1 .2Các thành phần trong MicroGrid
1.3 .1Cấu trúc MicroGrid AC
3.2 Mô hình POWER WIND_DFIG MICROGRID
Mô hình điều khiển máy phát điện gió sử dung máy phát DFIG (Doubly-Fed Induction Generator. Tạm dịch là máy phát gấp đôi cảm ứng)
Đứng trước thách thức thiếu hụt điện, cùng với việc các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt (giá nguyên liệu ngày càng tăng cao) và vấn đề về ô nhiễm môi trường, Việt Nam cần có chiến lược đảm bảo an ninh năng lượng bằng cách một mặt mở rộng khai thác những nguồn năng lượng truyền thống, mặt khác, ngày càng khuyến khích đầu tư mở rộng quy mô sản xuất các nguồn năng lượng sạch và có khả năng tái tạo. Để phát triển nguồn năng lượng sạch, trong thời đại ngày nay có các loại năng lượng như: gió, mặt trời, thủy triều... trong đó năng lượng gió được xem là năng lượng lý tưởng mà các quốc gia đã và đang phát triển phù hợp với xu hướng thời đại của nhân loại. Nội dung chính của mô hình này là nghiên cứu về việc điều khiển hệ thống máy phát điện gió dùng DFIG. Bằng cách thiết lập mô hình nội điều khiển, do stator của máy phát điện được kết nối trực tiếp vào lưới điện và điện áp được cố định theo điện áp
lưới trong khi rotor được kết nối thông qua một công cụ chuyển đổi AC/DC/AC. Mô hình mô phỏng được xây dựng dựa trênphần mềm của Matlab. [5.2]
3.2.1 Tổng quan mô hình
3.2.1.1 Máy phát Dfig
Hình 4.12 Mô tả stator và roto của máy phát DFIG nối lên lưới.
Trong mô hình sản xuất năng lượng tái tạo từ gió, hiện nay để tối ưu tốc độ giữa staro và roto, máy phát Dfig được sử dụng là chủ yếu.
DFIG: là máy phát có phần roto đc gắn chung với bộ back to back để thay đổi điện áp và tần số, góc pha đồng bộ với tốc độ stator, do stator của máy phát điện được kết nối trực tiếp vào lưới điện và điện áp được cố định theo điện áp lưới trong khi rotor được kết nối thông qua một công cụ chuyển đổi AC/DC/AC.
Nguyên do là bởi vì tốc độ gió luôn thay đổi không cố định dẫn đến tốc độ roto thay đổi theo, do vậy cần qua một bộ conveter. Yêu cầu cơ bản để phát điện sử dụng năng lượng gió là tạo ra tín hiệu ac có tần số không đổi bất kể tốc độ gió. Nói cách khác, tần số của tín hiệu AC được tạo ra trên stato phải không đổi bất kể các biến thể tốc độ của roto. Để đạt được điều này, tần số của tín hiệu AC áp dụng cho cuộn dây rôto cần được điều chỉnh bằng cách gắn thêm một bộ Back to Back.
Một ưu điểm khác của công nghệ DFIG là khả năng cho các bộ biến đổi điện tử công suất tạo ra hoặc hấp thụ công suất phản kháng, do đó loại bỏ sự cần thiết phải lắp đặt các tụ điện như trong trường hợp máy phát điện cảm ứng lồng sóc.
3.2.1.2 Giới thiệu tổng quan về mô hình
Hình 4.13 Sơ đồ mô hình Microgrid WINH_DFIG
Một trang trại gió 9 MW bao gồm sáu tuabin gió 1,5 MW được kết nối với hệ thống phân phối 25 kV xuất điện cho lưới điện 120 kV thông qua bộ cấp điện 30 km, 25 kV.
Một plant 2300V, 2 MVA bao gồm một tải động cơ (động cơ cảm ứng 1,68 MW tại 0,93 PF) và của tải điện trở 200 kW được kết nối trên cùng một bộ cấp nguồn tại bus B25. Cả tuabin gió và tải động cơ đều có hệ thống bảo vệ theo dõi điện áp, dòng điện và tốc độ máy. Điện áp liên kết DC của DFIG cũng được theo dõi.
Tua bin gió sử dụng máy phát điện cảm ứng kép (DFIG) bao gồm máy phát điện cảm ứng DFIG và bộ chuyển đổi PWM dựa trên AC / DC / AC IGBT. Cuộn dây stato được kết nối trực tiếp với lưới 60 Hz trong khi rôto được cung cấp ở tần số thay đổi, thông qua bộ chuyển đổi AC / DC / AC để thay đổi tầng số phù hợp và sau đó cùng nối lưới. Công nghệ DFIG cho phép trích xuất năng lượng tối đa từ gió cho tốc độ gió thấp bằng cách tối ưu hóa tốc độ tuabin, đồng thời giảm thiểu các ứng suất cơ học trên tuabin trong các cơn gió.
