh tốc độ dễ dàng hơn Các khớp ly hợp điện từ hiện nay còn tận dụng cơ chế tương tác điện từ giữa từ trường sơ cấp và dòng điện cảm ứng phía thứ cấp Nhờ khả năng ly hợp, momen và tốc độ đầu ra có thể điều chỉnh từ 0% đến 100% giá trị đầu vào Đặc biệt, khớp ly hợp điện từ với cơ chế tương tác điện từ cho phép đạt được tốc độ đầu ra lớn hơn tốc độ đầu vào thông qua việc điều chỉnh cường độ và tốc độ quay của từ trường sơ cấp.
Trong hệ lưới cô lập với điện gió và diesel, khi công suất điện gió (Q1) không đủ cho phụ tải, các máy phát đồng bộ trong trạm diesel sẽ phát công suất (b) Nếu trạm điện gió cung cấp đủ công suất tác dụng (P1) cho phụ tải, các máy điện đồng bộ tại trạm diesel sẽ hoạt động ở chế độ động cơ b đồng bộ.
P dsdc được sử dụng để quay roto và phần quay của máy diesel với các xupap mở, đồng thời điều chỉnh bộ kích từ để phát Qdsdc Nếu trạm điện gió phát P1 không đủ cho phụ tải, các máy điện đồng bộ tại trạm diesel sẽ hoạt động ở chế độ máy phát để cung cấp P và Q.
Hình 2.25 Đề xuất cấu trúc của tuabin gió tích hợp khớp ly hợp điện từ
Giải pháp này tối ưu hóa hoạt động của tuabin gió bằng cách duy trì tốc độ và momen tối ưu theo thiết kế EMC đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh công suất phát ra để đáp ứng nhu cầu phụ tải, đồng thời giữ lại một phần công suất dự trữ của hệ thống Khi phụ tải thay đổi, EMC sẽ điều chỉnh để nhận công suất tương ứng từ tuabin Nếu công suất từ gió giảm xuống dưới mức tính toán, máy diesel sẽ được khởi động để hỗ trợ Trong thời gian ngắn chờ khởi động máy phát điện diesel, năng lượng dự trữ từ tuabin sẽ được sử dụng để cung cấp cho phụ tải.
Khả năng tích hợp EMC vào tuabin gió có thể áp dụng cho tất cả các loại máy phát như SCIG, DFIG và SG Tuy nhiên, việc sử dụng máy phát đồng bộ (SG) hoặc máy phát đồng bộ vĩnh cửu (PMSG) là ưu tiên hàng đầu.
Hiện tại, việc tích hợp EMC vào tuabin gió chỉ mới được đề xuất trong một số nghiên cứu Các nghiên cứu này chủ yếu nhằm khẳng định rằng tuabin gió với máy phát đồng bộ nối trực tiếp vào lưới điện có chất lượng điện năng tương đương với các loại tuabin gió có tốc độ thay đổi hiện nay.
2.6.2 Phân tích và xây dựng mô hình toán
2.6.2.1 Quá trình động học trong tuabin gió được đề xuất
Từ phương trình (1.1), (1.2) và (1.5) tính được công suất tuabin nhận được từ năng lượng gió như (2.111)
(2.111) Phương trình động học trong tuabin (2.112) và trong roto máy phát (2.113) w t w t w t w t w t w t w t ls
Lưới cô lập Điều khiển góc nghiêng cánh Điều khiển
Khớp ly hợp điện từ ω g ω hs ω ls
J wt Hộp số ω hs1 ω hs2
Trong bài viết này, chúng ta sẽ đề cập đến các yếu tố quan trọng trong hệ thống tuabin và máy phát điện, bao gồm momen quán tính của tuabin (J g) và máy phát (Jwt), cùng với tốc độ quay của chúng (ω wt, ωg) Ngoài ra, các momen trên các trục của tuabin (T wt), máy phát (T g), trục tốc độ thấp (T ls), và trục tốc độ cao phía đầu ra của EMC (T hs2) cũng sẽ được phân tích để hiểu rõ hơn về hiệu suất và hoạt động của hệ thống.
Hệ số cản nhớt trên trục tuabin và máy phát được ký hiệu là K wt và K g, trong khi Bwt và Bg biểu thị hệ số cản khô của môi trường tác động lên phần quay của tuabin và máy phát Các chỉ số như wt, g, ls, hs được sử dụng để chỉ các thông số liên quan đến tuabin, máy phát, trục tốc độ thấp và trục tốc độ cao.
T wt (pu) ÷ ω hs1 (pu) ω hs1 (pu) ω hs2
Hình 2.27 Mô hình truyền động trong tuabin gió tích hợp khớp ly hợp điện từ
Hình 2.28 Mô hình truyền động phần tuabin có bộ hãm tốc
Phương trình truyền năng lượng trong một đơn vị thời gian qua EMC hs1 hs 2 hs1 hs1 hs 2 hs 2
Trong đó: Phs1, ωhs1, Ths1 – công suất, tốc độ, momen phía đầu vào EMC; Phs2, ωhs2 – công suất, tốc độ phía đầu ra EMC
Từ phương trình động học của tuabin (2.112) viết lại được phương trình (2.115) Phương trình này d ng cho việc lập mô hình truyền động phần tuabin (Hình 2.28)
Sau khi quy đổi các phương trình về hệ đơn vị tương đối, luận án đã xây dựng mô hình truyền động cho tuabin gió tích hợp EMC, như thể hiện trong Hình 2.27 Hình 2.28 mô tả hàm truyền của khối tuabin G wt, trong đó hệ số K emc phản ánh sự trượt trong khớp điện từ khi có biến động về thông số đầu vào Các công thức H = ω J 2 0 / (2S cb) và x' = ω x 2 0 / S cb được sử dụng, với ω0 và Scb lần lượt là tốc độ và công suất cơ bản.
Tổng kết chương
Trong chương này, luận án tổng hợp và kế thừa các nghiên cứu trước đó nhằm xây dựng mô hình toán học cho hệ thống phát điện hỗn hợp gió - diesel trong lưới cô lập.
Các kết quả đạt được trong chương:
1 Luận án đã đề xuất cấu trúc điều khiển chung và thuật toán vận hành hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập một cách cụ thể Cấu trúc điều khiển và thuật toán này điều chỉnh hệ thống theo hướng khai thác tối đa khả năng của trạm điện gió mà vẫn thỏa mãn các điều kiện ràng buộc trong vận hành
2 Xuất phát từ thực tế hầu hết các hệ thống phát điện hỗn hợp gió diesel trong lưới cô lập đều cần thiết bị phụ trợ để nâng cao mức thâm nhập điện gió, đồng thời kết hợp với ý tưởng của các nghiên cứu [70,71,72], luận án đã đề xuất cấu trúc tuabin gió chuyên dụng cho lưới cô lập trong tương lai Từ đó, luận án đề xuất phương thức vận hành hiệu quả hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập với tuabin gió có tích hợp EMC Giải pháp vận hành này cho phép tận dụng tối đa khả năng của trạm điện gió.
NGHIÊN CỨU TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ – DIESEL VỚI LƯỚI CÔ LẬP 56 3.1 Đặt vấn đề
Phương pháp tính toán khảo sát về ổn định
Dựa trên các thông số lưới điện và hệ thống phát điện, luận án xây dựng mô hình toán cho các chế độ vận hành và kết hợp với dữ liệu về phụ tải cùng tốc độ gió để kiểm tra tính ổn định của hệ thống Kết quả phân tích cho thấy những yếu tố nào ảnh hưởng mạnh đến tính ổn định, từ đó đề xuất các giải pháp nhằm nâng cao độ tin cậy khi vận hành hệ thống.
Mô hình toán chế độ xác lập và chế độ quá độ Tính toán kiểm tra ổn định tĩnh và ổn định động
Hệ thống phát điện hỗn hợp gió - diesel 0
Kết quả và đánh giá
Hình 3.1 Sơ đồ thể hiện quá trình khảo sát ổn định.
