Giải pháp giảm thiểu cộng hưởng dưới đồng bộ bằng thuật toán tối ưu hóa bầy đàn trong lưới điện tích hợp tua bin gió DFIG

Cơ sở lý thuyết

Công suất P được truyền qua một đường dây truyền tải điện không bù được cho bởi phương trình (1.1), trong đó Vs và Vr lần lượt là điện áp đầu cuối truyền và nhận, XL là điện kháng của đường dây và δs và δr là góc pha của đầu phát và nhận các hiệu điện thế cuối tương ứng. Mặc dù Charles Concordia đã cảnh báo về các tương tác bất lợi có thể xảy ra giữa các tụ điện nối tiếp và các máy phát tua bin nhiều khối vào năm 1937 [4-5], nhưng chỉ vào năm 1970 và một lần nữa vào năm 1971, các lỗi trục tua bin máy phát điện thực tế do các tương tác này xảy ra tại nhà máy điện Mohave ở Nevada, Hoa Kỳ.

Tình hình nghiên cứu trong nước

Từ kết quả nghiên cứu lưới điện Việt Nam, tác giả đã tính toán được tần số cộng hưởng tự nhiên của lưới điện tại các thanh cái 500kV, 220kV đấu nối các nhà máy điện, các nhà máy điện hiện hữu và tương lai; tính toán được tần số dao động riêng trục turbine máy phát nhà máy điện Vũng Áng I từ đó đưa ra các khoảng tần số có nguy cơ gây ra cộng hưởng dưới đồng bộ; chỉ ra các điểm đấu nối trên hệ thống điện có nguy cơ xảy ra hiện tượng SSR cao; làm cơ sở cho việc lựa chọn thông số cho các tổ máy phát của nhà máy điện chuẩn bị xây dựng. Từ kết quả mô phỏng có được tác giả đã xác định được các giá trị bù trên đường dây truyền tải, mà tại đó xảy ra hiện tượng cộng hưởng và gây nguy hiểm nhất cho hệ trục turbine – máy phát nhiệt điện; xác định chính xác giá trị bù nào gây nguy hiểm đối với khớp trục tương ứng trên hệ trục.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Phương pháp trị riêng được sử dụng để nghiên cứu hiện tượng cộng hưởng tần số thấp – SSR trong mô hình chuẩn thứ hai của IEEE (SBM- Second Benchmark). Từ kết quả mô phỏng có được tác giả đã xác định được các giá trị bù trên đường dây truyền tải, mà tại đó xảy ra hiện tượng cộng hưởng và gây nguy hiểm nhất cho hệ trục turbine – máy phát nhiệt điện; xác định chính xác giá trị bù nào gây nguy hiểm đối với khớp trục tương ứng trên hệ trục. Và chỉ rừ ảnh hưởng của dũng điện sự cố, vị trớ của điểm ngắn mạch tới cộng hưởng tần số dưới đồng bộ. scan) được tác giả thực hiển để đo trở kháng của các DFG. - DONG, Liang, et al., “Subsynchronous resonance Mitigation for series compensation transmission system of DFIG based on Pr control”, In: 2019 IEEE 10th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG).

Mô hình mẫu IEEE tích hợp DFIG

Bài báo này tác giả đề xuất ra một phương pháp mới dựa trên mô hình mạch RLC để giải thích một cách trực quan và đánh giá định lượng về SSR trong mô hình hệ thống điện gió DFIG có tích hợp tụ bù dọc. Hệ thống nghiên cứu dựa trên mô hình mô hình chuẩn thứ nhất của IEEE (FBM -First Benchmark) sử dụng cho các nghiên cứu SSR được thể hiện trong Hình 1 [6], trong đó một hệ thống điện gió sử dụng tua bin gió loại DFIG được kết nối với lưới 161 kV có bù dọc.

