Bài viết đề xuất một cấu trúc điều khiển chung cho hai trạm điện nhằm sử dụng tối đa khả năng của trạm điện gió, mà vẫn đảm bảo các điều kiện kỹ thuật và vận hành ổn định. Đây cũng là nền tảng cho phép ứng dụng rộng rãi hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel cho các đảo ở Việt Nam.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 53 ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ – DIESEL TRONG LƯỚI CƠ LẬP THEO HƯỚNG TỐI ĐA HĨA MỨC THÂM NHẬP ĐIỆN GIÓ CONTROLLING THE WIND – DIESEL POWER HYBRID SYSTEM IN ISOLATED GRID TO MAXIMIZE THE PENETRATION OF WIND POWER Lê Thái Hiệp1, Đoàn Đức Tùng1, Nguyễn Thế Công2, Lê Văn Doanh2 Trường Đại học Quy Nhơn; thaihiepalpha@gmail.com;ddtung@ftt.edu.vn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; cong.nguyenthe@hust.edu.vn; ledoanhbk@yahoo.com Tóm tắt - Thực tế có nhiều hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel vùng lập vận hành chưa hiệu quả, phối hợp trạm điện gió trạm điện diesel chưa phù hợp Bài báo đề xuất cấu trúc điều khiển chung cho hệ thống hỗn hợp gió – diesl lưới lập khơng có thiết bị phụ trợ Thuật tốn điều khiển tính tốn số lượng máy phát công suất máy cho hai trạm điện, điều khiển hệ thống bám theo giá trị tính tốn Đồng thời việc điều khiển tần số thực theo hướng cực đại hóa cơng suất phát trạm điện gió nhằm giảm tối đa tiêu thụ nhiên liệu diesel Kết áp dụng hệ thống phát điện hỗn hợp đảo Phú Quý cho thấy phù hợp cấu trúc đề xuất, qua khuyến nghị áp dụng cho hệ thống tương tự Abstract - In fact, there are many wind – diesel hybrid power systems which operate ineffectively in isolated regions because the coordination between wind power station and diesel power station is not appropriate In this paper, a common control structure of wind – diesel hybrid power system in isolated grid without auxiliary devices is proposed The control algorithm calculates the number and power of generators in both power stations, and drives the system according to the calculated value Simultaneously, the frequency is also controlled toward maximizing generating capacity of wind power stations in order to minimize the consumption of diesel fuel This control structure is applied to the hybrid power system on Phu Quy Island and the result shows the appropriateness of the proposed structure Therefore, this paper recommends applying this control structure to similar systems Từ khóa - Hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel; lưới lập; cơng suất; tần số; mức thâm nhập điện gió Key words - Wind – diesel hybrid power system; isolated grid; power; frequency; the penetration of wind power Đặt vấn đề Có nhiều vùng cô lập giới cấp nguồn từ hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel khơng có thiết bị phụ trợ Điển hình như: đảo Sal đảo Mindelo Cape Verde; đảo La Désirade Guadeloupe; đảo Denham Australia Hiện Việt Nam có hệ thống phát điện hỗn hợp kiểu đảo Phú Quý, có kế hoạch lắp đặt Côn Đảo Hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel lắp đặt Phú Quý với mục đích sử dụng nguồn lượng gió tự nhiên giảm chi phí sản xuất điện Tuy nhiên, phối hợp vận hành hai trạm điện chưa tốt, nên trạm điện gió thường phát cơng suất hạn chế phạm vi khoảng 50% tổng công suất đảo (Pt) [1-3] Nguyên nhân: Trạm điện diesel Điện lực đầu tư, trạm điện gió lại Cơng ty Năng lượng tái tạo Dầu khí Việt Nam đầu tư nên thực vận hành theo tỷ lệ phân chia lợi nhuận; thêm vào tốc độ gió ln ln thay đổi, để giảm ảnh hưởng xấu biến động đến chất lượng điện cách chủ quan, nhà quản lý chọn lựa vận hành trạm điện gió bám theo mức đặt cơng suất phát thấp mức thâm nhập điện gió thấp Chính lý mà hệ thống phát điện hỗn hợp không khai thác tốt nguồn lượng gió tự nhiên Để giải vấn đề trên, nghiên cứu [4, 5] đề xuất mơ hình điều khiển tần số hệ thống theo hướng sử dụng tối đa lượng gió Tuy nhiên, nghiên cứu [4] khảo sát với trạm điện gió có tuabin, chưa quan tâm đến phân bố cơng suất phản kháng cho hai trạm điện, chưa kể đến giới hạn làm việc máy phát, chưa xác định tỷ lệ thâm nhập điện gió mức phù hợp Nghiên cứu [5] tập trung điều khiển máy phát tuabin gió Ngồi có nghiên cứu [6] tiến hành điều khiển tần số cho hệ thống hỗn hợp kiểu này, nghiên cứu [7] điều khiển tần số điện áp cho hệ thống hỗn hợp có thiết bị phụ trợ Các nghiên cứu [6] [7] không quan tâm đến mục tiêu nâng cao mức thâm nhập điện gió Do vậy, mục tiêu báo đề xuất cấu trúc điều khiển chung cho hai trạm điện nhằm sử dụng tối đa khả trạm điện gió, mà đảm bảo điều kiện kỹ thuật vận hành ổn định Đây tảng cho phép ứng dụng rộng rãi hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel cho đảo Việt Nam Đối tượng áp dụng Bài báo chọn hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel đảo Phú Quý làm đối tượng khảo sát Trạm phát điện diesel có từ năm 1999, bao gồm máy phát loại VTA-28 hãng Cummin, công suất phát định mức 500kW (625kVA), điện áp đầu cực 0,4kV, hệ số công suất 0,8 Hệ thống 0.4kV kết nối lưới 22kV thông qua 03 máy biến áp làm việc song song loại 1600kVA, 22±2x2.5/0,4kV [1, 2] Từ năm 2011, trạm điện gió đưa vào vận hành kết hợp với trạm điện diesel Trạm điện gió gồm tuabin loại V80-2MW sử dụng máy phát không đồng bộ, nguồn kép (DFIG) Tập đồn Vestas Mỗi tuabin có cơng suất phát định mức 2.0 MW điện áp phát 690V, nối lưới 22kV thông qua máy biến áp khô công suất 2.1 MVA, 22/0,69kV, YN/yn-0 [1, 2] Lưới điện 22kV có tổng chiều dài khoảng 21,5 km gồm hai phát tuyến 471 472 [1, 2] Phụ tải đảo Phú Quý thường khoảng 1MW ÷ 2MW 54 Lê Thái Hiệp, Đồn Đức Tùng, Nguyễn Thế Công, Lê Văn Doanh Đề xuất cấu trúc điều khiển Đo gió Điều khiển Tính tốn Nw , Nds , Pw, Qw, Pds, Qds Hình Sơ đồ tổng quát hệ thống điện hỗn hợp gió – diesel đảo Phú Q Q trình tính toán vận hành Phú Quý phải thỏa mãn điều kiện Bảng Bảng Điều kiện vận hành [1, 3, 8, 9] Điều kiện Cân công suất P1+P2=Pt Q1+Q2=Qt Giới hạn phát công suất 165kW≤ Pds ≤ 420kW Sds ≤ 625kVA Pwmin ≤ Pw ≤ 2000kW Ghi Pwmax V Pwtt Pwmin Tần số danh định Đo tần số f fN PI ∆f Pwreg2 Preg Pregmin –∆fcp ∆f* PI Pwreg1 Khối phân phối công suất Pwreg Pdsreg2 Pdsreg Pdsreg1 Hình Cấu trúc khối điều chỉnh cơng suất đặt máy phát điện gió diesel Sai Pregf>0 ∆Pds=Pds – Pdsmin ∆Pw=Pw – Pwmin Đúng ∆Pw=Pwmax – Pw ∆Pds=Pdsmax – Pds Sai |P regf|≥∆PdsNds+∆P wNw Đúng kw > Số tuabin Đúng Đúng Pdp=(Pdsmax–Pds)(Nds-1) P1 ≥ Pt Q1 ≥ Qt Q Q1 N ds roundup t Q ds m ax kw = kw - Tính lại Nds thỏa mãn Pdp ≥ Pdpmin Pds ≥ Pdsmin Nw ≥ Sai Đúng Pwmin≤ Pw≤ Pwmax Nds*Pdsmin+Nw*Pwmin ≤Pt Đảm bảo ổn định Pregf≥∆PdsNds+∆PwNw Sai Đúng Sai Sai Khâu trễ Pregf Pregmax ∆fcp Thơng số trạng thái hệ Kích hoạt Dữ liệu Pregmax=(Pwmax-Pw)Nw+(Pdsmax-Pds)Nds Pregmin=-(Pw-Pwmin)Nw-(Pds-Pdsmin)Nds Đúng Pt < Pwmin+Pdsmin Nw = kw kw < -min(Pw-Pwmin,Pdsmax-Pds) Đọc thông số: Pregf, Pwmin, Pwmax, Pw, Qw, Nw, Pds,Qds, Nds Đúng Pt < Pdsmin Sai Đúng Pw Đo Pw Bắt đầu k w roundup Pt / Pw Sai min(Pwmax-Pw,Pds-Pdsmin) PI Khối huy động máy Sai kw = Số tuabin ∆Pw Tính tốn Tốc độ gió Tra tìm Pwmin , Pwmax theo vận tốc gió Khơng phát điện gió Tính số máy phát diesel thỏa Pdp ≥ Pdpmin Điều khiển Hình Sơ đồ thể mối liên hệ việc tính tốn q trình điều chỉnh hệ thống [9] Bắt đầu Không phát điện Máy phát điện diesel Điều chỉnh cơng suất đặt máy phát điện gió diesel 1- điện gió; – điện diesel; t – tổng phụ tải lưới Pds – công suất máy phát điện diesel Pw – công suất máy phát điện gió; – cực tiểu Pwmin = 500kW Khi tốc độ gió từ 7.2m/s đến Pwmin = 500 ÷ 800 kW 17.8m/s; Khi tốc độ gió từ 17.8m/s đến 25m/s Đặt công suất dự trữ quay cho hệ thống Pdp = Pdp1+ Pdp2 Pdp, Pdp1, Pdp2 – công suất Pdp2min ≤ Pdp dự trữ quay hệ thống, trạm điện gió, trạm điện diesel Pdp2min = 150 kW Khi tốc độ gió lớn 7.2 m/s; Pdp2min = 250 kW Khi tốc độ gió nhỏ 7.2 m/s Đảm bảo ổn định vận hành Đo thông số hệ thống U, I, f, P t… Máy phát điện gió Nds≥2 Đúng Sai Nw=Nw+1 Sai Nw>0 Đúng Pdp ≥ Pdpmin Sai ∆Preg= Pregf+∆PdsNds Qdsmax(Nds-1)≥Qt-QwNw Đúng Nds=Nds – Kds = (Nds+1)/Nds Pds= PdsKds Qds= QdsKds Đúng Sai |∆Preg|≥∆PwNw Kw = (Nw–1)/Nw Pw= PwKw Qw= QwKw Sai Sai Đúng Nw=Nw-1 Sai Nw>0 Đúng Kw = (Nw+1)/Nw Pw= PwKw Qw= QwKw ∆Preg= Pregf–∆PwNw ∆Preg≥∆PdsNds Nds