Kết quả khảo sát ở chế độ xác lập
3.3.1 Các đặc tính vận hành ở chế độ xác lập
Tính toán khảo sát được áp dụng với hệ thống điện hỗn hợp ở đảo Phú Quý (thông số như Bảng 3.1)
Bảng 3.1 Thông số hệ thống
Thông số Giá trị thông số Đơn vị Thông số Giá trị thông số Đơn vị
Máy phát điện gió, có 3 máy Máy phát điện diesel, có 6 máy
Công suất danh định Điện áp danh định Điện kháng stato Điện kháng roto đã quy đổi Điện kháng hỗ cảm Điện kháng quá độ quy đổi
Hằng số thời gian quán tính bao gồm cả tuabin
Công suất danh định Điện áp danh định Điện kháng dọc trục Điện kháng ngang trục Điện kháng quá độ
Hệ số công suất Hằng số thời gian quán tính bao gồm cả máy
Máy biến áp ở trạm điện gió, có 3 máy Máy biến áp ở trạm điện diesel, có 3 máy
Công suất danh định Điện áp danh định Điện áp ngắn mạch
Công suất danh định Điện áp danh định Điện áp ngắn mạch
% Đường dây từ trạm điện gió đến tải: Đường dây từ trạm điện diesel đến tải: Điện trở đường dây Điện kháng đường dây
Chiều dài đường dây r 01 = 0,3688 x 01 = 0,380 l 1 ≈ 6 Ω/km Ω/km km Điện trở đường dây Điện kháng đường dây Chiều dài đường dây r 02 = 0,3688 x 02 = 0,380 l 2 ≈ 6 Ω/km Ω/km km Phụ tải: Điện áp nút tải
U = U 3 = 22 cosφ t ≈ 0,87 kV Công suất cực đại Công suất cực tiểu
Khi mô phỏng với tải từ Pt = 1,0 MW đến Pt = 8,0 MW và cosφt = 0,87, các đặc tính công suất P1 (δ1) và P2 (δ2) được thể hiện trong Hình 3.2a Mối quan hệ giữa δ1 và δ2 theo P1 được minh họa trong Hình 3.2b, trong khi Hình 3.2c cho thấy mối quan hệ giữa δ1 và δ2 Cuối cùng, Hình 3.2d trình bày đặc tính công suất P1 (δ1) và P2 (δ1).
Các đồ thị trong Hình 3.2 cho thấy rằng khi máy phát điện gió hoạt động với công suất tối đa và máy diesel chỉ cung cấp đủ công suất để bù đắp tổn hao trong truyền tải, tình trạng trào ngược công suất về máy diesel sẽ xảy ra nếu có sự cắt tải đột ngột mà không có tải giả Điều này xảy ra do khả năng điều chỉnh công suất của tuabin gió chậm, do quán tính lớn Để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, máy diesel cần phát công suất tối thiểu bằng tổng công suất lớn nhất của lượng công suất thường xuyên bị cắt đột ngột và công suất nhỏ nhất của máy diesel.
P t =2 MW P t =3 MW P t =4 MW P t =5 MW P t =6 MW
Hình 3.2 Các đặc tính làm việc của hệ với tải P t = 1,0 ÷ 8,0 MW, cosφ t = 0,87
3.3.2 Xác định thông số ảnh hưởng mạnh đến ổn định tĩnh
Trong mục 3.3.2, giả định rằng số lượng máy phát tham gia vận hành không thay đổi nhằm mục đích xác định rõ ràng các yếu tố ảnh hưởng mạnh đến sự mất ổn định của hệ thống trong trường hợp dao động nhỏ.
Hình 3.3 Khảo sát nghiệm của D(p) = 0 (bên trái) và a n (bên phải) với tải từ P t = 0,0 ÷ 8,0 MW, cosφ t =0,87 và P 1 = 0,0 ÷ 6,0 MW, cosφ S1 = 1,0
Theo Hình 3.3, hệ thống hoàn toàn ổn định với khả năng phát điện của trạm điện gió từ 0,0 đến 8,0 MW và cosφ t = 0,87 Tuy nhiên, việc tăng điện kháng trên đường truyền tải sẽ làm giảm tính ổn định của hệ thống Để đánh giá ảnh hưởng của các thông số khác đến tính ổn định, giả sử lắp đặt cuộn kháng vào đầu đường dây với giá trị cao, dẫn đến hiện tượng không ổn định Kết quả mô phỏng cho trường hợp này được thể hiện trong Hình 3.4 đến Hình 3.8.
Hệ thống làm việc ổn định trong dải công suất phụ tải từ 1,0 đến 5,4 MW, phù hợp với mọi giá trị công suất phát của trạm điện gió, như được chỉ ra trong Hình 3.4.
Pt=3 MW Pt=2 MW Pt=1 MW
Hình 3.4 Khảo sát nghiệm của D(p) = 0 (bên trái) và a n (bên phải) với tải từ P t ≤ 5,4 MW, cosφ t = 0,87 và
Hình 3.5 Khảo sát nghiệm của D(p) = 0 (bên trái) và a n (bên phải) với tải từ P t ≥ 5,5 MW, cosφ t = 0,87 và
Hình 3.6 Khảo sát nghiệm của D(p) = 0 (bên trái) và a n (bên phải) với tải từ P t = 6,0 MW, cosφ t = 0,87 và
Pt=7 MW Pt=6 MW Pt=5 MW Pt=4 MW
Hình 3.7 Khảo sát a n với tải từ P t = 0,0 ÷ 8,0 MW, cosφ t = 0,87 và P 1 = 0,0 ÷ 6,0 MW với cosφ S1 =0,98
Hình 3.8 Khảo sát a n với tải từ P t = 6,0 MW, cosφ t =0,87 và P 1 = 0,0 ÷ 6,0 MW
Từ Hình 3.5 có thể kết luận hệ làm việc không ổn định trong dải công suất tải Pt = 5,5
MW trở lên với cosφt = 0,87 khi trạm điện gió vận hành với cosφ S1 =1
Hình 3.6 và Hình 3.7 chỉ ra rằng, khi máy phát điện gió cung cấp thêm công suất phản kháng với cosφS1 = 0,98, trong khi công suất tải P t dao động từ 0,0 đến 8,0 MW và cosφ t = 0,87, hệ thống hoạt động sẽ hoàn toàn ổn định.