Trong mô hình này, tốc độ gió được duy trì không đổi ở mức 15 m / s. Hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển mô-men xoắn để duy trì tốc độ ở mức 1,2 pu. Công suất phản kháng được tạo ra bởi tuabin gió được quy định ở mức 0 Mvar.
Để hiểu được chi tiết cấu trúc được mô phỏng theo khối (BLOCK) trong mô hình, nhấp chuột phải vào khối "DFIG Wind Turbine" và chọn "Look Under Mask" để xem
mô hình được chế tạo như thế nào. Thời gian mẫu được sử dụng để phân biệt mô hình (Ts = 50 micro giây) được chỉ định trong chức năng khởi tạo của thuộc tính mô hình. Đối với tốc độ gió 15 m / s, công suất đầu ra của tuabin là 1 pu so với công suất định mức của nó, góc nghiêng là 8,7 độ.
3.2.2 Nguyên tắc vận hành mô hình
Hình 4.14 Khối năng lượng gió trong mô hình
Wind tuabin: công suất 9MW, các tín hiệu Pitch, Vdc, wr, nhận tín hiệu tốc độ gió từ goto Wind (được thiết kế dưới dạng hàm logarit từ Wind Speed). Điện áp ngỏ ra 575V nối đến Bus 575. Tốc độ của gió được thay đổi từ 8m/s đến 14m/s từ lúc cánh quạt bắt đầu quay đến tốc độ lớn nhất mà phần cơ khí của cánh quạt có thể đáp ứng được. Nếu tốc độ gió lớn hơn 14m/s cánh quạt được ra lệnh dừng quay bằng bộ hãm bên trong tua bin.
Goto Wind: chuyển tín hiệu tốc độ gió.
Hình 4.15 Khối Wind Speed cài đặt tốc độ gió
Trong mô hình, tốc độ gió được cài đặt giá trị ban đầu khi khởi động là 8m/s, và tăng dần đến 14m/s sau 5s, tua bin làm việc ổn định và tạo ra công suất định mức ở tốc độ này.
Hình 4.16 Thông số cài đặt cho máy phát bên trong tuabin
Giá trị của Wind Tuabin được cài đặt hoạt động với công suất 6*1.6MW, tạo ra áp 575V AC ở tần số 60Hz.
Hình 4.17 Thông số cài đặt của tuabin
Nhắc đến tuabin gió, hướng quay cánh quạt của tua bin được điều chỉnh góc quay đến 4 điểm: A (0.7 pu), B (0.71 pu), C (1.2 pu), D (1.21 pu) cố định. Tại đó, tốc độ của tuabin được xác định quay ở tốc độ tối ưu nhất cho từng điểm làm việc. Ví dụ đối với điểm C, công suất đạt được tối đa là 0.73pu mà tuabin có thể đạt được, với tốc độ gió đo được là 12m/s.
Tính tốc độ thật từ pu
Trong tuabin gió, ngoài mấy phát DFIG, cài đặt thông số cuả tuabin, còn cài đặt cho bộ converter bên trong máy phát Dfig, vì ngoài stator được nối trực tiếp lên lưới, tốc độ của roto thay đổi biến thiên phụ thuộc hoàn toàn vào sự thay đổi của gió, do vậy, tốc độ của roto đưuọc đồng bộ bởi bộ converter, để cùng áp, tần số, gốc lệch pha…và hòa lên lưới 575V, giúp tăng gấp đôi sản lượng điện sinh ra.
Hình 4.19 Đường dây truyền tải năng lượng điện từ tua bin đến nguồn chính
Đường dây truyền tải điện sau khi sản xuất từ phía tubin gió qua 2 đường dây truyền tải hình Pi kéo dài 10 km và 20km. Năng lượng trong qúa trình truyền đi có ngang qua trang trại với công suất S = 2 MVA. Một tín hiệu Fault, phục vụ cho quá trình mô phỏng tách lưới, khi tiến hành mô phỏng sự cố, thay đổi nơi Fault tác động lên pha A, B, C, hiện tại, Fault đang nối với Ground.
Trang trại sử dụng một máy biến áp từ 25kV xuống 2.3kV công suất 2.5MW, trang trại bao gồm cả tải động cơ ( công suất 1.68MW, cosµ=0.93, 2300V) và tải trở 200kW, do vậy, trên đường dây phân phối được lắp thêm 1 tụ bù 800kvar.
Hình 4.21 Lưới điện chính, nguồn xoay chiều 120kV
Mô hình sử dụng song song nguồn xoay chiều 120kV và nguồn xoay chiều do Wind sản xuất ở đầu còn lại. Máy biến áp 120/25kV công suất 47MW, nối sao-tam giác, giảm áp 120kV từ bus B120 xuống còn 25kV, sau đó tiếp tục giảm áp thông qua máy biến áp nếu phía hạ áp có tải, hiện tại, mô hình không lắp tải, đây là trường hợp phòng khi cần mở rộng tải, do vậy, phụ tải chính trên mô hình vẫn là Plant 2MW.
Trong mô hình này, có hai thành phần được hiển thị đo đó là các tín hiệu liên quan đến lưới Grid và thành phần còn lại là tuabin gió. Do vậy cần làm rõ cách vân hành từng thành phần riêng biệt, sau đó sẽ đi đến phần mô phỏng hệ thống trong chế độ nối lưới và tách lưới, kiểm chứng với những giá trị được cài đặt ở trên.
3.2.3 Các chế độ vận hành
3.2.3.1 Mô phỏng lưới điện MicroGrid ở chế độ nối lưới
Hình 4.22 Sơ đồ làm việc của thành phần trong tua bin gió
Hình 4.23 Các thông số đang hoạt động hiện tại của Tuabin
Quan sát 2 hình trên ta có, góc nghiêng được tăng từ 0 độ lên 0,76 độ để hạn chế công suất cơ học . Quan sát cả điện áp và công suất phản kháng được tạo ra. Công suất phản kháng được điều khiển để duy trì điện áp 1 pu. Ở công suất danh định, tuabin gió
đổi chế độ hoạt động thành "Điều chỉnh Var" với "Công suất phản kháng Qref" được đặt thành 0, ta sẽ quan sát thấy điện áp tăng lên 1.021 pu khi tuabin gió tạo ra công suất danh định ở hệ số công suất đơn vị (pu). Trong 5s đầu tiên, cánh tua bin bắt đầu khởi động với tốc độ 8 m/s sau đó tăng dần đến 14m/s sau hơn 11s khởi động, và tốc độ gió (Wind tuabin) bắt đầu ổn định ở mức 14m/s trong suốt chu kỳ mô phỏng. Khi đó, cảm biến nhận được tín hiệu gió ở mức 14m/s ổn định kéo dài trong khoảng thời gian quy định, gửi tín hiệu đến bộ điều khiển bên trong tua bin (PLC) cánh tua bin được điều chỉnh quay 1 góc Pich Angle (deg) tương ứng 0.8pu tương đương…rad/s , mục đích để hướng đến điểm làm việc tối ưu, tạo ra năng lượng và công suất tối đa. Bắt đầu từ lúc Pich angle tác động tốc độ của tua bin hoạt động cố định 1.21pu trong suốt thời gian mô phỏng.
Tại thời điểm 20s, Pich Angle tác động, công suất P của máy phát trong tua bin hoạt động với công suất định mức 9MW.
Áp DC được sinh ra trong quá trình chuyển đổi từ bộ Back-to-back cố dịnh ở mức 1200V, khi có sự thay đổi đột ngột của cả hệ thống, cũng bị ảnh hưởng, tăng đột ngột trong 1-2s chuyển đổi khi cánh của tua bin dịch chuyển góc quay, tuy nhiên, điện áp chênh lệch chỉ 1-2V so với 1200VDC, do đó, có thể bỏ qua sự thay đổi này.
Hình 4.24 Các giá trị đo đươc trong quá trình làm việc trên lưới grid.
Ở chế độ vận hành bình thường, các tín hiệu đo được từ những cấu trúc liên quan đều làm việc ở gía trị quy định, đáp ứng đúng mục tiêu mô phỏng đã đặt ra ban đầu.
Giá trị điện áp phía sơ cấp của 3 máy biến áp đặt tại 3 Bus B120, B25, B575 đều đo được ở mức định mức 1pu tương ứng tại mỗi Bus.
Trong trang trại Plant, điện áp định mức 2300v (1pu) hoạt động ổn định. Tốc độ motor (Motor Speed): 1pu
Kết hợp số liệu từ dạng sóng đo được và sơ đồ kết nối của mô hình, ta thấy Bus B25 và nguồn từ MBA 25kV cấp nguồn đến trang trại (Plant), công suất biểu kiến và công suất tác dụng của trang tại cũng bắt đầu thay đổi từ giây thứ 20. Trang trại tiêu thụ công suất từ lưới, dẫn đến Q>0 và P<0.
Hình 4.25 Cài đặt khối bước tốc độ gió trong matlap.
Ở t = 5 giây, công suất hoạt động được tạo ra bắt đầu tăng trơn tru (cùng với tốc độ tuabin) để đạt giá trị định mức 9 MW trong khoảng 15 giây. Trong khoảng thời gian đó, tốc độ tuabin sẽ tăng từ 0,8 pu lên 1,21 pu. Ban đầu, góc nghiêng của các cánh tuabin là 0o và điểm vận hành của tuabin theo đường cong màu đỏ của các đặc tính công suất tuabin cho đến điểm D. Các điểm A đến D được mặt định trong điểm theo dõi của Tuabin như hình bên dưới.
