(Luận văn thạc sĩ) đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng gió hòa lưới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ CAO VĂN ĐỒNG ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN CĨ TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIĨ HỊA LƯỚI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 8520201 SKC006575 Tp Hồ Chí Minh, tháng - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHUYÊN ĐỀ THẠC SĨ ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN CĨ TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG GIĨ HÒA LƯỚI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ HỌC VIÊN: 1920605 HỌC VIÊN: CAO VĂN ĐỒNG GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN THỊ MI SA Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Cao Văn Đồng Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 08-06-1983 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Đồng Nai Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: Ấp 4, xã Tam An, huyện Long Thành, tỉnh Đồng Nai Điện thoại riêng: 0908.49.93.94 E-mail: dongengineer39@gmail.com AI QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Vừa làm vừa học Thời gian đào tạo: 2006-2011 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Ngành học: Điện Cơng Nghiệp BI Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 2011-2020 2015-2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu tơi Các số liệu, tính tốn kết mơ nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2020 Người cam đoan Cao Văn Đồng LỜI CẢM ƠN Kết thành công gắn liền với dạy dỗ Thầy Cơ, ủng hộ động viên từ gia đình, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp người khác Trong thời gian từ bắt đầu học đến nay, em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ quý Thầy Cơ, gia đình, đồng nghiệp bạn bè Với lòng biết ơn chân thành sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, đặc biệt quan tâm giúp đỡ Cô hướng dẫn TS Nguyễn Thị Mi Sa với tri thức tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em thực đề tài nghiên cứu Bước đầu vào tìm hiểu lĩnh vực nghiên cứu khoa học, kiến thức em nhiều hạn chế cịn nhiều bỡ ngỡ Do vậy, khơng tránh khỏi thiếu sót điều chắn, em mong nhận ý kiến đóng góp q báu Cơ hướng dẫn quý Thầy Cô bạn học lớp để kiến thức em ngày hoàn thiện TP HCM, tháng 04 năm 2020 Học viên thực Cao Văn Đồng TÓM TẮT Sản xuất điện đóng vai trị quan trọng lĩnh vực xã hội cơng nghiệp hóa Việc phát lượng ngày tăng lên để đáp ứng cho phát triển ngành công nghiệp tải tiêu thụ hộ gia đình Ngồi sản xuất điện từ lượng khơng tái tạo cịn có sử dụng nguồn lượng tái tạo để sản xuất điện hịa vào lưới điện có Hiện máy phát điện nguồn kép (DFIG) sử dụng ghép nối với tua bin gió sử dụng tính ưu điểm Khi sử dụng hệ thống phát điện lượng tái tạo tích hợp vào hệ thống điện, yêu cầu khả ôn định hệ thống phát điện Để hệ thống DFIG hoạt động ổn định cố xảy ra, ta thường sử dụng phối hợp nhiều biện pháp bảo vệ can thiệp vào giải thuật điều khiển nhiều khâu hệ thống máy phát DFIG điều khiển PI, điều khiển mờ (Fuzzy control), điều khiển kiểu nơ ron (Neural) Đã có nhiều phương pháp tối ưu hóa ổn định hệ thống DFIG dựa việc điều chỉnh thông số hệ thống, phương