Thay đổi vùng tác động của rơle bảo vệ

5. Phƣơng pháp nghiên cứu

3.2.6.5. Thay đổi vùng tác động của rơle bảo vệ

Nếu DG đƣợc kết nối ở giữa máy cắt và điểm sự cố thì sẽ làm thu hẹp vùng tác động của rơ-le, làm tăng thời gian tác động loại trừ sự cố. Xét trong trƣờng hợp trên hình 3.10 khi có DG3 và sự cố xảy ra tại điểm N2, khi đó dòng điện qua bảo vệ rơle sẽ nhỏ hơn khi chƣa có DG3, làm co vùng tác động của bảo vệ. Điều đó làm tăng nguy cơ sự cố tổng trở cao không đƣợc phát hiện và do đó, bảo vệ dự phòng sẽ tác động để loại trừ sự cố.

Một vấn đề khác nữa cũng cần phải quan tâm khi kết nối DG vào lƣới, ảnh hƣởng tới bảo vệ trên lƣới là bảo vệ chống vận hành cô lập (Anti-islanding protection). Trong khi cô lập, một phần của lƣới vẫn đƣợc cấp điện từ nguồn DG mà không kết nối với lƣới điện chính. Bên cạnh các vấn đề liên quan về chất lƣợng điện năng, vấn đề an toàn của lƣới điện yêu cầu việc ngắt kết nối DG cần phải nhanh và tin cậy. Bảo vệ cô lập đƣợc xem là gặp vấn đề trong trƣờng hợp các máy phát đồng bộ công suất lớn. Trong trƣờng hợp phụ tải của phần lƣới bị cô lập phù hợp với công suất phát tạm thời của DG thì tình trạng vận hành cô lập có thể không bị phát hiện.

3.2.6.6. Các biện pháp hạn chế ảnh hưởng của tuabin gió trong chế độ sự cố điện

Tuabin gió là một DG, mà có rất nhiều giải pháp để hạn chế ảnh hƣởng của DG trong chế độ sự cố nhƣ sử dụng kháng điện nối nối tiếp giữa DG với lƣới hay biện pháp sử dụng các thiết bị hạn chế dòng sự cố. Thiết bị hạn chế dòng sự cố (FCL) có thể là khả dĩ trong việc tối thiểu hóa ảnh hƣởng của DG lên lƣới khi có sự cố và cũng không có những tác động bất lợi tới lƣới trong trạng thái làm việc ổn định khi không có sự cố. FCL sẽ hạn chế dòng của DG chảy ngƣợc vào lƣới khi sự cố mà

ra tại điểm N2, FCL sẽ hạn chế dòng điện chảy từ DG2 tới N2. Khi không có sự cố xảy ra, hoặc khi sự cố xảy ra trong khoảng từ DG2 tới lƣới thì FCL không hoạt động và đảm bảo sự phù hợp của dòng sự cố đo đƣợc bởi BB.

Riêng với các dự án điện gió trong tƣơng lai thì nên lựa chọn cấu hình tuabin gió DFIG hoặc cấu hình loại D vì ít có ảnh hƣởng xấu tới lƣới hơn, và trong nhiều trƣờng hợp có thể làm giảm ảnh hƣởng của các sự cố trên lƣới.

3.3. KẾT LUẬN

Chƣơng này đã chỉ ra và phân tích ảnh hƣởng của nguồn phân tán phong điện tới 6 thông số của lƣới điện là:

- Nhấp nháy hay dao động điện áp - Sóng hài

- Sự suy giảm nhanh điện áp - Sự gia tăng điện áp

- Công suất phản kháng - Bảo vệ lƣới điện

và các biện pháp khắc phục. Qua đó cũng làm nổi bật nên đƣợc các ƣu điểm của cấu hình tuabin gió loại D và DFIG của loại C.