Mô hình toán học của các phần tử trong mô hình IEEE Fisrt BenchMark có tích hợp DFIG

• Mô hình DFIG

Tg là mô men bên trong của mô hình; Tm và Te lần lượt là mô men cơ của tua bin và mô men điện của máy phát; Dt và Dg lần lượt là hệ số tắt dần cơ học của tua bin và máy phát; Ht và Hg lần lượt là hằng số quán tính của tua bin và máy phát; Dtg là hệ số tắt dần của khớp nối mềm giữa hai khối trục; Ktg là độ cứng của trục. Trong đó vcq và vcd là điện áp trục q và trục d qua tụ điện, iq và id là dòng điện trục q và trục d qua đường dây, vtq và vtd là điện áp trục q và trục d của thanh cái đầu cuối, EBq và EBd là điện áp trục q và trục d của nguồn vô hạn, 𝜔B là tốc độ cơ bản (377 rad/s).

Tương tác điều khiển dưới đồng bộ (SSCI)

Quá trình SSCI xảy ra chủ yếu là do nguyên nhân của sự tương tác bất lợi giữa bộ điều khiển của thiết bị điện tử công suất và hệ thống tụ bù dọc của các thiết bị được kết nối với nhau [23, 24]. So với loại SSR liên quan đến các bộ phận cơ khí, SSCI được hình và phát triển chủ yếu từ bộ điều khiển của bộ phận chuyển đổi điện tử công suất do đó hiện tượng này được gọi là tương tác điều khiển.

Cộng hưởng dưới đồng bộ (SSR)

• Phân loại hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ

Tính ổn định của hệ thống thường không bị đe dọa bởi các thành phần dòng điện của tần số siêu đồng bộ vì các dòng điện như vậy thường có độ suy giảm cao, tuy nhiên các thành phần dòng điện của tần số dưới đồng bộ đôi khi đe dọa đến sự ổn định của hệ thống. Mỏi được xem là một quá trình thay đổi cấu trúc vĩnh cữu cục bộ, diễn ra trên vật liệu ở điều kiện có hình thành các ứng suất thay đổi và biến dạng tại một số điểm hoặc nhiều điểm, có thể biến dạng đạt đến cực điểm hoặc gãy hoàn toàn sau một số dao động bất thường.

Hệ thống tụ bù nối tiếp

Nếu có đủ số lần diễn ra quá trình mô men xoắn quá độ cao, độ mỏi tích lũy sẽ đạt đến ngưỡng và khả năng hình thành các vết nứt do mỏi ở trong vùng tập trung ứng lực cao sẽ đáng kể. Một hướng giải thích khác là nhằm tăng cường độ dòng điện cần thiết, có nghĩa là phải tăng dòng điện chạy trong đường dây, hoặc là cần phải tăng điện áp trên đường dây này, do đó cần có nguồn điện áp nối tiếp cho đường dây.

Tua bin gió DFIG

• Các loại tua bin gió

Vì bộ chuyển đổi chỉ phải giải quyết 1/3 tổng công suất cho hoạt động tốc độ thay đổi do đó bộ chuyển đổi có định mức thấp hơn được sử dụng có nghĩa là chi phí và tổn thất điện năng thấp hơn so với bộ chuyển đổi định mức toàn phần. Bộ chuyển đổi năng lượng toàn phần cho phép tách máy phát ra khỏi tần số lưới để có thể kiểm soát hoàn toàn tần số phía máy phát và tránh sử dụng hộp số, do đó bất kỳ nhiễu nào xảy ra trong lưới điện đều không thể truyền sang phía máy phát điện.

