Sách lược điều khiển nhằm nâng cao tính bền vững trụ lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép

1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay ở Việt nam nói riêng và thế giới nói chung nhu cầu về năng lượng điện ngày một tăng cao trong khi đó các nhà máy điện sử dụng các nguồn năng lượng truyền thống như thuỷ điện, nhiệt điện là các dạng năng lượng đang ngày càng cạn kiệt và gây mất cân bằng sinh thái, ô nhiễm môi trường. Nguồn điện năng khai thác từ các nhà máy điện nguyên tử có chi phí lớn và cũng tiềm ẩn nguy cơ gây mất an toàn. Bởi vậy việc sử dụng nguồn năng lượng sạch, có khả năng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời là một xu hướng đang được phát triển mạnh trên thế giới. Tuy nhiên nguồn năng lượng mặt trời cũng đang trong giai đoạn phát triển và mới chỉ được thực hiện với công suất nhỏ. Do vậy việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo từ gió đang ngày càng được quan tâm phát triển ở nhiều quốc gia trên toàn cầu. Các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện nay thường có xu hướng sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép gắn với các tuốc bin làm máy phát điện để giảm giá thành do các bộ biến đổi được đặt ở phía rotor chỉ phải làm việc với khoảng 1/3 công suất tổng của hệ thống máy phát. Đồng thời, do khả năng có thể làm việc trong một khoảng thay đổi tốc độ rộng, các hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép có hiệu suất biến đổi năng lượng cao hơn so với việc sử dụng các máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc hay đồng bộ kích thích v ĩnh cửu với bộ biến đổi đặt ở phía stator. Các hệ thống cung cấp và truyền tải điện càng ngày càng có yêu cầu khắt khe hơn về chất lượng nguồn điện. Vì vậy, các thiết bị phát điện đấu nối với lưới, trong đó có các hệ thống máy phát điện sức gió vốn ngày càng chiếm tỷ trọng đáng kể trong tổng dung lượng điện năng của nhiều quốc gia, cũng ph ải đảm bảo các yêu cầu chất lượng đề ra. Mặt khác khi các hệ thống này tập hợp thành cả "vườn" sức gió thì vấn đề trụ lưới với mục tiêu tránh rã lư ới là một đòi hỏi hết sức cấp thiết. Đặc biệt, khi hệ thống phân phối bị sự cố sập lưới thì các hệ thống máy phát này không được phép cắt khỏi lưới một cách không có kiểm soát vì có thể làm cho lỗi lưới càng trầm trọng thêm và việc khôi phục lưới sau sự cố cũng sẽ trở lên khó khăn hơn. Khi vận hành các hệ thống phát điện sức gió phải đảm bảo yêu cầu có thể duy trì tình trạng làm việc song song với lưới khi xảy ra sự cố sập lưới và tái lập lại trạng thái làm việc bình thường 2 càng sớm càng tốt sau khi sự cố lỗi lưới được loại bỏ. Không những thế, hệ thống điều khiển phía lưới trong các hệ thống máy phát sức gió hiện đại còn yêu cầu phải có khả năng hỗ trợ lưới trong suốt quá trình lỗi lưới, kể cả lỗi lưới đối xứng và lỗi lưới không đối xứng. Hiện nay đã có một số các công trình nghiên cứu về khả năng trụ lưới trong hệ thống phát điện chạy sức gió. Tuy nhiên, việc điều khiển trụ lưới khi xảy ra lỗi lưới không đối xứng còn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ. Đồng thời vấn đề kết hợp hạn chế ảnh hưởng của sóng hài gây ra bởi các tải phi tuyến, với tải phi tuyến ở đây được hiểu là những tải gây ra méo dạng điện áp cũng chưa đư ợc quan tâm một cách triệt để. Bởi vậy tác giả chọn đề tài nghiên cứu "Sách lược điều khiển nhằm nâng cao tính bền vững trụ lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép" nhằm hoàn thiện các vấn đề còn đang bỏ ngỏ hoặc chưa quan tâm giải quyết triệt để như đã kể trên. Mục đích nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu xây dựng sách