Điều khiển công suất của hệ thống điện gió

Các đề tài đã được nghiên cứu liên quan đến điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống điện gió trong nước và ngoài nước 2.1.1.. Hình 2.9 Đáp ứng momen, cosφ, dòng điện rot

Chương 2 TỔNG QUAN CỦA BÀI TOÀN ĐIỀU KHIỂN CÔNG

SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

Hiện nay xu thế năng lượng mới phát triển mang tính toàn cầu Trongnhững năm 70, thế kỷ XX, một cuộc khủng hoảng năng lượng đã khiến cho cảnhân loại lo lắng về sự thiếu hụt các nguồn nhiên liệu bởi vì nguồn năng lượngtruyền thống (hoá thạch, thuỷ năng…) vốn được coi là nguồn năng lượng chủyếu hiện tại, và có thể sử dụng trong khoảng 4- 5 thập kỷ nữa giờ đây đang cạndần và trở nên đắt đỏ Đây là nguyên nhân dẫn đến các cuộc chạy đua giữa cácquốc gia trong lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng những nguồn năng lượng tái tạo Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo được loàingười đang nhắm đến cho nhu cầu năng lượng trên thế giới trong tương lai.Hiện nay, năng lượng gió đã mang đến nhiều hứa hẹn

Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh nguồn năng lượng nầy trong tương lai,con người cần hoàn chỉnh thêm công nghệ này, cũng như làm thế nào để đạtđược năng suất điện năng cao để từ đó có thể hạ giá thành và đi sâu vào thịtrường cạnh tranh với những nguồn năng lượng khác Đó là chủ đề của đề tàinghiên cứu “ Điều khiển công suất của hệ thống điện gió” hướng đến Sau đây

là một số đề tài được nghiên cứu liên quan đến điều khiển công suất của hệthống điện gió

2.1 Các đề tài đã được nghiên cứu liên quan đến điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống điện gió trong nước và ngoài nước 2.1.1 Trong nước

Đề tài NCKH cấp bộ “Nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống điềukhiển máy phát điện không đồng bộ nguồn kép bằng phương pháp điều khiểnphi tuyến” của Đặng Danh Hoằng (2008) Các kết quả mô phỏng của đề tàinày thực hiện như sau:

Hình 2.1 Đáp ứng momen, cosφ, dòng điện rotor của máy phát 1

Kết quả mô phỏng ở tốc độ dưới đồng bộ (n = 850 v/ph); m = -4Nm, cosφ

nhảy bậc từ 0.9 lên 1 sau đó nhảy về 0.7

Hình 2.2 Đáp ứng momen, cosφ, dòng điện rotor của máy phát 2

Kết quả mô phỏng ở tốc độ dưới đồng bộ (n = 850 v/ph); với m từ = 2Nm lên

-4Nm, cosφ = 0.7

Hình 2.3: Đáp ứng momen, cosφ, dòng điện rotor của máy phát 3Kết quả mô phỏng ở tốc độ dưới đồng bộ (n = 1050 v/ph); với m =-4Nm,

cosφ = 0.7

Hình 2.4 Đáp ứng momen, cosφ, dòng điện rotor của máy phát 4Kết quả mô phỏng ở tốc độ dưới đồng bộ (n = 1050 v/ph); với m từ = -2Nm

lên -4Nm, cosφ = 0.7

Hình 2.5 Đáp ứng momen, cosφ, dòng điện rotor của máy phát 5Kết quả mô phỏng ở tốc độ dưới đồng bộ (n = 950 v/ph); với m từ = - 2Nm, -

3Nm, và -4Nm, cosφ = 0.9 lên 1và về 0.7

Hình 2.6 Đáp ứng momen, cosφ, dòng điện rotor của máy phát 6Kết quả mô phỏng khi tốc độ thay đổi nhảy từ 850v/ph lên 1050v/ph; với

m = -4Nm, cosφ = 0.72

Hình 2.7 Đáp ứng momen, cosφ, dòng điện rotor của máy phát ( sập lưới 10%)

Hình 2.8 Đáp ứng momen, cosφ, dòng điện rotor của máy phát ( sập lưới 25%)

Hình 2.9 Đáp ứng momen, cosφ, dòng điện rotor của máy phát ( sập lưới 50%)Tác giả Đặng Danh Hoằng đưa ra những kết quả mới trong luận án như sau:

- Luận văn giải quyết việc áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến tựatheo thụ động (Passivity - Based) cho hệ thống máy phát điện sức gió sử dụngmáy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép ở các chế độ làm việc bình thườngvới tải đối xứng và chế độ xảy ra sự cố lỗi lưới ngắn mạch 3 pha đối xứng ở xagây sụt điện áp lưới

- Khi áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến Passivity - Based, luận

án giải quyết được vấn đề dao động tốc độ máy phát (thay đổi tốc độ khi hệthống làm việc với nguồn năng lượng gió), dao động tần số góc mạch rotor khilỗi lưới (sập lưới một phần) đối xứng đảm bảo làm việc ổn định và bền vững

- Khi sập lưới 50% với bộ điều chỉnh phi tuyến Passivity - Based, hệthống vẫn làm việc ổn định

- Luận án đã đề xuất áp dụng phương trình Euler - Lagrange để kiểm tra

và đánh giá được tính thụ động của máy phát điện không đồng bộ 3 pha nguồnkép, làm cơ sở để tổng hợp bộ điều chỉnh dòng máy phát bằng phương phápđiều khiển tựa theo thụ động có kiểm chứng bằng mô phỏng offline và môphỏng thời gian thực

Tương tự luận văn thạc sĩ về “ Bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy cảm ứng nguồn kép” của tác giả Dương Quốc Hưng

thuộc trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã cho ra kết quả như sau:

Hình 2.10 Tốc độ máy phát, công suất phía Stator (Ps, Qs), Rotor (Pr, Qr) vàcông suất phát của hệ thống ( P,Q) khi tốc độ gió chuyển từ 12.5m -10.5m/s

Hình 2.11 Dòng điện Rotor (Ir), dòng Stator (Is), và điện áp Rotor (Ur) khi

Vwind 12m/s xuống 10m/s

Hình 2.12 Dòng điện Idc, điện áp một chiều Udc và công suất một chiều Pdc

của bộ DC – Link khi Vwind 12m/s xuống 10m/s

Hình 2.13 Tốc độ máy phát), công suất phía Stator (Ps, Qs), Rotor (Pr, Qr) vàcông suất phát của hệ thống ( P,Q) khi Vwind =10.5m xuống 8m/s

Hình 2.14 Dòng điện Rotor (Ir), dòng Stator (Is), và điện áp Rotor Ur ) khi

Vwind từ 10.5 m/s xuống 8m/s

Hình 2.15 Dòng điện Idc, điện áp một chiều Udc và công suất một chiều

Pdc của bộ DC Link khi Vwind = 10.5m/s xuống 8m/s

Hình 2.16 Dòng điện Rotor (Ir), dòng Stator (Is), và điện áp Rotor Ur) khi

Vwind=12m xuống 10.5m/s với thời gian mô phỏng 0,06s

Hình 2.17 Dòng điện Rotor (Ir), dòng Stator (Is), và điện áp Rotor Ur)khi Vwind=12m xuống 10.5m/s với thời gian mô phỏng 0,06s

Luận văn của tác giả đưa ra những kết quả đã nghiên cứu và giải quyếtđược những nội dung sau:

- Tìm hiểu về hệ thống máy phát điện sức gió, bao gồm: Vai trò, tiềm năngcủa năng lượng gió Cấu tạo và nguyên lý làm việc của turbine phong điện

- Tìm hiểu về máy phát điện cảm ứng nguồn kép: Cấu tạo, nguyên lý làmviệc, các phương trình và sơ đồ thay thế máy điện

- Tìm hiểu hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồnkép DFIG, từ đó xây dụng mô hình toán học của hệ thống

- Tìm hiểu về bộ điều khiển kinh điển PID Đây cũng là bộ điều khiển màtác giả sử dụng để thiết kế cho hệ thống

