Nghiên cứu hệ thống phát điện gió – diesel nhằm nâng cao mức thâm nhập điện gió với lưới cô lập

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LÊ THÁI HIỆP

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN GIÓ – DIESEL NHẰM
NÂNG CAO MỨC THÂM NHẬP ĐIỆN GIÓ VỚI LƯỚI CÔ LẬP

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 62520202

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

HÀ NỘI - 2015


Công trình này được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hư ng d n khoa học: 1. PGS.TS. LÊ VĂN DOANH
2. TS. NGUYỄN THẾ CÔNG

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trư c Hội đồng chấm luận án tiến sĩ
cấp trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Vào hồi ….. giờ, ngày … tháng…. năm ……….

C th tìm hi u luận án tại thư viện:

1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam

 ii 




1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Các hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo đã và đang phát triển ở vùng
sâu, vùng xa, hải đảo1, những nơi mà sự phát triển lưới điện quốc gia không khả thi
về mặt kinh tế [15,42,61,65]. Ở Việt Nam có rất nhiều đảo có điều kiện tương tự như
những vùng đã lắp đặt hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trên thế giới [78].
Chính phủ đã ban hành nhiều chính sách định hướng và hỗ trợ cho sự phát triển
điện gió, điển hình: Quyết định số 37/2011/QĐ–TTg, 1208/2011/QĐ–TTg. Như vậy,
phát triển các hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel là rất cần thiết và phù hợp với
xu hướng chung của thế giới.
2. Tình hình nghiên cứu về hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel
trong lưới cô lập
2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Đã có nhiều công trình nghiên cứu quan tâm đến việc lựa chọn hệ thống phát điện
hỗn hợp gió – diesel tối ưu. Tính toán tối ưu xác định số lượng tuabin gió và loại
tuabin gió để lắp đặt cho nhiều khu vực được kết nối với nhau thành một hệ thống
[47]. Tuy nhiên nghiên cứu này không tính toán cho lưới cô lập. Bên cạnh đó, các
nghiên cứu [28,29] cũng đã tính toán được số lượng tuabin gió phù hợp trong hệ này.
Tuy nhiên các nghiên cứu [28,29] chỉ tính toán cho một loại tuabin gió, chẳng hạn
loại 600kW trong [29]; loại 1500kW trong [28]. Cá biệt, có nghiên cứu chỉ tính toán

lựa chọn một tuabin gió vận hành cùng một máy phát điện diesel [43]. Chương trình
tính toán trong các nghiên cứu [28,29] dùng để tính toán cho cả vòng đời của dự án,
chứ không phải là chương trình tính toán theo vận hành. Như vậy, cách giải quyết vấn
đề ở các nghiên cứu này không phù hợp cho việc tính toán thiết kế một trạm điện gió
mới cho các đảo ở nước ta.
Các nghiên cứu [85,87] đều nghiên cứu về tối ưu chế độ vận hành của hệ thống
phát điện hỗn hợp gió – diesel, nhưng có thiết bị phụ trợ.
Các nghiên cứu [37,40,41] đã đánh giá chỉ số hiệu năng của hầu hết các công nghệ
lưu trữ năng lượng. Từ đó, bình áp suất dùng để lưu trữ năng lượng được áp dụng vào
hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel cấp nguồn cho một khu dân cư. Trong trường
hợp phụ tải đỉnh là 851 kW thì giảm tiêu hao nhiên liệu 27%; trong trường hợp áp
dụng cho phụ tải 5 kW thì giảm tiêu hao nhiên liệu là 98% [37,38,39,40].
Sử dụng cuộn siêu cảm làm kho từ trong lưới cô lập với tải 650 kW cho chất lượng
tần số cũng như chất lượng công suất tương đối tốt [84].
Hiện nay, việc tích hợp khớp ly hợp điện từ (EMC) vào tuabin gió cũng mới chỉ
được đề xuất trong các nghiên cứu [70,71,72]. Tuy nhiên các nghiên cứu này chỉ
nhằm mục đích khẳng định tuabin gió loại máy phát đồng bộ nối trực tiếp với lưới
được tích hợp EMC có chất lượng điện năng tương đương với các loại tuabin gió có
tốc độ thay đổi hiện nay.

1

Trong quyển luận án này, để tránh trùng lặp quá nhiều từ “vùng” từ đây trở về sau cụm từ “vùng sâu, vùng xa, hải
đảo” sẽ được viết ngắn gọn là “vùng cô lập”.




2

2.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam
Hầu hết các nghiên cứu ở Việt Nam đều về vấn đề điều khiển tuabin gió sử dụng
máy phát không đồng bộ cấp nguồn từ hai phía (DFIG). Nghiên cứu phương pháp
điều khiển máy phát loại DFIG trên cơ sở: các thuật toán điều chỉnh đảm bảo phân ly
giữa momen và hệ số công suất [10,11]; các thuật toán phi tuyến trên cơ sở kỹ thuật
Backstepping [1,2]; phương pháp tựa theo thụ động Euler-Lagrange và luật
Hamiltonian [6]; điều khiển bám lưới [17]. Bên cạnh đó, cũng có các nghiên cứu để
đảm bảo chất lượng điện năng của DFIG: điều chỉnh ổn định điện áp [18]; khử sai
lệch tĩnh trên cơ sở các thuật toán phi tuyến theo kỹ thuật Backstepping [3]; điều
khiển dòng thích nghi bền vững trên cơ sở kỹ thuật Backstepping [4]. Ngoài ra, để
tuabin gió có thể hỗ trợ lỗi lưới không đối xứng và sập lưới đối xứng, nghiên cứu
[13] đã phân tích và đề xuất phương pháp tựa thụ động cho DFIG.
Điều kiện gió và khí hậu của Việt Nam có những đặc điểm riêng, do đó cần có
thiết kế tuabin gió phù hợp. Do đó nghiên cứu [12] đã thiết kế và chế tạo máy phát
điện gió công suất 10–30kW. Tuy nhiên kết quả vận hành còn chưa phù hợp với điều
kiện khí hậu ở Việt Nam.
Nghiên cứu [19] đã đề nghị với lưới cô lập nên lắp đặt loại tuabin gió sử dụng máy
phát không đồng bộ roto lồng sóc (SCIG – Squirrel Cage Induction Generator) hoặc
máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG – Permanent Magnet Synchronous
Generator). Tuy nhiên nghiên cứu [19] chỉ khẳng định SCIG và PMSG tốt hơn DFIG
mà chưa có mô phỏng hoặc thực nghiệm kiểm chứng. Nghiên cứu này cũng chưa xác
định được sẽ sử dụng tuabin gió công suất bao nhiêu và lắp đặt bao nhiêu tuabin gió.
Các nghiên cứu [19,60] đã thống kê chi tiết về tính năng của từng loại thiết bị phụ
trợ, phân tích và đề xuất sử dụng máy phát điện diesel tải thấp để nâng tỷ lệ thâm
nhập điện gió lên 70%Pt mà vẫn đảm bảo ổn định tần số.
Nghiên cứu [32] đã mô phỏng chế độ vận hành theo hướng sử dụng tối đa năng
lượng gió trên Matlab với hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel không có thiết bị
phụ trợ trong lưới cô lập. Tuy nhiên nghiên cứu này chưa quan tâm đến phân bố công
suất phản kháng cho điện gió và điện diesel, cũng như chưa kể đến giới hạn làm việc
của từng máy phát, chưa thể hiện tỷ lệ thâm nhập điện gió phù hợp.

3. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
Đối với hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập thì hai chỉ tiêu
quan trọng là chất lượng điện năng2 và tỷ lệ thâm nhập điện gió. Hai tiêu chí này tỷ lệ
nghịch với nhau trong vùng có tỷ lệ thâm nhập điện gió cao. Do vậy, cần có phương
pháp vận hành phù hợp để tối đa hóa tỷ lệ thâm nhập điện gió mà vẫn đảm bảo chất
lượng điện năng. Đây chính là mục đích nghiên cứu của luận án.
Qua phân tích tình hình nghiên cứu về hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel
trong lưới cô lập cho thấy còn một số vấn đề chưa được giải quyết trọn vẹn, kết hợp
với mục tiêu vừa trình bày thì luận án tập trung giải quyết các nhiệm vụ sau:
● Nghiên cứu điều kiện vận hành ổn định hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel
trong lưới cô lập hoàn toàn không có thiết bị phụ trợ.

2

Chỉ tiêu chất lượng điện năng được nghiên cứu trong luận án chỉ giới hạn ở hai tiêu chí là độ lệch điện áp và độ
lệch tần số.
2




3

● Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả khai thác điện gió mà vẫn đảm bảo chất
lượng điện năng và vận hành ổn định đối với hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel
trong lưới cô lập.
● Nghiên cứu xác định loại và số lượng tuabin gió (lắp đặt mới) phù hợp với trạm
điện diesel đã có ở vùng cô lập nhằm đạt được hiệu quả khai thác điện gió cao nhất.
4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Tập trung nghiên cứu về tuabin gió sử dụng DFIG kết nối

với các máy phát điện diesel trong lưới cô lập. Đối tượng cụ thể trong các khảo sát
được lựa chọn là hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel ở đảo Phú Quý.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu phương pháp tính toán và giải pháp vận hành
nhằm đạt tỷ lệ thâm nhập điện gió lớn nhất đối với hệ thống phát điện hỗn hợp gió –
diesel đã có. Đồng thời cũng nghiên cứu phương pháp tính toán để xác định được
trạm điện gió phù hợp với trạm điện diesel đã có ở vùng cô lập.
5. Phương pháp nghiên cứu
● Thu thập và tổng hợp các tài liệu về hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel.
● Thiết lập mô hình toán cho các giải pháp nhằm nâng cao tỷ lệ thâm nhập điện
gió của hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel không có thiết bị phụ trợ trong lưới
cô lập;
● Ứng dụng mô hình toán đã đề xuất cho đối tượng cụ thể là hệ thống phát điện
hỗn hợp gió – diesel ở đảo Phú Quý;
● Mô phỏng kiểm nghiệm các giải pháp đề xuất trên phần mềm chuẩn (như
MatLab, PSS/adept), kết quả thu được từ mô phỏng sẽ so sánh với số liệu thực tế để
đánh giá hiệu quả của các đề xuất.
6. Nội dung và bố cục luận án
Ngoài các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày
trong 5 chương kết hợp với phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị và Phụ lục. Cụ thể:
Chương 1. Tổng quát về hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập.
Chương 2. Mô hình hóa hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel.
Chương 3. Nghiên cứu tính ổn định của hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel
với lưới cô lập.
Chương 4. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống phát điện hỗn hợp gió
– diesel trong lưới cô lập.
Chương 5. Nghiên cứu xác định trạm điện gió phù hợp với trạm điện diesel đã có ở
vùng cô lập.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án
Về khoa học: Luận án đã xây dựng cấu trúc điều khiển chung và thuật toán vận
hành phù hợp cho hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel không có thiết bị phụ trợ

trong lưới cô lập nhằm nâng cao mức thâm nhập điện gió. Bên cạnh đó, luận án cũng
đã xây dựng phương pháp tính toán xác định loại và số lượng tuabin gió phù hợp với
trạm điện diesel đã có ở vùng cô lập. Đây là cơ sở khoa học vững chắc cho ứng dụng
hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong thực tiễn. Bên cạnh đó luận án sẽ là
một tài liệu có ích cho học tập và làm cơ sở cho các nghiên cứu khác.
Về thực tiễn: Kết quả nghiên cứu được tính toán để áp dụng thực tế cho hệ thống
phát điện hỗn hợp gió – diesel ở đảo Phú Quý và các vùng tương tự.
3




4

Chương 1. TỔNG QUÁT VỀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN HỖN HỢP
GIÓ – DIESEL TRONG LƯỚI CÔ LẬP
1.1. Đặt vấn đề
Chương này giới thiệu khái quát về điện gió ở các vùng cô lập. Đồng thời tập trung
phân tích các tính năng kỹ thuật của hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong
lưới cô lập.
380 V
1.2. Ứng dụng điện gió ở vùng cô lập
0,69/22 kV
Tải
22 kV
22kV
Hệ thống phát điện gió kết hợp diesel
thích hợp cho các vùng cô lập là những nơi
472
472

471
471
mà sự mở rộng lưới điện quốc gia đến đó sẽ
rất tốn kém.
Tải
Ở Việt Nam đã có một số hệ thống phát
Trạm điện diesel
Trạm điện gió 3x2 MW
6x0,5 MW
điện sử dụng năng gió kết hợp với điện
Hình 1.4b Hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel
diesel. Trong số đó chỉ còn hệ thống phát
trên đảo Phú Quý.
điện hỗn hợp gió – diesel ở đảo Phú Quý
(Hình 1.4b [5]) đang vận hành và có tính chất tiêu biểu hơn (quy mô lớn nhất và hiệu
quả nhất), nên luận án chọn làm đối tượng chính cho các tính toán và phân tích cũng
như so sánh.
1.3. Khái quát về tuabin gió và máy phát điện diesel
Cấu trúc tuabin gió và máy phát điện diesel trình bày trên Hình 1.15 và 1.17.
1.4. Điều khiển hệ thống
Lưới
điện
u
phát điện hỗn hợp gió –
i
u
diesel
u
V
u

i
Điều
Với hệ thống phát điện hỗn
Điều khiển Thời gian đáp ứng
Điều khiển
Điều khiển
khiển
RSC
GSC
khoảng mili giây
cấp 1
bảo vệ
hợp gió – diesel trong lưới cô lập
β
P
Q
u
Q
ω
Điều khiển Thời gian đáp ứng
Điều khiển cả tuabin gió
cấp 2
khoảng giây
thường được điều khiển theo ba
P
Q
Điều
khiển
Thời
gian đáp ứng

cấp khác nhau như Hình 1.20.
Điều khiển cả trạm điện gió
cấp 3
khoảng phút
hoặc cả hệ thống điện
Trong nghiên cứu [35] còn phân
U, f, cosφ
cấp mili giây. Chức năng cụ thể Hình 1.15 Cấu trúc tổng thể hệ thống điều khiển và bảo vệ tuabin gió
kiểu DFIG [36,64].
của các cấp như sau:
P
Q
Lưới điện
AVR
● Điều khiển cấp I, đây là cấp
Điều khiển
U
chung
Điều
khiển
ω
điều khiển trực tiếp tại từng
U
Điều tốc
I
nguồn phát, có cấu trúc tổng quát
ω
Nhiên liệu
CLQ
I

như Hình 1.19. Chức năng điều
Van
Động cơ diesel
khiển theo đặc tính độ dốc được
SG
SG
Máy phát
Máy phát
sử dụng để chia sẻ công suất
kích từ chính kích từ phụ
Hình 1.17 Cấu trúc cơ bản của máy phát điện diesel [31].
nhằm điều chỉnh các thông số
f
P
P
điện áp và tần số một cách tức
Điều
k
khiển P
∆P P
f
thời khi các thông số này có thay
∆f
Điều khiển
Lưới
theo hệ
điện
đổi. Riêng đối với tuabin gió thì
U ∆U
Điều

trục d-q
∆Q Q
k
Nguồn
khiển Q
bao gồm điều khiển cấp 1 và cấp
công suất
Q
U
Q
2 (thể hiện trên Hình 1.15).
Hình 1.19 Sơ đồ điều khiển theo đặc tính độ dốc khi có thay đổi tần
DFIG

iabcs

Hộp số

abcs

abcw

iabcw

abcr

Gió

dc

dc

sref

r

sref

dcref

wref

dsref,

abcg

gref

wref

dsref

ref

ref

kt2

kt1

PMSG

N

0

FP

ref

ref

UQ

N

0

số, điện áp [45].
4




5

● Điều khiển cấp II thực
Trạm điện gió
P
ĐK

hiện điều chỉnh các thông
P
ĐK
P
-P
Q
ĐK – Điều khiển
P
số điện áp và tần số theo
Q
cấp I: điều khiển
ĐK P
ĐK
đặc tính độ dốc của nguồn
cấp thiết bị tại hiện
Q
Lưu trữ
trường;
phát khi các thông số này
ĐK – Điều khiển
Tải giả
ĐK
P
vượt quá giới hạn của tiêu
cấp II: điều khiển
Q
P’
ĐK
P
cấp trạm điện hoặc

chuẩn vận hành do các biến
Q
nhà máy điện;
ĐK
động lớn của phụ tải. Bên
P
ĐK – Điều khiển
ĐK
cấp III: điều khiển
cạnh đó cấp điều khiển này
Q
cả hệ thống.
cũng thực hiện việc phân
chia phụ tải một cách cân
Tải
Trạm điện diesel
Hình 1.20 Cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel.
đối cho từng nguồn phát cụ
thể. Vì thực tế các máy phát trong trạm phát điện có đặc tính không hoàn toàn giống
nhau nên dẫn đến sự tự phân chia phụ tải sẽ không bằng nhau. Thời gian đáp ứng của
cấp điều khiển này thường tính bằng phút.
● Điều khiển cấp III bao gồm các phương thức sản xuất điện tối ưu dựa trên các số
liệu dự đoán phụ tải cũng như dự đoán về tốc độ gió kết hợp với những số liệu đo đạt
hiện tại. Ở cấp này điều chỉnh hệ thống theo chế độ vận hành đã xếp đặt trước một
ngày hoặc nhiều giờ. Đồng thời cũng điều chỉnh hỗ trợ để các thông số điện áp và tần
số trên lưới quay về trong giới hạn của tiêu chuẩn vận hành. Thời gian đáp ứng của
cấp điều khiển này thường mất nhiều phút.
Vấn đề phân cấp điều khiển hệ thống phát điện gió – diesel được trình bày trên đây
là những tổng hợp cơ bản từ các nghiên cứu [25,35,45,88]. Các phân tích cụ thể hơn
về vấn đề này có thể tìm thấy trong các công trình nghiên cứu vừa nêu.

Mặc dù được điều khiển với nhiều phương pháp và nhiều cấp, nhưng thực tế vận
hành hệ thống phát điện hỗ hợp gió – diesel trên thế giới còn nhiều hạn chế nên dẫn
đến tỷ lệ thâm nhập điện gió còn khá thấp. Do vậy cần có nghiên cứu chuyên sâu cho
từng điều kiện cụ thể hoặc từng phạm vi công suất cụ thể.
1.5. Vận hành hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesl
Trong hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel với lưới cô lập thì hai chỉ tiêu chất
lượng điện năng và mức thâm nhập điện gió tỷ lệ nghịch với nhau trong vùng có mức
thâm nhập điện gió cao. Các thông số đặc trưng cho chất lượng điện năng mà luận án
quan tâm là điện áp và tần số. Kết quả khảo sát được đối chiếu với Quy định của Bộ
công thương (32 /2010/TT–BCT ngày 30 tháng 7 năm 2010).
1.6. Tổng kết chương
Hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel được xem xét và phân tích, qua đó nhận
thấy đây là hệ thống phù hợp với các vùng cô lập. Trong hệ thống này các tuabin gió
đóng vai trò quan trọng và cần được khai thác hết khả năng để tận dụng tài nguyên
gió tự nhiên.
Trong chương này tổng kết một cách cơ bản về hệ thống phát điện hỗn hợp gió –
diesel trong lưới cô lập. Đồng thời phân tích các đặc tính kỹ thuật của tuabin gió sử
dụng DFIG và đặc tính của máy phát điện đồng bộ trong trạm điện diesel. Bên cạnh
đó cũng phân tích cơ bản về cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện hỗn hợp gió diesel. Đây là cơ sở cho các phân tích, khảo sát và tính toán ở các chương sau.
*

3II

I

*

3

P*3III

1II
*
1II

1

3

II

1

I

*

II

1III
*
1III

P’*3II

I

*

*

2II
*
2II

2III
*
2III

II

I

III

3

II

2

I

2

5

III



6

Chương 2. MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN HỖN HỢP
GIÓ – DIESEL
2.1. Đặt vấn đề
Mục tiêu của chương này là xây dựng mô hình toán cho các giải pháp nhằm khai
thác tối đa nguồn năng lượng gió mà vẫn đảm bảo hệ thống phát điện hỗn hợp gió –
diesel vận hành ổn định. Vấn đề vận hành hệ thống như vậy cần xét đến các ràng
buộc về: giới hạn kỹ thuật của thiết bị, đặc tính kỹ thuật của các nguồn, khả năng vận
hành ổn định của hệ.
2.2. Mô hình toán các nguồn điện
jX’σr

jXσs

Rs

Is

R'r/s

Zth

I’r

jXdsdb

Is

Us

Φds0

Ikt

Io
U'r/s

jXm

Eth

Ids

Eds0

Us

Uds

Hình 2.9a Sơ đồ mạch
tương đương một pha của
máy phát đồng bộ (SG).

(a)
(b)
Hình 2.1 Sơ đồ mạch tương đương dạng một pha của DFIG.
(a) Sơ đồ mạch chi tiết [58]; (b) Sơ đồ mạch chuyển đổi Thevenin.

Các máy phát điện dùng trong hệ thống phát điện hỗn hợp gió - diesel có sơ đồ
mạch tương đương như Hình 2.1 và 2.9a.
2.3. Các điều kiện ràng buộc trong vận hành
Quá trình tính toán vận hành phải thỏa mãn các điều kiện trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1 Điều kiện vận hành
Điều kiện
Ghi chú
Cân bằng công suất (đk1)
P1+P2=Pt
1, 2, t – là các ký hiệu thể hiện các thông số của trạm điện gió, trạm điện
Q1+Q2=Qt
diesel, tổng phụ tải của lưới.
Giới hạn phát công suất (đk2)
Giới hạn phát công suất của máy phát điện diesel [5,19,60]
Pdsmin≤ Pds ≤ Pdsmax
ds – ký hiệu thể hiện các thông số của máy phát điện diesel;
Pdsmin=33% PdsN
Các chỉ số dưới: min, max, N lần lượt thể hiện các thông số cực tiểu, cực
Sds ≤ SdsN
đại, định mức.
CosφdsN = 0,8
SdsN – công suất biểu kiến định mức của máy phát điện diesel
Giới hạn phát công suất của máy phát điện gió [19,60,81]
Pwmin ≤ Pw ≤ PwN
w – ký hiệu thể hiện các thông số của tuabin gió.
Pwmin = 0,25 PwN
Khi tốc độ gió (V) nhỏ hơn 17,8m/s;
Pwmin = (0,25+0,02(V–17,8)) PwN
Khi tốc độ gió từ 17,8m/s đến 25m/s.

CosφwN = 0,98
Đặt công suất dự trữ quay cho hệ thống điện (đk3)
Pdpmin ≤ Pdp
Pdp – công suất dự trữ quay của hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel;
Pdpmin = max(Pbapt_i)
Pbapt_i – công suất trạm biến áp 22/0,4kV của phụ tải thứ i.
Điều kiện ổn định (đk4): Đảm bảo ổn định với dao động bé và đảm bảo ổn định quá độ.

2.4. Mô hình toán của các chế độ vận hành
♦ Sơ đồ hệ thống điện hỗn hợp gió – diesel ở vùng cô lập
Q 690 V

22 kV

22 kV

P1
Q1
E1

YNyn0

YNyn0
Trạm điện gió

380 V

Pt

Trạm điện diesel

Hình 2.10 Sơ đồ đơn giản hóa hệ thống điện hỗn hợp gió
– diesel.

P1t
jXf1

jXb1

U1’

P2t
Q2t

Q1t

1’
Zd1

3
U=U3

2’
Zd2

U2’

jXb2

jXf2

P2
Q2
E2

St=Pt + jQt

Hình 2.11 Sơ đồ mạch đơn giản hệ thống điện hỗn hợp
gió – diesel.

6




7

Luận án phân tích và khảo sát trên cơ sở hệ thống điện hỗn hợp gió – diesel ở vùng
cô lập có cấu trúc như Hình 2.10. Đường dây 22kV thường có điện dung đường dây
không đáng kể, nên ở đây không xét. Tụ bù Q cung cấp vừa đủ công suất phản kháng
cho máy phát điện gió, nên không xét đến ảnh hưởng trong hệ thống. Như vậy, sau
khi tương đương hóa các nguồn phát thì trong hệ thống khảo sát chỉ bao gồm các
thông số chính như Hình 2.11.
♦ Ổn định tĩnh của hệ thống khi có dao động bé
Tiêu chuẩn Lyapunov đánh giá chính xác tính ổn định của hệ thống, nhưng khó
theo dõi sự ảnh hưởng của các thông số đến tính ổn định của hệ thống. Nên trong
luận án áp dụng thêm tiêu chuẩn Gidanov để khảo sát.
♦ Mô hình toán ổn định quá độ của hệ thống
Bài toán khảo sát ổn định quá độ của hệ thống hỗn hợp điện gió – diesel được xét
với trường hợp sự cố ngắn mạch ba pha trên đường dây truyền tải. Các công thức

biểu diễn quá trình quá độ do sự cố ngắn mạch được trình bày cho phía trạm điện
diesel.
Trong khảo sát ở đây bỏ qua sự thay đổi do bộ bảo vệ DFIG. Khảo sát thỏa mãn ổn
định với trường hợp này sẽ đảm bảo ổn định với trường hợp có bảo vệ.
Hệ phương trình mô tả đặc tính truyền tải: (2.103), (2.104), (2.106) tương ứng với
chế độ xác lập trước khi có sự cố, chế độ xác lập sau khi cắt ngắn mạch, chế độ ngắn
mạch đường dây gần máy phát. Phương trình vi phân của quá trình quá độ (2.107),
(2.108).
I
2
P2  E 2 y 23 sin  23  E 2 U y 23 sin (  2   23 )
(2.103)
II
2 II
II
II
II
P2  E 2 y 23 sin  23  E 2 U y 23 sin (  2   23 )
(2.104)
Gọi P2II2  E 22 y 2II3 sin  2II3
(2.105) P2III  E 2 U y III23 sin  2  P2IIIm sin  2
(2.106)
d 2
2

TJ 2

dt

2

III

 P20  P2 khi 0  t  t c

II
t  tc

 P20  P2 khi

d 2
2

(2.107)

TJ 2

dt

2

 P20  P2  0 khi t  0
I

(2.108)

Gọi δc là góc lệch roto tại thời điểm cắt ngắn mạch. Góc này xác định từ phương
trình quá độ trong ngắn mạch kết hợp với điều kiện đầu δ0 và khoảng thời gian cắt
ngắn mạch tc.
Công của momen thừa làm tăng góc lệch roto từ δ20 đến δ2c:


III
(2.109)
A ng1   (P20  P2 m sin  2 )d  2

2c

20

Công hãm tối đa khi góc δ2 tăng đến δ2gh:
A ng 3   

 2 gh
2 c

P

20

 (P22  E 2 U y 23 sin (  2   23 )) d  2
II

II

Với δ2gh là giá trị tối đa mà góc
δ2 có thể quay về điểm cân bằng.
Điều kiện để hệ ổn định quá độ
là Ang1 ≤ Ang3 [9,59]. Để tìm thời
gian cắt tới hạn tcc, luận án khảo
sát tại giới hạn ổn định quá độ

(Ang1=Ang3).
2.5. Đề xuất thuật toán và
cấu trúc điều khiển nhằm

(2.110)

II

Tốc độ gió

Điều khiển

Tính toán Nw , Nds ,
Pw, Qw, Pds, Qds

Máy phát
điện gió

Điều chỉnh công
suất của các máy
phát điện gió và
diesel

Máy phát
điện diesel

Đo
thông số
hệ thống
U, I, f,

Pt…

Điều khiển

Hình 2.16 Sơ đồ thể hiện mối liên hệ giữa việc tính toán và điều
chỉnh hệ thống.
7




8

nâng cao mức thâm nhập điện gió
Bắt đầu
Sơ đồ khối thể hiện quá trình thu thập số liệu,
Đúng
Không phát điện
P tính toán số tuabin gió, số máy diesel vận hành và
Sai
Tra tìm P
,P
công suất của chúng, cũng như thiết lập lại cho hệ
theo vận tốc gió
Không
phát
điện
thống (thể hiện trên Hình 2.16). Trong Hình 2.16,
Đúng

gió. Tính số máy
P +P
phát diesel thỏa
w và ds là các ký hiệu thể hiện các thông số của
P ≥P
Sai
tuabin gió và máy diesel; ký hiệu N là số máy phát


tham gia vận hành.
Đúng
k = Số tuabin
k > Số tuabin
2.5.1. Thuật toán tính toán công suất và số
Sai
N =k
máy phát
P ≥P
Đúng Đúng
Sai
Lưu đồ thuật toán để tính toán thông số vận
Q ≥Q
k <0
hành hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel theo
Sai
hướng phát cực đại công suất trạm điện gió như
Hình 2.17. Trong đó, hàm roundup() là hàm làm
k =k -1
Tính lại N thỏa mãn

tròn lên giá trị nguyên lớn hơn kề giá trị thực đang
P ≥P
và P ≥ P
có.
Sai
Khi trên lưới có biến động công suất hoặc sự sụt
N ≥1
Đúng
giảm tốc độ gió đột ngột thì các máy phát điện
P
≤P ≤P
Sai
diesel sẽ đáp ứng để cân bằng công suất. Sau đó
N *P
+N *P
≤P
Đảm bảo ổn định
các kết quả đo sẽ được đưa vào tính toán công suất
Đúng
thực trên lưới, khả năng phát của trạm điện gió và
Nhận kết quả lần tính thứ k
xác định số lượng máy phát cũng như công suất
Kết thúc
phát của các máy trong hai trạm điện. Hệ thống
Hình 2.17 Lưu đồ tính toán phát cực đại
điều khiển sẽ tiến hành thay đổi điểm đặt công
công suất trạm điện gió.
suất từ từ tiến đến thông số đã tính, cũng như thêm
hoặc giảm số máy phát trong một khoảng thời gian
phù hợp. Như vậy sau một khoảng thời gian ngắn hệ thống sẽ tiến đến điểm làm việc

mới với lượng phát công suất của trạm điện gió là cực đại.
2.5.2. Thuật toán điều chỉnh công suất đặt của các máy phát
t

dsmin

wmin

t

dp

wmax

wmin

dsmin

dpmin

k w  roundup Pt / Pw min

w

w

w

w

w

1

t

1

t

 Q  Q1
N d s  roundup  t
 Q
d s m ax


w





w

ds

dp

dpmin

ds

dsmin

w

wmin

ds

w

dsmin

wmax

w

wmin

t

w

Bắt đầu

Pwmax

V

Pwtt
Tính toán

Tốc độ gió

Pwmin

∆Pw
Pw

Đo Pw

Sai

fN

∆f

∆fcp
PI

Pregmin
∆f*

∆Pds=Pds – Pdsmin

PI

∆Pw=Pwmax – Pw

|Preg|≤∆PdsNds

Khâu trễ

Pregf Pregmax

–∆fcp

Thông số
trạng thái hệ

Đúng

Kích hoạt

Dữ liệu

Pregmax=(Pwmax-Pw)Nw+(Pdsmax-Pds)Nds
Pregmin=-(Pw-Pwmin)Nw-(Pds-Pdsmin)Nds
Đo tần số
f

0≤Preg

-min(Pw-Pwmin,Pdsmax-Pds)

Khối huy
động máy

Tần số

danh định

Đọc các thông số: Preg, Pwmin, Pwmax, Pw, Nw, Pdsmax, Psdmin Pds, Nds

min(Pwmax-Pw,Pds-Pdsmin)
PI

Pdsreg1

Preg

Khối phân
phối công
suất

Sai

Pwreg1

Đúng

Pwreg2= 0
Pdsreg2= Preg/Nds

Pwreg2
Pwreg
Pdsreg2
Pdsreg

Preg≤∆PwNw

Đúng
Pwreg2= Preg/Nw
Pdsreg2= 0

Pdsreg2= –∆Pds
P w reg 2 

Sai

Pwreg2= ∆Pw

Preg   Pd s N d s

Pd sreg 2 

Nw

Preg –  Pw N w
N ds

Kết thúc

Hình 2.18 Sơ đồ khối điều chỉnh công suất đặt của các máy phát
trong hệ thống.

8

Hình 2.19 Sơ đồ khối phân phối công suất.



9
Bắt đầu

Đọc các thông số: Pregf, Pwmin, Pwmax, Pw, Qw, Nw, Pds,Qds, Nds
Sai

Pregf>0

∆Pds=Pds – Pdsmin
∆Pw=Pw – Pwmin

∆Pw=Pwmax – Pw
∆Pds=Pdsmax – Pds

|Pregf|≥∆PdsNds+∆PwNw

Đúng
Pdp=(Pdsmax–Pds)(Nds-1)

Pregf≥∆PdsNds+∆PwNw

Sai

Đúng

Nds=Nds – 1
Kds = (Nds+1)/Nds

Pds= PdsKds
Qds= QdsKds

Sai

Nds≥2

Đúng

Sai

Nw=Nw+1

Sai
Nw>0
Đúng
Pdp ≥ Pdpmin
Sai
∆Preg= Pregf+∆PdsNds
Qdsmax(Nds-1)≥Qt-QwNw
Đúng

Đúng

|∆Preg|≥∆PwNw

Kw = (Nw–1)/Nw
P w= P wK w
Q w= Q wK w
Sai

Đúng
Nw=Nw-1

Sai

Đúng
NwSai

∆Preg= Pregf–∆PwNw

∆Preg≥∆PdsNds
Nds
Đúng
Nds=Nds+1

Sai
Nw>0
Đúng
Kw = (Nw+1)/Nw
P w= P wK w
Q w= Q wK w

Kds = (Nds–1)/Nds
Pds= PdsKds
Qds= QdsKds

Kết thúc

Hình 2.20 Sơ đồ khối huy động máy.

Quá trình điều chỉnh công suất của toàn hệ thống được thực hiện theo hướng phát
tối đa công suất của trạm điện gió (Hình 2.18). Khi tốc độ gió tăng thì hệ thống sẽ
tăng công suất phát của trạm điện gió và giảm công suất phát của trạm diesel nhờ
phần điều chỉnh theo sai lệch công suất. Khi tần số trên lưới có biến động không quá
lớn, thông qua phần điều chỉnh theo tần số sẽ ưu tiên tăng công suất trạm điện gió và
giảm công suất trạm diesel. Cụ thể việc thay đổi cho từng máy phát được định hướng
nhờ khối phân phối công suất (Hình 2.19). Khi lượng công suất điều chỉnh liện tục
nằm ngoài giới hạn từ Pregmin đến Pregmax (khoảng 5 phút) thì thực hiện quá trình huy
động thêm máy phát hoặc giảm máy phát. Cụ thể quá trình huy động thêm máy phát
hoặc giảm máy phát được điều khiển nhờ khối huy động máy (Hình 2.20). Khi tần số
có biến động lớn hơn giới hạn cho phép (∆fcp) thì bổ sung phần điều chỉnh tác động
trực tiếp vào công suất trạm diesel để kịp thời ổn định tần số.
Quá trình điều chỉnh công suất trên tuabin gió được thực hiện thông qua điều khiển
góc nghiên cánh để thay đổi công suất cơ cấp cho máy phát điện gió. Đồng thời,
trong giai đoạn ngắn hạn thì việc điều chỉnh này được thực hiện cả trên bộ chuyển đổi
phía roto của DFIG.
2.6. Đề xuất sử dụng tuabin gió có tích hợp khớp ly hợp điện từ nhằm
đạt mức thâm nhập điện gió tối đa
Qua kết quả nghiên cứu các chế độ vận hành của hệ thống phát điện gió (sử dụng
DFIG) kết hợp với diesel trong trường hợp không có thiết bị phụ trợ thì không thể
không vận hành máy phát điện diesel. Do đó nhiều nghiên cứu (điển hình [19,60]) đã
đề xuất nên sử dụng thêm thiết bị phụ trợ.
9




10 

Như vậy cần có giải pháp mới nhằm
J
Hộp số Khớp ly hợp
điện từ
hướng đến việc thiết kế một kiểu tuabin gió
ω
SCIG/
ω
ω
Lưới
1:N
ω SG/PMSG/
cô lập
chuyên dụng cho lưới cô lập trong tương lai.
T
DFIG
ω
T
iu
2.6.1. Đề xuất giải pháp
P , cosφ,
U, f.
P
Điều
Đề xuất giải pháp dùng chính quán tính β Điều khiển góc
khiển
nghiêng cánh
P, Q.

quay của phần tuabin đóng vài trò như bánh
đà, không cắt giảm công suất cơ trên cánh Hình 2.25 Đề xuất cấu trúc của tuabin gió tích hợp
khớp ly hợp điện từ.
nếu chưa quá tốc, sử dụng khớp ly hợp điện
từ (EMC) nối với trục roto của máy phát để
Bwt
ω
T
điều khiển quá trình nhận tải của tuabin gió.
Hộp số
ωwt
1:Ng
Cấu trúc của tuabin gió tích hợp EMC được
EMC
Bg
Tls
Jwt
ω
Tg
mô tả trên Hình 2.25.
hs2
ωhs1
J
g
Khi trạm điện gió phát công suất phản
ωls
Twt
Ths1 Ths2
ωg
kháng (Q1) chưa đủ cho phụ tải thì các máy

Kg
Tuabin
phát đồng bộ trong trạm điện diesel sẽ phát
Kwt
Máy phát
bù. Việc phát Q2 trong trạm điện diesel thực Hình 2.26 Mô hình động học hệ cơ có tích hợp EMC.
hiện như sau: nếu trạm điện gió phát công
suất tác dụng (P1) đủ cho phụ tải thì các máy điện đồng bộ ở trạm diesel hoạt động ở
chế độ động cơ bù đồng bộ (nhận Pdsdc để quay roto và phần quay của máy diesel với
các xupap mở, đồng thời điều chỉnh bộ kích từ để phát Qdsdc); Nếu trạm điện gió phát
P1 không đủ cho phụ tải thì các máy điện đồng bộ ở trạm diesel hoạt động ở chế độ
máy phát (phát Pdsmf và Qdsmf).
2.6.2. Phân tích và xây dựng mô hình toán
♦ Quá trình động học trong tuabin gió được đề xuất
Phương trình động học trong tuabin (2.112) và trong roto máy phát (2.113).
wt

ls

g

wt

hs1

hs2
g

hs

g

t

J wt

Jg

d wt

dt
dg

dt

 T w t  K w t  w t  B w t   w t d t  Tls

(2.112)

 Ths 2  K g  g  B g   g dt  Tg

(2.113)

Trong đó: Jwt, Jg – momen quán tính tuabin, máy phát; ωwt, ωg – tốc độ quay tuabin,
máy phát; Twt, Tg, Tls, Ths2 – momen trên trục tuabin, trục máy phát, trục tốc độ thấp,
trục tốc độ cao phía đầu ra của EMC; Kwt, Kg – hệ số cản nhớt trên trục tuabin, máy
phát; Bwt, Bg – hệ số cản khô của môi trường ảnh hưởng lên phần quay của tuabin,
máy phát; Các chỉ số dưới wt, g, ls, hs để chỉ thông số của tuabin, máy phát, trục tốc
độ thấp, trục tốc độ cao.
Phương trình truyền năng lượng trong một đơn vị thời gian qua EMC.

Phs1  Phs 2   hs1 Ths1   hs 2 Ths 2
(2.114)
Trong đó: Phs1, ωhs1, Ths1 – công suất, tốc độ, momen phía đầu vào EMC; Phs2, ωhs2
– công suất, tốc độ phía đầu ra EMC.
Từ phương trình động học của tuabin (2.112) viết lại được phương trình (2.115).
Phương trình này mô tả khối Gwt.
d wt
dt



1
J wt

 Tw t  Tls  

K wt
J wt

 wt 

B wt
J wt

  w t dt

 10 

(2.115)



11 

Sau khi quy đổi các phương trình trên về
+∞
ω (pu)
G
hệ đơn vị tương đối luận án đã xây dựng T (pu)+
N
–
0
được mô hình truyền động cho tuabin gió có
T
T
1/N
N
÷
tích hợp EMC như Hình 2.27. Trong đó: hệ
K
số Kemc thể hiện sự trượt trong khớp điện từ
P =P
+
P
u
u
T
khi có biến động thông số đầu vào;
P

(pu)
+
÷
+ T
2
2
0
H  J  0 / (2S cb ) và x '  x. 0 / S cb với ω0 và
K
2H
+
+ –
u
u
K’
ω
(pu)
Scb là tốc độ và công suất cơ bản.
+
ω
+
+
B’
ω (pu)

♦ Đáp ứng động học khi tốc độ gió biến
0
Hình 2.27 Mô hình truyền động trong tuabin gió tích
thiên và có nhiễu động
hợp khớp ly hợp điện từ.

Khi năng lượng thu được của tuabin (Ewt)
lớn hơn năng lượng chuyển thành điện năng
(Eg) thì phần dư (∆Ewt = Ewt-Eg) làm cho tốc độ quay của tuabin tăng từ ωg lên ωhs1 –
tính theo (2.117). Năng lượng dự trữ trong tuabin được tính theo công thức (2.116).
wt

hs1

wt

ls

g

g

hs1

g

d

 C

dt

wt

hs2

hs1

1

1

hs2đặt

d

emc

dt

hs2

d

g

d

emc

dt

g

dt

1

1

hs1

g

d

g

 E w t  (Pw t m ax  Pg )  t 

1
2

2

hs2

 C

g

dt

2

J w t (  hs1   g )

(2.116)

với Pwtmax là công suất tuabin thu nhận được tối ưu theo Cp(λ,β).
 hs1 

2E wt
J wt

2

 g

(2.117)

t 

E wt
| Pw t m ax 3  Pg |

(2.118)

Giả sử tốc độ gió giảm xuống giá trị V3, khi đó Pwtmax3 bé hơn công suất cần phát
Pg do phụ tải yêu cầu thì năng lượng thừa trong tuabin sẽ giải phóng trong thời gian
∆t – tính theo (2.118). Đây chính là thời gian đảm bảo công suất đầu ra ổn định khi
có sự giảm tốc độ gió trong khoảng thời gian trên.
2.6.3. Điều kiện để có mức thâm nhập điện gió tối đa
Với công suất phụ tải Pt và Qt=Pt.tanφt, để đảm bảo trạm điện gió làm việc thường
xuyên ở mức thâm nhập 100 %Pt thì cần thỏa mãn điều kiện:



Pw lapdat  N w lapdat Pw N  Pt 1  K Q tan  t   Pdpm in

  V 3 
  Pt .m ax   N  ,1 
  V tb 






(2.122)

Trong đó, VN, Vtb – tốc độ gió danh định của tuabin và tốc độ gió trung bình của
khu vực lắp đặt; KQ – hệ số biến đổi công suất tác dụng thành công suất phản kháng
của máy bù đồng bộ; ∆Pt – tổng tổn thất công suất.
2.7. Tổng kết chương
Trong chương này luận án đã tổng hợp và kế thừa các nghiên cứu trước để lập nên
mô hình toán cho hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel với lưới cô lập.
Các kết quả đạt được trong chương:
1. Luận án đã đề xuất cấu trúc điều khiển chung và thuật toán vận hành hệ thống phát
điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập một cách cụ thể. Cấu trúc điều khiển và
thuật toán này điều chỉnh hệ thống theo hướng khai thác tối đa khả năng của trạm
điện gió mà vẫn thỏa mãn các điều kiện ràng buộc trong vận hành.
2. Xuất phát từ thực tế hầu hết các hệ thống phát điện hỗn hợp gió diesel trong lưới
cô lập đều cần thiết bị phụ trợ để nâng cao mức thâm nhập điện gió, đồng thời kết
 11 



12 

hợp với ý tưởng của các nghiên cứu [70,71,72], luận án đã đề xuất cấu trúc tuabin
gió chuyên dụng cho lưới cô lập trong tương lai. Từ đó, luận án đề xuất phương
thức vận hành hiệu quả hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập
với tuabin gió có tích hợp EMC. Giải pháp vận hành này cho phép tận dụng tối đa
khả năng của trạm điện gió.

Chương 3. NGHIÊN CỨU TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG PHÁT
ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ – DIESEL VỚI LƯỚI CÔ LẬP
3.1. Đặt vấn đề
Gió là một nguồn năng lượng tự nhiên có sự thay đổi bất định nên dẫn đến những
biến động về công suất phát của trạm điện gió. Trong các lưới cô lập, thì những dao
động năng lượng này ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng điện năng, thậm chí làm mất
ổn định hệ thống.
Xuất phát từ thực tế ở đảo Phú Quý, các nhà quản lý không tin tưởng vào khả năng
vận hành ổn định của hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel, nên chỉ cho phép vận
hành hệ thống này với tỷ lệ phát điện gió – diesel là 50% – 50% [5,19,60]. Do vậy,
chương này tập trung khảo sát, xác định các yếu tố ảnh hưởng mạnh đến tính ổn định
của hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel không có thiết bị phụ trợ trong lưới cô
lập. Từ đó đề xuất các giải pháp phù hợp nhằm vận hành ổn định hệ thống và có thể
nâng cao được mức thâm nhập điện gió.
Với chương này cũng như trong toàn bộ luận án, hệ thống phát điện hỗn hợp gió –
diesel ở đảo Phú Quý được chọn làm đối tượng để khảo sát và kiểm tra.
3.2. Phương pháp tính toán khảo sát về ổn định
Từ các thông số về lưới và hệ thống phát điện luận án xây dựng mô hình toán ứng
với các chế vận hành. Sau đó kết hợp với các số liệu về phụ tải và tốc độ gió để tính

toán kiểm tra tính ổn định của hệ.
3.3. Kết quả khảo sát ở chế độ xác lập
3.3.1. Các đặc tính vận hành ở chế độ xác lập
3.3.2. Xác định thông số ảnh hưởng mạnh đến ổn định tĩnh
Trong mục 3.3.2 giả sử số lượng máy phát tham gia vận hành là không thay đổi.
Mục đích của việc giả sử này là để dễ xác định các yếu tố ảnh hưởng mạnh tới sự mất
ổn định của hệ thống.
Theo kết quả trong luận án thấy rằng
Phát Q
hệ hoàn toàn ổn định với mọi khả năng
S =P +jQ
cosφ = 0.90
cosφ = 0.80
có thể phát của trạm điện gió. Như đã
cosφ = 0.95
cosφ = 0.98
biết, việc tăng điện kháng trên đường
cosφ = 0.995
truyền tải điện sẽ làm giảm tính ổn định
cosφ = 1.00
cosφ = 0.98
của hệ. Như vậy để có thể đánh giá ảnh
cosφ = 0.90
cosφ =0.80
hưởng của các thông số còn lại đến tính
Nhận Q
S =P –jQ
ổn định của hệ ta giả sử lắp đặt thêm
Hình 3.8 Khảo sát an với tải từ Pt = 6,0 MW, cosφt=0,87
cuộn kháng vào đầu đường dây có giá trị

và P1 = 0,0 ÷ 6,0 MW.
lớn đến mức có hiện tượng không ổn
22

3

x 10

1

1

2

1

1

S1

an

S1

S1

1

S1

OÅ n ñònh

0

S1

Khoâ ng oå n ñònh

S1

S1

-1
-2

 12 

S1
S1

3

3.5

4

4.5
P1(W)

5

5.5

6

6

x 10

1

1

1

1




13 

định.
Từ kết quả trên Hình 3.8 ta thấy nếu trạm điện gió phát thêm công suất phản kháng
S1=P1+j.Q1 với cosφS1 = 0,995 trở đi (theo chiều mũi tên) thì hệ thống làm việc hoàn
toàn ổn định. Dù rằng khi xem xét ở giá trị cosφS1 rất thấp theo hướng phát công suất
phản kháng thì có xảy ra mất ổn định, nhưng lúc này Q1 rất lớn, đây là điều không thể
có trong hệ thống phát điện gió sử dụng DFIG.
Nghiên cứu [63] đã khẳng định rằng điều khiển thành phần điện áp theo trục d trên
roto của DFIG có thể phát được công suất phản kháng vào lưới.

3.3.3. Xác định giới hạn của các thông số ảnh hưởng mạnh đến ổn định
tĩnh
1cosφS1

3
2

Mieà n khoâ ng oå n ñònh

1
0

cos  S

X

13

(pu)

4

Mieà n oå n ñònh
0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

Pt(pu)

0.8
Mieà n khoâ ng oå n ñònh

0.4
0.2
0

1.4

Hình 3.12b Đường cong giới hạn ổn định theo thông số
(b)
điện kháng truyền tải của trạm điện gió.
Đơn vị pu theo công suất cơ bản 6 MVA.

Mieà n oå n ñònh

0.6

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4
Pt(pu)

Hình 3.13 Đường giới hạn ổn định theo thông số cosφS1
ứng với trạm điện gió nhận công suất phản kháng. Đơn
vị pu theo công suất cơ bản 6 MVA.

3.4. Kết quả khảo sát ổn định ứng với các trường hợp vận hành đặc
trưng3
0,25
t (s)
♦ Vận hành hệ thống khi không có gió
0,2
0,184 s
0,173 s
0,179 s
0,175 s
Trở kháng tương đương của nguồn phát 0,15
0,1

giảm khi kết nối thêm máy diesel. Nên làm
=0,173 s
Diesel, t
0,05
cho thời gian cắt tới hạn tăng theo kiểu nhảy
0
Pt (kW)
cấp như Hình 3.14c.
♦ Vận hành hệ thống khi gió có tốc độ
Hình 3.14c Khảo sát xác định thời gian cắt tới
hạn tcc khi không có gió.
trung bình 9m/s
1,2 t (s)
cc
Điện gió
Qua so sánh các trường hợp khảo sát cho
1
Diesel
0,8
thấy khả năng ổn định quá độ của trạm diesel 0,6
0,657 s
t
=0,646 s
trong trường hợp vận hành độc lập là kém 0,4
t
=0,177 s
0,2
0,198 s
nhất.
0

Pt (kW)
3.5. Phân tích và đề xuất giải pháp
nâng cao ổn định
Hình 3.16e Khảo sát xác định thời gian cắt tới
hạn tcc với tốc độ gió 9m/s.
Qua phân tích và so sánh cho thấy nên chọn
phương pháp cắt nhanh trước thời gian
173ms, đồng thời lắp đặt thêm tụ bù để nâng cao ổn định và giảm tổn thất điện năng
cũng như giảm sụt áp trong truyền tải.
3.6. Tổng kết chương
Các kết quả mới đạt được trong chương:
1. Qua các phân tích trong chương xác định được các yếu tố ảnh hưởng đến tính ổn
định của hệ thống, bao gồm: điện kháng truyền tải có vai trò quyết định; khả năng
cc

500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900

2000
2100
2200

2ccmin

1ccmin

3

5000

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

2ccmin

Từ mục này trở đi việc khảo sát ổn định được thực hiện với số lượng máy phát có sự thay đổi phụ thuộc vào quá
trình vận hành.
 13 




14 

phát công suất phản kháng của các máy phát có ảnh hưởng mạnh đến ổn định tĩnh;
khả năng cắt nhanh của các máy cắt mang tính quyết định đến ổn định quá độ.
2. Khuyến nghị đối với hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel ở đảo Phú Quý:
* Lắp đặt các thiết bị truyền tải sao cho tổng điện kháng từ nguồn đến tải nhỏ hơn
0,518 pu nhằm đảm bảo tính ổn định của hệ thống.
* Không nên thiết lập trạm điện gió vận hành ở chế độ nhận công suất phản kháng
nhiều hơn mức tương ứng với cosφS1 = 0,8. Ngược lại, nên vận hành trạm điện
gió ở chế độ phát công suất phản kháng phù hợp với khả năng của loại tuabin gió
(V80–2MW cho phép phát công suất phản kháng với cosφS1=0,98).
* Lắp đặt máy cắt có khả năng cắt ngắn mạch nhanh và cài đặt thời gian cắt nhỏ
hơn 173 ms đối với phía trạm điện diesel, nhỏ hơn 500 ms đối với phía trạm điện
gió nhằm đảm bảo ổn định quá độ của hệ thống.
* Ngoài ra, nên lắp đặt thêm tụ bù trên lưới để giảm công suất phản kháng mà trạm
diesel phải phát và giảm tổn thất công suất cũng như giảm sụt áp trong truyền tải,
đồng thời nâng cao tính ổn định của hệ thống.
3. Luận án cũng khuyến nghị sử dụng chương trình tính toán trong chương này để
xác định thời gian cắt tới hạn của các hệ thống điện cô lập tương tự nhằm đảm bảo
vận hành các hệ thống đó luôn ổn định.

Chương 4. NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH
HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN HỖN HỢP GIÓ – DIESEL TRONG
LƯỚI CÔ LẬP
4.1. Đặt vấn đề
Mục tiêu của chương này là nghiên cứu áp dụng các giải pháp nhằm khai thác tối
đa năng lượng gió mà vẫn đảm bảo các điều kiện ràng buộc trong vận hành hệ thống
hỗn hợp gió – diesel với lưới cô lập.
4.2. Áp dụng thuật toán điều khiển chung cho hệ thống phát điện hỗn
hợp gió – diesel trên đảo Phú Quý
♦ Mô phỏng quá trình điều khiển chung cho cả hệ thống
V (m/s)

10

4
3
2
1
0

9.5
9
8.5

0

2

4

6

8

10

12

Thôø i gian (s)

Hình 4.2 Biểu đồ tốc độ gió trong mô phỏng.
2

P1

P (MW)

P2

N (maù y)

0

N

2

4

N

w

6

ds

8

10

12

Thôø i gian (s)

Hình 4.3 Số lượng máy phát tham gia vận hành.

Pt

1

1.5

Q (MVAr)

Q

Q

1

Q

2

t

0.5

1
0.5

0

0

-0.5

0

2

4

(a)

6

8

10

12

Thôø i gian (s)

0

2

4

(b)

6

8

Hình 4.4 Biểu đồ phát công suất tác dụng (a) và công suất phản kháng (b) của hai trạm điện.

 14 

10

12

Thôø i gian (s)




15 
U

F
f (Hz)

50.1

1abc

(pu)

1

50

0
-1

49.9

0

2

4

6

8

10

12

4

Thôø i gian (s)

Hình 4.6 Biểu đồ tần số trên lưới.

4.05

4.1

4.15

4.2

4.25

4.3

Thôø i gian (s)

Hình 4.7 Biểu đồ dạng sóng của điện áp phía trạm điện gió.

V (m/s)

Trên Hình 4.4 xuất hiện một số điểm nhấp nháy về công suất do hiện tượng huy
động thêm hoặc cắt giảm máy phát trong hai trạm điện. Các dao động về tần số cũng
xảy ra vào thời điểm này (Hình 4.6). Khi đó hệ thống điều khiển chung sẽ điều chỉnh
để công suất các máy tham gia vận hành trong vùng giới hạn của mỗi máy. Sau đó,
thuật toán điều khiển sẽ điều chỉnh để các máy phát diesel bám lấy mức công suất
thấp nhất, các tuabin gió bám theo mức công suất cao nhất có thể.
Trong quá trình vận hành các tuabin gió được huy động với số lượng nhiều nhất có
thể. Ngược lại, huy động số máy phát trong trạm điện diesel ít nhất có thể để vừa đủ
đảm bảo dự trữ quay và cung cấp công suất phản kháng. Với mức thâm nhập cao các
chỉ tiêu về chất lượng tần số và điện áp hoàn toàn tốt so với tiêu chuẩn vận hành hiện
nay (Hình 4.6 và Hình 4.7).
♦ Trường hợp vận hành 24 giờ trong ngày
Việc áp dụng cấu trúc điều khiển đã đề xuất cho hệ thống phát điện hỗn hợp trên
đảo Phú Quý được thực hiện với ngày 13/7/2014, biểu đồ phụ tải như Hình 4.16, biểu
đồ gió như Hình 4.11b.
Kết quả khảo sát cho thấy, vào thời điểm gió có tốc độ cao trạm điện gió cung cấp
phần lớn công suất cho phụ tải, chỉ phải huy động công suất từ trạm diesel nhiều vào
thời điểm gió thấp (Hình 4.16). Vào thời điểm gió thấp lượng công suất dự trữ quay
trên hệ thống chủ yếu do trạm điện diesel đảm nhiệm.
Vào thời điểm sau 23 giờ, mặc dù gió có tốc độ cao nhưng phải cắt giảm số tuabin
gió xuống còn một tuabin vận hành chung với một máy phát trong trạm điện diesel
(Hình 4.12) vì phụ tải giảm thấp. Trong trường hợp này không thể tạm ngừng vận
hành trạm điện diesel vì một số lý do sau: các máy phát diesel được trang bị ở đây có
chức năng thích ứng với sự thay đổi của phụ tải tốt, trong khi các tuabin gió thì ngược
lại vì có quán tính lớn; trạm điện diesel 14V (m/s)
được vận hành để đảm bảo dự trữ quay 12
10
mức tối thiểu cho hệ thống và đảm nhiệm
8
6

vai trò chính trong việc cung cấp công
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
Thôø i gian (giôø )
suất phản kháng cho phụ tải vì không có Hình 4.11b Biểu đồ tốc độ gió trên đảo Phú Quý ngày
13/7/2014.
thiết bị bù trên lưới. Vào thời điểm trước
3 giờ cũng vận hành tương tự.
N

N (maù y)

N

w

ds

Q (kVAr)

4
3
2
1
0

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

1200
1000
800
600
400
200
0

Thôø i gian (giôø )

Hình 4.12 Số lượng máy phát tham gia vận hành.

Q1

Q (kVAr)

0

2

4

6

8

10

Q2

12

14

Qt

16

18

20

22

Hình 4.14 Biểu đồ phát công suất phản kháng của hai
trạm điện.

 15 

24

Thôø i gian (giôø )


16

P (kW)

P1

P2

P /P (%)

1

t

1000
500
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

100
80
60
40
20
0

Thụứ i gian (giụứ )

Hỡnh 4.16 Biu phỏt cụng sut tỏc dng ca hai trm
in.

0

2

4

P /P

2

6

8

10

P /P

t

12

1

14

t

16

18

20

22

24

Thụứ i gian (giụứ )

Hỡnh 4.17 Biu biu din t l phỏt cụng sut tỏc
dng ca hai trm in.

Nhỡn chung, kt qu kho sỏt cho thy mc thõm nhp in giú trung bỡnh khong
80%Pt (Hỡnh 4.17). Theo kt kho sỏt vi ngy 13/7/2014 trm in giú cung cp
79,88% in nng tiờu th c o. Trong khi ú theo s liu thc t cựng ngy trm
in diesel ó phỏt 82,3% tng in nng tiờu th trờn o. õy l mt li ớch ỏng k
nu ỏp dng gii phỏp ó xut vo thc t.
4.3. Kho sỏt vi tuabin giú cú tớch hp khp ly hp in t
4.3.1. So sỏnh mụ hỡnh xut vi mụ hỡnh mu
Sau khi tớch hp EMC vo tuabin giú v gi nguyờn li in ó cú nh trong mụ
hỡnh mu (trong [68]) thỡ c mụ hỡnh trỡnh by Hỡnh 4.18. Biu giú dựng cho
kho sỏt trong cỏc mụ hỡnh mc ny nh Hỡnh 4.19.
Trờn Hỡnh 4.22 cho thy cú lỳc cụng sut nhn vo ca tuabin Pwt bộ hn cụng sut
phỏt ra Pg. Hin tng ny chớnh l hiu qu ca vic lu tr nng lng tha nh
EMC. T kt qu kho sỏt trờn Hỡnh 4.23 cho thy khi tớch hp EMC vo h thng
thỡ cht lng tn s, in ỏp v dao ng cụng sut cp cho ph ti c ci thin
ỏng k.
M o hinh tich hop khop die n tu v ao tuabin gio tre n co so mo hinh mau
"Wind-Turbine Asynchronous Ge ne rator in an Isolate d Ne twork" cua phan me m M atlab
[T g]

m

0

Pm

A

aA

aA

A

B

bB

bB

B

cC

C

cC

Te

PF Correction
Capacitor
75 kvar

Excitation

[T wt]

m

Twt (pu)

[w_hs1]

Bb

Load

Aa

Continuous

[T wt]

pow ergui

Pwref

b

B

f

c

C

C

A

Main Load
50 kW

0

P itch a ngle (de g) Tm (pu)

[Beta]

[T wt]

-1

Consumer Load

T oc do gio (m/s)

Tuabin gio

Pt (kW)

[Iabc_SL]

70

Vabc (pu)

60 wr
50

P_WT

Frequency (Hz)

Q_SC

ASM speed (pu)

Scope1

0

F
f (Hz)

2

Vabc_WT
62

Freq

[Pe]

P Sec. Load (kW)
P Main Load (kW)

[Pt]
[T g]

Q Sy nch. Condenser (kv ar)

[T wt]

Thụứ i gianScope2
(s)

Power
Computation

4

Te

Vabc(pu) wt

61

P Wind Turb. (kW)

P_SL
P_Load

6

wr

8

|u|

Sin_Cos

[w_hs1]

Product

Discrete
3-phase PLL

60

Control

4

Double click
Vabc (pu)

Double click
to plot
1 Scope1

to plot

Scope2

Discrete
Frequency
6 Regulator

Double click
to plot
Scope6

Double click
to plot
Scope

8

Double click
to plot
Scope3

wr
[T g]

Thụứ i gian (s)

Scope

0

2

4

6

2

4

6

10

50.2
Scope3

-1

1

[T wt]

8

10

Vabc (pu)

Product1
[w_hs1]

Thụứ i gian (s)
0

Vabc (pu)

Scope6

Product4

1
0

0

-1

-1

0.2

2

2.05

2.1

2.15

-1

2.2

4

6

8

0.25

-1

Thụứ i gian (s)
2

8

F
f (Hz)

50.4

49.6

10

0

0

10

49.8

1

0

8

Vabc_SC

Vabc

Thụứ i gian (s)

2

6

60

50
1/z

58
0

4

wr

59
57

[Pitch_deg]

[Pe]

Abs

2

70

50

10

Thụứ i gian (s)
0

Pt (kW)

80

Iabc Sec. Load (pu/275 kVA)

f

Pg

Hỡnh 4.22 Bin ng cụng sut vo tuabin
v cụng sut ra ca mỏy phỏt trong mụ
hỡnh tớch hp EMC vo tuabin giú.

Hỡnh 4.18 Mụ hỡnh tớch hp khp ly hp in t vo tuabin giú.
Vabc_SC
80

P (pu)

10

0.5

Ge ne ra to r spe e d (pu)

[w_hs1]

8

1

W ind spe e d (m /s)

90

6

[w_hs1]

w_hs1 (pu)

f (Hz)

4

Khau truyen dong co tich hop EMC

3-Phase Breaker
Load
25 kW

Pwref (pu)

2

Pw t

[T g]

Tg (pu)

wg (pu)

A

B

a

Thụứ i gian (s)
0

1.5

T_wt (pu)

wr

B
C

[Beta]

Beta (deg)

w_hs1 (pu)

Toỏ c ủoọ gioự (m/s)

Hỡnh 4.19 Biu tc giú dựng trong
cỏc mụ hỡnh mụ phng.

Bo dieu khien goc nghieng canh

Cc

Vf

<Electromagnetic torque Te (pu)>

WT Asynchronous Generator
480V 275kVA

C

A

SC

B

C

wr

<Rotor speed (wm)>

Vf _

Synchronous Condenser
480V 300kVA

16
14
12
10

8
6
4

Tm
m

0 kW

A

P (kW)

1500

0

P1/Pt, P2/Pt (%)

Pt

2000

0.35

0.4

Thụứ i gian (s)
0

10

0.3

Time (s)

2

4

6

8

10

Hỡnh 4.23 Kt qu v cht lng in nng ca mụ hỡnh mu trỡnh by cỏc hỡnh bờn trỏi; Kt qu v cht lng in
nng ca mụ hỡnh tớch hp EMC vo tuabin giú trỡnh by cỏc hỡnh bờn phi.
16




17 

4.3.2. Ứng dụng tuabin gió có tích hợp khớp ly hợp điện từ cho hệ
thống phát điện ở Phú Quý
Kết quả tính toán mô phỏng phản ứng của hệ thống theo phụ tải cho thấy có thể
nâng tỷ lệ thâm nhập điện gió lên trên 100% Pt khi tổng tải bé hơn 2,39 MW trong
điều kiện gió 9 m/s hoặc hơn (Hình 4.28).

P
P
P2
Theo kết quả tính toán mô phỏng, khi vận 140 P1/Pt, P2/Pt (%)
hành theo giải pháp này thì trong ngày 120
100
80
13/7/2014 trạm điện diesel chỉ phải phát 60
40
7,5% tổng điện năng tiêu thụ trên đảo Phú 200
P (kW)
-20
t
Quý. Trong khi đó theo số liệu thực tế cùng -40500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
4500
Hình 4.28 Biểu đồ tỷ lệ công suất của trạm gió –
ngày trạm điện diesel đã phát 82,3% tổng
diesel so với tổng tải.
điện năng tiêu thụ trên đảo. Đây là một lợi
ích đáng kể nếu áp dụng giải pháp này vào thực tế.
4.4. Kiểm tra kết quả trên phần mềm PSS/adept
Tất cả các kết quả tính toán được kiểm tra lại trên phần mềm PSS/adept cho thấy
hoàn toàn đảm bảo các tiêu chuẩn về cung cấp điện. Không có sự sụt áp đáng kể tại
các nút tải.
4.5. So sánh với thực tế và các giải pháp khác
Thực tế vận hành hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trên đảo Phú Quý thường
theo tỷ lệ phát điện gió – diesel là 50% – 50% [5]. Theo phương án vận hành như
vậy, tỷ lệ thâm nhập điện gió lớn nhất thường khoảng 50% ÷ 60% P t (ngày 23/5/2012
P1/Pt ≤ 50,366%, ngày 13/7/2014 P1/Pt ≤ 54,4%). Ngoài ra, theo các khảo sát trong
nghiên cứu [60] thì trạm điện gió có thể phát tối đa là 69,613%Pt.

4.6. Tổng kết chương
Các kết quả đạt được trong chương:
1. Chương này đã xây dựng bài toán kiểm tra và áp dụng thành công thuật toán và
cấu trúc điều khiển chung (đã đề xuất ở chương 2) cho hệ thống phát điện hỗn hợp
gió – diesel ở Phú Quý. Bên cạnh đó cũng mô phỏng và áp dụng thành công giải
pháp sử dụng tuabin gió có tích hợp EMC trong các lưới cô lập (đã đề xuất ở
chương 2).
2. Các khuyến nghị đối với hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel ở đảo Phú Quý:
* Kết quả nghiên cứu với đối tượng là hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel ở
đảo Phú Quý cho thấy tỷ lệ thâm nhập điện gió trung bình khoảng 80% P t, mức
thâm nhập điện gió lớn nhất có thể đạt 89,159% Pt. Như vậy, nên áp dụng cấu
trúc điều khiển và thuật toán vận hành đã đề xuất để tối đa hóa lợi ích kinh tế của
hệ.
* Các kết quả mô phỏng với tuabin gió có tích hợp EMC cho thấy chất lượng điện
năng của trạm điện gió trong lưới cô lập được cải thiện rõ rệt khi so sánh với mô
hình mẫu. Đồng thời với ứng dụng cụ thể vào hệ thống điện cô lập gió – diesel ở
đảo Phú Quý cho thấy hiệu quả khai thác hệ máy diesel và tuabin gió, cũng như
tận dụng được công suất dự trữ trong tuabin gió có tích hợp EMC. Nếu trong
tương lai loại tuabin này được sản xuất thì nên ứng dụng cho các vùng cô lập để
1

t

P /P (%)

2

 17 

1



18 

tận dụng tối đa nguồn năng lượng gió của thiên nhiên và chỉ phải tốn ít nhiên liệu
diesel vào các giờ cao điểm hoặc lúc gió yếu.
3. Luận án khuyến nghị ứng dụng cấu trúc điều khiển và thuật toán vận hành đã đề
xuất cho hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập tương tự nhằm
tận dụng tốt nguồn năng lượng gió tự nhiên và tiết kiệm nhiên liệu diesel, bảo vệ
môi trường.

Chương 5. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRẠM ĐIỆN GIÓ PHÙ HỢP
VỚI TRẠM ĐIỆN DIESEL ĐÃ CÓ Ở VÙNG CÔ LẬP
5.1. Đặt vấn đề
Thực tế áp dụng hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel ở Việt Nam đã có những
dự án chưa mang lại lợi ích kinh tế như tính toán. Trên thế giới cũng có nhiều hệ
thống hỗn hợp gió – diesel có tỷ lệ thâm nhập điện gió thấp.
Như vậy cần có phương pháp tính toán quy hoạch để lựa chọn trạm điện gió lắp đặt
mới phù hợp với trạm điện diesel đã có ở các đảo nói riêng và cho các vùng cô lập
nói chung.
5.2. Đề xuất phương pháp xác định trạm điện gió phù hợp với trạm điện
diesel đã có
5.2.1. Phương pháp phân tích và tính toán
Để giải quyết bài toán đã đặt ra
Dữ liệu cơ bản
Thông số vận
Số liệu
Số liệu

Thông số hệ
ở trên một cách chung nhất, luận
Thông số các
hành trên lưới
tốc độ gió
phụ tải
thống diesel
loại tuabin gió
án tiến hành phân tích và tính toán
theo sơ đồ như Hình 5.1.
Điều kiện ràng
Hiển thị kết quả phân tích
buộc vận hành
Tính toán
Cũng có các nghiên cứu [28,29,
Biểu đồ so sánh P /P
Tính toán tối
phân bố
của các loại tuabin gió
ưu về hiệu
công suất
43,47] đã tính toán xác định được
quả khai
Biểu đồ so sánh A /A
thác năng
của các loại tuabin gió
Phân
tích
lượng gió
trạm điện gió phù hợp nhất theo

dữ liệu
Chi phí
Số lượng tuabin gió
ban đầu
điều kiện khảo sát tương ứng. Tuy
tối đa cho lắp đặt
Chương trình
theo lợi ích cận biên
tính toán
nhiên các nghiên cứu này đều sử
Phân tích
Chi phí
kinh tế
vận hành
Yêu cầu khác của
dụng các thông số giá tuabin gió,
chuyên gia
Vùng có lựa
chi phí lắp đặt, vận hành, bảo
chọn tốt nhất
dưỡng tại thời điểm khảo sát làm Hình 5.1 Sơ đồ thể hiện quá trình phân tích tính toán để xác định
trạm điện gió phù hợp nhất.
dữ liệu đầu vào. Trong thực tế các
chi phí này thay đổi theo thời gian và phụ thuộc thị trường, vấn đề này thể hiện trong
báo cáo [74]. Do vậy luận án đã sử dụng hàm mục tiêu là hiệu quả sử dụng năng
lượng gió. Đây là thông số độc lập với thị trường. Luận án đã đưa ra một bộ các giá
trị để các nhà lập dự án lựa chọn phù hợp với giá cả và các chi phí tại thời điểm tính
toán để xây dựng mới.
1

t

1

t

Bảng 5.1 Điều kiện vận hành
Điều kiện
Ghi chú
Cân bằng công suất (đk1)
Như đk1 ở Bảng 2.1
Giới hạn phát công suất (đk2) Như đk2 ở Bảng 2.1
Đặt công suất dự trữ quay cho hệ thống điện (đk3’)
Dự phòng quay cho trường hợp phụ tải tăng đột ngột
Pdpmin ≤ Pdp
Pdp – công suất dự trữ quay của hệ
thống phát điện hỗn hợp gió – diesel;
Pdpmin = max(Pbapt_i)
Pbapt_i – công suất trạm biến áp
 18 




19 

22/0,4kV của phụ tải thứ i.
Luận án quan tâm đến bài toán
Dự phòng quay cho trường hợp sự cố một máy phát
kinh tế trong vận hành, sử dụng PN–1 ≥ Pt

PN–1 – tổng công suất của các máy
phát còn lại sau sự cố một máy phát.
tiêu chí mức thâm nhập điện gió
Điều
kiện
ổn
định
(đk4)
Như đk4 ở Bảng 2.1
để đánh giá hiệu quả của dự án.
Bài toán kinh tế với đầy đủ các dữ kiện tạm thời chưa được xem xét trong luận án, vì
đó là bài toán quy hoạch động, thuộc một nội dung khác mà luận án không quan tâm.
Trong tương lại modun phân tích kinh tế được đề cập ở đây sẽ được hoàn chỉnh.
5.2.2. Các điều kiện ràng buộc trong vận hành
Quá trình tính toán vận hành phải thỏa mãn các điều kiện ở Bảng 5.1.
5.2.3. Thuật toán tính toán phân bố công suất
Thuật toán tính toán phân bố công suất cho các máy phát trong hai trạm điện theo
hướng sử dụng tối đa tài nguyên gió được trình bày trên Hình 5.2 và cụ thể như sau:
Bước 1: Đọc dữ liệu cơ bản
Bước 2: Xác định giới hạn phát công suất của máy phát điện gió
Tra đặc tính công suất của tuabin gió để tìm công suất phát cực tiểu (Pwmin) và cực
đại (Pwmax).
Bắt đầu
Bước 3: Chọn phương án phát điện
Dựa vào công suất phụ tải yêu cầu mà
Đọc dữ liệu cơ bản
1
chọn phương án phát điện.
Tra tìm P , P
theo vận tốc gió

2
● Nếu Pt < Pdsmin, thì không phát điện;
3
Đúng
Sai
● Nếu Pdsmin < Pt < Pdsmin + Pwmin, thì chỉ
Không phát điện
P vận hành trạm điện diesel;
Chỉ vận hành trạm điện diesel Đúng
P +P
Nw=0, P1=0, Q1=0
(5.1)
N =0, P =0, Q =0
Sai
Nhảy đến bước 6.
● Nếu Pdsmin + Pwmin < Pt, thì tính toán
Ước tính N nhiều nhất
4
vận hành cả trạm điện diesel và trạm điện
Tính sơ bộ công suất
5
phát của trạm điện gió
gió ở các bước tiếp theo;
Ước tính N ít nhất
6
Đúng
Bước 4: Ước tính số lượng tuabin gió
Sai

N <0
Tính công suất vận
(Nw) nhiều nhất tham gia vận hành
7
hành của mỗi máy
N =N +1
Gọi Nwlapdat là số tuabin gió đã lắp đặt.
8
Tính dự phòng quay
wmin

wmax

t

dsmin

t

w

1

wmin

dsmin

1

w

ds

w

ds

Nw


 Pt 
 m in  rounddow n 
 , N w lapdat

 Pw m in 







Nw = Nw - 1

w

1

1

cos  w 

w

t

w

P1
P1  Q 1
2

2

t

(5.5)

Kiểm tra đk3’
Đúng

Sai

(5.2)

Bước 5: Tính sơ bộ công suất phát của
trạm điện gió
P  m in  (P .N ), P 
(5.3)
(5.4)

Q  m in   P . tan   , Q 
Tính lại hệ số công suất của máy phát
điện gió:
1

ds

Nw>0
Đúng
9
Sai
10 11
Sai
12

Kiểm tra đk2
Đúng
Kiểm tra đk4
Đúng

Lưu kết quả phù hợp
Kết thúc

Hình 5.2 Thuật toán tính toán phân bố công suất cho
hai trạm điện.

Bước 6: Ước tính số máy phát điện diesel (Nds) ít nhất tham gia vận hành

 19 

Sai





 P  P1 Q t  Q 1
N ds  roundup  m ax  t
,

 Pds m ax Q ds m ax


20 


 


(5.6)

Bước 7: Tính công suất vận hành của mỗi máy
 P  P1

Pds  m ax  t
, Pds m in 
 N ds


Nếu P2 < Pt, thì

Q ds 

Pw 

(5.7)
Pt  P2
Nw

và

(5.8)

Q w  Pw . tan  w

Q t  Q1

(5.9)

N ds

Bước 8: Tính toán dự phòng quay
Dự phòng quay cho trường hợp phụ tải tăng đột ngột
P  P
 P N
(5.10) P  P
(5.11)
Nếu Pt < 2Pdsmin thì không xét sự cố máy phát điện diesel. Vì để đảm bảo dự phòng
sự cố trong trường hợp này thì các máy phát điện diesel phải vận hành dưới công suất
cực tiểu. Dự phòng quay cho sự cố một máy phát điện diesel:
P

P
P
N P
.m ax   N  1  , 0 
(5.12) P
(5.13)
Dự phòng quay cho sự cố một tuabin gió
P
P
P
N P
.m ax   N  1  , 0 
(5.14) P
(5.15)
Nếu có một trong các điều kiện (5.11) hoặc (5.13) hoặc (5.15) không đúng thì vận
hành thêm một máy phát điện diesel (Nds=Nds+1) rồi lặp lại các bước 7 và 8.
Nếu Nw=0 thì nhảy đến bước 12.
Bước 9: Kiểm tra giới hạn phát công suất; Bước 10: Kiểm tra ổn định với dao
động bé; Bước 11: Kiểm tra ổn định quá độ.
Nếu có một điều kiện không thỏa mãn thì giảm một tuabin gió (Nw=Nw–1) và tính
lại từ bước 6.
Bước 12: Lưu kết quả phù hợp.
5.3. Tính toán áp dụng
Chọn lưới điện và trạm điện diesel ở đảo Phú Quý làm đối tượng để tính toán.
♦ Tính toán theo tốc độ gió trung bình với tuabin gió sử dụng DFIG
Khảo sát sự vận hành hệ thống hỗn hợp điện gió – diesel với phụ tải thay đổi từ
800kW đến 2200kW khi tốc độ gió 9m/s, kết quả thể hiện ở Hình 5.5. Trong hình
này, Nwlapdat là số tuabin gió được lắp đặt trong trạm điện gió.
Trên Hình 5.5a có hiện tượng: khi phụ tải trong khoảng 830÷840kW thì trạm điện
gió có thể vận hành một tuabin gió, nhưng khi phụ tải trong khoảng 840÷990kW thì

không thể vận hành trạm điện gió. Bởi vì khi phụ tải trong khoảng 840÷990kW phải
vận hành thêm một máy phát điện diesel để đảm bảo dự phòng quay, làm cho các
máy phát vận hành dưới mức công suất cực tiểu, nên phải ngừng điện gió. Hiện
tượng trên Hình 5.5b cũng tương tự. Mức công suất phụ tải mà trạm điện gió không
thể vận hành sẽ tăng tỷ lệ với công suất của tuabin gió được lắp đặt, thể hiện trên
Hình 5.7a.
dp

ds m ax

ds

dp

ds

dp m in

dpsucoD S

w m ax

w

ds m ax

ds

dpsucoD S

dpsucoW

ds m ax

ds

w m ax

w

dpsucoW

 20 

t

t




Tuabin:2 MW

1

1

40
20
0

5

80

4
2
1

w

800

2200
1800 2000
1400 1600
1000 1200
Pt (kW)

Nwlapdat

(b) (may)
N lap dat (may)

800

3

2200
1800 2000
1400 1600

1000 1200
Pt (kW)

Nwlapdat
(may)
N (c)
lap dat (may)

P /P (%)

20

4
3

(d)

Nw lap dat (may)

2
1

800

2200
1800 2000
1400 1600
1000 1200
Pt (kW)

2200
1800 2000
1400 1600
1000 1200
Pt (kW)

60

t

60

40

1

40
20
0
7

0
5

800

80

1

1

40

1

Tuabin:0.5 MW

100

t

t

60

2

w

80

P /P (%)

P /P (%)

1

Tuabin:0.8 MW

100

80

Nwlapdat
(may)

20

4
2

w

Tuabin:1 MW

100

40

3

3

Nwlapdat

60

0
5

4

(a) (may)
N lap dat (may)

Tuabin:1.2 MW

100

t

t

t

60

Tuabin:1.5 MW

100
80
60
40
20
0
5

1

P /P (%)

P /P (%)

80

P /P (%)

100

21 

20
0
10

6

5

4

Nwlapdat 3 2
(may)
1
Nw(e)
lap dat (may)

800

2200
1800 2000
1400 1600
1000 1200
Pt (kW)

9

8

7

6

5

Nwlapdat 4 3
2
(may)
1
Nw(f)
lap dat (may)

800

2200
1800 2000
1400 1600
1000 1200
Pt (kW)

100
80
60
40
20
0

1

t

P /P (%)

Hình 5.5 Tỷ lệ phát công suất của trạm điện gió (P1) so với tổng công suất phụ tải (Pt) ứng với số tuabin gió khác
nhau, khi có gió ở tốc độ 9m/s. Trạm điện gió được lắp đặt các tuabin gió kiểu C sử dụng DFIG với mức công suất (a)
2MW; (b) 1,5MW ; 1,2MW ; (d) 1MW ; (e) 0,8MW; (f) 0,5MW.

8 WTs 0.5 MW
5 WTs 0.8 MW
4 WTs 1.0 MW
4 WTs 1.2 MW
3 WTs 1.5 MW
3 WTs 2.0 MW

800

(a)
1.2
1

0.8

Aw/Nw (pu)

1000

1200

1400

1600 1800
Pt (kW)

2000

0.4
0

A1/At (%)

Nwlapdat

60
50
40
30
20
10
0

max
68.81%
80.72%
83.91%
84.59%
84.59%
84.59%
Nwlapdat

WT 2.0MW
WT 1.5MW
WT 1.2MW
WT 1.0MW
WT 0.8MW
WT 0.5MW

1

WT 2.0MW
WT 1.5MW
WT 1.2MW
WT 1.0MW
WT 0.8MW
WT 0.5MW

0.6
0.2

2200

90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

2

3

4

5

6

7

(c)

8

P1/(PwNNwlapdat ) %
49.35%

28.15%
23.27%
15.27%

Nwlapdat

WT 2.0MW
WT 1.5MW
WT 1.2MW
WT 1.0MW
WT 0.8MW
WT 0.5MW

min
15.27%
23.88%
23.27%
23.27%
28.15%
28.15%

max
32.44%
42.16%
46.46%
46.46%
48.99%
49.35%

max
32.44%
42.16%
46.46%
46.46%
48.99%
49.35%

1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
6
7
8
(d)
(e)
Hình 5.7 Thể hiện các đặc tính của tuabin gió sử dụng DFIG với các mức công suất khác nhau. (a) So sánh các loại
tuabin gió trên phương diện P1/Pt; (c) So sánh các loại tuabin gió trên phương diện tỷ lệ sản xuất điện năng của trạm
điện gió (A1) so với tổng điện năng tiêu thụ của phụ tải (A t) khi vận hành ở tốc độ gió 9m/s với phụ tải của ngày
02/07/2014; (d) So sánh các loại tuabin gió trên phương diện hiệu quả sản xuất điện năng của mỗi tuabin gió 4; (e) So

sánh các loại tuabin gió trên phương diện tỷ lệ công suất phát của trạm điện gió so với tổng công suất lắp đặt.

Từ kết quả ở Hình 5.5 cho thấy rằng nên lắp đặt tối đa là 3 tuabin gió 1.5÷2 MW,
hoặc 4 tuabin gió 1÷1,2 MW, hoặc 5 tuabin gió 0,8 MW, hoặc 8 tuabin gió 0,5 MW.
Nếu lắp đặt nhiều hơn thì lợi ích mang lại cũng chỉ như vậy. Nhằm so sánh lợi ích
kinh tế mang lại giữa các loại tuabin gió, trên Hình 5.7 chỉ khảo sát đến giới hạn về
số lượng đã nêu với một số mức công suất tiêu biểu.
Với kết quả thể hiện ở Hình 5.7a cho thấy việc lắp đặt loại tuabin gió có công suất
không quá 1 MW sẽ mang lại lợi ích kinh tế tối đa. Ứng với mỗi loại thì số tuabin gió
lắp đặt phù hợp thể hiện trên Hình 5.7c, d. Nếu diện tích lắp đặt tuabin gió trên đảo là
một giới hạn quan trọng thì việc lựa chọn 3 tuabin gió 1,0÷1,5 MW hoặc 4 tuabin gió
0,8÷1,2 MW vẫn mang lại lợi ích khá tốt. Với điều kiện về diện tích lắp đặt trên đảo
Phú Quý hoàn toàn có thể lắp đặt 4 tuabin gió hoặc nhiều hơn, nên việc chọn 4 tuabin
gió loại 0,8÷1,2 MW hoặc 4÷5 tuabin gió 0,8 MW hoặc 6÷8 tuabin gió 0,5 MW sẽ có
lợi ích kinh tế cao hơn so với các lựa chọn khác.

4

Đơn vị pu trong các biểu đồ “So sánh các loại tuabin gió trên phương diện hiệu quả sản xuất điện năng của mỗi
tuabin gió” được tính theo sản lượng điện năng của mỗi loại chỉ 1 tuabin gió.
 21 




22 

♦ Tính toán theo tốc độ gió trung bình với tuabin gió kiểu D sử dụng SCIG
Kết quả khảo sát cho thấy nếu lắp đặt 3 tuabin gió 1,2 MW sẽ có hiệu quả cao nhất.
Vì số lượng tuabin gió lắp đặt ít nhất so với các loại khác mà vẫn đạt tỷ lệ sản xuất

điện năng lớn nhất (Hình 5.10), đồng thời có chỉ số hiệu quả khai thác trên tổng công
suất lắp đặt cao (Hình 5.11a).
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

A1/At (%)
78.05%
WT 2.0MW
WT 1.5MW
WT 1.2MW
WT 1.0MW
WT 0.8MW
WT 0.5MW

Nwlapdat

1

2

3

4

5

6

7

8

Hình 5.10 So sánh các loại tuabin gió kiểu D sử dụng SCIG trên
phương diện tỷ lệ A1/At khi vận hành ở tốc độ gió 9m/s với phụ
tải của ngày 02/07/2014.

60
50
40
30
20
10
0

P1/(PwNNwlapdat ) %

WT 2.0MW
WT 1.2MW
WT 0.8MW

49.35%

25.98%

25.98%
17.32%

1

2

3

WT 1.5MW
WT 1.0MW
WT 0.5MW

25.98%

m
68.81
80.72
83.91
84.59
84.59
84.59

Nwlapdat

4

5

6

7

8

Hình 5.11a So sánh các loại tuabin gió kiểu D sử
dụng SCIG trên phương diện tỷ lệ công suất phát
của trạm điện gió so với tổng công suất lắp đặt.

♦ Tính toán theo tốc độ gió trung bình với tuabin gió kiểu D sử dụng SG hoặc
PMSG
100 A /A (%)
90
Kết quả khảo sát cho thấy nếu lắp đặt 3
80
70
tuabin gió 2 MW hoặc 4 tuabin gió 1 MW sẽ có
60
50
40
hiệu quả cao nhất (Hình 5.14). Nếu xét theo số
30
20
10
lượng tuabin gió lắp đặt ít nhất mà vẫn đạt tỷ lệ
0
1
2

3
4
5
6
7
8
9
sản xuất điện năng lớn nhất thì chọn 3 tuabin
Hình 5.14 So sánh các loại tuabin gió kiểu D sử
gió 2 MW. Còn nếu xét theo chỉ số hiệu quả dụng SG hoặc PMSG trên phương diện tỷ lệ A1/At
khai thác trên tổng công suất lắp đặt thì chọn 4 khi vận hành ở tốc độ gió 9m/s với phụ tải của
ngày 02/07/2014.
tuabin gió 1 MW sẽ tốt nhất (Hình 5.15a).
WT 2.0MW
WT 1.5MW
P1/(PwNNwlapdat ) %
WT 1.2MW
WT 1.0MW
60
♦ Tính toán theo tốc độ gió trung bình với
49.35%
WT 0.8MW
WT 0.5MW
50
tuabin gió có tích hợp EMC
40
30
Các tính toán ở mục này thực hiện với kiểu
20
25.92%

24.30%
19.44%
tuabin gió có thể được sản xuất trong tương lai.
10
N
0
Kết quả khảo sát trên Hình 5.18 thì nên lựa
1
2
3
4
5
6
7
8
9
chọn 3 tuabin gió 1,5 MW.
Hình 5.15a So sánh các loại tuabin gió kiểu D sử
1

t

87.6 %

WT 2.0MW
WT 1.5MW
WT 1.2MW
WT 1.0MW
WT 0.8MW
WT 0.5MW

Nwlapdat

wlapdat

dụng SG hoặc PMSG trên phương diện tỷ lệ công
suất phát của trạm điện gió so với tổng công suất
lắp đặt.

5.4. Tổng kết chương
Các kết quả đạt được trong chương:
100
80
1. Đề xuất phương pháp tính toán xác định trạm
60
điện gió phù hợp với trạm điện diesel đã có ở
40
vùng cô lập.
20
N
2. Khuyến nghị về việc lắp đặt trạm điện gió
0
1
2
3
4
5
6
7
8

9
10 11
cho các vùng cô lập tương tự như đảo Phú Hình 5.18
So sánh các loại tuabin gió có tích hợp
Quý:
EMC trên phương diện tỷ lệ điện năng trạm điện
* Nếu lắp đặt các tuabin gió loại DFIG, chọn gió cung cấp trực tiếp cho phụ tải (A1 - Adsdc) so
với At khi vận hành ở tốc độ gió 9m/s với phụ tải
công suất tuabin 1 MW trở xuống là hiệu
của ngày 02/07/2014.
quả nhất, khi đó tỷ lệ điện năng của trạm
điện gió có thể đạt 84,59%At.
* Nếu lựa chọn tuabin gió kiểu D sử dụng SG hoặc PMSG thì nên lắp đặt 4 tuabin
1 MW, theo đó tỷ lệ điện năng của trạm điện gió lên đến 87,6% At.
(A1 -Adsdc)/At (%)

WT 2.0MW
WT 1.5MW
WT 1.2MW
WT 1.0MW
WT 0.8MW
WT 0.5MW
wlapdat

116.5 %

 22 

m
68.8

80.7
83.9
84.5
84.5
84.5




23 

* Hơn nữa, nếu trong tương lai loại tuabin gió tích hợp EMC được sản xuất thì sử
dụng 3 tuabin gió loại này với công suất 1,5 MW là tốt nhất (A1max=116,5% At).
* Trong điều kiện hiện nay nên lựa chọn tuabin gió kiểu D sử dụng SG hoặc
PMSG. Lựa chọn này cho phép khai thác tốt tài nguyên gió, giảm tiêu tốn diesel
và bảo vệ môi trường.
3. Các khuyến nghị khác:
* Không nên lựa chọn tuabin gió kiểu D sử dụng SCIG cho việc xây lắp trạm điện
gió trên các đảo.
* Trong trường hợp đã đầu tư trạm điện gió như hiện nay ở Phú Quý, nên vận hành
theo giải pháp mà luận án đã đề xuất để sử dụng năng lượng gió tốt hơn.
* Khuyến nghị ứng dụng phương pháp tính toán đã đề xuất làm chương trình cố
vấn cho việc lựa chọn trạm điện gió ở các vùng cô lập khác.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Chủ đề xuyên suốt toàn bộ luận án hướng đến mục tiêu nâng cao mức thâm nhập
điện gió của hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập, cụ thể là: bắt
đầu từ tổng quát về hệ thống phát điện hỗn hợp này (Chương 1), khái quát lý thuyết
và đề xuất giải pháp nâng cao mức thâm nhập điện gió có xét đến các điều kiện ràng

buộc trong vận hành (Chương 2), xây dựng mô hình đánh giá về khả năng vận hành
ổn định (Chương 3), xây dựng mô hình đánh giá hiệu quả của giải pháp đề xuất
(Chương 4); từ bài học kinh nghiệm đối với các hệ thống đã có, luận án đề xuất
phương pháp tính toán xác định trạm điện gió phù hợp với trạm điện diesel đã có ở
vùng cô lập nhằm tối đa lợi ích kinh tế trong vận hành nhưng lại giảm thấp chi phí
đầu tư (Chương 5).
Những kết quả đạt được của luận án:
1. Trên cơ sở các công trình nghiên cứu trước luận án đã tổng hợp một cách khái
quát về hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập; Phân tích các đặc
tính kỹ thuật của tuabin gió sử dụng DFIG và đặc tính của máy phát đồng bộ trong
trạm điện diesel; Nghiên cứu phân tích cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện hỗn
hợp gió – diesel.
2. Nghiên cứu mô hình hóa hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel:
* Luận án đã tổng hợp và kế thừa các nghiên cứu trước để lập mô hình toán ứng
với các chế độ vận hành.
* Đề xuất thuật toán điều khiển hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel không có
thiết bị phụ trợ trong lưới cô lập: tính toán phân phối công suất tác dụng, công
suất phản kháng, số lượng máy phát cần vận hành trong các trạm điện theo
hướng khai thác tối đa khả năng của trạm điện gió.
* Luận án đã đề xuất cấu trúc tuabin gió chuyên dụng cho lưới cô lập. Từ đó, đề
xuất phương thức vận hành hiệu quả hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel
trong lưới cô lập với tuabin gió có tích hợp EMC.
 23 