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 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 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, cơng 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 còn lại. Máy biến áp 120/25kV công 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 phòng 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. Cơng 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 cơng suất danh định ở hệ số cơng 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 mơ 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, cơng 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
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 "nơng trại"). Dịng 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 vơ 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 nơng 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 mơ 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 A 3.2.4 Phân bố trào lưu công suất lưới điện MicroGrid ở chế độ nối lưới
Sau khi kết nối mơ hình hồn chỉnh, các thơng số của mơ 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 mơ hình được thực hiện mơ 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 thái xác lập và bằng 1pu, giá trị của góc pha là 0deg để đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn điện áp, tần số và góc pha tại nút. Sau khi tính toán, giá trị của các thành phần đều nằm trong khoảng sai số cho phép và được kiên kết trên các bus với giá trị tương ứng.
Hình 4.29 Giá trị thực sau khi phân bố tại các nút cân bằng.
Tóm tắt cho power_wind_dfig: Luồng tải được hội tụ trong 1 lần lặp! Total generation
Total PQ load Total Z shunt Total ASM
Total losses 4.010736 -56.2869 Bảng 4.7 Tổng công suất phát, hao hụt, và tổng lượng PQ của hệ thống. 1 : *1* V= 1.002 pu/25kV -31.09 deg Generation PQ Load Z shunt *6* *7* 2 : *10* V= 0.999 pu/25kV -0.32 deg Generation PQ Load Z shunt *5* 3 : *2* V= 1.000 pu/120k V 0.00 deg, Swing bus Generation PQ Load Z shunt 4 : *3* V= 1.000 pu/120k V -0.03 deg Generation PQ Load Z shunt *2* *5* 5 : *5* V= 1.001 pu/25kV -30.23 deg Generation PQ Load Z shunt *10* *3* *7*
Bảng 4.8 Kết quả tính tốn phân bố trào lưu cơng suất lưới điện MicroGrid ở chế độ vận hành nối
lưới
CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết luận
Đề tài này đã triển khai xây dựng mơ hình hóa, mơ tả diễn biến của hệ thống trong thời gian, thời tiết thực tế, kiểm sốt lượng cơng suất tiêu thụ và sản xuất bao gồm cả khi hòa lưới và khơng hịa lưới, điều mà các nhà đầu tư quan tâm. Mô phỏng các chế độ vận hành hệ thống, chủ động tạo các sự cố có thể xẩy ra trên hệ thống để giám sát dạng sóng ngõ ra, phân bố trào lưu cơng suất, kiểm sốt được chất lượng hệ thống.
Đề tài là tiền đề để các báo cáo sau kế thừa và phát triển ở các dạng năng lượng tái tạo khác, những nội dung được khai thác trong bài nghiên cứu hoàn toàn mới và chưa được công khai ở nơi khác. Dự đốn, hiện thực hóa q trình vận hành, điều khiển và làm việc của dạng năng lượng tái tạo mới trước khi dự toán cho hệ thống và đưa vào đầu tư xây dựng, phát triển và nhận rộng mơ hình ngồi thực tế. Đồng thời, là cơ sở để các hãng sản xuất thiết bị chứng minh, thuyết phục thị trường tiêu thụ.
4.2 Hướng phát triển
Trong tương lai, và cả hiện tại, nguồn nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt và mơi trường cũng bị ảnh hưởng nghiêm trọng trong suốt quá trình sản xuất năng lượng điện theo những quy trình lâu năm gây ra, do vậy phát triển năng lượng sạch nói chung và đẩy mạnh mở rộng quy mơ của lưới Microgrid nói riêng là chủ đề đang đươc nhắm đến và quan tâm rất nhiều ngày nay.
Do quỹ thời gian hạn hẹp, đề tài nghiên cứu chỉ dừng lại ở hai dạng năng lượng tái tạo đang chiếm ưu thế trong thực tế hiện nay đó là năng lượng gió và mặt trời. Hướng phát triển của đề tài là phát triển thêm sự kết hợp đa dạng hóa về các dạng năng lượng tái tạo để tạo ra nguồn năng lượng dồi dào. Mơ phỏng thêm nhiều sự cố khác như thống qua hoặc sét đánh lan truyền đề quan sát ảnh hưởng của hệ thống đối với các yếu tố chất lượng điện năng, năng suất, độ tin cậy và an toàn cho phụ tải sử dụng. Ngồi ra, có thể phát triển theo hướng tính tốn phân bố cơng suất có xét đến hàm chi phí nhiên liệu trong chế độ độc lập hoặc chế độ nối lưới.
MỤC LỤC THAM KHẢO
[1] Báo cáo hiện trạng năng lượng tái tạo toàn cầu REN21 (Renewable Energy Policy Network for the 21st Century), GSR_2017_Highlights_VietNamese.
[2] E. M. Natsheh, A. Albarbar, Member, J. Yazdani. "Modeling and Control for Smart Grid Integration of Solar/Wind Energy Conversion System". IEE.
[3] Sanjeev K Nayak & Gaonkar.DN. "|Modeling and Performance Analysis of Microturbine Generation System in Grid Connected/Islanding Operation". International journal of renewable energy research, Sanjeev K Nayak et al, Vol.2. No.4.
[4] T. Morstyn, B. Hredzak, G. D. Demetriades and V. G. Agelidis, "Unified Distributed Control for DC Microgrid Operating Modes" in IEEE Transactions on Power Systems, vol. 31, no. 1, pp. 802-812, Jan. 2016.
[5] Lê Kim Anh, "Mơ hình điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện
đồng bộ nam châm vĩnh cửu", Tạp chí Khoa học (Trường Đại học Trà Vinh), số 14.
[6] Timothy L. Skvarenina (2001). The Power Electronics Handbook (Industrial
Electronics ), 1 edition (20 November 2001), CRC Press.
[7] Phạm Minh Pha, Phan ThịThanh Bình (2018). Phương pháp hoạch định sa thải phụ
tải kết hợp mức độ ưu tiên và quy tắc talmud trong microgrid ở chế độ tách lưới. Tài
liệu thư viện số trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM.
[8] automation.net.vn_Luoi-dien-sieu-nho-luoi-dien-nho-va-du-lieu-lon-tuong-lai-cua- dien-luoi.html
[9] David WenzhongGao (2015). Energy Storage for Sustainable Microgrid, Elsevier, USA.
[10] Ivan Patrao, Emilio Figueres, Garcera, Raul Gonzalez-Medina. MicroGrid architectures for low voltage distributed generation. Renewable and Sustainable Energy Review. 43, pp. 415-424, 2015.
[11] David Bakken (2014). Smart Grids: Clouds, Communications, Open Source, and
Automation, CRC Press, USA.
[12] Nguyễn Đình Duy(2017). Lược sử Solid-State-Transformer.
<https://www.facebook.com/notes/duy-dinh-nguyen/l%C6%B0%E1%BB%A3c- s%E1%BB%AD-solid-state-transformer/505968136419045/>.
[13] Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9729-3:2013 (ISO 8528-3:2005) về Tổ máy phát điện xoay chiều dẫn động bởi động cơ đốt trong kiểu pit tông – Phần 3: Máy phát điện xoay chiều cho tổ máy phát điện.
[14] Lý Cơng Ngun (2013). Khảo Sát Thuật Tốn Dõ Tìm Điểm Cơng Suất Cực Đại
(MPPT) và bộ chuyển đổi DC-DC, DC-AC, Luận án Thạc sĩ, Trường Đại Học Sư
Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM.
[15] Pandiarajan, N., & Muthu, R. (2011). Mathematical modeling of photovoltaic module with Simulink. 1st International Conference on Electrical Energy Systems (ICEES).