Luận văn thạc sĩ Thiết bị, mạng và nhà máy điện: Khảo sát ổn định điện áp trên lưới truyền tải khi có sự tham gia máy phát điện gió

Dựa trên phương pháp phân tích modal tác giả xây dựng thành công chương trình đánh giá ổn định điện áp bằng phần mền matlab nhằm mục đích sau: + Xác định vị trí kết nối máy phát điện gió

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- NGUYỄN THỤY MAI KHANH

KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRÊN LƯỚI TRUYỀN TẢI

KHI CÓ SỰ THAM GIA MÁY PHÁT GIÓ

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Phan Thị Thanh Bình………

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày 23 tháng 07 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5 Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

- -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên: Nguyễn Thụy Mai Khanh MSHV: 12180108 Ngày, tháng, năm sinh: 20 – 07 – 1987 Nơi sinh: An Giang

Chuyên ngành : Thiết Bị, Mạng và Nhà Máy Điện Mã số: 605250

I TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRÊN LƯỚI TRUYỀN TẢI KHI CÓ SỰ THAM GIA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tìm hiểu các phương pháp đánh giá ổn định điện áp cho hệ thống lưới truyền tải kết nối máy phát điện gió

2 Xác định vị trí đặt máy phát điện gió vào hệ thống lưới điện 3 Xác định mức độ xâm nhập của máy phát điện gió vào hệ thống lưới

điện 4 So sánh mức độ ổn định điện áp của máy phát điện gió với máy phát

điện khác khi kết nối vào lưới điện truyền tải

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10 – 02 – 2014 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20 – 06 – 2014

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS PHAN THỊ THANH BÌNH

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đối với PGS.TS Phan Thị Thanh Bình, người Cô đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn này

Với những kiến thức có được ngày hôm nay, đó là kết quả của một quá trình học tập và rèn luyện lâu dài; nhưng trên tất cả vẫn là những công ơn của tất cả quý Thầy Cô Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM đã đem đến hành trang kiến thức cho tôi vào đời Đặc biệt, xin chân thành biết ơn tới các Thầy Cô của Bộ môn Hệ Thống Điện đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong quá trình học tập, cũng như trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp

Xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc – Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện lực Tp HCM đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn này

Xin cảm ơn các Anh, Chị, bạn bè, đồng nghiệp trong Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện lực Tp HCM đã tạo điều kiện cũng như chia sẻ công việc cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, bạn bè đã động viên, tạo cho tôi niềm tin và nỗ lực để tôi cố gắng hoàn thành luận văn này

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn tìm hiểu về các phương pháp đánh giá ổn định điện áp và đưa ra kết luận phương pháp phân tích modal có nhiều ưu điểm trong việc đánh giá ổn định điện áp cho hệ thống kết nối nguồn điện gió Dựa trên phương pháp phân tích modal tác giả xây dựng thành công chương trình đánh giá ổn định điện áp bằng phần mền matlab nhằm mục đích sau:

+ Xác định vị trí kết nối máy phát điện gió vào lưới điện truyền tải để mức độ tăng tải tối đa mà hệ thống vẫn giữ được ổn định điện áp

+ Xác định mức độ xâm nhập công suất tác dụng gió Pgió hoặc công suất phản kháng gió Qgió ở các nút trong hệ thống lưới điện vẫn giữ ở mức ổn định điện áp

+ So sánh mức độ ổn định điện áp của nguồn năng lựơng gió so với các nguồn năng lượng khác như (thủy điện và nhiệt điện)

+ So sánh mức tăng tải tối đa của hệ thống lưới truyền tải khi kết nối nguồn gió so với khi kết nối các nguồn năng lượng khác như (thủy điện và nhiệt điện) nhưng vẫn đảm bảo giữ được mức ổn định điện áp

Luận văn đã đưa ra những khảo sát rất hữu hiệu cho bài toán thiết kế hệ thống điện khi có sự tham gia máy phát điện gió

THESIS SUMMARY

This thesis proposes the methods of voltage stability assessment and concluded modal analysis method has several advantages in the assessment of voltage stability for systems connected wind Based on the modal analysis method, authors build successful programs voltage stability assessment using matlab software for the purpose of later:

+ Locate wind generators connected to the transmission grid to increase the level of the maximum load that the system remains stable voltage

+ Determining the impact of penetration wind power at the nodes in the grid system remained stable voltage

+ Compare the voltage stability of wind energy compared to other energy sources such as (hydroelectricity and thermoelectric)

+ Comparison of the maximum load increases the transmission grid connected wind power than connecting other sources of energy such as (hydroelectricity thermoelectric) is guaranteed to keep the voltage stable

Thesis has taken the survey is very effective for problems when designing electrical systems with the participation wind generators

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS TS Phan Thị Thanh Bình

Những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào Các tài liệu tham khảo được trích dẫn nguồn gốc rõ rang

Tôi xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng về kết quả luận văn của mình

TP.Hồ Chí Minh , tháng 6 năm 2014

Người thực hiện

Nguyễn Thụy Mai Khanh

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 6

1 Lý do chọn đề tài 13

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 7

2.1 Mục đích và đối tượng nghiên cứu 14

2.2 Phạm vi nghiên cứu 14

3 Bố cục đề tài 15

4 Những đóng góp của đề tài 15

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 17

1.1 Khái quát chung 17

1.2 Các vấn đề về ổn định điện áp của hệ thống kết nối máy phát điện gió 18

1.2.1 Định nghĩa 18

1.2.2 Phân loại 19

1.2.3 Các yếu tố dẫn tới sụp đổ điện áp 19

1.2.4 Các đặc điểm chung của hiện tượng sụp đổ điện áp 21

1.3 Ảnh hưởng của máy phát điện gió lên hệ thống điện 22

2.1.2.1 WTGU có tốc độ cố định (máy phát gió điển hình SCIG) 27

2.1.2.2 WTGU tốc độ thay đổi (máy phát điển hình DFIG) 28

2.1.2.3 Mô hình toán học máy phát điện gió DFIG 30

2.1.3 Kết hợp mô hình DFIG và mô hình lưới địện 30

2.2 Bài toán phân bố công suất khi kết nối cánh đồng gió 31

2.2.1 Phân bố công suất máy phát gió tốc độ thay đổi 32

2.2.1.1 Xác định điều kiện đầu 33

2.2.1.2 Thực hiện đổi đơn vị 34

2.3 Sơ đồ giải thuật 36

2.4 Kết luận chương 2 37

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP 38

3.1 Mục đích bài toán ổn định điện áp khi hệ thống kết nối máy phát gió 38

3.2 Một số giải pháp đánh giá ổn định điện áp trong hệ thống kết nối gió 39

3.2.1 Phân tích động 40

3.2.2 Phân tích tĩnh 40

3.2.2.1 Phương pháp phân tích độ nhạy V-Q 40

3.2.2.2 Phương pháp phân tích modal Q-V 45

3.3 Nhận xét về các phương pháp đánh giá ổn định điện áp 53

3.3.1 Phương pháp giá dựa trên phân tích độ nhạy V-Q 53

3.3.2 Phương pháp giá dựa trên phân tích modal 53

3.4 Xác định giới hạn ổn định điện áp 54

3.5 Xác định vị trí và mức độ xâm nhập công suất máy phát gió 50

3.5.1 Thêm một nguồn năng lượng gió vào hệ thống 59

3.5.1.1 Xác định vị trí kết nối gió 59

3.5.1.2 Xác định mức độ xâm nhập máy phát gió 60

3.5.2 Nguồn máy phát (thủy điện hoặc nhiệt điện) được thay bằng nguồn năng lựơng gió 61

3.5.2.1 Mức độ ổn định điện áp khi thay bằng nguồn gió 62

3.5.2.2 Mức độ tăng tải khi thay bằng nguồn gió 62

4.2.1 Trường hợp 0: Hệ thống không kết nối gió 66

4.2.2 Xác định vị trí đặt máy phát gió 67

4.2.2.1 Trường hợp 1:Cánh đồng gió kết nối với hệ thống tai nút 12 67

4.2.2.2 Trường hợp 2 Cánh đồng gió kết nối với hệ thống tai nút 10 69

4.2.2.3 Trường hợp 3 Cánh đồng gió kết nối với hệ thống tai nút 3 72

4.2.2.4 Kết luận 74

4.2.3 Mức độ xâm nhập của gió vào hệ thống lưới truyền tải 74

4.2.3.1 Tăng công suất gió 74

A Trường hợp 4: Cánh đồng gió kết nối tại nút 12 74

B Trường hợp 5: Cánh đồng gió kết nối tại nút 10 68

C Trường hợp 6: Cánh đồng gió kết nối tại nút 3 70

4.2.3.2 Thay đổi hệ số cosgió 79

A Trường hợp 7: Cánh đồng gió kết nối tại nút 12 72

B Trường hợp 8: Cánh đồng gió kết nối tại nút 10 73

C Trường hợp 9: Cánh đồng gió kết nối tại nút 3 74

4.3 Máy Phát Gió được thay thế cho máy phát hiện hữu của lưới truyền tải 83

4.3.1 Trường hợp 10 Máy phát gió thay cho máy phát tại nút 5 83

4.3.2 Trường hợp 11 Máy phát gió thay cho máy phát tại nút 2 85

DANH MỤC CÁC BẢNG

Tên bảng Trang

Bảng 4.1 Mức độ tăng tải khi chưa kết nối gió 59

Bảng 4.2 Mức độ tăng tải khi gió kết nối nút 12 2861

Bảng 4.3 Mức độ tăng tải khi gió kết nối nút 10 64

Bảng 4.4 Mức độ tăng tải khi gió kết nối nút 3 65

Bảng 4.5 Hệ số mintại các vị trí có kết nối gió và không có kết nối gió 3166

Bảng 4.6 So sánh mức độ tăng tải các trường hợp 66

Bảng 4.7 Mức độ xâm nhập máy phát gió khi máy phát gió kết nối nút 12 68

Bảng 4.8 Mức độ xâm nhập máy phát gió khi máy phát gió kết nối nút 10 69

Bảng 4.9 Mức độ xâm nhập máy phát gió khi máy phát gió kết nối nút 3 70

Bảng 4.10 Mức độ xâm nhập công suất tác dụng gió trong các trường hợp 71

Bảng 4.11 Hệ số mintại các vị trí trong khảo sát mức độ xâm nhập gió 72

Bảng 4.12 Thay đổi cosgiókhi máy phát kết nối nút 12 73

Bảng 4.13 Thay đổi cosgiókhi máy phát kết nối nút 10 74

Bảng 4.14 Thay đổi cosgiókhi máy phát kết nối nút 3 75

Bảng 4.15 Mức độ xâm nhập công suất phản kháng gió tại các vị trí 855

Bảng 4.16 Hệ số mintại các vị trí 76

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Tên hình vẽ Trang

Hình 2.1 Mô hình tích hợp các máy phát gió 26

Hình 2.2: mô hình tương đương của SCIG 28

Hình 2.3: Mô hình tương đương của DFIG 29

Hình 2.4: Mô hình nguồn điện gió nối lưới 31

Hình 2.5: Lưu đồ giải thuật giải bài toán phân bố công suất khi có máy phát gió 36

Hình 3.1: Lưu đồ giải thuật phương pháp phân tích độ nhạy V-Q 44

Hình 3.2: Lưu đồ giải thuật phương pháp phân tích modal Q-V 52

Hình 3.3: Lưu đồ giải thuật xác định giới hạn ổn định điện áp 57

Hình 3.4: mô hình kết nối lưới điện gió vào hệ thống truyền tải 58

Hình 4.1: Sơ đồ lưới điện 110kV chưa kết nối nguồn điện gió 64

Hình 4.2: Sơ đồ lưới điện 110kV kết nối nguồn điện gió tại nút 12 68

Hình 4.3: Sơ đồ lưới điện 110kV kết nối nguồn điện gió tại nút 10 70

Hình 4.4: Sơ đồ lưới điện 110kV kết nối nguồn điện gió tại nút 3 72

Hình 4.5: Nguồn máy phát gió được thay cho nguồn máy phát tại nút 5 85

Hình 4.6: Nguồn máy phát gió được thay cho nguồn máy phát tại nút 2 86

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Các hệ thống cung cấp điện (HTCCĐ) nước ta khá đa dạng và đang quá trình cải tạo, phát triển mạnh mẽ Tuy nhiên trong quá trình phát triển, các HTCCĐ ở nước ta cũng đang gặp phải những khó khăn thách thức :

+ Vẫn còn một số khu vực đang gặp khó khăn về nguồn cung cấp điện do nằm xa lưới điện Quốc gia; trong khi hầu hết ở các khu vực khác, phụ tải lại đang gia tăng nhanh chóng, các HTCCĐ hiện hữu chưa đáp ứng được các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật

+ Mức tổn thất điện năng khá lớn; chất lượng điện năng của các phụ tải chưa được đảm bảo

+ Khả năng ổn định điện áp và độ dự trữ ổn định ở mức thấp Các vấn đề nêu trên đòi hỏi ngành điện phải đầu tư xây dựng các nhà máy điện cũng như phát triển và hoàn thiện hệ thống truyền tải và phân phối Việc xây dựng những nhà máy phát điện công suất lớn đòi hỏi phải có thời gian dài và vốn đầu tư lớn đồng thời nảy sinh hàng loạt các vấn đề như: nhiên liệu cung cấp, diện tích đất đai, ảnh hưởng môi trường v.v Mặt khác, để đưa được công suất phát đến nơi tiêu thụ lại cần đến hệ thống truyền tải và phân phối làm cho chi phí tăng cao Do đó, hướng giải quyết tỏa ra khá hiệu quả hiện nay là phát triển các nguồn phân tán (Distributed Generation –DG), trong đó có nguồn điện gió là dạng năng lượng tái tạo có tiềm năng lớn nước ta (chỉ sau nguồn Thủy điện nhỏ)

Các nghiên cứu về ứng dụng nguồn năng lượng gió đã thực hiện khá nhiều trong thời gian qua ở hầu hết các nước trên thế giới Đối với các HTCCĐ ở Việt Nam, các nghiên cứu đánh giá ứng dụng của điện gió chưa được thực hiện nhiều Gần đây có một số nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió… nhưng chưa nghiên cứu nào đề cập đến ảnh hưởng của chúng đến chất lượng điện năng, chế độ vận hành hay các bài toán nghiên cứu về ổn định điện áp khi nguồn điện gió kết nối lưới điện

Vì vậy, khi nguồn năng lương gió kết nối vào hệ thống điện thì việc đánh giá ổn định điện áp là không thể thiếu đối với các công ty Điện lực Luận văn với đề tài:

“KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRÊN LƯỚI TRUYỀN TẢI KHI CÓ SỰ THAM GIA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ” tác giả nghiên cứu các phương pháp đánh

giá ổn định điện áp, từ đó lựa chọn phương pháp thích hợp để xây dựng chương trình đánh giá ổn định điện áp cho mạng điện truyền tải kết nối máy phát điện gío (qui mô trang trại)

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2.1 Mục đích và đối tượng nghiên cứu

Các ảnh hưởng của máy phát điện gió lên hệ thống điện Thực hiện bài toán trào lưu công suất của hệ thống kết nối máy phát gió (quy mô trang trại gió) Đây là tiền đề để thực hiện các phương pháp phân tích ổn định điện áp cho hệ thống kết nối máy phát điện gió

Trình bày phương pháp phân tích ổn định điện áp theo độ nhạy V-Q và phương pháp phân tích modal Q-V Từ đó đề xuất phương pháp phân tích ổn định điện áp tối ưu nhất (cho kết quả nhanh nhất, xác định được mức độ ổn định điện áp) Từ đó, xây dựng chương trình tính ổn định điện áp bằng phần mềm matlab nhằm phục vụ bài toán thiết kế một hệ thống có thêm nguồn năng lượng gió hoặc thay nguồn năng (thủy điện hoặc nhiệt điện) của hệ thống bằng nguồn năng lượng gió

Ứng dụng chương trình tính ổn định điện áp nhằm để xác định vị trí kết nối gió và mức độ xâm nhập công suất gió của một mạng điện 110kV có thêm nguồn năng lượng gió hoặc thay nguồn năng (thủy điện hoặc nhiệt điện) của hệ thống bằng nguồn năng lượng gió

2.2 Phạm vi nghiên cứu

Trong luận văn này, có nhiều nguồn máy phát cung cấp cho hệ thống điện nhưng tác giả chỉ tập trung xem xét nguồn điện gió khi kết nối vào hệ thống điện sẽ làm ảnh hưởng đến ổn định điện áp của hệ thống như thế nào và so sánh mức độ ổn định điên áp khi thay nguồn máy phát của hệ thống bằng một nguồn máy phát gió Để từ đó, ta thực hiện bài toán thiết kế vị trí đặt gió và mức độ xâm nhập gió vào hệ thống sao cho công suất của gió phát lên hệ thống là tối ưu nhất và tải trong hệ

thống tăng lên ở mức max nhất mà hệ thống vẫn giữ được giới hạn ổn định điện áp Cụ thể là: Nghiên cứu vấn đề ảnh hưởng của nhà máy điện gió đến giới hạn ổn định điện áp của lưới điện thông qua việc xây dựng mô hình tĩnh của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

Chương 2: Bài toán phân bố công suất khi kết nối cánh đồng gió

Sử dụng phương pháp Newton – Raphson để thực hiện bài tóan phân bố công suất trong mạng điện khi có sự tham gia cánh đồng gió

Chương 3: Phân tích ổn định điện áp

Các phương pháp phân tích ổn định điện áp Từ đó, xây dựng chương trình tính ổn định điện áp bằng phần mềm matlab nhằm phục vụ bài toán thiết kế một hệ thống có thêm nguồn năng lượng gió hoặc thay nguồn năng (thủy điện hoặc nhiệt điện) của hệ thống bằng nguồn năng lượng gió

Chương 4: Áp dụng phương pháp phân tích ổn định điện áp

Sử dụng phương pháp phân tích modal để xác định vị trí và mức độ xâm nhập của máy phát điện gió cho một hệ thống truyền tải điển hình có thêm nguồn năng lượng gió và so sánh mức độ ổn định điện áp khi thay nguồn máy phát của hệ thống bằng một nguồn máy phát gió

Chương 5 : Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Nêu các kết quả đã thu được trong luận văn, đưa ra nhận xét và hướng phát triển của đề tài

4 Những đóng góp của đề tài Về mặt lý luận

Đã tổng hợp được sơ bộ ảnh hưởng của máy phát điện gió đến chế độ vận hành của hệ thống điện

Đã chứng minh được mối quan hệ giữa công suất phát của điện gió với điện áp các nút trong hệ thống lưới điện kết nối gió, khẳng định được rằng: nút máy phát gió khi kết nối vào hệ thống điện có thể coi nút tải (P,Q) nhưng công suất tác dụng Pe và công suất phản kháng Qe lại có thể thay đổi sau mỗi lần lặp Nút gió có thể coi là nút phát P lên hệ thống và thu Q từ hệ thống về điều này chính là đặc trưng của máy phát điện gió khi nghiên cứu ổn định điện áp của điện gió trong hệ thống điện

Xây dựng thành công một thuật toán xác định ổn định điện áp của một hệ thống kết nối máy phát điện gió, thuật toán này được thực hiện bằng chương trình matlab và được kiểm chứng thông qua ví dụ áp dụng để xác định mức độ ổn định điện áp của lưới điện truyền tải điển hình có kết nối máy phát gió trong các trường hợp

Kết hợp giữa đánh giá mức độ ổn định điện áp với việc xác định ranh giới giới hạn trong hệ thống điện có kết nối nguồn điện gió, từ đó tạo cơ sở cho cơ quan quản lý, thiết kế và vận hành hệ thống điện có được giải pháp vận hành tối ưu nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện

Về mặt thực tiễn

Thuật toán xác định ổn định điện áp của máy phát điện gió kết nối vào hệ thống điện là thuật toán khá tổng quát, có thể đánh giá mức độ ổn định điện áp tại một nút bất kỳ trong hệ thống

Luận văn đưa ra được giải pháp thiết kế lưới điện truyển tải khi kết nối nguồn điện gió đảm bảo được mức độ ổn định điện áp Chương trình xác định ổn định điện áp khi kết nối gió có thể coi là một chương trình tham khảo cho nhà đầu tư muốn xây dựng và đấu nối điện gió vào lưới điện, đó cũng là một tham khảo cho các nhà quản lý dựa vào đó để kiểm soát điện áp tại các nút trong hệ thống và mức độ ổn định điện áp của hệ thống, nâng cao độ tin cậy

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Khái quát chung

Trong những năm gần đây, nguồn tài nguyên gió là một loại năng lượng tái tạo và ngày càng trở nên quan trọng hơn ở nhiều nước Năng lượng gió có đặc điểm riêng chẳng hạn như rời rạc, ngẫu nhiên, và không kiểm soát Xu hướng làm tăng lượng điện tạo ra từ tua-bin gió có thể được chú ý vì nó là một nguồn năng lượng sạch, có tác động thấp Do đó, sự xâm nhập của tua-bin gió trong các hệ thống năng lượng điện sẽ tăng lên và bắt đầu có những ảnh hưởng đến hành vi tổng thể hệ thống điện, làm thay đổi lưu lượng công suất trong hệ thống điện dẫn đến cần phải xem xét mức độ ổn định điện áp của toàn hệ thống điện khi gió kết nối lưới điện Vấn đề quan trọng ở đây là nghiên cứu hành vi của các tua-bin gió trong một hệ thống điện và tương tác của nó với các máy phát điện khác và với tải tiêu thụ Điện áp không ổn định là một điểm yếu hệ thống điện lớn dẫn đến sự thiệt hại nặng với nền kinh tế, kỹ thuật và xã hội Vấn đề ảnh hưởng của gió đến hệ thống được rất nhiều tác giả nghiên cứu như: Nghiên cứu các đặc trưng sụp đổ điện áp trong lưới điện có kết nối máy phát điện gió 6 , Nghiên cứu các tác động của hệ thống nối máy phát gió  7 , Ổn định tĩnh cho mô hình trang trại gió với DFIG  8 , Cải thiện ổn định điện áp kết nối với máy phát phân phối  9 Các nghiên cứu của những tác giả trước chưa đề cập đến việc xác định vị trí, mức độ xâm nhập của máy phát điện gió vào hệ thống điện vẫn giữ được ổn định điện áp và cũng chưa có nghiên cứu so sánh mức độ ổn định điện áp của máy phát điện gió kết nối lưới điện so với máy phát điện khác kết nối lưới điện Với luận văn này tác giả sử dụng phương pháp phân tích giá trị riêng để đánh giá sự ổn định điện áp của các trang trại gió để giải quyết các vấn đề các tác giả trước chưa đề cập đến

1.2 Các vấn đề về ổn định điện áp của hệ thống kết nối máy phát điện gió 1.2.1 Định nghĩa

Ổn định điện áp liên quan đến khả năng của hệ thống ở điều kiện vận hành bình thường và khi có nhiễu có thể duy trì điện áp tại mọi thanh cái trên hệ thống ở mức chấp nhận Một hệ thống rơi vào trạng thái không ổn định điện áp khi có tác động nhiễu, khi có yêu cầu tải tăng…sẽ có sự giảm áp liên tục không thể kiểm soát được Nhân tố chính của nguyên nhân gây ra sự không ổn định là hệ không có khả năng đáp ứng yêu cầu về công suất phản kháng

Đối với các hệ thống lớn có rất nhiều nút việc so sánh đặc tính tải QL(V) và đặc tính nguồn cung cấp là QS(V) để đánh giá ổn định điện áp gặp rất nhiều khó khăn Do đó để đánh giá ổn định điện áp cho một hệ thống lớn người ta thường dựa vào đường cong Q-V, tức là dựa trên mối quan hệ giữa độ thay đổi công suất bơm vào nút và độ thay đổi điện áp nút Từ nhận xét trên chúng ta đưa ra tiêu chuẩn ổn định điện áp đối với hệ thống lớn như sau: Hệ thống ổn định điện áp trong điều kiện vận hành đã cho nếu như đối với tất cả các nút trong hệ thống biên độ điên áp tăng lên khi công suất phản kháng bơm vào nút đó tăng lên Ngược lại hệ thống mất ổn định điện áp nếu như có ít nhất một nút trong hệ thống mà điện áp tại nút đó giảm xuống khi công suất phản kháng bơm vào nút đó tăng lên Nói cách khác hệ thống ổn định điện áp nếu độ nhạy V-Q (tức là

QV



) của tất cả các nút trong hệ thống là dương và hệ thống mất ổn định điện áp nếu độ nhạy V-Q của ít nhất một nút trong hệ thống là âm

Các vấn đề liên quan tới mất ổn định điện áp thường xảy ra trên những hệ thống chất tải nặng Ngoài khả năng của lưới truyền tải và mức chất tải, những nhân tố như: giới hạn điều khiển điện áp phần ứng của máy phát và máy phát điện gió, đặc điểm của tải, đặc điểm của các thiết bị bù phản kháng, và hoạt động của thiết bị điều khiển điện áp như là thay đổi nấc của bộ điều áp dưới tải của máy biến áp (OLTC) cũng ảnh hưởng tới sụp đổ điện áp

Ổn định điện áp – nhiễu nhỏ: là khả năng của hệ thống điều khiển điện áp khi có những tác động nhỏ Cách tiếp cận tĩnh sử dụng phương pháp tuyến tính với hệ phương trình động tại những điểm vận hành sẽ được áp dụng

Trong luận văn này tác giả nghiên cứu ổn định điện áp-nhiễu nhỏ tức là khảo sát đánh giá ổn định điện áp khi có máy phát gió kết nối vào hệ thống

Sau khi có nhiễu xảy ra (bất kỳ nhiễu lớn hay nhỏ), thông thường điện áp của hệ thống không trở về mức ban đầu mà nó đạt đến một giá trị xác lập mới Do đó, chúng ta phải xác định phạm vi dao động điện áp cho phép Vì vậy hệ thống chỉ được xem là ổn định hữu hạn trong phạm vi dao động điện áp cho phép

1.2.3 Các yếu tố dẫn tới sụp đổ điện áp

Khi nhu cầu công suất phản kháng trong hệ thống gia tăng đột ngột do tình trạng khẩn cấp nào đó, các máy phát và các thiết bị bù trong hệ thống sẽ cung cấp phần công suất phản kháng tăng thêm này hoặc khi kết nối máy phát gió vào hệ thống điện, máy phát gió hút công suất phản kháng của từ hệ thống Nói chung các nguồn công suất phản kháng dự trữ trong hệ thống có thể đáp ứng được và hệ thống sẽ thiết lập lại mức điện áp ổn định Tuy nhiên, trong một số trường hợp có thể do một số điều kiện nào đó, hệ thống không thể đáp ứng được nhu cầu công suất phản kháng tăng thêm hay giảm xuống và điều này dẫn đến sụp đổ điện áp, làm rã lưới

một phần hoặc toàn bộ hệ thống Sau đây là một số trường hợp dẫn đến sụp đổ điện áp:

Khi hệ thống điện kết nối với máy phát điện gió, máy phát điện gió lúc này được mô tả như một nguồn phát công suất tác dụng thì khi công suất phát càng tăng sẽ đồng nghĩa với việc công suất phản kháng mà nguồn điện gió nhận về từ hệ thống càng tăng, điều này sẽ gây giảm điện áp ở các nút lân cận và làm tăng nguy cơ mất ổn định điện áp

Hệ thống làm việc trong điều kiện bất thường khi các máy phát công suất lớn gần trung tâm phụ tải tách khỏi vận hành Điều này làm cho các đường dây truyền tải cao áp bị quá tải và nguồn công suất phản kháng giảm đến mức tối thiểu

Việc cắt một số đường dây đang mang tải sẽ dẫn đến phụ tải tăng cao ở các đường dây lân cận Điều này làm tăng tổn thất công suất phản kháng trên đường dây (tổn thất công suất kháng trên đường dây tăng nhanh khi tải trên đường dây lớn hơn tải sóng), do đó làm cho nhu cầu công suất phản kháng trong hệ thống tăng mạnh

Khi đường dây truyền tải cao áp bị cắt ra, điện áp ở gần trung tâm tải sẽ giảm xuống do nhu cầu công suất phản kháng tăng lên Điều này làm cho công suất tiêu thụ của tải giảm xuống và công suất trên đường dây phụ tải giảm xuống và công xuất truyền trên đường dây cao áp cũng giảm, do đó giúp cho hệ thống ổn định trở lại Tuy nhiên, bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát sẽ nhanh chóng phục hồi lại điện áp đầu cực máy phát bằng cách tăng dòng kích từ Do đó công suất phản kháng truyền qua máy biến áp và đường dây tăng lên làm cho sụt áp trên các phần tử này tăng lên

Việc sụt áp trên đừơng dây truyền tải cao áp sẽ ảnh hưởng đến hệ thống phân phối Máy biến áp có điều áp dưới tải sẽ phục hồi lại điện áp phân phối và tải trở về giá trị ban đầu trong thời gian đầu trong 2 đến 4 phút Mỗi lần chuyển đầu phân áp, tải trên đường dây cao áp tăng lên làm tăng tổn thất trên đường dây XI2

và RI2, điều này làm cho điện áp trên đường dây cao áp tiếp tục giảm mạnh hơn Nếu như đừơng

dây cao áp mang tải lớn hơn tải sóng SIL, mỗi MVA truyền tải tăng thêm trên đường dây sẽ gây ra vài MVAr tổn thất công suất phản kháng

Với mỗi nấc chuyển đầu phân áp công suất phản kháng phát ra từ máy phát truyền tải qua hệ thống sẽ tăng lên, dần dần các máy phát sẽ lần lượt đạt đến giới hạn khả năng công suất phát công suất kháng (đặc trưng bởi dòng điện kích từ cực đại) Khi máy phát đầu tiên đạt đến kích từ giới hạn, điện áp đầu cực của nó sẽ giảm xuống Khi điện áp đầu cực của máy phát giảm xuống việc giữ cố định công suất tác dụng đầu ra sẽ làm cho dòng điện phần ứng tăng lên Điều này làm cho công suất phản kháng của máy phát giảm xuống để giữ dòng điện phần ứng trong giới hạn cho phép Do đó, tải kháng sẽ được chuyển sang máy phát khác làm cho nhiều máy phát khác nhanh chóng bị quá tải Nếu có ít máy phát có bộ tự động điều chỉnh kích từ, hệ thống sẽ dễ mất ổn định điện áp

1.2.4 Các đặc điểm chung của hiện tượng sụp đổ điện áp

Hiện tượng sụp đổ điện áp có một số đặc điểm sau: Có nhiều nguyên nhân ban đầu dẫn tới sụp đổ điện áp: sự gia tăng dần của phụ tải trong hệ thống hoặc có nhiễu lớn xuất hiện đột ngột như máy phát hay đường dây đang mang tải nặng tách khỏi vận hành hoặc tăng công suất máy phát điện gió

Hệ thống điện không có khả năng đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng của phụ tải Đôi khi hiện tượng sụp đổ điện áp xảy ra khi hệ thống làm việc trong điều kiện có một số đường dây đang mang tải nặng Khi việc truyền công suất phản kháng giữa các vùng lân cận trong hệ thống gặp khó khăn, nếu có sự thay đổi nào đó làm cho nhu cầu công suất phản kháng tăng lên hay giảm xuống sẽ dễ dàng dẫn đến sụp đổ điện áp

Hiện tượng sụp đổ điện áp chịu ảnh hưởng bởi điều kiện vận hành cũng như đặc tính của hệ thống Sau đây là các yếu tố góp phần làm mất ổn định cũng như sụp đổ điện áp:

+ Khoảng cách giữa máy phát và phụ tải quá xa

+ Việc thay đổi đầu phân áp của máy biến áp có điều áp dưới tải trong lúc điện áp đang giảm thấp

+ Đặc tính tải không phù hợp (độ dốc đường đặc tính của phụ tỉa nhỏ hơn độ dốc đường đặc tính của nguồn phát)

+ Sự phối hợp không tốt giữa hệ thống điều khiển và bảo vệ Vấn đề điện áp không ổn định và sụp đổ thường xảy ra trên hệ thống điện mà không có khả năng đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng, để xem xét tải nặng và điều kiện ngắn mạch Khi các trang trại gió được kết nối với lưới điện, ổn định điện áp là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hoạt động ổn định của hệ thống điện có trang trại gió này Loại máy phát phổ biến là DFIG được kết nối với lưới điện thông qua bộ điều khiển điện tử công suất “back – to – back” Máy phát DFIG kết nối với lưới điện có đặc tính thu công suất phản kháng làm hệ thống dễ dẫn đến mất ổn định điện áp Vì vậy, việc bù công suất phản kháng là cần thiết để duy trì điện áp trên mạng mà các trang trại gió được kết nối lưới điện

1.3 Ảnh hưởng của máy phát điện gió lên hệ thống điện

Công suất đặt của một máy phát điện gió thường không lớn, tùy theo tiềm năng của năng lượng gió của địa phương chúng có thể kết nối với lưới điện phân phối (nếu cụm công suất nhỏ) hoặc kết nối với lưới điện 110kV (nếu tổng công suất lớn) Do công suất phát của tuabin gió phụ thuộc hệ số công suất Cp và các yếu tố bất định khác (mật độ không khí, tốc độ gió…); do đó các ảnh hưởng của nguồn điện gió đến hệ thống điện được phân thành 2 loại:

+ Các ảnh hưởng mang tính địa phương bao gồm: Làm thay đổi luồn công suất trên nhánh của các xuất tuyến phân phối; ảnh hưởng đến điện áp các nút trên xuất tuyến phân phối; ảnh hưởng đến phối hợp bảo vệ của các Rơle quá dòng, đến dòng điện sự cố, thiết bị chuyển mạch; ảnh hưởng đến chất lượng điện năng (dao động điện áp, chập chờn điện áp, độ tin cậy…)

+ Các ảnh hưởng mang tính hệ thống: ảnh hưởng đến ổn định tĩnh và ổn định động; ổn định điện áp, ảnh hưởng đến quá trình điều khiển công suất tác dụng

và phản kháng của hệ thống; ảnh hưởng đến tần số (với nguồn điện gió có công suất lớn)…

Hai sự ảnh hưởng đầu tiên phải luôn được khảo sát khi máy phát gió được kết nối với hệ thống điện Mức độ ảnh hưởng của các trang trại gió đối với điện áp tại các thanh cái lân cận phụ thuộc vào loại tuabin gió được sử dụng và sự điều khiển chúng Sự ảnh hưởng của tuabin gió đối với dòng sự cố cũng phụ thuộc vào loại tuabin gió được sử dụng Ví dụ, một tuabin gió tốc độ không đổi dựa trên máy phát cảm ứng roto lồng sóc kết nối trực tiếp với lưới gây ảnh hưởng tới dòng ngắn mạch và dựa vào phương pháp bảo vệ thông thường (quá dòng, quá tốc độ, quá áp hoặc thấp áp, quá tần số hoặc tần số thấp) Tại cùng thời điểm, một tuabin gió tốc độ biến đổi cũng thay đổi dòng sự cố Tuy nhiên, do trong tuabin gió tốc độ biến đổi, tác động điều khiển của các bộ biến đổi điện tử công suất nhanh hơn nên dòng sự cố có thể được điều khiển để cho phép khả năng ổn định quá độ

Sự méo dạng là điển hình với tuabin gió tốc độ không đổi khi mà các dao động tốc độ gió được chuyển trực tiếp thành sự dao động công suất đầu ra Phụ thuộc vào cấu hình lưới, hậu quả của sự dao động công suất sẽ gây ra sự dao động điện áp lan truyền trong mạng Những sự dao động điện áp này có thể dẫn đến các dao động không mong muốn về độ chiếu sáng trong các khu thương mại, nhà ở

Các sóng hài được sinh ra chủ yếu với các tuabin gió tốc độ biến đổi và sự chuyển mạch các bộ biến đổi điện tử công suất của chúng Tuy nhiên, với các tuabin gió hiện đại lượng sóng hài đã được giảm thiểu do sử dụng bộ biến đổi hoạt động tại tần số đóng ngắt cao và sử dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến và các kỹ thuật lọc

1.3.2 Ảnh hưởng lên hệ thống lớn

Cùng với các ảnh hưởng cục bộ, năng lượng gió cũng gây ảnh hưởng đến các hệ thống lớn Sự tham gia cao của năng lượng gió vào hệ thống điện có các ảnh hưởng sau:

+ Sự ổn định của hệ thống + Nguồn công suất phản kháng và sự điều khiển điện áp mạng điện + Sự cân bằng hệ thống

+ Điều khiển tần số Ảnh hưởng của máy phát điện gió lên sự ổn định của hệ thống điện thực tế là do các hệ thống phát tuabin gió không cung cấp một sự đáp ứng quán tính giống với các máy phát thông thường và không tham gia vào tác động điều khiển ổn định Thay vào đó, các đáp ứng tần số và điện áp của tuabin gió được xác định bởi các bộ biến đổi liên kết và các bộ điều khiển quán tính tương ứng

Khi có sự thâm nhập cao của nguồn năng lượng gió vào hệ thống điện thì phải quan tâm tới ảnh hưởng của nguồn công suất phản kháng và sự điều khiển điện áp trong hệ thống Khi công suất tác dụng máy phát điện gió bơm vào hệ thống càng lớn công suất phản kháng gió hút từ hệ thống về càng nhiều, đây chính là yếu tố gây mất ổn định điện áp Cùng với đó, các nhà máy điện gió không thể được cài đặt tại các vị trí bất kỳ mà phải được đặt tại các vị trí có nguồn gió tốt

Ảnh hưởng của năng lượng gió tới sự cân bằng hệ thống khi công suất đầu ra của tuabin gió không được điều khiển Trong trường hợp có sự xâm nhập cao của nguồn gió vào hệ thống, nếu không có sự điều khiển thích hợp thì sự mất cân bằng

giữa nguồn và tải có thể xảy ra nhiều hơn Vì vậy, phải kết hợp sự dự đoán tốc độ gió với sự vận hành của nguồn thông thường để giảm sự mất cân bằng này

Tất cả những ảnh hưởng trên điều gây ra mất ổn định điện áp của hệ thống sẽ gây ảnh hưởng an ninh của hệ thống điện dẫn đến sự thiệt hại nặng đối với nền kinh tế, kỹ thuật và xã hội Về mặt địa lý vị trí đặt gió thường xa trung tâm phụ tải và kết nối vào mạng truyền tải tương đối yếu Như vậy, điện áp tham gia của gió vào hệ thống lưới truyền tải sẽ ảnh hưởng đến an ninh về mặt ổn định điện áp

Máy phát tua bin gió tốc độ thay đổi (DFIG) đang được sử dụng rộng rãi bởi vì công suất phản kháng được cải tiến tốt hơn và điện áp được điều chỉnh trong dãi rộng hơn DFIG sử dụng bộ chuyển đổi năng lượng điện tử và do đó có thể điều chỉnh công suất phản kháng, cũng có thể vận hành ở công suất nhất định, hoặc để điều khiển điện áp lưới điện; Nhưng vì năng lực hạn chế của công cụ chuyển đổi PWM Khả năng kiểm soát điện áp của DFIG không thể bắt kịp với các máy phát điện đồng bộ Khi yêu cầu điều khiển điện áp vượt quá khả năng của DFIG, sự ổn định điện áp của lưới điện cũng bị ảnh hưởng

Trong bài luận văn này thực hiện khảo sát sự ổn định điện áp của hệ thống điện với trang trại gió lớn Xác định ổn định điện áp cả hai trường hợp vị trí đặt máy phát gió và mức độ xâm nhập của nguồn điện gió vào hệ thống và so sánh mức độ ổn định điện áp của nguồn điện gió vóa nguồn máy phát điện hệ thống Mô hình gió để tính toán phân bố công suất và khảo sát ổn định điện áp được thực hiện bằng chương trình Matlab

1.4 Kết luận chương 1

Nội dung chương này đã khái quát đặc điểm của một hệ thống phát điện tuabin gió có thể gây mất ổn định điện áp, mô tả chi tiết cấu tạo, nguyên lý và các ảnh hưởng đến mức độ ổn định điện áp của lưới điện đối với các loại máy phát không đồng bộ tốc độ cố định và loại không đồng bộ nguồn kép Đây là tiên đề quan trọng cho việc đánh giá ổn định điện áp cho nguồn điện gió kết nối lưới điện sẽ được trình bày ở các chương sau

Chương 2: BÀI TOÁN PHÂN BỐ CÔNG SUẤT KHI KẾT NỐI

Phân bố công suất là công cụ chủ yếu cho việc đánh giá ổn định điện áp của hệ thống trong trạng thái ổn định Khi cánh đồng gió kết nối với mạng đồng nghĩa ta sẽ tăng số nút máy phát vào trong mạng Vì vậy bài toán phân bố công suất của hệ thống được tính toán lại Tuy nhiên, ta sẽ không đối xử với nút máy phát gió như một nút máy phát (PV) Bởi vì, trong thực tế sẽ không có một máy phát gió nào có đủ công suất phản kháng để giữ cho điện áp ở đầu cực máy phát ở giá trị danh định Do đó, ta chỉ khảo sát máy phát gió này như những nút PQ (với PQ sẽ thay đổi theo mỗi lần lặp) khác với nút PQ thông thường ở chỗ với PQ thông thường thì giá trị công suất P, Q sẽ giữ nguyên trong suốt quá trình

2.1.2 Mô hình cánh đồng gió:

Hình 2.1 Mô hình tích hợp các máy phát gió Tất cả các máy phát điện gió đồng nhất hợp lại thành cánh đồng gió có thể thay thế bằng một máy phát điện gió tương đương Mô hình tích hợp của cánh đồng gió phải có cùng điện áp, dòng điện và công suất tại nút kết nối Thông số mạch tương đương của mô hình gió tích hợp được xem như một máy điện gió tính trong

hệ đơn vị tuơng đối (p.u), nhưng công suất định mức là tổng của nhóm máy phát gió 3

Thông số tương đương của cánh đồng gió Tốc độ gió tương dương :

 3

1

3_

21







mj

jwindeq





_max_

21

eqwindpteq

windmACV

Tổng trở tương đương được biểu diễn

211

21





 



nj

jn

i

ij

jieq

PPZ

Điện kháng máy biến áp tương đương được biểu diễn

211

2







nj

jnj

jTTeq

PPX

Ngày nay có rất nhiều loại máy phát chạy bằng năng lượng gió đã được sử dụng Các loại máy phát gió khác nhau đang được thiết lập và chúng có thể được phân thành 3 loại: tốc độ cố định; tốc độ bán thay đổi; tốc độ thay đổi Các máy phát gió sẽ nhận được công suất đầu ra từ điện áp đầu cực máy phát điện và tốc độ gió Công suất đầu ra của một vài máy phát gió thì không điều chỉnh được và những cái khác thì có thể điều chỉnh được và có đặc tính điều khiển khác nhau Do đó, mô hình mỗi loại tua bin gió được trình bày sau:

2.1.2.1 WTGU có tốc độ cố định (máy phát gió điển hình SCIG)

Đây là loại máy phát gió dùng máy phát cảm ứng roto lồng sóc (SCIG) được chạy bằng tua bin gió điều chỉnh để xoay cánh luôn luôn hướng vuông góc với chiều gió (stall regulate fixed speed WTGU) hoặc điều khiển góc pitch để điều chỉnh góc xoay cánh (pitch regulate fixed speed WTGU) Trong cả 2 trường hợp

của máy phát cảm ứng roto lồng sóc điều kết nối trực tiếp với lưới điện Trong đó tốc độ rotor thay đổi biến thiên một lượng rất nhỏ trong dãy (khoảng 5% của giá trị định mức) và được ước tính như tốc độ cố định WTGU Vì vậy, ngày nay loại máy phát gió tốc độ cố định được sử dụng rộng rãi Thông thường máy phát gió tốc độ cố định mắc shunt với tụ sử dụng để cung cấp bù công suất phản kháng Mô hình SCIG được quy ước như nút PQ, với công suất thực và công suất tác dụng được yêu cầu riêng. 8

Hình 2.2: mô hình tương đương của SCIG Trong loại máy phát gió điều khiển góc pitch để điều chỉnh góc xoay cánh theo sự biến đổi tốc độ gió Công suất đầu ra loại này phụ thuộc đặc tính điều khiển góc pitch thêm vào đó là đặc tính của tuabin và máy phát đảm bảo công suất đầu ra của máy phát gió ở bất cứ tốc độ gió nào sẽ bằng với giá trị tốc độ gió thiết kế (không kể điện áp) Công suất đầu ra Pe của máy phát gió với tốc độ gió được cung cấp bởi nhà sản xuất từ đường cong máy phát gió, nhưng Qe cần phải tính toán Biết Pe và giả định điện áp, biểu thức Pe của máy phát cảm ứng được tính lại như phương trình bậc hai với hệ số trượt (tốc độ rotor) là nghiệm phương trình Giải phương trình tìm được hệ số trượt Biết hệ số trượt công suất phản kháng đầu ra Qeđược tính từ mạch tương đương của máy phát cảm ứng Khi có bất cứ thay đổi nào của điện áp thì quá trình tính toán trên được lặp lại cho đến khi hội tụ

2.1.2.2 WTGU tốc độ thay đổi (máy phát điển hình DFIG)

Máy phát cảm ứng nguồn kép DFIG được sử dụng trong hệ thống phong điện công suất lớn và được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện có tốc độ thay đổi vì nhiều lý do Thứ nhất là khả năng thay đổi tốc độ vận hành để có được công suất

tối đa từ vận tốc gió DFIG có khả năng điều khiển dòng điện cấp cho roto, do đó nó có khả năng điều khiển công suất kháng cũng như điều khiển tốc độ, nó có khả năng vận hành đạt hiệu quả tối ưu ở các tốc độ gió khác nhau DFIG có thể là nút PQ hoặc nút PV và có thể vận hành với mô hình điều khiển công suất hoặc mô hình điều khiển điện áp Sau đây là hai loại chính của máy phát gió thay đổi tốc độ gió

 8

Hình 2.3: Mô hình tương đương của DFIG + Máy phát gió có máy phát cảm ứng nguồn kép (DFIG): DFIG bao gồm tua bin gió điều khiển góc pitch và máy phát cảm ứng có cuộn stator kết nối trực tiếp lên lưới nhưng mạch roto được kết nối với lưới thông qua bộ chuyển đổi điện áp nguồn back to back

+ Máy phát gió có máy phát (đồng bộ/ cảm ứng): GFEC bao gồm điều khiển góc pitch và biến tần số đồng bộ hoặc máy phát cảm ứng được kết nối với lưới thông qua công suất chuyển đổi (bộ chuyển đổi điện áp back to back) Trong trương hợp này, điện áp ra của nguồn chuyển đổi đặt lên stato được thay đổi bởi tín hiệu điều khiển được nhận từ điều khiển dòng điện

Trong cả hai biểu đồ (DFIG và GFEC) dòng điều khiển (trục d và trục q) tương ứng với hai công suất điều khiển (công suất tác dụng và công suất phản kháng) Dòng điện điều khiển rất nhanh và chúng điều chỉnh thành phần d và q từ giá trị tham chiếu mạch của máy Giá trị tham chiếu đặc trưng bằng việc điều khiển công suất tác dụng đảm bảo công suất max được trích ra từ tốc độ gió dưới định mức Tuy nhiên tốc độ gió trên định mức góc pitch điều khiển vận hành vì thế công

suất đầu ra định mức được duy trì Giá trị máy phát tham chiếu bằng điều khiển công suất tác dụng đảm bảo công suất tác dụng đầu ra bằng với giá trị đặt trưng khi nó vận hành với Q đặc trưng Lần lượt một vài máy phát gió có thể được trang bị bằng hệ số công suất điều khiển Điều khiển này duy trì công suất tác dụng là hằng số

Trong hai loại máy phát tốc độ gió thay đổi công suất Pe và Qe được giới hạn bởi Id (thành phần phản kháng của dòng điện) và Iq ( thành phần công suất tác dụng của dòng điện) Thêm vào điều này, tổng đại lượng dòng điện (vectơ tổng của

d

I và Iq) có thể vượt qua dòng định mức của máy phát Thông thường, máy phát gió này được thiết kế sao cho không vi phạm giới hạn (với điều khiển hệ số công suất) trong vận hành bình thường Điện áp dãy vận hành định mức được đặc trung bởi nhà sản xuất và dãy này hầu hết thông thường ±10% của điện áp định mức

2.1.2.3 Mô hình toán học máy phát điện gió DFIG

Xuất phát điểm để xây dựng mô hình DFIG là các phương trình điện áp và dòng điện trong hệ tọa độ quay dq Trước hết ta xây dựng các phương trình DFIG trong hệ tọa độ tùy ý quay với tốc độ cùng chiều với roto Khi đó để có phương trình của máy điện trong hệ tọa độ cố định ta chỉ cần cho =0 và nếu cho =eta sẽ có hệ phương trình trong hệ tọa độ quay đồng bộ với tốc độ rôto Thực chất của việc chuyển hệ phương trình sang hệ tọa độ quay là phép biến đổi toán học chặt chẽ, nhằm đưa hệ phương trình vi phân về dạng tuyến tính hệ số hằng Tuy nhiên nó lại có ý nghĩa hình học gắn liền với cách chọn mới hệ tọa độ qua sát: hệ tọa độ gắn chặt với trục quay rôto Mô hình tương đương của DFIG trong hệ tọa độ cho trong hình (2.4)  8

2.1.3 Kết hợp mô hình DFIG và mô hình lưới điện

Thông thường các nguồn điện gió có công suất phát thấp nên thường được kết nối vào hệ thống lưới điện phân phối Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điện kết nối nguồn điện gió như hình 2.5

Hình 2.4: Mô hình nguồn điện gió nối lưới Trong kỹ thuật điều khiển vectơ máy điện không đồng bộ, cách tiếp cận định hướng hệ trục tọa độ quay tựa theo một vectơ chuẩn nào đó, thường là vectơ từ thông rotor, stator hoặc từ thông khe hở không khí Kỹ thuật này dựa trên phương pháp phân tích phi tuyến được sử dụng trong sơ đồ điều khiển từ thông và điều khiển mômen bởi các thành phần dòng điện stato trục d và trục q DFIG được điều khiển trong hệ tọa độ tham chiếu đồng bộ dq định hướng tựa theo vectơ điện áp lưới, có trục d trùng với vị trí vectơ điện áp Theo định hướng này, điện áp rotor phải được qui đổi về cùng chung một hệ trục, nhìn chung bao gồm hai thành phần d và q khác không, định hướng này đặc biệt thích hợp cho máy điện DFIG Quá trình điều khiển được thực hiện bằng cách điều khiển điện áp rotor thông qua bộ converter phía máy phát, điện áp stato là điện áp lưới và được xem như “ tác động nhiễu” Trong điều kiện lưới điện ổn định, điện áp lưới được xem như không đổi, với hệ trục tham chiếu đã chọn tác động nhiễu có giá trị bằng không theo trục q và là đại lượng DC theo trục d

2.2 Bài toán phân bố công suất khi kết nối cánh đồng gió

Phân bố công suất là công cụ chủ yếu cho việc đánh giá hoạt động của hệ thống trong trạng thái ổn định Khi cánh đồng gió kết nối với mạng đồng nghĩa ta sẽ tăng số nút máy phát vào trong mạng Tuy nhiên, ta sẽ không đối xử với nút máy phát gió như một nút máy phát (PV) Bởi vì trong thực tế sẽ không có một máy phát gió nào có đủ công suất phản kháng để giữ cho điện áp ở đầu cực máy phát ở giá trị danh định Do đó ta chỉ khảo sát máy phát gió này như những nút PQ (với PQ sẽ thay đổi theo mỗi lần lặp) khác với nút PQ thông thường ở chỗ với PQ thông

thường thì giá trị công suất P, Q sẽ giữ nguyên trong suốt quá trình Trong luận văn này tác giả sử dụng loại máy phát gió DFIG để kết nối vào hệ thống điện

2.2.1 Phân bố công suất máy phát gió tốc độ thay đổi

Trong các loại máy phát gió có tốc độ thay đổi, dãy điều chỉnh công suất ngõ ra Pe, Qe có thể bị giới hạn khi bộ điều khiển dòng có giới hạn, làm giảm khả năng điều chỉnh của Id (thành phần kháng của dòng điện) và Iq (thành phần tác dụng của dòng điện) Độ lớn của dòng tổng (vectơ Id, Iq) không thể vượt qua dòng định mức cực đại của máy phát Nhìn chung, máy phát gió được thiết kế sao cho không giới hạn nào được vi phạm trong điều kiện vận hành bình thường Giới hạn điện áp ở điều kiện vận hành bình thường được cho bởi nhà sản xuất và trong vận hành thì khoảng giới hạn khá lớn, trong nhiều trường hợp thì không cần quan tâm đến khoảng giới hạn của dòng điện Do đó, thuật toán cho điều kiện vận hành bình thường, không quan tâm tới giới hạn.Tuy nhiên, nếu điện áp đầu cực vượt ra khỏi giới hạn hoạt động bình thường thì cần quan tâm tới một số vấn đề Mô hình cho máy phát gió có tốc độ thay đổi trong điều kiện vận hành không bình thường sẽ đề xuất trong giải thuật khác 11

Mô hình và thông số máy phát gió trong luận văn này tính trong điều kiện vận hành bình thường Từ tốc độ gió tra đường đặc tuyến công suất được cung cấp bởi nhà sản xuất ta tìm được Pe Ngõ ra Qecủa các máy phát gió tương ứng với giá trị cài đặt (nếu Qe được chỉnh định) Nếu hệ số công suất được chỉnh định thì Qe

được tính sau cho ở giá trị của Pe này thì tương ứng hệ số công suất với giá trị đã chỉnh định Những loại máy phát gió được thiết kế để vận hành ở hệ số công suất đồng nhất hoặc Qe=0, dưới những điều kiện vận hành bình thường

Bởi vì DFIG không đủ công suất phản kháng trả cho lưới nên ta không thể xem DFIG là nút thanh cái máy phát (P,V) nên ta chỉ coi nút có DFIG là nút tải (P,Q)  11

Khi nút máy phát gió DFIG được xem như là nút tải (P,Q) nhưng công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q lại có thể thay đổi sau mỗi lần lặp Do đó,

ta không thể dùng bài toán phân bố công suất dạng thông thường mà ta phải cải biên chúng

2.2.1.1 Xác định điều kiện đầu của bài toán ổn định điện áp

Ở trên đã xây dựng mô hình toán học cho DFIG Trong bài toán phân tích ổn định điện áp thì điều kiện đầu thường được xác định từ bài toán phân bố công suất thủ tục giải bài toán phân bố công suất dựa trên cơ sở thuật toán Newton-Raphson theo các bước như sau:  6

Bước 1: Nhập thông số của hệ thống lưới truyền tải:

Thanh cái cân bằng(slack bus): là thanh cái máy phát điện đáp ứng nhanh

chóng sự thay đổi của phụ tải Nhờ vào bộ điều tốc nhạy cảm, máy phát điện cân bằng có khả năng tăng tải hoặc giảm tải kịp thời theo yêu cầu của hệ thống Đối với thanh cái cân bằng thì điện áp V và góc pha δ0 được giữ làm chuẩn

Thanh cái máy phát: đối với máy phát điện ngoài máy phát cân bằng, cho

biết công suất thực P mà máy phát ra và điện áp V ở thanh cái đó Thanh cái máy phát còn gọi là thanh cái P,U

Thanh cái phụ tải: cho biết công suất P và Q của phụ tải yêu cầu Thanh

cái phụ tải còn gọi là thanh cái P,Q Nếu không có máy phát hay phụ tải ở một nút nào đó thì coi nút đó như là nút phụ tải với P=Q=0

Bước 2: Nhập thông số của máy phát điện gió Pe; Qe; I2dmax; I2 mind ; I2 axm

Từ giá trị vận tốc gió uw xác định, tìm được công suất cơ của tuabin và điện áp V (theo đường cong đặc tính công suất mà nhà chế tạo cho trước) Ta sẽ chọn công suất phản kháng hoặc hệ số cos mẫu

Bước 3: Tính toán thông số Pe , Qe theo các điều kiện ban đầu

 Nếu Qe là Qemau thì Qe = Qemau

 Nếu cos là cos thì cos = cosmau

2

1 osos

cQePe

cjj

=

-(2.1)

 Sau khi ta tìm đượcQ , tính I

2()||

3 ||

sm

Qe XXV

I

+=-

msmm

msmm

m

Pe XXI

V X

+=

Và tính lại 3|| 2

2

mqsm

k

ikkiikkii

eiVVVVP

1

0)cos(

)

Bước 4: Tính phân bố công suất theo phương pháp Newton-Raphson Bước 5: Tính giá trị Pe, Qe ở bước 2, 3 tìm được điện áp đầu cực máy phát, lặp lại cho đến khi hôi tụ

2.2.1.2 Thực hiện đổi đơn vị

Ta sẽ sử dụng đơn vị tương đối (pu) để tính toán Chọn Scb và Vcb ứng với mỗi cấp điện áp

cbcb

SVZ

k



Trong phân bố công suất thông số máy được cho ở đơn vị tương đối ứng với cấp điện áp và công suất định mức của máy phát Vì thế ta phải chuyển đổi sang hệ đơn vị có tên để tính toán công suất Sau đó chuyển đổi công suất sang hệ đơn vị tương đối để giải bài toán phân bố công suất cải biên Sau mỗi lần giải bài toán phân bố công suất cải biên ta phải chuyển điện áp thành đơn vị có tên ứng với cấp điện áp định mức của thông số máy để tính toán lại công suất của máy phát

Trong phân bố công suất thông số máy được cho ở đơn vị tương đối ứng với cấp điện áp và công suất định mức của máy phát Vì thế ta phải chuyển đổi sang hệ đơn vị có tên để tính toán công suất Sau đó chuyển đổi công suất sang hệ đơn vị tương đối để giải bài toán phân bố công suất cải biên Sau mỗi lần giải bài toán phân bố công suất cải biên ta phải chuyển điện áp thành đơn vị có tên ứng với cấp điện áp định mức của thông số máy để tính toán lại công suất của máy phát

Các nguồn điện gió thường kết nối với lưới điện phân phối, khi sử dụng loại máy phát không đồng bộ thì mô hình tính toán thường được thể hiện như một nguồn bơm công suất tác dụng vào hệ thống tức là công suất nút kết nối nguồn điện gió được xem như một nguồn phát công suất tác dụng, công suất phản kháng bằng 0 (đối với loại tốc độ cố định) và cũng hoàn toàn xác định được (đối với tốc độ biến đổi ) Trong cả hai trường hợp đó có thể coi chúng như một nút PV hay PQ Nói cách khác phương pháp Newton-Rasphson vẫn áp dụng tốt cho hệ thống cung cấp điện kết nối nguồn điện gió mà không mất đi tính tổng quát

Thực hiện các phép toán để gán các giá trị P Qe, e vào kết nối gió Sau đó thực hiện phương pháp Newton-Rasphson để giải lại bài toán phân bố công suất để tìm thông số của toàn hệ thống

2.3 Sơ đồ giải thuật

Hình 2.5: Lưu đồ giải thuật giải bài toán phân bố công suất khi có máy phát gió

START

Nhập thông số DFIG Pe, Qe, I2dmax, I2dmin, I2max (Pe, Qe, I2dmax, I2dmin, I2max)

Tính I2d

I2d >I2dmax

Y

I2d=I2dmax I2d

<I2dmin Y

I2d=I2dmi

n

N

Tính I2qN

Tính I2

I2 >I2max

Y Tính I2q

N Data

Tính lại Qe

Tính lại Pe While

Maxiter>saiso Maxiter>saiso

Y

Newton - Raphson

Xuất kq Pg, Qg, Pe, Qe,V

END

2.4 Kết luận chương 2

Việc xác định điều kiện đầu trong bài toán phân bố công suất là rất quan trọng, và đây cũng là điều kiện đầu chế độ xác lập để giải bài toán phân bố công suất và đây cũng là nên tảng cơ sở để ta thực hiện bài toán khảo sát ổn định điện áp Tuy nhiên bài toán phân bố công suất khi hệ thống truyền tải kết nối với máy phát điện gió có một đặc thù riêng nên ta không thể bỏ qua vấn đề này

Chương 3 PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

3.1 Mục đích bài toán ổn định điện áp khi hệ thống kết nối máy phát gió

Các nghiên cứu về nguồn điện gió và ảnh hưởng của chúng đến ổn định hệ thống điện được thể hiện trong nhiều tài liệu Hầu hết các nghiên cứu này đều dựa trên cơ sở: sử dụng mô hình chi tiết mô tả nguồn điện gió trong hệ tọa độ, cho biến thiên các thông số phía hệ thống theo hướng làm mất ổn định, từ đó xác định được các giới hạn làm việc của chúng trong hệ thống điện Khi vận hành HTĐ có kết nối nguồn điện gió, người ta rất mong muốn đánh giá được mức độ ổn định của chúng trong hệ thống và ảnh hưởng của chúng đến mức độ ổn định của các nút phụ tải khác, đồng thời nhận biết được các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng mất ổn định của nguồn điện gió khi thay đổi tình huống vận hành Nội dung này sẽ nghiên cứu một số phương pháp đánh giá mức độ ổn định điện áp và đề xuất lựa chọn phương pháp đánh giá ổn định điện áp phù hợp cho một hệ thống điện kết nối nguồn điện gió

Có thể thấy rằng việc đánh giá giới hạn ổn định trong hệ thống cung cấp điện có nguồn điện gió luôn gắn với các chế độ giới hạn về khả năng phát của nguồn điện gió, giới hạn biến động của phụ tải Việc xác định các giới hạn này có thể tính toán bằng các phương pháp ổn định điện áp, tuy nhiên có một khó khăn nhất định khi tìm ra giới hạn ổn định điện áp

Việc phân tích ổn định điện áp trong hệ thống điện bao gồm việc khảo sát hai vấn đề sau:

a Khoảng cách đến mất ổn định điện áp: Được đo lường bởi các đại lượng vật lý như mức tải, trào lưu công suất thực và nguồn dự trữ công suất phản kháng Việc giải bài toán này nhằm có được số đo về sự an toàn đối với ổn định điện áp

b Cơ chế mất ổn định điện áp:

Nhằm trả lời các câu hỏi sau: mất ổn định điện áp xảy ra như thế nào và do những nguyên nhân nào? Những yếu tố chính góp phần làm mất ổn định điện áp? Những thông số hiệu quả nhất giúp cải thiện ổn định điện áp? Giải bài toán này để có được những thông tin hữu ích trong việc xác định các thông số nhằm cải thiện hệ thống hoặc xác định chiến lược vận hành hệ thống nhằm ngăn ngừa mất ổn định điện áp

Hiện tại có nhiều phương pháp phân tích đánh giá ổn định điện áp như: phương pháp phân tích động kết hợp với phương pháp phân bố công suất và mô phỏng trong miền thời gian, phương pháp phân tích dựa trên đặc tuyến Q-V, phương pháp phân tích độ nhay Q-V, phương pháp phân tích modal Q-V

3.2 Một số giải pháp đánh giá ổn định điện áp trong hệ thống kết nối gió

Đối với hệ thống cung cấp điện, để đánh giá chế độ vận hành mất ổn định của chúng có thể sử dụng các chỉ số về sụp đổ điện áp như: phương pháp phân tích độ nhạy V-Q, phương pháp phân tích modal Q-V, phân tích trào lưu công suất Trong nội dung luận văn này tác giả tập trung phân tích ổn định điện áp bằng: phương pháp phân tích độ nhạy V-Q và phương pháp phân tích modal, xây dựng miền ổn định điện áp trên mặt phẳng công suất để đánh giá giới hạn sụp đổ điện áp trong các hệ thống điện có kết nối nguồn điện gió

Có nhiều phương pháp để phân tích và đánh giá giới hạn mất ổn định của máy phát điện gió Tuy nhiên, trong thực tế vận hành, vấn đề quan trọng là nhận biết những yếu tố có ảnh hưởng chủ yếu đến giới hạn ổn định của máy phát, để từ đó có những biện pháp kịp thời để đảm bảo ổn định cho cả hệ thống Ưu điểm của phương pháp phân tích ổn đinh điện áp là dễ thực hiện, theo dõi được diễn biến tiến trình dẫn đến mất ổn định, đánh giá được giới hạn ổn định của những hệ thống nhiều máy phát và đủ tin cậy trong những điều kiện nhất định Nội dung của phương pháp cho phép tìm được tính chất của các biến trạng thái và dự báo các tình huống vận hành của máy phát

3.2.1 Phân tích động

Mô hình cấu trúc chung của hệ thống cho việc phân tích ổn định điện áp thì tương tự như trường hợp phân tích quá độ ổn định, nghĩa là sử dụng biểu thức sau:

),(

.

VXf

VYVx

Với điều kiện ban đầu (x0, V0)

x: là vectơ trạng thái của hệ thống V: là vectơ điện áp nút

I: là vectơ dòng điện YN là ma trận tổng dẫn của mạng điện Nếu kể đến các máy biến áp điều áp dưới tải và điều khiển góc pha điện áp, thành phần YN thay đổi như một hàm điện áp và thời gian Vectơ dòng điện I là một hàm của trạng thái hệ thống x và vectơ điện áp nút V, điều kiện biên tại các đầu vào của các thiết bị khác nhau (tổ máy phát, tải phi tuyến, động cơ SVSs, bộ biến tần,…) Do tính phụ thuộc về thời gian của các loại thiết bị cũng như giới hạn dòng điện, mối quan hệ giữa I và x có thể là hàm theo thời gian

Hệ phương trình vi phân và ràng buộc nêu trên có thể giải trong miền thời gian bằng cách sử dụng phương pháp tính số và giải thuật phân tích phân bố công suất, thời gian khảo sát lựa chọn là khoảng vài phút

Vì vậy việc áp dụng phương pháp phân tích động để đánh giá ổn định điện áp bị hạn chế, nhất là khi cần đánh giá nhanh trạng thái sụp đổ điện áp của hệ thống và phối hợp bảo vệ và điều khiển Chính vì vậy, trong luận văn này tác giả không tìm hiểu nghiên cứu phương pháp này

3.2.2 Phân tích tĩnh 3.2.2.1 Phương pháp phân tích độ nhạy V-Q

Hệ thống ổn định điện áp trong điều kiện vận hành đã cho nếu như đối với tất cả các nút trong hệ thống biên độ điên áp tăng lên khi công suất phản kháng bơm