CHƢƠNG IV

MÔ PHỎNG ẢNH HƢỞNG CỦA HỆ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TỚI CÁC THÔNG SỐ CỦA LƢỚI BẰNG MATLAB/SIMULINK®

Đối với các hệ thống điện gió việc hòa lưới là bài toán rất quan trọng vì tốc độ gió luôn luôn thay đổi làm cho tần số và công suất phát của hệ thống thay đổi. Như đã trình bày ở chương II có nhiều cách cấp điện lên lưới khác nhau với nhiều lại máy phát điện khác nhau. Trong đó mô hình sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép là mô hình có nhiều ưu điểm, hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống máy phát điện chạy bằng sức gió. Vì vậy trong chương này sẽ tập trung vào việc mô phỏng ảnh hưởng của mô hình sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép.

4.1. CÁC PHƢƠNG PHÁP VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ CÓ TRONG MATLAB/SIMULINK® ĐIỆN SỨC GIÓ CÓ TRONG MATLAB/SIMULINK®

4.1.1. Tổng quan về matlab/simulink®

MATLAB là một môi trƣờng tính toán số và lập trình, đƣợc thiết kế bởi công

ty MathWorks. MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện ngƣời dùng và liên kết với những chƣơng trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác. MATLAB giúp đơn giản hóa việc giải quyết các bài toán tính toán kĩ thuật so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống nhƣ C, C++, và Fortran.

MATLAB đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm xử lý tín hiệu và ảnh,

truyền thông, thiết kế điều khiển tự động, đo lƣờng kiểm tra, phân tích mô hình tài chính, hay tính toán sinh học. Với hàng triệu kĩ sƣ và nhà khoa học làm việc trong môi trƣờng công nghiệp cũng nhƣ ở môi trƣờng hàn lâm, MATLAB là ngôn

Hình 4.1 : mô phỏng trong simulink

Simulink là phần chƣơng trình mở rộng của Matlab dùng để mô phỏng hệ

thống và khảo sát các hệ thống động học. Simulink cung cấp cho ngƣời sử dụng một thƣ viện rất phong phú, có sẵn các khối chức năng thuộc về nhiều lĩnh vực khác nhau, có thể khảo sát hệ thống tuyến tính, phi tuyến cũng nhƣ gián đoạn. Ngƣời sử dụng có thể tạo các khối chức năng riêng tùy theo mục đích sử dụng.

4.1.2. Các phương pháp mô phỏng tuabin gió trong Matlab/Simulink®

Tùy theo yêu cầu mô phỏng, có ba phƣơng pháp mô phỏng hiện đang có sẵn trong SimPowerSystems ™ để mô hình hóa hệ thống chuyển đổi năng lƣợng dựa trên kết nối vào lƣới điện. Cụ thể là:

Mô hình chi tiết : bao gồm thể hiện chi tiết của chuyển mạch điện tử IGBT. Để đạt đƣợc độ chính xác cần thiết tần số chuyển đổi 1620Hz và 2700 Hz, mô hình phải đƣợc rời rạc hóa tại một bƣớc thời gian tƣơng đối nhỏ (5 micro giây). Mô hình này rất thích hợp cho việc quan sát các sóng hài và hệ thống kiểm soát hiệu suất năng động trong khoảng thời gian tƣơng đối ngắn ( thƣờng là hàng trăm mili giây đến một giây).

Mô hình trung bình (rời rạc) : trong mô hình này bộ chuyển mạch điện tử IGBT đƣợc đại diện bởi các nguồn điện áp tƣơng đƣơng tạo ra các điện áp AC trung bình trên một chu kỳ của tần số chuyển đổi. Mô hình này không đại diện cho các sóng hài, nhƣng động lực từ hệ thống điều khiển và tƣơng tác hệ thống điện đƣợc bảo

tồn. Mô hình này cho phép sử dụng các bƣớc thời gian lớn hơn nhiều (thƣờng 50 micro giây), do đó cho phép mô phỏng một vài giây.

