Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển ổn định hệ thống công suất trong điều khiển các nguồn phân tán

Bài viết đã đưa ra được kết quả mô phỏng điều khiển các nguồn phân tán sử dụng bộ điều khiển PSS cho phép chúng đạt được quy mô tương đương và mức độ cung cấp điện ổn định như các nhà máy điện truyền thống.

Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG CÔNG SUẤT TRONG ĐIỀU KHIỂN CÁC NGUỒN PHÂN TÁN Lê Kim Anh* TÓM TẮT Nghiên cứu sử dụng khai thác hiệu nguồn phân tán (Distributed Generation – DG) để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch có nguy cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường Việc ứng dụng điều khiển ổn định hệ thống công suất (PSS) điều khiển nguồn phân tán nhằm nâng cao tính ổn định dao động hệ thống điện Mặc dù sử dụng DG giảm phụ thuộc vào nhà máy điện truyền thống, việc kết hợp chúng vào hệ thống cung cấp điện vấn đề lớn DG có quy mơ q nhỏ so với mạng lưới Bài báo đưa kết mô điều khiển nguồn phân tán sử dụng điều khiển PSS cho phép chúng đạt quy mô tương đương mức độ cung cấp điện ổn định nhà máy điện truyền thống Từ khóa: Ổn định hệ thống điện; ổn định cơng suất; hệ thống kích từ; nguồn phân tán; nguồn công suất nhỏ STUDY ON APPLICATION OF POWER SYSTEM STABILIZERS FOR CONTROL OF DISTRIBUTED GENERATIONS ABSTRACT The research on using and exploiting effectively Distributed Generations (DGs) to generate electricity is meaningful to reduce the climate change and dependence of power demand on fossil energy sources, which are at risk of both being exhausted and causing environmental pollution The use of Power System Stabilizers (PSS) in controlling of distributed generation is to provide improved stabilization of the system It is not similar to conventional power plants, distributed generations have small scales in comparison to those of networks Therefore, despite having an advantage to reduce the dependence of power demands on those plants, the integration of DGs into power supply systems is still a major issue The article presents simulation results of DGs controlling model using power system stabilizers, which maintains maximum capacity of the systems with irrespective of connected power loads Key words: Power System Stability; Power Stability; excitation system; distributed generation; small-scale power generations * Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa 52 Nghiên cứu ứng dụng Đặt vấn đề Ngày nay, với phát mạnh mẽ giới, nhu cầu sử dụng lượng người ngày tăng Nguồn lượng tái tạo (Renewable Energy sources – RES) nói chung, nguồn phân tán (Distributed Generation – DG) nói riêng như: nhà máy điện gió, điện - nhiệt kết hợp, điện mặt trời, thủy điện nhỏ nhà máy điện chạy khí sinh học v.v dạng nguồn lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tiềm trữ lượng nguồn phân tán nước ta lớn Tuy nhiên, để khai thác sử dụng nguồn phân tán cho hiệu quả, giảm phát thải chất gây ô nhiễm môi trường, nitrogen oxit (NOx), sunfua oxit (SOx), đặc biệt carbon dioxit (CO2) mục tiêu nghiên cứu nhiều quốc gia Bài báo đề xuất nguồn phân tán (DG): tuabin thủy lực, tuabin sử dụng rộng rãi điều khiển nhà máy điện Hệ thống điều khiển thông qua kích từ để trì trạng thái ổn định hệ thống điện, việc đo dòng điện điện áp đầu điều chỉnh từ trường rotor máy phát điện Nghiên cứu ứng dụng điều khiển ổn định hệ thống công suất (Power System Stablizer - PSS) điều khiển nguồn phân tán nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh điều khiển linh hoạt dạng nguồn lượng tái tạo Nghiên cứu ứng dụng điều khiển ổn định hệ thống công suất (PSS) Các nguồn phân tán nghiên cứu tuabin thủy lực (Hydraulic Turbine Governor), tuabin (Steam Turbine Governor) thông qua hệ thống kích từ để điều khiển điện áp stator máy phát điện Theo [1], hệ thống kích từ bao gồm khối điều chỉnh tự động điện áp (Automatic Voltage Regulator - AVR) khối chức ổn định hệ thống công suất (Power System Stablizer – PSS) Các khối lấy thơng tin dòng điện, điện áp từ máy phát điện so sánh với giá trị dòng điện, điện áp danh định, sau đưa xung điều khiển thích hợp để điều khiển đóng mở van bán dẫn chỉnh lưu có điều khiển (Static Excitation System - SES) Nghiên cứu ứng dụng điều khiển nguồn phân tán sử dụng điều khiển ổn định hệ thống công suất (PSS), hình Hình Sơ đồ điều khiển nguồn phân tán ứng dụng điều khiển PSS 53 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật 2.1 Hệ thống kích từ máy phát điện Khi máy phát chưa nối vào lưới điện, việc thay đổi dòng điện kích từ cần thay đổi điện áp đầu cực máy phát Tuy nhiên máy phát điện nối vào lưới có cơng suất lớn so với hệ thống máy phát điện, lúc việc tăng giảm dòng kích từ không làm thay đổi điện áp lưới Theo [2], tác dụng hệ thống kích từ lúc điều khiển công suất phản kháng cho máy phát điện Để điều chỉnh dòng kích từ hệ thống máy phát điện ( sử dụng tuabin thủy lực tuabin hơi) người ta sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh kích từ có phận điều khiển thiết bị điều chỉnh tự động điện áp (AVR) Thiết bị có nhiệm vụ giữ cho điện áp đầu cực máy phát không đổi, phụ tải thay đổi nâng cao giới hạn truyền tải công suất máy phát vào hệ thống Những yêu cầu chung hệ thống điều chỉnh kích từ là: đảm bảo ổn định tĩnh ( với nhiễu nhỏ), nâng cao tính ổn định động (với nhiễu lớn) cần có chế độ kích thích cưỡng máy phát làm việc chế độ cố (như ngắn mạch lưới) v.v Hình 2, sơ đồ hàm truyền thiết bị điều chỉnh tự động điện áp (AVR) Hình Sơ đồ hàm truyền thiết bị điều chỉnh tự động điện áp Dựa vào sơ đồ hình 2, ta tiến hành phân tích q trình làm việc điều chỉnh tự động điện áp (AVR) sau: 2.2 Phân tích tính chất ổn định PSS Theo [3], điều khiển ổn định hệ thống công suất (PSS) thiết bị tăng mômen hãm cho hệ dao động điện máy phát, để cải thiện hạn chế vận hành cưỡng Khi tác động thay đổi đột ngột điều kiện vận hành, tốc độ công suất máy phát điện thay đổi xung quanh điểm cân Mối quan hệ đại lượng tính theo biểu thức sau: 54 Nghiên cứu ứng dụng Trong đó: δ: góc quay tương đối rotor; ω: tốc độ góc rotor; Mm: mômen cơ; Me: mômen điện từ; Mc: mơmen hãm; H: số qn tính máy phát điện Từ biểu thức (6) cho ta thấy có tác động lực cân tốc độ rotor máy phát tăng theo tỷ lệ mô men tác động số quán tính tuabin Theo [4], tùy vào loại tín hiệu đầu vào PSS sử dụng mà PSS có tên gọi khác khả điều khiển chúng Ở ta phân tích tính chất ổn định điều khiển PSS ứng dụng điều khiển nguồn phân tán bao gồm: 2.2.1 Ổn định tần số (Δf) Tín hiệu tần số sử dụng làm tín hiệu đầu vào cho điều khiển PSS, số trường hợp tín hiệu điện áp đầu cực tín hiệu dòng điện kết nối tín hiệu tốc độ rotor cho PSS Ưu điểm tín hiệu tần số nhạy cảm với tín hiệu dao động hệ thống máy phát điện Nhược điểm tín hiệu tần số thường chứa nhiễu loạn 2.2.2 Ổn định tốc độ (Δω) Nhằm nâng cao đặc tính hãm tự nhiên máy phát điện, điều khiển PSS phải tạo mômen điện chống lại thay đổi tốc độ rotor Để làm điều ta đưa vào tín hiệu có tỷ lệ đo sai lệch tốc độ rotor điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát 2.2.3 Ổn định công suất (ΔP) Như ta biết ổn định tốc độ (Δω) thường gặp khó khăn tạo tín hiệu khơng có nhiễu, thành phần dao động xoắn trục Sự có mặt thành phần đầu vào ổn định tốc độ gây kích từ cho máy phát điện Những biến đổi mômen điện dẫn đến việc thiết kế ổn định công suất (ΔP) đo được: (7) Trong đó: ΔPm: độ thay đổi cơng suất đầu vào; ΔPe: độ thay đổi công suất điện đầu ra; Δω: sai lệch tín hiệu tốc độ rotor Mặc khác độ sai lệch tín hiệu tốc độ tính từ chênh lệch cơng suất đầu vào công suất điện đầu Sử dụng mối liên hệ để thay việc đo tín hiệu cơng suất điện cho đầu vào tốc độ 2.2.4 Ổn định đầu vào kép (ΔP_ω) Mục đích ổn định đầu vào kép (Ổn định công suất gia tốc) nhằm loại bỏ thành phần khơng mong muốn khỏi ín hiệu tốc độ loại trừ khó khăn việc đo ín hiệu cơng suất cơ, để làm điều biểu thức (7) viết lại sau: (8) Tích phân cơng suất có quan hệ với tốc độ trục cơng suất điện sau: (9) Vì công suất thường thay đổi với tần số dao động điện, tín hiệu cơng suất có nhờ hạn chế độ rộng dải sử dụng mạch lọc tần thấp Sự hạn chế dải tín hiệu thu để sử dụng thay cho công suất biểu thức (9) chuyển thành tín hiệu thay đổi theo tốc độ Tín hiệu tốc độ thu từ việc hạn chế độ rộng dải thơng qua mạch lọc cao tần Còn tần số thấp đầu định chủ yếu đầu vào công suất điện Theo [5], việc sử dụng điều khiển ổn định hệ thống công suất (PSS2A) có cấu trúc phase Lead/Lag với số khuếch đại hàm giới hạn đầu Khả bù PSS phụ thuộc vào việc 55 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật tính chọn giá trị KPSS số thời gian Ở số thời gian trễ vượt điều chỉnh khoảng 0.01s ≤ T≤ 6s Xây dựng mơ hình mơ Matlab - Simulink 3.1 Mơ hình Matlab - Simulink Mơ hình xây dựng matlab/ simulink mơ hình điều khiển độc lập, ứng dụng điều khiển ổn định hệ thống công suất (PSS2A) điều khiển nguồn phân tán Ở nguồn phân tán (DG): hai tuabin thủy lực (Hydraulic Turbine Governor) hai tuabin (Steam Turbine Governor) xây dựng Matlab – Simulink, hình 4,5 hình Hình Hệ thống điều khiển tuabin thủy lực Hình Hệ thống điều khiển tuabin Bảng Thông số điều khiển PSS2A Bảng Thơng số kích từ thơng số đường dây 56 Nghiên cứu ứng dụng 3.2 Kết mơ Matlab - Simulink 57 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Kết luận Nghiên cứu ứng dụng điều khiển ổn định hệ thống công suất (PSS) điều khiển nguồn phân tán phát huy công suất phát Các nguồn phân tán cho phép chúng đạt quy mô tương đương mức độ cung cấp điện ổn định nhà máy điện truyền thống Tại thời điểm [1s ≤ t ≤ 2s] đóng tải thực nối lưới, giá trị dòng điện, điện áp cơng suất bị dao động Khi t > 2s hệ thống điều khiển làm việc trạng thái ổn định Điều khiển nguồn phân tán ứng dụng điều khiển PSS, nhằm hướng đến việc phát triển lưới điện thông minh điều khiển nối lưới linh hoạt cho nguồn lượng tái tạo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Kim Anh, 2013, Ứng dụng ổn định công suất cho nguồn phát công suất nhỏ, http:// nangluongvietnam.vn [2] Ian A Hiskens, 2002, Systematic Tuning of Nonlinear Power System Controllers, IEEE [3] Nguyễn Hiền Trung, Nguyễn Như Hiển, 2010, Nghiên cứu hiệu ổn định công suất cho máy phát điện đồng kết nối lưới điện, Tạp chí khoa học cơng nghệ, Đại học Thái Nguyên 64(02) [4] G.R Bérubé, L.M Hajagos, Accelerating - Power Based Power System Stabilizers, Kestrel Power Engineering Ltd, Mississauga, Ontario, Canada [5] P Bayne, D.C Lee, W Watson, 1977, A power system stabilizer for thermal units based on derivation of accelerating power, IEEE 58 ... chí Kinh tế - Kỹ thuật Kết luận Nghiên cứu ứng dụng điều khiển ổn định hệ thống công suất (PSS) điều khiển nguồn phân tán phát huy công suất phát Các nguồn phân tán cho phép chúng đạt quy mô tương... nguồn phân tán nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh điều khiển linh hoạt dạng nguồn lượng tái tạo Nghiên cứu ứng dụng điều khiển ổn định hệ thống công suất (PSS) Các nguồn phân tán nghiên. .. định, sau đưa xung điều khiển thích hợp để điều khiển đóng mở van bán dẫn chỉnh lưu có điều khiển (Static Excitation System - SES) Nghiên cứu ứng dụng điều khiển nguồn phân tán sử dụng điều khiển