(Đề tài NCKH) nghiên cứu nâng cao ổn định động của hệ thống tích hợp năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng nhiệt điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ỔN ÐỊNH ÐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ, NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT ÐIỆN MÃ SỐ: T2015-33Ð SKC005353 Tp Hồ Chí Minh, tháng 2/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIÓ, NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐIỆN Mã số: T2015-33Đ Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thị Mi Sa TP HCM, 02/2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TƯ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIĨ, NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐIỆN Mã số: T2015-33TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thị Mi Sa Thành viên đề tài: TS Ngô Văn Thuyên TS Trương Đình Nhơn TP HCM, 02/2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TƯ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIĨ, NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐIỆN Mã số: T2015-33TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thị Mi Sa Thành viên đề tài: TS Ngô Văn Thuyên TS Trương Đình Nhơn TP HCM, 02/2016 I BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIĨ, NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐIỆN Mã số: T2015-33TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thị Mi Sa TP HCM, 02/2016 II Chương 1: Mở đầu 1.1.Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài nước 1.2.Tính cấp thiết 1.3.Mục tiêu 1.4.Cách tiếp cận 1.5.Phương pháp nghiên cứu 1.6.Đối tượng phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu defined Chương 2: Ổn định hệ thống điện 2.1.Các khái niệm 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2.Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định tĩnh 2.2.1 2.2.2 2.3.Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định động 2.3.1 2.3.2 2.3.3 Chương 3: Máy phát điện lượng gió Pin mặt trời defined 3.1 Máy phát điện lượng gió 3.1.1 3.1.2 Máy phát điện đồng 3.2.3 vĩnh cửu 3.2 Pin mặt trời 3.2.1 3.2.2 Đặc tính làm việc pin mặt trời 3.2.3 III 3.2.4 Cách ghép nối pin lượng mặt trời defined Bộ chuyển đổi công su 3.2.5 Hệ quang điện làm việc với lưới 3.2.6 Các biến đổi hệ PV Chương 4: Thiết kế điều khiển cho nghịch lưu 4.1 defined Giới thiệu hệ thống điện sử dụng nghiên cứu 4.2 4.3 Chương 5: Mô ảnh hưởng điều khiển PID nghịch lưu Bookmark not defined 5.1 5.2 Sự cố đứt đường dây DC Chương 6: Kết luận Kiến nghị 6.1 Kết luận 6.2 Kiến nghị Tài liệu tham khảo IV Danh mục bảng biểu Bảng 4.1 Trị riêng hệ thống Error! Bookmark not defined V Danh mục hình Hình 2.1: Hệ thống điện đơn giản sơ đồ tương đương Error! Bookmark not defined Hình 2.2: Miền làm việc ổn định hệ thống điện đơn giản (đậm) Error! Bookmark not defined Hình 2.3: Mơ hình máy phát nối với vơ lớn Error! Bookmark not defined Hình 2.4: Biểu diễn hệ thống mơ hình máy phát cổ điển Error! Bookmark not defined Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống sơ đồ thay ngắn mạch Error! Bookmark not defined Hình 2.6: Đồ thị đặc tính công suất Error! Bookmark not defined Hình 2.7: Sơ đồ tương đương hệ thống sau cắt ngắn mạch Error! Bookmark not defined Hình 2.8: Mối quan hệ góc – cơng suất Hình 2.9: Đáp ứng thay đổi cơng suất Hình 2.10: Sự