Mô hình phasor (liên tục): Mô hình này thích nghi tốt hơn để mô phỏng các dao động điện tần số thấp trong thời gian dài (hàng chục giây đến vài phút). Trong phƣơng pháp mô phỏng phasor, điện áp và dòng hình sin đƣợc thay thế bởi số lƣợng phasor (số phức) tại tần số hệ thống danh nghĩa (50 Hz hoặc 60 Hz). Đây là kỹ thuật tƣơng tự đƣợc sử dụng trong các phần mềm ổn định thoáng qua.

Trong khuôn khổ luận văn này tác giả sẽ sử dụng mô hình chi tiết và mô hình phasor để cho phép nghiên cứu đƣợc cả ảnh hƣởng về sóng hài cũng nhƣ các dao động điện tần số thấp trong thời gian dài.

4.1.3. Các khối chức năng cơ bản

Dƣới đây là một số mô hình khối chức năng cơ bản trong Matlab/Similink dùng để xây dựng các mô hình mô phỏng trang trại gió kết nối lƣới.

Các mô hình khối hệ thống tuabin gió:

Hình 4.2. Mô hình khối tuabin gió và hộp số

Hình 4.4. Mô hình khối điều khiển

Hình 4.5. Mô hình khối máy phát DFIG nối lưới

Các mô hình khối khác:

Hình 4.6. Mô hình khối máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây và mô hình khối đường dây truyền tải

4.1.4. Các mô hình mô phỏng

Phần này giới thiệu các mô hình mô phỏng hoạt động kết nối lƣới của cấu hình tuabin gió lại DFIG. Các mô phỏng đều đƣợc mô phỏng với các giá trị đặc trƣng của lƣới điện Việt Nam nhƣ tần số 50 Hz, lƣới 110 kV, lƣới 22 kV…và các thông số mặc định của Matlab. Thông số kỹ thuật của tuabin gió DFIG đƣợc lấy từ [3] với tần số hoạt động 50 Hz.

4.1.4.1 Mô hình cánh đồng gió sử dụng cấu hình DFIG (Mô hình chi tiết)

Hình 4.7. Mô hình chi tiết cánh đồng gió sử dụng cấu hình DFIG

Mô tả mô hình:

 Một trang trại gió có tổng công suất 9MW bao gồm 6 tuabin gió công suất 1.5MW, qua 6 máy biến áp 0,69/22kV điện áp nâng lên 22kV, cung cấp công suất vào lƣới 110 kV thông qua 30km đƣờng dây truyền tải và trạm trung chuyển 22kV/110kV.

 Mô hình đƣợc xây dựng theo dạng mô hình chi tiết, sử dụng để nghiên cứu ảnh hƣởng hệ thống điện gió tới độ méo hài.

4.1.4.2. Mô hình cánh đồng gió sử dụng cấu hình DFIG (Mô hình phasor)

Hình 4.8. Mô hình phasor cánh đồng gió sử dụng cấu hình DFIG

Mô tả mô hình:

 Một trang trại gió có tổng công suất 9MW bao gồm 6 tuabin gió công suất 1.5MW, qua 6 máy biến áp 0,69/22kV điện áp nâng lên 22kV, cung cấp công suất vào lƣới 110 kV thông qua 30km đƣờng dây truyền tải và trạm trung chuyển 22kV/110kV. Một nhà máy A 2300V, 2 MVA bao gồm một tải của động cơ (1,68 MW động cơ cảm ứng tại 0.93 PF) và của một tải trọng điện trở 200-kW đƣợc kết nối trên cùng một tuyến tại B22. Cả động cơ tuốc bin gió và tải của động cơ có một hệ thống bảo vệ giám sát, điện dòng điện và tốc độ máy. Điện áp liên kết DC của DFIG cũng theo dõi.

