nghiên cứu ổn định điện áp trong lưới điện phân phối có kết nối nguồn điện gió

CLDA: Chất lượng điện áp CCĐ: Cung cấp điện CĐXL: Chế độ xác lập IM Induction Machine: Máy điện không đồng bộ tốc độ cố định DFIM Doubly Fed Induction Machine: máy điện không đồng bộ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRỊNH QUỐC TOẢN

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

CÓ KẾT NỐI NGUỒN ĐIỆN GiÓ

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250

S K C0 0 4 1 6 7

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRỊNH QUỐC TOẢN

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN

PHÂN PHỐI CÓ KẾT NỐI NGUỒN ĐIỆN GIÓ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRỊNH QUỐC TOẢN

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN

PHÂN PHỐI CÓ KẾT NỐI NGUỒN ĐIỆN GIÓ

Hướng dẫn khoa học:

TS VÕ VIẾT CƯỜNG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2014

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Ngày, tháng, năm sinh: 14 – 08 – 1984 Nơi sinh: Cà Mau

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 146 Nguyễn Việt Khái, khóm 3 thị trấn Cái Nước huyện Cái Nước, tỉnh Cà Mau

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học phổ thông:

Nơi học (trường, thành phố): Trường THPT Cái Nước huyện Cái Nước tỉnh Cà Mau

2 Đại học:

Hệ đào tạo: không chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2003 đến 10/2008 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM

Ngành học: Điện công nghiệp

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế cung cấp điện cho nhà máy thuốc lá VINASA

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 7/2008 tại Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM

Người hướng dẫn: Ts Nguyễn Hữu Phúc

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

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 11 tháng 07 năm 2014

Trịnh Quốc Toản

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và tốt đẹp nhất đến:

Thầy Võ Viết Cường, người đã tận tâm, nhiệt tình hướng dẫn và cung cấp tài liệu cho em trong suốt thời gian làm luận văn

Quý Thầy Cô khoa Điện – Điện tử trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM đã tận tình chỉ bảo và truyền thụ cho em những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian 2 năm theo học tại Trường

Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 07 năm 2014

Trịnh Quốc Toản

Hiện nay có rất nhiều nguồn điện gió (WP) sử dụng máy điện không đồng bộ (KĐB) đang kết nối vào lưới điện phân phối (LĐPP) Các máy điện này thường không phát công suất phản kháng (thậm chí tiêu thụ công suất phản kháng), cho nên chúng gây ảnh hưởng chung đến ổn định điện áp toàn lưới, đồng thời có thể gây mất ổn định tại chính bản thân

nó bởi không còn cân bằng mômen làm việc Luận văn này trình bày một phương pháp nghiên cứu quan hệ giữa công suất tác dụng và điện áp tại điểm kết nối nguồn điện gió, từ

đó xác định được giới hạn điện áp Trước hết, luận văn sẽ xây dựng mô hình máy điện KĐB, sau đó xây dựng công cụ phân tích ổn định điện áp tại nút kết nối

ABSTRACT

Currently there are a lot of wind power using asynchronous machine are connected to the distribution grid This machines is usually not found interest by reactive power (even reactive power consumption), so they generally affect to the entire grid voltage stability, and can cause instability in itself it is no longer balanced by the torque to work This thesis presents a method to study the relationship between the active power and voltage at the connection point of wind power to determines the voltage limit First, the thesis will build asynchronous machine model, then build voltage stability analysis tool at the connection point

Danh mục các bảng

- Bảng 3.1 Thông số máy phát và máy biến áp

- Bảng 3.2 Kết quả tính toán PBCS và trị số giới hạn ổn định điện áp khi U TH = 1 pu

- Bảng 3.3 Kết quả tính toán PBCS và trị số giới hạn ổn định điện áp khi U TH = 0.95 pu

- Bảng 3.4 Thông số giới hạn nút kết nối WT trong chế độ cơ bản, vận tốc gió 15 m/s

- Bảng 3.5 Giá trị công suất, điện áp của nút kết nối khi vận tốc gió 15 m/s

- Bảng 3.6 Thông số giới hạn nút kết nối WT trong chế độ cơ bản, vận tốc gió 10 m/s

- Bảng 3.7 Giá trị công suất, điện áp của nút kết nối khi vận tốc gió 10 m/s

- Bảng 3.8 Thông số giới hạn tại nút kết nối khi điện áp suy giảm

- Bảng 3.9 Giá trị công suất, điện áp tại nút kết nối khi điện áp suy giảm

- Bảng 3.10 Thông số giới hạn tại nút kết nối khi có tụ bù

- Bảng 3.11.Giá trị công suất, điện áp tại nút kết nối khi có tụ bù

- Bảng 3.12 Thông số giới hạn tại nút kết nối khi có OLTC

- Bảng 3.13 Giá trị công suất, điện áp tại nút kết nối khi có OLTC

- Bảng 4.1 Thông số máy phát, đường dây 22 kV khu vực kết nối WP Ninh Thuận

- Bảng 4.2 Thông số giới hạn tại nút kết nối trong trường hợp cơ bản với IM

- Bảng 4.3 Kết quả xác định đặc tính PU trong trường hợp cơ bản với IM

- Bảng 4.4 Thông số giới hạn tại nút kết nối IM khi đặt thiết bị bù

- Bảng 4.5 Kết quả xác định đặc tính PU với IM khi có thiết bị bù

- Bảng 4.6 Thông số giới hạn tại nút kết nối DFIM

- Bảng 4.7 Kết quả xác định đặc tính PU với DFIM

- Bảng 4.8 Thông số giới hạn tại nút kết nối với DFIM khi điện áp nút kết nối suy giảm

- Bảng 4.9 Kết quả xác định đặc tính PU với DFIM khi điện áp nút kết nối suy giảm

Danh mục các hình

- Hình 1.1 Sơ đồ khối của tuabin gió

- Hình 1.2 Cấu tạo cơ bản của tuabin gió trục đứng và trục ngang

- Hình 1.3 Sơ đồ lưới điện phân phối có kết nối nguồn điện phân tán

- Hình 2.1 Sơ đồ thay thế động cơ và quan hệ P m (s)

- Hình 2.2 đặc điểm sơ đồ lưới điện trung áp

- Hình 2.3 Hệ thống điện có các máy phát đồng bộ công suất nhỏ

- Hình 2.4a Máy điện KĐB rôto lồng sóc

- Hình 2.4b Máy điện KĐB rôto dây quấn

- Hình 2.7 Mạch điện tương đương máy điện không đồng bộ

- Hình 2.8 Mô hình và mạch điện tương đương máy điện

- Hình 2.9 Đặc tính mômen - tốc độ và phân bố công suất trong máy điện DFIM

- Hình 2.10 Sơ đồ tương đương hình T và sơ đồ đơn giản của DFIM

- Hình 2.11 Mô hình mạng 2 cửa tương đương của DFIM

- Hình 2.12 Sơ đồ lưới điện phân phối kết nối tuabin gió KĐB

- Hình 3.1 Mô hình xây dựng tiêu chuẩn ổn định cho máy điện KĐB kết nối LĐPP

- Hình 3.2 Đặc tính mômen theo hệ số trượt của máy điện KĐB tuabin gió

- Hình 3.3 Tiêu chuẩn thực dụng phân tích ổn định

- Hình 3.4 Quan hệ điện áp theo hệ số trượt của WP

- Hình 3.5 đặc tính công suất của tuabin gió 1.3 MW

- Hình 3.6 Quan hệ công suất tác dụng và phản kháng của tuabin gió trong CĐXL

- Hình 3.7 Sơ đồ hệ thống điện đơn giản

- Hình 3.8 đặc tính PU nút tải khi cos2 = 1

- Hình 3.9 Đồ thị quan hệ P T U T với cosφ2

- Hình 3.10 Sơ đồ LĐPP kết nối máy điện KĐB (a) và mô hình tương đương (b)

- Hình 3.11 biểu đồ pha điện áp

- Hình 3.12 biểu đồ vectơ mặt phẳng công suất

- Hình 3.13 Mô hình khảo sát giới hạn ổn định điện áp nút có WP trong LĐPP

- Hình 3.14 Mô hình nghiên cứu ổn định điện áp có xét đến OLTC và thiết bị bù

- Hình 3.15 Đặc tính PU nút kết nối trong khi tốc độ gió thay đổi

- Hình 3.16 Đặc tính PU nút kết nối khi điện áp suy giảm

- Hình 3.17 Đặc tính PU nút kết nối khi có tụ bù

- Hình 3.18 đặt tính PU nút kết nối có OLTC

- Hình 4.1 Sơ đồ lưới điện Ninh Thuận năm 2015 kết nối WP

- Hình 4.2 Cấu trúc nguồn điện gió Phước Ninh 20 MW và đặc tính công suất máy điện