lược điều khiển trụ lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép nhằm nâng cao khả năng trụ lưới của hệ thống. Các nội dung chính của luận án · Nghiên cứu đề xuất sách lược điều khiển trụ lưới cho nghịch lưu (hoặc bộ biến đổi) phía máy phát. Khi có lỗi lưới, bộ biến đổi phía máy phát được điều khiển bảo đảm quá trình vận hành đồng bộ, không cần cắt máy phát ra khỏi lưới phân phối. · Nghiên cứu áp dụng phương pháp công suất tức thời và bộ lọc đa biến để xác định các thành phần thứ tự thuận và ngược của điện áp và dòng điện phục vụ cho việc điều khiển trụ lưới đối xứng và không đối xứng. · Đề xuất phương pháp tổng hợp bộ điều khiển đối xứng để nâng cao khả năng trụ lưới không đối xứng bằng cách điều khiển riêng rẽ các thành phần thứ tự thuận và ngược của một hệ thống ba pha không có dây trung tính với các tiêu chí khác nhau cho từng thành phần. Với phương pháp này th ì các tín hiệu đặt của bộ điều khiển dòng phía lưới được tổng hợp từ các thành phần thứ tự thuận và ngược của dòng l ưới trên các trục tọa độ quay tương ứng. 3 · Đề xuất một cấu trúc điều khiển cho toàn bộ hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát điện nguồn kép. Ở chế độ xác lập (không có lỗi lưới), bộ điều khiển phía lưới đóng vai trò một bộ lọc tích cực để làm cho dòng điện lưới có dạng hình sin hơn khi làm việc với các tải phi tuyến và làm việc như một bộ bù công suất phản kháng để hỗ trợ lưới. Khi lỗi lưới, kể cả lỗi lưới không đối xứng thì bộ điều khiển tổng hợp đối xứng được đưa vào làm việc để hỗ trợ điện áp lưới và làm cân bằng dòng đi ện trong các pha. · Lựa chọn sử dụng phương pháp thiết kế phi tuyến dựa trên nguyên lý tựa theo thụ động (passivity–based) để điều khiển bộ biến đổi phía máy phát của hệ thống máy phát sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép. · Kiểm chứng các thuật toán điều khiển thông qua các mô phỏng trong môi trường Matlab-Simulink-Plecs. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu · Đối tượng nghiên cứu là hệ thống phát máy phát sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép. · Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc áp dụng phương pháp thiết kế phi tuyến dựa trên nguyên lý tựa theo thụ động. · Phạm vi nghiên cứu chính của luận án là tìm ra sách l ược điều khiển trụ lưới cho bộ điều khiển phía máy phát và tích hợp chức năng lọc tích cực và bộ điều khiển phía lưới với hệ thống ba pha ba dây có hoặc không có dây trung tính. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài · Ý nghĩa khoa học chính của luận án là đã xây dựng nền tảng lý thuyết cho sách lược trụ lưới khi xuất hiện lỗi lưới đối xứng hay không đối xứng mà luận án đề xuất · Hai ý ngh ĩa thực tiễn chính là không chỉ mô phỏng thành công mà còn chỉ ra tính khả thi của sách lược điều khiển trụ lưới và tích hợp chức năng lọc tích cực vào bộ điều khiển nghịch lưu phía lưới. Những đóng góp của luận án · Xây dựng và mô phỏng thành công sách lược điều khiển trụ lưới không đối xứng trên cơ sở phân tích các thành phần thứ tự thuận và ngược của hệ thống ba pha không có dây trung tính. Luận án giải quyết vấn đề điều khiển trụ lưới một cách triệt để hơn so với các phương pháp điều khiển trụ lưới hiện tại. 4 · Đã ch ứng minh khả năng tích hợp chức năng lọc tích cực vào hệ thống điều khiển máy phát sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép để cải thiện chất lượng điện năng khi làm việc với các tải phi tuyến. Cấu trúc luận án Phần đầu của chương 1 tr ình bày khái quát về hệ thống máy phát sức gió và các đặc điểm cơ bản của các hệ thống biến đổi năng lượng gió hiện nay trong đó nhấn mạnh vào hệ thống tuốc bin sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép, sơ lược về các phương pháp điều khiển máy phát nguồn kép và giới thiệu phương pháp điều khiển passivity-based. Phần tiếp theo của chương 1 trình bày về một số vấn đề đặt ra trong vận hành lưới điện kể cả ảnh hưởng của sóng hài gây ra bởi các tải phi tuyến. Phần cuối của chương đề cập chi tiết hơn đến ảnh hưởng của lỗi lưới và yêu cầu trụ lưới của hệ thống phát điện sức gió, các biện pháp khắc phụ lỗi lưới hiện nay đã đư ợc nghiên cứu và những vấn đề còn bỏ ngỏ hoặc chưa được quan tâm triệt để (kể cả đối với hệ thống 3 pha 4 dây). Từ đó giới thiệu sơ bộ về phương pháp điều khiển tổng hợp đối xứng cho hệ thống 3 pha 3 dây. Chi tiết của phương pháp điều khiển tổng hợp đối xứng được trình bày chi tiết trong chương 3. Chương 2 được dành để trình bày việc mô hình hóa các thành phần, cấu trúc và các thuật toán điều khiển cơ bản nhất được sử dụng trong một hệ thống máy phát điện sức gió. Cụ thể, phần đầu của chương 2 là các bước xây dựng mô hình máy điện không đồng bộ nguồn kép và mô hình trạng thái của lưới trên hệ trục tọa độ tựa theo vector điện áp lưới dq . Trên cơ sở các mô hình toán đã có đ ể xây dựng cấu trúc điều khiển phía máy phát từ đó thiết kế bộ điều khiển phía máy phát dựa trên phương pháp passivity-based. Tiếp đó là sơ lược về việc hòa đ ồng bộ, các điều kiện đảm bảo hòa đồng bộ với lưới, khái quát về việc duy trì hoặc ngắt máy phát trong một số điều kiện cụ thể. Phần cuối của chương 2 trình bày v ề việc xây dựng cấu trúc điều khiển phía lưới từ đó thiết kế bộ điều khiển phía lưới dựa trên phương pháp tuyến tính dead-beat. Chương 3 tr ình bày các nội dung chính của luận án. Phần đầu của chương 3 giới thiệu khái quát về động học máy phát nguồn kép khi sập lưới. Tác hại của việc sập lưới đối với hệ thống truyền tải cũng như bản thân hệ thống phát điện sức gió. Phần tiếp theo trình bày phương pháp kinh điển sử dụng hệ thống điện trở tiêu tán nhằm bảo vệ bộ biến đổi phía rotor trong khi vẫn đảm bảo điều kiện hòa đồng bộ với lưới. Các đóng góp của đề tài nghiên cứu thể hiện ở phần điều khiển bộ biến đổi phía lưới khi có các trạng thái lỗi lưới khác nhau. Trước tiên là lỗi lưới đối xứng, kể cả sự suy giảm và méo 5 dạng điện áp lưới gây ra bởi các tải phi tuyến có công suất lớn trong các lưới yếu. Từ đó, một bộ lọc tích cực được đề xuất để cải thiện chất lượng điện năng. Phần cuối cùng của chương đề cập một cách chi tiết sách lược nâng cao khả năng trụ lưới không đối xứng. Đây c ũng chính là nội dung nghiên cứu chính của đề tài. Phần cuối của chương 3 đề xuất cấu trúc điều khiển tổng thể cho toàn bộ hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng máy phát điện nguồn kép. Theo đó, trong quá trình làm việc bình thường thì bộ điều khiển phía lưới đóng vai trò một bộ lọc tích cực để làm cho dòng đi ện lưới có dạng hình sin hơn khi làm vi ệc với các tải phi tuyến. Khi có lỗi lưới, kể cả lỗi lưới không đối xứng thì bộ điều khiển tổng hợp đối xứng sẽ được đưa vào làm việc để hỗ trợ điện áp lưới và làm cân bằng dòng điện trong các pha. Chương 4 trình bày các sơ đ ồ mô phỏng, các kết quả nghiên cứu về việc hòa đồng bộ, các đặc tính điều khiển và bảo vệ bộ biến đổi phía máy phát trong chế độ làm việc bình thư ờng cũng như khi xảy ra lỗi lưới, khảo sát khả năng hỗ trợ lưới và khả năng suy giảm sóng hài khi sử dụng chức năng lọc tích cực. Trọng tâm của chương 4 dành cho các kết quả nghiên cứu về điều khiển bộ biến đổi phía lưới khi sập lưới đối xứng và không đối xứng. Các kết quả này được đề cập trong hai trường hợp. Trường hợp thứ nhất là khi máy phát nguồn kép làm việc trong chế độ bình thường và không áp dụng biện pháp điều khiển trụ lưới. Từ các kết quả nghiên cứu này có thể đánh giá được mức độ ảnh hưởng của việc lỗi lưới đối với các thành phần khác nhau trong hệ thống điều khiển khi không áp dụng sách lược điều khiển trụ lưới. Trường hợp thứ hai là khi áp dụng sách lược trụ lưới trong quá trình xảy ra lỗi lưới. Từ các kết quả nghiên cứu này có thể đánh giá được hiệu quả của sách lược điều khiển trụ lưới bằng việc so sánh với các kết quả mô phỏng trong trường hợp không có các biện pháp xử lý lỗi lưới. Phần cuối cùng là một số kết luận và kiến nghị. 6 Chương 1. Tổng quan 1.1 Khái quát về năng lượng gió Năng lượng gió đã nhận được quan tâm nhiều hơn trên thế giới kể từ những năm 1970 khi giá dầu mỏ trên thế giới ngày càng tăng cao. Đặc biệt, sự phát triển năng lượng gió đã có sự bùng nổ trong những thập kỷ gần đây do yêu cầu về sử dụng năng lượng sạch, năng lượng tái tạo. Các số liệu thống kê được công bố bởi Hội đồng năng lượng gió toàn cầu trong tháng 5 năm 2008 đã cho bi ết dung lượng của các hệ thống máy phát điện chạy sức gió tại hơn 70 nước trên thế giới đã đạt xấp xỉ 94.000 MW [39]. Chỉ tính riêng trong Liên minh châu Âu thì dung l ợưng của các hệ thống phát điện chạy sức gió đã tăng trưởng 18% trong năm 2007 và đ ã đạt đến 56.535 MW [35]. Trong khi dung lượng đó ở Mỹ đã tăng t ừ khoảng 1.800 MW ở thời điểm năm 1990 tới hơn 16.800 MW ở cuối năm 2007 [12, 26]. Các hệ thống biến đổi năng lượng gió sử dụng các máy điện gắn với các tuốc-bin làm máy phát điện được thể hiện trên hình 1.1. Hệ thống phát điện sức gió Máy phát một chiều Máy phát xoay chiều 1 pha Máy phát xoay chiều Máy phát xoay chiều 3 pha M á y p h á t đ ồ n g b ộ k í c h t h í c h v ĩ n h c ử u M á y p h á t k h ô n g đ ồ n g b ộ 3 p h a r o t o r lồng sóc Máy phát không đồng bộ Máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép Hình1.1: Các loại máy phát điện được sử dụng trong hệ thống phát điện sức gió Các máy điện xoay chiều được sử dụng trong các hệ thống máy phát sức gió có thể là loại máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu, máy phát không đồng bộ rotor lồng 7 sóc và máy phát không đồng bộ ba pha rotor dây quấn. Ngày nay, các hệ thống tuốc-bin gió hiện đại thường sử dụng các máy điện không đồng bộ ba pha rotor dây quấn với các bộ biến đổi được đặt ở phía rotor. Các máy phát như vậy còn được gọi là các máy phát không đồng bộ nguồn kép (MPKĐBNK). Bên cạnh khả năng làm việc với dải biến thiên tốc độ lớn xung quanh tốc độ đồng bộ thì một ưu điểm quan trọng của các MPKĐBNK là ở chỗ các bộ biến đổi chỉ cần đảm bảo khả năng làm việc với khoảng 30% công suất tổng của máy phát [25, 28, 42, 46]. Điều này cho phép giảm được dung lượng của các bộ biến đổi và giá thành của hệ thống [25, 28, 29, 32, 42, 84] . Chính vì vậy, các MPKĐBNK ngày càng được sử dụng nhiều trong các hệ thống máy phát điện sức gió mặc dù khó điều khiển hơn so với loại máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu và máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc. Đặc tính của MPKĐBNK trong các chế độ làm việc khác nhau và dòng chảy năng lượng tương ứng được minh họa trên hình 1.2. S Trên đồng bộ Chế độ máy phát 0>s>- ∞ Dưới đồng bộ Chế độ máy phát 1>s>0 Lưới điện Rotor Stator (b) -1 0 1 (a) Trên đồng bộ Chế độ động cơ 0>s>- ∞ Dưới đồng bộ Chế độ động cơ 1>s>0 Lưới điện Rotor Stator (c) m Hình1.2: Các chế độ vận hành của MPKĐBNK và d òng chảy năng lượng tương ứng. (a) các chế độ vận hành, (b) dòng chảy năng lượng ở chế độ dưới đồng bộ, (c) dòng chảy năng lượng ở chế độ trên đồng bộ. 8 1.2 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép và các phương pháp điều khiển Sơ đồ khối tổng thể của một hệ thống biến đổi năng lượng gió được vẽ trên hình 1.3 Trong đó các cuộn dây stator của MPKĐBNK được nối trực tiếp với lưới. Các cuộn dây rotor được nối với hai bộ biến đổi, một ở phía rotor được gọi là bộ biến đổi phía rotor, một ở phía lưới được gọi là bộ biến đổi phía lưới. Hai bộ biến đổi liên hệ với nhau thông qua mạch một chiều trung gian. Gió MPKĐBNK m AC Điện áp một chiều trung gian AC DC Bộ điều khiển phía máy phát DC Bộ điều khiển phía lưới cos' ¤ n u ¤dc Điều khiển Te¤ Q ¤g Quản lý hệ thống góc pitch Điều khiển turbine Hình 1.3: Hệ thống máy phát sức gió [45] Hệ thống điều khiển trên hình 1.3 gồm có hai phần chính: phần điều khiển tuốc bin và phần điều khiển máy phát nguồn kép [20]. Phần điều khiển tuốc bin cung cấp các giá trị đặt của công suất tác dụng hay mômen điện từ T e* cho phần điều khiển máy phát nguồn kép. Giá trị đặt này được tính toán dựa trên tốc độ gió đo được và một bảng tra nhằm ra quyết định lựa chọn công suất đầu ra tối ưu tương ứng với tốc độ quay của tuốc bin. Một tín hiệu đặt khác là góc điều chỉnh pitch  p được đưa trực tiếp tới bộ phận điều chỉnh góc pitch của các cánh gió để điều khiển tốc độ tuốc bin. Trong khi đó, mục tiêu của phần điều khiển máy phát nguồn kép là giữ cho các công suất tác dụng và [...]... khụng i xng cng cha c nghiờn cu mt cỏch hon thin Vn cn tip tc gii quyt: Nghiờn cu vn tr li khi xy ra li li khụng i xng hoc khi h thng li cú nhiu loi ti cú cỏc thnh phn súng hi cao Trong lun ỏn ny tỏc gi nghiờn cu phng phỏp nõng cao kh nng tr li khụng i xng bng cỏch iu khin riờng r cỏc thnh phn th t thun v ngc vi cỏc tiờu chớ khỏc nhau cho tng thnh phn Vi phng phỏp ny th ỡ cỏc tớn hiu t ca b iu khin dũng... Gii phỏp kinh in c trỡnh by trong cỏc ti liu [15, 58, 61, 68, 77] thng s dng mt h thng cỏc in tr tiờu tỏn cú iu khin vi cỏc thyristor c dựng úng ct mch (c gi l crowbar) Khi in ỏp mt chiu trung gian tng cao hoc khi in ỏp li gim xung n mt mc no ú thỡ h thng ny tỏc ng B bin i phớa mỏy phỏt s ngng lm vic v cỏc dõy qun rotor ca mỏy phỏt c ni kớn mch qua h thng in tr tiờu tỏn ny Nh vy, trong quỏ trỡnh li li... thay i ca li v ti Trong lun ỏn ny tp trung nghiờn cu khc phc s c sp li trong h thng li phõn phi v nh hng ca súng hi v dao ng in ỏp trong h thng phỏt in sc giú s dng mỏy in khụng ng b ngun kộp nhm nõng cao cht lng ca h thng 1.3.2 Yờu cu tr li Cỏc h thng mỏy phỏt sc giú vi MPKBNK cú nhc im l rt nhy i vi cỏc nhiu lon li, c bit l khi li li Mt trong cỏc gii phỏp bo v h thng khi xy ra sp li l ct mỏy phỏt... cỏc yờu cu iu khin tr li núi chung v iu khin tr li ca h thng phỏt in sc giú s dng mỏy in khụng ng b ngun kộp ã Trỡnh by v ỏnh giỏ cỏc phng phỏp iu khin tr li ó cú t ú xut sỏch lc iu khin tr li nhm nõng cao cht lng h thng phỏt in chy bng sc giú 17 Chng 2 Mụ hỡnh v cu trỳc iu khin h thng phỏt in sc giú s dng MPKBNK 2.1 Phộp bin i h ta gim phc tp ca cỏc phng trỡnh vi phõn mụ t ng hc ca MPKBNK v li . xây dựng sách lược điều khiển trụ lưới của hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép nhằm nâng cao khả năng trụ lưới của hệ thống. Các nội dung chính của luận án ·. phát không đồng bộ Máy phát không đồng bộ 3 pha nguồn kép Hình1.1: Các loại máy phát điện được sử dụng trong hệ thống phát điện sức gió Các máy điện xoay chiều được sử dụng trong các hệ thống máy. sập lưới trong hệ thống lưới phân phối và ảnh hưởng của sóng hài và dao động điện áp trong hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện không đồng bộ nguồn kép nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống. 1.3.2