Cải thiện ổn định quá độ máy phát điện gió nối lưới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - ĐINH VŨ BẰNG CẢI THIỆN ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NỐI LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP Hồ Chí Minh tháng 08 năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - ĐINH VŨ BẰNG CẢI THIỆN ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NỐI LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN HÙNG TP Hồ Chí Minh tháng 08 năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học: Phó giáo sư, Tiến sĩ: Nguyễn Hùng (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày tháng năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ tên Chức danh Hội đồng Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc Cà Mau, ngày…… tháng… năm 20 … NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Đinh Vũ Bằng Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 03/10/1982 Nơi sinh: Cà Mau Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1641830001 I- Tên đề tài: Cải thiện ổn định độ máy phát điện gió nối lưới II- Nhiệm vụ nội dung: - Giới thiệu cấu trúc nguyên lý hoạt động DFIG - Giới thiệu thiết bị FACTS - Nguyên cứu nguyên lý bù hệ thống điện - Tổng quan STATCOM - Mơ hình hóa STATCOM phần mềm MATLAB/SIMULINK - Mô ứng dụng STATCOM nhằm cải thiện đáp ứng độ hệ thống điện gió nối lưới III- Ngày giao nhiệm vụ : Tháng 02 /2018 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ : Tháng 08 /2018 V- Cán hướng dẫn CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) PGS,TS Nguyễn Hùng : PGS,TS Nguyễn Hùng KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Đinh Vũ Bằng ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu trường, tơi hồn thành đề tài luận văn cao học mình, có kết tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc Thầy PGS, TS Nguyễn Hùng, người hướng dẫn tận tình giúp đỡ tơi suốt q trình thực Luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn tất Thầy môn trang bị kiến thức bổ ích cho tơi, cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ tơi hồn thành nghiên cứu luận văn, cảm ơn Cha Mẹ sinh Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên Đinh Vũ Bằng iii TÓM TẮT Đề tài: Cải thiện ổn định độ máy phát điện gió nối lưới giải vấn đề sau : - Giới thiệu cấu trúc nguyên lý hoạt động DFIG - Giới thiệu thiết bị FACTS - Nguyên cứu nguyên lý bù hệ thống điện - Tổng quan STATCOM - Mơ hình hóa STATCOM phần mềm MATLAB/SIMULINK - Mô ứng dụng STATCOM nhằm cải thiện đáp ứng độ hệ thống điện gió nối lưới iv ABSTRACT Wind energy is increasingly exploited, including wind turbine to the control grid is posing problems to study The objective of this project is: - Improving control systems DFIG using Statcom - The simulation is based on MATLAB/SIMULINK - Simulation of the transient stability of wind generators using Statcom Simulates 3-Bus and IEEE 14-bus power systems and compares the results with the classical offset method The results show: STATCOM automatically compensates the reactive power with the optimum compensation capacity of the adjustment range shown in the figure and virtually remedies the voltage instability in the system v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH viii DANH MỤC CÁC BẢNG .x CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Nhiệm vụ mục tiêu đề tài .4 1.3 Những nghiên cứu đề tài 1.4 Kết đạt Chương TỔNG QUAN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ VÀ STATCOM 2.1 Tổng quan lượng điện gió 2.