KĐB rôto lồng sóc công suất 2MW

- Hình 4.3 Sơ đồ tương đương lưới điện Ninh Thuận

- Hình 4.6 tổng hợp các phương án tính toán ổn định tại nút kết nối WP Ninh Thuận

- Hình 4.7 Đặc tính PU tại nút kết nối với DFIM

- Hình 4.8 So sánh đặc tính PU giữa IM và DFIM

- Hình 4.9 Đặc tính PU nút kết nối DFIM và IM khi điện áp suy giảm

Trang

Chương 0: Mở Đầu i

1 Mục đích và lý do chọn đề tài i

2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu i

3 Mục đích của luận văn ii

4 Cấu trúc của luận văn iii

Chương 1: Tổng Quan Về Nguồn Điện Gió Và Ảnh Hưởng Của Nó Đến Chế Độ Vận Hành Lưới Điện Phân Phối 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các kiểu tuabin gió 3

1.2.1 Cấu tạo chung 3

1.2.2 Tuabin gió trục đứng và trục ngang 4

1.3 Các loại máy phát điện dùng trong tuabin gió 5

1.4 Ảnh hưởng của WP đến chế độ vận hành LĐPP 6

1.4.1 Bài toán đánh giá ảnh hưởng của WP đến chất lượng điện năng LĐPP 6

1.4.2 Bài toán đảm bảo chất lượng điện áp và ổn định điện áp của LĐPP có WP 7

1.5 Nội dung nghiên cứu của luận văn 9

Chương 2: Nghiên Cứu Ổn Định Điện Áp Trong LĐPP Có Kết Nối WP 11

2.1 Đặt vấn đề 11

2.2 Các bài toán phân tích ổn định điện áp khi có kết nối WP 11

2.2.1 Ổn định điện áp nút có động cơ không đồng bộ 11

2.2.2 Ổn định điện áp nút phụ tải tổng hợp 13

2.2.3 Ổn định điện áp nút có các máy phát đồng bộ công suất nhỏ 13

2.2.4 Ổn định điện áp nút có các máy điện không đồng bộ (KĐB) 15

2.2.5 Nhận xét chung 16

2.3 Mô hình máy điện không đồng bộ tuabin gió 16

2.3.1 Giới thiệu 16

2.3.2 Mô hình máy điện không đồng bộ tuabin gió loại rôto lồng sóc 16

2.3.3 Mô hình máy điện không đồng bộ tuabin gió loại nguồn kép (DFIM) 19

2.3.4 Nhận xét 22

2.3.5 Bài toán tìm điều kiện đầu và PBCS trong LĐPP có WP sử dụng máy điện không đồng bộ 22

3.1.1 Tiêu chuẩn ổn định 26

3.1.2 Xác định giới hạn ổn định điện áp của máy điện KĐB theo tiêu chuẩn thực dụng 30

3.1.3 Hiện tượng sụp đổ điện áp 31

3.2 Ví dụ minh họa 32

3.3 Các phương pháp đánh giá ổn định điện áp nút theo những kịch bản khác nhau khi có WP 36

3.3.1 Các phương pháp phân tích ổn định điện áp nút 36

3.3.2 Phương pháp phân tích giá trị riêng 36

3.3.3 Phương pháp phân tích ổn định điện áp theo đặc tính công suất - điện áp (đặc tính PU) 38

3.3.4 Nhận xét về khả năng ứng dụng 41

3.4 phương pháp xác định giới hạn ổn định điện áp tại nút kết nối WP không đồng bộ trong LĐPP theo đặc tính PU 42

3.4.1 Nội dung phương pháp 42

3.4.2 Nghiên cứu ảnh hưởng MBA điều chỉnh dưới tải (OLTC) và thiết bị bù công suất phản kháng đến các giới hạn ổn định điện áp nút kết nối WP không đồng bộ 46

3.4.3 Ứng dụng tính toán 48

3.4.4 Nhận xét chung 53

Chương 4: Phân Tích Ổn Định Điện Áp Lưới Điện Phân Phối Ở Việt Nam Có Kết Nối Nguồn Điện Gió 54

4.1 Đặt vấn đề 54

4.2 Phân tích ổn đinh điện áp lưới điện Ninh Thuận 2015 có kết nối nguồn điện gió (WP) 54

4.2.1 Đặc điểm hiện trạng lưới điện Ninh Thuận 54

4.2.2 Phân tích ổn định điện áp nút kết nối WP với máy điện IM 56

4.2.2.1 Xác định điều kiện đầu 56

4.2.2.2 Kết quả phân tích ổn định nút kết nối bằng đặc tính PU 57

4.2.3 Phân tích ổn định điện áp nút kết nối WP với máy điện DFIM 59

4.2.3.1 Đặc tính ổn định điện áp của WP khi điện áp đặt bằng điện áp danh định 59 4.2.3.2 Đặc tính ổn định điện áp của WP khi điện áp đặt vào máy phát

Tài Liệu Tham Khảo 66

CLDA: Chất lượng điện áp

CCĐ: Cung cấp điện

CĐXL: Chế độ xác lập

IM (Induction Machine): Máy điện không đồng bộ tốc độ cố định

DFIM (Doubly Fed Induction Machine): máy điện không đồng bộ nguồn kép HTĐ: Hệ thống điện

KĐB: Không đồng bộ

K dt : Hệ số dự trữ

LĐPP: Lưới điện phân phối

M gh : Mômen giới hạn

P gh : Công suất giới hạn

PU: Đường đặc tính ổn định điện áp công suất tác dụng - điện áp

QU: Đường đặc tính ổn định điện áp công suất phản kháng - điện áp

s: Hệ số trượt

s gh : Hệ số trượt giới hạn

U gh : Điện áp giới hạn

WP (Wind power): nguồn điện gió

WT (Wind turbine): tuabin gió

X H : Điện kháng tính từ nút kết nối WP đến nút hệ thống

Vấn đề nêu trên phần nào đã làm giảm độ an toàn và chất lượng của các LĐPP, nhất là một số khu vực nằm xa lưới điện Để khắc phục các hiện tượng này, hệ thống điện cần phải được tăng cường công suất nguồn và khả năng tải của đường dây Do đó, hướng giải quyết được đánh giá là có nhiều hiệu quả và cũng là xu thế hiện nay là phát triển các nguồn điện phân tán (Distributed Generation - DG) như: điêzel, thuỷ điện nhỏ, điện mặt trời, điện gió để cung cấp điện tại chỗ cho phụ tải, góp phần giảm áp lực về nguồn cho lưới điện Quốc gia

Ở nước ta trong thời gian gần đây, wind power ( WP ) đã và đang phát triển mạnh

mẽ, một số lượng lớn các nguồn WP đã đi vào vận hành Nhưng qua thực tế vận hành các LĐPP với những WP này cũng đã đặt ra nhiều vấn đề cần giải quyết

Với sự đa dạng của công nghệ máy phát điện phân tán, và sự phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên của chúng đã gây ra một số ảnh hưởng nhất định đến chất lượng điện

áp và mức ổn định điện áp ở khu vực có WP kết nối lưới điện Bối cảnh này đặt ra nhiều bài toán cần quan tâm nghiên cứu như: ảnh hưởng của nguồn phân tán đến chất lượng điện áp, giới hạn ổn định điện áp của nguồn WP trong các LĐPP, giải pháp để nâng cao

ổn định điện áp ở các vị trí kết nối nguồn WP với lưới điện

Đề tài luận văn đã chọn nhằm nghiên cứu giải quyết một số vấn đề liên quan đến các nội dung nói trên

2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trong thực tế, công tác thiết kế và vận hành các LĐPP có kết nối nguồn WP đã đặt

ra hàng loạt các yêu cầu liên quan như: vấn đề đánh giá ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế

kỹ thuật khi WP tham gia vào quá trình cung cấp điện; về ảnh hưởng của WP đến mức độ