 Mô hình đƣợc xây dựng theo dạng mô hình phasor, sử dụng để nghiên cứu ảnh hƣởng hệ thống điện gió tới các thông số về mặt công suất, điện áp…

 Ta xét mô hình trong 2 chế độ điều khiển của tuabin gió với 3 trƣờng hợp:

 Khi tốc độ gió thay đổi

 Khi có một võng điện áp 0,15 pu trên lƣới 110 kV

 Khi ngắn mạch một pha trên lƣới 22 kV

4.2. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA NGUỒN PHÂN TÁN PHONG ĐIỆN TỚI CÁC THÔNG SỐ CỦA LƢỚI QUA KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Trong phần này ta sẽ đánh giá ảnh hƣởng của nguồn phân tán phong điện đến các thong số của lƣới lần lƣợt theo 6 thông số đã nêu ở chƣơng III. Việc đánh giá ảnh hƣởng của mỗi thông số có thể vận dụng 1 hay nhiều kết quả mô phỏng của các mô hình mô phỏng. Để biết kết quả mô phỏng của từng mô hình mô phỏng riêng biệt tham khảo trong phần PHỤ LỤC CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.

4.2.1. Nhấp nháy hay dao động điện áp

Từ các kết quả mô phỏng cho thấy tần số và độ lớn điện áp ở thanh cái 690V là ổn định và ít ảnh hƣởng tới lƣới do ƣu điểm của máy phát không đồng bộ nguồn kép đƣợc nối lƣới từ hai phía. Khi tốc độ gió thay đổi hệ thống tự động ổn định bằng cách luôn giữ cho tốc độ đồng bộ luôn không đổi. Nếu tốc độ gió lớn hơn tốc độ đồng bộ thì máy phát hoạt động ở chế độ trên đồng bộ. Năng lƣợng sẽ đƣợc phát vào hệ thống ở cả hai mạch stator và rotor. Còn khi tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ đồng bộ thì máy phát hoạt động ở chế độ dƣới đồng bộ. Máy phát sẽ lấy năng lƣợng từ lƣới vào để kéo máy phát làm việc gần với tốc độ đồng bộ. Điều đó có thể thấy rõ qua các giản đồ điện áp trên hình 4.9 và 4.10 dƣới đây. Trong hình 4.9 ta nhận thấy rằng nếu xếp chồng các giản đồ điện áp này lên nhau thì chúng sẽ trùng với nhau,

Hình 4.9. Các cửa sổ mô tả chất lượng điện áp phát

Hình 4.10. Các cửa sổ mô tả chất lượng điện áp tại các thanh cái

Trong các mô phỏng cũng cho thấy tuabin gió chỉ ảnh hƣởng tới điện áp lƣới trong chế độ ổn định công suất phản kháng.

Phân tích cụ thể kết quả mô phỏng này cho ta thấy lúc khởi động tuabin gió đã làm sụt áp tại thanh cái 690 V và tại nhà máy A nhƣ trên hình 4.11. Sự sụt áp này thấp hơn 10 % và diễn ra trong khoảng thời gian rất ngắn nên vẫn thuộc phạm vi cho phép.

Hình 4.11. Giản đồ mô tả ảnh hưởng khi tuabin gió hoạt động ở chế độ ổn định công suất phản kháng

Hình 4.11 còn cho thấy sự gia tăng điện áp khi tốc độ gió bắt đầu tăng từ 8-14 m/s từ thời điểm t=5s. Sự gia tăng điện áp này đƣợc thể hiện rõ trong hình 4.12 dƣới đây:

Hình 4.12. Sự gia tăng điện áp khi tốc độ gió tăng

Sự gia tăng điện áp này là rất nhỏ, chỉ 3% tại thanh cái 690 V và khoảng 1,5 % tại nhà máy A. Kết quả nhƣ vậy là đạt yêu cầu.

Nhƣ vậy ảnh hƣởng của cấu hình tuabin gió cấu hình DFIG tới nhấp nháy hay sự dao động điện áp là rất nhỏ. Đặc biệt ở chế độ ổn định điện áp thì hầu nhƣ không ảnh

4.2.2. Sóng hài

Về độ méo hài THD, qua các kết quả mô phỏng cho thấy khi tốc độ gió thay đổi thì độ méo hài thay đổi trong phạm vi nhỏ, độ méo hài cũng tƣơng đối thấp và đạt yêu cầu. Cụ thể đƣợc thể hiện qua các kết quả đƣợc tập hợp trong bảng 4.1 dƣới đây.