Theo Hình 3.8, khi trạm điện gió cung cấp công suất phản kháng S1 = P1 + j.Q1 với cosφ S1 = 0,995, hệ thống hoạt động ổn định hoàn toàn Tuy nhiên, nếu cosφ S1 ở mức rất thấp khi phát công suất phản kháng, có thể xảy ra mất ổn định do Q1 lớn, điều này không khả thi trong hệ thống phát điện gió sử dụng DFIG Ngược lại, nếu trạm điện gió nhận công suất phản kháng S1 = P1 - j.Q1, hệ thống sẽ không ổn định khi trạm phát công suất lớn.
Hình 3.9 Ảnh hưởng thành phần điện áp theo trục d của roto u dr đến công suất tác dụng P g và công suất phản kháng Q g của DFIG [63]
Hình 3.10 Ảnh hưởng thành phần điện áp theo trục q của roto u qr đến công suất tác dụng P g và công suất phản kháng Q g của DFIG [63]
Nghiên cứu đã chỉ ra rằng thành phần điện áp theo trục d của roto có ảnh hưởng mạnh đến công suất phản kháng, trong khi thành phần điện áp theo trục q của roto ảnh hưởng đáng kể đến công suất tác dụng.
Khoõng oồn ủũnh OÅn ủũnh cosφ S1 = 0.80 cosφ S1 = 0.90 cosφ S1 = 0.95 cosφ S1 = 0.995 cosφ S1 = 1.00 cosφ S1 = 0.98 cosφ S1 = 0.98 cosφ S1 = 0.90 cosφ S1 =0.80 Nhận Q 1
61 điều khiển thành phần điện áp theo trục d trên roto của DFIG có thể phát được công suất phản kháng vào lưới
3.3.3 Xác định giới hạn của các thông số ảnh hưởng mạnh đến ổn định tĩnh
Hình 3.11 Các đường cong thể hiện hệ số a n trong phương trình (2.102) ứng với các giá trị điện kháng truyền tải từ trạm gió đến tải X 13
Mieàn khoõng oồn ủũnh Mieàn oồn ủũnh
Hình 3.12 Đường cong giới hạn ổn định theo thông số điện kháng truyền tải của trạm điện gió Đơn vị pu theo công suất cơ bản 6 MVA
Khi tăng điện kháng truyền tải (X13), đặc tính truyền tải từ nguồn đến tải sẽ giảm, và nếu mức giảm này đạt đến hoặc thấp hơn công suất cần truyền tải, hệ thống sẽ trở nên mất ổn định Do đó, điện kháng từ nguồn đến tải có ảnh hưởng quyết định đến tính ổn định của hệ thống Với mỗi lượng công suất cần truyền tải, nếu điện kháng truyền tải vượt quá một giá trị giới hạn, sẽ dẫn đến tình trạng mất ổn định Luận án đã khảo sát các giá trị khác nhau của phụ tải, từ đó trình bày các đường cong thể hiện hệ số an trong phương trình (2.102) tương ứng với các giá trị điện kháng truyền tải trong Hình 3.11 Đồng thời, luận án cũng xác định được đường giới hạn ổn định của hệ thống theo thông số điện kháng truyền tải.
Khảo sát giới hạn ổn định theo điện kháng truyền tải cho thấy trong vùng tải từ 1 MW đến 2 MW, giới hạn này cao nhưng nhanh chóng giảm và đạt giá trị bão hòa 0,518 pu khi phụ tải vượt 6 MW Hiện tượng bão hòa xuất hiện do trạm điện gió đã đạt công suất thiết kế trong vùng này.
Khảo sát cho thấy nhu cầu nhận công suất phản kháng của trạm điện gió đã xác định được đường giới hạn cosφS1 như trong Hình 3.13 Rõ ràng, khi trạm điện gió cung cấp công suất phản kháng, hệ thống hoạt động ổn định, như đã được trình bày trước đó.
Hình 3.13 Đường giới hạn ổn định theo thông số cosφ S1 ứng với trạm điện gió nhận công suất phản kháng Đơn vị pu theo công suất cơ bản 6 MVA.
Kết quả khảo sát ổn định ứng với các trường hợp vận hành đặc trưng
3.4.1 Vận hành hệ thống khi không có gió
Khảo sát sự vận hành của hệ thống với phụ tải thay đổi từ 500 kW đến 2200 kW khi không có gió, cho kết quả thể hiện ở Hình 3.14
Các máy phát điện diesel tại Phú Quý có công suất tối thiểu 165 kW, dẫn đến hiện tượng giảm công suất phát trên mỗi máy khi kết nối vào lưới, như thể hiện trong Hình 3.14a Việc kết nối thêm máy diesel cũng làm giảm trở kháng tương đương của nguồn phát, từ đó nâng cao đặc tính truyền tải của hệ thống điện và làm tăng thời gian cắt tới hạn theo kiểu nhảy cấp, như mô tả trong Hình 3.14c Ngược lại, khi giảm số lượng máy diesel hoạt động, hiện tượng này diễn ra theo chiều ngược lại Hiện tượng này cũng được ghi nhận trong các trường hợp khảo sát khác.
Công suất phát mỗi máy
Khảo sát trạm điện diesel hoạt động độc lập với công suất phụ tải từ 500 đến 2200 kW bao gồm: a) Số lượng máy phát tham gia vận hành và công suất phát của từng máy; b) Phân tích nghiệm của phương trình (2.101); c) Xác định thời gian cắt tới hạn t cc tại trạm điện diesel.
Từ mục 4 trở đi, việc khảo sát ổn định sẽ được thực hiện với số lượng máy phát thay đổi tùy thuộc vào quá trình vận hành.
3.4.2 Vận hành hệ thống khi gió có tốc độ trung bình
Tính toán mô phỏng sự vận hành của hệ thống với phụ tải thay đổi từ 500kW đến 5500kW khi có gió 9m/s, cho kết quả thể hiện ở Hình 3.15
P t (kW) Điện gió Diesel t 1ccmin =0,646 s t 2ccmin =0,177 s
Hình 3.15 trình bày khảo sát hệ thống hỗn hợp gió – diesel hoạt động với tốc độ gió 9m/s và phụ tải từ 500 đến 5000kW, bao gồm: (a) số lượng máy phát tham gia vận hành; (b) công suất phát của từng máy; (c) tỷ lệ phát công suất của hai trạm điện; (d) khảo sát nghiệm của phương trình (2.101); và (e) khảo sát xác định thời gian cắt tới hạn t cc.
Khi năng lượng gió dư thừa, các máy phát điện diesel hoạt động ở công suất tối thiểu, giữ vai trò máy phát dự phòng quay nhằm tiết kiệm nhiên liệu và tăng cường công suất dự trữ cho hệ thống Số lượng máy diesel hoạt động được xác định dựa trên mức dự trữ quay yêu cầu tại trạm điện diesel.
Khi năng lượng gió không đủ để đáp ứng nhu cầu điện tiêu thụ, các máy phát điện diesel sẽ hoạt động tích cực để duy trì sự cân bằng công suất Điều này được thể hiện rõ trong Hình 3.15b và Hình 3.16b.
Khi số lượng máy phát hoạt động đồng đều, đặc tính truyền tải của hệ thống hầu như không thay đổi, chỉ có góc lệch roto δ tăng hoặc giảm theo sự biến động của công suất phát Điều này cho thấy rằng với một số lượng máy phát nhất định, tính ổn định quá độ sẽ giảm khi công suất phát tăng cao hơn.
3.4.3 Vận hành hệ thống khi gió tốc độ cao
Khảo sát sự vận hành của hệ thống với phụ tải thay đổi từ 500 kW đến 8000 kW khi tốc độ gió trên 17 m/s, cho kết quả thể hiện ở Hình 3.16
Giả sử phụ tải đạt 8 MW và tốc độ gió khoảng 17 m/s, trong giai đoạn phát công suất cao, khả năng ổn định quá độ của trạm điện gió có phần kém hơn, nhưng vẫn vượt trội hơn so với trạm điện diesel, như thể hiện trong Hình 3.16e.
Kết quả khảo sát từ Hình 3.15 và Hình 3.16 cho thấy hệ thống vận hành của trạm điện gió hoạt động ổn định, với những dao động nhỏ trong tất cả các khả năng phát công suất.
Kết quả khảo sát tại ranh giới ổn định quá độ (Ang3=Ang1) được thể hiện trong các Hình 3.14c, Hình 3.15e và Hình 3.16e, cho phép xác định thời gian cắt ngắn mạch phù hợp nhằm đảm bảo ổn định quá độ So sánh ba trường hợp không có gió, có gió trung bình và có gió tốt cho thấy khả năng ổn định quá độ của trạm diesel trong trường hợp không có gió là kém nhất.
P t (kW) Điện gió Diesel t 1ccmin = 0,399 s t 2ccmin = 0,192 s 0,198 s
Hình 3.16 Khảo sát hệ thống hỗn hợp gió – diesel vận hành khi có gió lớn hơn 17m/s với phụ tải từ 500 ÷
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ thảo luận về các yếu tố quan trọng liên quan đến công suất 8000 kW, bao gồm số lượng máy phát tham gia vận hành, công suất phát của mỗi máy, và tỷ lệ phát công suất của hai trạm điện Ngoài ra, chúng tôi sẽ tiến hành khảo sát nghiệm của phương trình (2.101) và xác định thời gian cắt tới hạn t cc.
So sánh ba trường hợp với phụ tải dưới 2,5 MW cho thấy, để đảm bảo ổn định quá độ, trạm điện gió cần cắt ngắn mạch trước 657 ms (tiêu chuẩn 5 tc ≤ 500 ms), trong khi trạm điện diesel yêu cầu cắt ngắn mạch trước 173 ms Đây là hai thời gian tối đa có thể thiết lập trên máy cắt bảo vệ ngắn mạch cho hai loại trạm điện này.
Phân tích và đề xuất giải pháp nâng cao ổn định
Kết quả khảo sát cho thấy các thông số ảnh hưởng đáng kể đến tính ổn định của hệ thống Phân tích chi tiết về ảnh hưởng của những thông số này được trình bày trong Bảng 3.2.
Bảng 3.2 Phân tích các giải pháp kỹ thuật
Thông số Giá trị lớn Giá trị bé
Thời gian cắt ngắn mạch t c
Thời gian cắt lớn có tác động tiêu cực đến sự ổn định quá độ của hệ thống, nhưng lại tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết lập các thông số bảo vệ rơle, giúp thực hiện cắt chọn lọc theo vị trí xảy ra sự cố.
Thời gian cắt nhanh giúp bảo vệ thiết bị và cải thiện độ ổn định quá độ, tuy nhiên, việc thiết lập thông số bảo vệ rơle để cắt chọn lọc theo vị trí sự cố lại gặp khó khăn.
5 Theo Quy định hệ thống điện phân phối của Bộ công thương, số 32 /2010/TT-BCT ngày 30 tháng 7 năm
Thiết bị phụ trợ Có thiết bị phụ trợ Không có thiết bị phụ trợ
Lắp đặt thêm bánh đà để tăng momen quán tính J cho máy diesel
Lắp đặt bánh đà giúp ổn định quá độ của hệ thống, nhưng có thể làm giảm khả năng phát phụ tải đỉnh của máy phát điện diesel Tính năng phát phụ tải đỉnh là rất quan trọng trong hệ thống điện gió – diesel, vì tuabin gió có quán tính lớn, không thể đảm nhận chức năng này.
Giá trị J nhỏ có tác động tiêu cực đến tính ổn định quá độ của hệ thống Khi J quá nhỏ, hệ thống dễ mất ổn định trong trường hợp ngắn mạch do máy cắt hoạt động với thời gian trễ.
Lắp đặt thêm kháng điện
Lắp đặt kháng điện giúp giảm dòng ngắn mạch, nhưng cần cắt cuộn kháng điện đồng thời với việc cắt ngắn mạch hoặc sửa chữa đường dây để đảm bảo ổn định vận hành Tuy nhiên, việc này có thể ảnh hưởng tiêu cực đến ổn định góc roto khi có nhiễu loạn nhỏ, dẫn đến giảm khả năng truyền tải của đường dây Nếu không cắt cuộn kháng điện khi vận hành, có thể xảy ra tình trạng mất ổn định.
Giá trị điện kháng thấp của lưới 22kV dẫn đến dòng ngắn mạch lớn trên đường dây, điều này có thể gây hư hỏng cho thiết bị truyền tải và máy phát.
Lắp đặt thêm tụ b có điều khiển
Lắp đặt thêm tụ b sẽ cải thiện ổn định góc roto trong điều kiện nhiễu loạn nhỏ và ổn định quá độ của hệ thống Ngoài ra, việc này còn giúp giảm phát công suất phản kháng tại trạm điện diesel.
Nếu cosφ của phụ tải thấp, sẽ dẫn đến sụt áp trên đường dây lớn và gây tổn thất trong quá trình truyền tải điện Thực tế cho thấy, các trạm điện diesel thường phải cung cấp công suất phản kháng lớn, điều này làm gia tăng tổn thất trong truyền tải điện.
So sánh cho thấy không nên sử dụng bánh đà trong máy diesel, vì momen quán tính của máy đủ để kéo dài thời gian cắt đến 173 ms Việc chọn phương pháp cắt nhanh trước thời gian này sẽ mang lại lợi ích kinh tế và kỹ thuật Đồng thời, việc lắp đặt thêm tụ b giúp giảm tổn thất điện năng và sụt áp trong quá trình truyền tải Cần tránh lắp đặt thêm kháng điện do nguy cơ làm mất ổn định hệ thống.
Tổng kết chương
Các kết quả mới đạt được trong chương:
1 Qua các phân tích trong chương xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ thống, bao gồm: điện kháng truyền tải có vai trò quyết định; khả năng phát công suất phản kháng của các máy phát có ảnh hưởng mạnh đến ổn định tĩnh; khả năng cắt nhanh của các máy cắt mang tính quyết định đến ổn định quá độ
2 Khuyến nghị đối với hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel ở đảo Phú Quý:
* Lắp đặt các thiết bị truyền tải sao cho tổng điện kháng từ nguồn đến tải nhỏ hơn 0,518 pu nhằm đảm bảo tính ổn định của hệ thống
Không nên vận hành trạm điện gió với công suất phản kháng vượt quá mức tương ứng với cosφS1 = 0,8 Thay vào đó, trạm điện gió nên hoạt động với công suất phản kháng phù hợp với khả năng của tuabin gió, như V80–2MW, để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
* Lắp đặt máy cắt có khả năng cắt ngắn mạch nhanh và cài đặt thời gian cắt nhỏ hơn
173 ms đối với phía trạm điện diesel, nhỏ hơn 500 ms đối với phía trạm điện gió nhằm đảm bảo ổn định quá độ của hệ thống
Nên lắp đặt thêm tụ b trên lưới để giảm công suất phản kháng mà trạm diesel phải phát, từ đó giảm tổn thất công suất và sụt áp trong truyền tải, đồng thời nâng cao tính ổn định của hệ thống.
3 Luận án cũng khuyến nghị sử dụng chương trình tính toán trong chương này để xác định thời gian cắt tới hạn của các hệ thống điện cô lập tương tự nhằm đảm bảo vận hành các hệ thống đó luôn ổn định
Để nghiên cứu các chế độ và phương pháp vận hành tối ưu hóa mức thâm nhập điện gió, hệ thống cần phải hoạt động ổn định, đồng thời đảm bảo chất lượng điện năng trong giới hạn cho phép.
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ – DIESEL TRONG LƯỚI CÔ LẬP 67 4.1 Đặt vấn đề
Áp dụng thuật toán điều khiển chung cho hệ thống phát điện hỗn hợp gió –
hỗn hợp gió – diesel trên đảo Phú Quý
Thực hiện các tính toán cho hệ thống điện hỗn hợp gió - diesel tại Phú Quý, một hệ thống đang hoạt động thực tế, giúp thuận lợi cho việc phân tích và so sánh hiệu quả.
Phương thức vận hành áp dụng đến ngày 29/6/2014 là 16 giờ/ngày (từ 7h30 đến 23h30)
Từ 30/6/2014 đến nay áp dụng phương thức vận hành 24 giờ/ngày Phụ tải thường trong khoảng 1 ÷ 2 MW
Bảng 4.1 Điều kiện vận hành ở Phú Quý [5,19,60] Điều kiện Ghi chú
Giới hạn phát công suất
P ds – công suất của máy phát điện diesel
P wmin ≤ P w ≤ 2000kW P w – công suất của máy phát điện gió min – cực tiểu
Khi tốc độ gió từ 7,2 m/s đến 17,8 m/s;
Khi tốc độ gió từ 17,8 m/s đến 25 m/s Đặt công suất dự trữ quay cho hệ thống điện
P dp , P dp1 , P dp2 – lần lượt là công suất dự trữ quay của cả hệ thống, của trạm điện gió, của trạm điện diesel
Khi tốc độ gió lớn hơn 7,2 m/s;
Khi tốc độ gió nhỏ hơn 7,2 m/s
4.2.1 Mô phỏng quá trình điều khiển chung cho cả hệ thống
He thong phat dien hon hop gio diesel trong luoi co lap khong co thiet bi phu tro
Tinh toan so may van hanh
Generator speed (pu) Pitch angle (deg) Wind speed (m /s)
Generator speed (pu) Pitch angle (deg) Wind speed (m /s)
Scope1 up u lo y floor ceil
Pt(pu) Pw(pu) Pds(pu) Qt(pu) Qw(pu) Qds(pu)
Tm_shaf t (pu) wr (pu) Pwref (pu)
Pwmax(pu) Pw(pu) Preg(pu) Pds(pu) Pdsmin(pu) Nw Nds
Data Nwref 2 Huy dong may
Tm1(pu) Tmax(pu) V(m/s) w(pu) Nwref
Nw(may ) Huy dong WT
Freq_Hz wt_rad Sin_Cos
Vabc_B690 (pu) Iabc_B690 (pu) Vabc_B380 (pu) Iabc_B380 (pu)
Pw,Qw (MW, MVAr) P1P2Pt (MW) Q1Q2Qt (MVAr) P1/Pt,P2/Pt (%)
wr (pu) Vtabc (pu)
Hình 4.1 Mô hình hệ thống hỗn hợp gió – diesel
Hình 4.2 Biểu đồ tốc độ gió trong mô phỏng Hình 4.3 Số lượng máy phát tham gia vận hành
Luận án tiến sĩ Kĩ thuật
Hình 4.4 Biểu đồ phát công suất tác dụng (a) và công suất phản kháng (b) của hai trạm điện
Hình 4.5 Biểu đồ biểu diễn tỷ lệ phát công suất tác dụng của hai trạm điện
Hình 4.6 Biểu đồ tần số trên lưới
Hình 4.7 Biểu đồ dạng sóng của điện áp phía trạm điện gió
Trong quá trình mô phỏng điều khiển cho hệ thống, tốc độ gió được chọn với dao động và nhiễu vừa phải để làm nổi bật khả năng điều khiển theo phụ tải và ổn định tần số, nhằm tối đa hóa công suất phát điện của trạm điện gió Mặc dù các mô phỏng với tốc độ gió dao động mạnh cho thấy cấu trúc điều khiển đề xuất hoạt động hiệu quả, nhưng kết quả vẫn bị ảnh hưởng đáng kể bởi các dao động này.
Hình 4.4 cho thấy một số điểm nhấp nháy về công suất do huy động thêm hoặc cắt giảm máy phát tại hai trạm điện, kèm theo các dao động về tần số (Hình 4.6) Hệ thống điều khiển chung sẽ điều chỉnh công suất của các máy trong giới hạn cho phép, với thuật toán điều khiển đảm bảo máy phát diesel duy trì mức công suất thấp nhất và tuabin gió đạt mức công suất cao nhất có thể.
Trong quá trình vận hành, các tuabin gió được huy động tối đa để phát huy hiệu quả năng lượng tái tạo Ngược lại, số lượng máy phát trong trạm điện diesel được huy động ở mức tối thiểu, chỉ đủ để đảm bảo dự trữ quay và cung cấp công suất phản kháng cần thiết.
Trong quá trình khởi động tuabin gió, các máy phát DFIG cần nhận công suất phản kháng để thiết lập điện áp Trong khi hoạt động, các máy phát này có khả năng cung cấp thêm công suất phản kháng, tuy nhiên, trạm điện diesel vẫn giữ vai trò chủ yếu trong việc phát công suất phản kháng.
Kết quả khảo sát cho thấy mức thâm nhập điện gió trung bình đạt khoảng 80% Pt, cho thấy các chỉ tiêu về chất lượng tần số và điện áp hoàn toàn đạt yêu cầu so với tiêu chuẩn vận hành hiện tại.
4.2.2 Trường hợp vận hành 16 giờ trong ngày
Vào ngày 23/05/2012, biểu đồ phụ tải trên đảo Phú Quý cho thấy khả năng tính toán của thuật toán trong phương án vận hành 24 giờ Các tính toán được thực hiện dựa trên biểu đồ phụ tải của ngày này (Hình 4.8) và kết hợp với số liệu cực tiểu giả định ở các giờ khác như trong Bảng 4.2 Giả định rằng tốc độ gió trong ngày này có thể đạt đến 9m/s.
Bảng 4.2 Thông số phụ tải
Hình 4.9 trình bày các thông tin quan trọng về hệ thống điện, bao gồm (a) số lượng máy phát tham gia vận hành, (b) công suất phát của từng máy, (c) biểu đồ công suất tác dụng của mỗi trạm điện cùng với công suất dự trữ quay của trạm điện diesel, (d) biểu đồ công suất phản kháng của từng trạm điện, (e) biểu đồ công suất tác dụng tổng thể của hệ thống, và (f) tỷ lệ phát công suất tác dụng giữa hai trạm điện.
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 Thời gian (giờ) 21 23 Điện gió khi V=9 m/s Diesel khi V=9 m/s Diesel khi V