Quan sát tác động của độ võng điện áp do lỗi từ xa trên hệ thống 120 kV. Đầu tiên, trong khối bước tốc độ gió, vô hiệu hóa bước tốc độ gió bằng cách thay đổi giá trị cuối cùng từ 14 thành 8 m/s. Sau đó mở menu nguồn điện áp 120 kV. Trong tham số "Biến đổi thời gian", chọn "Biên độ". Sự sụt giảm điện áp 0,15 pu kéo dài 0,5 giây được lập trình để xảy ra ở t = 5 s.
Hình 4.26 Thay đổi giá trị của Nguồn AC 120kV
Đảm bảo rằng chế độ điều khiển vẫn ở quy định Var với Qref = 0. Bắt đầu mô phỏng và mở phạm vi "Lưới". Quan sát điện áp và dòng điện của nhà máy cũng như tốc độ động cơ. Lưu ý rằng trang trại gió sản xuất 1,87 MW.
Từ phần này trở đi, vẫn chưa hiểu đc sơ đồ nên để bổ sung sau khi rõ.
Tại t = 5 giây, điện áp giảm xuống dưới 0,9 pu và tại t = 5,22 giây, hệ thống bảo vệ ngắt nhà máy vì phát hiện sự thiếu điện áp kéo dài hơn 0,2 giây (xem các cài đặt và trạng thái bảo vệ trong hệ thống "nông trại"). Dòng điện của nhà máy giảm xuống 0 và tốc độ động cơ giảm dần, trong khi trang trại gió tiếp tục tạo ra ở mức năng lượng 1,87 MW. Sau khi nhà máy bị ngắt, công suất 1,25 MW (P_B25 đo được tại bus B25) được xuất vào lưới điện.
Bây giờ, thay đổi chế độ điều khiển tuabin gió thành "Điều chỉnh điện áp" và lặp lại thử nghiệm. Ta thấy rằng nhà máy không đi nữa. Điều này là do sự hỗ trợ điện áp được cung cấp bởi công suất phản kháng 5 Mvar được tạo ra bởi các tuabin gió trong độ võng điện áp giữ cho điện áp của nhà máy vượt quá ngưỡng bảo vệ 0,9 pu. Điện áp nhà máy trong độ võng điện áp bây giờ là 0,93 pu.
3.2.3.2 Mô phỏng lưới điện MicroGrid ở chế độ tách lưới
Để quan sát tác động của một lỗi một pha xảy ra trên đường dây 25 kV tại bus B25. Đầu tiên vô hiệu hóa bước điện áp 120 kV. Bây giờ hãy mở menu khối "Fault" và chọn "Phase A Fault". Kiểm tra xem lỗi được lập trình để áp dụng một pha 9 chu kỳ cho lỗi chạm đất ở t = 5 s.
Hình 4.27 Cài đặt pha xảy ra lỗi trên nông trại
Bắt đầu quan sát rằng khi tuabin gió ở chế độ "Điều chỉnh điện áp", điện áp thứ tự dương tại các cực của tuabin gió (V1_B575) giảm xuống 0,8 pu trong khi xảy ra sự cố, vượt quá ngưỡng bảo vệ điện áp thấp (0,75 pu cho tại> 0,1 s). Các trang trại gió do đó
ở lại phục vụ. Tuy nhiên, nếu chế độ "Điều chỉnh Var" được sử dụng với Qref = 0, điện áp giảm xuống dưới 0,7 pu và bảo vệ điện áp thấp làm vấp phải trang trại gió. Bây giờ
chúng ta có thể quan sát rằng tốc độ tuabin tăng. Tại t = 40 s, góc nghiêng bắt đầu tăng để giới hạn tốc độ.
Hình 4.28 Hình mô phỏng hệ thống thay đổi khi xảy ra lỗi trên pha
A 3.2.4 Phân bố trào lưu công suất lưới điện MicroGrid ở chế độ nối lưới
Sau khi kết nối mô hình hoàn chỉnh, các thông số của mô hình đều đặt ở trạng thái ban đầu, các giá trị điện áp của bus 1-10 duy trì ở mức ban đầu cài đặt như trong bảng.
Bảng 4.5 các giá trị ban đầu tại các bus của hệ thống
Sau đó mô hình được thực hiện mô phỏng, phân bố trào lưu công suất, sau nhiều bước lập bằng phương pháp Newton grapson. Gía trị tại các bus đạt ngưỡng xác lập và trị số pha, điện áp (theo đơn vị cơ bản) thu được như sau:
Bảng 4.6 giá trị phân bố công suất của các bus theo đơn vị cơ bản (pu).
Theo phương pháp Newton Gapson, giá trị điện áp tại cái nút phải đạt đến trạng