Các phương pháp nghiên cứu SSR

Bộ chuyển đổi nguồn điện áp (VSC) gần với rotor của máy phát được gọi là bộ chuyển đổi phía rotor (RSC) và bộ chuyển đổi gần với lưới được gọi là bộ chuyển đổi phía lưới (GSC). Có một liên kết DC giữa RSC và GSC với mục đích lưu trữ năng lượng và cho phép hoạt động bình thường của cả hai bộ chuyển đổi. Các bộ chuyển đổi đang được sử dụng trong DFIG có công suất thấp hơn công suất định mức của DFIG. Điều này là do các bộ chuyển đổi chỉ xử lý phần nhỏ của tổng công suất. scan), phương pháp quá độ điện từ (EMT), phân tích giá trị riêng (Eigenvalue analysis), phương pháp dựa trên trở kháng. Do sự phức tạp của các phương trình toán học của hệ thống trong quá trình mô hình hóa, phương pháp này được ưu tiên sử dụng để quan sát và phân tích các điều kiện hệ thống khác nhau có thể dẫn đến dao động và cộng hưởng [14].

Các giải pháp giảm thiểu SSR

Dựa trên trở kháng là một phương pháp phân tích tín hiệu nhỏ yêu cầu mô hình trở kháng của hệ thống khảo sát thường thông qua tuyến tính hóa sóng hài. Ý tưởng cho công việc này là chỉ sử dụng bộ điều khiển giảm xóc trong các điều kiện khi có SSR có nhiều khả năng được kích hoạt để giảm tác động của bộ điều khiển giảm xóc trong hoạt động bình thường của DFIG.

Giới thiệu về hệ thống máy phát điện gió DFIG

Do đặc thù của máy phát điện gió (DFIG) khi nối lưới là tăng tính đồng bộ bám, giảm thiểu sóng hài, giảm thiểu chi phí lắp đặt, vận hành, bảo trì, sửa chữa .đồng thời khi làm việc với thông số thay đổi mạnh các đặc tính phi tuyến của máy phát như từ trễ, bão hòa, ma sát, dao động ứng suất… sẽ gây nên tổn hao công suất trong máy phát và hư hỏng cơ học. Pr dương khi S âm (tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ) vàPr âm khi S dương (tốc độ thấp hơn tốc độ đồng bộ, khi lưu lượng máy phát điện DFIG hoạt động trên tốc độ đồng bộ, Pr được chuyển đến bus DC và có xu hướng làm tăng điện áp DC, khi lưu lượng máy phát điện DFIG hoạt động dưới tốc độ đồng bộ Pr được lấy ra khỏi bus DC và có xu hướng làm giảm điện áp DC.

Cấu trúc tổng thể của hệ thống

• Mô hình hệ thống trục hai khối Tua pin – Máy phát

Việc lựa chọn tốc độ gió giới hạn, định mức và tối đa được thực hiện bởi nhà thiết kế WT, đối với các điều kiện gió điển hình, họ sẽ cố gắng cân bằng giữa việc đạt được mức khai thác năng lượng tối đa với việc kiểm soát tải trọng cơ học của tua bin. Trong trang trại gió sử dụng DFIG, RSC chịu trách nhiệm kiểm soát mô men điện hoặc tốc độ rotor và hệ số công suất ở đầu cực stator hoặc QS, vòng lặp trục q là để điều khiển mô men điện (Te) và vòng lặp trục d là để điều khiển công suất phản kháng stator (QS).

Mô hình toán học cho tuabin gió

Từ (4), nhận thấy mômen khí động học chủ yếu phụ thuộc vào giá trị của hệ số công suất 𝐶𝑃 và tốc độ gió 𝑉 Vì vậy, với mỗi tốc độ gió chỉ có một mômen xoắn cực đại và do đó chỉ có một điểm công suất cực đại mà điểm này được cấu hình bởi 𝐶𝑃𝑚𝑎𝑥 và 𝜆𝑜𝑝𝑡 tối ưu; điều này có thể được nhìn thấy trong đường cong đặc tính mô-men xoắn-tốc độ phi tuyến của tuabin được hiển thị trong Hình 1 và 2. Cập nhật vận tốc bị ảnh hưởng bởi cả giải pháp toàn cầu tốt nhất liên quan đến chi phí thấp nhất được tìm thấy bởi một cá thể và giải pháp cục bộ tốt nhất liên quan đến chi phí thấp nhất trong quần thể hiện tại.