pháp sử dụng phổ biến thực tế sử dụng ổn định PI để trì ổn định cho hệ thống Trong phạm vi luận văn tiến hành áp dụng thuật toán điều khiển hệ thống nơ ron mờ thích nghi (ANFIS) vào khối điều khiển biến đổi phía lưới (GSC) để trì giá trị điện áp DC khối điều khiển DFIG ABSTRACT Energy production plays a very important role in society and industrialization The demand of energy in industries and civils is increasing day by day Besides producing electricity from fossil fuels also use renewable energy sources to produce electricity intergrating to present system Doubly fed induction generator (DFIG) is used by many advantages When integrating renewable generator systems into the electricity system, one of the basic requirements is the stability of DFIG system To maintain DFIG system stable when incident faults occurred, it is common to use a combination of methods to intervene in the control algorithm in the various stages of DFIG generator system as PI controller, fuzzy controller (fuzzy control), controls the type of neuron (Neural) There have been many methods to optimize the stability of the system based on the adjustment DFIG parameters in the system, the common basic method is the use of the PI controller algorithm In the thesis, the author will use the system control algorithm called Adaptive Neural Fuzzy Inference System (ANFIS) applying to the grid side controller (GSC) to maintain the value of the DC link voltage in DFIG controllers MỤC LỤC MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC HÌNH Chương TỔNG QUAN 1.1Lý chọn đề tài 1.2Tổng quan vấn đề nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực đ 1.3Mục tiêu nghiên cứu 1.4Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.5Phương pháp nghiên cứu 1.6Giới hạn đề tài 1.7Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.8 Các nội dung nghiên cứu Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 2.1Các khái niệm 2.1.1 Hệ thống điện (HTĐ) chế độ HTĐ 2.1.2 Khái niệm ổn định HTĐ 2.1.3 Phân loại ổn định HTĐ 2.2Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định tĩnh 2.2.1 Tiêu chuẩn lượng 2.2.2 Phương pháp dao động bé 2.2.3 Các tiêu chuẩn đánh giá ổn định động Chương MƠ PHỎNG TỐN HỌC HỆ THỐNG NGHIÊN CỨU 3.1 Cấu hình hệ thống nghiên cứu 3.2 Mơ hình hóa máy phát điện gió DFIG 3.2.1 Cấu hình máy phát điện gió DFIG 3.2.2 Mơ hình tốc độ gió 3.2.3 Mơ hình tua bin gió: 3.2.4 Mơ hình miêu tả mối qu bin: 35 3.2.5 Mơ hình máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG) 3.2.6 Mơ hình nghịch lưu xung đối: 3.2.7 Bộ điều khiển thuộc khối nghịch lưu phía máy phát: 3.2.8 Bộ điều khiển thuộc khối nghịch lưu phía lưới: 3.2.9 Bộ điều khiển góc cánh quạt Chương THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ANFIS CHO DFIG 4.1 Mơ hình điều khiển GSC sử dụng thuật điều khiển PI 4.2 Huấn luyện mạng ANFIS 4.2.1 Mơ hình điều khiển GSC sử dụng thuật điều khiển ANFIS MATLAB 46 4.2.2 Khởi tạo điều khiển ANFIS thay điều khiển PI sử dụng MATLAB47 Chương MÔ PHỎNG TRONG MIỀN THỜI GIAN 5.1 Kết mô thay đổi công suất đầu vào máy phát SG1 5.2 Kết mô xãy cố ngắn mạch đường dây 5-8 chu kỳ.52 5.3 Kết mô xãy cố ngắn mạch đường dây 5-8 chu kỳ.54 