ổn định của các nút kết nối WP trong LĐPP Bởi vì, khi lưới điện ngày càng phát triển

và sự tham gia ngày càng đa dạng của nguồn điện WP thì các yêu cầu về nâng cao chất lượng điện năng, cải thiện độ tin cậy cung cấp điện và nâng cao mức ổn định chung của lưới điện cũng luôn được quan tâm chú ý Vì vậy bài toán nghiên cứu mức độ ổn định điện áp của LĐPP khi có nguồn WP và các phương pháp đánh giá mức độ tin cậy trong lưới điện có nguồn WP được đề xuất Yêu cầu này được thiết lập do đặc tính công suất của chúng phụ thuộc nhiều vào các yếu tố tự nhiên

Liên quan đến nội dung đánh giá mức độ ổn định điện áp, luận văn sẽ đánh giá mức độ ổn định của LĐPP khi có kết nối nguồn WP không đồng bộ (KĐB) tuabin gió Ở đây việc xem xét và đảm bảo ổn định điện áp tại nút kết nối WP sẽ được đề cập, bởi vì nút kết nối ổn định sẽ mang ý nghĩa đảm bảo ổn định cho LĐPP, giúp người vận hành có thể nhận biết được các tình huống "nguy hiểm" có thể xảy ra với LĐPP có WT không đồng

3 MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN

Đề tài nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tế các lưới điện địa phương, cho các dạng nguồn WP đang phát triển mạnh ở nước ta; do vậy nghiên cứu có nhiều ý nghĩa thực tiễn khi ứng dụng trong thực tế Nội dung ứng dụng bao gồm:

- Luận văn xây dựng một công cụ tính toán giới hạn ổn định điện áp tại nút kết nối

DG không đồng bộ dựa trên đặc tính tĩnh của chúng Kết hợp công cụ này với chỉ tiêu phân tích sụt áp nút, luận văn đã đánh giá và xác định các nút yếu trong LĐPP

có WP không đồng bộ và đề xuất giải pháp nâng cao mức ổn định

- Tính toán độ dự trữ ổn định cho từng kịch bản vận hành

Kết quả nội dung này được phân tích dựa trên lưới điện thực tế ở Ninh Thuận có kết nối nguồn điện gió, trong đó luận văn đề cập với 2 loại máy phát điển hình của tuabin gió: loại không đồng bộ rôto lồng sóc và loại không đồng bộ rôto dây quấn

4 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Cấu trúc luận văn bao gồm phần mở đầu, nội dung các chương và kết luận chung:

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN

CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Vấn đề giải quyết bài toán năng lượng cho mỗi quốc gia và trên toàn thế giới là bài toán nan giải nhất toàn cầu hiện nay và cũng là một trong những nguyên nhân sâu xa để xảy ra nhiều cuộc xung đột cấp quốc gia… Nguồn năng lượng được sử dụng chủ yếu các nguồn năng lượng hóa thạch (khoảng 80%) như: than, dầu mỏ, các sản phẩm từ dầu mỏ, khí thiên nhiên…

Tuy nhiên việc lạm dụng nguồn năng lượng này dẫn đến nhiều vấn đề:

- Trữ lượng nguồn năng lượng hóa thạch là hữu hạn và nếu lượng tiêu thụ năng lượng hóa thạch của thế giới trong thời gian tới vẫn tăng thì dần dần chúng ta sẽ phải phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch giá cao Khi giá cả thị trường tăng lên việc ứng dụng kỹ thuật khai thác tiên tiến hơn để lấy được năng lượng hóa thạch từ những địa tầng sâu hơn cũng được đẩy mạnh và như vậy trữ lượng năng lượng hóa thạch có khả năng khai thác cũng sẽ tăng lên Nhưng nếu khai thác đến một nửa trữ lượng của mỗi mỏ thì dù trữ lượng còn đó cũng sẽ dẫn đến suy giảm năng suất và có thể chuyển sang sụt giảm sản lượng Tác hại của việc sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch:

- Nhiên liệu hóa thạch như dầu, than, khí tự nhiên khi đốt cháy sẽ thải ra CO2, sulfur oxide (SOx), nitrogen oxide (NOx) Khi nồng độ của CO2 trong không khí tăng lên thì nhiệt độ trái đất sẽ tăng lên Người ta dự đoán rằng nếu nhân loại cứ tiếp tục đốt các nhiên liệu hóa thạch như thế này và khí CO2 vẫn tiếp tục tăng lên thì sau 100 năm, nhiệt độ trung bình của trái đất sẽ tăng lên hai độ làm ảnh hưởng rất lớn đối với trái đất

- Ngoài ra, SOx, NOx là nguyên nhân tạo ra hiện tượng mưa acid gây ra những tác hại to lớn đối với động thực vật trên trái đất

Năng lượng đang sử dụng trên thế giới hiện nay nếu quy ra dầu thì gần 8,5 tỷ tấn, trong đó 40% là dầu, than khoảng 26% và khí thiên nhiên khoảng 24%, 10% là năng lượng khác Lượng tiêu thụ năng lượng khác nhau tùy theo mỗi quốc gia Ở các nước

thấp hơn 1/10 so với ở các nước phát triển Nhưng sự gia tăng dân số và tăng trưởng kinh

tế của các nước đang phát triển làm người ta dự báo rằng trong thời gian tới nhu cầu năng lượng của thế giới tăng lên sẽ tập trung chủ yếu ở các quốc gia đang phát triển

- Tổng dân số thế giới năm 1996 vào khoảng 5,8 tỷ người, nhưng được dự báo đến năm 2025 là 8 tỷ và sẽ đạt tới 9,8 tỷ vào năm 2050, trong đó dân số của các nước đang phát triển sẽ chiếm khoảng 80% Giả sử, mức tiêu thụ năng lượng của các nước đang phát triển sẽ tăng gấp 2 lần so với hiện nay thì chúng ta sẽ phải đối mặt với một thời kỳ rất khó khăn trong việc đáp ứng cung và cầu của năng lượng hóa thạch mà chủ yếu là dầu mỏ và rồi nguồn tài nguyên hữu hạn này đến một ngày nào đó sẽ rơi vào tình trạng cạn kiệt

- Dạng năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch là năng lượng mặt trời, năng lượng từ sức gió, năng lượng sóng biển… Các dạng năng lượng mới này cần phải phát triển, khai thác để sử dụng

Có một giải pháp có thể nhanh chóng nâng cao sản lượng điện, đáp ứng nhu cầu điện năng trong một thời gian không lâu đó là xây dựng các trạm điện bằng sức gió Các máy phát điện lợi dụng sức gió đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác

Việc nghiên cứu và ứng dụng về năng luợng gió cũng đã tiến hành rất nhiều nhưng phần lớn là nghiên cứu ứng dụng phát điện công suất lớn, kết nối với lưới điện quốc gia

và mục tiêu là phục vụ thương mại

Kết quả điều tra sơ bộ của Bộ Công Thương cho thấy, 8,6% diện tích đất của Việt Nam được đánh giá là những vùng có tiềm năng lớn để phát triển năng lượng gió, nhất là các tỉnh phía Nam, ước tính sản lượng vào khoảng trên 1.780 MW Riêng tại Ninh Thuận, Bình Thuận, Trà Vinh và Sóc Trăng, tổng công suất khai thác ước tính có thể lên tới 8.000 MW

Theo đánh giá của các nhà khoa học, tiềm năng gió của Việt Nam (trên độ cao 65 m) rất khả quan, ước đạt 513.360 MW, lớn hơn 200 lần công suất nhà máy thủy điện Sơn La

và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020

Khi sử dụng năng lượng gió có những thuận lợi như sau:

hóa thạch, năng lượng hạt nhân

- Không gây ô nhiễm môi trường khi tuabin vận hành sản xuất điện năng

- Là nguồn năng lượng gần như không bao giờ cạn kiệt

- Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần thiết

- Việc lắp đặt và xây dựng các tuabin gió tương đối nhanh

- Mặc dù chi phí tổng của năng lượng gió hiện nay có giá đắt hơn nhiều so với nguồn năng lượng truyền thống, nhưng nó không bị ảnh hưởng bởi giá nguyên liệu và sự gián đoạn cung cấp

- Tạo ra nhiều công ăn việc làm hơn so với các nhà máy năng lượng khác, khi cùng sản xuất ra một đơn vị năng lượng Một Megawatt điện gió cần từ 2,5 – 3,0 nhân công làm việc