cố ngắn mạch xảy F (a) mạch tương đương (b) Bookmark not defined Hình 2.11: Minh họa tượng ổn định động Hình 3.1: Hệ thống máy phát đồng - PMG Hình 3.2: Sơ đồ chuyển đổi công suất với máy phát PMSG Error! Bookmark not defined Hình 3.3: Đường đặt tính làm việc U – I pin mặt trời defined Hình 3.4: Sơ đồ tương đương pin mặt trời Hình32.5: Sự phụ thuộc đặc trưng VA pin mặt trời defined Hình 3.6: Sự phụ thuộc đường đặc tính pin mặt trời vào nhiệt độ pin Hình 3.7: Đường đặc tính tải đặc tính pin mặt trời defined Hình 3.5: Ghép nối tiếp hai mơđun pin mặt trời (a) đường đặc trưng VA môđun hệ (b) defined Hình 3.6: Ghép song song hai môđun pin mặt trời (a) Error! Bookmark not defined VI đường đặc trưng VA môđun hệ (b) Error! Bookmark not defined Hình 4.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống nghiên cứu Error! Bookmark not defined Hình 4.2: Sơ đồ điều khiển góc kích nghịch lưu DC-AC Error! Bookmark not defined Hình 5.1: Đáp ứng thông số so sánh trường hợp có khơng có điều khiển thiết kế PID Error! Bookmark not defined Hình 5.2: Đáp ứng hệ thống cố xảy giữa bus DC Error! Bookmark not defined VII 4.2 Thiết kế PID phương pháp gán điểm cực Phương pháp thiết kế PID cách gán cực thực dựa vào hệ phương trình trang thái biểu diễn sau: pX = AX + BU + VW Y=CX+DU Với X biến trạng thái, Y ma trận ngõ ra, U vectơ bù ngõ vào, W tín hiệu nhiễu, A, B, C D ma trận số Để thiết kế điều khiển PID ta bỏ qua ảnh hưởng nhiễu tức cho D = V = [14] Hàm truyền hệ thống sau đưa PID vào biểu diễn sau: (4.3) H (s) = Với s toán tử Laplace, TW hệ số số lọc nhiễu, K P, KI, KD số tỉ lệ, số tích phân số vi phân điều khiển PID Nghiệm phương trình tập trị riêng Λi Từ ta có phương trình đặc trưng hệ thống bao gồm khâu PID cho sau det{sI − [A + BH(s)C]} = Từ phương trình ta gán cho hệ nghiệm phức cặp cực mong muốn thay vào phương trình ta có phương trình giải tìm biến TW, KP, KI, KD 4.3 Tính tốn thiết kế PID cho nghịch lưu Việc ứng dụng điều khiển PID điều khiển nghịch lưu nhằm nâng cao ổn định hệ thống Tín hiệu ngõ PID Vc dùng để bổ sung thêm 36 vào khâu so sánh sai lệch điện áp DC nghịch lưu có sơ đồ khối biểu diễn hình 4.2 δ inv0 Vdc _ V dc,ref Kδinv 1+sTδin v Δδ V C,max PID VC,min Hình 4.2: Sơ đồ điều khiển góc kích nghịch lưu DC-AC Do điều khiển PID chỉ phù hợp hệ tuyến tính nên thiết kế ta phải tiến hành tuyến tính hóa phương trình hệ thống nghiên cứu điểm làm việc định mức Với trình tự thiết kế nêu phần 2.1, từ phương trình trạng thái hệ thống ta phân vectơ trạng thái X thành nhóm vectơ sau X = [X PMG, XPV, T XSG, XTL] , XPMG, XPV, XSG XTL vec tơ trạng thái máy phát tuabin gió PMG, hệ thống pin mặt trời, hệ máy phát SG, hệ thống truyền tải nối với bus vơ hạn Nghiệm phương trình tập trị riêng Λi cho bảng 4.1 Trong trị riêng Λ31-32 Λ34-35 đặc trưng cho chế độ dao động chế độ kích từ máy phát đồng SG chọn công suất tác dụng P G = 0.9 pu, điện áp đầu cực máy phát Vt = 1.0 pu, hệ số công suất PF = 0.975 trễ, tốc độ gió V W = 12 m/s xạ mặt trời 1000 W/m Cũng hình 4.1 ta lại thấy tín hiệu ngõ vào điều khiển PID sai số tốc độ quay máy phát đồng động hệ thống nên lựa chọn để tạo tín hiệu điều khiển VC nhằm nâng cao ổn định cho chế độ ổn định dao động Λ19 dao động kích từ Λ22 máy phát 37 Bảng 4.1 Trị riêng hệ thống No Subsystem Λ1-2 Λ3-4 Λ5-6 Λ7 Λ8 Λ9-10 Λ11-12 Λ13-14 Λ15 Λ16-17 