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1Kết luận 6.2Hướng phát triển đề tài TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1: Hệ thống điện đơn giản sơ đồ tương đương 17 Hình 2.2: Miền làm việc ổn định hệ thống điện đơn giản (tô đậm) .17 Hình 2.3: Mơ hình máy phát nối với vô lớn .20 Hình 2.4: Biểu diễn hệ thống mơ hình máy phát cổ điển 20 Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống sơ đồ thay ngắn mạch 21 Hình 2.6: Đồ thị đặc tính cơng suất 22 Hình 2.7: Sơ đồ tương đương hệ thống sau cắt ngắn mạch 23 Hình 2.8: Mối quan hệ góc – cơng suất 23 Hình 2.9: Đáp ứng thay đổi công suất 24 Hình 2.10: Sự cố ngắn mạch xảy F (a) mạch tương đương (b) 27 Hình 2.11: Minh họa tượng ổn định động 28 Hình 3.1: Hệ thống khảo sát máy phát nút sau thêm máy phát DFIG 31 Hình 3.2: Sơ đồ đơn tuyến DFIG gió dẫn động VSWT thông qua GB 32 Hình 3.3: Mơ hình hai khối theo thứ tự giảm đơn giản hóa dẫn động tua bin gió (Wind turbine) WT 35 Hình 3.4: Mạch điện tương đương theo trục dq DFIG 36 Hình 3.5: Mơ hình nghịch lưu xung đối 37 Hình 3.6: Sơ đồ khối điều khiển điều khiển RSC 40 Hình 3.7: Hệ quy chiếu định hướng từ thông stator 40 Hình 3.8: Sơ đồ khối điều khiển GSC 41 Hình 3.9: Hệ quy chiếu hướng điện áp stator 42 Hình 3.10: Sơ đồ điều khiển điều khiển góc cánh quạt 43 (p.u.) 1.03 SG2 V 1.02 VSG3 (p.u.) 15 ω1 (p.u.) (p.u.) ω3 V (p.u.) 1.025 Hình 5.2: Kết mô ngắn mạch đường dây 5-8 53 Trong đó: Hình (a), (b), (c), (d) biểu diễn công suất máy phát tương ứng SG 1, SG2, SG3 hệ thống máy phát điện gió DFIG theo miền thời gian bị cố Hình (e), (f), (g), (h) biểu diễn giá trị điện áp máy phát tương ứng SG 1, SG2, SG3 hệ thống máy phát điện gió DFIG bị cố Hình (i), (j), (k), (l) biểu diễn giá trị tốc độ quay máy phát tương ứng SG 1, SG2, SG3 hệ thống máy phát điện gió DFIG bị cố Ta thấy xảy cố ngắn mạch giây thứ đường dây 5-8 máy phát khác hệ thống bị ảnh hưởng thay đổi theo hình (a), (b), (c), (d) Cụ thể SG1 bị giảm công suất phát vị trí ngắn mạch đường dây gần SG nên bị ảnh hưởng nhiều nhất, máy phát khác DFIG thay đổi theo chiều hướng ngược lại nhằm trì lượng cơng suất tổng phát khơng để tăng cao nhằm mục đích ổn định giá trị điện áp nút hệ thống lưới điện hình (e), (f), (g), (h) Đồng thời ta thấy tốc độ máy phát thay đổi tương ứng theo thay đổi công suất máy phát Sau cố kết thúc (sau chu kỳ) ta thấy máy phát dần điều chỉnh để công suất phát ổn định trở lại Dao động tắt dần nhanh chóng đến giây thứ 10 hệ thống ổn định trở lại 5.3 Kết mô tốc độ gió thay đổi Để đánh giá ảnh hưởng điều khiển ANFIS đến hệ thống so với điều khiển PI, tác giả thực mơ tốc độ gió thay đổi tăng giảm đột ngột hình 5.3 54 13.5 13 12.5 12 V(m/s) 11.5 11 10.5 10 9.5 8.5 Hình 5.3: Tốc độ gió thay đổi Hình 5.4 bên thể so sánh kết thông số điều khiển PI (được thể đường màu xanh) điều khiển ANFIS (được thể đường màu đỏ) 55 (p.u.) SG1 P P SG2 (p.u.) Hình (a) Hình (b) 56 0.666 0.664 0.662 (p.u.) 0.66 P SG3 0.658 0.656 0.654 0.652 0.65 Hình (c) 0.8 (p.u.) 0.75 P 0.7 0.65 0.6 Hình (d) 57 1.0004 1.0003 1.0002 ω (p.u.) 1.0001 0.9999 0.9998 0.9997 Hình (e) 1.0003 ω2 (p.u.) 1.0002 t(s) Hình (f) 58 1.0002 1.0002 1.0001 1.0001 ω (p.u.) 1 0.9999 0.9999 0.9998 0.9998 Hình (g) Hình 5.4: Kết mơ tốc độ gió thay đổi Trong đó: Hình (a), (b), (c), (d) biểu diễn công suất máy phát tương ứng SG1, SG2, SG3 hệ thống máy phát điện gió DFIG theo miền thời gian tốc độ gió thay đổi hình 5.3 Hình (e), (f), (g) biểu diễn giá trị tốc độ quay máy phát tương ứng SG1, SG2, SG3 tốc độ gió thay đổi Ta thấy tốc độ gió thay đổi đột ngột tăng giây thứ giây thứ 15 cơng suất phát DFIG tăng đột ngột Khi hệ thống lưới điện khơng có cố khác nên tổng lượng cơng suất phát vào lưới tăng dẫn đến máy phát khác hệ thống bị ảnh hưởng điều chỉnh thay đổi giảm cơng suất phát theo hình (a), (b), (c), (d) nhằm trì lượng cơng suất tổng phát khơng để tăng cao nhằm mục đích ổn định giá trị điện áp nút hệ thống lưới điện hình (e), (f), (g), (h) 59 Đồng thời ta thấy tốc độ máy phát thay đổi tương ứng theo thay đổi công suất máy phát Sau tốc độ gió ổn định trở lại ta thấy máy phát dần điều chỉnh để công suất phát ổn định trở lại Dao động tắt dần nhanh chóng, hệ thống ổn định trở lại Có thể thấy từ kết mơ hình 5.4 rằng, điều khiển ANFIS giúp hệ thống ổn định nhanh thể độ vọt lố nhỏ thời gian độ ngắn 60 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Luận văn thực nội dung gồm: - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động turbin gió DFIG - Xây dựng mơ hình mơ khảo sát hệ thống lưới điện có tích hợp máy phát gió - Từ hệ thống lưới điện tích hợp máy phát điện gió DFIG sử dụng điều khiển PI ta thay điều khiển ANFIS - So sánh kết chạy mô lưới điện sử dụng điều khiển PI ANFIS - Khảo sát hoạt động hệ thống trường hợp: thay đổi công suất máy phát lưới, xảy cố lưới điện tốc độ gió thay đổi Qua kết mô ta nhận thấy bô điều khiển ANFIS có ưu điểm vượt trội so với điều khiển kiểu PI truyền thống tốc độ gió thay đổi thời gian ổn định hệ thống nhanh hơn, độ vọt lố nhỏ Tuy nhiên phạm vi đề tài nghiên cứu trường hợp cụ thể thay đổi khối điều khiển PI điều khiển phía lưới (GSC), vận hành thực tế vấn đề nhiều phức tạp địi hỏi người nghiên cứu phải tìm hiểu kỹ muốn đề tài đáp ứng sát với thực tế 6.2 Hướng phát triển đề tài - Nghiên cứu phát triển tích hợp máy phát gió vào lưới điện thực tế vận hành lưới điện - Dựa vào kết đạt q trình mơ để làm tiền đề so sánh tạo sở liệu việc ứng dụng thuật toán điều khiển hệ thống nơ ron mờ thích nghi (ANFIS) để ổn định mạch điều khiển phía lưới (GSC) cho điều khiển 61 PI lại hệ thống điều khiển máy phát điện gió DFIG để từ cải thiện hiệu cho hệ thống máy phát DFIG tích hợp với lưới - Để áp dụng hệ thống máy phát DFIG dùng điều khiển ANFIS vào lưới điện thực tế ta cần phải xét đến nhiều vấn đề cụ thể tỉ lệ công suất hệ thống DFIG so với cơng suất hệ máy phát có sẵn lưới thực tế để từ kết hợp điều khiển phù hợp (hịa lưới, đóng cắt máy phát DFIG khỏi lưới) công suất phát thay đổi khoảng rộng (phụ thuộc vào tốc độ gió đầu vào) tránh làm ảnh hưởng đến độ ổn định lưới điện từ giúp ổn định chất lượng điện lưới 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 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 [2] P M Anderson and A A Fouad, Power System Control and Stability Ames, IA, USA: Iowa State Univ Press, 1977 [3] P W Sauer and M A Pai, Power System Dynamics and Stability Englewood Cliffs, NJ, USA: Prentice Hall, 1998 [4] N G Hingorani and L Gyugyi, Understanding FACTS; Concepts and Technology of Flexible AC Transmission Systems New York, NY, USA: IEEE Press, 2000 [5] R Pena, J C Clare, and G M Asher, “Doubly fed induction generator using back-toback PWM converters and its application to variable speed wind-energy genera-tion,” Proc Inst Elect Eng., Elect Power Appl., vol 143, no 3, pp 231–241, May 1996 [6] L Wang and K.