Vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - ĐINH VĂN TRUNG VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ XÉT NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ THIẾT BỊ BÙ STATCOM LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - ĐINH VĂN TRUNG VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ XÉT NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ THIẾT BỊ BÙ STATCOM LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN XN HỒNG VIỆT TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Xuân Hoàng Việt (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 … 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 Chủ tịch Phản biện Phản biện Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp HCM, ngày tháng năm 20 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Đinh Văn Trung Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: I- Tên đề tài: Vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện lượng gió thiết bị bù STATCOM II- Nhiệm vụ nội dung: - Nghiên cứu tổng quan vận hành hệ thống điện - Nghiên cứu nguồn điện lượng gió - Nghiên cứu thiết bị bù STATCOM - Nghiên cứu vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện lượng gió thiết bị bù STATCOM - Mơ vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện lượng gió thiết bị bù STATCOM III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán hướng dẫn: TS Nguyễn Xuân Hoàng Việt CÁN BỘ HUỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CAM ÐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa đuợc cơng bố cơng trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn đuợc cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn đuợc rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Đinh Văn Trung LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, em xin chân thành cám ơn Thầy Cô Trường Đại học Công nghệ Tp HCM, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Khoa học Kỹ thuật HUTECH hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa học đề tài luận văn Đặc biệt, em xin chân thành cám ơn Thầy TS Nguyễn Xuân Hồng Việt tận tình hướng dẫn, giúp đỡ đóng góp ý kiến q báo cho việc hồn thành Luận văn Cuối cùng, em xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ11, đồng nghiệp gia đình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho trình thực Luận văn em Đinh Văn Trung Tóm tắt Hiện nay, lượng gió nguồn lượng tự nhiên tái tạo có trữ lượng lớn nước ta Việc khai thác lượng thời gian tới chắn đẩy mạnh nhờ vào ưu vượt trội nguồn lượng tái tạo Ở vùng có lưới điện quốc gia, điện gió hòa vào lưới điện quốc gia Đây tất yếu xu hướng phát triển hệ thống điện giới nói chung hệ thống điện Việt Nam nói riêng Khi ấy, cơng tác vận hành đảm bảo ổn định hệ thống điện trở nên khó khăn phức tạp Thách thức lớn mặt kỹ thuật đặc điểm bất định nguồn phát điện gió Trong số giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu suất ổn định hệ thống điện nói chung hệ thống điện có tham gia nguồn điện gió khảo sát luận văn nói riêng việc sử dụng hệ thống thiết bị truyền tải linh hoạt (FACTS, Flexible AC Transmission System), có bù đồng tĩnh, STATCOM (Static Synchronous Compensator) hướng giải pháp có tính hiệu cao Từ phân tích trên, đề tài luận văn “Vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện lượng gió thiết bị bù STATCOM’’ thật cần thiết có ý nghĩa, đặc biệt giai đoạn phát triển phụ tải Việt Nam Luận văn bao gồm nội dung sau: + Chương 1: Giới thiệu + Chương 2: Tổng quan tốn vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện lượng gió thiết bị bù STATCOM + Chương 3: Cơ sở lý thuyết vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện lượng gió thiết bị bù STATCOM + Chương 4: Mô vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện lượng gió thiết bị bù STATCOM + Chương 5: Kết luận hướng phát triển tương lai Abstract Currently, wind energy is a renewable natural energy source with large reserves The exploitation of this energy will certainly be boosted by its superior advantages in the future In areas with the national grid, the wind power will be connected to the national grid This is a development trend of the world power system in general and Vietnam’s power system in particular At the same time, the operation and maintenance of the power system is becoming more difficult and complex The biggest technical challenge is the uncertainty of the wind generator Among the technical solutions for improving the efficiency and stability of the power system in general and power system including wind energy sources in particular studied in this thesis are the use of Flexible AC Transmission System (FACTS), including Static Synchronous Compensator (STATCOM), is a highly efficient solution From the above analysis, the topic, "Power system operation considering wind power system and STATCOM" is really necessary and meaningful, especially during the development phase of the load as in Vietnam today The thesis consists of the following contents: + Chapter 1: Introduction + Chapter 2: Literature review + Chapter 3: Power system operation considering wind power system and STATCOM + Chapter 4: Simulation result + Chapter 5: Conclusion and future work i MỤC LỤC Mục lục i Danh sách hình vẽ iv Danh sách bảng x Chương - Giới thiệu 1.1 Giới thiệu 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Phạm vi nghiên cứu .2 1.5 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 1.6 Phương pháp nghiên cứu .3 1.7 Bố cục luận văn Chương - Tổng quan toán vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện lượng gió thiết bị bù STATCOM 2.1 Giới thiệu 2.2 Các nghiên cứu nước 2.3 Các nghiên cứu nước 10 2.4 Kết luận 18 Chương - Cơ sở lý thuyết vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện lượng gió thiết bị bù STATCOM 19 3.1 Giới thiệu 19 3.2 Hệ thống điện 19 3.2.1 Giới thiệu hệ thống điện 19 3.2.2 Vận hành hệ thống điện truyền tải 20 3.3 Nguồn điện lượng gió 23 3.3.1 Năng lượng gió 23 ii 3.3.2 Sự phân bố vận tốc gió 24 3.3.3 Sự chuyển đổi lượng gió hiệu suất rotor 25 3.3.4 Đường cong cơng suất tuabin gió 29 3.3.5 Các mơ hình sản xuât điện từ lượng gió 30 3.3.6 Tuabin gió 34 3.3.7 Máy phát điện 39 3.3.8 Bộ chỉnh lưu nghịch lưu 40 3.3.9 Điều chỉnh tốc độ tuabin gió 42 3.3.10 Mơ hình tốn máy phát điện gió khơng đồng 44 3.4 Hệ thống thiết bị truyền tải xoay chiều linh hoạt 49 3.4.1 Giới thiệu 49 3.4.2 Phân loại thiết bị FACTS 52 3.4.3 Vận hành bảo dưỡng thiết bị FACTS 62 3.4.4 Chi phí đầu tư lợi ích thiết bị FACTS 63 3.4.5 Sự phát triển tương lai thiết bị FACTS 69 3.5 Thiết bị bù STATCOM 69 3.5.1 Giới thiệu thiết bị bù STATCOM 69 3.5.2 Cấu trúc nguyên lý hoạt động thiết bị bù STATCOM 71 Chương - Mơ vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện lượng gió thiết bị bù STATCOM 77 4.1 Giới thiệu 77 4.2 Mơ vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện lượng gió thiết bị bù STATCOM 77 4.2.1 Mơ hình hóa thơng số phần tử mô vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện lượng gió thiết bị bù STATCOM 77 4.2.2 Kết mô 91 105 1.3 1.2 Voltage of phase A at B25 1.1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 10 Time (s) 12 14 16 18 20 Hình 4.37 Điện áp pha A B25 trường hợp hệ thống điện có cố khơng có thiết bị bù STATCOM 10 Active power at B25 (MW) -2 10 Time (s) 12 14 16 18 20 Hình 4.38 Cơng suất tác dụng B25 trường hợp hệ thống điện có cố khơng có thiết bị bù STATCOM 106 16 Reactive power at B25 (MVar) 14 12 10 -2 10 Time (s) 12 14 16 18 20 Hình 4.39 Cơng suất phản kháng B25 trường hợp hệ thống điện có cố khơng có thiết bị bù STATCOM 1.3 Positive sequence voltage at B25 1.2 1.1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 10 Time (s) 12 14 16 18 20 Hình 4.40 Điện áp thứ tự thuận B25 trường hợp hệ thống điện có cố khơng có thiết bị bù STATCOM 107 Positive sequence current at B25 (p.u) 3.5 2.5 1.5 0.5 0 10 Time (s) 12 14 16 18 20 Hình 4.41 Cường độ dòng điện thứ tự thuận B25 trường hợp hệ thống điện có cố khơng có thiết bị bù STATCOM Active powers of wind turbines - (MW) 3.5 2.5 1.5 0.5 -0.5 -1 10 Time (s) 12 14 16 18 20 Hình 4.42 Cơng suất tác dụng nhà máy điện tuabin gió trường hợp hệ thống điện có cố khơng có thiết bị bù STATCOM 108 Reactive powers of wind turbines - (MVAr) -1 -2 10 Time (s) 12 14 16 18 20 Hình 4.43 Cơng suất phản kháng nhà máy điện tuabin gió trường hợp hệ thống điện có cố khơng có thiết bị bù STATCOM Nhận thấy rằng, thời điểm xảy cố ngắn mạch pha nút B575_2, t = 15 (s), tồn nhà máy điện gió bị khỏi hệ thống điện gió Hình 4.35 cho thấy góc nghiêng cánh tuabin tất tuabin gió nhà máy điện gió điều chỉnh 00 Tốc độ rotor tuabin gió bị tăng cách đột ngột Sự cố ngắn mạch pha cô lập thời điểm, t = 15,1 (s) tồn hệ thống điện gió bị cắt khỏi hệ thống điện Điều có nghĩa hệ thống điện bị thiếu lượng công suất mà cơng suất nhà máy điện gió, (MW) Các tín hiệu điện áp, chẳng hạn tín hiệu điện áp nút B25 sau thời gian xảy ngắn mạch trì trạng thái ổn định nhờ vào hệ thống điện sau cắt hệ thống điện gió khỏi Một giải pháp nhằm đảm bảo đủ lượng công suất tác dụng công suất phản kháng cung cấp cho hệ thống điện, trì hệ thống điện ổn định chế độ xác lập sau cố, hệ thống điện đề xuất lắp đặt thêm 109 thiết bị bù STATCOM đầu cực nhà máy điện gió mà mơ hình mơ phần 4.2.2.4 Hệ thống điện có cố có thiết bị bù STATCOM - Hệ thống điện giả sử vận hành trường hợp có cố có thiết bị bù STATCOM Hình 4.44 Thơng số thiết bị bù STATCOM - Thiết bị bù STATCOM lắp đặt thêm vào hệ thống điện B25, đầu cực nhà máy điện gió với thơng số bao gồm: + Cơng suất định mức STATCOM, PSTATCOM = (MVA); 110 + Điện áp định mức STATCOM, VSTATCOM = 25 (kV); + Tần số, f = 50 (Hz); + Điện trở STATCOM, RSTATCOM = 0,22/30 (đvtđ); + Điện cảm STATCOM, LSTATCOM = 0,22 (đvtđ); + Điện áp DC-link, VDC-link = (kV) - Tốc độ gió giả sử rằng: + Nhóm tuabin 1: t = - (s): v = (m/s); t = - 20 (s): v = 11 (m/s) + Nhóm tuabin 2: t = - (s): v = (m/s); t = - 20 (s): v = 11 (m/s) + Nhóm tuabin 3: t = - (s): v = (m/s); t = - 20 (s): v = 11 (m/s) - Sự cố giả lập sau: + Dạng cố: Ngắn mạch pha; + Thời điểm xảy ngắn mạch: t1 = 15 (s); + Thời điểm cố cô lập: t2 = 15,1 (s) Wind speeds of wind turbines - (m/s) 12 11.5 11 10.5 10 9.5 8.5 7.5 10 Time (s) 12 14 16 18 20 Hình 4.45 Tốc độ gió nhà máy điện tuabin gió trường hợp hệ thống điện có cố có thiết bị bù STATCOM 111 Pitch angles of wind turbines - (deg) 0 10 Tme (s) 12 14 16 18 20 Hình 4.46 Góc nghiêng cánh tuabin gió nhà máy điện tuabin gió trường hợp hệ thống điện có cố có thiết bị bù STATCOM Rotor speeds of wind turbines - (p.u) 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 10 Time (s) 12 14 16 18 20 Hình 4.47 Tốc độ rotor nhà máy điện tuabin gió trường hợp hệ thống điện có cố có thiết bị bù STATCOM 112 1.3 1.2 Voltage of phase A at B25 1.1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 10 Time (s) 12 14 16 18 20 Hình 4.48 Điện áp pha A B25 trường hợp hệ thống điện có cố có thiết bị bù STATCOM 10 Active power at B25 -2 -4 10 Time (s) 12 14 16 18 20 Hình 4.49 Cơng suất tác dụng B25 trường hợp hệ thống điện có cố có thiết bị bù STATCOM 113 15 10 0 10 12 14 16 18 20 Hình 4.50 Cơng suất phản kháng B25 trường hợp hệ thống điện có cố có thiết bị bù STATCOM 1.3 Positive sequence voltage at B25 (p.u) 1.2 1.1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 10 Time (s) 12 14 16 18 20 Hình 4.51 Điện áp thứ tự thuận B25 trường hợp hệ thống điện có cố khơng có thiết bị bù STATCOM 114 Positive sequence current at B25 (p.u) 3.5 2.5 1.5 0.5 0 10 Time (s) 12 14 16 18 20 Hình 4.52 Cường độ dòng điện thứ tự thuận B25 trường hợp hệ thống điện có cố khơng có thiết bị bù STATCOM Active powers of wind turbines - (MW) 3.5 2.5 1.5 0.5 -0.5 -1 10 Time (s) 12 14 16 18 20 Hình 4.53 Cơng suất tác dụng nhà máy điện tuabin gió trường hợp hệ thống điện có cố có thiết bị bù STATCOM 115 Reactive powers of wind turbines -1 -2 -3 10 Time (s) 12 14 16 18 20 Hình 4.54 Công suất phản kháng nhà máy điện tuabin gió trường hợp hệ thống điện có cố có thiết bị bù STATCOM Reactive power of STATCOM at B25 (MVAr) 2.5 1.5 0.5 -0.5 10 Time (s) 12 14 16 18 20 Hình 4.55 Cơng suất phản kháng STATCOM trường hợp hệ thống điện có cố có thiết bị bù STATCOM 116 Nhận thấy rằng, thiết bị bù STATCOM lắp đặt thêm vào hệ thống, đặc biệt hệ thống điện xảy cố ngắn mạch, tín hiệu điện áp, công suất tác dụng công suất phản kháng đảm bảo phần nhằm mục đích trì hệ thống điện vận hành ổn định chế độ xác lập sau cố, Hình 4.48 4.51 Tương ứng với việc trì chế độ vận hành xác lập sau cố có nhóm tuabin cắt bị lập khỏi hệ thống điện, nhóm tuabin sau xảy ngắn mạch tiếp tục phát công suất vào hệ thống vận hành ổn định chế độ xác lập sau cố Các kết mô đạt chứng minh hiệu thiết bị bù STATCOM trường hợp hệ thống điện bị cố 117 Chương Kết luận hướng phát triển tương lai 5.1 Kết luận Luận văn hồn thành: - Khảo sát tình hình khai thác sử dụng nguồn lượng gió - Nghiên cứu sở lý thuyết vận hành hệ thống điện - Nghiên cứu mơ hình hóa hệ thống điện gió sử dụng máy phát điện gió khơng đồng - Nghiên cứu mơ hình hóa thiết bị bù STATCOM - Mơ hệ thống điện có xét nguồn điện gió thiết bị bù STATCOM chế độ vận hành khác xác lập, cố sau cố Các kết mô đạt cho thấy tính hiệu thiết bị bù STATCOM, đặc biệt trường hợp cố xảy hệ thống điện nói chung hệ thống điện có xét nguồn điện gió nói riêng 5.2 Hướng phát triển tương lai - Đề xuất giải thuật xác định vị trí tối ưu đặt thiết bị bù STATCOM hệ thống điện - Giải tốn trường hợp hệ thống điện gió sử dụng loại máy phát điện gió khác - Xét đến yếu tố kinh tế lắp đặt thêm thiết bị bù STATCOM - Đề xuất việc sử dụng thiết bị FACTS khác 118 Tài liệu tham khảo [1] Hấu Ngọc Thành, Điều khiển điện áp cấp hai hệ thống có thiết bị FACTS, Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM, 2011 [2] Võ Tấn Lộc, Giải tích hệ thống điện phân phối hình tia có thiết bị FACTS TCSC dùng giải thuật Line Flow-Based, Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại học Công nghệ Tp HCM, 2015 [3] Võ Đôn Kim Quy, Giải tích hệ thống phân phối hình tia với thiết bị bù SVC dùng giải thuật LFB, Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM, 2010 [4] Trương Minh Nhật Thạnh, Khảo sát chế độ làm việc UPFC hệ thống điện, Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM, 2014 [5] Lê Minh Nhựt, Ứng dụng UPFC điều khiển điện áp dòng cơng suất, Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại học Bách Khoa Tp HCM, 2013 [6] M Darabian and A Jalilvand, “Improving power system stability in the presence of wind farms using STATCOM and predictive control strategy”, IET Renewable Power Generation, vol 12, iss 1, pp 98-111, 2018 [7] R M M Pereira, A J C Pereira, C M M Ferreira and F P M Barbosa, “STATCOM to improve the voltage stability of an electric power system with high penetration of wind generation”, 51st International Universities Power Engineering Conference (UPEC), 2017 [8] G E Ahmed, Y S Mohmed and O M Kamel, "Optimal STATCOM controller for enhancing wind farm power system performance under fault conditions", Eighteenth International Middle East Power System Conference, pp 226 - 233, 2016 [9] E R Mauboy, T T Lie and T N Anderson, "Stability enhancement of a power system with wind generation using ANN based STATCOM", International Conference on Advances in Power System Control, Operation and Management, APSCOM 2015, pp - 6, 2015 119 [10] L Wang, C Chang, B Kuan and A V Prokhorov, "Stability improvement of a two-area power system connected with an integrated onshore and offshore wind farm using a STATCOM", IEEE Transactions on Industry Applications, vol 53, iss 2, pp 867 - 877, 2017 [11] L Gyugyi, "Dynamic compensation of AC transmission lines by solidstate synchronous voltage sources", IEEE Transactions on Power Delivery, vol 9, iss 2, pp 904 - 911, 1994 [12] Hồ Văn Hiến, Hệ thống điện truyền tải phân phối, Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp HCM, 2015 [13] Nguyễn Hồng Việt Phan Thị Thanh Bình, Ngắn mạch ổn định hệ thống điện, Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp HCM, 2013 [14] Huỳnh Châu Duy Hồ Đắc Lộc, Năng lượng tái tạo bảo vệ môi trường, Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp HCM, 2016 ... lượng gió - Nghiên cứu thiết bị bù STATCOM - Nghiên cứu vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện lượng gió thiết bị bù STATCOM - Mô vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện lượng gió thiết bị bù STATCOM. .. tốn vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện lượng gió thiết bị bù STATCOM + Chương 3: Cơ sở lý thuyết vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện lượng gió thiết bị bù STATCOM + Chương 4: Mô vận hành. .. toán vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện lượng gió thiết bị bù STATCOM + Chương 3: Cơ sở lý thuyết vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện lượng gió thiết bị bù STATCOM + Chương 4: Mơ vận hành