- Xây dựng các bộ điều khiển (bộ điều khiển từ thông máy phát, bộ điềukhiển phía lưới, bộ điều khiển góc cánh) để lấy công suất cực đại từ gió của

hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy phát DFIG

-Tiến hành mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab – Simulink và đãđưa ra kết quả mô phỏng Các kết quả mô phỏng thể hiện một cách trung thực,khẳng định tính đúng đắn của việc xây dựng các bộ điều khiển

- Cần nghiên cứu để tìm cách khắc phục sai lệch mô hình sao cho kết quảnghiên cứu giữa mô hình toán học và mô hình thực tế khác nhau không nhiều

để các kết quả nghiên cứu với mô hình toán học có thể áp dụng trực tiếp cho

mô hình thực tế

Tương tự bài báo về “ Nghiên cứu khả năng trục lưới không đồi xứngcủa hệ thống phát điện chạy bằng sức gió” của tác giả Nguyễn Thị MaiHương, Đinh Văn Nghiệp, Trần Thị Thanh Hải -trường Đại Học Kỹ thuậtCông nghiệp – ĐH Thái Nguyên đã đưa ra kết quả như sau:

Hình 2.18 Thành phần d (a) và q (b) của dòng điện rotor đáp ứng mômen (c)

và công suất phản kháng (d)

lỗi Do máy phát và bộ biến đổi phía rotor vẫn được nối với lưới nên việc vậnhành đồng bộ vẫn được duy trì trong suốt quá trình lỗi lưới.

Tương tự bài báo về “ Nghiên cứu về các đặc trưng sụp đổ điện áp tronglưới điện có kết nối với nhà máy điện gió lưới ” của tác giả Trịnh TrọngChưởng trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Hình 2.20 Lưới điện Ninh Thuận năm 2012

Hình 2.21 Đặc tính công suất của máy phát DFIG (VESTAS) – 2MW

Hình 2.23 Ảnh hưởng của quá trình mất ổn định điện áp nút 100 đến nút 19

Hình 2.24 Miền ổn định nút 99 trên mặt phẳng công suất trong các phương án

Bài báo của các tác giả đã phân tích các chỉ tiêu đánh giá ổn định điện áptrong hệ thống cung cấp điện:

- Lựa chọn chỉ tiêu trong trường hợp hệ thống cung cấp điện có các nguồnđiện gió tham gia

- Các chỉ tiêu được chọn cho phép xác định các nút yếu, nhánh yếu trong

hệ thống điện có kết nối với nhà máy điện gió sử dụng loại máy phát điệnkhông đồng bộ

- Đề xuất các biện pháp nâng cao chất lượng điện áp

- Đối với các nhà máy điện gió có công suất lớn khi kết nối hệ thống điện,trong quá trình vận hành có gây ảnh hưởng nhất định đến điện áp của lướiđiện việc mất ổn định điện áp của chúng có thể gây ảnh hưởng đến một số nútlân cận việc ứng dụng tiêu chuẩn ổn đinh điện áp nút để đánh giá mức độ ổnđịnh của hệ thống điện có kết nối nguồn điện gió đóng vai trò quan trọng trongquá trình thiết kế, cải tạo hay quy hoạch mạng điện trong đó các khâu yếu cầnquan tâm: các nút kết nối (Pcc), các nhánh có nối với nhà máy điện gió, giảipháp bù công suất phản kháng luôn được chú trọng để bù vào phần công suất

mà nhà máy điện gió (WP) đã nhận về từ phía hệ thống, góp phần nâng caochất lượng điện áp

Tương tự luận văn thạc sĩ về “ Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điệnbằng sức gió công suất nhỏ ” của tác giả Vũ Thị Thanh Phương trường ĐạiHọc Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, tác giả đã đưa ra kết quả nghiêncứu

Hình 2.25 Sơ đồ khối hệ thống phát điện bằng sức gió

Tác giả đã giải quyết được những vấn đề sau đây:

- Nghiên cứu về các nguồn và các công nghệ sử dụng năng lượng mới vàtái tạo trên thế giới và ở Việt Nam

- Đánh giá tiềm năng và thực trạng ứng dụng năng lượng gió ở Việt Nam:

 Tốc độ gió, cấp gió

 Chế độ gió ở Việt Nam

 Sản xuất điện năng từ năng lượng gió ở Việt Nam

- Xây dựng cấu trúc tổng quát hệ thống phát điện bằng sức gió:

 Sơ đồ khối hệ thống phát điện sức gió

 Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ và điều khiển máyphát đồng bộ kích thích vĩnh cửu

- Thiết kế hệ thống phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ

 Sơ đồ khối hệ thống phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ

 Thiết kế tính toán máy phát điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu1,5kW

2.1.2.

Tác giả P N Boonchiam, A Sode-Yome, N Mithulananthan, K Aodsup “Voltage Stability in Power Network when connected Wind Farmenerators” Member, IEEE, PED 2009, tác giả đã đưa ra kết quả nghiênnhư sau:

Hình 2.27 Đường cong P-V của trường hợp chuẩn IEEE hệ thống thanh cái 14

Hình 2.28 Đường cong P-V của hệ thống thanh cái 14 IEEE khi kết nối SCIG

Hình 2.29 Đường cong P-V của hệ thống thanh cái 14 IEEE khi tốc độ gió

thay đổi

Hình 2.30 Mối quan hệ của tốc độ gió, LF tối đa và vị trí thanh cái.

Hình 2.31 Đường cong P-V của hệ thống thanh cái 14 IEEE khi kết nối DFIG

Hình 2.32 Đường cong P-V của hệ thống thanh cái 14 IEEE khi tốc độ gió

thay đổi

Hình 2.33 Đường cong P-V của hệ thống thanh cái 14 IEEE khi kết nối turbine

gió và SVC

Hình 2.34 Đường cong P-V của hệ thống thanh cái 14 IEEE khi kết nối

turbine gió và STATCOM

Hình 2.35 Đường cong P-V của hệ thống thanh cái 14 IEEE khi kết nối

turbine gió với SVCI và STATCOMTrong bài báo này tác giả đã đưa ra những nghiên cứu như sau:

- Hiệu quả của mô hình trạng thái ổn định và tốc độ cố định của máy phátđiện turbine gió tốc độ biến đổi về giới hạn ổn định điện áp, máy phát điệnlồng sóc cảm ứng (SCIG) được mô hình hóa như một thanh cái PQ thông

điện áp Các kết quả cho thấy rằng STATCOM có thể cải thiện yếu tố tải tối

đa tốt hơn SVC Cả hai loại máy phát điện trang trại gió Yếu tố tăng tải tối đakhi thiết lập STATCOM lên đến 56,33% và 53,28% trong các hệ thống kếtnối máy phát điện lồng sóc cảm ứng và máy phát điện cảm ứng nguồn képturbine gió tương ứng

Vì vậy, phương pháp này có thể tạo lợi thế trực tiếp trong việc nghiêncứu xây dựng hệ thống điện để đáp ứng thiết lập máy phát điện turbine giótrong ổn định điện áp

Tương từ bài báo khoa học về “ Thuật toán tối ưu hóa cho phần tái cấuhình mạng và điều khiển công suất phản kháng của trang trại gió trong hệthống phân phối ” của tác giả Jingjing Zhao, Xin Li, Jiping Lu, Congli Zhang,State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Securityand New Technology Chongqing University 400030 Chongqing, China Tácgiả đã đưa ra kết quả nghiên cứu như sau:

Hình 2.36 Hệ thống phân phối 3 nhánh

Hình 2.37 Đường công tốc độ gió

Hình 2.38 công suất tác dụng của tua bin gió máy phát điện dị ứng nguồn kép

Hình 2.39 Tối đa công suất phản kháng của tuabin gió máy phát điện dị ứng

nguồn kép

Hình 2.40 Công suất tác dụng và phản kháng đạt được trong trang trại gió

Hình 2.42 điện áp nút nhỏ nhất của hệ thống phân phối

Trong bài báo này, một thuật toán tối ưu hóa điểm kết nối của điều khiểncông suất phản kháng kết hợp của trang trại gió và cấu hình mạng được đềxuất Trong các đề xuất thuật toán tối ưu hóa, sản lượng công suất phản khángtrang trại gió và tình trạng của thiết bị chuyển mạch được sử dụng như là bộđiều khiển biến đổi cho các giảm thiểu tổn thất và cải thiện chất lượng điện áp.tối ưu hóa sản lượng điện của trang trại gió và tối ưu cấu trúc mạng thu đượchiệu quả bằng cách thực hiện giới hạn công suất phản kháng của máy phátđiện nguồn kép trong các mô phỏng.Từ những kết quả đạt được trong các môphỏng, có thể kết luận rằng trại gió của máy phát điện nguồn kép có thể tạothành một nguồn công suất phản kháng liên tục quan trọng để hỗ trợ hệ thốngđiều khiển điện áp Các kết quả mô phỏng cũng cho thấy rằng để có được kếtquả giải pháp tốt hơn bằng cách sử dụng tối ưu hóa điều khiển công suất phảnkháng

Tương tự bài báo khoa học về “Điều khiển công suất phản kháng côngsuất tác dụng của DFIG Sử dụng một kết hợp của VSC với PSO” của tác giả

1H Abdi, 2N Hashemnia and3 A Kashiha, 1faculty of Engineering, RaziUniversity, Kermanshah, Iran Tác giả đã đưa ra kết quả nghiên cứu như sau:

Hình 2.43 Công suất phản kháng và tác dung cho bộ điều khiển không tối ưu

Hình 2.44 Chức năng chi phí (tích hợp các lỗi) sự thay đổi trong mỗi lần lặp

lại PSO

Hình 2.45 Điều khiển tối ưu công suất phản kháng và tác dụng sử dụng

phép tính tích phân của lỗi ngõ ra

Hình 2.46 Chức năng chi phí (tích hợp cộng với sự thay đổi dẫn xuất của

lỗi) trong lặp đi lặp lại PSO liên tiếp

Hình 2.47 Công suất phản kháng và tác dụng startor cho bộ điều khiểntối ưu bằng cách sử dụng tách rời cộng với phát sinh lỗi đầu ra

Hình 2.48 Công suất phản kháng và tác dụng startor

Hình 2.49 Rotor d và dòng điện trục q

Hình 2.50 Rotor d và điện áp trục qTác giả đã nghiên cứu điều khiển kết hợp cấu trúc biến với hệ tối ưu hóađược sử dụng để điều khiển công suất phản kháng và tác dụng của stato củamột máy phát điện cảm ứng nguồn kép Tham số của bộ điều khiển đã đượclựa chọn sử dụng phương pháp PSO Chức năng thích hợp khác nhau có thểđược xem xét để có những đáp ứng đầu ra mong muốn liên quan đến các tiêuchuẩn điều khiển Nó đã được thể hiện qua kết quả mô phỏng dao động ít hơn

và lỗi trạng thái không ổn định có thể đạt được thông qua giảm thiểu các lỗiđầu ra không tách rời và phái sinh của cùng một lúc

Bài báo khoa học về “Điều khiển sản lượng tối ưu hệ trong trang trại gió

khi thực hiện yêu cầu nhà điều hành hệ thống” của tác giả Rogério G DeAlmeida, Edgardo D Castronuovo, Member, IEEE, and J A Peças Lopes,Senior Member, IEEE Tác giả đã đưa ra kết quả mô phỏng

Hình 2.52.Tiêm hoạt công suất phản kháng của mỗi turbine đối với

trường hợp a

Hình 2.53 Tăng của tốc độ rotor tham chiếu đến phía máy phát do giảm công

suất tác dụng được tiêm vào trong trường hợp a

Hình 2.54 Gốc pitch cho mỗi WT cho trường hợp a

Hình 2.55 Bơm công suất tác dụng cho mõi turbine cho trường hợp b

Hình 2.56 Bơm công suất phản kháng cho mõi turabine cho trường hợp b

Hình 2.57 Tốc độ rotor đã được tham chiếu đến phía máy phát điện của mõi

WT cho trường hợp b

Hình 2.58 Gốc pitch cho mỗi WT cho trường hợp a