-H Wang, “Dynamic stability analysis of a DFIG-based offshore wind farm connected to a power grid through an HVDC link,” IEEE Trans Power Syst., vol 26, no 3, pp 1501–1510, Aug 2010 [7] L Wang and L.-Y Chen, “Reduction of power fluctuations of a largescale gridconnected offshore wind farm using a variable frequency transformer,” IEEE Trans Sustain Energy, vol 2, no 3, pp 226–234, Apr 2011 [8] Li Wang Trương Đình Nhơn, “Stability Enhancement of DFIG-based Offshore Wind Farm fed to a Multi-machine System Using a STATCOM”, IEEE Transac-tions on Power Systems, Volume: 28, Issue: 3, Aug 2013 [9] S M Muyeen, M H Ali, R Takahashi, T Murata, J Tamura, Y Tomaki, A Sa-kahara, and E Sasano, “Transient stability analysis of wind generator system with the consideration of multi-mass shaft model,” in Proc International Conference on Power Electronics and Drives Systems, vol 1, Jan 16-18, 2006, pp 511-516 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., Nov 2008, pp 1–7 [11] K E Okedu, S M Muyeen, R Takahashi, and J Tamura, “Improvement of fault ride through capability of wind farms using DFIG considering SDBR,” in Proc 14th Eur Conf Power Electronics and Applications, Sep 2011, pp 1–10 [10] 63 B Pokharel and W Gao, “Mitigation of disturbances in DFIG-based wind farm connected to weak distribution system using STATCOM,” in Proc North American Power Symp (NAPS), Sep 26–28, 2010, pp 1–7 [13] G Cai, C Liu, Q Sun, D Yang, and P Li, “A new control strategy to improve voltage stability of the power system containing large-scale wind power plants,” in Proc 4th Int Conf Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (DRPT), Jul 2011, pp 1276–1281 [14] S M Muyeen, M H Ali, R Takahashi, T Murata, J Tamura, Y Tomaki, A Sakahara, and E Sasano, “Transient stability analysis of wind generator system with the consideration of multi-mass shaft model,” in Proc Int Conf Power Electronics and Drives Systems, Jan 16–18, 2006, vol 1, pp 511–516 [15] L Wang and C.-T Hsiung, “Dynamic stability improvement of an integrated grid-connected offshore wind farm and marine-current farm using a STATCOM,” IEEE Trans Power Syst., vol 26, no 2, pp 690–698, May 2011 [12] 64 ... tượng nghiên cứu Hệ thống điện có tích hợp lượng gió Phạm vi nghiên cứu Thiết kế điều khiển ANFIS cho máy phát điện gió nguồn kép DFIG để ổn định hệ thống điện có tích hợp lượng gió phần mềm Matlab-Simulink... Khi sử dụng hệ thống phát điện lượng tái tạo tích hợp vào hệ thống điện, yêu cầu khả ôn định hệ thống phát điện Để hệ thống DFIG hoạt động ổn định cố xảy ra, ta thường sử dụng phối hợp nhiều biện... phân tích tài liệu, phân tích đánh giá kết 1.6 Giới hạn đề tài Thiết kế điều khiển ANFIS cho máy phát điện gió nguồn kép DFIG để ổn định hệ thống điện máy bus có tích hợp lượng gió, chưa xét hệ thống