Λ18-19 Λ20-21 Λ22-23 Λ24-25 Λ26-27 Λ28 Λ29 Λ30-31 Λ32-33 Λ34-35 Λ36 ∆ω Do đó, tín hiệu ngõ cơng thức (4.2) Y = SG tín hiệu ngõ vào công thức (4.1) (4.2) U = VC Hàm truyền hệ thống sau đưa PID vào biểu diễn sau: H (s) = Trong trường hợp ta chọn giá trị chế độ cực Λ31-32 = -2 ± j9.0 Λ33-34 = -1 ± j1.2 Sử dụng phần mềm Matlab để giải hệ phương trình ta tìm giá trị điều khiển bao gồm: K P = -0.45, KI = 49.88, KD = 0.22, TW = 0.31s 38 Chương 5: Mô ảnh hưởng điều khiển PID nghịch lưu 5.1 Sự cố ngắn mạch pha Để đánh giá tác động PID thiết kế, phần tác giả tiến hành mô hệ thống bị cố nghiêm trọng ngắn mạch pha xảy thời điểm 3s kéo dài sau chu kỳ Mặc dù cố xảy hệ thống, nhiên có mức độ nghiêm trọng nên thường dùng để kiểm tra độ ổn định hệ thống điện Giả sử hệ thống vận hành ổn định với thông số định mức nêu chương Hình 5.1 trình bày kết so sánh thông số hệ thống cố xảy trường hợp có khơng có PID thiết kế cho nghịch lưu Các thông số quan trọng hệ thống quan sát tốc độ rotor máy SG hình (a), cơng suất tác dụng công suất phản kháng SG thể hình (b) (c), điện áp bus PCC điện áp DC trình bày hình (d) (e), điện áp đầu cực máy phát điện gió điện áp đường dây DC cho tương ứng hình (f) (g) Có thể nhận thấy từ dạng sóng đáp ứng thơng số có điều khiển PID tham gia vào đáp ứng hệ thống tốt hơn, cụ thể thời gian ổn định thay đổi từ thời điểm 12s thành 7s có điều khiển PID tham gia vào hệ thống Điều có nghĩa điều khiển thiết kế phương pháp gán cực nâng cao độ ổn định hệ thống 5.2 Sự cố đứt đường dây DC Kết mơ hình 5.2 trình bày đáp ứng hệ thống có cố xảy đường dây DC hệ thống lượng gió, cố làm máy phát điện gió bị ngắt khỏi hệ thống Sự cố cố vĩnh viễn xảy điểm đường dây chiều gần máy phát điện gió lúc 5s Đáp ứng độ thông số cịn lại hệ thống cơng suất tác dụng, điện áp đầu cực máy phát điện gió cịn lại, dịng điện chiều phía chỉnh lưu nghịch lưu, tần số lưới, điện áp bus PCC đưa Sau cố xảy ra, dịng cơng suất máy phát điện gió bị ngắt khỏi hệ thống giảm 0, đại lượng khác ổn định giá trị 39 Từ kết mơ ta khẳng định với tham gia điều khiển PID thiết kế cho nghịch lưu đáp ứng độ hệ thống cải thiện dẫn đến nâng cao ổn định cho hệ thống hỗn hợp lượng gió, lượng mặt trời nhiệt điện 40 (pu) SG (pu) P ωr V PCC (pu) QSG (pu) (b) PSG (c) QSG V PMSG (pu) Vdc (pu) (d) VPCC (e) Vdc (f) VPMSG (g) EDC EDC (pu) 0 12 t (s) SG P (pu) h 5.1: Đáp ứng thông số so sánh trường hợp có khơng có điều khiển thiết kế PID 41 (pu) PMSG1 V PMSG2 (pu) P 0.5 (pu) V I (pu) (h) fsys (g)II (i) Vinf Hình 5.2: Đáp ứng hệ thống cố xảy giữa bus DC 42 Chương 6: Kết luận Kiến nghị 6.1 Kết luận Đề tài trình bày khả nâng cao ổn định độ hệ thống điện gió nối với hệ thống pin lượng mặt trời qua bus DC chung nghịch lưu chuyển sang điện áp xoay chiều để kết nối vào lưới điện thông qua hệ máy phát nối với bus vô hạn Ngoài điều khiển PID thiết kế để giảm dao động độ hệ thống dựa vào tín hiệu dao động máy phát đồng dựa phương pháp gán cực Các kết tính tốn mơ miền tần số miền thời gian trình bày để chứng minh tính hiệu điều khiển thiết kế cho nghịch lưu Có thể kết luận điều khiển PID thiết kế làm giảm dao động độ hệ thống nhằm nâng cao độ ổn định cho hệ thống đề xuất 6.2 Kiến nghị Mặc dù đề tài thiết kế PID cho nghịch lưu có đáp ứng yêu cầu đặt Tuy nhiên hệ thống nghiên cứu hệ thống phi tuyến nên điều khiển PID chỉ đáp ứng tốt điểm thiết kế Do để đáp ứng tốt cần phương pháp điều khiển phù hợp điều khiển Lead-Lag điều khiển trượt, điều khiển mờ… 43 Tài liệu tham khảo [1].K Wang, F Ciucu, C Lin and S H Low, “A stochastic power network calculus for integrating renewable energy sources into the power grid,” IEEE Trans Elected Areas In Communications, vol 30, no 6, pp 1037-1047, Jul 2012 [2].S Bae and A Kwasinski, “Dynamic modeling and operation strategy for a microgrid with wind and photovoltaic resources,” IEEE Trans Smart Grid, vol PP, no 99, 2012 [3].T Hirose and H Matsuo, “Standalone hybrid wind-solar power generation system applying dump power control without dump load,” IEEE Trans Industrial Electronics, vol 59, no 2, pp 988-997, Feb 2012 [4].H Ghoddami, M B Delghavi, and A Yazdani, “An integrated wind-photovoltaicbattery system with reduced power-electronic interface and fast control for grid-tied and off-grid applications,” Renewable Energy, vol 45, pp 128-137, Sept 2012 [5].H Lund, “Large-scale integration of optimal combinations of PV, wind and wave power into the electricity supply,” Renewable Energy, 2006, vol 31, no 4, pp 503515, Apr 2006 [6].D A Halamay, T K A Brekken, A Simmons, and S.McArthur, “Reserve requirement impacts of large-scale integration of wind, solar, and ocean wave power generation,”IEEE Trans.Sustainable Energy, vol 2, no 3, pp 321-328, Jul 2011 [7].S Sarkar and V Ajjarapu, “MW resource assessment model for a hybrid energy conversion system with wind and solar resources,” IEEE Trans Sustainable Energy, vol 2, no 4, pp 383-391, Oct 2010 [8].L A de Souza Ribeiro, O R Saavedra, S L de Lima, and J Gomes de Matos, “Isolated micro-grids with renewable hybrid generation: the case of Lenỗúis island, IEEE Trans Sustainable Energy, vol 2, no 1, pp 1-11, Jan 2011 [9].L Wang, K.-H Wang, W.-J Lee, and Z Chen, “Power-flow control and stability 44 enhancement of four parallel-operated offshore wind farms using a line-commutated HVDC link,” IEEE Trans Power Delivery, vol 25, no 2, pp 1190-1202, Apr 2010 [10] Hoàng Dương Hùng, Mai Vinh Hịa, Đồn Ngọc Hùng Anh, “Nghiên cứu hệ thống tích trữ lượng nhiệt mặt trời”, Tạp Chí Khoa Học Và Cơng Nghệ, Đại Học Đà Nẵng - Số 1(36).2010 [11] Tạ Văn Đa, "Đánh giá tài nguyên khả khai thác lượng gió lãnh thổ Việt Nam", Báo cáo tổng kết đề tài KHCN cấp Bộ Hà Nội, 10-2006 [12 ]Phan Mỹ Tiên, “Phân bố tiềm năng lượng gió lãnh thổ Việt Nam”, Luận án PTS Khoa học Địa lý - Địa chất Hà Nội, 1994 [13] P Kundur, Power System Stability and Control, New York: McGrawHill, 1994 [14] L Wang, 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 IEEE Proc Industry Applications Society Annual Meeting (IAS), 7-11 Oct 2012, pp 1-7 45 ... TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIĨ, NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐIỆN Mã số: T2015-33TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn... NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIĨ, NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT ĐIỆN Mã số: T2015-33TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Thị Mi Sa Thành viên đề tài: ... tiêu: Nghiên cứu thiết kế điều khiển cho nghịch lưu hệ thống điện có tích hợp hệ thống lượng gió, lượng mặt trời lượng từ nhà máy nhiệt điện nhằm nâng cao tính ổn định hệ thống Tính sáng tạo: Nghiên