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động phạm vi áp dụng máy phát điện gió nguồn kép DFIG 12 2.2.1 Cấu tạo DFIG 12 2.2.2 Nguyên lý hoạt động DFIG .14 2.2.3 Phạm vi áp dụng DFIG 28 2.3 Statcom 29 2.3.1 Tổng quan Statcom 29 2.3.2 Giới thiệu Statcom 29 2.3.3 Cấu trúc Statcom 29 2.3.4 Nguyên lý hoạt động statcom 30 2.3.5 Các giải thuật điều khiển Stacom .33 2.4 Hệ thống điều khiển Stacom 35 2.4.1 Các đặc tính Statcom 36 vi 2.4.2 Mô hình hóa Statcom .38 2.4.3 Mơ hình mạch 42 2.4.4 Mơ hình tốn Statcom: .44 2.5 Các ứng dụng Statcom thực tế 46 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG CẢI THIỆN ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NỐI LƯỚI DÙNG STATCOM 47 3.1 Mô Statcom công cụ Simulink 47 3.1.1 Mơ hình Statcom Matlab/Simulink 48 3.1.2 Các chức Statcom Matlab .49 3.2 Mô cải thiện ổn định độ máy phát điện gió nối lưới dùng Statcom .49 3.2.2 Kết đạt mơ hình IEEE 14 bus .63 CHƯƠNG 4: KẾT QỦA VÀ KẾT LUẬN .64 4.1 Kết đạt đề tài .64 4.2 Kết luận 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 53 Hình 3.8: Kết mơ nhà máy điện gió 9MW 54 Hình 3.9: Kết mơ turbine gió 9MW 55 Mơ hình điều khiển turbine gió IG hình 3.6 Hình 3.10: Mơ hình điều khiển turbine gió IG Một trang trại gió gồm turbine gió công suất 1.5MW kết nối với hệ thống phân phối 25kV cấp công suất cho luới điện 120kV qua đuờng dây truyền tải 25kV dài 25km Tổng công suất trang trại 9MW đuợc mô cặp turbine 2x1.5MW Tuabin gió sử dụng máy phát cảm ứng dạng lồng sóc (IG) Stator nối vào luới có tần số 60Hz rotor đuợc truyền động bánh Góc buớc đuợc điều khiển để giới hạn công suất phát máy phát giá trị danh nghĩa gió vuợt qua tốc độ danh nghĩa (9m/s) Tốc độ biến thiên khỏang 1pu không tải tới 1.005pu đầy tải Mỗi tuabin có hệ thống bảo vệ kiểm sốt điện áp, dòng điện tốc độ Công suất phản kháng hấp thu IG đuợc bù phần tụ bù kết nối với tuabin qua điện áp thấp (400kVAr cho cặp tuabin 1.5MW) Cơng suất phản kháng lại yêu cầu phải trì điện áp 25kV B25 có giá trị gần 1pu đuợc cấp bới STATCOM 3MVAr với độ rơi 3% 56 Hình 3.11: Mơ hình điều khiển cơng suất nhà máy điện gió nối lưới Hình 3.12: Sơ đồ khối bên Wind farm Mở khối “wind farm” xem “wind turbine 1” Mở thư mục turbine xem tham số cài đặt cho tuabin máy phát Mỗi khối “wind turbine” gồm tuabin 1.5MW Mở thư mục turbine, chọn “turbine data” kiểm tra “đặc tính cơng 57 suất cho tuabin gió” Cơng suất tuabin tùy thuộc tốc độ tuabin tùy thuộc tốc độ gió từ 4m/s đến 10m/s Tốc độ gío danh nghĩa cung cấp cơng suất danh nghĩa (1pu=3MW) 9m/s Mơ hình tuabin gió mơ hình STATCOM mơ hình pha cho phép nghiên cứu ổn định tức thời với thời gian mơ 20s Tốc độ gió cho tuabin đuợc kiểm soát khối “wind 1” tới “wind 3” Ban đầu tốc độ gió 8m/s, sau khởi động t=2s cho khối “wind turbine 1”, tốc độ gió tăng lên 11m/s vòng 3s Cùng nguồn cấp gió cho tuabin 3, theo thứ tự sau 2s 4s Tại t=15s, giả định cố 575V khối “wind turbine 2” Hình 3.13: Khảo sát tốc độ gió 9m/s 58 Hình 3.14: Đáp ứng turbine tốc độ gió thay đổi Bắt đầu mơ nhận tín hiệu hình “wind turbine” công suất phản kháng tác dụng, tốc độ máy phát, tốc độ gió buớc tuabin Với cặp tuabin, công suất tác dụng phát bắt đầu tăng (cùng với tốc độ gió) để đạt giá trị 3MW vòng 8s Qua khỏi thời gian tốc độ turbine tăng từ 1.0028pu đến 1.0047pu Ban đầu góc buớc tuabin 00 Khi cơng suất đạt 3MW, góc buớc tăng từ 00 đến 80 để mang công suất trở giá trị danh nghĩa Công suất phản kháng đạt đuợc tăng công suất tác dụng phát tăng Tại công suất danh nghĩa, cặp tuabin đạt 1.47MVAr Khi tốc độ gió 11m/s, cơng suất tổng phát đo B25 9MW STATCOM trì điện áp 0.984pu cách phát cơng suất 1.62MVAr Hình 3.15: Điều khiển cơng suất điện áp nút B25 59 + Đáp ứng xảy cố Tại t=15s, cố ngắn mạch pha xảy đầu cực turbine 2, hệ thống bảo vệ tác động để