ĐÁNH GIÁ ổn ĐỊNH hệ THỐNG điện TÍCH hợp NĂNG LƯỢNG GIÓ DÙNG bộ điều KHIỂN LUỒNG CÔNG SUẤT mở RỘNG GUPFC

IV TÓM TẮT Luận văn này nghiên cứu sự cải thiện ổn định động của một hệ thống nhiều máy phát kết nối với một trang trại gió ngoài khơi quy mô lớn dựa trên máy phát điện cảm ứng kích từ

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN NGỌC QUÍ

ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN LUỒNG CÔNG SUẤT MỞ RỘNG GUPFC

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

S K C0 0 4 6 4 1

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

LƯỢNG GIÓ DÙNG BỘ ĐIỀU KHIỂN LUỒNG CÔNG SUẤT

MỞ RỘNG GUPFC

Trang 3

I

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Nguyễn Ngọc Quí Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 25/11/1988 Nơi sinh: Vĩnh Long Quê quán: Vĩnh Long Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 34 ấp Cái Trôm- Tân Quới Trung- Vũng Liêm- Vĩnh Long

Điện thoại cơ quan: Điện thoại: 0974341580 E-mail: qui251188@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Cao Đẳng chính quy Thời gian: 2006-2009 Nơi học (trường, thành phố): Trường Cao Đẳng Công Thương TPHCM

Ngành học: Điện Công Nghiệp

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Đại Học chính quy Thời gian: 2010-2012 Nơi học: Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Ngành học: Kỹ thuật điện- điện tử

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

2012- nay Công ty TNHH Intel products VietNam Quản lý bảo trì

Trang 4

II

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Ngọc Quí

Trang 5

đi vào thực hiện nghiên cứu khoa học

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn ba mẹ và gia đình đã luôn ở bên tôi, động viên tôi trong suốt khóa học

Tp Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 9 năm 2015

Trang 6

IV

TÓM TẮT

Luận văn này nghiên cứu sự cải thiện ổn định động của một hệ thống nhiều máy phát kết nối với một trang trại gió ngoài khơi quy mô lớn dựa trên máy phát điện cảm ứng kích từ kép (DFIG) bằng cách sử dụng một bộ điều khiển luồng công suất mở rộng (GUPFC) Một hệ thống bốn máy - hai vùng được sử dụng như là hệ thống nghiên cứu với hệ nhiều máy phát Hai bộ điều khiển giảm dao động (PID) của GUPFC được thiết kế tương ứng để cải thiện sự ổn định của hệ thống điện nhiều máy phát kết nối với trang trại gió ngoài khơi trong các điều kiện vận hành khác nhau

Một cách tiếp cận trong miền tần số dựa trên một mô hình hệ thống tuyến tính sử dụng phân tích các giá trị riêng và một phương pháp miền thời gian dựa trên

mô hình mô phỏng phi tuyến dưới những sự nhiễu loạn khác nhau được thực hiện

để kiểm tra tính hiệu quả của bộ GUPFC kết hợp với bộ điều khiển giảm dao động được thiết kế

Trang 7

V

ABSTRACT

This thesis studies the dynamic-stability improvement of a multi-machine system connected with a large-scale offshore wind farm based on doubly-fed induction generator (DFIG) using a generalized unified power-flow controller (GUPFC) A two area four-generator system model is employed as the studied multi machine system Two proportional-integral-derivative (PID) damping controllers of the proposed GUPFC are respectively designed to improve the stability of the studied multi-machine power system connected with the offshore wind farm under different operating conditions

A frequency-domain approach based on a linearized system model using eigenvalue analysis and a time-domain method based on nonlinear-model simulations subject to various disturbances are both performed to examine the effectiveness of the proposed GUPFC combined with the designed damping controllers

Trang 8

VI

BẢNG DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT

CV Control valve

DFI De fuzzier interface

DFIG Doubly-fed induction generator

DML Decision-making logic

EMTP Electromagnetic transients program

FACTS Flexible AC transmission systems

FLC Fuzzy logic controller

GUPFC Generalized unified power flow controller

ODC Oscillation damping controller

OMIB One-machine infinite-bus

OWF Offshore wind farm

PID Proportional integral derivative

PMSG Permanent-magnet synchronous generators

Trang 9

VSC Voltage source converter

VSWT Variable-speed wind turbine

TQD Torque disturbance

WT Wind turbine

WECS Wind energy conversion system

Trang 10

VIII

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Cấu hình của hệ thống được dùng để nghiên cứu 10

Hình 2.2 Sơ đồ đơn tuyến của hệ bốn máy-hai vùng được nghiên cứu 11

Hình 2.3 Sơ đồ khối của các mô hình hai trục của SG 13

Hình 2.4 Sơ đồ khối của hệ thống kích từ IEEE loại I 14

Hình 2.5 Mô hình tua bin hơi nước hỗn hợp ghép đôi gia nhiệt một lần 17

Hình 2.6 Mô hình bộ điều chỉnh tốc độ cho tua bin hơi nước 18

Hình 2.7 Sơ đồ đơn tuyến của DFIG gió được dẫn động bởi một VSWT thông qua GB 19

Hình 2.8 Mô hình hai khối theo thứ tự giảm đã đơn giản hóa của bộ dẫn động tua bin gió (Wind turbine) WT 23

Hình2.9 Mạch điện tương đương theo trục dq của DFIG 24

Hình 2.10 Mô hình của bộ nghịch lưu xung đối 25

Hình 2.11 Sơ đồ khối điều khiển của bộ điều khiển RSC 28

Hình 2.12 Hệ quy chiếu định hướng từ thông stator 28

Hình 2.13 Sơ đồ khối của bộ điều khiển GSC 29

Hình 2.14 Hệ quy chiếu hướng điện áp stator 30

Hình 2.15 Sơ đồ điều khiển của bộ điều khiển góc cánh quạt 31

Hình 2.16 Nguyên tắc hoạt động của GUPFC với ba bộ chuyển đổi 33

Hình 2.17 Mạch tương đương của GUPFC 33

Hình 2.18 Sơ đồ khối điều khiển của GUPFC 38

Hình 2.19 Tích hợp mô hình vào hệ thống 40

Hình 2.20 Chuyển đổi từ hệ quy chiếu rotor thứ i của máy phát điện sang hệ quy chiếu chung D-Q 40

Hình 3.1 Sơ đồ khối điều khiển góc pha αsh của GUPFC bao gồm hai bộ điều khiển PID 42

Hình 4.1 Cấu hình của hệ thống khi không có GUPFC 52

Hình 4.2 Cấu hình của hệ thống với GUPFC 52

Hình 4.3 Luồng công suất của hệ thống khi không có và với GUPFC dưới sự thay dổi công suất của SG2 58

Trang 11

IX

Hình 4.6 Luồng công suất của hệ thống khi không có và có GUPFC khi có sự thay đổi điện áp đầu cực của máy phát SG2 75 Hình 4.7 Luồng công suất của hệ thống khi không có và có GUPFC khi có sự thay đổi điện áp đầu cực của máy phát SG3 80 Hình 4.8 Luồng công suất của hệ thống khi không có và có GUPFC khi có sự thay đổi điện áp đầu cực của máy phát SG4 85 Hình 4.9 Quỹ đạo nghiệm của chế độ dao động khi không có và có GUPFC trong điều kiện tốc độ gió khác nhau 101 Hình 4.10 Luồng công suất của hệ thống khi không có và có GUPFC dưới điện áp phát khác nhau của DFIG 108 Hình 5.1 Trình tự khi đưa các nhiễu loạn mô-men vào bốn máy phát 111 Hình 5.2 Phản ứng động của hệ thống dưới những nhiễu loạn mô-men trên đầu vào của máy phát khi không có và có GUPFC 112 Hình 5.3 Phản ứng động của hệ thống dưới những nhiễu loạn mô men trên đầu vào của máy phát khi có GUPFC và GUPFC kết hợp PIDs 115 Hình 5.4 Phản ứng quá độ của hệ thống khi có sự cố ngắn mạch ba pha tại một trong những đường dây truyền tải song song 10-11 mà không thay đổi cấu trúc mạng khi không có và với GUPFC 118 Hình 5.5 Phản ứng quá độ của hệ thống khi có sự cố ngắn mạch ba pha tại một trong những đường dây truyền tải song song 10-11 mà không thay đổi cấu trúc mạng khi có GUPFC và GUPFC + PIDs 120

Hình 5.6 Phản ứng quá độ của hệ thống khi có sự cố ngắn mạch ba pha tại một

trong những đường dây truyền tải song song 10-11làm thay đổi cấu trúc mạng khi không có và với GUPFC………127 Hình 5.7 Phản ứng quá độ của hệ thống khi có sự cố ngắn mạch ba pha tại một trong những đường dây truyền tải song song 10-11 làm thay đổi cấu trúc mạng khi

có GUPFC và GUPFC + PIDs……… 130 Hình 5.8 Sự thay đổi của tốc độ gió……… 132 Hình 5.9 Phản ứng động của hệ thống dưới sự thay đổi của tốc độ gió khi có và không có GUPFC nối với hệ thống………134 Hình 5.10 Phản ứng động của hệ thống dưới sự thay đổi của tốc độ gió khi có

GUPFC và GUPFC + PIDs nối với hệ thống……….136

Trang 12

X

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Giá trị riêng (rad / s) của hệ thống mà không GUPFC, GUPFC, GUPFC và

thiết kế PID 45

Bảng 4.1 Kết quả tính toán luồng công suất của hệ thống khi không có GUPFC 50

Bảng 4.2 Kết quả tính toán luồng công suất của hệ thống khi có GUPFC 51

Bảng 4.3 Các điểm làm việc ổn định của hệ thống khi không có và với GUPFC dưới sự thay đổi công suất tác dụng của SG2 54

Bảng 4.6 Điểm vận hành trạng thái ổn định của hệ thống khi không có và có GUPFC dưới điện áp đầu cực khác nhau của máy phát SG2 71

Bảng 4.9 Các giá trị riêng (rad/s) của hệ thống khi không có GUPFC dưới tốc độ gió khác nhau 88

Bảng4.10 Các giá trị riêng (rad/s) của hệ thống khi có GUPFC dưới tốc độ gió khác nhau 93

Bảng 4.11 Điểm vận hành trạng thái ổn định của hệ thống khi không có và có GUPFC dưới điện áp vận hành khác nhau của máy phát điện cảm ứng kích từ kép DFIG 104

Bảng A1 Thông số hệ thống sử dụng cho hệ thống bốn máy- hai vùng: 141

BảngA2 Các thông số của hệ thống sử dụng cho đường dây truyền tải 142

Bảng A3 Các thông số hệ thống sử dụng cho DFIG dựa trên OWF 142

Bảng A4 Các hằng số sử dụng cho hệ số công suất của tua bin gió: 142

Bảng A5 Các thông số hệ thống sử dụng cho GUPFC 143

Trang 13

XI

LÝ LỊCH KHOA HỌC I LỜI CAM ĐOAN II LỜI CẢM ƠN III TÓM TẮT IV Abstract V BẢNG DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VI DANH MỤC HÌNH ẢNH VIII DANH MỤC BẢNG X MỤC LỤC XI

CHƯƠNG 1: 1

GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu 3

1.2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu về máy phát điện gió ngoài khơi dùng máy phát điện cảm ứng kích từ kép DFIG 3

1.2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu về thiết bị bù GUPFC (Generalized unified power-flow controller) 6

1.3 Mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 7

1.4 Phương pháp nghiên cứu: 7

1.5 Đóng góp và điểm mới của luận văn 7

1.6 Nội dung của luận văn: 8

CHƯƠNG 2: 9

CẤU HÌNH VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA HỆ THỐNG 9

2.1 Cấu hình của hệ thống 9

2.2 Hệ thống bốn máy-hai vùng: 11

2.2.1 Mô hình máy phát điện đồng bộ: 12

Trang 14

XII

2.2.2 Mô hình hệ thống kích từ: 13

2.2.3 Các mô hình bộ điều chỉnh tốc độ và tua bin hơi nước: 15

2.2.4 Mô hình turbine hơi nước: 16

2.2.5 Mô hình bộ điều chỉnh tốc độ 18

2.3 Mô hình hóa của hệ thống tua bin gió dựa trên DFIG 19

2.3.1 Cấu hình của hệ thống tua bin gió dựa trên DFIG 19

2.3.2 Mô hình tốc độ gió 19

2.3.3 Mô hình tua bin gió: 22

2.3.4 Mô hình miêu tả mối quan hệ về khối lượng, độ đàn hồi giữa máy phát và tua bin: 22

2.3.5 Mô hình máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG) 24

2.3.6 Mô hình bộ nghịch lưu xung đối: 25

2.3.7 Bộ điều khiển thuộc khối nghịch lưu phía máy phát : 26

2.3.8 Bộ điều khiển thuộc khối nghịch lưu phía lưới: 28

2.3.9 Bộ điều khiển góc cánh quạt 31

2.4 Mô hình GUPFC 32

2.4.1 Mô hình toán học của GUPFC: 32

2.4.2 Bộ điều khiển luồng công suất GUPFC 36

2.5 Phương trình mạng: 39

CHƯƠNG 3: 41

THIẾT KẾ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN GIẢM DAO ĐỘNG CHO GUPFC 41

3.1 Thiết kế của hai bộ điều khiển dao động PID cho GUPFC: 41

CHƯƠNG 4: 48

ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA HỆ THỐNG 4 MÁY- 2 VÙNG CÓ TÍCH HỢP GUPFC 48

Trang 15

XIII

4.1 Tính toán trào lưu công suất trong điều kiện trạng thái ổn định của hệ thống

48

4.2 Các điều kiện công suất vận hành khác nhau của máy phát điện đồng bộ 50

4.3 Điện áp đầu cực khác nhau của các máy phát: 69

4.4 Điều kiện gió tốc độ khác nhau 86

4.5 Điều kiện điện áp vận hành khác nhau của máy phát điện cảm ứng kích từ kép DFIG 103

CHƯƠNG 5: 109

MÔ PHỎNG TRONG MIỀN THỜI GIAN 109

5.1 Nhiễu loạn trên mômen cơ đầu vào của máy phát điện đồng bộ 110

5.2 Sự cố ngắn mạch 3 pha tại đường dây truyền tải, không thay đổi cấu trúc hệ thống 117

5.3 Sự cố ngắn mạch ba pha tại đường dây truyền tải với việc thay đổi cấu trúc mạng 122

5.4 Sự thay đổi của tốc độ gió: 128

CHƯƠNG 6: 133

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 133

6.1 Kết luận: 133

6.2 Hướng phát triển đề tài: 134

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 135

PHỤ LỤC 141

Trang 16

1

CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Lý do chọn đề tài và tính cấp thiết của đề tài

Sự ổn định hệ thống điện được xem như là một vấn đề quan trọng đối với vận hành an toàn hệ thống điện từ những năm 1920 [1] Nhiều sự cố mất điện lớn

có nguyên nhân do sự không ổn định của hệ thống điện đã mô tả sự quan trọng của vấn đề này [2] Trong lịch sử, sự không ổn định do quá độ đã trở thành vấn đề ổn định chiếm ưu thế lớn của hầu hết các hệ thống điện Khi các hệ thống điện đã phát triển tiến hóa thông qua một sự phát triển liên tục, từ các liên kết về điện, việc

sử dụng các công nghệ mới, việc điều khiển và vận hành gia tăng trong các điều kiện sự cố, nên có rất nhiều dạng bất ổn định hệ thống khác nhau đã xuất hiện Ví

dụ như sự ổn định điện áp, sự ổn định tần số và các dao động ở nhiều khu vực đã trở thành những vấn đề lớn hơn so với trong quá khứ Điều khiển ổn định hệ thống điện là một nhiệm vụ quan trọng trong vận hành hệ thống điện [3] Nhiều hệ số như nhiễu loạn bên ngoài hay mô men cơ học bên trong, dễ dàng tác động đến ổn định hệ thống

Với các vấn đề môi trường toàn cầu và sự thiếu hụt của nhiên liệu hóa thạch, nhu cầu của năng lượng tái tạo tăng lên từng ngày Giữa các công nghệ năng lượng tái tạo đang phát triển mãnh liệt, công nghệ tua bin gió đã và đang trãi qua một sự phát triển mạnh mẽ và hiện nay đã trở thành nguồn năng lượng phát triển nhanh nhất thế giới Từ 2010 trở về sau, tỷ lệ công suất gió tăng trưởng hàng năm

là 20% sẽ dẫn đến kết quả là tổng 1.2 triệu MW được lắp đặt đến cuối năm 2020

Nó sẽ tạo ra 2.966 TW điện mỗi giờ, tương đương với 10,85% lượng tiêu thụ điện mong đợi của cả thế giới [4] Châu Âu đã tiếp tục chiếm ưu thế trong thị trường toàn cầu trong năm 2004, 72,4% của công suất lắp đặt mới (5.774 MW) Châu Á

đã có thị phần công suất lắp đặt ở mức 15,9% (1.269 MW), theo sau là Bắc Mỹ

Trang 17

2

(6.4%; 512 MW) và khu vực Thái Bình Dương là (4.1%; 325 MW) Châu Mỹ La tinh cộng với Caribê là (49 MW) và Châu Phi (47 MW) với thị phần 0,6% Đan mạch hiện tại sản xuất ra 20% nguồn năng của nước này nhờ nguồn năng lượng lượng gió và đang nhắm đến mức 50% thị phần sản lượng điện gió năm 2025 Sự gia tăng đáng kể mức độ thâm nhập của phát điện gió vào hệ thống điện như một nguồn điện thực sự, đã nhận được sự chú ý lớn Một trong những vấn đề chính liên quan đến sự thâm nhập ở mức độ cao của các tua bin gió tích hợp là sự tác động của nó lên sự ổn định hệ thống điện Vì mức độ thâm nhập của nguồn điện gió trong hệ thống điện tăng lên, hiệu suất tổng của hệ thống sẽ có tác động tăng dần bởi các đặc tính vốn có của các máy phát điện gió

Trong điều kiện các máy phát điện cảm ứng (Induction Generators) (IGs) dung lượng khá cao kết nối với các lưới điện tương đối yếu, những bất ổn định điện áp có khả năng xảy ra Mối nguy hiểm liên quan đến sụp đổ điện áp xuất hiện

từ bản chất của các IG, mà có thể tiêu thụ một lượng lớn công suất phản kháng khi tốc độ của nó lệch nhẹ so với tốc độ đồng bộ, ví dụ như, thời gian phục hồi điện áp sau một sự cố tạm thời trong các hệ thống điện Do đó, có thể cần thiết tăng cường

hệ thống điện với các đường dây truyền tải mới hay thiết bị mới, mà đồng nghĩa với việc tăng chi phí

Với sự phát triển của các thiết bị bán dẫn công suất cao, điện áp cao, và công nghệ điều khiển điện tử công suất tốc độ cao, các thiết bị Hệ Thống Truyền Tải

AC linh hoạt (Flexible AC transmission systems) (FACTS) có hiệu suất cao trong việc cải thiện cả tính ổn định và việc giảm dao động của một hệ thống điện thông qua điều khiển động đường cong quan hệ giữa góc-công suất của các hệ thống được kết nối [5] Do sự đáp ứng nhanh của nó, những thiết bị này được dùng để điều chỉnh tự động cấu hình mạng điện để nâng cao đặc tính ổn định tĩnh cũng như

ổn định động [6] Có nhiều dạng thiết bị FACTS khác nhau, một số được mắc nối tiếp với đường dây và những cái còn lại được mắc song song hoặc kết hợp giữa mắc song song và nối tiếp Mô tả chi tiết của các thiết bị FACTS khác nhau bao gồm các nguyên tắc hoạt động có thể được tìm thấy trong [7]

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	7,72 MB