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 M U Tính cp thit ca đ tài Hin nay  Vit nam nói riêng và th gii nói chung nhu cu v nng lng đin ngày mt tng cao trong khi đó các nhà máy đin s dng các ngun nng lng truyn thng nh thu đin, nhit đin là các dng nng lng đang ngày càng cn kit và gây mt cân bng sinh thái, ô nhim môi trng. Ngun đin nng khai thác t các nhà máy đin nguyên t có chi phí ln và cng tim n nguy c gây mt an toàn. Bi vy vic s dng ngun nng lng sch, có kh nng tái to nh nng lng gió, nng lng mt tri là mt xu hng đang đc phát trin mnh trên th gii. Tuy nhiên ngun nng lng mt tri cng đang trong giai đon phát trin và mi ch đc thc hin vi công sut nh. Do vy vic s dng ngun nng lng tái to t gió đang ngày càng đc quan tâm phát trin  nhiu quc gia trên toàn cu. Các h thng bin đi nng lng gió hin nay thng có xu hng s dng máy đin không đng b ngun kép gn vi các tuc bin làm máy phát đin đ gim giá thành do các b bin đi đc đt  phía rotor ch phi làm vic vi khong 1/3 công sut tng ca h thng máy phát. ng thi, do kh nng có th làm vic trong mt khong thay đi tc đ rng, các h thng phát đin sc gió s dng máy đin không đng b ngun kép có hiu sut bin đi nng lng cao hn so vi vic s dng các máy phát không đng b rotor lng sóc hay đng b kích thích vnh cu vi b bin đi đ t  phía stator. Các h thng cung cp và truyn ti đin càng ngày càng có yêu cu kht khe hn v cht lng ngun đin. Vì vy, các thit b phát đin đu ni vi li, trong đó có các h thng máy phát đin sc gió vn ngày càng chim t trng đáng k trong tng dung lng đin nng ca nhiu quc gia, cng phi đm bo các yêu cu cht lng đ ra. Mt khác khi các h thng này tp hp thành c "vn" sc gió thì vn đ tr li vi mc tiêu tránh rã l i là mt đòi hi ht sc cp thit. c bit, khi h thng phân phi b s c sp li thì các h thng máy phát này không đc phép ct khi li mt cách không có kim soát vì có th làm cho li li càng trm trng thêm và vic khôi phc li sau s c cng s tr lên khó khn hn. Khi vn hành các h thng phát đin sc gió phi đm bo yêu cu có th duy trì tình trng làm vic song song vi li khi xy ra s c sp li và tái lp li trng thái làm vic bình thng 2 càng sm càng tt sau khi s c li li đc loi b. Không nhng th, h thng điu khin phía li trong các h thng máy phát sc gió hin đi còn yêu cu phi có kh nng h tr li trong sut quá trình li li, k c li li đi xng và li li không đi xng. Hin nay đã có mt s các công trình nghiên cu v kh nng tr li trong h thng phát đin chy sc gió. Tuy nhiên, vic điu khin tr li khi xy ra li li không đi xng còn cha đc nghiên cu mt cách đy đ. ng thi vn đ kt hp hn ch nh hng ca sóng hài gây ra bi các ti phi tuyn, vi ti phi tuyn  đây đc hiu là nhng ti gây ra méo dng đin áp cng cha đc quan tâm mt cách trit đ. Bi vy tác gi chn đ tài nghiên cu "Sách lc điu khin nhm nâng cao tính bn vng tr li ca h thng phát đin chy sc gió s dng máy đin không đng b ngun kép" nhm hoàn thin các vn đ còn đang b ng hoc cha quan tâm gii quyt trit đ nh đã k trên. Mc đích nghiên cu  tài tp trung nghiên cu xây dng sách lc điu khin tr li ca h thng phát đin chy sc gió s dng máy phát không đng b ngun kép nhm nâng cao kh nng tr li ca h thng. Các ni dung chính ca lun án • Nghiên cu đ xut sách lc điu khin tr li cho nghch lu (hoc b bin đi) phía máy phát. Khi có li li, b bin đi phía máy phát đc điu khin bo đm quá trình vn hành đng b, không cn ct máy phát ra khi li phân phi. • Nghiên cu áp dng phng pháp công sut tc thi và b lc đa bin đ xác đnh các thành phn th t thun và ngc ca đin áp và dòng đin phc v cho vic điu khin tr li đi xng và không đi xng. •  xut phng pháp tng hp b điu khin đi xng đ nâng cao kh nng tr li không đi xng bng cách điu khin riêng r các thành phn th t thun và ngc ca mt h thng ba pha không có dây trung tính vi các tiêu chí khác nhau cho tng thành phn. Vi phng pháp này th ì các tín hiu đt ca b điu khin dòng phía li đc tng hp t các thành phn th t thun và ngc ca dòng li trên các trc ta đ quay tng ng. 3 •  xut mt cu trúc điu khin cho toàn b h thng máy phát đin sc gió s dng máy phát đin ngun kép.  ch đ xác lp (không có li li), b điu khin phía li đóng vai trò mt b lc tích cc đ làm cho dòng đin li có dng hình sin hn khi làm vic vi các ti phi tuyn và làm vic nh mt b bù công sut phn kháng đ h tr li. Khi li li, k c li li không đi xng thì b điu khin tng hp đi xng đc đa vào làm vic đ h tr đin áp li và làm cân bng dòng đin trong các pha. • La chn s dng phng pháp thit k phi tuyn da trên nguyên lý ta theo th đng (passivity–based) đ điu khin b bin đi phía máy phát ca h thng máy phát sc gió s dng máy đin không đng b ngun kép. • Kim chng các thut toán điu khin thông qua các mô phng trong môi trng Matlab-Simulink-Plecs. i tng và phm vi nghiên cu • i tng nghiên cu là h thng phát máy phát sc gió s dng máy phát không đng b ngun kép. • Phm vi nghiên cu đc gii hn trong vic áp dng phng pháp thit k phi tuyn da trên nguyên lý ta theo th đng. • Phm vi nghiên cu chính ca lun án là tìm ra sách l c điu khin tr li cho b điu khin phía máy phát và tích hp chc nng lc tích cc và b điu khin phía li vi h thng ba pha ba dây có hoc không có dây trung tính. Ý ngha khoa h c và thc tin ca đ tài • Ý ngha khoa hc chính ca lun án là đã xây dng nn tng lý thuyt cho sách lc tr li khi xut hin li li đi xng hay không đi xng mà lun án đ xut • Hai ý ngh a thc tin chính là không ch mô phng thành công mà còn ch ra tính kh thi ca sách lc điu khin tr li và tích hp chc nng lc tích cc vào b điu khin nghch lu phía li. Nhng đóng góp ca lun án • Xây dng và mô phng thành công sách lc điu khin tr li không đi xng trên c s phân tích các thành phn th t thun và ngc ca h thng ba pha không có dây trung tính. Lun án gii quyt vn đ điu khin tr li mt cách trit đ hn so vi các phng pháp điu khin tr li hin ti. 4 • ã chng minh kh nng tích hp chc nng lc tích cc vào h thng điu khin máy phát sc gió s dng máy đin không đng b ngun kép đ ci thin cht lng đin nng khi làm vic vi các ti phi tuyn. Cu trúc lun án Phn đu ca chng 1 tr ình bày khái quát v h thng máy phát sc gió và các đc đim c bn ca các h thng bin đi nng lng gió hin nay trong đó nhn mnh vào h thng tuc bin s dng máy phát không đng b ngun kép, s lc v các phng pháp điu khin máy phát ngun kép và gii thiu phng pháp điu khin passivity-based. Phn tip theo ca chng 1 trình bày v mt s vn đ đt ra trong vn hành li đin k c nh hng ca sóng hài gây ra bi các ti phi tuyn. Phn cui ca chng đ cp chi tit hn đn nh hng ca li li và yêu cu tr li ca h thng phát đin sc gió, các bin pháp khc ph li li hin nay đã đ c nghiên cu và nhng vn đ còn b ng hoc cha đc quan tâm trit đ (k c đi vi h thng 3 pha 4 dây). T đó gii thiu s b v phng pháp điu khin tng hp đi xng cho h thng 3 pha 3 dây. Chi tit ca phng pháp điu khin tng hp đi xng đc trình bày chi tit trong chng 3. Chng 2 đc dành đ trình bày vic mô hình hóa các thành phn, cu trúc và các thut toán điu khin c bn nht đc s dng trong mt h thng máy phát đin s c gió. C th, phn đu ca chng 2 là các bc xây dng mô hình máy đin không đng b ngun kép và mô hình trng thái ca li trên h trc ta đ ta theo vector đin áp li dq . Trên c s các mô hình toán đã có đ xây dng cu trúc điu khin phía máy phát t đó thit k b điu khin phía máy phát da trên phng pháp passivity-based. Tip đó là s lc v vic hòa đng b, các điu kin đm bo hòa đng b vi li, khái quát v vic duy trì hoc ngt máy phát trong mt s điu kin c th. Phn cui ca chng 2 trình bày v vic xây dng cu trúc điu khin phía li t đó thit k b điu khin phía li da trên phng pháp tuyn tính dead-beat. Chng 3 tr ình bày các ni dung chính ca lun án. Phn đu ca chng 3 gii thiu khái quát v đng hc máy phát ngun kép khi sp li. Tác hi ca vic sp li đi vi h thng truyn ti cng nh bn thân h thng phát đin sc gió. Phn tip theo trình bày phng pháp kinh đin s dng h thng đin tr tiêu tán nhm bo v b bin đi phía rotor trong khi vn đm bo điu kin hòa đng b vi li. Các đóng góp ca đ tài nghiên cu th hin  phn điu khin b bin đi phía li khi có các trng thái li li khác nhau. Trc tiên là li li đi xng, k c s suy gim và méo 5 dng đin áp li gây ra bi các ti phi tuyn có công sut ln trong các li yu. T đó, mt b lc tích cc đc đ xut đ ci thin cht lng đin nng. Phn cui cùng ca chng đ cp mt cách chi tit sách lc nâng cao kh nng tr li không đi xng. ây cng chính là ni dung nghiên cu chính ca đ tài. Phn cui ca chng 3 đ xut cu trúc điu khin tng th cho toàn b h thng máy phát đin sc gió s dng máy phát đin ngun kép. Theo đó, trong quá trình làm vic bình thng thì b điu khin phía li đóng vai trò mt b lc tích cc đ làm cho dòng đi n li có dng hình sin hn khi làm vi c vi các ti phi tuyn. Khi có li li, k c li li không đi xng thì b điu khin tng hp đi xng s đc đa vào làm vic đ h tr đin áp li và làm cân bng dòng đin trong các pha. Chng 4 trình bày các s đ mô phng, các kt qu nghiên cu v vic hòa đng b, các đc tính điu khin và bo v b bin đi phía máy phát trong ch đ làm vic bình thng cng nh khi xy ra li li, kho sát kh nng h tr li và kh nng suy gim sóng hài khi s dng chc nng lc tích cc. Trng tâm ca chng 4 dành cho các kt qu nghiên cu v điu khin b bin đi phía li khi sp li đi xng và không đi xng. Các kt qu này đc đ cp trong hai trng hp. Trng hp th nht là khi máy phát ngun kép làm vic trong ch đ bình thng và không áp dng bin pháp điu khin tr li. T các kt qu nghiên cu này có th đánh giá đc mc đ nh hng ca vic li li đi vi các thành phn khác nhau trong h thng điu khin khi không áp dng sách lc điu khin tr li. Trng hp th hai là khi áp dng sách lc tr li trong quá trình xy ra li li. T các kt qu nghiên cu này có th đánh giá đc hiu qu ca sách lc điu khin tr li bng vic so sánh vi các kt qu mô phng trong trng hp không có các bin pháp x lý li li. Phn cui cùng là mt s kt lun và kin ngh. 6 Chng 1. Tng quan 1.1 Khái quát v nng lng gió Nng lng gió đã nhn đc quan tâm nhiu hn trên th gii k t nhng nm 1970 khi giá du m trên th gii ngày càng tng cao. c bit, s phát trin nng lng gió đã có s bùng n trong nhng thp k gn đây do yêu cu v s dng nng lng sch, nng lng tái to. Các s liu thng kê đc công b bi Hi đng nng lng gió toàn cu trong tháng 5 nm 2008 đã cho bit dung lng ca các h thng máy phát đin chy sc gió ti hn 70 nc trên th gii đã đt xp x 94.000 MW [39]. Ch tính riêng trong Liên minh châu Âu thì dung l ng ca các h thng phát đin chy sc gió đã tng trng 18% trong nm 2007 và đ ã đt đn 56.535 MW [35]. Trong khi dung lng đó  M đã tng t khong 1.800 MW  thi đim nm 1990 ti hn 16.800 MW  cui nm 2007 [12, 26]. Các h thng bin đi nng lng gió s dng các máy đin gn vi các tuc-bin làm máy phát đin đc th hin trên hình 1.1. Hình1.1: Các loi máy phát đin đc s dng trong h thng phát đin sc gió Các máy đin xoay chiu đc s dng trong các h thng máy phát sc gió có th là loi máy phát đng b kích thích vnh cu, máy phát không đng b rotor lng Máy phát đng b kích thích vnh cu Máy phát mt chiu Máy phát xoay chiu Máy phát xoay chiu 1 pha Máy phát xoay chiu 3 pha Máy phát không đng b Máy phát không đng b 3 pha ngun kép Máy phát không đng b 3 pha rotor lng sóc H thng phát đin sc gió 7 sóc và máy phát không đng b ba pha rotor dây qun. Ngày nay, các h thng tuc-bin gió hin đi thng s dng các máy đin không đng b ba pha rotor dây qun vi các b bin đi đc đt  phía rotor. Các máy phát nh vy còn đc gi là các máy phát không đng b ngun kép (MPKBNK). Bên cnh kh nng làm vic vi di bin thiên tc đ ln xung quanh tc đ đng b thì mt u đim quan trng ca các MPKBNK là  ch các b bin đi ch cn đm bo kh nng làm vic vi khong 30% công sut tng ca máy phát [25, 28, 42, 46]. iu này cho phép gim đc dung lng ca các b bin đi và giá thành ca h thng [25, 28, 29, 32, 42, 84] . Chính vì vy, các MPKBNK ngày càng đc s dng nhiu trong các h thng máy phát đin sc gió mc dù khó điu khin hn so vi loi máy phát đng b kích thích vnh cu và máy phát không đng b rotor lng sóc. c tính ca MPKBNK trong các ch đ làm vic khác nhau và dòng chy nng lng tng ng đc minh ha trên hình 1.2. Hình1.2: Các ch đ vn hành ca MPKBNK và d òng chy nng lng tng ng. (a) các ch đ vn hành, (b) dòng chy nng lng  ch đ di đng b, (c) dòng chy nng lng  ch đ trên đng b. Rotor Stator Stator Rotor S -1 n n s 0 1 0 m (a) Trên đng b Ch đ máy phát 0 > s > - ∞ Trên đng b Ch đ đng c 0 > s > - ∞ Di đng b Ch đ đng c 1 > s > 0 Di đng b Ch đ máy phát 1 > s > 0 Li đin Li đin (b) (c) 8 1.2 H thng phát đin sc gió s dng máy đin không đng b ngun kép và các phng pháp điu khin S đ khi tng th ca mt h thng bin đi nng lng gió đc v trên hình 1.3 Trong đó các cun dây stator ca MPKBNK đc ni trc tip vi li. Các cun dây rotor đc ni vi hai b bin đi, mt  phía rotor đc gi là b bin đi phía rotor, mt  phía li đc gi là b bin đi phía li. Hai b bin đi liên h vi nhau thông qua mch mt chiu trung gian. Hình 1.3: H thng máy phát sc gió [45] H thng điu khin trên hình 1.3 gm có hai phn chính: phn điu khin tuc bin và phn điu khin máy phát ngun kép [20]. Phn điu khin tuc bin cung cp các giá tr đt ca công sut tác dng hay mômen đin t * e T cho phn điu khin máy phát ngun kép. Giá tr đt này đc tính toán da trên tc đ gió đo đc và mt bng tra nhm ra quyt đnh la chn công sut đu ra ti u tng ng vi tc đ quay ca tuc bin. Mt tín hiu đt khác là góc điu chnh pitch p θ đc đa trc tip ti b phn điu chnh góc pitch ca các cánh gió đ điu khin tc đ tuc bin. Trong khi đó, mc tiêu ca phn điu khin máy phát ngun kép là gi cho các công sut tác dng và ACAC DCDC ACAC DCDC ! m ! m T ¤ e T ¤ e Q ¤ g Q ¤ g cos' ¤ n cos' ¤ n u ¤ dc u ¤ dc B điu khin phía máy phát B điu khin phía li in áp mt chiu trung gian Qun lý h thng iu khin góc pitch iu khin turbine Gió MPKBNK 9 công sut phn kháng ca máy phát  các giá tr mong mun. 1.2.1 Công sut ca tuc bin gió Công sut ca tuc bin gió đc tính theo công thc sau [29, 48, 65, 66]: 23 1 = 2 tb tb cg gm tb P Rv C ρπ (1.1) Trong đó, tb ρ là mt đ không khí ( 3 /mkg ), cg R bán kính ca cánh gió ( m ), gm v là tc đ gió  mt khong cách đ xa phía trc cánh gió ( sm/ ), tb C là h s ph thuc vào cu trúc hình hc ca tuc bin gió và đc cho bi =(, ) tb p tb Cf θλ (1.2) vi p θ là góc xoay ca cánh gió so vi mt ct ngang đi qua trung tâm ca cánh gió và đc gi tt là góc pitch, tb λ là mt h s ph thuc vào c tc đ góc quay ca tuc bin tb ω và tc đ gió gm v () ()= () tb cg tb gm tR t vt ω λ (1.3) Lu ý rng theo các tài liu nghiên cu thì giá tr cc đi ca tb C là 0.593 và còn đc gi là gii hn Betz [19, 41, 59, 66]. Các công thc (1.1), (1.2) và (1.3) cho thy là công sut ca tuc bin gió ph thuc vào cu trúc ca tuc bin gió, góc pitch, tc đ gió và tc đ góc quay ca tuc bin. Vì vy, vi mt góc pitch c đnh và  mt mc đ gió cho trc thì công sut ca mt tuc bin gió còn ph thuc tc đ quay ca nó na. 1.2.2. iu khin tuc bin gió Nh đã trình bày trong mc 1.2.1, đ duy trì công sut đc bin đi t nng lng gió thành công sut c trên trc ca tuc bin là cc đi thì cn phi đm bo giá tr ca h s tb C là ti u ng vi tng tc đ gió trong di tc đ gió cho phép. Vic điu chnh sao cho tc đ tuc bin đt đc giá tr cho phép phát ra công sut đnh đc thc hin thông qua vic điu khin góc pitch.  tc đ gió nm ngoài di tc đ cho phép ca tuc bin thì thì cn phi ct máy phát ra khi li và s dng phanh c khí đ gi cho tuc bin không quay. Mun nh vy thì tc đ trc c ca tuc bin gió (đc kt ni vi trc rotor ca MPKBNK thông qua mt hp s) phi đc điu 10 khin bám theo đng đc tính ti u cho phép khai thác công sut ti đa ng vi tng tc đ gió nh đã đ c th hin  các công thc (1.1), (1.2), (1.3) và hình 1.4. ây cng chính là mt ch đ đã nhn đc s quan tâm nghiên cu khá rng rãi [16, 19, 23, 48, 62, 80]. Hình 1.4: Các vùng làm vic ca mt tuc bin gió (nét đm: đc tính công sut ti u ca h thng) Hình 1.4 là mt ví d v mi quan h gia công sut ca mt tuc bin vi tc đ góc quay ca nó ng vi các tc đ gió khác nhau. ng đc tính công sut ti u ca tuc bin đc th hin bng nét đm và đc mô t nh sau [66]: • Khi tc đ gió nm trong khong t tc đ nh nht cho phép và tng cho đn khi công sut ca máy phát đt giá tr ln nht cho phép thì tc đ quay ca tuc bin gió đc điu chnh sao cho tb C đt đc giá tr ti u đ công sut bin đi t nng lng gió ng vi mi tc đ gió là ln nht. Vùng làm vic nh vy còn đc gi là vùng ti u công sut. • Khi công sut ca máy phát đã đt đn gii hn ln nht cho phép mà tc đ gió vn tip tc tng thì có th điu chnh tc đ quay ca tuc bin ng vi tng tc đ gió sao cho tb C đt đc giá tr nh hn giá tr ti u hoc điu chnh góc pitch đ gi cho công sut c trên trc ca tuc bin là hng s. Vùng làm vic nh vy còn đc gi là vùng công sut không đi. [...]... khụng lm ng v i s ic c tớnh c ng th i thớch i v t i Trong lu n ỏn ny t p trung nghiờn c u kh c ph c s c s i phõn ph i v ng c i trong h th ng n ỏp trong h th ng phỏt n s c giú s d ng b ngu n kộp nh m nõng cao ch ng c a h th ng 1.3.2 Yờu c u tr i Cỏc h th ng mỏy phỏt s c giú v v i cỏc nhi u lo c bi t l khi l th ng khi x y ra s ng h p ny, h th ng c khi x y ng b l i) M t khỏc, vi c c t cỏc mỏy phỏt ra kh ỡnh... V i i trong quỏ trỡnh lm vi c bỡnh i x ng c c nghiờn c u m t cỏch hon thi n c n ti p t c gi i quy t: Nghiờn c u v tr i khi x y ra l i x ng ho c khi h th ng i cú nhi u lo i t i cú cỏc thnh ph n súng hi cao Trong lu n ỏn ny tỏc gi nghiờn c i x ng b r u khi n riờng r cỏc thnh ph n th t thu v i cỏc tiờu chớ khỏc nhau cho t ng thnh ph n V tc ab u khi n dũng phớa l c c a dũng l v y cũn c ỡ cỏc tớn hi u c... ng bi ng nghiờn c u l h th ng b ngu Khỏi quỏt cỏc yờu c th u khi n tr n u khi n tr ic ah ng b ngu n kộp Trỡnh by v s c giú n s c giú s d u khi n n s c giú s d u khi n tr ng giú u khi n tr i nh m nõng cao ch ng h th ó cú t xu t n ch y b ng 17 Mụ hỡnh v c 2.1 Phộp bi u khi n h th ih t gi ph c t p c ỡnh vi phõn mụ t i thỡ cỏc ũng th l m t h tr c t c chuy n ỏp, t ng m i ny cú nh ho c m t h tr c t ng t . thích vnh cu Máy phát mt chiu Máy phát xoay chiu Máy phát xoay chiu 1 pha Máy phát xoay chiu 3 pha Máy phát không đng b Máy phát không đng b 3 pha ngun kép Máy phát không đng. đin sc gió Các máy đin xoay chiu đc s dng trong các h thng máy phát sc gió có th là loi máy phát đng b kích thích vnh cu, máy phát không đng b rotor lng Máy phát đng b kích. đin áp trong h thng phát đin sc gió s dng máy đin không đng b ngun kép nhm nâng cao cht lng ca h thng. 1.3.2 Yêu cu tr li Các h thng máy phát sc gió vi MPKBNK có