Bảng 4.1: Độ méo hài THD

V(m/s) 5 10 15 20

THD 0,01147 0,01119 0,01149 0,0113

4.2.3. Sự suy giảm nhanh điện áp

Nhƣ phần 4.2.1 trên đã nói, khi khởi động tuabin gió có thể gây suy giảm nhanh điện áp. Tuy nhiên sự suy giảm này là trong giới hạn cho phép.

Trong chế độ sự cố, tùy vào chế độ hoạt động mà tuabin gió có thể có ảnh hƣởng tiêu cực hay tích cực tới sự suy giảm nhanh điện áp lƣới. Cụ thể ta xét mô phỏng khi có một võng điện áp trên lƣới 110 kV. Một võng điện áp 0,15 pu kéo dài 0,15 s đƣợc lập trình tại thời điểm t = 5 s. Kết quả chi tiết nhƣ trên hình 4.13 và 4.14.

Ở chế độ ổn định công suất phản kháng ( hình 4.13 dƣới đây): Trang trại gió đang phát với công suất 1,87 MW. Tại t = 5 s điện áp giảm xuống dƣới 0,9 pu và tại t = 5,22 s các hệ thống bảo vệ hoạt động vì phát hiện một thấp áp kéo dài hơn 0,2 s. Dòng điện ở nhà máy A giảm xuống bằng không và tốc độ động cơ giảm dần, trong khi trang trại gió vẫn tiếp tục tạo ra công suất 1,87 MW. Sau khi nhà máy ngừng hoạt động 1,25 MW điện năng đƣợc cấp vào lƣới điện (Đo ở thanh cái 22 kV).

Hình 4.13. Giản đồ kết quả mô phỏng với một võng điện áp ở chế độ ổn định công suất phản kháng

Ở chế độ ổn định điện áp, từ các giản đồ hình 4.14 dƣới đây ta thấy rằng nhà máy A sẽ không bị mất điện nữa. Nguyên nhân là do sự hỗ trợ điện áp đƣợc cung cấp 5 MVAr công suất phản kháng đƣợc tạo ra bởi tuabin gió trong võng điện áp, giữ điện áp nhà máy trên ngƣỡng bảo vệ 0,9 pu. Trong võng điện áp, điện áp của nhà máy vẫn đƣợc duy trì ở 0,93 pu.

Hình 4.14. Giản đồ kết quả mô phỏng với một võng điện áp ở chế độ ổn định điện áp

Các kết quả này cũng phù hợp với nội dung lý thuyết đã trình bày ở chƣơng III. Qua đó ta cũng thấy đƣợc ƣu điểm của chế độ vận hành ổn định điện áp của cấu hình DFIG.

4.2.4. Sự gia tăng điện áp

Nhƣ hình 4.11 và 4.12 ở trên cho thấy ở chế độ ổn định công suất phản kháng khi tốc độ gió tăng, làm tăng công suất của tuabin gió thì điện áp ở thanh cái kết nối 690 V cũng tăng. Cũng trong điều kiện mô phỏng đó, nhƣng với chế độ ổn định điện áp thì điện áp vẫn đƣợc giữ ổn định ( xem hình 4.15 dƣới đây).

Hình 4.15 Giản đồ kết quả mô phỏng ảnh hưởng của tuabin gió tới điện áp trong chế độ ổn định điện áp

Hiện tƣợng trên có thể đƣợc giải thích bởi công thức (3.14) đã đƣợc nêu ở chƣơng III:

( ) ( )

(3.14) Trong mô phỏng này thì tải có công suất 500 kW thuần trở nên PLj= 500 kW và QLj=0. Trong chế độ ổn định công suất phản kháng của tuabin gió QWT = 0. Vì