- Các tuabin gió mang lại nhiều lợi ích kinh tế cho nông dân và các chủ đất từ nguồn thu cho thuê đất nơi đặt các máy phát điện gió, mà không làm ảnh hưởng đến việc canh tác ngay trên mảnh đất đó

Công nghệ năng lượng gió có thể thay đổi cho nhiều ứng dụng có công suất từ nhỏ đến lớn Thời gian từ khi khảo sát đến lắp đặt và vận hành ngắn và có những thuận lợi khác mà các nhà máy điện kiểu truyền thống không làm được

Do vậy, với năng lượng gió ở Việt Nam sẽ thuận lợi khi dùng các loại máy phát điện gió công suất nhỏ sẽ phù hợp với tiềm năng gió của Việt Nam Những loại máy phát điện gió công suất nhỏ phù hợp với các vùng ở nông thôn, các vùng hải đảo và những vùng có tốc độ gió trung bình thay đổi nhiều Khi đi vào sản xuất các loại máy phát điện gió công suất nhỏ có hiệu suất cao thì thường chi phí sản xuất khá cao và khó khăn trong việc sản xuất hàng loạt Vấn đề đặt ra là cần tìm được loại máy phát điện có giá thành thấp, hiệu suất cao, điều khiển và vận hành dễ dàng

1.2 CÁC KIỂU TUABIN GIÓ

1.2.1 Cấu tạo chung

Tuabin gió sẽ chuyển đổi động lực của gió thành năng lượng cơ Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những công việc như là bơm nước, truyền động cho các máy

năng lượng điện

Thành phần chính của tuabin gió phục vụ cho việc chuyển từ năng lượng cơ thành năng lượng điện như hình 1.1

Hình 1.1: Sơ đồ khối của tuabin gió

Trong thực tế có hai loại tuabin gió, đó là tuabin gió trục đứng và tuabin gió trục ngang

1.2.2 Tuabin gió trục đứng và trục ngang

Có nhiều kiểu thiết kế khác nhau cho tuabin gió và được phân ra làm hai loại cơ bản: Tuabin gió trục ngang và tuabin gió trục đứng Các cánh quạt gió thường có các dạng hình dáng: cánh buồm, mái chèo, hình chén đều được dùng để “bắt” năng lượng gió và tạo ra moment quay trục tuabin

Tuabin gió trục ngang có rotor kiểu chong chóng với trục chính nằm ngang Số lượng cánh quạt có thể thay đổi, tuy nhiên thực tế cho thấy loại 3 cánh là có hiệu suất cao nhất Loại tuabin này có các thành phần cấu tạo nằm thẳng hàng với hướng gió, cánh quạt quay sẽ truyền chuyển thông qua bộ truyền động tăng tốc và đến máy phát Loại tuabin trục ngang không bị ảnh hưởng bởi sự xáo trộn luồng khí, nhưng yêu cầu phải có một hệ thống điều chỉnh hướng gió bằng cơ khí để đảm bảo các cánh quạt luôn luôn hướng thẳng góc với chiều gió, hình 1.2 a

Tuabin gió trục đứng có cánh nằm dọc theo trục chính đứng Loại này không cần phải điều chỉnh cánh quạt theo hướng gió và có thể hoạt động ở bất kỳ hướng gió nào Việc duy tu bảo quản và duy trì vận hành dễ dàng vì các bộ phận chính như máy phát, hệ thống truyền động đều được đặt ngay trên mặt đất Tuy nhiên nó cần có không gian rộng hơn cho các dây chằng chống đỡ hệ thống, hình 1.2 b

a) b)

Hình 1.2: Cấu tạo cơ bản tuabin a) trục đứng và b) trục ngang

1.3 CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN DÙNG TRONG TUABIN GIÓ

Máy phát là một trong những thành phần quan trọng nhất của hệ thống năng lượng gió Ngược lại với các máy phát điện sử dụng năng lượng thông thường, máy phát điện của một tuabin gió làm việc theo mức năng lượng dao động với các biến thể của tốc độ gió Các loại máy phát điện khác nhau được sử dụng cho máy phát gió, những tuabin gió nhỏ được trang bị một máy phát điện một chiều với công suất vài kW, những hệ thống lớn hơn thì sử dụng máy phát điện xoay chiều 3 pha Trong những quy mô lớn thì hệ thống gió được tích hợp với lưới điện Máy phát điện xoay chiều 3 pha là sự lựa chọn hợp lý nhất trong việc lắp đặt những tuabin gió Những máy phát này có thể là máy phát cảm ứng (máy điện không đồng bộ) hay máy phát đồng bộ

Hầu hết các tuabin gió được trang bị máy phát cảm ứng Chúng thì đơn giản, xây dựng dễ dàng và cung cấp những hiệu quả tốt ở những điều kiện vận hành khác nhau Máy phát cảm ứng tương đối rẻ tiền và ít yêu cầu về bảo dưỡng và bảo trì

1.4 ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN WP ĐẾN CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH LĐPP

Với các đặc tính công suất phát không ổn định và phụ thuộc điều kiện tự nhiên của

WP (tốc độ gió) nên trong quá trình vận hành chúng gây ra những tác động nhất định đến chế độ vận hành LĐPP Do vậy, cho đến nay các nghiên cứu cũng chủ yếu tập trung xem xét các ảnh hưởng mang tính địa phương của WP, các ảnh hưởng này bao gồm:

- Ảnh hưởng đến chất lượng điện năng và ổn định điện áp đối với các LĐPP,

- Ảnh hưởng đến cấu hình lưới điện, đến phối hợp bảo vệ rơle,

Các ảnh hưởng mang tính hệ thống (ảnh hưởng đến tần số) ít được xem xét do quy

mô công suất của WP thường nhỏ hơn nhiều so với công suất chung của hệ thống điện Cho đến nay hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào việc phân tích tính hợp lý trong cung cấp điện và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng khi kết nối WP Vì vậy, không chỉ ở Việt Nam mà ở nhiều nước khác thì vấn đề nâng cao tính hợp lý, cải thiện hiệu quả làm việc của LĐPP có WP luôn được đặt lên hàng đầu Lý do dễ thấy là LĐPP luôn thay đổi và mở rộng, trong khi số lượng WP tham gia ngày càng lớn và ngày càng đa dạng về công nghệ và chủng loại

1.4.1 Bài toán đánh giá ảnh hưởng của WP đến chất lượng điện năng LĐPP

Bài toán này thường được xem xét bằng cách phân tích các chỉ tiêu về chất lượng điện áp, tổn thất công suất hay độ tin cậy cung cấp điện trước và sau khi kết nối WP Do

đó để có những cảm nhận rõ ràng hơn về những ảnh hưởng đến chất lượng điện năng từ các WP, rất cần thiết phải có những kết quả mô phỏng thực tế

Với các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng nói chung, nếu gọi XWP và Xk_WP lần lượt là các đại lượng đặc trưng cho chất lượng điện năng của LĐPP khi hệ thống có và không có WP thì chỉ tiêu này được biểu diễn bởi:

% =

Dựa vào giá trị và dấu của X% cho phép đánh giá được ảnh hưởng của WP khi tham gia vào lưới điện, nó đặc trưng cho việc đánh giá ảnh hưởng của WP đến chất lượng điện áp, hiệu quả giảm tổn thất công suất hoặc độ tin cậy CCĐ Công cụ này cho phép đánh giá

chất lượng điện năng khá đơn giản và hiệu quả, tuy nhiên với từng trường hợp cụ thể khi

mô tả thực nghiệm ta cũng cần phải có những phương pháp xác định chỉ tiêu X một cách phù hợp

Chỉ tiêu đánh giá mức độ ổn định điện áp cũng thuộc nội dung bài toán này, tuy nhiên do tính chất phức tạp của bài toán ổn định nên nó thường được nghiên cứu riêng biệt với các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng thông thường Ở đây các chỉ số dùng

để phân tích đều dựa trên việc thiết lập công cụ đánh giá mức độ ổn định tại nút trước và sau khi kết nối WP Cách tiếp cận để xây dựng các chỉ số này dựa trên việc giải bài toán phân bố công suất, thiết lập ma trận Jacobi, xét dấu của ma trận để thành lập các chỉ số ổn định hoặc phân tích dựa trên tiêu chuẩn ổn định thực dụng

