Đây là một ví dụ điển hình mơ phỏng cho hiện tượng “ hệ thống PV bị che khuất bởi mây ”. Khi đó năng lượng PV sẽ giảm đi một cách đột ngột
Hình 4.8 Đặt tín hiệu giảm cơng suất PV trên Matlab
Giá trị công suất do PV tạo ra tại thời điểm 11h00 khoảng 4100 kW. Việc đặt tín hiệu mơ phỏng giảm cơng suất đột ngột sẽ diễn ra trong vòng 20s và cơng suất cịn lại bằng 30% thời điểm bình thường. Điều đó có nghĩa, năng lượng thực tế lúc đó sẽ bằng 4100 kW x 30% = 1230 kW.
Theo như quan sát, tại thời điểm đó cơng suất tải tiêu thụ cần đáp ứng là gần 2000 kW. Trước đó, năng lượng do PV tạo ra đã đáp ứng đủ và ổn định cho tải tiêu thụ nhưng vì sự thay đổi đột ngột năng lượng tạo ra nên tác động đến cơng suất battery và điện lưới chính. Ta thấy sự đột ngột đó, đã tạo ra một dao động rất lớn ở lưới điện chính và cơng suất đáp ứng của battery.
Sự thay đột ngột đó sẽ ảnh hưởng lớn đến chất lượng điện năng của lưới điện chính và tuổi thọ của battery.
3.1.4 Phân bố trào lưu công suất lưới điện MicroGrid.
Công cụ Load Flow của khối powergui sử dụng phương pháp Newton-Raphson và đi kèm với giao diện người dùng cho phép hiển thị giải pháp dòng tải tại tất cả các bus.
Hình 4.9 Sơ đồ đơn tuyến mơ hình microgird_power_battery.
Bus Bus25 Bus6.6
Hình 4.10 Các thơng số này sẽ được nhập vào các Block và các Bus
Sử dụng công cụ LoadFload để phân tích lưu lượng tải: (Giải pháp dịng tài sẽ được thể hiện ở 5 cột cuối cùng).
Hình 4.11 Phân tích lưu lượng tải trên các bus
Báo cáo bắt đầu bằng việc hiển thị tóm tắt về cơng suất hoạt động và công suất phản kháng, hiển thị tổng chia sẻ PQ giữa các máy phát (khối loại SM và Vsrc), tải PQ (tải RLC loại PQ và tải DYN), tải Z không đổi (tải RLC loại Z và từ hóa các nhánh của máy biến áp) và tải máy không đồng bộ (ASM). Total losses là thể hiện sự khác biệt giữa các thế hệ và tải (PQ loại + Z loại + ASM). Do đó, nó đại diện cho tổn thất hàng loạt.
Total generation = Total PQ load + Total Z shunt + Total ASM + Total losses
Total generation Total PQ load Total Z shunt Total ASM Total losses
1 : Bus-1 V= 1.000 pu/25kV 0.00 deg ; Swing bus Generation
PQ Load Z shunt Bus-2
2 : Bus-2 V= 0.112 pu/6.6kV -0.62 deg Generation PQ Load Z shunt *1* Bus-1 3 : *1* V= 0.000 pu/6.6kV -0.98 deg Generation PQ Load Z shunt Bus-2
Bảng 4.3 Kết quả tính tốn phân bố trào lưu công suất lưới điện MicroGrid ở chế độ vận hành nối lưới
1 : *1* V= 1.000 pu/22kV 0.00 deg ; Swing bus Generation PQ Load Z shunt *2* 2 : *2* V= 1.000 pu/0.4kV -0.00 deg Generation PQ Load Z shunt *1* *3* 3 : *3* V= 1.006 pu/0.4kV -0.00 deg Generation PQ Load Z shunt *2*
Bảng 4.4 Kết quả tính tốn phân bố trào lưu cơng suất lưới điện MicroGrid ở chế độ vận hành nối lưới
3.2 Mơ hình POWER WIND_DFIG MICRO GRID
Mơ 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 ơ nhiễm mơi 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 mơ 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 mơ hình này là nghiên cứu về việc điều khiển hệ thống máy phát điện gió dùng DFIG. Bằng cách thiết lập mơ 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. Mơ hình mơ phỏng được xây dựng dựa trênphần mềm của Matlab. [5.2]
3.2.1 Tổng quan mơ hình
3.2.1.1 Máy phát Dfig
Hình 4.12 Mơ tả stator và roto của máy phát DFIG nối lên lưới.
Trong mơ 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 cơng cụ chuyển đổi AC/DC/AC.
Ngun do là bởi vì tốc độ gió ln thay đổi khơng 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 khơng 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 rơto 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 mơ hình
Hình 4.13 Sơ đồ mơ 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. Cơng 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 mơ hình này, tốc độ gió được duy trì khơng đổi ở mức 15 m / s. Hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển mơ-men xoắn để duy trì tốc độ ở mức 1,2 pu. Cơng 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 mơ hình, nhấp chuột phải vào khối "DFIG Wind Turbine" và chọn "Look Under Mask" để xem
mơ hình được chế tạo như thế nào. Thời gian mẫu được sử dụng để phân biệt mơ hình (Ts = 50 micro giây) được chỉ định trong chức năng khởi tạo của thuộc tính mơ hình. Đối với tốc độ gió 15 m / s, cơng suất đầu ra của tuabin là 1 pu so với cơng suất định mức của nó, góc nghiêng là 8,7 độ.
3.2.2 Ngun tắc vận hành mơ hình
Hình 4.14 Khối năng lượng gió trong mơ hình
Wind tuabin: cơng 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 mơ 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 cơng suất định mức ở tốc độ này.
Hình 4.16 Thơng 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 Thơng 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, ngồi mấy phát DFIG, cài đặt thơng số cuả tuabin, còn cài đặt cho bộ converter bên trong máy phát Dfig, vì ngồi stator được nối trực tiếp lên lưới, tốc độ của roto thay đổi biến thiên phụ thuộc hồn tồn 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 đơi 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 cơng suất S = 2 MVA. Một tín hiệu Fault, phục vụ cho quá trình mơ phỏng tách lưới, khi tiến hành mơ 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 ( cơng 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
Mơ hình sử dụng song song nguồn xoay chiều 120kV và nguồn xoay chiều do Wind sản xuất ở đầu cịn lại. Máy biến áp 120/25kV cơng suất 47MW, nối sao-tam giác, giảm áp 120kV từ bus B120 xuống cịn 25kV, sau đó tiếp tục giảm áp thơng qua máy biến áp nếu phía hạ áp có tải, hiện tại, mơ hình khơng lắp tải, đây là trường hợp phịng khi cần mở rộng tải, do vậy, phụ tải chính trên mơ hình vẫn là Plant 2MW.
Trong mơ hình này, có hai thành phần được hiển thị đo đó là các tín hiệu liên quan đến lưới Grid và thành phần cịn lại là tuabin gió. Do vậy cần làm rõ cách vân hành từng thành phần riêng biệt, sau đó sẽ đi đến phần mơ 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 thơng 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 cơng 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 mơ 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 mơ 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 cơng 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, vơ 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