Ứng dụng STATCOM nâng cao ổn định điện áp trong hệ thống điện có kết hợp nguồn điện gió

Bài viết trình bày việc ứng dụng của bộ bù đồng bộ tĩnh (STATCOM) để cải thiện sự ổn định điện áp trong hệ thống điện có kết hợp nguồn điện gió sử dụng máy phát cảm ứng nguồn đôi (DFIG) tuabin gió có kết nối lưới điện.

38 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh ỨNG DỤNG STATCOM NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ KẾT HỢP NGUỒN ĐIỆN GIÓ APPLICATION OF A STATCOM TO IMPROVE VOLTAGE STABILITY IN A GRID CONNECTED WIND TURBINE Trương Đình Nhơn1, Nguyễn Văn Trí2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh Cơng ty Cổ phần Sản xuất TM DV Trường Thịnh Tiến Ngày tòa soạn nhận 3/8/2016, ngày phản biện đánh giá 19/8/2016, ngày chấp nhận đăng 5/9/2016 TĨM TẮT Bài báo trình bày việc ứng dụng bù đồng tĩnh (STATCOM) để cải thiện ổn định điện áp hệ thống điện có kết hợp nguồn điện gió sử dụng máy phát cảm ứng nguồn đơi (DFIG) tuabin gió có kết nối lưới điện Hệ thống nghiên cứu bao gồm hệ 14 bus nguồn lượng gió 6-MW bao gồm máy phát DFIG 2-MW kết nối với bus 13.8 kV hệ thống điện Kết mô thực phần mềm MATLAB Có thể kết luận từ kết mô tác động STATCOM đề xuất cải thiện ổn định hệ thống nghiên cứu Từ khóa: Bộ bù đồng tĩnh ( STATCOM ); Máy phát cảm ứng nguồn đơi (DFIG); tua bin gió; hệ thống điện; ổn định điện áp ABSTRACT This paper presents the application of a static synchronous compensator (STATCOM) to improve stability of wind power voltage using doubly-fed induction generator (DFIG)based wind turbine connected to power grid The studied system consists of a 14-bus system and 6-MW wind power system of including three 2-MW DFIG generators connected to 13.8 kV bus of the power system The simulation results derived in MATLAB software showed that the impact of the proposed STATCOM can truly enhance the stability of the studied system Keywords: Static synchronous compensator (STATCOM), Doubly-fed induction generator (DFID); wind turbine; power system; voltage stability I GIỚI THIỆU Với xâm nhập ngày tăng lượng gió vào lưới điện, máy phát cảm ứng nguồn đơi (DFIG) dựa tubin gió phần lớn triển khai nhờ vào khả điều khiển độc lập công suất phản kháng công suất tác dụng Ngồi ra, cịn loại máy phát có hiệu cao so với hệ thống lượng gió trực tiếp với chuyển đổi công suất lớn có khoảng 20% cơng suất lưu thơng qua chuyển đổi cơng suất phần cịn lại thơng qua stator mà không cần thiết bị điện tử công suất [1] Tuy nhiên, cách kết nối cuộn dây stator trực tiếp với lưới điện, vơ nhạy cảm với cố lưới điện Để cải thiện ổn định điện áp cho bus hệ thống điện Bộ bù đồng tĩnh (STATCOM) đề xuất sử dụng để cải thiện vấn đề cân cải thiện độ tin cậy hệ thống điện Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 39 Hình Cấu hình hệ thống nghiên cứu Trong báo này, thiết bị bù đồng (STATCOM) đề xuất để điều chỉnh điện áp bus 14 cách điều khiển lượng công suất phản kháng thêm vào hấp thu qua hệ thống điện để ổn định điện áp hệ thống điện II CẤU HÌNH HỆ THỐNG VÀ MƠ HÌNH TỐN HỌC Hình cho thấy cấu hình hệ thống nghiên cứu Một trang trại gió 6-MW gồm x MW máy phát điện nguồn đôi (DFIG) kết nối với bus 13.8 kV (bus 14) lưới điện STATCOM đề xuất để kết nối với bus 14 để cung cấp công suất phản kháng thích hợp vào hệ thống A Mơ hình máy phát điện gió DFIG Trong báo này, mơ hình DFIG thể hình xây dựng theo hệ quy chiếu đồng dq với giả định với việc bỏ qua tác động thoáng qua cuộn dây stator [2] Các phương trình điện áp, dòng điện cuộn dây stator cuộn dây rotor DFIG viết sau: v d sw d   R sw d i d sw d  ω rw d ψ q sw d Turbine hwd Vw rwd Bus DFIG Pewd Pswd GB Prwd RSC GSC Cdcwd Pgwd Vdcwd Pitch angle CONTROL SYSTEM Hình Sơ đồ nguyên lý máy phát điện gió DFIG (1) 40 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh v q sw d   R sw d i q sw d  ω rw d ψ d sw d v d rw d  R rw d id rw d  s w d ω rw d ψ q rw d  v q rw d  R rw d iq rw d  s w d ω rw d ψ d rw d  ωb ωb (2) p  ψ d rw d p  ψ q rw d   (3) (4) Trong đó: swd rwd từ thơng liên kết tính hệ đơn vị tương đối (pu) cuộn dây stator cuộn dây rotor tương ứng Phương trình cân cơng suất cho chuyển đổi hình viết sau: Prw d  Pg w d  Pd c w d (5) điều khiển STATCOM thể hình Nếu điện áp V2 tạo VSC (STATCOM) có biên độ thấp điện áp V1 hệ thống khiến dòng phản kháng (Iq) chạy từ hệ thống vào STATCOM, lúc dòng điện Iq hoạt động điện cảm tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ thống, điện áp V2 tạo VSC (STATCOM) có biên độ lớn điện áp V1 hệ thống khiến dòng điện phản kháng (Iq) chạy từ STATCOM vào hệ thống, lúc dòng điện Iq hoạt động điện dung cung cấp công suất phản kháng đến hệ thống Nếu điện áp V2 tạo VSC (STATCOM) điện áp hệ thống V1 khơng có trao đổi cơng suất phản kháng Trong đó: Prwd Pgwd công suất RSC GSC, tương ứng Pdcwd công suất liên kết chiều (DC) Ba cơng suất tác dụng thể sau: Prw d  v d rw d i d rw d  v q rw d i q rw d (6) Pg w d  v d g w d i d g w d  v q g w d i q g w d (7) Pd c w d  V d c w d I d c w d   V d c w d C d c w d  p  V d c w d  (8) Thay phương trình (5) - (7) vào (8), phương trình vi phân điện áp DC thể sau: (VdcwdCdcwd) p (Vdcwd)= vdgwd idgwd +vqgwd iqgwd –vdrwd idrwd – vqrwd iqrwd (9) Đối với hoạt động bình thường DFIG, đầu vào điện áp phía xoay chiều RSC GSC điều khiển cách hiệu để đạt yêu cầu điều khiển đồng thời ngõ công suất tác dụng công suất phản kháng Hình Sơ đồ điều khiển STATCOM III THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC MỜ CHO STATCOM Sơ đồ khối điều khiển logic mờ thể Hình Hình thể sơ đồ điều khiển logic mờ kết hợp với điều khiển PI STATCOM B Mơ hình STATCOM STATCOM đề xuất báo sử dụng để điều chỉnh điện áp bus 14 cách thêm vào lượng công suất phản kháng cho hệ thống điện Sơ đồ Hình Sơ đồ khối điều khiển Logic mờ Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 41 MATLAB / Simulink Hình biểu diễn kết so sánh có cố ngắn mạch pha hệ thống nghiên cứu có STATCOM + Logic Mờ (đường màu đỏ) khơng có STATCOM (đường màu xanh) Sự cố ngắn xảy thời điểm t = s kết thúc sau chu kỳ Có thể nhận thấy từ kết mô đáp ứng độ hệ thống nghiên cứu thể Hình (a)-(d) tốt có STATCOM Hình Sơ đồ điều khiển STATCOM kết hợp với điều khiển Logic mờ 0.9 Dien ap tai PCC (pu) Trong báo này, biến ngôn ngữ lựa chọn NB (âm lớn), NS (âm nhỏ), ZR (không), PS (dương nhỏ), PB (dương lớn) biến ngõ tương ứng IB (tăng nhiều), IS (tăng ít), KV (giữ nguyên), DS (giảm ít), DB (giảm nhiều) Sự liên quan biến ngôn ngữ thể bảng luật 1.1 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 Thoi gian (s) (a) Điện áp Bus Bảng Tập luật hệ thống NB NS ZR PS PB PB IB IB KV DB DB PS IB IS KV DS DB ZR IS IS KV DS DS NS DB DS KV IS IB NB DB DB KV IB IB d Dong dien tai PCC (pu) 1.5 0.5 Thoi gian (s) 8 (b) Dòng điện Bus IV KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 1.4 1.3 Toc Rotor (pu) Để thấy rõ ưu điểm thiết bị bù STATCOM, phần mơ hình hệ thống phi tuyến sử dụng để so sánh đặc tính đáp ứng STATCOM đề xuất cải thiện ổn định hệ thống nghiên cứu với cố nghiêm trọng Giả định tuabin gió vận hành với tốc độ gió m/s Kết mô hệ thống thực công cụ 1.2 1.1 0.9 0.8 0.7 Thoi gian (s) (c) Tốc độ Rotor DFIG Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 42 PCC nâng lên độ dao động giảm tốc độ gió thay đổi mạnh thời gian ngắn 1500 1300 1200 14 1100 13 1000 900 800 Thoi gian (s) Toc gio (m/s) Dien ap Vdc tren DFIG (V) 1400 12 11 10 (d) Điện áp Vdc DFIG 10 15 20 25 t (s) 0.8 (a) Tốc độ gió thay đổi 0.6 10.5 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 Thoi gian (s) Dien ap tai PCC (pu) Cong suat tac dung P (pu) 0.7 1.04 1.03 1.02 1.01 (e) Công suất tác dụng DFIG Cong suat phan khang Q (p.u) 10 15 20 t (s) (b) Điện áp PCC 0.2 Hình Đáp ứng độ hệ thống nghiên cứu tốc độ gió thay đổi 0.1 V -0.1 -0.2 -0.3 Thoi gian (s) (f) Cơng suất phản kháng DFIG Hình Đáp ứng độ hệ thống nghiên cứu xảy ngắn mạch pha Ngoài ra, để thấy ảnh hưởng STATCOM đến hệ thống tốc độ gió thay đổi Hình (b) trình bày đáp ứng điện áp PCC hệ thống khơng có STATCOM (đường màu xanh) hệ thống có STATCOM (đường màu đỏ) tốc độ gió giả lập thay đổi Hình (a) Từ kết ta dễ dàng nhận thấy có STATCOM điện áp KẾT LUẬN Bài báo trình bày việc cải thiện ổn định động hệ thống máy phát điện gió DFIG có kết nối với hệ thống điện Để cung cấp công suất phản kháng thích hợp cho hệ thống, thiết bị bù STATCOM đề xuất kết nối bus 14 hệ thống nghiên cứu Kết so sánh miền thời gian với cố ngắn mạch pha tốc độ gió thay đổi thực để chứng minh hiệu STATCOM đề xuất việc hạn chế dao động hệ thống Có thể kết luận từ kết mô có STATCOM hệ thống kết hợp với điều khiển logic mờ cải thiện rõ rệt chất lượng điện ổn định hệ thống nghiên cứu trường hợp cố xảy Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] A Petersson, “Analysis, modeling and control of doubly-fed induction generators for wind turbines,” Chalmers University of Technology, Goteborg, Sweden, 2005 L Wang and D.-N Truong, “Stability improvement of a DFIG-based offshore wind farm fed to a multi-machine power system using a static VAR compensator,” in Proc IEEE IAS Annual Meeting, 7-11 October 2012, Las Vegas, NV, USA L Wang and D.-N Truong, “ Dynamic Stability Improvement of Four ParalellOperated PMSG- Based Ofshore Wind Turbine Generator Fed to a Power System Using a STATCOM” IEEE Transactions on power delivery, Vol.28, No.1,January 2013 L Wang and C.-T Hsiung, “Dynamic stability improvement of an integrated gridconnected offshore wind farm and marine-current farm using a STATCOM,” IEEE Trans, PowerSystems,vol.26,no.2,pp.690-698, 2011 K R Padiyar and N Prabhu, “Design and performance evaluation of subsynchronous damping controller with STATCOM,” IEEE Trans.Power Delivery, vol 21, no 3, pp 1398-1405, 2006 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 Convers., vol 13, no 3, pp 237–243,Sep 1998 Tác giả chịu trách nhiệm viết TS Trương Đình Nhơn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Email: nhontd@hcmute.edu.vn ... thấy ảnh hưởng STATCOM đến hệ thống tốc độ gió thay đổi Hình (b) trình bày ? ?áp ứng điện áp PCC hệ thống khơng có STATCOM (đường màu xanh) hệ thống có STATCOM (đường màu đỏ) tốc độ gió giả lập thay... thay đổi Hình (a) Từ kết ta dễ dàng nhận thấy có STATCOM điện áp KẾT LUẬN Bài báo trình bày việc cải thiện ổn định động hệ thống máy phát điện gió DFIG có kết nối với hệ thống điện Để cung cấp cơng... việc hạn chế dao động hệ thống Có thể kết luận từ kết mơ có STATCOM hệ thống kết hợp với điều khiển logic mờ cải thiện rõ rệt chất lượng điện ổn định hệ thống nghiên cứu trường hợp cố xảy Tạp Chí