1.4.2 Bài toán đảm bảo chất lượng điện áp và ổn định điện áp của LĐPP có WP

Bài toán này được đặt ra với nhiệm vụ đảm bảo chất lượng điện áp cho các phụ tải trong LĐPP khi có WP Sự khác biệt cơ bản ở đây là bài toán phân tích ổn định điện áp thường được đặt ra với các WP sử dụng máy điện KĐB, do khả năng phát công suất phản kháng hạn chế của chúng Thực chất của quá trình nghiên cứu này là nghiên cứu quá trình dẫn đến mất ổn định nút kết nối WP trong LĐPP, các đánh giá này thường dựa trên các tiêu chuẩn ổn định

Với các hướng tiếp cận tĩnh và động, có thể mô tả bài toán phân tích ổn định điện

áp trong LĐPP có nguồn WP không đồng bộ như sau: Cho sơ đồ LĐPP có WP không đồng bộ (hình 1.3) Ở hình này, T là nút kết nối chung các WP; HT là nút hệ thống; δ1 và

δ2 lần lượt là góc pha điện áp giữa nút HT và nút T Mục đích ở đây là xác định giới hạn

ổn định điện áp tại nút T để tìm hướng cải thiện mức ổn định điện áp nút

Hình 1.3 Sơ đồ lưới điện phân phối có kết nối nguồn điện phân tán

Hiện có 2 hướng chính để giải quyết bài toán này:

Thứ nhất: Sử dụng mô hình chi tiết: mô tả mối quan hệ công suất tác dụng, phản kháng của WP theo điện áp và hệ số trượt (s) Mô hình này của WP được kết nối với LĐPP và các phụ tải tổng hợp, cho biến thiên thông số phía hệ thống theo hướng mất ổn định để tìm giới hạn làm việc của phụ tải và WP

Theo hướng này thì các phép tiếp cận động, phân tích giá trị trị riêng, hay phương pháp tính liên tục chế độ xác lập thường được ứng dụng để phân tích Các phép kết hợp giữa mô phỏng tĩnh - động cũng được dùng rộng rãi để nghiên cứu các vấn đề ổn định điện áp, có xét đến mô hình các thiết bị như: máy phát, thiết bị bù, kích từ

Cách tiếp cận này thường gặp ở các nghiên cứu về lưới điện cao áp [6] có kết nối nguồn WP công suất lớn Kịch bản hay đặt ra ở đây là đảm bảo ổn định điện áp và ổn định động cho WP khi xuất hiện các kích động lớn ngẫu nhiên xảy ra trong HTĐ Hướng nghiên cứu này cũng gặp một số khó khăn do mô hình bài toán phức tạp, xác định bởi những hệ phương trình trạng thái xác lập hệ thống liên quan đến thông số của máy điện

và các phần tử trong HTĐ Tuy nhiên do thường đem lại kết quả khá chính xác nên khá nhiều nghiên cứu đề cập theo cách tiếp cận này

Thứ hai: Đẳng trị các WP về một nút kết nối chung (nút T), coi nút này như một nút PV hoặc PQ, sau đó sử dụng các công cụ giải tích hoặc chương trình mô phỏng để xác định giới hạn ổn định điện áp ở nút quan tâm Thực chất của phép biến đổi này là sử dụng mô hình quan hệ công suất giữa nút T và nút HT, sau đó thành lập biểu thức xác định điện áp và công suất giới hạn khi mô hình phụ tải thay đổi

Với các WP có công suất nhỏ kết nối LĐPP, mức giới hạn ổn định điện áp thường được đánh giá qua hướng tiếp cận này [2], [4] nhằm tìm hiểu các đáp ứng của LĐPP và giới hạn làm việc của các nút khi có sự thay đổi công suất phát từ WP Thực tế, do WP là nguồn phát thiếu tính ổn định, công suất thường khá nhỏ nên hầu hết các nghiên cứu về

WP trong các HTĐ đều coi chúng như một nút PQ Điều này cho phép có thể làm đơn giản hoá các sơ đồ LĐPP phức tạp Ưu điểm của cách tiếp cận này là:

- Khối lượng tính toán giảm đáng kể;

- Cho phép nghiên cứu chất lượng điện áp ngay tại nút kết nối chung (nhiều WP) và

Có một hướng khác, đó là kết hợp ưu điểm của 2 cách tiếp cận trên Điều này cho phép kết hợp giữa phân tích trào lưu công suất khi sử dụng mô hình đẳng trị và sử dụng các tiêu chuẩn ổn định thực dụng khi sử dụng mô chi tiết, từ đó đưa ra các kết quả chính xác hơn khi coi WP là các nút PQ hay PV Luận văn sẽ kết hơp ưu điểm của 2 hướng trên

để thiết lập mô hình nghiên cứu ổn định tại nút kết nối WP

1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

Quy mô, công suất WP và LĐPP ở Việt Nam trong thời gian qua phát triển nhanh ở nhiều địa phương Vì vậy luận văn sẽ đi sâu giải quyết các vấn đề cấp thiết mà công tác vận hành ở Điện lực các địa phương đang đặt ra là nghiên cứu ổn định điện áp tại nút kết nối nguồn WP không đồng bộ trong LĐPP và đề xuất các biện pháp nâng cao ổn định điện áp

Liên quan đến bài toán phân tích ổn định điện áp, bài toán này được đặt ra với các

WT sử dụng máy phát không đồng bộ (loại WT tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây mất ổn định điện áp nhất) Thực chất của bài toán này là đánh giá ảnh hưởng của công suất phản kháng trên lưới khi WT thay đổi công suất phát Sự thay đổi này được thể hiện qua hệ số trượt (s) của WT, giá trị này lại phụ thuộc điện áp tại nút kết nối WP Do đó sự thay đổi công suất của WT sẽ có tác động nhất định đến sự làm việc bình thường của LĐPP, việc đảm bảo ổn định tại nút kết nối WP lúc này sẽ mang ý nghĩa đảm bảo ổn định điện áp chung cho LĐPP

Ở đây, hướng tiếp cận tĩnh, trong đó sử dụng các tiêu chuẩn ổn định và phân tích đặc tính PU được luận văn lựa chọn nhằm tìm hiểu các đáp ứng của nút kết nối WP khi

có sự thay đổi công suất phát từ nguồn này Ngoài ra, để phát hiện nguy cơ mất ổn định điện áp tại nút kết nối, cũng cần có các chỉ tiêu định lượng về mức độ ổn định Đây là một nội dung phức tạp trong các bài toán nghiên cứu ổn định điện áp Tuy nhiên trong điều kiện vận hành thì bài toán phân tích ổn định cũng có những yếu tố thuận lợi như: không đòi hỏi độ chính xác cao, có những điều kiện đã biết trước (chỉ quan tâm khi nào

có thể mất ổn định) Đó cũng là những nội dung mấu chốt cho phép áp dụng những chỉ tiêu thực dụng để phân tích ổn định điện áp Trên tinh thần đó, trong phần này luận văn sẽ

đề cập giải quyết các vấn đề:

- Xây dựng mô hình nguồn WP sử dụng máy điện không đồng bộ và nghiên cứu các phương pháp, chỉ tiêu đánh giá giới hạn ổn định điện áp nút kết nối WP trong LĐPP;

- Xây dựng phương pháp đánh giá giới hạn ổn định điện áp trong LĐPP có WP;

- Áp dụng tính toán thực tế cho LĐPP có WP ở Việt Nam Chi tiết các nội dung trên sẽ được trình bày trong các chương tiếp theo của luận văn

CHƯƠNG 2

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN CÓ KẾT NỐI

NGUỒN ĐIỆN GIÓ

2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ở các lưới điện phân phối (LĐPP) không có kết nối nguồn điện phân tán (DG), hiện tượng mất ổn định điện áp thường xảy ra khi tăng tải mạnh hay thay đổi các điều kiện vận hành Các thay đổi đó làm cho quá trình giảm áp xảy ra và có thể rơi vào tình trạng không thể điều khiển điện áp, gây ra sụp đổ điện áp Nhân tố chính gây mất ổn định điện áp là LĐPP không có khả năng đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng Các thông số

có liên quan đến sụp đổ điện áp là công suất tác dụng và phản kháng của mạng điện

Khi có kết nối DG, như: các nguồn thuỷ điện nhỏ, các cụm máy phát Điezel, các máy phát không đồng bộ của tuabin gió thì vấn đề này lại trở nên phức tạp hơn do các

WP thường tiềm ẩn nhiều yếu tố gây mất ổn định điện áp Nếu các DG là máy phát đồng

bộ thì nó có thể bị mất ổn định đồng bộ (ổn định góc lệch) Nếu DG là loại không đồng bộ thì nó không phát công suất phản kháng (thậm chí tiêu thụ công suất phản kháng), cho nên DG có thể ảnh hưởng chung đến ổn định điện áp toàn lưới, đồng thời có thể gây mất

ổn định tại chính bản thân nó bởi không còn cân bằng mômen làm việc Đây chính là trường hợp LĐPP kết nối nguồn WP với các máy điện không đồng bộ (KĐB)

Do vậy, việc nghiên cứu ổn định điện áp trong LĐPP có WP gắn với việc tìm hiểu

cơ chế gây mất ổn định điện áp, đồng thời phân tích độ tin cậy làm việc ổn định (đủ hệ số

dự trữ ổn định) của bản thân các WP Chương này chủ yếu nghiên cứu các vấn đề đảm bảo ổn định điện áp cho máy điện KĐB của các tuabin gió làm việc trong LĐPP Trước hết, luận văn sẽ phân tích ổn định điện áp trong LĐPP có máy điện KĐB, sau đó xây dựng công cụ phân tích ổn định điện áp tại nút kết nối chung

2.2 CÁC BÀI TOÁN PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP KHI CÓ CÁC WP

2.2.1 Ổn định điện áp nút có động cơ không đồng bộ

Ổn định điện áp nút có động cơ KĐB (ổn định phụ tải), là khả năng làm việc lâu dài của động cơ KĐB trong hệ thống điện khi điện áp lệch đáng kể so với điện áp danh định, hoặc khi cơ cấu truyền động quá tải Khi mất ổn định phụ tải, các động cơ KĐB có

thể bị tự hãm hàng loạt, làm cho điện áp trong lưới điện giảm đột ngột, và dẫn đến mất ổn định của hệ thống điện Khi phân tích ổn định điện áp nút có động cơ KĐB người ta thường dựa vào chính đặc tính mômen của chúng Sơ đồ thay thế đơn giản của động cơ KĐB và quan hệ giữa công suất điện (Pm) của động cơ với hệ số trượt s cho trong hình 2.1a,b Khi làm việc, nếu giả thiết công suất cơ (Pc) là hằng số thì theo điều kiện cân bằng công suất Pc = Pm, động cơ sẽ làm việc ở điểm a và b như hình 2.1

Hình 2.1 Sơ đồ thay thế động cơ và quan hệ P m (s)

Ta xét điểm a: nếu vì một kích động nào đó hệ số trượt s tăng, công suất điện sẽ lớn hơn công suất cản cơ khí của máy công cụ, động cơ sẽ quay nhanh lên, hệ số trượt s giảm về trị số ban đầu Nếu kích động làm s giảm, thì công suất điện sẽ nhỏ hơn công suất cản cơ khí, động cơ quay chậm lại, s tăng về giá trị ban đầu Như vậy chế độ làm việc tại điểm a là ổn định Với điểm b: khi s tăng thì công suất điện nhỏ hơn công suất cản của máy công cụ, động cơ (ĐC) quay chậm lại rồi dừng hẳn, khi đó ĐC rơi vào trạng thái như

bị ngắn mạch, để lâu sẽ dẫn đến cháy ĐC Khi s giảm thì công suất điện lớn hơn công suất

cơ làm động cơ càng quay nhanh hơn và di chuyển về điểm a, như vậy điểm b là điểm không ổn định

Như vậy ĐC chỉ có thể làm việc với điểm cân bằng a Chế độ làm việc giới hạn của ĐC theo đặc tính này thường xảy ra khi điện áp nút cung cấp giảm, dẫn đến công suất điện cực đại Pm-gh cũng giảm đi và đến điện áp giới hạn (Ugh) nào đó thì ĐC sẽ mất ổn định, tức sẽ ngừng quay Với trường hợp Pc ≠ hằng số thì giá trị Ugh sẽ thấp hơn nhiều

Khi lưới điện có các ĐC công suất lớn, điện áp trên cực ĐC sẽ biến đổi theo sự biến đổi của công suất ĐC Đặc tính của ĐC phụ thuộc điện áp nút cung cấp, nên nếu một

phải do tăng trưởng phụ tải ĐC hay thay đổi công suất của ĐC, bởi nguyên nhân gây ra mất ổn định là sự giảm thấp điện áp nút cung cấp Nút kết nối ĐC cần kiểm tra cho các trạng thái nguy hiểm dẫn đến giảm thấp điện áp là mục tiêu của bài toán này Ngoài ra điều kiện để ĐC làm việc ổn định còn phụ thuộc vào đặc tính mômen cản của máy công

cụ, phải khởi động thành công (mômen mở máy lớn hơn mômen cản)

2.2.2 Ổn định điện áp nút phụ tải tổng hợp

Nút tải tổng hợp thường được xét như nút thanh cái các trạm biến áp phân phối trong phạm vi lưới trung áp (hình 2.2) Trong trường hợp này, đặc tính công suất lấy ra từ nút phụ thuộc tổng hợp các trang thiết bị điện nhận công suất từ trạm phân phối, trong đó động cơ KĐB chiếm tỷ lệ cao (50-80)% nên chúng có ý nghĩa quyết định đến đặc tính công suất Trong trường hợp này, như đã biết sơ đồ lưới lúc vận hành luôn có dạng hình tia (lưới kín vận hành hở), phụ tải nút là phụ tải tổng hợp

Hình 2.2 đặc điểm sơ đồ lưới điện trung áp

Với mỗi nút i, công suất nguồn chỉ do nhánh nối về phía nguồn cung cấp Tuy nhiên công suất tải (tổng công suất lấy ra từ nút) bao gồm không những công suất phụ tải tổng hợp tại nút mà còn của nhánh lấy công suất ra từ nút này (cung cấp cho phụ tải phía sau) Nói khác đi tương quan đặc tính công suất nút phụ thuộc phụ tải toàn lưới Do đó dễ nhận thấy rằng kịch bản nguy hiểm nhất là kịch bản tăng đồng thời công suất tác dụng tại mọi nút phụ tải trong lưới (theo cùng tỷ lệ) cho đến lúc mất ổn định Để xét đến ảnh hưởng gây sụt áp từ phía hệ thống, sơ đồ tính toán lúc này cần xét đến tổng trở hệ thống (tính được thông qua công suất ngắn mạch)

2.2.3 Ổn định điện áp nút có các máy phát đồng bộ công suất nhỏ

Trong trường hợp này thực chất là nghiên cứu điều kiện ổn định máy phát công

đường dây truyền tải, có máy phát thủy điện nhỏ tham gia phát một phần công suất cho phụ tải lân cận Trong trường hợp này máy phát dễ bị mất ổn định khi phụ tải cao Ta hãy xét một sơ đồ đơn giản như hình 2.3 Ở đây máy phát đồng bộ công suất nhỏ không đủ công suất để cung cấp cho phụ tải địa phương, luôn có một công suất đáng kể truyền từ đường dây về nút mới đảm bảo được cân bằng công suất Giả thiết điện áp trên thanh cái

hệ thống (UHT) được giữ không đổi Hệ thống nhỏ đang xét được đẳng trị bằng một máy phát và một phụ tải tập trung Công suất PF, QF cấp đến nút phụ tải được coi là đã ở giới hạn có thể (đã cho) Khi đó tương quan cân bằng công suất tác dụng như trên hình 2.3b

Hình 2.3 Hệ thống điện có các máy phát đồng bộ công suất nhỏ

Đặc tính công suất PF∑ = P11 + P12m sin(δ - α12) = P11 + P12(δ) bao gồm 2 thành phần: công suất nhận về từ đường dây P12(δ) và thành phần không đổi P11 (bằng công suất phụ tải Pt cộng với tổn hao) Vì hệ thống thiếu công suất nên PF < P11 và điểm cân bằng

ổn định ứng với góc δ0 < 0 Dễ thấy, sự biến thiên phụ tải là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ thống, bởi khi tăng (giảm) công suất phụ tải P11 đặc tính công suất

sẽ được nâng cao lên hay hạ thấp xuống ảnh hưởng đến điểm cân bằng ổn định δ0 Ngoài

ra, khi giảm công suất tuabin (cũng có nghĩa là giảm công suất máy phát) cũng có nguy

cơ dẫn đến mất ổn định (điểm cân bằng hạ xuống chuyển dần đến trị số giới hạn) Đặc tính này khác với ổn định máy phát ở các nhà máy điện lớn luôn phát công suất thừa vào

hệ thống, do đó cần phải được tính toán phân tích đầy đủ

2.2.4 Ổn định điện áp nút có các máy điện không đồng bộ (KĐB)

Có 2 loại máy điện KĐB chủ yếu là: loại rôto lồng sóc và loại rôto dây quấn (hình2.4) Máy điện KĐB rôto lồng sóc (hình 2.4a) về nguyên tắc hoạt động giống như động cơ KĐB, nghĩa là: sẽ tiêu thụ công suất Q từ hệ thống để duy trì từ trường quay giữa cuộn stato và rôto Mômen kéo của tuabin sẽ cân bằng với mômen điện từ (cản) tại điểm cân bằng ổn định b như hình 2.1b Máy điện có thể mất ổn định nếu tuabin tăng công suất quá giới hạn Pm-gh (hình 2.1b) hoặc điện áp lưới bị giảm thấp làm đặc tính công suất điện

từ hạ xuống Máy điện loại này không có khả năng phát hay điều chỉnh công suất Q Với loại máy điện KĐB rôto dây quấn (hình 2.4b), có khả năng cấp điện cho lưới từ rôto và stato, còn được gọi là máy điện KĐB nguồn kép (DFIM) Stato của máy điện này nối trực tiếp với lưới điện còn rôto nối với lưới thông qua bộ biến đổi kiểu "back to back"

Hình 2.4a Máy điện KĐB rôto lồng sóc Hình 2.4b Máy điện KĐB rôto dây quấn

Trong trường hợp chung, công suất phản kháng của máy điện KĐB phụ thuộc điện

áp nút kết nối và hệ số trượt: Q = f(U,s) Nếu vì nguyên nhân nào đó (từ phía hệ thống), điện áp tại nút kết nối suy giảm, sẽ dẫn đến công suất phát của máy điện bị giảm, và kết quả là quá trình dẫn đến mất ổn định điện áp càng diễn ra nhanh hơn Mặt khác khi điện

áp nút kết nối máy điện giảm, thì hệ số trượt tăng và công suất điện phát ra bị giảm theo Với mức độ suy giảm điện áp tới khoảng 70% điện áp danh định, quá 100ms thì máy điện

sẽ phải thường xuyên tách ra khỏi lưới bất kỳ lúc nào nhằm tránh trường hợp mất cân bằng công suất do máy phát điện lúc này tiêu thụ quá nhiều công suất Q Một cách tổng quát có thể thấy rằng: nếu điện áp nút kết nối suy giảm càng nhiều thì mức độ mất cân

Việc máy điện có thể trở lại làm việc ổn định hay không tùy thuộc vào mức độ suy giảm điện áp nút kết nối

2.2.5 Nhận xét chung

Qua nghiên cứu điều kiện làm việc của các động cơ KĐB, nút tải tổng hợp trong LĐPP, nút có các WP đã cho thấy: điện áp nút kết nối các WP có ý nghĩa rất quan trọng trong việc đảm bảo điều kiện làm việc ổn định cho LĐPP và của chính WP, bất kỳ một sự biến động nào (nguyên nhân phía hệ thống) đều có nguy cơ gây mất ổn định cho máy điện

Với các WP đồng bộ có khả năng phát công suất phản kháng và điều chỉnh điện

áp, việc đảm bảo tính ổn định cho WP này trong LĐPP thường dễ đạt được hiệu quả hơn nếu máy phát được trang bị hệ thống kích từ đủ mạnh (các thuỷ điện nhỏ) Nhưng với các

WP không đồng bộ, nếu điện áp nút kết nối suy giảm thì khả năng tự điều chỉnh để trở về trạng thái làm việc bình thường sẽ khó khăn hơn nhiều, bởi bản thân chúng đã là nguồn tiêu thụ công suất Q, do đó nút kết nối này thường là nút "yếu" trên phương diện ổn định điện áp Chính vì vậy việc tính toán, xác định giới hạn ổn định điện áp cho nút kết nối máy điện KĐB tuabin gió là mối quan tâm lớn nhất khi nghiên cứu ổn định điện áp Đây cũng là lý do mà luận văn sẽ đề cập giải quyết trong chương này

2.3 MÔ HÌNH MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ TUABIN GIÓ

2.3.1 Giới thiệu

Công suất của tuabin gió chia thành 2 loại: công suất cơ và công suất điện Công suất cơ là đại lượng phụ thuộc điều kiện tự nhiên và kết cấu cơ khí của tuabin Ở một vị trí xác định, nơi có mật độ không khí là hằng số, công suất cơ của tuabin chỉ phụ thuộc tốc độ gió đầu vào Khác với công suất cơ, công suất điện phụ thuộc nhiều vào thông số của máy điện Cụ thể là phụ thuộc điện trở và điện kháng của bản thân chúng, trong đó điện kháng thay đổi theo hệ số trượt (đây là sự khác biệt so với máy điện đồng bộ quen thuộc) Để phát công suất vào lưới điện thì tốc độ rôto phải lớn hơn tốc độ đồng bộ, và gây ra hệ số trượt s

2.3.2 Mô hình máy điện không đồng bộ tuabin gió loại rôto lồng sóc

Trong trường hợp tổng quát, sơ đồ thay thế của máy điện KĐB khi rôto quay được

Hình 2.5 Mạch điện thay thế máy điện hình 2.6 quan hệ momen và hệ số

roto lồng sóc trược của máy điện KĐB

Với: U1 và I1 là điện áp định mức và dòng điện của stato;

U2 và I2 là điện áp và dòng điện phía rôto đã quy đổi sang stato;

r1 và x1 là điện trở và điện kháng dây quấn stato;

r2' và x2' là điện trở và điện kháng mạch rôto và xm là điện kháng từ hoá

Ở đây phụ tải là một điện trở giả tưởng r2'(1-s)/s Năng lượng tiêu tán trên điện trở giả tưởng tương đương với năng lượng điện biến đổi thành cơ năng trên trục của máy điện khi nó quay Với máy điện KĐB, do khe hở không khí lớn nên dòng từ hoá lớn, do đó điện kháng từ hoá xm được giữ nguyên (bỏ qua điện trở rm), tổn hao sắt được tính gộp vào tổn hao cơ, tổn hao phụ Từ mạch điện thay thế hình 2.5 ta có phương trình:

Hình 2.7 Mạch điện tương đương máy điện không đồng bộ

Kết hợp với tổng trở phía stato máy phát sẽ tìm được công suất máy điện [11]:

Phương trình công suất tác dụng và phản kháng ở trên thể hiện ảnh hưởng của tốc

độ gió đến công suất phát của máy điện, nói cách khác công suất của máy điện phụ thuộc chính vào 2 thông số: hệ số trượt và điện áp nút kết nối Dễ nhận thấy: khi điện áp giảm thấp, đến một giá trị giới hạn có thể gây mất ổn định do không giữ được cân bằng mômen Hơn nữa đặc tính mômen (hay công suất tác dụng) của máy điện ở trường hợp này có sự tương tự với động cơ KĐB Cụ thể: Ở hình 2.6 vẽ theo chiều dương công suất tác dụng tiêu thụ và hệ số trượt, ở đây dấu dương tính với tốc độ luôn nhỏ hơn tốc độ đồng bộ:

Nếu đổi dấu công suất (dấu dương với công suất phát) và tính hệ số trượt, ta sẽ có đặc tính hoàn toàn trùng với động cơ, các công thức tính toán không thay đổi (sẽ sử dụng khi

= (2.6)

2.3.3 Mô hình máy điện không đồng bộ tuabin gió loại nguồn kép (DFIM)

Máy điện loại này có khả năng cấp điện cho lưới từ rôto (thông qua bộ biến đổi công suất) và stato (hình 2.8) Bộ biến đổi này cho phép DFIM làm việc trong cả 4 góc phần tư của mặt phẳng phức, nghĩa là DFIM có khả năng phát công suất Q về lưới (điều này khác với máy điện KĐB thông thường) Công suất Q trao đổi giữa DFIM và lưới có thể được điều khiển độc lập với công suất tác dụng

Hình 2.8 Mô hình và mạch điện tương đương máy điện

DFIM Bộ biến đổi công suất phía máy phát cho ta các thuận lợi sau:

 Có khả năng điều khiển công suất phản kháng: DFIM có khả năng tiêu thụ/phát công suất phản kháng về lưới, chẳng hạn điều chỉnh điện áp (với các lưới điện yếu)

 Có thể hoàn toàn kích từ DFIM thông qua mạch rôto, độc lập với điện áp lưới

 Có khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng, công suất phản kháng, điều khiển mômen, tốc độ máy phát hoặc điều khiển hệ số công suất đầu cực stato Mục đích chính của bộ biến đổi phía lưới là để giữ cho điện áp DC-link không đổi DFIM

có khả năng hoạt động với hệ số trượt trong một phạm vi tới ± 30%, cho phép tận dụng tốt hơn nguồn năng lượng gió Với DFIM, độ lớn của mômen đặc trưng cho độ lớn của công suất phát ra (chế độ máy phát) và công suất lấy vào (chế độ động cơ) - hình 2.9a

Hình 2.9 Đặc tính mômen - tốc độ và phân bố công suất trong máy điện DFIM

Tổng công suất tác dụng của máy điện cấp điện lên lưới là tổng công suất phía rôto

(Pr = -sPs) và stato (Ps) của máy phát [6]:

PDFIM = Ps + Pr = (1-s).Ps (2.7) Phân bố công suất tác dụng giữa các cuộn dây stator và rotor của DFIM phụ thuộc vào hệ số trượt Công suất qua mạch rôto (qua bộ biến đổi công suất) ngược dấu và xấp xỉ bằng tích số của công suất cuộn stato với hệ số trượt

Tùy thuộc vào điều kiện vận hành của hệ thống, công suất qua mạch rôto có thể đi theo hai chiều: từ lưới qua bộ biến đổi công suất đến rotor, Pr < 0, ở chế độ dưới đồng bộ (hình 2.9b) và ngược lại từ mạch roto qua bộ biến đổi công suất đến lưới, Pr > 0, ở chế độ trên đồng bộ (hình 2.9c) Trong cả hai trường hợp, mạch stator đều phát công suất về lưới,

Ps > 0 Do công suất phản kháng phía rôto máy phát không đi qua bộ biến đổi, vì vậy tổng công suất phản kháng mà máy điện cấp lên lưới điện sẽ là tổng công suất phản kháng phía stato và công suất phản kháng bộ biến đổi phía lưới Tổng công suất phản kháng mà máy điện cấp lên lưới thực chất là công suất phía stato máy phát: QDFIM = Qs Từ hình 2.8

có thể xác định được quan hệ giữa dòng điện với điện áp của máy điện:

sẽ là

ZΣ(s) = [r1 + (r2'/s)] +j[x1 + x2'] = RΣ (s) +jXΣ (s)

Hình 2.10 Sơ đồ tương đương hình T và sơ đồ đơn giản của DFIM

Từ sơ đồ dễ dàng tính được công suất phía stato máy điện là [8]: Ps = Re[U1 ∗]

Hình 2.11 Mô hình mạng 2 cửa tương đương của DFIM

Từ phương trình (2.8), viết theo ma trận tổng trở, ta có:

̇ =

+ ( + ) + ( + )

Hoặc cũng có thể biểu diễn qua ma trận tổng dẫn của mạng 2 cửa tương đương:

mô hình mạng 2 cửa phía lưới điện, tạo thành sơ đồ hoàn chỉnh nghiên cứu các ảnh hưởng của DFIM đến chế độ của lưới điện

2.3.4 Nhận xét

Đặc tính mômen của máy điện KĐB khá dốc so với đặc tính động cơ KĐB, đó là

vì các WP này yêu cầu mômen khởi động nhỏ để đảm bảo yêu cầu vận hành ổn định khi chúng làm việc (phạm vi thay đổi của mômen theo hệ số trượt là khá nhỏ) Cũng với mô hình WP như đã nêu thì có thể sẽ có 2 phương thức vận hành máy điện KĐB tuabin gió: vận hành tự nhiên (không có các thiết bị điều chỉnh tại máy phát) và trạng thái vận hành khi có các thiết bị tự động điều chỉnh điện áp Tuy nhiên với cả 2 phương thức vận hành này thì công suất tác dụng của máy điện luôn vẫn thay đổi theo sự biến thiên của tốc độ gió, nên công suất phản kháng cũng luôn thay đổi tương ứng

Khi vận hành, nếu công suất phản kháng nhận về luôn tỷ lệ với công suất phát tác dụng thì nút kết nối này có thể xem như một nút PQ Trong trường hợp này, sau khi đã xác định được thông số về công suất, điện áp tại đầu cực máy phát, để tìm các chế độ làm việc giới hạn chúng ta cần tính toán chi tiết cho từng thời điểm của tốc độ gió trên đường đặc tính công suất bằng cách cho tăng dần công suất phát Khi hệ số trượt bắt đầu đổi dấu thì đó là chế độ giới hạn của máy điện Việc xác định trị số giới hạn được thực hiện trước hết nhờ giải bài toán PBCS để tìm điều kiện đầu ở mỗi thời điểm Giá trị đầu sẽ là cơ sở

để xác định giới hạn điện áp, công suất và hệ số dự trữ ổn định của hệ thống theo tốc độ gió ở mỗi thời điểm của đường đặc tính

2.3.5 Bài toán tìm điều kiện đầu và PBCS trong LĐPP có nguồn WP sử dụng máy điện không đồng bộ

Khi tính toán CĐXL thì mô hình nguồn và phụ tải đóng vai trò rất quan trọng, cần được biểu thị bằng chính đặc tính công suất của chúng Đối với riêng bài toán phân tích CĐXL của lưới điện có WP không đồng bộ, hiện có khá nhiều nghiên cứu đã đề cập và cũng có nhiều mô hình nghiên cứu khác nhau, phụ thuộc vào cấu trúc sơ đồ, công nghệ

thiết bị điều khiển, cấp điện áp của lưới điện xem xét và loại máy điện KĐB [2] Mặc dù

có nhiều cách tiếp cận khác nhau, nhưng cách thức chung nhất cho đến nay vẫn tuân theo nguyên tắc là: xác định hệ số trượt của máy điện để làm tiền đề xác định lượng công suất phản kháng mà máy điện tiêu thụ (hoặc phát ra), mà cơ sở của nó là từ chính các mô hình toán của máy điện KĐB đã được trình bày ở mục trên Trong trường hợp tổng quát, hệ số trượt được xác định từ điều kiện cân bằng công suất cơ và công suất điện, được tính toán như động cơ KĐB, từ phương trình

Giải (2.14) đến (2.16) sẽ tìm được hệ số trượt Các bước tìm điều kiện đầu như sau:

 Bước 1: Từ vận tốc gió xác định, xác định được công suất tác dụng phát ra của tuabin gió (theo đường đặc tính công suất đã biết trước)

 Bước 2: Cho trước một giá trị điện áp tại đầu cực máy điện WP

 Bước 3: Từ giá trị công suất tác dụng (ở bước 1) và điện áp đầu cực máy phát (ở bước 2), tiến hành tính toán hệ số trượt theo (2.14)

Ở bước này, các hệ số K1 đến K4 được giữ nguyên khi tính toán Khi giải phương trình (2.14) sẽ thu được 2 giá trị của s; ta chọn giá trị âm lớn nhất của s (hoặc giá trị dương nhỏ nhất nếu lấy theo chiều ngược lại của đặc tính mômen khi tính cho động cơ KĐB), bởi vì

nó nằm trong vùng ổn định của đặc tính mômen - tốc độ (hình 2.6, hình 2.9)

 Bước 4: Tính toán công suất phản kháng của máy điện KĐB theo (2.4)

 Bước 5: Giải bài toán phân bố công suất (phương pháp Newton Raphson), cập nhật lại giá trị điện áp ở đầu cực máy phát, lặp lại từ bước 3 cho đến khi hội tụ

Nếu gọi Pmi và Pri là công suất cơ và công suất điện phía rôto máy điện tại nút i thì hệ phương trình cân bằng viết cho nút kết nối thứ i trong bài toán PBCS có dạng: