Vac Vref BĐK Vac (PI) Iqr-ref Bộ đo dịng điện Ir Idr-ref Idr BĐK dịng điện (PI) Vqr, Vqr, Bộ đo Vac Droop Xs Vs Bộ đo Q Is Vs Is Qs Qs-ref BĐK VAR (PI) VXs Pref BĐK Ps (PI) Đƣờng đặc tính điều chỉnh Tính tổn thất cơng suất ωr Bộ đo Ps Is, Ir Vs Is Ps Ploss ωr Igc Iqr
Chương 4. Hệ thống điều khiển tuabin giĩ - DFIG Khi đĩ ta cĩ: qsc qs qch V V V (4.16) dsc ds dch V V V (4.17)
Các chỉ số sc và ch lần lƣợt tƣơng ứng với bộ biến đổi phía stator và bộ lọc.
Các tín hiệu điện áp tại điểm nối Vqch2 và Vdch2 đƣợc xác định nhƣ sau:
qch2 c qsc s c dsc
V R I L I (4.18)
dch2 c dsc s c qsc
V R I L I (4.19)
Bên cạnh đĩ, các tín hiệu điện áp Vqch1 và Vdch1 đƣợc xác định bằng cách điều chỉnh dịng điện Iqsc và Idsc ở đĩ dịng điện đặt Iqsc-ref đƣợc đƣa trực tiếp trong khi Idsc-ref đƣợc xác định bởi bộ điều chỉnh điện áp DC. Do đĩ, các tín hiệu điện áp bộ biến đổi phía stator Vqsc và Vdsc đƣợc xác định nhƣ sau (nhƣ hình 4.6):
qsc qs qch1 qch 2 V V V V (4.20) dsc ds dch1 dch2 V V V V (4.21)
Từ đĩ ta cĩ sơ đồ khối hệ thống điều khiển GSC nhƣ hình 4.6:
Hình 4.5. Sơ đồ mạch điện tương đương của bộ lọc RL
Trong đĩ gồm:
- Hệ thống đo các giá trị dịng điện Iqsc, Idsc và giá trị điện áp Vdc. - Vịng điều khiển ngồi là bộ điều khiển điện áp DC (PI).
- Vịng điều khiển trong là bộ điều khiển dịng điện (PI).
Hệ thống đo sẽ đo giá trị dịng điện thứ tự thuận từ lƣới gồm hai thành phần Idsc và Iqsc.
Điện áp Vdc đƣợc so sánh với giá trị Vdc-ref và bộ điều khiển điện áp DC cĩ nhiệm vụ làm giảm sai lệch về giá trị khơng. Đầu ra của bộ điều khiển điện áp DC là Idsc-ref đƣợc so sánh với giá trị Idsc từ bộ đo dịng lƣới và đƣợc đƣa đến bộ điều khiển dịng điện nhằm làm giảm sai lệch dịng điện về khơng. Đầu ra của bộ điều khiển dịng điện này là giá trị Vdsc.
Iqsc-ref đƣợc so sánh với giá trị Iqsc từ bộ đo dịng lƣới và đƣợc đƣa đến bộ điều khiển dịng điện nhằm làm giảm sai lệch dịng điện về khơng. Đầu ra của bộ điều khiển dịng điện là giá trị Vqsc.
Điện áp Vdsc và Vqsc tƣơng ứng là giá trị điện áp Vgc theo trụ d và q trong hệ trục tọa độ dq đƣợc sinh ra bởi GSC.
4.4. Bộ điều khiển gĩc bƣớc răng
Hình 4.6. Sơ đồ khối bộ điều khiển GSC
Vdc-ref Vdc BĐK điện áp DC (PI) Iqsc-ref Bộ đo dịng điện Isc Iqsc Idsc-ref Idsc BĐK dịng điện (PI) Vsc (Vdsc, Vqsc)
Chương 4. Hệ thống điều khiển tuabin giĩ - DFIG
đƣợc hạn chế. Việc này cĩ thể đƣợc thực hiện bằng cách giảm hiệu suất của tuabin (giảm giá trị Cp). Nhƣ đã phân tích ở chƣơng 3, giá trị Cp cĩ thể đƣợc điều khiển bằng cách thay đổi gĩc bƣớc răng β (xem hình 3.8).
Gĩc bƣớc răng (β) đƣợc điều khiển tƣơng ứng với tốc độ giĩ thơng qua bộ điều khiển bƣớc răng.
- Khi tốc độ giĩ nhỏ hơn tốc độ định mức tƣơng ứng với tốc độ rotor của DFIG nhỏ hơn tốc độ định mức thì gĩc bƣớc răng đƣợc giữ bằng 00 và cơng suất của tuabin tăng theo độ tăng của tốc độ giĩ.
- Khi tốc độ giĩ lớn hơn tốc độ định mức tƣơng ứng với tốc độ rotor của DFIG lớn hơn tốc độ định mức (điểm D trên đƣờng đặc tính điều chỉnh) thì gĩc bƣớc răng đƣợc điều chỉnh tăng để giảm hiệu suất của tuabin (giảm giá trị Cp), tránh gây quá tải cho DFIG, và tuabin làm việc với cơng suất định mức.
Từ đĩ ta cĩ sơ đồ khối bộ điều khiển bƣớc răng nhƣ hình 4.7.
Hình 4.7. Sơ đồ khối bộ điều khiển bước răng
ωr ωD BĐK gĩc bƣớc răng (P) 00 βmax β
Chƣơng 5
MƠ PHỎNG HỆ THỐNG TUABIN GIĨ – DFIG
5.1. Giới thiệu chung
Trong chƣơng 5 đƣa ra sơ đồ và kết quả mơ phỏng hệ thống tuabin giĩ theo hƣớng đã phân tích. Cụ thể nhƣ sau:
- Kết quả mơ phỏng thể hiện đáp ứng của hệ thống tuabin giĩ – DFIG khi tốc độ giĩ thay đổi, khi tốc độ giĩ dƣới tốc độ định mức (12 m/s) thì gĩc bƣớc răng đƣợc điều chỉnh bằng khơng (β = 00
), cơng suất phát tăng dần lên giá trị phát định mức (9 MW) và khi tốc độ giĩ lớn hơn tốc độ định mức (12 m/s) thì gĩc bƣớc răng đƣợc điều chỉnh tăng dần (β >00) để giảm hiện suất Cp tránh quá tải cho máy phát, cơng suất phát đƣợc duy trì ở giá trị phát định mức (9 MW).
- Kết quả mơ phỏng hệ thống tuabin giĩ – DFIG thực hiện đƣợc đáp ứng của hệ thống tuabin giĩ – DFIG với các dao động điện áp trên lƣới (sụt áp, tăng áp) tƣơng ứng với hai mơ hình là điều chỉnh cơng suất phản kháng và điều chỉnh điện áp đầu ra của hệ thống tuabin giĩ. Khi vận hành hệ thống với mơ hình điều chỉnh cơng suất phản kháng thì cơng suất phản kháng đầu ra của hệ thống luơn đƣợc giữ là hằng số do đĩ khi cĩ dao động điện áp trên lƣới thì hệ thống khơng cĩ khả năng điều chỉnh ổn định điện áp. Với mơ hình điều chỉnh điện áp đầu ra của hệ thống tuabin giĩ - DFIG thì điện áp đầu ra của hệ thống luơn đƣợc điều chỉnh trong ngƣỡng cho phép thơng qua việc điều chỉnh cơng suất phản kháng của hệ thống, đây cũng là ƣu điểm của hệ thống tuabin giĩ - DFIG.
5.2. Sơ đồ mơ phỏng hệ thống tuabin giĩ - DFIG nối với lƣới
Chương 5. Mơ phỏng hệ thống tuabin giĩ - DFIG Hình 5.1 . Sơ đ ồ mơ ph ỏng h ệ th ống tuab in gi ĩ – DFIG n ối v ới lư ới
Hệ thống tuabin giĩ - DFIG cĩ cơng suất phát là 9 MW với 6 tuabin 1,5 MW nối với lƣới 120kV, tần số 50 Hz thơng qua hệ thống phân phối 25kV dài 30 km, một nhà máy cơng suất 2 MVA gồm một động cơ khơng đồng bộ (1,68 MW với hệ số cơng suất là 0,93) và một tải trở 200 kW đƣợc nối với đầu ra thanh cái B25 thơng qua máy biến áp 25/23 kV. Cả tốc độ giĩ và tải động cơ đều cĩ hệ thống bảo vệ giám sát các giá trị điện áp, dịng điện và tốc độ động cơ. Điện áp nhánh DC của DFIG cũng đƣợc giám sát.
5.2.1. Sơ đồ mơ phỏng hệ thống tuabin giĩ - DFIG
Hệ thống tuabin giĩ – DFIG gồm tuabin giĩ kết hợp với máy phát điện khơng đồng bộ nguồn kép (DFIG) và các bộ biến đổi. Tuabin giĩ nhận năng lƣợng giĩ để biên đổi thành cơ năng làm quay trục quay của DFIG từ đĩ chuyển thành điện năng phát vào lƣới. Tùy theo độ lớn của tốc độ giĩ so với tốc độ giĩ định mức mà hệ thống đƣợc điều khiển vận hành với các mơ hình khác nhau nhƣ đã phân tích
Chương 5. Mơ phỏng hệ thống tuabin giĩ - DFIG
5.2.2. Sơ đồ mơ phỏng tuabin giĩ
Hình 5.3. Sơ . Sơ đ ồ mơ ph ỏng tuabin giĩ
Sơ đồ mơ phỏng tuabin giĩ đƣợc xây dựng từ phƣơng trình (3.33) trong đĩ thể hiện rõ mối quan hệ giữa hiệu suất biến đổi năng lƣợng giĩ Cp , cơng suất cơ của tuabin Pm và mơmen cơ của DFIG Tm với gĩc bƣớc răng β.
5.2.3. Sơ đồ mơ phỏng hệ thống điều khiển tuabin giĩ - DFIG
Sơ đồ mơ phỏng hệ thống điều khiển tuabin giĩ - DFIG bao gồm các hệ thống điều khiển RSC, GSC và bộ điều khiển gĩc bƣớc răng β với các tín hiệu đầu ra tƣơng ứng là điện áp bộ biến đổi phía rotor, điện áp bộ biến đổi phía lƣới và gĩc bƣớc răng.
Chương 5. Mơ phỏng hệ thống tuabin giĩ - DFIG
5.2.4. Sơ đồ mơ phỏng hệ thống điều khiển RSC
Hình 5.5. Sơ . Sơ đ ồ mơ ph ỏng h ệ th ống đi ều khi ển RSC
Sơ đồ mơ phỏng hệ thống điều khiển RSC gồm các bộ điều khiển điện áp V, bộ điều khiển cơng suất phản kháng Q, bộ điều khiển cơng suất tác dụng P và bộ điều khiển dịng điện I. Tín hiệu ra của bộ biến đổi RSC là giá trị điện áp Vdq_RSC.
5.2.5. Sơ đồ mơ phỏng hệ thống điều khiển GSC
Sơ đồ mơ phỏng hệ thống điều khiển GSC gồm các bộ điều khiển điện áp nhánh DC, và bộ điều khiển dịng điện I. Tín hiệu ra của bộ biến đổi GSC là giá trị điện áp Vdq_GSC.
Chương 5. Mơ phỏng hệ thống tuabin giĩ - DFIG
5.2.6. Hệ thống bảo vệ tuabin giĩ - DFIG
Hệ thống bảo vệ tuabin giĩ – DFIG nhận tín hiệu điện áp và dịng điện thứ tự thuận từ thanh cái B575, điện áp nhánh DC và tốc độ quay của rotor làm tín hiệu để từ đĩ đƣa ra các tín hiệu bảo vệ và thời gian tác động.
Hệ thống bảo vệ tuabin giĩ gồm cĩ các bảo vệ quá dịng AC, quá áp AC, áp cực tiểu, mất cân bằng dịng điện, mất cân bằng điện áp, quá tốc độ, dƣới tốc độ.
Các thơng số đặt ngƣỡng tác động khi thực hiện mơ phỏng nhƣ sau: - Quá dịng điện AC tức thời: 10 pu
- Quá dịng AC thứ tự thuận: Imax = 1,1 pu. - Mất cân bằng dịng điện AC, I2/I1 max = 0,4. - Áp cực tiểu AC: Vmin = 0,75 pu.
- Quá áp AC thứ tự thuận: Vmax = 1,1 pu.
- Mất cân bằng điện áp AC thứ tự thuận: V2/V1 max = 0,05.
- Mất cân bằng điện áp AC thứ tự khơng: V0/V1 max = 0,05. - Quá áp DC: VDC max = 1900 VDC.
- Dƣới tốc độ: ωr min = 0,3 pu. - Quá tốc độ: ωr max = 1,5 pu.
Khi tuabin giĩ – DFIG cĩ sự cố tƣơng ứng với chức năng của hệ thống bảo vệ thì trong các ơ trống tƣơng ứng với chức năng đĩ sẽ chuyển trạng thái từ 0 lên 1 và thời gian tác động đƣợc hiện trong ơ thời gian tác động tƣơng ứng.
5.2.7. Sơ đồ biến đổi dữ liệu phía tuabin giĩ
Trong sơ đồ biến đổi dữ liệu phía tuabin giĩ, điện áp, dịng điện từ thanh cái B575 đƣợc đƣa qua các bộ khuếch đại và cuối cùng thu đƣợc đầu ra là điện áp và dịng điện thứ tự thuận V1_B575 và I1_B575 ở đơn vị pu, cơng suất tác dụng và cơng
suất phản kháng trung bình Pmean và Qmean trong hệ đơn vị cĩ tên. Điện áp và dịng điện thứ tự thuận đƣợc tính theo cơng thức sau:
2 1 a b c 2 1 a b c 2 1 V V a.V a .V 3 1 I I a.I a .I 3 (5.1)
Chương 5. Mơ phỏng hệ thống tuabin giĩ - DFIG
5.2.8. Sơ đồ biến đổi dữ liệu phía lƣới
Trong sơ đồ biến đổi dữ liệu phía lƣới, điện áp, dịng điện và tốc độ quay của động cơ điện trong nhà máy nối với lƣới là các giá trị đầu vào với đơn vị là pu và đầu ra là các biên độ điện áp lƣới, cơng suất tác dụng và cơng suất trung bình, tốc độ động cơ, điện áp và dịng điện thứ tự thuận cấp vào nhà máy. Các giá trị điện áp, dịng điện và tốc độ ở hệ đơn vị pu, các giá trị cơng suất đƣợc xác định trong hệ đơn vị cĩ tên.
5.3. Kết quả mơ phỏng
5.3.1. Đáp ứng của hệ thống tuabin giĩ - DFIG khi tốc độ giĩ thay đổi
Tốc độ giĩ tại thời điểm ban đầu đƣợc đặt là 8 m/s, tại thời điểm t = 5 s tốc độ giĩ tăng lên 14 m/s.
Kết quả mơ phỏng giá trị điện áp và dịng điện thứ tự thuận tại thanh cái B575, cơng suất phát, điện áp nhánh DC (Vdc), tốc độ rotor (ωr) và gĩc bƣớc răng (β) với mơ hình điều chỉnh cơng suất phản kháng “Var regulation” (hình 5.10) và mơ hình điều chỉnh điện áp “Voltage regulation” (hình 5.11).
Hình 5.10. Đáp ứng của hệ thống tuabin giĩ – DFIG khi tốc độ giĩ thay đổi
Chương 5. Mơ phỏng hệ thống tuabin giĩ - DFIG
Trong hình 5.10 và 5.11 ta nhận thấy rằng trong khoảng thời gian từ 0 – 5 s, tốc độ giĩ là 8 m/s, tốc độ rotor máy phát cĩ dạng đƣờng thẳng (ωr = 0,8 pu), cơng suất tác dụng của hệ thống tuabin cũng cĩ dạng đƣờng thẳng (P = 1,87 MW) và gĩc bƣớc răng β = 00. Tại thời điểm t = 5 s, tốc độ giĩ tăng lên 14 m/s kéo theo tốc độ rotor máy phát tăng lên 1,2 pu ở thời điểm 18 s, cơng suất tác dụng của hệ thống tuabin tăng lên 9 MW và gĩc bƣớc răng đƣợc điều chỉnh tăng lên (β = 0,80) để giới hạn cơng suất máy phát. Từ đĩ ta thấy rằng cơng suất hệ thống tuabin giĩ DFIG đƣợc điều chỉnh tƣơng ứng với đƣờng đặc tính điều chỉnh nhƣ đã chỉ ra ở hình 4.1.
Ở mơ hình điều chỉnh cơng suất phản kháng “Var regulation” với giá trị Qref = 0 Mvar ta thấy giá trị điện áp thanh cái B575 tăng lên 1,02 pu (hình 5.10) và hệ
Hình 5.11. Đáp ứng của hệ thống tuabin giĩ – DFIG khi tốc độ giĩ thay đổi
thống tuabin giĩ hoạt động với cơng suất tác dụng định mức và hệ số cơng suất đơn vị.
Nếu ta chuyển sang mơ hình điều chỉnh điện áp “Voltage regulation” (hình 5.11) ta thấy tại thời điểm t = 7 s, đặc tính cơng suất phản kháng của hệ thống tuabin giĩ – DFIG giảm (- 0,67 Mvar) do tốc độ giĩ tăng lên kéo theo điện áp đầu ra hệ thống tuabin tăng lên 1,02 pu và để điều chỉnh điện áp ở mức 1 pu thì DFIG khơng phát cơng suất phản kháng mà tiêu thụ một lƣợng cơng suất là 0,67 Mvar.
Trong cả hai mơ hình trên thì cơng suất tác dụng của hệ thống là khơng đổi. Nĩi cách khác là DFIG cĩ khả năng điều chỉnh cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng một cách độc lập. Đồng thời điện áp DC luơn đƣợc duy trì ở 1200 V.
Hình 5.12 và hình 5.13 thể hiện các giá trị điện áp lƣới và của nhà máy tƣơng ứng với hai mơ hình điều chỉnh cơng suất phản kháng “Var regulation” và mơ hình điều chỉnh điện áp “Voltage regulation”.
Chương 5. Mơ phỏng hệ thống tuabin giĩ - DFIG
Hình 5.12. Điện áp lưới và của nhà máy khi tốc độ giĩ thay đổi ứng với
Trong mơ hình điều chỉnh cơng suất phản kháng, điện áp tại thanh cái B575 tăng lên là 1,02 pu kéo theo điện áp trên thanh cái B25 và điện áp cấp cho nhà máy tăng lên là 1,01 pu (hình 5.12). Nhƣng nếu vận hành hệ thống tuabin giĩ – DFIG với mơ hình điều chỉnh điện áp, giá trị điện áp tại các thanh cái đều đƣợc đuy trì ở mức 1 pu nhờ hệ thống điều chỉnh tiêu thụ 0, 67MVar (hình 5.13).
5.3.2. Khi lƣới 120 kV bị sụt áp
Xét sự cố sụt áp trên lƣới 120 kV tại thời điểm t = 5 s, độ sụt áp là 0,15 pu và
Hình 5.13. Điện áp lưới và của nhà máy khi tốc độ giĩ thay đổi ứng với
Chương 5. Mơ phỏng hệ thống tuabin giĩ - DFIG
Khi hệ thống tuabin giĩ – DFIG đang vận hành với mơ hình điều khiển cơng suất phản kháng “Var regulation” với Qref = 0 Mvar, ta thu đƣợc kết quả mơ phỏng nhƣ hình 5.14.
Tại thời điểm t = 5 s, các giá trị điện áp sụt xuống cịn 0,85 pu và tại t = 5,24 s, hệ thống bảo vệ tác động cắt nguồn của nhà máy do điện áp thấp dƣới ngƣỡng cho phép (0,9 pu). Dịng điện của nhà máy giảm về khơng và tốc độ động cơ cũng