turbine dừng thời điểm t=15.11s Sau tuabin ngừng, turbine tiếp tục phát máy 3MW Hình 3.16: Đáp ứng turbine xảy ngắn mạch 60 + Phản ứng STATCOM cố Đầu tiên, mở thư mục khối “three phase fault” bỏ cố pha chạm pha Sau ngắt STATCOM cách click vào khối “manual switch” nối điểm “trip” với ngõ vào STATCOM Chạy lại mơ Xem hình B25, thiếu bù cơng suất phản kháng, điện áp B25 0.91pu Việc áp kết IG tuabin tải, tuabin bị ngắt t=13.43s Nếu nhìn vào khối “wind turbine protection” thấy mạch bị ngắt bảo vệ q dòng AC Hình 3.17: Cơng suất bù điện áp đầu cực Statcom 3.2.1 Hệ thống điện mẫu IEEE 14 nút STATCOM Hình 3.18: Hệ thống điện IEEE 14 bus 61 Hình 3.18 trình bày mơ hình lưới điện IEEE 14 nút mở rộng nguồn điện gió Statcom lắp đặt gần nguồn điện gió (nút 14) để cải thiện đáp ứng độ xảy ngắn mạch Để tính lợi ích STATCOM trình bày hệ thống điện mẩu nêu trên, phần mơ hình hệ thống điện IEEE 14 bus sử dụng để so sánh đặc điểm giảm dao động tác động STATCOM đề xuất cải thiện tính ổn định hệ thống nghiên cứu Vận tốc gió hoạt động khảo sát 12 m / s Hệ thống điện tiêu chuẩn IEEE 14-bus nghiên cứu thực công cụ Matlab/Simulink thể hình 3.19 Hình 3.19: Mơ hình IEEE 14-bus Matlab/ Simulink: Một ngắn mạch ba pha xảy đoạn đường dây bus 13 14 thời điểm t = s công suất tác dụng giảm đạt chế độ xác lập sau chu kỳ 62 0.4 1.2 0.35 0.3 0.7 Q(MVAr) P(MW) 0.25 0.6 0.2 0.15 0.4 0.1 0.2 0.05 0 0.5 1.5 t(s) 2.5 3.5 (a) Công suất tác dụng DFIG 0.5 1.5 t(s) 2.5 3.5 (b) Công suất phản kháng DFIG 1250 1.5 1.4 1200 1.3 VDC (V) W(pu) 1.2 1.1 1150 1100 0.9 0.8 1050 0.7 0.5 1.5 t(s) 2.5 3.5 (c) Tốc độ rotor DFIG 0.5 1.5 t(s) 2.5 3.5 (d) Điện áp DC DFIG Hình 3.20: Các đáp ứng tức thời hệ thống nghiên cứu xảy ngắn mạch ba pha Hình 3.20 cho thấy đáp ứng thoáng qua so sánh hệ thống nghiên cứu mà khơng có bù (đường màu đen) có STATCOM (đường màu đỏ) đề cập tương ứng Trong đó, cơng suất tác dụng, cơng suất phản kháng, tốc độ rotor điện áp DC DFIG trình bày hình 3.20 từ (a) đến (d), tương ứng Rõ ràng từ kết mô cho thấy đáp ứng thoáng qua hệ thống nghiên cứu hình 3.20 cho thấy hiệu giảm dao động có STATCOM làm việc hệ thống nhanh chóng đạt tới giá trị trạng thái ổn định chúng 63 3.2.2 Kết đạt mơ hình IEEE 14 bus Phần trình bày cách cải thiện ổn định độ hệ thống tích hợp điện gió vào lưới Mơ hình STATCOM nối vào PCC hệ thống tích hợp điện gió Để cung cấp đầy đủ cơng suất kháng cho hệ thống, điều khiển PID giảm dao động áp dụng cho STATCOM thiết kế Kết mơ cho thấy STATCOM đưa có đặc tính giảm dao động tốt nhằm cải thiện đáp ứng động hệ thống xảy nhiễu lớn 64 CHƯƠNG 4: KẾT QỦA VÀ KẾT LUẬN 4.1 Kết đạt đề tài Đề tài “Cải thiện ổn định độ máy phát điện gió nối lưới dùng STATCOM” hoàn thành yêu cầu đặt đạt số kết sau : - Nghiên cứu lý thuyết ổn định động hệ thống điện - Nghiên cứu lý thuyết máy phát điện gió nối lưới - Nghiên cứu lý thuyết Statcom ứng dụng vào hệ thống điện để cải thiện đáp ứng độ - Nghiên cứu sử dụng phần mềm Matlab/Simulink Mơ hình mơ ứng dụng Statcom vào hệ thống điện gió nối lưới nhằm điều khiển cải thiện đáp ứng vận hành hệ thống điện - Tìm hiểu khái quát tình hình phát triển lượng chung giới Việt Nam lĩnh vực biến đổi lượng gió - Tìm hiểu ứng dụng nguyên lý hoạt động DFIG hệ thống biến đổi lượng gió vận tốc thay đổi - Mơ hình hóa máy phát điện gió nguồn kép DFIG Xem xét đến tượng sụt áp ngắn mạch lưới - Nhận xét, đánh giá kết 4.2 Kết luận Qua trình thực đề tài, tác giả nhận thấy đề tài phát triển theo hướng sau : - Tính tốn vị trí dung lượng tối ưu cho bù Statcom - Ứng dụng thuật toán PID để nâng cao chất lượng điều khiển Statcom chế độ vận hành khác - Khỏa sát mơ hình điều khiển thay đổi tần số lưới, khảo sát tính ổn định DFIG xảy cố ngắn mạch đầu cực máy Đưa giải pháp xử lý, ví dụ phương án đặt STACOM đầu cực máy phát lắp đặt bù điện áp cố sụt áp lưới 65 - Ảnh hưởng nhiễu turbin gió đến hệ thống, phân tích sóng hài hệ thống DFIG tác động đến hệ thống lưới điện trình vận hành điều khiển máy điện DFIG - Xem xét khảo sát mơ hình thực tế xét đến tổn thất thành phần hệ thống, ảnh hưởng thành phần tổn hao đến trình điều khiển 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lã Văn Út (2010), Phân tích điều khiển ổn định hệ thống điện Nhà xuất KH&KT – Hà Nội [2] Phạm Văn Huy Nghiên cứu STATCOM, ứng dụng truyền tải điện năng, 2013 [3] Nguyễn Hữu Vinh, Nguyễn Hùng Lê Kim Hùng, “Using a STATCOM TO Enhance Stability of a Grid Connected Wind Power System”, Tạp chí khoa học cơng nghệ Đại Học Đà Nẵng, Số 11 (96)- Quyển 2, 2015 [4] How FACTS controllers benefits AC transmission systems John J.Paserba, Fellow IEEE [5] How FACTS improve the performance of electrical grid RolfGrunbaum, Ake Petersson, Bjom Thorvaldsson (ABB Review3/2002) [6] Electricity and New Energy, 2014 Static Synchronous Compensator (STATCOM) [7] Dr Nadarajah Mithunanthan, Mr.Arthit Sode-yome and Mr.Naresh Acharya Application of FACTS Contronllers in Thailand Power Systems, 2005 [8] Mania PAVELLA, Damien ERNST Daniel RAIZ-VEGA Transient stability of power system, 2012 [9] E Muljadi, T B Nguyen, and M A Pai, “Impact of wind power plants on voltage and transient stability of power systems,” in Proc IEEE Energy 2030 Conf., pp 1-7, 2008 [10] R Pena, J C Clare, and G M Asher, “Doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variable speed wind-energy generation,” in Proc Inst Elect Eng., Elect Power Appl., vol 143, no 3, pp 231241, May 1996 [11] L Wang and L.-Y Chen, "Reduction of power fluctuations of a large-scale grid-connected offshore wind farm using a variable frequency transformer." IEEE Trans on Sustainable Energy, vol 2, no 3, pp 226-234, Apr 2011 [12] L O Mak, Y X Ni, and C M Shen, “STATCOM with fuzzy controllers for 67 interconnected power systems,” Electric Power Systems Research, vol 55, no 2, pp 87-95, Aug 2000 [13] H Chong, A Q Huang, M E Baran, S Bhattacharya, W Litzenberger, L Anderson, A L Johnson, and A A Edris, “STATCOM impact study on the integration of a large wind farm into a weak loop power system,” IEEE Trans Energy Conversion, vol 23, no 1, pp 226-233, 2008 [14] H Gaztanaga, I Etxeberria-Otadui, D Ocnasu, and S Bacha, “Real-time analysis of the transient response improvement of fixed-speed wind farms by using a reduced-scale STATCOM prototype,” IEEE Trans Power Systems, vol 22, no 2, pp 658-666, 2007 [15] A Jain, K Joshi, A Behal, and N Mohan, “Voltage regulation with STATCOMs: Modeling, control and results,” IEEE Trans Power Delivery, vol 21, no 2, pp 726-735, 2006 [16] K V Patil, J Senthil, J Jiang, and R M Mathur, “Application of STATCOM for damping torsinal oscillations in series compensated AC system,” IEEE Trans Energy Conversion, vol 13, no 3, pp 237-243, 1998 ... đề tài Cải thiện ổn định độ máy phát điện gió nối lưới dùng Statcom” nhằm nghiên cứu ứng dụng thiết bị bù đồng tĩnh STATCOM vào hệ thống điện gió nối lưới để điều khiển cơng suất cải thiện đặc... tài: Cải thiện ổn định độ máy phát điện gió nối lưới giải vấn đề sau : - Giới thiệu cấu trúc nguyên lý hoạt động DFIG - Giới thiệu thiết bị FACTS - Nguyên cứu nguyên lý bù hệ thống điện - Tổng... HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - ĐINH VŨ BẰNG CẢI THIỆN ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ NỐI LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA