giảm thiểu cộng hưởng dưới đồng bộ bằng thuật toán tối ưu hoá bầy đàn

Luận văn này nghiên cứu hiên tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện gió sử dụng tua bin loại DFIG kết nối với lưới điện có sử dụng tụ bù dọc trên đường dây, các mô hình toán c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

* * *

LÊ VĂN LONG

GIẢM THIỂU CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ BẰNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU HOÁ BẦY ĐÀN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Đồng Nai, Năm 2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG

* * *

LÊ VĂN LONG

GIẢM THIỂU CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ BẰNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU HOÁ BẦY ĐÀN

CHUYÊN NGHÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 921000036

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

TS PHAN NHƯ QUÂN

Đồng Nai, Năm 2024

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập tại Trường Đại Học Lạc Hồng em đã nhận được sự giúp đở tận tình của các quý Thầy Cô Giáo, điều đó thật đáng quý và trân trọng! Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô Giáo của Trường Đại Học Lạc Hồng.Đặc biệt là quý Thầy Cô Khoa Cơ Điện-Điện Tử đã tận tình chỉ dạy và truyền đạt cho em những kiến thức bổ ích, để em có thể khắc phục những thiếu sót trong thời gian học tập và nghiên cứu

Đặc biệt nhất là em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS PHAN NHƯ QUÂN đã chỉ dạy tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện tốt nhất

với tôi trong suốt cả quá trình thực hiện đề tài

Cảm ơn quý Thầy Cô giảng dạy tại Khoa sau Đại học - Trường Đại học Lạc Hồng đã hổ trợ giúp đỡ tôi và các học viên trong lớp Kỹ thuật Điện khóa 2021-2023 trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường

Em xin kính gửi lời cảm ơn đến BGH Trường Đại học Lạc Hồng đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi và cùng các học viên cả lớp được học tập và nghiên cứu tại trường một cách tốt nhất

Do thời gian có hạn nên bài làm chắc chắn không tránh khỏi những sai sót, em kính mong các Thầy Cô chỉ bảo và đóng góp ý kiến để em có thể hoàn thiện hơn, tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài

Sau cùng em xin kính chúc đến quý Thầy Cô thật dồi dào sức khoẻ và tràn đầy những niềm vui để tiếp tục sứ mệnh của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài:GIẢM THIỂU CỘNG HƯỞNG DƯỚI ĐỒNG BỘ BẰNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU HOÁ BẦY ĐÀN

Đề tài được tiến hành trong khoảng thời gian khoảng hơn một năm tại trường Đại Học Lạc Hồng Sau thời gian học tập thì nghiên cứu đề tài được triển khai và tập trung giải quyết vấn đề sau:

Hiện nay, việc sử dụng năng lượng tái tạo trong ngành sản xuất điện đang phát triển một cách nhanh chóng, đặc biệt là năng lượng gió Các tua bin gió loại DFIG đang được sử dụng rất nhiều trong các hệ thống điện gió do ưu điểm về mặt kinh tế và kỹ thuật Để tăng công suất truyền tải trên đường dây dài người ta thường sử dụng các tụ bù dọc Tuy nhiên, việc sử dụng các tụ bù dọc sẽ gây ra hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) Hiện tượng SSR là một vấn đề quan trọng trong hệ thống điện Hiện tượng SSR này xảy ra sẽ làm mất ổn định hệ thống điện và có thể phá hủy các tua bin nếu không được ngăn chặn kịp thời

Luận văn này nghiên cứu hiên tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện gió sử dụng tua bin loại DFIG kết nối với lưới điện có sử dụng tụ bù dọc trên đường dây, các mô hình toán chi tiết của DFIG Luận văn trình bày cơ sở lý thuyết về hiện tượng SSR, lý thuyết các phương pháp phân tích SSR và mô hình các phần tử trong lưới điện được nghiên cứu Ý tưởng là làm giảm các dao động trong công suất tác dụng bằng cách triển khai bộ điều khiển tỷ lệ -tích phân (PI) trong GCSC, các tham số của bộ điều khiển PI được xác định bằng thuật toán tối ưu hoá bầy đàn (PSO) GCSC có thể cung cấp giảm xóc tương tác điều khiển dưới đồng bộ để điều chỉnh sai số của dạng sóng công suất tác dụng

MỤC LỤC

2 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước có liên quan 3 2.1 3

2.2 5

3.2 Mô hình toán học của các phần tử trong mô hình IEEE Fisrt BenchMark có tích

3.2.1.1 Mô hình hệ thống cơ giữa tua bin – máy phát 9

2 Hướng giải quyết vấn đề 17

2.3.1 Phân loại hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ 20

2.5 Vai trò của thiết bị điện tử công suất trong lưới điện 26

Chương 3 MÔ HÌNH LƯỚI ĐIỆN TÍCH HỢP DFIG NGHIÊN CỨU SSR 43 3.1 Giới thiệu về hệ thống máy phát điện gió DFIG 43

3.1.2 Hệ thống điều khiển turbines gió tốc độ thay đổi DFIG gồm 45

3.3 Mô hình DFIG 48

3.3.2 Mô hình hệ thống trục hai khối tua pin – máy phát 50 3.3.3 Mô hình máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn 51

3.3.4.1 Bộ điều khiển phía rotor 55 3.3.4.2 Bộ điều khiển phía lưới 56

3.5 61

Chương 4 XÂY DỰNG VÀ GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU HOÁ BẦY ĐÀN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Hệ thống điện đơn giản có và không có bù điện dung nối tiếp 2

Hình 1.2: Mô hình mẫu IEEE tích hợp DFIG 7

Hình 1.3: Mô hình lưới điện mẫu có kết hợp FSC trên Matlab/Simulink 8

Hình 1.4: Mô hình DFIG 2 khối 9

Hình 1.5: Máy phát tua bin đa quán tính nối với đường truyền bù nối tiếp 10

Hình 2.1 Phân loại các hiện tượng SSO 18

Hình 2.2 Sơ đồ đơn tuyến của một hệ thống điện đơn giản 20

Hình 2.3 Mạch tương đương đơn giản của máy điện đồng bộ liên quan đến IGE 21

Hình 2.4 Một hệ thống điện hai máy đơn giản không xét đến tổn thất 24

Hình 2.5 Sự thay đổi công suất tác dụng và công suất phản kháng của đường dây truyền tải khi đưa tụ bù nối tiếp vào hệ thống so với góc δ ứng với các giá trị khác nhau của mức bù 25

Hình 2.6: Cấu hình WT dựa sử dụng DFIG 27

Hình 2.7 Quá trình chuyển đổi năng lượng WT 28

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điện gió sử dụng DFIG kết nối lưới có tụ bù mắc nối tiếp nghiên cứu SSR [8] 48

Hình 3.2: Sơ đồ khối mô hình khí động học của DFIG [8] 49 Hình 3.3: Mô hình giảm xóc hệ hai khối truyền động WT và máy phát của DFIG được nghiên cứu [8] 51

Hình 3.1: Mối quan hệ giữa công suất cơ P̅t (p.u), tốc độ trục rotor tua bin ωr (p.u), tốc độ gió Vω (m/s) và đường cong MPPT [28] ……… 57

Hình 3.5: Vòng điều khiển RSC [8] 55

Hình 3.6: Vòng lặp điều khiển GSC [8] 56

Hình 3.7: Mô hình liên kết DC DFIG 57

Hình 3.8: Sơ đồ kết nối mạch Crowbar 58

Hình 3.9: Mô hình mô phỏng hệ thống trên MATLAB/Simulink 59

Hình 4.1: Đặc tính tốc độ mô-men xoắn đối với các tốc độ gió khác nhau 61 Hình 4.2: Hệ số công suất so với tỷ lệ tốc độ đầu tip 61

Hình 4.4: Điều khiển mô-men xoắn tối ưu [22] ……… 62 Hình 4.5: Cấu trúc điều khiển và mô hình WFSG với chế độ chọn lọc…….…… 66 Hình 4.6: Sơ đồ khối thuật toán tối ưu hóa bầy đàn 65 Hình 4.7: kết quả sau số lần lặp khi λ đạt giá trị tối ưu cho giá trị Cpmax 67 Hình 4.8: kết quả hàm mục tiêu sau khi Cp đạt giá trị Cpmax 68

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2 1: Tần số điện tự nhiên trong trường hợp bù nối tiếp và bù song song 26 Bảng 2.2 Trình bày tổng hợp một số dự án sử dụng DFIG điển hình tại Việt Nam…….35

Bảng 2.3: DFIG thương mại công suất cao hiện có …… ……… ……….37

Bảng 3 1: Thể hiện khi tốc độ gió (Vω)tỉ lệ thuận với tốc độ trục rotor WT (ωr),

công suất cơ học (Pt) và mô men cơ (Tm) ……… 50

IG Máy phát điện cảm ứng (Induction Generator) RD Đường kính rotor (Rotor Diameters)

EESG Máy phát điện đồng bộ kích từ (Electrically Excited Synchronous

SSR Cộng hưởng dưới đồng bộ (Sub-Synchronous Resonance)

FACTS Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (Flexible Alternating Current Transmission System)

TCSC Tụ bù nối tiếp điều khiển bằng thyristor (Thyristor Controlled

TSSR Cuộn kháng nối tiếp đóng cắt bằng thyristor (Thyristor Switched

Máy phát điện cảm ứng nguồn kép không chổi than (Brushless Doubly-Fed Induction Generator)

BDFRG Máy phát điện từ trở nguồn kép không chổi than (Brushless Doubly-Fed Reluctance Generator)

BCD-FIG Máy phát điện cảm ứng nguồn kép Cascade không chổi than (Brushless Cascade Doubly Fed Induction Generator)

DSBDFIG Máy phát điện cảm ứng nguồn kép không chổi than stator kép (Dual-Stator Brushless Doubly-Fed Induction Generator) 2L-BTB Two-Level Back-To-Back

ITAE Tích phân của thời gian nhân sai số tuyệt đối (Integral Time Absolute Error

ASGWT Adjustable Speed Generator Wind Turbine FSGWT Fixed Speed Generator Wind Turbine

GCSC Tụ bù nối tiếp điều khiển bằng GTO (Gate Controlled Series Capacitor)

FSC Tụ bù nối tiếp cố định (Fixed Series Compensation) SSR Cộng hưởng dưới đồng bộ (Sub-Synchronous Resonance)

SSTI Tương tác xoắn dưới đồng bộ (Sub-Synchronous Torque Interaction)

IGE Ảnh hưởng cảm ứng máy phát (Induction Generator Effect)

HVDC Điện một chiều cao áp (High Voltage Direct Current) MMF Lực từ động (Magnetomotive Force)

VSC Bộ chuyển đổi điện áp (Voltage Source Converter) RSC Bộ chuyển đổi phía rotor (Rotor Side Converter) GSC Bộ chuyển đổi phía lưới (Grid Side Converter)

WECS Wind Energy Conversion Systems (Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió)

SVC Thiết bị bù công suất phản kháng (Static VAR Compensator) STATCO

M Bộ bù đồng bộ tĩnh (Static Synchronous Compensator)

SSSC Bộ bù nối tiếp đồng bộ tĩnh (Static Synchronous Series Compensator)

UPFC

Bộ điều khiển dòng công suất hợp nhất (UPFC - Unified Power Flow Controller)

MPPT Dò tìm điểm công suất cực đại (Maximum Power Point Tracker) PI Bộ điều khiển tỉ lệ - tích phân (Proportional-Integral)

PSO Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization) NMĐ Nhà máy điện

HTĐ Hệ thống điện

FBM Mô hình chuẩn đầu tiên của IEEE (First Benchmark Model) VSC Bộ biến đổi điện áp (Voltage Source Converter)

HVAC Điện cao áp xoay chiều (High Voltage Alternating Current)

WRIG Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn (Wound Rotor Induction

Công ty Cổ phần Tư vấn xây dựng Điện 4 (Power Engineering Consulting Joint Stock Company 4)

PMSG Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Generator)

GA Thuật toán di truyền (Genetic Algorithms) GTO Cổng tắt mở (Gate Turn Off)

MGCSC GCSC đa mô-đun (Multi Gate Controlled Series Capacitor) LOH Sóng hài bậc thấp (Low-Order Harmonic)

PVG Máy phát năng lượng mặt trời (Photovoltaic Generator) TO Dao động xoắn (Torsional Oscillation)

PLL Vòng khóa pha (Phase-Locked Loop) WT Tua bin gió (Wind Turbine)

GE General Electric

CSPK Công suất phảng kháng

Chương: MỞ ĐẦU 1 Lý do thực hiện đề tài

Nhu cầu năng lượng ngày nay đang là vấn đề thời sự cho sự phát triển của nền kinh tế, trong đó năng lượng điện đóng vai trò then chốt Hệ thống điện liên tục được mở rộng và phát triển

Việc sử dụng nguồn nguyên liệu hoá thạch trong các nhà máy nhiệt điện sẽ tạo ra một lượng lớn các khí thải gây hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm không khí ảnh hưởng đến nghiêm trọng đến sức khỏe của con người Hơn nữa, nguồn nguyên liệu hoá thạch là nguồn tài nguyên có hạn và đang dần cạn kiệt Vì lý do này, nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam ứng dụng thêm nhiều nguồn năng lượng tái tạo để tạo ra điện Trong đó, nguồn năng lượng gió đang được phát triển một cách nhanh chóng trong thời gian gần đây

Các tua bin gió tốc độ thay đổi đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy điện gió, điển hình là máy phát điện nguồn kép (DFIG – Doubly fed Induction Generator) Các DFIG có nhiều ưu điểm nổi bật hơn so với các loại tua bin tốc độ cố định như: hiệu suất cao, khả năng điều khiển linh hoạt, giảm độ ồn, …

Vì các nhà máy điện gió lớn thường đặt xa nơi các hộ dân sinh sống, nên cần phải có một đường dây truyền tải dài để kết nối với lưới điện Việc truyền tải điện trên đường dây dài sẽ làm giảm đi công suất truyền tải, do đó việc lắp đặt thêm các hệ thống tụ bù dọc trên đường dây truyền tải sẽ làm tăng khả năng truyền tải công suất và ổn định lưới điện với chi phí thấp hơn nhiều so với xây dựng thêm đường dây truyền tải mới Một nghiên cứu được thực hiện bởi ABB cho thấy rằng tăng công suất đường dây truyền tải từ 1300 MW đến 2000 MW bằng cách sử dụng tụ bù dọc sẽ có giá thấp hơn 90% so với xây dựng đường dây mới [1]

Trước những lợi ích to lớn của hệ thống bù dọc trên đường dây truyền tải mang lại, một yếu tố gây cản trở việc sử dụng rộng rãi hệ thống bù dọc là nguy cơ gây ra hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR – Sub Synchronous Resonance) Cộng hưởng dưới đồng bộ phá hỏng các trục rotor, tua bin, gây hư hại nặng nề đến hệ thống điện gió

Vì vậy đề tài “Giảm thiểu cộng hưởng dưới đồng bộ bằng thuật toán tối

vấn đề đã nêu trên

1.1 Cơ sở lý thuyết

1.1.1 Dòng bù của đường truyền tải

Các tụ điện nối tiếp thông thường đã được sử dụng rộng rãi trên thị trường để cải thiện khả năng truyền tải điện năng của các đường dây tải điện Các tụ điện này triệt tiêu một phần điện kháng của đường dây truyền tải điện, giảm tổn thất truyền tải điện, tăng chia sẻ tải giữa các đường dây song song và cải thiện độ ổn định quá độ cũng như trạng thái ổn định của hệ thống điện [2] Khái niệm tụ bù nối tiếp được giải thích chi tiết bằng cách sử dụng sơ đồ một đường dây của hệ thống điện trong Hình 1.1 Công suất P được truyền qua một đường dây truyền tải điện không bù được cho bởi phương trình (1.1), trong đó Vs và Vr lần lượt là điện áp đầu cuối truyền và nhận, XL là điện kháng của đường dây và δs và δr là góc pha của đầu phát và nhận các hiệu điện thế cuối tương ứng Đối với đường dây tải điện có tụ điện mắc nối tiếp có điện dung XC, công suất truyền trên đường dây được cho theo phương trình (1.2)

Hình 1.1 Hệ thống điện đơn giản có và không có bù điện dung nối tiếp

(1)

(2)

Về nguyên tắc, đường truyền có tụ bù nối tiếp ngắn hơn về mặt điện so với đường truyền không bù có cùng chiều dài và thông số [3] So sánh các phương trình (1) và (2) cho thấy công suất cực đại có thể truyền đi đối với đường truyền bù nối tiếp cao hơn đối với đường truyền không bù

Mặc dù Charles Concordia đã cảnh báo về các tương tác bất lợi có thể xảy ra giữa các tụ điện nối tiếp và các máy phát tua bin nhiều khối vào năm 1937 [4-5], nhưng chỉ vào năm 1970 và một lần nữa vào năm 1971, các lỗi trục tua bin máy phát điện thực tế do các tương tác này xảy ra tại nhà máy điện Mohave ở Nevada, Hoa Kỳ Tương tác này, ngày nay được gọi là cộng hưởng không đồng bộ (SSR), kể từ đó đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu trên toàn thế giới

2 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước có liên quan

Một số nhà khoa học trên thế giới và Việt Nam đã triển khai nghiên cứu về hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trên các hệ thống điện và đưa ra các giải pháp để ngăn chặn cộng hưởng dưới đồng bộ, nhằm giảm tối đa những tổn hại mà cộng hưởng dưới đồng bộ gây ra Tuy nhiên, việc nghiên cứu về hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ ở Việt Nam hiện nay là rất ít

2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

- Duc Tung, Doan, Le Van Dai, and Cao Le Quyen "Subsynchronous resonance and facts-novel control strategy for its mitigation." Journal of

Engineering 2019 (2019)

Bài báo dựa trên vị trí vết nứt trục tua bin tổ máy số 1 bị sự cố vào 24/11/2015 phân tích hiện tượng SSR cho các nhà máy nhiệt điện Vũng Áng I và II Trên cơ sở đó, phát triển một chiến lược điều khiển mới cho từng thiết bị FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) như TCSC (Thyristor Controlled Series Compensator), SVC (Static VAR Compensator) và STATCOM (Static synchronous compensator) Phương pháp mô phỏng theo miền thời gian hệ thống truyền tải điện 500/220 kV Việt Nam sử dụng phần mềm EMTP-RV và PSS/E (Power System Simulator for Engineering) được sử dụng Từ kết quả mô phỏng được nhóm tác giả đề xuất SVC có thể được áp dụng để giải quyết ngay lập tức những khó khăn đang gặp phải đối với ngành điện Việt Nam

- Lê Đức Tùng, “Nghiên cứu sử dụng bộ lọc để loại trừ sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ, áp dụng cho lưới điện IEEE First Benchmark” Tạp chí Khoa học

và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng, Vol 18, NO 7, 2020, ISSN 1859-1531

Bài báo trình bày phương pháp sử dụng các khối bộ lọc để ngăn ngừa sự cố

để loại bó các tần số có khả năng gây ra dao động cộng hưởng trên các đoạn trục tua bin máy phát được xây dựng dựa trên mô hình chuẩn IEEE First Benchmark Phương pháp trị riêng và phương pháp mô phỏng miền thời gian được thực hiện và so sánh đánh giá Từ kết quả mô phỏng đạt được tác giả đề xuất bộ lọc có thể được sử dụng để ngăn ngừa SSR và sẽ được đầu tư phát triển vào hệ thống điện Việt Nam trong thời gian tới

- Lê Đức Tùng, “Nghiên cứu ứng dụng thiết bị SVC nhằm giảm thiểu sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân

sự, Số 68, 8 - 2020

Bài báo giới thiệu phương pháp áp dụng thiết bị bù linh hoạt SVC để giảm thiểu sự cố cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện Sơ đồ điều khiển, mô hình nghiên cứu áp dụng cho lưới điện chuẩn IEEE được trình bày Sử dụng phương pháp mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink để phân tích đánh giá minh chứng minh cho tính đúng đắn của phương pháp Từ kết quả mô phỏng được tác giả đề xuất bộ điều khiển SVC sẽ được áp dụng để thay đổi thông số lưới điện, dẫn đến thay đổi tần số tự nhiên của hệ thống và loại trừ sự cố SSR

- Nguyễn Mạnh Toàn, “Nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trên lưới điện Việt Nam”, Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc

Gia TP HCM (2020)

Luận văn đã trình bày được lý thuyết về hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ và phương pháp nghiên cứu hiện tượng này, từ đó thực hiện đánh giá hiện tượng SSR đối với lưới điện Việt Nam năm 2020 và năm 2025 Phương pháp quét tần số được áp dụng phân tích và phần mềm bản quyền EMTP-RV 4.0 được sử dụng mô phỏng hệ thống điện 500kV, 220kV Việt Nam năm 2020 và 2025 để nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ Từ kết quả nghiên cứu lưới điện Việt Nam, tác giả đã tính toán được tần số cộng hưởng tự nhiên của lưới điện tại các thanh cái 500kV, 220kV đấu nối các nhà máy điện, các nhà máy điện hiện hữu và tương lai; tính toán được tần số dao động riêng trục turbine máy phát nhà máy điện Vũng Áng I từ đó đưa ra các khoảng tần số có nguy cơ gây ra cộng hưởng dưới đồng bộ; chỉ ra các điểm đấu nối trên hệ thống điện có nguy cơ xảy ra hiện tượng SSR cao; làm cơ sở cho việc lựa chọn thông số cho các tổ máy phát của nhà máy điện chuẩn bị xây dựng

- Đinh Văn Đạt, “Phân tích hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ trong hệ thống điện”, Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (2018)

Luận văn này trình bày cơ sở lý thuyết và xây dựng mô hình hệ turbine – máy phát trong phần mềm Matlab phục vụ cho việc phân tích, hiện tượng cộng hưởng tần số dưới đồng bộ tại các nhà máy nhiệt điện Phương pháp trị riêng được sử dụng để nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng tần số thấp – SSR trong mô hình chuẩn thứ hai của IEEE (SBM- Second Benchmark) Từ kết quả mô phỏng có được tác giả đã xác định được các giá trị bù trên đường dây truyền tải, mà tại đó xảy ra hiện tượng cộng hưởng và gây nguy hiểm nhất cho hệ trục turbine – máy phát nhiệt điện; xác định chính xác giá trị bù nào gây nguy hiểm đối với khớp trục tương ứng trên hệ trục Và chỉ rõ ảnh hưởng của dòng điện sự cố, vị trí của điểm ngắn mạch tới cộng hưởng tần số dưới đồng bộ

2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

- Shah, N N., & Joshi, S R (2019), “Modal analysis for selection of DFIG ‐ based wind farms for damping and reduction of the risk of SSR”, IET Energy

Systems Integration, 1(4), 252-268

Nội dung bài báo này là phân tích hiện tượng SSR dựa trên mô hình mẫu IEEE-first benchmark model (FBM) bằng cách thay đổi nhiều thông số như: cấp độ của hệ thống bù dọc đường dây truyền tải, tốc độ gió và kích thước của cánh đồng điện gió Tác giả thực hiện bằng phương pháp phân tích giá trị riêng, tính toán các nhân tố tham gia trong mô hình và mô phỏng theo miền thời gian Từ các kết quả phân tích, tác giả đề xuất cấu hình hệ thống điện gió phù hợp để giảm dao động và hiện tượng SSR Bài báo còn chứng minh rằng việc tính toán công suất của hệ thống điện gió thích hợp, điều chỉnh các thông số trong bộ chuyển đổi điện áp có sẵn trong các DFIG hợp lí và chấp nhận khoảng cách kết nối từ hệ thống điện gió đến hệ thống máy phát điện đồng bộ ngắn hơn sẽ ngăn chặn được SSR ở cấp độ bù 60%

- JIANG, Hao, et al., “Impedance characteristics of DFIGs considering the impacts of DFIG numbers and locations and its application on SSR analysis”, In:

2017 IEEE Power & Energy Society General Meeting IEEE, 2017 p 1-8

Nội dung bài báo này là phân tích các đặc tính trở kháng của các DFIG với số

scan) được tác giả thực hiển để đo trở kháng của các DFG Qua đó chứng minh rằng: ▪ Nguy cơ xảy ra SSR của hệ thống liên hệ đến số lượng DFIG và các cấp độ bù

dọc khác nhau

▪ Ở các tốc độ gió khác nhau sẽ làm ảnh hưởng đến đặc tính trở kháng của hệ thống Tốc độ gió của hệ thống điện gió gần hơn sẽ ảnh hưởng lớn hơn đến sự ổn định của hệ thống

- Jiang, H., Song, R., Du, N., Zhou, P., Zheng, B., Han, Y., & Yang, D (2019),

“Application of UPFC to mitigate SSR in series‐compensated wind farms”, The

Journal of Engineering, 2019(16), 2505-2509

Nội dụng bài báo này là trình bày chiến lược điều khiển và mô phổng mô hình của UPFC (unified power flow controller) dựa trên phương pháp điều khiển tách rời dq Ứng dụng UPFC vào trong hệ thống điện gió có tụ bù dọc để giảm SSR Tác giả đã sử dụng phương pháp hệ số momen xoắn phức hợp và mô phỏng theo miền thời gian bằng phần mềm PSCAD/EMTDC

- Liu, H., Xie, X., Gao, X., Liu, H., & Li, Y (2017), “Stability analysis of SSR in multiple wind farms connected to series-compensated systems using impedance network model”, IEEE transactions on power systems, 33(3), 3118-3128

Trong bài báo này, tác giả đề xuất mô hình mạng trở kháng (INM – Impedance Network Model) dựa trên phương pháp phân tích sự ổn định SSR Mô hình trở kháng của các hệ thống điện gió và đường dây truyền tải được thiết lập và chúng được kết nối với nhau thành một mô hình trở kháng lớn Bằng cách phân tích những đặc điểm tần số của các INM sau khi tổng hợp dựa trên tiêu chí mới được phát triển để đánh giá độ ổn định của SSR Phương pháp được đề xuất này có tiềm năng lớn cho việc phân tích SSR trong các hệ thống điện gió rất lớn

- DONG, Liang, et al., “Subsynchronous resonance Mitigation for series compensation transmission system of DFIG based on Pr control”, In: 2019 IEEE

10th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG) IEEE, 2019 p 734-738

Bài báo này phân tích mô hình toán học của hệ thống bù dọc đường dây truyền tải của hệ thống điện gió dùng DFIG và các đặc điểm của đáp ứng tần số của phương pháp điều khiển tỉ lệ cộng hưởng PR (Proportion resonant) Sử dụng phương pháp

điều khiển PR phía rotor để giảm dòng SSR của stator, điều khiển PR phía lưới để giảm SSR của điện áp DC Link và công suất phản kháng Bài báo được thực hiện trên phần mềm Matlab/Simulink Kết quả mô phỏng cho ra kết quả tốt trong việc giảm SSR

- Liu, H., Xie, X., Zhang, C., Li, Y., Liu, H., & Hu, Y (2016), “Quantitative SSR analysis of series-compensated DFIG-based wind farms using aggregated RLC circuit model”, IEEE Transactions on Power Systems, 32(1), 474-483

Bài báo này tác giả đề xuất ra một phương pháp mới dựa trên mô hình mạch RLC để giải thích một cách trực quan và đánh giá định lượng về SSR trong mô hình hệ thống điện gió DFIG có tích hợp tụ bù dọc Phương pháp đề xuất được áp dụng để phân tích SSR của một hệ thống điện gió thực tế ở miền Bắc Trung Quốc đã trải qua các sự cố SSR thực tế Sự thống nhất giữa các kết quả thu được và miền dữ liệu đo được xác minh tính hiệu quả của nó rất tốt Hơn nữa, lợi thế của nó về độ chính xác so với các phương pháp dựa trên mô hình trở kháng hiện có được xác nhận bằng cả phân tích eigenvalue và mô phỏng miền thời gian Phương pháp này cũng được sử dụng để đánh giá định lượng tác động đến sự ổn định của SSR từ các yếu tố khác nhau, bao gồm: tốc độ gió, số lượng DFIG và các thông số điều khiển của chúng

3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trên mô hình lưới điện mẫu có tích hợp hệ thống điện gió sử dụng DFIG

Trình bày cơ sở lý thuyết của hiện tượng SSR, thuật toán và các thành phần trong mô hình lưới điện mẫu

Chạy mô phỏng lưới điện mẫu để phân tích hiện tượng SSR trên mô hình lưới điện mẫu có tích hợp DFIG

Phân tích các kết quả mô phỏng, đề xuất phương pháp ứng dụng thuật toán tối ưu hoá bầy đàn để giảm SSR và tiến hành mô phỏng để đánh giá kết quả

3.1 Mô hình mẫu IEEE tích hợp DFIG

Hình 1.2: Mô hình mẫu IEEE tích hợp DFIG

RL = điện trở đường dây, XL = điện kháng đường dây, XC = điện kháng tụ bù dọc, XT = điện kháng máy biến áp, VS = điện áp đầu cuối của DFIG, Vdc = điện áp tụ liên kết DC, iL = dòng điện, ir = dòng điện rotor, is = dòng điện stator, ig = dòng điện GSC

Hình 1.3: Mô hình lưới điện mẫu có kết hợp FSC trên Matlab/Simulink

Hệ thống nghiên cứu dựa trên mô hình mô hình chuẩn thứ nhất của IEEE (FBM -First Benchmark) sử dụng cho các nghiên cứu SSR được thể hiện trong Hình 1 [6], trong đó một hệ thống điện gió sử dụng tua bin gió loại DFIG được kết nối với lưới 161 kV có bù dọc Hệ thống điện gió 100 MW là một mô hình tổng hợp của 66 tổ máy tua bin gió 1,5 MW, trong đó mỗi tổ máy có công suất định mức 1,5 MW Trên thực tế, một tua bin gió 1,5 MW được mở rộng lên để đại diện cho hệ thống điện gió 100 MW Sự đơn giản hóa này được dựa theo một số nghiên cứu [7-8] và cho thấy rằng một mô hình hệ thống điện gió tổng hợp là phù hợp cho các nghiên cứu trong hệ thống điện

3.2 Mô hình toán học của các phần tử trong mô hình IEEE Fisrt BenchMark có tích hợp DFIG

3.2.1 Mô hình DFIG

Cấu trúc cơ bản của máy phát điện gió cảm ứng nguồn kép (DFIG) được trình bày trong Hình 3.1 Stato của máy điện cảm ứng được nối trực tiếp với lưới điện và các cuộn dây quấn rô to được nối với lưới điện thông qua các vòng trượt và hệ thống biến đổi xoay chiều gián tiếp điều khiển cả dòng điện phía rô to và phía lưới Hệ thống bộ chuyển đổi xoay chiều bao gồm hai bộ chuyển đổi điện áp nguồn là bộ chuyển đổi phía rô to (RSC – Rotor Side Converter) và bộ chuyển đổi phía lưới (GSC - Grid-Side Converter) được kết nối bằng tụ DC Một cuộn cảm và một bộ lọc xoay chiều được sử dụng tại GSC để cải thiện chất lượng điện năng Một mạch bảo vệ điện áp cũng được sử dụng để bảo vệ RSC chống lại quá dòng và tụ điện một chiều chống quá áp [9]

Việc kiểm soát DFIG được thực hiện bằng cách điều khiển RSC và GSC sử dụng các kỹ thuật điều khiển vector Chức năng của RSC là kiểm soát công suất tác dụng và phản kháng được cung cấp cho lưới điện, đồng thời thông qua các đặc tính theo dõi được để điều chỉnh tốc độ máy phát nhằm tạo ra công suất tối ưu tùy thuộc vào tốc độ gió

3.2.1.1 Mô hình hệ thống cơ giữa tua bin – máy phát

Hình 1.4: Mô hình DFIG 2 khối

Trong đó 𝜔t và 𝜔r lần lượt là tốc độ tua bin và rô to máy phát; 𝜔B là tốc độ cơ bản Tg là mô men bên trong của mô hình; Tm và Te lần lượt là mô men cơ của tua bin và mô men điện của máy phát; Dt và Dg lần lượt là hệ số tắt dần cơ học của tua bin và máy phát; Ht và Hg lần lượt là hằng số quán tính của tua bin và máy phát; Dtg là hệ số tắt dần của khớp nối mềm giữa hai khối trục; Ktg là độ cứng của trục Các biến trạng thái liên quan đến động lực học xoắn được ký hiệu là Xt

3.2.1.2 Mô hình đường dây có tụ bù dọc

Trong đó vcq và vcd là điện áp trục q và trục d qua tụ điện, iq và id là dòng điện trục q và trục d qua đường dây, vtq và vtd là điện áp trục q và trục d của thanh cái đầu cuối, EBq và EBd là điện áp trục q và trục d của nguồn vô hạn, 𝜔B là tốc độ cơ bản (377 rad/s) Lưu ý rằng cộng hưởng lưới điện tại fn sẽ được quan sát như một chế độ dao động với tần số fs - fn do hệ quy chiếu đồng bộ Các biến trạng thái được liên kết với

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mô hình lưới điện mẫu IEEE có tích hợp điện gió sử dụng DFIG

Mô hình toán học của hiện tượng SSR, máy phát điện gió DFIG, hệ thống bù dọc đường dây truyền tải và các phần tử của lưới điện

Các phương pháp giảm SSR

Cơ sở lý thuyết cho hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ SSR trong lưới điện được bù nối tiếp:

Phần lớn điện năng được tạo ra đến từ các máy phát tua-bin lớn với các rô to dài thường bao gồm một số phần quay [4] Do các cấu trúc trục đa quán tính dài này, các máy phát tua bin có một số chế độ rung xoắn đặc trưng, số lượng của chúng phụ thuộc vào các phần trên trục tua bin - máy phát điện Sự tắt dần cơ học của dao động xoắn trong trục tua bin-máy phát điện là nhỏ và nó là dương do ma sát và tổn thất do gió cũng như dòng hơi hoặc khí xung quanh rotor Khi một máy phát tua bin như vậy được nối với một đường dây có tụ điện bù nối như trong hình 5, tần số cộng hưởng của mạng điện, fer được cho bởi phương trình 7

𝑓𝑒𝑟 = 𝑓0√ 𝑋𝐶

𝑋𝐿𝑡𝑜𝑡 (7)

Hình 1.5: Máy phát tua bin đa quán tính nối với đường truyền bù nối tiếp

Trong đó

f0 = tần số đồng bộ của hệ thống điện XC = điện kháng bù điện dung

XLtot = tổng điện kháng cảm ứng của hệ thống điện (là X”ad + Xt + XL + Xsys) Xt = điện kháng rò rỉ của máy biến áp nâng cấp

XL = điện kháng cảm ứng của đường truyền X”ad = điện kháng tạm thời phụ của máy phát

Khi xảy ra nhiễu trong một hệ thống, dao động trong rô to máy phát ở tần số không đồng bộ fn tạo ra điện áp phần ứng có tần số (f0 ± fn) [10] Các điện áp này lập ra dòng điện trong phần ứng, từ đó phát triển mô men điện từ ở cùng tần số fn Sự tắt dần của dao động xoắn trong trục tua bin-máy phát sẽ bị suy yếu nếu tần số cộng hưởng của mạng điện của hệ thống fer gần với tần số không đồng bộ (f0 - fn) Khi dòng điện ở tần số bao gồm các dao động này đi vào cuộn dây của máy, thì máy và mạng điện nên kết hợp một cách lý tưởng để làm tắt các dao động này Nếu không, các dao động này có thể phát triển theo biên độ không ổn định hoặc có thể ổn định nhưng giảm xóc kém duy trì Sự xuất hiện của các dao động không đồng bộ này, thường nằm trong khoảng 10 - 50 Hz [11] trên trục máy phát điện làm tăng ứng suất và độ mỏi, điều này làm phát triển các vết nứt dẫn đến hỏng trục do hư hỏng

Theo IEEE, cộng hưởng dưới đồng bộ SSR được định nghĩa như sau [12]: “SSR là điều kiện năng lượng điện trong đó năng lượng được trao đổi giữa mạng lưới điện và hệ thống cơ của trục tua bin-máy phát ở một hoặc nhiều tần số riêng kết hợp thấp hơn tần số đồng bộ của hệ thống điện”

Các dạng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR)

Hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ SSR thường biểu hiện dưới 3 loại khác nhau, cụ thể là; ảnh hưởng cảm ứng máy phát (IGE- Induction Generator Effect),

tương tác xoắn (TI- Torsional Interaction) và mô men xoắn khuếch đại (TA- Torque Amplification)

Ảnh hưởng cảm ứng máy phát (IGE)

Loại cộng hưởng dưới đồng bộ SSR này là kết quả của quá trình tự kích từ của máy phát điện và chỉ liên quan đến hệ thống điện Ảnh hưởng cảm ứng máy phát IGE xảy ra nếu tồn tại cộng hưởng điện ở tần số không đồng bộ và điện trở âm (do sự trượt âm) từ phía rô to vượt quá điện trở dương trong đường dây [13] Máy phát tua bin gần các mạng bù loạt lớn có nhiều khả năng gặp phải dạng cộng hưởng dưới đồng bộ SSR này hơn

Tương tác xoắn (TI)

Tương tác xoắn cộng hưởng dưới đồng bộ SSR liên quan đến hệ thống điện cũng như hệ thống cơ khí của trục Dòng điện không đồng bộ lớn tạo ra mô men dao động nếu tần số của thành phần không đồng bộ của điện áp phần ứng nói trên (f0 - fn) gần với tần số cộng hưởng điện fer Cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) do tương tác xoắn xảy ra nếu pha của mô men được tạo ra tăng cường dao động xoắn kích thích Tương tác xoắn TI được báo cáo là có ý nghĩa quan trọng hơn và được cho là nguyên nhân gây ra sự cố trục trặc thảm khốc tại nhà máy điện Mohave [14]

Mô men xoắn khuếch đại (TA)

Sự nhiễu loạn trong hệ thống có một hoặc nhiều đường truyền bù tụ điện làm phát sinh mô men điện từ rô to thoáng qua ở các tần số (f0 ± fer) Mô men trục sau nhiễu có biên độ lớn là kết quả nếu thành phần không đồng bộ của mô men quá độ (f0 - fer) gần với một trong các tần số xoắn tự nhiên của hệ cơ Cộng hưởng dưới đồng bộ SSR do TA liên quan đến cả hệ thống điện và cơ học nhưng nó bắt đầu bởi các nhiễu loạn nghiêm trọng như sự cố

5 Nội dung thực hiện nghiên cứu

Nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ SSR, mô hình các phần tử trong hệ thống lưới điện có tích hợp điện gió: Hệ thống bù dọc, máy phát điện gió DFIG, …

Khảo sát hiện tượng SSR xảy ra trên mô hình lưới điện mẫu có tích hợp điện gió trên phần mềm Matlab/Simulink

Đề xuất phương pháp giảm hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) theo phương pháp điều khiển công suất không đổi dựa trên bộ điều khiển PI (Proportional–

Integral controller): tỉ lệ và tích phân Các thông số Kp, Ki của bộ điều khiển PI trong luận văn này được xác định bằng thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink

Giới thiệu thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO-Particle Swarm Optimization): - Thuật toán PSO [15] là kỹ thuật tối ưu hóa được phái triển bởi Kennedy và Eberhart vào năm 1995 Động cơ thúc đẩy sự phát triển của thuật toán này dựa trên sự mô phỏng xã hội của các loài động vật như cá, chim, …

- Thuật toán PSO sử dụng sự tương tác giữa các cá thể trong một quần thể để khám phá không gian tìm kiếm Vì vậy, kết quả tối ưu toàn cục do sự hiệu chỉnh quỹ đạo của các cá thể sẽ dẫn đến vị trí tốt nhất và phần tử tối ưu nhất trong nhóm sau mỗi bước tính Thuật toán PSO đang trở nên phổ biến vì tính đơn giản, khả năng hội tụ nhanh và đạt kết quả tốt

Tuy nhiên, thuật toán PSO cũng có những nhược điểm của nó, đó là dễ rơi vào tình trạng tối ưu cục bộ, hạn chế khi tìm kiếm các điểm ở gần vô cùng, thiếu cơ chế hiệu quả để giải quyết các ràng buộc

Thuật toán PSO được khái quát như sau:

6 Phương pháp thực hiện nghiên cứu

Tham khảo và kế thừa để phát triển tài liệu liên quan Phân tích và tổng hợp

Mô hình hoá và mô phỏng

Để thực hiện luận văn này phương pháp thực hiện chủ yếu là:

- Trao đổi với cán bộ hướng dẫn về nhiệm vụ được giao và các vấn đề có liên quan

- Tìm kiếm tài liệu tham khảo và cập nhật thông tin qua mạng Internet

- Phân tích, tham khảo thuật toán từ những bài báo liên quan đến hiện tượng SSR trong hệ thống điện có tích hợp điện gió DFIG và các phương pháp làm giảm hiện tượng SSR

7 Kết quả nghiên cứu đạt được

Luận văn nghiên cứu hiên tượng cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện gió sử dụng tua bin loại DFIG kết nối với lưới điện có sử dụng tụ bù dọc trên đường dây để ngăn chặn hiện tượng SSR Luận văn trình bày cơ sở lý thuyết về hiện tượng SSR, các phương pháp phân tích SSR và mô hình các phần tử trong lưới điện được

nghiên cứu Thực hiện mô phỏng hiện tượng SSR dựa trên mô hình chuẩn thứ nhất của IEEE có kết nối hệ thống điện gió DFIG bằng phần mềm Matlab/Simulink

8 Kế hoạch thực hiện nghiên cứu

Thời gian thực hiện khoảng 10 tháng bắt đầu từ 1-2-2023 đến hết tháng 11-2023

1 Giới thiệu

Năng lượng là mối quan tâm hàng đầu của các nước trên thế giới, nhất là trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt Ngoài ra, ô nhiễm môi trường, khói bụi, sự nóng lên toàn cầu đã đang và sẽ là mối đe dọa cho tương lai Hiện nay, trong số các nguồn năng lượng mới, năng lượng bằng sức gió phát triển nhanh nhất trên thế giới vì nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền, dễ áp dụng, sạch và không làm hại môi trường Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng sạch và vô tận, là nguồn gốc của các nguồn năng lượng khác trên trái đất Do vậy việc cấp thiết là tìm ra nguồn năng lượng mới dần thay thế cho nguồn năng lượng hóa thạch mà vẫn đảm bảo được vấn đề môi trường

Năng lượng là một trong những yếu tố cần thiết cho sự tồn tại và phát triển của xã hội cũng như duy trì sự sống trên trái đất Trong nhiều thập kỉ vừa qua, việc tiêu thụ năng lượng trên thế giới tăng lên cùng với sự phát triển kinh tế

Với việc cạn kiệt nguồn dự trữ của các nhiên liệu truyền thống, có nhu cầu trên toàn thế giới về các chất giải pháp năng lượng thay thế Một trong những công nghệ đang phát triển hứa hẹn nhất là lưu trữ năng lượng và dùng năng lượng xanh thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống, vì nó cung cấp lợi ích của việc thu năng lượng sẵn có để sử dụng sau này

Trong số các loại tài nguyên năng lượng sạch khác nhau như năng lượng mặt trời, gió, thủy điện, năng lượng sóng biển, v.v., Năng lượng gió là dạng năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất ở thời điểm hiện tại

Tua bin gió máy phát tốc độ có thể điều chỉnh (ASGWT - adjustable speed generator wind turbine) có những ưu điểm chính so với tua bin gió máy phát điện cố định (FSGWT - fixed speed generator wind turbine) về mặt sản xuất năng lượng tăng, cải thiện chất lượng điện năng, hiệu quả hệ thống cao và giảm tiếng ồn Một loại quan trọng của ASGWT là máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG), đã trở nên phổ biến với ngành sản xuất điện

Do sự tích hợp ngày càng tăng của các nhà máy điện gió sử dụng DFIG vào lưới điện, nên cần phải truyền năng lượng được tạo ra từ các nhà máy gió đến lưới điện hiện có thông qua đường dây truyền tải mà không bị tắc nghẽn Tuy nhiên, các nhà máy điện gió, thường nằm ở vùng sâu vùng xa, cách xa phần lớn khu vực người dân sinh sống, đòi hỏi các đường dây truyền tải dài để kết nối với lưới điện Các tùy chọn hệ thống truyền tải để truyền năng lượng điện gió qua khoảng cách xa là HVAC hoặc HVDC Việc so sánh hai lựa chọn này đã được nghiên cứu trong tài liệu [16, 17] Giải pháp HVAC có khả năng cho khoảng cách truyền lên tới 250 km và khi kết hợp với hệ thống bù dọc, nó có thể cho khoảng cách dài hơn 250 km [18]

Trong thị trường điện mong muốn tăng khả năng truyền tải điện của các đường dây truyền tải hiện có với chi phí thấp nhất [1] Bù dọc được coi là một giải pháp kinh tế hơn để tăng khả năng truyền tải điện của một đường dây truyền tải hiện có so với việc xây dựng các đường truyền mới Các nghiên cứu cho thấy, để tăng công suất truyền của đường dây truyền tải hiện có, tổng chi phí lắp đặt các tụ bù dọc cho đường dây thấp hơn nhiều so với chi phí xây dựng đường dây mới Lấy ví dụ, một nghiên

cứu được thực hiện bởi ABB cho thấy việc tăng khả năng truyền tải điện của một đường dây truyền tải hiện có từ 1300 MW lên 2000 MW bằng cách sử dụng tụ bù dọc thấp hơn 90% so với chi phí xây dựng đường truyền mới [1]

Tuy nhiên, một yếu tố cản trở việc sử dụng rộng rãi của kỹ thuật bù dọc là nguy cơ tiềm ẩn của cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR), nó có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng đến nhà máy điện gió, nếu không được ngăn chặn [19] SSR trong các hệ thống điện gió là trạng thái mà nhà máy điện gió trao đổi năng lượng với lưới điện được kết nối ở một hoặc nhiều tần số tự nhiên của phần điện và phần cơ của hệ thống Tần số của năng lượng trao đổi nằm dưới tần số đồng bộ của hệ thống Ba loại SSR khác nhau trong các hệ thống điện có tích hợp điện gió dử dụng DFIG là:

- Ảnh hưởng cảm ứng máy phát (IGE – Induction Generator Effect) - Tác động xoắn (TI – Torsional Interaction)

- Tương tác điều khiển dưới đồng bộ (SSCI)

Mặc dù việc phân tích và giảm SSR trong các hệ thống điện truyền thống rất được quan tâm và đã được nghiên cứu rộng rãi trên thế giới Vấn đề cộng hưởng dưới đồng bộ trong hệ thống điện có tích hợp điện gió cần phải được nghiên cứu và phân tích nhiều hơn Đặc biệt, sau sự kiện SSR xảy ra trong Hội đồng An Toàn Điện Texas (ERCOT) năm 2009, ngành điện gió đã trở nên khá quan tâm đến các nghiên cứu SSR

Trong sự việc xảy ra SSR của ERCOT, một đường dây bị sự cố và gây mất điện trong hệ thống điện gió lớn có kết nối với đường dây truyền tải có các tụ bù dọc, dẫn đến dao động dưới tần số đồng bộ gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho cả tụ điện bù dọc và tua bin gió [20, 21]

2 Hướng giải quyết vấn đề

Đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học với nhiều giải pháp được đưa ra để phân tích, đánh giá và làm giảm SSR trong hệ thống điện gió kết nối lưới có tụ bù dọc Trong luận văn tập trung chủ yếu vào việc sử dụng thuật toán tối ưu hoá bầy đàn (PSO) để điều khiển vận tốc và vị trí làm cho công suất đạt cực đại đồng thời làm giảm hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) được thực hiện như sau:

- Trước hết, nghiên cứu và trình bày cơ sở lý thuyết về hiện tượng SSR, các phương pháp để phân tích và làm giảm SSR

- Mô hình hóa máy phát điện, WT DFIG, điều khiển máy phát và giải thuật điều khiển

- Sau đó, mô hình hóa hệ thống điện gió DFIG kết nối lưới với tụ bù dọc dựa trên mô hình lưới điện chuẩn thứ nhất của IEEE trên phần mềm MATLAB/Simulink Phân tích các thông số đầu ra ảnh hưởng đến mô hình: Mô men điện từ, điện áp đầu ra, công suất tác dụng, công suất phản kháng, phân tích FFT trên tín hiệu mô men điện

- Thực hiện đánh giá các kết quả thu được để thấy được hiệu quả cụ thể

Chương 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Dao động dưới đồng bộ (SSO)

Dao động dưới đồng bộ (SSO) là dao động của một hệ thống điện trong đó có tần số dòng điện đi qua thấp hơn tần số đồng bộ SSO được hiểu là do sự trao đổi năng lượng giữa hai hoặc nhiều bộ phận của hệ thống điện ở một hoặc nhiều tần số của hệ thống [20] Một hệ thống điện được tạo thành từ nhiều thành phần gồm cả phần cơ và phần điện Các thành phần điện có thể được xem như là sự kết hợp nối tiếp hoặc song song của các phần tử điện trở, điện dung hoặc điện cảm với mỗi sự kết hợp có một tần số riêng cụ thể Tương tác giữa các bộ phận của hệ thống do đó năng lượng được trao đổi, xảy ra khi hai bộ phận rơi vào điều kiện cộng hưởng với nhau ở một tần số cụ thể của dải dưới đồng bộ Sự trao đổi năng lượng trong điều kiện cộng hưởng được gọi là cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) SSR được phân ra thành các loại khác nhau tùy thuộc vào bản chất của quá trình tương tác Các loại SSO khác nhau trong một hệ thống điện có thể được trình bày như sơ đồ trong Hình 2.1

Hình 2.1 Phân loại các hiện tượng SSO

2.2 Tương tác điều khiển dưới đồng bộ (SSCI)

Quá trình SSCI xảy ra chủ yếu là do nguyên nhân của sự tương tác bất lợi giữa bộ điều khiển của thiết bị điện tử công suất và hệ thống tụ bù dọc của các thiết bị được kết nối với nhau [23, 24] Giống như IGE, SSCI không bị ảnh hưởng bởi phần cơ học của hệ thống mà chỉ xảy ra do sự tương tác của các phần tử điện trong hệ thống So với loại SSR liên quan đến các bộ phận cơ khí, SSCI được hình và phát triển chủ yếu từ bộ điều khiển của bộ phận chuyển đổi điện tử công suất do đó hiện tượng này được gọi là tương tác điều khiển

2.3 Cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR)

Theo định nghĩa về cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR) có thể được mô tả là một điều kiện trong hệ thống điện khi mạng điện trao đổi năng lượng với máy phát tua bin ở một hoặc nhiều tần số riêng của hệ thống được kết hợp dưới tần số đồng bộ [24]

Trong SSR, các phần tử điện và phần cơ của máy phát tua bin chỉ xảy ra điều kiện cộng hưởng khi mắc các tụ bù nối tiếp Do đó, SSR bao gồm cả phần cơ và phần điện của hệ thống điện Trong quá trình SSR, trục của máy phát tua bin khớp với cộng hưởng cơ của nó với cộng hưởng điện của tụ điện nối tiếp khi có kết nối giữa phần

cơ và phần điện Tần số cộng hưởng điện (fe) của một hệ thống xuyên tâm đơn giản được thể hiện trong biểu thức 2.1 có thể được tính là [24]:

𝑓𝑒 = 𝑓𝑟√ 𝑋𝑐

Trong đó:

fr là tần số rotor trung bình, trong khi Xg, Xt, XL và Xc lần lượt là điện kháng của máy

phát, máy biến áp, đường dây tải điện và tụ điện nối tiếp

Sự hiện diện của dòng điện cộng hưởng có tần số fe tạo ra mô men xoắn và dòng điện

có tần số frr trong cuộn dây rotor và tần số này có thể được tính như sau:

Tần số frr = fr - fe được gọi là tần số dưới đồng bộ và tần số frr = fr + fe được gọi là tần số siêu đồng bộ Đối với rotor, dòng điện mạng dường như có hai thành phần, một thành phần của tần số dưới đồng bộ và thành phần còn lại có tần số siêu đồng bộ

Tính ổn định của hệ thống thường không bị đe dọa bởi các thành phần dòng điện của tần số siêu đồng bộ vì các dòng điện như vậy thường có độ suy giảm cao, tuy nhiên các thành phần dòng điện của tần số dưới đồng bộ đôi khi đe dọa đến sự ổn định của hệ thống

Hình 2.2 Sơ đồ đơn tuyến của một hệ thống điện đơn giản

Sự cố đầu tiên của SSR được báo cáo là xuất hiện vào năm 1970 trong dự án Mohave ở Nevada [25] Một tua bin phát 750 MVA đã được kết nối với một đường truyền tải bù nối tiếp sau khi sự cố đã được phục hồi Hậu quả của sự kết nối này, trục của máy phát điện đã bị hư hỏng (Hình 1.4) Sau khi phân tích vấn đề, người ta thấy rằng hư hỏng do sự trao đổi năng lượng giữa phần cơ của máy phát và kết nối tụ bù nối tiếp

Theo [26], có ba loại SSR là tương tác xoắn dưới đồng bộ (SSCI), ảnh hưởng cảm ứng máy phát điện (IGE) và khuếch đại mô men xoắn (TA)

2.3.1 Phân loại hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ

Tương tác xảy ra giữa hệ thống điện và tua bin máy phát xảy ra theo nhiều cách khác nhau ở tần số dưới đồng bộ Thông thường SSR được chia ra làm ba loại:

- Ảnh hưởng cảm ứng của máy phát (IGE – Induction Generator Effect) - Tác động xoắn (TI – Torsional Interaction)

- Mô men xoắn quá độ (TT - Transient Torque)

2.3.1.1 Ảnh hưởng cảm ứng máy phát (IGE – Induction Generator Effect)

IGE là kết quả của hiện tượng tự kích xảy ra trong hệ thống điện [3] Theo Hình 2.3, điện trở rô to Rr có thể đạt giá trị âm do tác động của dòng điện dưới đồng bộ Khi dòng điện dưới đồng bộ ở tần số dưới đồng bộ của lưới điện fn đi qua rô to thì rô to sẽ hoạt động như một máy điện cảm ứng trên tốc độ đồng bộ Dẫn đến độ trượt sẽ trở nên âm và được xác định bởi công thức:

• ΣX là tổng trở của toàn hệ thống: đường dây, máy biến áp, máy phát, … Giá trị âm của điện trở rô to vượt qua giá trị dương của điện trở stato Trong trường hợp đó, trở kháng chung của mạch Reff trở nên âm và làm cho hệ thống mất ổn định

𝑅𝑒𝑓𝑓 =1−𝑆

𝑆 𝑅𝑟 + 𝑅𝑎 (2.5) IGE là một hiện tượng điện tự nhiên và độc lập với trục tua bin máy phát

Hình 2.3 Mạch tương đương đơn giản của máy điện đồng bộ liên quan đến IGE 2.3.1.2 Tác động xoắn (TI – Torsional Interaction)

Tác động xoắn TI xảy ra giữa hệ thống điện và trục tua bin của hệ thống, đây là một hiện tượng cơ điện

Để TI xảy ra cần có đủ các điều kiện sau:

- Chế độ lực xoắn cơ khí xảy ra ở trong dãy tần số dưới đồng bộ

- Khối máy phát điện phải tham gia với các khối xoay khác trong hệ thống tua bin ở tần số của chế độ xoắn

- Hệ thống điện phải tạo ra tần số điện cộng hưởng với tần số cơ học của tua bin

Trục tua bin của máy phát điện có thể có một số chế xoắn cơ học cố định trong dãy tần số dưới đồng bộ Mối liên hệ giữa tần số xoắn cơ học và tần số cộng hưởng điện được mô tả như sau:

𝑓𝑇𝑀 = 𝑓𝑠𝑦𝑠 − 𝑓𝑒 (2.6)

Trong đó, fTM là tần số ở chế độ xoắn, fsys là tần số hệ thống, fe là tần số cộng hưởng của lưới điện

Chế độ TI có thể xảy ra khi có một tác nhân bổ sung thêm tần số dưới đồng bộ, nếu độ giảm dao động của hệ thống không đủ lớn, thì các dao động sẽ tăng lên và hiện tượng SSR xảy ra Các thành phần điện ở tần số dưới đồng bộ có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra, nhưng thông thường là do hệ thống tụ bù dọc đường dây truyền tải hoặc do những thiết bị điện tử công suất trong các bộ biến đổi gây ra

2.3.1.3 Mô men xoắn quá độ (TT - Transient Torque)

Nguyên nhân chính gây ra TT là do những nhiễu loạn trong hệ thống như ngắn mạch, đóng cắt, Trong hệ thống điện xoay chiều, những tác động bất chợt xảy ra có thế sinh ra dòng điện quá độ lớn, dòng điện quá độ này có xu hướng gây ra dao động ở tần số tự nhiên của lưới điện Nếu không có hệ thống tụ bù dọc thì dòng điện quá độ này chỉ là dòng điện DC và nhanh chóng được dập tắt bới thành phần giảm dao động của hệ thống Tuy nhiên với lưới điện có thành phần tụ bù dọc tham gia, dòng điện quá độ lại khác Với một lưới điện đơn giản có thành phần tụ bù dọc tham gia thì dòng quá độ sẽ có dạng biểu thức như sau:

𝑖(𝑡) = 𝑖𝑆(𝑡) + 𝑖𝑡(𝑡) (2.7)

Trong đó:

• Thành phần xác lập 𝑖𝑆(𝑡) • Thành phần quá độ 𝑖𝑡(𝑡)

Và sẽ tồn tại một hoặc nhiều tần số dao động phụ thuộc vào điện dung của các tụ bù dọc cũng như điện kháng, điện trở của lưới điện Đối với một hệ thống điện đơn

giản R – L – C, thành phần tần số tự nhiên của lưới sẽ như phương trình trên

Nếu một trong những tần số tự nhiên này trùng với tần số dao động trên trục tua bin sẽ gây ra sự khuếch đại biên độ mô men rất lớn và các mô men này là tỉ lệ trực

trên trục rô to rất lớn ngay khi ngắn mạch cũng như sau khi ngắn mạch đã được loại trừ Trong hệ thống điện phức tạp có rất nhiều thành phần dưới đồng bộ khác nhau và việc phân tích này vô cùng phức tạp Dựa vào hiện tượng SSR, thành phần tần số dưới đồng bộ của mô men xoắn có thể có biên độ lớn tức thời sau nhiễu loạn mặc dù về thực tế vẫn có sự suy giảm Mỗi lần xuất hiện mô men quá độ có biên độ lớn dẫnđến sự giảm sút tuổi thọ của trục vì sự phá hỏng do mỏi Mỏi được xem là một quá trình thay đổi cấu trúc vĩnh cữu cục bộ, diễn ra trên vật liệu ở điều kiện có hình thành các ứng suất thay đổi và biến dạng tại một số điểm hoặc nhiều điểm, có thể biến dạng đạt đến cực điểm hoặc gãy hoàn toàn sau một số dao động bất thường Đó được xem như một quá trình tích lũy khi các sự kiện diễn ra được cộng dồn vào sự suy giảm tuổi thọ của lần mỏi trước Nếu có đủ số lần diễn ra quá trình mô men xoắn quá độ cao, độ mỏi tích lũy sẽ đạt đến ngưỡng và khả năng hình thành các vết nứt do mỏi ở trong vùng tập trung ứng lực cao sẽ đáng kể Khi vết nứt đầu tiên xuất hiện, sự phá hỏng sẽ lan rộng kích thước dẫn đến phá hỏng không có khả năng phục hồi và gãy trục hoàn toàn

Theo Hình 2.4, nếu biên độ mô men xoắn tác động trên trục tua bin khoảng 2 pu /lần, khả năng trục tua bin sẽ hư hỏng sau hơn 1000 lần bị tác động do mô men xoắn Với biên độ này mô men xoắn dưới 0,7 pu, trục tua bin có thể chịu mọi tác động mà không gây ra hư hỏng [4]

2.4 Hệ thống tụ bù nối tiếp

Trong hệ thống điện xoay chiều, khả năng truyền tải điện được xác định bởi độ lớn điện áp đầu cuối tại các nút, độ lệch pha của chúng và tổng trở kháng giữa hai đầu Các giải pháp thông thường để giảm tổng trở kháng bao gồm xây dựng các đường truyền tải phụ song song và lắp đặt các tụ bù nối tiếp cố định (FSC) được điều khiển bằng thiết bị đóng cắt cơ học Xây dựng các đường dây truyền tải phụ không phải là một phương pháp hiệu quả về chi phí vì nó yêu cầu chi phí đầu tư ban đầu lớn và có thể gây ra tác động xấu đến môi trường lân cận, giải pháp này hầu hết không được các nhà đầu tư trên thế giới áp dụng Cho đến năm 1971, các nghiên cứu đã chứng minh rằng bù nối tiếp lên đến 70% tổng trở kháng của đường dây truyền tải có thể được áp dụng [27] Bằng cách sử dụng một tụ điện nối tiếp và bù trở kháng nối tiếp đến một mức nhất định, đường dây tải điện xem như được rút ngắn và có thể đạt được khả năng truyền tải điện năng cao hơn Đây là một giải pháp tối ưu về chi phí để đối

mặt với những thách thức về truyền tải điện số lượng lớn so với việc xây dựng thêm các đường dây mới [28]

Như đã đề cập, ý tưởng là tăng công suất truyền qua đường dây bằng cách giảm tổng trở đường dây theo:

𝑃 =𝑉2𝑠𝑖𝑛𝑠𝑖𝑛 𝛿

Để giải thích ngắn gọn về tụ bù nối tiếp, một hệ thống điện hai máy đơn giản

không xét đến tổn thất được thể hiện như trong Hình 2.1, trong đó V là độ lớn của VSe

và VRe tương ứng ở đầu truyền và đầu nhận, VM là điện áp tại trung điểm, XL là trở kháng đường truyền

Hình 2.4 Một hệ thống điện hai máy đơn giản không xét đến tổn thất

Trở kháng hiệu dụng của đường dây truyền tải có xét đến tụ bù nối tiếp XLeff thu

được như sau: