Nâng cao ổn định trong vận hành hệ thống điện gió nối lưới dùng statcom

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - ĐẶNG ĐỨC NGHIỆM NÂNG CAO ỔN ĐỊNH TRONG VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓNỐI LƯỚI DÙNG STATCOM LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - ĐẶNG ĐỨC NGHIỆM NÂNG CAO ỔN ĐỊNH TRONG VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓNỐI LƯỚI DÙNG STATCOM LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN HÙNG TP HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học: 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 2016 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) T T P G T S P G P G T S C h Phản bi Phản bi Ủy v 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 CÔNG NGHỆ TP HCM CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT PHÒNG QLKH – ĐTSĐH NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP HCM, ngày…… tháng… năm 20 … NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Đặng Đức Nghiệm Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 08/03/1979 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1341830058 I- Tên đề tài: Nâng cao ổn định vận hành hệ thống điện gió nối lưới dùng STATCOM II- Nhiệm vụ nội dung: - Nghiên cứu lý thuyết ổn định hệ thống điện - Nghiên cứu lý thuyết hệ thống điện gió nối lưới - Tổng quan Statcom ứng dụng vào hệ thống điện để cải thiện đáp ứng động hệ thống - Mơ hệ thống điện gió nối lưới môi trường Matlab/Simulink dùng Statcom để điều khiển công suất cải thiện đáp ứng độ - Nhận xét, đánh giá kết III- Ngày giao nhiệm vụ : Tháng 02/2016 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ : Tháng 08/2016 V- Cán hướng dẫn CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) TS Nguyễn Hùng : 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 tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Đặng Đức Nghiệm 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 Thầy TS Nguyễn Hùng, người hướng dẫn tận tình giúp đỡ tơi suốt q trình thực Luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn tất Thầy mơn trang bị kiến thức bổ ích cho tôi, cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ tơi hồn thành nghiên cứu Tơi xin chân thành cảm ơn! Học viên Đặng Đức Nghiệm TÓM TẮT Đề tài Nâng cao ổn định vận hành hệ thống điện gió nối lưới dùng Statcom giải vấn đề sau : - Nghiên cứu lý thuyết ổn định hệ thống điện - Nghiên cứu lý thuyết hệ thống điện gió nối lưới - Tổng quan Statcom ứng dụng vào hệ thống điện để cải thiện đáp ứng động hệ thống - Mơ hệ thống điện gió nối lưới môi trường Matlab/Simulink dùng Statcom để điều khiển công suất cải thiện đáp ứng độ - Nhận xét, đánh giá kết ABSTRACT Thesis Enhancement operational stability of wind power systems connected to grid using STATCOM have resolved the following issues : - Theoretical study voltage stability in power system - STATCOM theoretical research and its application in power systems to improve transient performances - Research using the software Matlab/Simulink.Application simulation model STATCOM in the power system on the software MATLAB / SIMULINK to improve the transient responses when occursin large disturbance - Reviews, evaluate the results MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Xác nhận cán hướng dẫn Lý lịch khoa học LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .vii DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH viii DANH MỤC CÁC BẢNG xi CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu nhiệm vụ 1.3 Phương pháp nghiên cứu 1.4 Điểm luận văn .5 Xem xét mô hình hệ thống điện gió nối lưới thiết kế điều khiển cho Statcom để nâng cao hiệu vận hành xác lập độ hệ thống điện 1.5 Phạm vi ứng dụng 1.6 Bố cục luận văn Chương 2TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN, NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ STATCOM 2.1 Ổn định hệ thống điện .7 2.2 Giới hạn ổn định hệ thống điện 2.2.1 Giới hạn điện áp 2.2.3 Giới hạn ổn định 11 2.3 Nguyên lý làm việc điều khiển turbine gió 15 2.3.1 Cấu tạo nguyên lý làm việc hệ thống điện gió 15 2.3.2 Đặc tính chung loại máy phát điện gió 18 2.3.3 Các mơ hình tốn học hệ thống điện gió 21 2.3.4 Thuật tốn điều khiển cơng suất hệ thống điện gió dùng DFIG 22 2.3.5 Thuật điều khiển công suất hệ thống điện gió 30 2.3.6 Mơ hình máy phát điện không đồng cảm ứng nguồn kép DFIG MATLAB/SIMULINK 37 2.3.7 Kết Luận 40 2.4 Cấu trúc, nguyên lý hoạt động điều khiển STATCOM 40 2.4.1 Cấu trúc STATCOM 40 2.4.2 Nguyên lý hoạt động STATCOM 41 2.4.3 Hệ thống điều khiển Statcom 43 2.4.4 Các đặc tính Statcom 45 CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH MƠ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 47 3.1 Phần mềm MATLAB/SIMULINK 47 3.2 Mơ hình hệ thống điện gió IG nối lưới 48 3.2.1 Sơ đồ đơn tuyến 48 3.2.2 Sơ đồ Simulink 48 3.3 Mơ hình hệ thống điện gió DFIG nối lưới 60 3.3.1 Mơ hình turbine gió DFIG 61 3.3.2 Mơ hình STATCOM 62 3.3.3 Phân tích ổn định theo không gian trạng thái 63 3.3.4 Phân tích miền thời gian 63 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 68 4.1 Kết luận 68 4.2 Hướng phát triển đề tài 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 Hình3.7: Đáp ứng turbine tốc độ gió thay đổi Bắt đầu mơ nhận tín hiệu hình “wind turbine” cơng 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 Hình3.8: Điều khiển công suất điện áp nút B25 + 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 Hình3.9: Đáp ứng turbine xảy ngắn mạch + 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 mô 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 dòng AC Hình 3.10: Cơng suất bù điện áp đầu cực Statcom 3.3 Mơ hình hệ thống điện gió DFIG nối lưới Hình 3.11 trình bày cấu hình hệ thống nghiên cứu có hệ thống điện gió loại DFIG dùng Statcom 5 MVAR Hệ thống điện gió 20MW mơ tả DFIG lớn dẫn truyền tuabin gió Hệ thống điện gió Statcom nối đến điểm thường nối PCC PCC nối với lưới nhờ đường dây truyền tải Mơ hình tốn hệ thống nghiên cứu mơ tả bên Wind Power Systems (WPS) Power grid Under ground cable DFIG 0.69/22kV PCC Transmission line 22/110kV STAT COM control ler V k m STATCOM Hình 3.11: Mơ hình hệ thống điện gió DFIG nối lưới 3.3.1 Mơ hình turbine gió DFIG Năng lượng tuanbin gió viết: P  w (3.1)   A V  C ( , r w p ) với là mật độ gió (kg/m3), Arlà diện tích cánh gió (m2), Vwlà tốc độ gió(m/s), Cplà hệ số cơng suất tuabin gió Hệ số cơng suất tuabin gió Cpđược viết c2  c3  β  c4   C p ( k , )  c1 ( k c c7   c6 ) exp    k  c9 1   k  1 8  c   R   b b Vw (3.2) (3.3) (3.4) với b vận tốc góc cánh gió (rad/s),Rb bán kính cánh gió (m), λ tỉ số tốc độ,  góc cánh gió (độ), c1-c9 số hệ số cơng suất Cp Mơ hình tốn náy phát điện gió DFIG biểu diễn hệ trục quay d-q hệ chuẩn.Mơ hình chi tiết trình bày [2] 3.3.2Mơ hình STATCOM Điện áp ngõ STATCOM trục quay q d trình bày hình 3.12 [5,7] vqs= Vdcskmcos(pcc+) (3.5) vds= Vdcskmsin(pcc+) (3.6) với vqsvà vdslà điện áp trục q- trụcd- ngõ STATCOM; kmvà là số điều biến góc kích STATCOM;pcclà góc pha điện áp PCC,và Vdcslà điện áp DC tụ Cm  + Vdcs_ref + Kc 1+sTc Vcs   max  Vcsmax Wind PID Controller Vcsmin vbus vbus_ref + km0 Ks kmmax + 1+sTs km kmmin Hình 3.12 Bộ điều khiển cho STATCOM Đặc tuyến áp-dòng tụ DC Cmđược trình bày (Cm)(�� dcs) =b[Idcs (Vdcs/Rm)] (3.7) dòng DC tính Idcs= iqskmcos(θpcc+) +idskmsin(θpcc+) (3.8) với Rmlà điện trở tương đương liên quan đến tổn thất điện STATCOM, iqs idslà dòng điện trục q- trục d- chạy vào STATCOM Sơ đồ khối điều khiển STATCOM dùng điều khiển PID trình bày hình3.12 Điện áp Vdcsđược điều khiển góc kích , điện áp vsthì thay đổi theo số điều biến km 3.3.3 Phân tích ổn định theo khơng gian trạng thái Các phương trình hệ thống phi tuyến trình bày tuyến tính hóa quanh điểm vận hành trở thành hệ phương trình tuyến tính viết dạng ma trận: � = AX + BU (3.9) Y = CX + DU (3.10) với Xlà véc-tơ trạng thái, Ylà véc-tơ ngõ hệ thống,Ulà véc-tơ ngõ vào điêu khiển,A, B, C, Dlà ma trận số có kích thước phù hợp Tốc độ gió Vw= 12 m/s lựa chọn điểm vận hành để thiết kếbộ điều khiển PID Các trị riêng hệ thống nghiên cứu có khơng có STATCOM trình bày Bảng 3.1 Các điểm sau tìm thấy cách xác định trị riêng hệ thống: - Tất chế độ hệ thống thể mặt phẳng phức mà khơng có thay đổi việc thêm vào STATCOM - Hai chế độ 16 17 liên quan đến công suất hệ thống điện gió WPSvà chúng cải thiện tỉ số suy giảm 0.63113 Sơ đồ khối điều khiển STATCOM bao gồm điều khiển PID trình bày hình 3.12 Trong phần thơng số điều khiển PID xác định phương pháp thử sai 3.3.4 Phân tích miền thời gian Phần sử dụng mơ hình hệ thống phi tuyến phần so sánh với hệ thống có sử dụng STATCOM dùng điều khiển PID nhằm cải thiện ổn định hệ thống nghiên cứu xảy ngắn mạch pha lưới giả định hệ thống điện gió vận hành tốc độ gió 12 m/s Kết mô hệ thống đưa Matlab/Simulink trình bày hình3.13 Sơ đồ hình vẽ so sánh đáp ứng độ hệ thống nghiên cứu có khơng có STATCOM dùng điều khiển giảm dao động cố ngắn mạch pha xảy lưới thời điểm t = 2s xóa sau chu kỳ điện Bảng 3.1 : Các trị riêng hệ thống nghiên cứu C Hh H ệệ ệ c th t t - -ố 4 0 4 ± ± j 6H j 7ệ t 9 8h ố 9n , , ,g 6 0đ 0 i - ệ 4 n - M 6 , 22 n - S , T A Giải thích: Vì trị riêng mang dấu âm nên hệ thống ổn định, hệ thống có gắn Statcom giá trị âm nhiều nên ồn định Quan sát từ đáp ứng độ hình 3.13 thấy với STATCOM đưa dùng điều khiển PIDcho hệ thống nghiên cứu làm giảm dao động tốt hơn.Trong đócơng suất tác dụng, cơng suất phản kháng, tốt độ rotor điện áp điểm kết nối STATCOM trình bày Có thể nhận khơng có STATCOM dao động khoảng 10s nối STATCOM vào dùng điều khiển PID giảm dao động hệ thống ổn định khoảng 5s.Nhận thấy với STATCOM dùng điều khiển PID giảm dao động cung cấp cơng suất kháng vào hệ thống giảm nhanh dao động hệ thống khơng có STATCOM 1.2 P Wind (p.u.) 0.8 0.6 0.4 0.2 t (s) 10 12 14 16 (a) Công suất tác dụng hệ thống điện gió Đồ thị màu xanh khơng có Statcom, màu đỏ có Statcom 0.3 Q Wind (p.u.) 0.2 0.1 -0.1 -0.2 (s) 10 12 14 16 t (b) Công suất phản kháng hệ thống điện gió Dao động lớn->dao động ổn định 1.08 1.06 Wind (p.u.) 1.04 1.02 0.98 0.96 0.94 t (s) 10 12 14 16 (c)Tốc độ rotor máy phát điện gió 1.2 V PCC (p.u.) 0.8 0.6 0.4 0.2 t (s) 10 12 14 (d) Điện áp điểm nối Statcom Giải thích sau ngắn mạch điện áp phục vụ tốt có Statcom điều khiển Hình 3.1.3: So sánh đáp ứng độ hệ thống ngắn mạch ba pha vơ lớn 16 Giải thích: Vận tốc gốc Turbine chưa có Statcom gắn vào hệ thống ổn định nên thể độ thị màu xanh, có gắn Statcom vào hệ thống hoạt động thể màu đỏ hệ thống hoạt động ổn định 3.3.4 Kết luận Phần trình bày cách cải thiện ổn định 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 giao động áp dụng cho STATCOMđã thiết kế Kết mô cho thấy STATCOM đưa có đặc tính giảm dao động tốt nhằm cải thiện đáp ứng động hệ thống xảy nhiễu lớn CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 4.1 Kết luận Đề tài“Nâng cao ổn định vận hành hệ thống điện gió nối lưới dùng STATCOM” hồn thành yêu cầu đặt đạt số kết sau : - Nghiên cứu lý thuyết ổn định hệ thống điện - Nghiên cứu lý thuyết máy phát điện gió nối lưới Hai loại máy phát điện gió dùng nghiên cứu IG DFIG - Nghiên cứu lý thuyết Statcom ứng dụng vào hệ thống điện để điều khiển công suất cải thiện đáp ứng độ - Nghiên cứu Statcom vào điều khiển cơng suất nhà máy điện gió gió thay đổi ÷ 11 m/s - Nghiên cứu Statcom vào ổn định nhà máy điện gió xảy ngắn mạch pha đầu cực máy phát điện gió Turbine - Nghiên cứu sử dụng phần mềm Matlab/Simulink Mơ hình mơ ứng dụng Statcom vào hệ thống điện gió nối lưới nhằm điều khiển điện áp, cơng suất cải thiện đáp ứng vận hành hệ thống điện - Với kết đạt đề tài vận hành hệ thống điện gió nối lưới dúng Statcom luận văn tác giả dùng 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 giao động áp dụng cho STATCOM thiết kế Kết mô miền thời gian cho thấy STATCOM đưa có đặc tính giảm dao động tốt so với trường hợp không sử dụng STATCOM 4.2 Hướng phát triển đề tài 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 kết hợp với Nơron mờ để nâng cao chất lượng điều khiển Statcom chế độ vận hành khác 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 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 [17] Nguyễn Thanh Hải; Phạm Đình Trực, “Điều khiển máy điện gió khơng đồng nguồn kép” , Hutech 2012 [18] Vũ Hạnh Chiêu; Huỳnh Châu Duy(GVHD), “ Nghiên cứu tốn tối ưu hóa cơng suất tuabin gió”, Hutech 2013 ... Nâng cao ổn định vận hành hệ thống điện gió nối lưới dùng Statcom giải vấn đề sau : - Nghiên cứu lý thuyết ổn định hệ thống điện - Nghiên cứu lý thuyết hệ thống điện gió nối lưới - Tổng quan Statcom. .. Quá trình phân loại ổn định hệ thống điện trình bày sơ đồ sau: Hình 2.1: Phân loại ổn định hệ thống điện Ổn định điện áp khả hệ thống điện để trì điện áp ổn định tất hệ thống điện sau chịu tác... Bình Định Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1341830058 I- Tên đề tài: Nâng cao ổn định vận hành hệ thống điện gió nối lưới dùng STATCOM II- Nhiệm vụ nội dung: - Nghiên cứu lý thuyết ổn định hệ thống