(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió(Luận văn thạc sĩ) Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió
Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt đã và đang đáp ứng phần lớn nhu cầu năng lượng của con người, tuy nhiên năng lượng hóa thạch là nguồn nguyên liệu không bền vững Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch là một trong các nguyên nhân chính gây ra biến đổi khí hậu và thậm chí làm ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người Hơn nữa, các nguồn nhiên liệu nói trên đang dần cạn kiệt, vì vậy việc nghiên cứu và sử dụng các nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời
Về năng lượng mặt trời, tính từ vĩ tuyến 17 trở vào phía Nam, bức xạ mặt trời nhiều và ổn định trong suốt thời gian của năm, chỉ giảm khoảng 20% trong mùa mưa Số giờ nắng trong năm ở miền Bắc là vào khoảng 1.500 – 1.700 giờ, ở miền Trung và miền Nam là vào khoảng 2.000-2.600 giờ
Hình 1.1 Tổng công suất năng lượng mặt trời năm 2014 và công thêm năm 2015[0]
Trong năm 2016, ít nhất 75GW năng lượng mặt trời đã được bổ sung trên toàn thế giới tương đương với việc hơn 31.000 tấm pin năng lượng mặt trời được lắp đặt mỗi giờ[1]
Việt Nam là một trong các quốc gia có tiềm năng đáng kể về năng lượng mặt trời, phía Bắc bình quân có khoảng 1.800 – 2.100 giờ nắng/năm, phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào) bình quân từ 2.000 – 2.600 giờ nắng/năm Như chúng ta thấy được thì ở miền Nam quanh năm nắng dồi dào
Vùng Giờ nắng trong năm
Cường độ BXMT (kWh/m 2 ,ngày) Ứng dụng Đông Bắc 1600 - 1750 3,3 – 4,1 Trung bình
Nam Trung Bộ 2000 – 2600 4,9 – 5,7 Rất tốt
Trung bình cả nước 1700 - 2500 4,6 Tốt
Bảng 1.1 Giá trị trung bình cường độ bức xạ mặt trời ngày trong năm và số giờ nắng của một số khu vực khác nhau ở Việt Nam [2]
Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng lớn nhất mà con người có thể tận dụng được: đó là nguồn năng lượng sạch, gần như vô tận, dễ dàng ứng dụng ở nhiều nơi Năng lượng mặt trời (bức xạ mặt trời) là một nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng tại Việt Nam Trung bình, tổng bức xạ năng lượng mặt trời ở Việt Nam vào khoảng 5kWh/m2 /ngày ở các tỉnh miền Trung và miền Nam và vào khoảng 4kWh/m2 /ngày ở các tỉnh miền Bắc
Hiện tại, ở Việt Nam có hai dạng ứng dụng NLMT là:
- Nhiệt mặt trời: Chuyển bức xạ mặt trời thành nhiệt năng, sử dụng ở các hệ thống chưng cất nước, hệ thống sấy, bếp đun NLMT và hệ thống đun nước mặt trời,
- Điện mặt trời (ĐMT): Đối với Việt Nam, hệ thống điện mặt trời là sử dụng công nghệ quang điện SPV (Solar Photovoltaic hay PV) Một số mô hình ứng dụng phổ biến nhất hiện nay là:
+ Hệ thống phát điện mặt trời độc lập: quy mô hộ gia đình, hệ thống đèn đường và hệ thống điện nối lưới điện cục bộ
+ Hệ thống phát điện bằng NLMT nối lưới điện quốc gia
Trong khi đó tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La (con số này bao gồm cả gió trên biển, gió ở thềm lục địa và gió trên đất liền)
3 Năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên dồi dào và phong phú , được ưu tiên được đầu tư và phát triển ở Việt Nam Ngày nay công nghệ điện gió phát triển mạnh và có sự cạnh tranh lớn, với tốc độ phát triển như hiện nay thì không bao lâu nữa năng lượng điện sẽ chiếm phần lớn trong thị trường năng lượng của thế giới
Năm 2007, EVN cũng đã tiến hành nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió, xác định các vùng thích hợp cho phát triển điện gió trên toàn lãnh thổ với công suất kỹ thuật 1.785 MW Trong đó miền Trung Bộ được xem là có tiềm năng gió lớn nhất cả nước với khoảng 880 MW tập trung ở hai tỉnh Quảng Bình và Bình Định, tiếp đến vùng có tiềm năng thứ hai là miền Nam Trung Bộ với công suất khoảng 855 MW, tập trung ở hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận [3]
Ngoài ra, Bộ Công thương và Ngân hàng Thế giới (2010)[4] đã tiến hành cập nhật thêm số liệu quan trắc (đo gió ở 3 điểm) vào bản đồ tiềm năng gió ở độ cao 80 m cho Việt Nam Kết quả cho thấy tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 80 m so với bề mặt đất là trên 2.400 MW (tốc độ gió trung bình năm trên 7 m/s)
Tốc độ gió trung bình
Bảng 1.2 Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 80 m so với bề mặt đất Ở tỉnh Bình thuận dự án đầu tiên là Dự án Nhà máy điện gió Tuy Phong, đặt tại xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận do Công ty cổ phần Năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) đầu tư được triển khai đầu tiên và đi vào hoạt động từ ngày 18/4/2012 Theo kế hoạch, giai đoạn 2 của dự án xây dựng và lắp đặt 60 trụ
4 điện gió (hay tuabin), sẽ nâng tổng công suất của toàn bộ Nhà máy Phong điện Tuy Phong lên 120 MW Sau Dự án Tuy Phong, dự án điện gió ở đảo Phú Quý với 3 tuabin, tổng công suất 6 MW đã lắp đặt xong và thử vận hành an toàn, góp phần giải quyết tình trạng thiếu điện sinh hoạt và sản xuất cho 33.000 dân trên đảo và giảm chi phí sản xuất điện do giảm thời gian vận hành của nhà máy điện Diesel
Cùng với nhà máy điện gió ở Bình Thuận, nhà máy ở Bạc Liêu có thể xem là điểm đột phá mở đường xây dựng nền công nghiệp phong điện non trẻ, nhưng được kỳ vọng là một nguồn điện trụ cột trong tương lai ở Việt Nam Ngày 29 - 5 - 2013, 10 tua bin điện gió đầu tiên có công suất 16 MW, sản lượng điện năng khoảng 56 triệu kWh/năm của nhà máy điện gió Bạc Liêu đã hòa lưới điện quốc gia.Nhà máy điện gió Bạc Liêu được đặt dọc theo đê Biển Đông, kéo dài từ phường Nhà Mát đến ranh giới tỉnh Sóc Trăng và chiểm tổng diện tích gần 500 ha Khi hoàn thành toàn bộ, nhà máy sẽ có tổng công suất là 99,2 MW, dự kiến mỗi năm phát lên lưới điện quốc gia khoảng 320 triệu kWh
Như vậy, sự xuất hiện của các nhà máy năng lượng mặt trời và nhà máy năng lượng gió hòa lưới hệ thống điện có thể xem như là một xu thế cho nhu cầu sử dụng điện hiện nay.
Tổng quan tình hình nghiên cứu
Việc tích hợp nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời với lưới điện đang là xu hướng phát triển hiện nay của các quốc gia trên thế giới nhằm khai thác triệt để nguồn năng lượng sạch, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phá hủy môi trường sinh thái Tuy nhiên, các hệ thống tích hợp này thường được áp dụng trong các hệ thống nhỏ, công suất vài chục mvar [5-8] Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, các hệ thống tích hợp này đã được triển khai trong các ứng dụng có công suất lớn, khoảng vài trăm mvar [9-10] Hơn nữa, việc hòa lưới và kết hợp với các nguồn năng lượng có công suất lớn từ các nhà máy máy thủy điện, nhiệt điện là xu hướng tất yếu Ở Việt Nam, việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời [11] và năng lượng điện gió [12-13] trong hệ thống điện đã được triển khai Tuy nhiên, dù tiềm năng rất lớn nhưng việc khai thác các
5 nguồn năng lượng này ở Việt Nam còn chưa đáng kể Hầu hết các dự án điện mặt trời chỉ ở quy mô nhỏ
Hiện tại, ở Việt Nam mô hình này vẫn ở quy mô nhỏ, trạm điện mặt trời lớn nhất phát điện lên lưới điện quốc gia công suất từ 100kWp đến 154kWp Đơn cử, dự án điện mặt trời được nối lưới đầu tiên là Nhà máy quang năng An Hội (Côn Đảo, Bà Rịa - Vũng Tàu), đây là dự án được triển khai từ năm 2014 và hoàn thành việc xây dựng lắp đặt và đấu nối vào lưới điện của Điện lực Côn Đảo vào đầu tháng 12/2014 nhưng công suất chỉ đạt 36 kWp, điện lượng hơn 50 MWh Ngày 29/8/2015, dự án Nhà máy quang điện mặt trời Thiên Tân do Công ty Cổ phần Đầu tư và Xây dựng Thiên Tân làm chủ đầu tư đã chính thức được khởi công xây dựng, nhà máy có công suất 19,2 MW với tổng mức đầu tư 800 tỉ đồng, được xây dựng trên diện tích 24 ha tại thôn Đạm Thủy, xã Đức Minh, huyện Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi bằng nguồn vốn vay trong nước và nước ngoài
Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng gió và năng lượng mặt trời thì yêu cầu đánh giá sự ổn định của hệ thống điện khi tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió là vô cùng cần thiết Sự ổn định hệ thống điện được xem như là một vấn đề quan trọng đối với vận hành an toàn hệ thống điện từ những năm 1920 [14]
Nhiều sự cố mất điện lớn có nguyên nhân do sự không ổn định của hệ thống điện đã mô tả sự quan trọng của vấn đề này [15] Trong lịch sử, sự không ổn định do quá độ đã trở thành vấn đề ổn định chiếm ưu thế lớn của hầu hết các hệ thống điện Khi các hệ thống điện đã phát triển tiến hóa thông qua một sự phát triển liên tục, từ các liên kết về điện, việc sử dụng các công nghệ mới, việc điều khiển và vận hành gia tăng trong các điều kiện sự cố, nên có rất nhiều dạng bất ổn định hệ thống khác nhau đã xuất hiện Ví dụ như, sự ổn định điện áp, sự ổn định tần số và các dao động ở nhiều khu vực đã trở thành những vấn đề lớn hơn so với trong quá khứ Điều khiển ổn định hệ thống điện là một nhiệm vụ quan trọng trong vận hành hệ thống điện [16]
Từ những yêu cầu nêu trên, luận văn đề xuất đánh giá ổn định một hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió có công suất lớn nhằm mục tiêu có
6 cái nhìn tổng quan hơn về tình hình khai thác năng lượng gió và năng lượng mặt trời hiện nay
1.3 Mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá ổn định hệ thống điện gồm một máy phát điện nối với thanh cái vô cùng lớn có tích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời
- Hệ thống điện một gồm một máy phát điện nối với thanh cái vô cùng lớn
- Hệ thống điện mặt trời
- Hệ thống điện một gồm một máy phát điện nối với thanh cái vô cùng lớn có tích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời
Phạm vi nghiên cứu của luận văn chỉ đáng giá ổn định của hệ thống.
Phương pháp nghiên cứu
Tổng hợp các bài báo, tài liệu tham khảo phục vụ cho quá trình nghiên cứu, sử dụng công cụ Matlab/Simulink phục vụ trong quá trình mô phỏng Đánh giá kết quả đạt được của luận văn và hướng phát triển của luận văn.
Đóng góp và điểm mới của luận văn
Trong luận văn này, một mô hình gồm một máy phát điện nối với thanh cái vô cùng lớn kết hợp với một nhà máy điện mặt trời và một nhà máy điện gió Luận văn sẽ đi vào đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió và năng lượng mặt trời.
Nội dung của luận văn
Luận văn được tổ chức như sau:
Chương 1 : Giới thiệu chung Chương 2 : Cấu hình và mô hình toán học của hệ thống Chương 3 : Lý thuyết về ổn định hệ thống
Chương 4 : Đánh giá ổn định hệ một máy kết nối điện mặt trời và điện gió
7 Chương 5 : Kết luận và hướng phát triển của đề tài Tài liệu tham khảo
Cấu hình hệ thống nghiên cứu
1 Cấu hình của hệ thống được dùng để nghiên cứu
Mô hình toán học của hệ thống
2.2.1 Mô hình pin năng lượng mặt trời 2.2.1.1 Tổng quan về pin mặt trời
Pin mặt trời còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong – quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hoá trị Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện
Có 3 loại pin mặt trời làm từ tinh thể Silic:
9 - Một tinh thể hay đơn tinh thể module Đơn tinh thể này có hiệu suất tới 16% Loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các môdule
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ Silic nung chảy, sau đó được làm nguội và làm rắn Loại pin này thường rẻ hơn loại đơn tinh thể, nhưng lại có hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn loại đơn tinh thể bù cho hiệu suất thấp của nó
- Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất nhưng cũng là loại rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi Silicon
Về bản chất pin quang điện là một điốt bán dẫn bao gồm hai tấm bán dẫn loại P và loại N đặt sát cạnh nhau, khác ở chỗ pin quang điện có diện tích bề mặt rộng và có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua Trên bề mặt của pin quang điện có một lớp chống phản xạ vì khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện, sẽ có một phần ánh sáng bị hấp thụ khi truyền qua lớp N và một phần ánh sáng sẽ bị phản xạ ngược lại còn một phần ánh sáng sẽ đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho electron một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết Khi thoát khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện trường, electron sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại N, còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn loại P Khi đó nếu nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại N và P sẽ đo được một hiệu điện thế Giá trị của hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp phụ
2.2.1.2 Đặc tính làm việc của pin mặt trời Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và dòng điện ngắn mạch ISC khi điện áp ra bằng 0 Công suất của pin được tính theo công thức:
Tại điểm làm việc U = UOC/ I = 0 và U = 0 / I = I SC , Công suất làm việc của pin cũng có giá trị bằng 0
Hình 2.2 Đường đặt tính làm việc U – I của pin mặt trời
Hình 2.3 Sơ đồ tương đương pin mặt trời
Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng của pin như sau:
I sc là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có R s và R sh ) (A/m 2 ) I 01 là dòng bão hòa (A/m 2 ) q là điện tích của điện tử (C) = 1,6.10 -19 k là hệ số Boltzman = 1,38.10 -23 (J/k) T là nhiệt độ (K)
I, V, R s , R sh lần lượt là dòng điện ra, điện áp ra, điện trở Rs và Rsh của pin trong mạch tương đương ở hình 2.3
11 Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng Nên đường đặc tính V – I của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào cường độ bức xạ chiếu sáng Ở mỗi tầng bức xạ chỉ thu được duy nhất một điểm làm việc V = V MPP có công suất lớn nhất thể hiện trên hình vẽ sau Điểm làm việc có công suất lớn nhất được thể hiện là điểm chấm đen to trên hình vẽ (đỉnh của đường cong đặc tính)
Hình 2.4 Sự phụ thuộc của đặc trưng VA của pin mặt trời vào cường độ bức xạ Mặt trời Điện áp hở mạch Voc phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặc tính VA của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của pin Để toàn bộ hệ PV có thể hoạt động được một cách hiệu quả thì đường đặc tính của tải cũng phải phù hợp với điểm MPP
Hình 2.5 Sự phụ thuộc của đường đặc tính của pin mặt trời vào nhiệt độ của pin
Hình 2.6 Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời
Trên hình vẽ 2.6 đường OA và OB là những đường đặc tính tải Nếu tải được mắc trực tiếp với dãy pin mặt trời thì tải có đường đặc tính là OA Khi đó, pin làm việc ở điểm A1 và phát công suất P1 Công suất lớn nhất do phơi nắng thu được là P2 Để có thể thu được công suất P2, cần có một bộ điều chỉnh công suất để liên kết giữa dãy pin mặt trời và tải
2.2.1.3 Tấm năng lượng mặt trời
Tấm năng lượng mặt trời được tạo thành từ nhiều pin mặt trời có thể gồm 36 đến 72 pin mặt trời mắc nối tiếp với nhau Qua những tấm pin mặt trời, năng lượng mặt trời được chuyển hoá thành điện năng Mỗi pin mặt trời cung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng nhiều pin được đặt trải dài trên một diện tích lớn tạo nên nguồn năng lượng lớn hơn đủ để các thiết bị điện sử dụng Mỗi tấm pin mặt trời có công suất khác nhau như: 30Wp, 40Wp, 45Wp, 50Wp, 75Wp, 100Wp, 125Wp, 150Wp Điện áp của các tấm pin thường là 12VDC Công suất và điện áp của hệ thống tuỳ thuộc vào cách ghép nối các tấm pin lại với nhau Nhiều tấm năng lượng mặt trời có thể ghép nối tiếp hoặc song song với nhau để tạo thành một dàn pin mặt trời Để đạt được hiệu năng tốt nhất, những tấm năng lượng phải luôn được phơi nắng và hướng trực tiếp đến mặt trời
Hiệu suất thu được điện năng từ pin mặt trời ở các vùng miền vào các giờ trong ngày là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất không đồng đều nhau Hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
13 Chất liệu bán dẫn làm pin
Vị trí đặt các tấm panel mặt trời Thời tiết khí hậu, mùa trong năm
Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều Các tấm năng lượng mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời nên thiết kế sản xuất đã đảm bảo được các thay đổi của khí hậu, thời tiết, mưa bão, sự ăn mòn của nước biển, sự oxi hoá… Tuổi thọ của mỗi tấm pin khoảng 25 đến 30 năm
2.2.1.4 Cách ghép nối các tấm pin năng lượng mặt trời
Như ta đã biết các môđun pin mặt trời đều có công suất và hiệu điện thế xác định từ nhà sản xuất Để tạo ra công suất và điện thế theo yêu cầu thì phải ghép nối nhiều tấm môdun đó lại với nhau Có hai cách ghép cơ bản:
Ghép nối tiếp các tấm môđun lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn
Ghép song song các tấm môđun lại sẽ cho dòng điện ra lớn
Trong thực tế phương pháp ghép hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn để đáp ứng cả yêu cầu về điện áp và dòng điện
Phương pháp ghép nối các tấm modul mặt trời
Hình 2.7 Ghép nối tiếp hai môđun pin mặt trời (a) và đường đặc trưng VA của các môđun và của cả hệ (b)
Giả sử các môđun đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V - A giống hết nhau, các thông số dòng đoản mạch I SC , thế hở mạch V OC bằng nhau Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau Khi ghép nối tiếp các tấm môđun này ta sẽ có:
I, P, V,… là dòng điện, công suất và hiệu điện thế của cả hệ
Các khái niệm cơ bản
3.1.1 Hệ thống điện (HTĐ) và chế độ của HTĐ 3.1.1.1 Hệ thống điện (HTĐ)
HTĐ là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải và tiêu thụ năng lượng
Các phần tử của HTĐ được chia thành hai nhóm:
Các phần tử tự lực làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng như máy phát, đường dây tải điện và các thiết bị dùng điện
Các phần tử điều chỉnh làm nhiệm vụ điều chỉnh và biến đổi trạng thái HTĐ như điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, bảo vệ rơle, máy cắt điện
Mỗi phần tử của HTĐ được đặc trưng bởi các thông số, các thông số này được xác định về lượng bởi tính chất vật lý của các phần tử, sơ đồ liên lạc giữa chúng và nhiều sự giản ước tính toán khác Ví dụ: tổng trở, tổng dẫn của đường dây, hệ số biến áp, hệ số khuếch đại của bộ phận tự động điều chỉnh kích thích Các thông số của các phần tử cũng được gọi là các thông số của HTĐ
Nhiều thông số của HTĐ là các đại lượng phi tuyến, giá trị của chúng phụ thuộc vào dòng công suất, tần số như là X, Y, độ từ hoá trong phần lớn các bài toán thực tế có thể coi là hằng số và như vậy ta có hệ thống tuyến tính Nếu tính đến sự biến đổi của các thông số ta có hệ thống phi tuyến, đây là một dạng phi tuyến của HTĐ, dạng phi tuyến này chỉ phải xét đến trong một số ít trường hợp như khi phải tính đến độ bão hoà của máy phát, máy biến áp trong các bài toán ổn định
Chế độ của HTĐ là tập hợp các quá trình xảy ra trong HTĐ và xác định trạng thái làm việc của HTĐ trong một thời điểm hay một khoảng thời gian nào đó
29 Các quá trình nói trên được đặc trưng bởi các thông số U, I, P, Q, f, δ tại mọi điểm của HTĐ Đó là các thông số chế độ, các thông số này khác với các thông số hệ thống ở chỗ nó chỉ tồn tại khi HTĐ làm việc Các thông số chế độ xác định hoàn toàn trạng thái làm việc của HTĐ
Các thông số chế độ quan hệ với nhau thông qua các thông số HTĐ, nhiều mối quan hệ này có dạng phi tuyến Ví dụ P = U 2 /R Đó là dạng phi tuyến thứ hai của HTĐ, dạng phi tuyến này không thể bỏ qua trong các bài toán điện lực
Các chế độ của HTĐ được chia thành hai loại:
Chế độ xác lập (CĐXL) là chế độ các thông số của nó dao động rất nhỏ xung quanh giá trị trung bình nào đó, thực tế có thể xem như các thông số này là hằng số
Trong thực tế không tồn tại chế độ nào mà trong đó các thông số của nó bất biến theo thời gian vì HTĐ bao gồm một số vô cùng lớn các phần tử, các phần tử này luôn luôn biến đổi khiến cho các thông số của chế độ cũng biến đổi không ngừng
- CĐXL lập bình thường là chế độ vận hành bình thường của HTĐ
- CĐXL sau sự cố xảy ra sau khi đã loại trừ sự cố
- Chế độ sự cố xác lập là chế độ sự cố duy trì sau thời gian quá độ ví dụ như chế độ ngắn mạch duy trì
Chế độ quá độ là chế độ mà các thông số biến đổi rất nhiều Chế độ quá độ gồm có:
- Chế độ quá độ bình thường là bước chuyển từ CĐXL bình thường này sang CĐXL bình thường khác
- Chế độ quá độ sự cố xảy ra sau sự cố
3.1.1.3 Yêu cầu đối với các chế độ của HTĐ
CĐXL bình thường, các yêu cầu là: Đảm bảo chất lượng điện năng: điện năng cung cấp cho các phụ tải phải có chất lượng đảm bảo, tức giá trị của các thông số chất lượng (điện áp và tần số) phải nằm trong giới hạn được quy định bởi các tiêu chuẩn
30 Đảm bảo độ tin cậy: các phụ tải được cung cấp điện liên tục với chất lượng đảm bảo Mức độ liên tục này phải đáp ứng được yêu cầu của các hộ dùng điện và điều kiện của HTĐ
Có hiệu quả kinh tế cao: chế độ thoả mãn độ tin cậy và đảm bảo chất lượng điện năng được thực hiện với chi phí sản xuất điện, truyền tải và phân phối điện năng nhỏ nhất Đảm bảo an toàn điện: phải đảm bảo an toàn cho người vận hành, người dùng điện và thiết bị phân phối điện
CĐXL sau sự cố, yêu cầu là:
Các yêu cầu mục a được giảm đi nhưng chỉ cho phép kéo dài trong một thời gian ngắn, sau đó phải có biện pháp hoặc là thay đổi thông số của chế độ hoặc là thay đổi sơ đồ hệ thống để đưa chế độ này để về CĐXL bình thường
Chế độ quá độ (CĐQĐ), yêu cầu là:
Chấm dứt một cách nhanh chóng bằng CĐXL bình thường hay CĐXL sau sự cố
Trong thời gian quá độ các thông số biến đổi trong giới hạn cho phép như: giá trị của dòng điện ngắn mạch, điện áp tại các nút của phụ tải khi ngắn mạch
Các yêu cầu của HTĐ được xét đến khi thiết kế và được bảo đảm bằng cách điều chỉnh thường xuyên trong quá trình vận hành HTĐ
3.1.2 Khái niệm về ổn định HTĐ 3.1.2.1 Cân bằng công suất Điều kiện cần để CĐXL có thể tồn tại là sự cân bằng công suất tác dụng (CSTD) và công suất phản kháng (CSPK) Công suất do các nguồn sinh ra phải bằng công suất do các phụ tải tiêu thụ cộng với tổn thất công suất trong các phần tử của HTĐ
Giữa CSTD và CSPK có mối quan hệ:
31 Cho nên các điều kiện cân bằng công suất (3.1) và (3.2) không thể xét một cách độc lập mà lúc nào cũng phải xét đến mối quan hệ giữa chúng
Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định tĩnh
3.2.1 Tiêu chuẩn năng lượng[18] Định nghĩa ổn định theo năng lượng
Một hệ ở chế độ xác lập khi có sự cân bằng giữa năng lượng phát và năng lượng tiêu thụ Mỗi chế độ xác lập sẽ tương thích với các thông số xác định trạng thái hệ Nếu có nhiễu (kích động) làm các thông số này thay đổi theo hướng khuếch đại thì hệ sẽ không ổn định Điều này xảy ra khi năng lượng phát lớn hơn năng lượng tiêu tán Tiêu chuẩn năng lượng về ổn định hệ được mô tả qua bất đẳng thức sau:
Với: –gia số thông số
W F , W t – số gia năng lượng phát và tiêu tán Xét hệ thống điện trên hình 3.1, theo tiêu chuẩn năng lượng thì hệ sẽ ổn định nếu:
Hình 3.1: Hệ thống điện đơn giản và sơ đồ tương đương
Tham số trạng thái ở đây là góc , năng lượng phát là công suất cơ P T ( công suất tuabin ) còn năng lượng tiêu tán chính là công suất máy phát đổ về hệ thống
Do chấp nhận giả thiết công suất P T không đổi nên biểu thức trên được viết lại:
Có thể kiểm định (3.5) bằng cách lập luận từ hình 3.2 sau:
Giả sử lúc đầu hệ thống ở chế độ xác lập (điểm a) tương ứng góc a Do kích động nào đó a tăng lên một lượng thì do P > PT nên rôto bị hãm lại, hệ quả là góc
quay về vị trí a Ngược lại, khi giảm thì do P < P T nên rôto sẽ tăng tốc và kết quả là góc về lại vị trí a Vậy điểm a là điểm cân bằng và ổn định
Hình 3.2: Miền làm việc ổn định của hệ thống điện đơn giản (đậm)
Tại điểm b, giả sử góc tăng lên tới trị b + thì do P < PT nên rôto sẽ tăng tốc và kết quả là góc tiếp tục tăng lên Như vậy điểm b là điểm cân bằng nhưng không ổn định
Nếu hệ thống làm việc tại điểm c thì, giả sử góc c tăng tới c + , khi đó do P < P T nên góc tiếp tục tăng Còn nếu c giả sử giảm đi một lượng , do P > P T nên góc sẽ tăng và quay về trị c Như vậy điểm c là điểm giới hạn ổn định Đại lượng C = được gọi là hệ số công suất đồng bộ Chỉ số Eq ở đây tương ứng với công suất được tính theo Eq và tương ứng với trường hợp máy phát không có tự động điều chỉnh kích từ
Góc tương ứng với điểm c cho thấy công suất cơ sẽ cắt công suất điện từ tại một điểm duy nhất và do vậy với hệ thống đã cho thì không thể nâng công
36 suất cơ lên được nữa vì sẽ không tồn tại chế độ làm việc của hệ Công suất điện từ tại điểm c là: P gh = P max
Miền làm việc ổn định của hệ tương ứng với nửa bên trái của đường cong trên (từ góc 0/2)
3.2.2 Phương pháp dao động bé[18]
Một hệ thống thường được mô tả bởi hệ phương trình vi phân sau: x ̇= f(x 1 , x 2 ,…, x n , u 1 , u 2 ,…, u r , t) Với x – vector trạng thái; u – vector ngõ vào của hệ (nhiễu)
Khai triển phương trình trên vào chuỗi Taylor và bỏ qua các đạo hàm bậc cao
∂x n ∆u r hay viết dưới dạng ma trận: ∆ẋ =A∆x + B∆u
Khi u = 0, có phương trình mô tả chuyển động tự do: ∆ẋ = A∆x Giá trị riêng của ma trận thường được gán bởi các giá trị của tham số khi không có lời giải tầm thường cho phương trình: A =
A là ma trận nxn (đối với hệ thống vật lý như hệ thống điện)
là vector nx1 Tìm trị riêng của A = theo phương trình: (A - I) = 0 Khi nghiệm là không tầm thường thì: det(A - I) = 0
Việc khai triển định thức cho ra phương trình đặc trưng, m nghiệm = 1, 2, …,n gọi là những trị riêng của A
Quan hệ giữa nghiệm phương trình đặc trưng và ổn định:
Khi nghiệm là thực sẽ có trạng thái không dao động Nếu nghiệm là thực dương tương ứng với mất ổn định không chu kỳ
Khi nghiệm là phức thì chúng sẽ xuất hiện dưới dạng cặp liên hợp và sẽ có trạng thái dao dộng Nếu nghiệm có phần thực dương sẽ cho ra mất ổn định dao động
Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định động
Xét hệ thống điện gồm một máy phát nối với thanh cái vô cùng lớn qua hai đường dây truyền tải Như đã trình bày ở trên, thanh cái vô cùng lớn đại diện cho một nguồn điện áp có biên độ và tần số không đổi
Chúng ta sẽ tìm hiểu các khái niệm cơ bản và nguyên lý của ổn định động bằng cách phân tích đáp ứng hệ thống với các kích động lớn, sử dụng mô hình đơn giản Bỏ qua điện trở của các phần tử Hệ thống tương ứng được biểu diễn trên hình 3.3, mô hình tương đương (hình 3.4a) và dạng rút gọn của mô hình hệ thống (hình 3.4b) Điện áp sau điện kháng quá độ (X’d) là E’ Góc rotor là góc sớm pha của E’ so với EB Khi hệ thống bị kích động, biên độ của E’ không đổi so với lúc trước khi bị sự cố và thay đổi khi tốc độ rotor máy phát lệch khỏi tốc độ đồng bộ 0
Hình 3.3: Mô hình một máy phát nối với thanh cái vô cùng lớn a)Mô hình mạch tương đương b)Mạch tương đương rút gọn
Hình 3.4: Biểu diễn hệ thống bằng mô hình máy phát cổ điển
38 Toàn bộ quá trình quá độ cơ điện xảy ra khi ngắn mạch gồm 3 giai đoạn, trước khi ngắn mạch, trong khi ngắn mạch và sau khi ngắn mạch Để có thể khảo sát ổn định động ta phải xây dựng các đường đặc tính công suất tương ứng Đặc tính công suất trước khi ngắn mạch Công suất điện ngõ ra máy phát là:
' E B X T (3.7) Bởi vì chúng ta bỏ qua điện trở stator nên P e đại diện cho công suất khe hở không khí hay công suất đầu cực Đặc tính công suất trước khi ngắn mạch sử dụng để tính chế độ ban đầu Khi biết công suất tải P, Q, E B ta phải tính E’, 0 (góc giữa E’ và E B ) và CSTD do máy phát phát ở chế độ ban đầu P0 Đặc tính công suất khi ngắn mạch
39 a)Sơ đồ hệ thống khi bị ngắn mạch tại F, b)Sơ đồ thay thế tương đương, c)Sơ đồ tương đương rút gọn
Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống và sơ đồ thay thế khi ngắn mạch
Trong sơ đồ thay thế tương đương, tại điểm ngắn mạch F có thêm điện kháng ngắn mạch XF (bỏ qua điện trở) phụ thuộc vào dạng ngắn mạch Để có thể tính được đường đặc tính công suất, phải biến đổi sơ đồ 3.5b về dạng rút gọn là sơ đồ 3.5c bằng phương pháp biến đổi sao – tam giác
X F Đường đặc tính công suất sẽ là
Từ (3.8) có thể nhận thấy ảnh hưởng của các dạng ngắn mạch đến đường đặc tính công suất
Khi ngắn mạch 3 pha XF = 0 do đó X’T = ∞ khi đó P II = 0, như vậy có nghĩa là khi ngắn mạch 3 pha công suất điện phát ra bằng 0, liên lạc giữa máy phát và thanh cái nhận điện bị cắt đứt hoàn toàn Trên đồ thị ta thấy khi ngắn mạch 3 pha thực ra P II sẽ không bằng 0 mà còn có giá trị rất nhỏ, đó là tổn thất CSTD do điện trở của stator máy phát, máy biến áp và đường dây từ máy phát đến chỗ ngắn mạch Khi ngắn mạch 2 pha chạm đất, sự liên lạc có song rất kém nên đường đặc tính công suất có biên độ thấp hơn so với ngắn mạch 2 pha hoặc 1 pha chạm đất (hình 3.6)
So sánh P II và P I ta thấy PImax > P IImax vì XT < X’T
Hình 3.6: Đồ thị đặc tính công suất Đường đặc tính công suất sau khi cắt ngắn mạch Sau khi cắt ngắn mạch, đường dây bị ngắn mạch được cắt ra khỏi hệ thống, đường dây tải điện chỉ còn lại 1 lộ (hình 3.7)
Hình 3.7: Sơ đồ tương đương của hệ thống sau khi cắt ngắn mạch Đường đặc tính công suất: tw blade sin
Trong đó X’’ T = X’ d + X tr + X 1 Biên độ của PIII sẽ nằm giữa PI và P II Xét một hệ thống đang làm việc ổn định với hai đường dây truyền tải như hình 3.5(a), mối quan hệ góc – công suất được thể hiện trên đường cong 1 hình 3.8 Với công suất cơ ngõ vào Pm bằng công suất điện ngõ ra Pe, điểm làm việc ổn định được biểu diễn bởi điểm a trên đường cong và góc rotor tương ứng là a
Hình 3.8: Mối quan hệ góc – công suất
Nếu một trong hai đường dây bị cắt khỏi hệ thống, điện kháng XT sẽ lớn hơn
Mối quan hệ góc – công suất được thể hiện trên đường cong 2 ở hình 3.8 Công suất cực đại bị giảm thấp hơn Với công suất cơ ngõ vào Pm, góc rotor lúc này là b tương ứng với điểm làm việc b trên đường cong 2; với giá trị điện kháng lớn hơn, góc rotor cũng lớn hơn để truyền tải cùng một lượng công suất
Trong thời gian bị sự cố, góc thay đổi nhưng độ biến thiên tốc độ (r d/dt) rất nhỏ so với tốc độ đồng bộ 0 Do đó thực tế tốc độ máy phát coi như bằng
0 và momen đầu cực máy phát tính trong hệ đơn vị tương đối (pu) được xem như bằng công suất đầu cực máy phát (pu) Vì vậy chúng ta sử dụng momen và công suất thay đổi qua lại cho nhau khi đề cập đến phương trình chuyển động rotor
Phương trình chuyển động rotor
= công suất điện cực đại (pu)
= hằng số quán tính (MWs/ MVA)
= thời gian (s) Đáp ứng đối với sự thay đổi công suất cơ Pm
42 Với hệ thống đang làm việc ổn định với hai đường dây truyền tải, chúng ta sẽ tìm hiểu chế độ quá độ của hệ thống bằng cách tăng công suất cơ đột ngột từ giá trị ban đầu P m0 tới P m1 (hình 3.9a) Do quán tính của rotor nên góc rotor không thể thay đổi một cách tức thời từ giá trị ban đầu 0 tới 1 ứng với điểm cân bằng mới là b mà tại đó Pe = P m1 Lúc này công suất cơ lớn hơn công suất điện Momen tăng tốc sẽ làm cho rotor tăng tốc từ điểm làm việc ban đầu là a tới điểm cân bằng mới b, trượt theo đường cong P e - theo một tỉ lệ được xác định bằng phương trình chuyển động Độ chênh lệch giữa Pm1 và P e ở một thời điểm bất kỳ được gọi là công suất tăng tốc
Hình 3.9: Đáp ứng đối với sự thay đổi công suất cơ
Khi tiến tới điểm b, công suất tăng tốc bằng 0, nhưng tốc độ rotor vẫn cao hơn tốc độ đồng bộ 0 Do đó góc rotor tiếp tục tăng Đối với các giá trị của lớn hơn 1, P e cao hơn Pm1 và vì thế rotor giảm tốc Khi góc rotor đạt giá trị cực đại m tại điểm c, tốc độ rotor bằng tốc độ đồng bộ 0 nhưng Pe > P m1 nên rotor tiếp tục giảm tốc độ xuống dưới 0, điểm làm việc trượt theo đường cong Pe - từ c đến b
43 rồi sau đó tới a Góc rotor dao động không xác định xung quanh góc cân bằng mới với biên độ không đổi như trên đồ thị thời gian của ở hình 3.9b
Theo phân tích ở trên, chúng ta bỏ qua tất cả điện trở và các nguồn dập tắt, sử dụng mô hình máy phát cổ điển Vì thế rotor vẫn dao động sau nhiễu loạn Thực tế, có nhiều nguồn dập tắt tích cực bao gồm sự thay đổi từ thông kích từ và các cuộn cản rotor Do đó nếu xét hệ thống với ổn định tín hiệu nhỏ thì dao động sẽ bị dập tắt
Đánh giá ổn định tĩnh
Các phương trình phi tuyến của hệ thống nghiên cứu lần đầu tiên được tuyến tính quanh một điểm vận hành danh nghĩa với trạng thái ổn định được lựa chọn để có được các phương trình tuyến tính của hệ thống động, nó có thể được thể hiện dưới dạng ma trận như sau:
Trong đó X là vectơ trạng thái, Y là các vector ngõ ra, U là bên ngoài hoặc vector bù ngõ vào, W là vector nhiễu loạn ngõ vào trong khi A, B, C, và D là các ma trận có kích thước phù hợp không thay đổi
50 Xét hệ thống thực trong hình 4.1, tất cả các đại lượng được biểu diễn trong hệ đơn vị tương đối
4.1.1.Xét 4 máy ĐB 555 MVA (2220 MVA), 24 kV, 60 Hz [19]
Lưu ý: Tất cả thông số được biểu diễn trong hệ đơn vị tương đối ngoại trừ thời gian được biểu diễn bằng đơn vị giây (s) và góc là độ điện
Điều kiện ban đầu trong hệ đơn vị tương đối p.u:
CSPK của máy phát (quá kích) Q = 0,3
Điện áp đầu cực máy phát E t = 1,0
Thông số của máy phát trong hệ đơn vị tương đối p.u:
4.1.2 Xét hệ thống PV có công suất 60MW với bộ chuyển đổi DC – AC
Mỗi bảng điều khiển PV các đặc tính sau: BP275UU, công suất định mức 75 (W), điện áp định mức 17 (V), dòng điện định mức 4.45 (A), điện áp hở mạch 21.4 (V) và dòng điện ngắn mạch 4.5 (A)
Mô hình mạch tương đương của dãy PV thể hiện được biểu diễn bằng các phương trình sau:
_ S exp ( R PV PV ) 1 P ( PV S PV )
(q = -1.602 × 10-19 C; k = 1,38 x 10-23 J / K) Điện áp đầu ra của mảng PV được cấp cho một dòng tương đương và một bộ biến đổi DC-AC
(L DC_PV )p(I R_PV ) = V R_PV – R DC_PV I R_PV - E DC (C DC_PV )p(E DC ) = I R_PV – I I_PV
(L DC_PV )p(I I_PV ) = E DC – V I_PV – R DC_PV I I_PV
2 6 PV qINV PV dINV PV
Các phương trình vi phân pu tương ứng cho bộ biến đổi DC - AC có thể được biểu diễn bằng:
Phương trình vi phân pu tương ứng cho bộ nghịch lưu dc-ac
( T I PV ) ( p I PV ) K I PV ( I I PV I I PV ) I PV
K I_PV = 1.0 ;T I_PV = 0.01 ;RC = 0.005 ;R = 7.0 ; Rth = R*RC/(R+RC) RE = 0.01; LE = 0.06 ; L DC_PV = 0.01 ;R DC_PV = 0.2 ;C DC_PV = 0.06 re_PV = 0.04 ;le_PV = 0.01; CI_PV = 0.2 ; LCR_PV = 0.02; C = 0.05 V0 = 0.13 ; Isc = 5; Rs = 7 ; D = 0.9
Bảng 4.1 Các thông số sử dụng cho hệ thống PV
4.1.3 Xét hệ thống năng lượng gió công suất 60MW
Công suất được tạo ra bởi một tua bin gió:
52 Trong đó Pm là công suất cơ rút ra bởi tua bin gió theo W, p là mật độ không khí kg/m 3 , A r = πR 2 là bề mặt bị bao phủ bởi cánh quạt gió có bán kính R (m 2 ),V w là tốc độ gió ở (m/s)
Hệ số công suất của tuabin gió:
P rated = 5 MW, V rated = 690 V, R blade = 58.6 m, ρ w = 1.225 kg/m3
P rated = 5 MW, V rated = 690 V, R blade = 58.6 m, ρw = 1.225 kg/m3
Các hằng số sử dụng cho hệ số công suất của tua bin gió cc1 = 0.22; cc2 6; cc3 = 0.954; cc4 = 0.18; cc5 = 0.955; cc6 = 6.161; cc7 11.89; cc8 = -12.95; cc9 = 0.088;
Bảng 4.2 Các thông số sử dụng cho hệ thống năng lượng gió
4.1.4 Trị riêng của hệ thống
Các giá trị riêng của hệ thống là nghiệm của phương trình đặt trưng và được cho trong bảng 4.3 Từ kết quả của bảng 4.3 ta thấy tất cả các phần thực của trị riêng của hệ thống hoàn toàn nằm ở vị trí phía bên tay trái của mặt phẳng phức
Chính vì thế ta có thể kết luận hệ thống ổn định tĩnh
53 Kết quả trị riêng từ chương trình Matlab được trình bày trong bảng 4.3
Số thứ tự Hệ thống Trị riêng Λ 1-2 Λ3-4 Λ5-6 Λ7-8 Λ9-10
Bảng 4.3 Các giá trị riêng (rad/s) của hệ thống
Mô phỏng trong miền thời gian
4.2.1 Mô phỏng trong điều kiện gió thay đổi
Trong phần này, các phản ứng động của hệ thống khi tốc độ gió thay đổi được trình bày Sự thay đổi của tốc độ gió được mô tả trong hình 4.3a Một cơn gió mạnh với tốc độ đỉnh là tốc độ gió cơ bản cộng với 3 m/s được bổ sung tại thời điểm t 20s và được xóa sau 10s Tại t = 20s, tốc độ gió được giả định tăng lên từ 13 m/s đến 16 m/s và giảm xuống đến 13 m/s ở t = 30s
54 Hình 4.2 Sơ đồ khối thay đổi tốc độ gió a Sự thay đổi tốc độ gió b Đáp ứng của điện áp bus c Đáp ứng của công suất tiêu thụ đường dây
55 d Đáp ứng của công suất phản e Đáp ứng của dòng điện tải kháng của đường dây f Đáp ứng của công suất g Đáp ứng của công suất tiêu thụ của lưới phản kháng của lưới h Đáp ứng của điện áp DC i Đáp ứng dòng điện DC tại đầu vào của biến tần của bộ chỉnh lưu
56 j Đáp ứng dòng k Đáp ứng của dòng điện của lưới DC của bộ biến tần l Đáp ứng dòng m Đáp ứng của dòng DC bộ chỉnh lưu của PV DC bộ biến tần của PV
Hình 4.3 Đáp ứng hệ thống
Trong khoảng thời gian tốc độ gió còn thay đổi ngẫu nhiên trong mức (13 ± 0.1) (m/s), các đáp ứng của hệ thống có dao động nhưng ở mức nhỏ Nhưng khi tố độ gió tăng đột biến từ 13 m/s lên đến 16 m/s ta thấy các đáp ứng đều thay đổi theo
Với trường hợp 4.3b, điện áp bus dao động mạnh với biên độ lớn nhất 2.03 pu
Công suất tiêu thụ đường dây dao động với biên độ lớn nhất 0.0435 pu trong hình 4.3c và công suất phản kháng đường dây là 1.8 pu trong hình 4.3d
Sau khi tốc độ gió trở về trạng thái ngẫu nhiên ban đầu thì các tín hiệu trở về trạng thái ổn định cũ
4.2.2 Mô phỏng trong trường hợp ngắn mạch
Trường hợp này xảy ra một lỗi ngắn mạch 3 pha tại thanh cái vô cùng lớn ở thời điểm t = 2(s) và kết thúc ở thời điểm t = 2.1(s) Đáp ứng của hệ thống được cho trong hình 4.5
Hình 4.4 Sơ đồ khối ngắn mạch a Mô tả ngắn mạch b Đáp ứng của điện áp bus c Đáp ứng của công suất d Đáp ứng của công suất tiêu thụ của đường dây phản kháng của đường dây
58 e Đáp ứng của dòng điện tải f Đáp ứng của công suất tiêu thụ của lưới điện g Đáp ứng của công suất h Đáp ứng của điện áp DC phản kháng của lưới điện tại đầu vào của biến tần i Đáp ứng của dòng j Đáp ứng của dòng điện DC của bộ chỉnh lưu DC của bộ biến tần k Đáp ứng dòng l Đáp ứng của dòng DC bộ chỉnh lưu của PV DC bộ biến tần của PV
59 m Đáp ứng của dòng điện lưới tại thời điểm ngắn mạch
Hình 4.5 Đáp ứng của hệ thống
Trong khoảng thời gian trước khi xảy ra ngắn mạch các đáp ứng của hệ thống hoạt động ổn định Nhưng khi xảy ra lỗi ngắn mạch ta thấy các đáp ứng đều thay đổi theo Với trường hợp 4.5b, điện áp bus dao động mạnh với biên độ lớn nhất 2.075 pu Công suất tiêu thụ đường dây dao động với biên độ lớn nhất 0.225 pu trong hình 4.5c và công suất phản kháng đường dây là 1.05 pu trong hình 4.5d
Sau khi kết thúc lỗi ngắn mạch thì các tín hiệu trở về trạng thái ổn định cũ
4.2.3 Trường hợp tải thay đổi
Giả định sau 3 giây, độ lớn tải cục bộ giảm đi còn 0.5 (pu) trong hệ thống như thể hiện trong hình 4.6
Các kết quả thể hiện trong hình 4.6 cho thấy khi có thay đổi trên tải cục bộ, gây ra các dao động đáng kể cho hệ thống a Mô tả thay đổi tải
60 b Đáp ứng của điện áp bus c Đáp ứng công suất tiêu thụ của đường dây d Đáp ứng công suất e Đáp ứng dòng điện tải kháng của đường dây f Đáp ứng công suất g Đáp ứng công suất tiêu thụ lưới điện phản kháng lưới điện
61 h Đáp ứng của điện áp i Đáp ứng dòng điện DC tại đầu vào của biến tần DC của bộ chỉnh lưu j Đáp ứng dòng điện k Đáp ứng dòng điện lưới DC của bộ biến tần
Hình 4.6 Đáp ứng của hệ thống
Trong khoảng thời gian trước khi thay đổi tải các đáp ứng của hệ thống hoạt động ổn định Khi xảy ra lỗi ngắn mạch ta thấy các đáp ứng đều thay đổi theo Với trường hợp 4.6b, điện áp bus dao động mạnh với biên độ lớn nhất 2.2 pu Công suất tiêu thụ đường dây dao động với biên độ lớn nhất 0.12 pu trong hình 4.6c và công suất phản kháng đường dây là 1.3 pu trong hình 4.6d
Sau khi kết thúc lỗi ngắn mạch thì các tín hiệu trở về trạng thái ổn định cũ
4.2.4 Trường hợp khi điện áp hệ thống PV thay đổi
Trong phần này trình bày các phản ứng động của hệ thống khi điện áp của hệ thống PV thay đổi, tốc độ gió ổn định 13m/s Sự thay đổi của điện áp PV được mô tả trong hình 4.7a Tại thời điểm t = 10s thì điện áp của hệ thống PV tăng đột biến và được xóa tại t = 10.5s a Mô tả tốc độ gió không đổi b Mô tả điện áp PV thay đổi
62 c Đáp ứng của điện áp bus d Đáp ứng công suất tiêu thụ đường dây e Đáp ứng công suất phản kháng f Đáp ứng dòng điện lưới đường dây g Đáp ứng công suất tiêu thụ lưới h Đáp ứng công suất phản kháng lưới
63 i Đáp ứng dòng j Đáp ứng của dòng DC bộ chỉnh lưu của PV DC bộ biến tần của PV
Hình 4.7 Đáp ứng của hệ thống
Kết luận
Luận văn đã đánh giá ổn định hệ thống gồm một máy phát vô cùng lớn tích hợp với hệ thống điện gió và điện năng lượng mặt trời hòa lưới Trong đó đề tài phân tícn rõ phương trình toán học máy phát điện đồng bộ của hệ thống điện gió và của hệ thống điện mặt trời, từ đó đánh giá ổn định tĩnh và ổn định động Trong đánh giá ổn định tĩnh đề tài xuất các giá trị riêng, và trong đánh giá ỗn định động thì đề tài xuất đáp ứng của hệ thống khi hệ thống khi hệ thống bị các sự cố như: ngắn mạch ba pha, thay đổi tải và thay đổi tốc độ gió Từ những kết quả trong ổn định tĩnh và ổn định động đã chứng minh rằng hệ thống điện có tích hợp năng lượng điện gió và năng lượng lượng điện mặt trời có khả năng ổn định sau những sự cố đã xét ở trên.