Nâng cao ổn định trong vận hành hệ thống điện gió nối lưới dùng statcom
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.26 MB, 85 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------
ĐẶNG ĐỨC NGHIỆM
NÂNG CAO ỔN ĐỊNH TRONG VẬN HÀNH HỆ THỐNG
ĐIỆN GIÓNỐI LƯỚI DÙNG STATCOM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------
ĐẶNG ĐỨC NGHIỆM
NÂNG CAO ỔN ĐỊNH TRONG VẬN HÀNH HỆ THỐNG
ĐIỆN GIÓNỐI LƯỚI DÙNG STATCOM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN HÙNG
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2016
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Nguyễn Hùng
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày tháng năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
Họ và tên
TT
Chức danh Hội đồng
1
PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương
Chủ tịch
2
TS. Nguyễn Minh Tâm
Phản biện 1
3
PGS.TS. Võ Ngọc Điều
Phản biện 2
4
PGS.TS. Trần Thu Hà
Ủy viên
5
TS. Đinh Hoàng Bách
Ủy viên, thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày…… tháng….. năm 20..…
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Đặng Đức Nghiệm
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 08/03/1979 Nơi sinh: Bình Định
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
MSHV: 1341830058
I- Tên đề tài:
Nâng cao ổn định trong vận hành hệ thống điện gió nối lưới dùng STATCOM.
II- Nhiệm vụ và nội dung:
-
Nghiên cứu lý thuyết ổn định của hệ thống điện.
-
Nghiên cứu lý thuyết hệ thống điện gió nối lưới.
-
Tổng quan về Statcom và ứng dụng của nó vào hệ thống điện để cải thiện
đáp ứng động của hệ thống.
-
Mô phỏng hệ thống điện gió nối lưới trên môi trường Matlab/Simulink dùng
Statcom để điều khiển công suất và cải thiện đáp ứng quá độ.
-
Nhận xét, đánh giá kết quả.
III- Ngày giao nhiệm vụ
: Tháng 02/2016
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ : Tháng 08/2016
V- Cán bộ hướng dẫn
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
TS. Nguyễn Hùng
: TS. Nguyễn Hùng
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc.
Học viên thực hiện
Đặng Đức Nghiệm
ii
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường, nay tôi đã hoàn thành đề tài
luận văn cao học của mình, có được kết quả này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đối với
Thầy TS. Nguyễn Hùng, người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi trong suốt quá
trình thực hiện Luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy trong bộ môn đã trang bị kiến thức
bổ ích cho tôi, cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi hoàn thành nghiên cứu
này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Học viên
Đặng Đức Nghiệm
iii
TÓM TẮT
Đề tài Nâng cao ổn định trong vận hành hệ thống điện gió nối lưới dùng
Statcom đã giải quyết các vấn đề sau :
-
Nghiên cứu lý thuyết ổn định của hệ thống điện.
-
Nghiên cứu lý thuyết hệ thống điện gió nối lưới.
-
Tổng quan về Statcom và ứng dụng của nó vào hệ thống điện để cải thiện
đáp ứng động của hệ thống.
-
Mô phỏng hệ thống điện gió nối lưới trên môi trường Matlab/Simulink dùng
Statcom để điều khiển công suất và cải thiện đáp ứng quá độ.
-
Nhận xét, đánh giá kết quả.
iv
ABSTRACT
Thesis Enhancement operational stability of wind power systems
connected to grid using STATCOM have resolved the following issues :
- Theoretical study voltage stability in power system.
- STATCOM theoretical research and its application in power systems to
improve transient performances.
- Research using the software Matlab/Simulink.Application simulation model
STATCOM in the power system on the software MATLAB / SIMULINK to
improve the transient responses when occursin large disturbance.
- Reviews, evaluate the results.
v
MỤC LỤC
Trang tựa
Trang
Quyết định giao đề tài
Xác nhận của cán bộ hướng dẫn
Lý lịch khoa học
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................... i
LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................ii
TÓM TẮT ..............................................................................................................iii
ABSTRACT ........................................................................................................... iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................... vii
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH .............................................viii
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................... xi
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ........................................................................ 1
1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................ 1
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ ........................................................................................ 4
1.3 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................. 4
1.4 Điểm mới của luận văn ..................................................................................... 5
Xem xét mô hình hệ thống điện gió nối lưới và thiết kế bộ điều khiển cho Statcom
để nâng cao hiệu quả vận hành trong xác lập và quá độ của hệ thống điện. .............. 5
1.5 Phạm vi ứng dụng ............................................................................................. 5
1.6 Bố cục của luận văn .......................................................................................... 5
Chương 2TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN, NĂNG LƯỢNG
GIÓ VÀ STATCOM ............................................................................................... 6
2.1. Ổn định trong hệ thống điện ............................................................................. 7
2.2. Giới hạn ổn định trong hệ thống điện ................................................................ 9
2.2.1. Giới hạn điện áp ...................................................................................... 9
2.2.3. Giới hạn ổn định.................................................................................... 11
2.3 Nguyên lý làm việc và điều khiển turbine gió .................................................. 15
vi
2.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống điện gió ............................. 15
2.3.2 Đặc tính chung của các loại máy phát điện gió ....................................... 18
2.3.3 Các mô hình toán học của hệ thống điện gió .......................................... 21
2.3.4 Thuật toán điều khiển công suất hệ thống điện gió dùng DFIG............... 22
2.3.5 Thuật điều khiển công suất của hệ thống điện gió................................... 30
2.3.6 Mô hình máy phát điện không đồng bộ cảm ứng nguồn kép DFIG trong
MATLAB/SIMULINK ................................................................................... 37
2.3.7 Kết Luận ................................................................................................ 40
2.4. Cấu trúc, nguyên lý hoạt động và điều khiển STATCOM ............................... 40
2.4.1. Cấu trúc cơ bản của STATCOM ........................................................... 40
2.4.2. Nguyên lý hoạt động của STATCOM ................................................... 41
2.4.3 Hệ thống điều khiển của Statcom ........................................................... 43
2.4.4 Các đặc tính của Statcom ....................................................................... 45
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ ......................................... 47
3.1. Phần mềm MATLAB/SIMULINK ................................................................. 47
3.2. Mô hình hệ thống điện gió IG nối lưới ............................................................ 48
3.2.1. Sơ đồ đơn tuyến .................................................................................... 48
3.2.2. Sơ đồ Simulink...................................................................................... 48
3.3 Mô hình hệ thống điện gió DFIG nối lưới ........................................................ 60
3.3.1 Mô hình turbine gió DFIG ...................................................................... 61
3.3.2 Mô hình STATCOM .............................................................................. 62
3.3.3 Phân tích ổn định theo không gian trạng thái .......................................... 63
3.3.4 Phân tích miền thời gian ......................................................................... 63
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .......................... 68
4.1 Kết luận ........................................................................................................... 68
4.2 Hướng phát triển đề tài .................................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 69
vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
STATCOM (Static Synchronous Compensator): bộ bù đồng bộ tĩnh SSSC (Static
Synchronous Series Compensator): dãy bù đồng bộ tĩnh FACTS (Flexible
Alternating Current Transmission System): hệ thống truyền tải điện xoay chiều.
SVC (Static Var Compensator): bộ bù công suất phản kháng
PLL (Phase Locked Loop): vòng khóa pha
VSC (Voltage Source Converter): bộ chuyển đổi nguồn áp
AC (Alternating Current): dòng điện xoay chiều
DC (Direct Current): dòng điện một chiều
GTO: Gate-TurnOff Thyristor
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor
PWM: ( Pulse Width Modulation): Điều chế độ rộng xung
MBA: Máy Biến Áp
CSTD: Công Suất Tác Dụng
CSPK: Công Suất Phản Kháng
IG (Induction Generator): Máy phát điện gió cảm ứng
DFIG (Doubly-Fed Induction Generator): Máy phát điện gió nguồn kép
PID: Bộ điều khiển PID
viii
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH
Nội dung
Trang
Hình 1.1- Minh họa về tiêu chuẩn ITIC (CBEM ..................................................... 1
Hình 1.2- Minh họa về tiêu chuẩn SEMI F47 (Nguồn ABB) ................................... 2
Hình 2.1: Phân loại ổn định trong hệ thống điện .................................................... 7
Hình 2.2: Các đường cong P-V không có và có bù song song ................................ 9
Hình 2.3: Nhiễu trong hệ thống điện .................................................................... 11
Hình 2.4: Đường cong công suất-góc................................................................... 12
Hình 2.5: Sự thay đổi góc của hệ thống ổn định quá độ (a) và hệ thống mất ổn định
(b) ....................................................................................................................... 13
Hình 2.6: Độ thay đổi góc của HT ổn định dao động bé (a), HT ổn định dao động
(b), HT mất ổn định (c)........................................................................................ 14
Hình 2.7: Giới hạn vận hành của đường dây theo các mức điện áp .................... 15
Hình 2.8: Mô hình các thành phần chính của turbine gió ..................................... 15
Hình 2.9: a) Cột tháp thanh sắt chéo (Lattice Tower); b) Cột tháp chằn giữ (Guyed
Tower); c) Cột tháp tiêu chuẩn tự do (Free Tower) .............................................. 17
Hình 2.10: Hệ thống máy phát điện nguồn kép ................................................... 18
Hình 2.11:Máy phát điện kiểu lồng sóc ............................................................... 18
Hình 2.12:Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cữu ........................................ 19
Hình 2.13:Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu ........................................ 20
Hình 2.14: Hệ thống điện gió ............................................................................... 21
Hình 2.15: Máy phát điện cảm ứng nguồn kép loại turbine chạy bằng sức gió
trong đó: .............................................................................................................. 23
Hình 2.16: Chế độ hoạt động dưới đồng bộ của DFIG ......................................... 27
Hình 2.17: Chế độ hoạt động trên đồng bộ của DFIG ......................................... 28
Hình 2.18: Mô hình hoạt động đồng bộ của DFIG ............................................... 29
Hình 2.19: Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG (mạch trục q) .................... 30
ix
Hình 2.20: Sơ đồ mạch điện tương đương của DFIG (mạch trục d) ..................... 30
Hình 2.21: Mạch tương đương mỗi pha của máy phát điện nguồn kép ................. 31
Hình 2.22:Sơ đồ tổng thểđiều khiểnDFIG ............................................................ 32
Hình 2.23: Xây dựng bộ điều khiển vòng lặp bên trong dòng rotor ..................... 35
Hình 2.24: Xây dựng bộ điều khiển vòng lập bên ngoài công suất tác dụng và phản
kháng.................................................................................................................. 35
Hình 2.25: Điều khiển công suất của DFIG ......................................................... 37
Hình 2.26:Cấu trúc của bô điều khiển bên rotor ................................................... 37
Hình 2.27:Cấu trúc biến đổi của bộ điều khiển phía lưới ..................................... 38
Hình 2.28: Cấu trúc cơ bản của STATCOM ....................................................... 39
Hình 2.29: Nguyên lý hoạt động cơ bản STATCOM .......................................... 40
Hình 2.30: Nguyên lý bù của bộ bù STATCOM ................................................. 41
Hình 2.31: Trạng thái hấp thụ công suất phản kháng của bộ bù .......................... 41
Hình 2.32: Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù ................................ 42
Hình 2.33: Hệ thống điều khiển của STATCOM ................................................. 43
Hình 2.34: Đặc tính V-I của STATCOM ............................................................ 44
Hình 2.35: Đặc tính Q-V của STATCOM ............................................................ 45
Hình 3.1: Sơ đồ đơn tuyến hệ điện gió IG nối lưới .............................................. 47
Hình 3.2: Các phần tử hệ thống, đường dây, máy biến áp trong Simulink ............ 48
Hình 3.3: Sơ đồ điều khiển STATCOM ............................................................... 49
Hình 3.3: Nhà máy điện gió 9MW ...................................................................... 49
Hình 3.4: Mô hình điều khiển turbine gió IG ....................................................... 50
Hình 3.5: Điều khiển công suất nhà máy điện gió nối lưới ................................... 51
Hình 3.6: Khảo sát tốc độ gió 9m/s ...................................................................... 52
Hình 3.7: Đáp ứng của turbine khi tốc độ gió thay đổi ......................................... 52
Hình 3.8: Điều khiển công suất và điện áp tại nút B25 ........................................ 53
Hình 3.9: Đáp ứng turbine 1 và 3 khi xảy ra ngắn mạch ...................................... 54
Hình 3.10: Công suất bù và điện áp đầu cực Statcom ......................................... 55
x
Hình 3.11: Mô hình hệ thống điện gió DFIG nối lưới .......................................... 56
Hình 3.12. Bộ điều khiển cho STATCOM .......................................................... 57
Hình 3.1.3: So sánh đáp ứng quá độ của hệ thống khi ngắn mạch ba pha tại thanh
cái vô cùng lớn ................................................................................................... 61
xi
DANH MỤC CÁC BẢNG
BẢNG
TRANG
Bảng 2.1: So sánh máy phát điện dẫn động trực tiếp và máy phát điện dẫnđộng
bằng hộp số…….………………………………………………………………..20
Bảng 2.2: So sánh chi phí máy phát điện gió dẫn động bằng hộp số DFIG, EESG
dẫn động trực tiếp PMSG ……………………………………………………..21
Bảng 3.1 : Các trị riêng của hệ thống nghiên cứu…………………………….59
1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1 Đặt vấn đề
Cùng với sự phát triển nhanh của các loại phụ tải điện và yêu cầu ngày càng
cao của khách hàng sử dụng điện, đặc biệt là các dây chuyền công nghệ sản xuất với
độ chính xác cao, độ nhạy cao như các nhà máy sản xuất vi mạch, sản xuất bán
dẫn…
Hiện nay trên thế giới, các tiêu chuẩn chất lượng điện năng được sử dụng
phổ biến là IEC 61000, EN50160, IEEE519…ngoài ra một số quốc gia xây dựng
tiêu chuẩn chất lượng điện năng riêng như G5/4 (Anh), AS 2271 (Australia), PRCPQG-01/1998, PRC-PQG-01/1998 (Thái Lan)...
Đối với dao động điện áp, hai tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến cho khả
năng kháng dao động của hệ thống công nghệ tin học là Information Technology
industry Council ITIC (CBEMA) curve (1996) và của dây chuyền công nghệ sản
phẩm linh kiện bán dẫn SEMI F47-0706 Specification for Semiconductor
Processing Equipment Voltage Sag Immunity.
Vùng hạn chế
Điện áp
Vùng hệ thống nhà máy bị ảnh hưởng song
không làm hư hỏng thiết bị
Chu kỳ
Hình 1.1- Minh họa về tiêu chuẩn ITIC (CBEMA)
Biên độ sụt áp
2
Các sụt áp màu hồng ảnh hưởng
tới hoạt động nhà máy.
Số chu kỳ sụt áp (cycles)
Hình 1.2- Minh họa về tiêu chuẩn SEMI F47 (Nguồn ABB)
Việt Nam là một quốc gia thành viên của Tổ chức thương mại thế giới
(WTO) đang chuyển mình để hòa nhập cùng với các nước trên thế giới, theo đó, sẽ
xuất hiện ngày càng nhiều phụ tải với yêu cầu về chất lượng điện năng ngày càng
cao trên lưới điện Việt Nam. Tuy nhiên, chưa có nhiều công trình nghiên cứu về
chất lượng điện năng đối với lưới điện Việt Nam được công bố.
Ngày nay, việc phát triển kỹ thuật thyristor công suất lớn đã mở ra những
khả năng mới, một trong số đó là việc ra đời và ứng dụng các thiết bị FACTS có
nhiệm vụ bù tĩnh, điều chỉnh nhanh công suất lớn như STATCOM (Static
Synchronous Compensator), SVC (Static Var Compensator), TCSC (ThyristorControlled Series Capacitor)…Ứng dụng của thiết bị FACTS có thể được dùng
trong 3 trạng thái của hệ thống, bao gồm: trạng thái xác lập (thông thường), trạng
thái quá độ (thông thường) và trạng thái xác lập sau quá độ. Các thiết bị FACTS có
thể điều chỉnh công suất tác dụng và công suất phản kháng, điều chỉnh điện áp,
giảm dao động công suất,…
Một trong đại diện của các thiết bị FATCS, với khả năng đáp ứng nhanhm
linh hoạt đó là STATCOM, hay có tên gọi khác là thiết bị chuyển đổi nguồn áp.
STATCOM là kỹ thuật được sử dụng như một nguyên lý làm việc của bộ bù ngang
3
ứng động để điều khiển công suất tác dụng và công suất phản khảng trên hệ thống
điện truyền tải và phân phối.
STATCOM có khả năng phát hoặc thu công suất phản kháng, mà công suất
phản kháng này có thể được thay đổi để điều khiển các thông số của hệ thống điện.
STATCOM có thể cải thiện hiệu suất của hệ thống điện như sau:
-
Điều khiển điện áp động trong hệ thống truyền tải và phân phối.
-
Ổn định quá độ.
-
Điều khiển nhấp nháy điện áp
-
Không chỉ điều khiển công suất phản kháng mà còn điều khiển công suất
tác dụng nếu cần.
Với những khả năng trên, STATCOM có thể được ứng dụng trong việc cải
thiện chất lượng điện áp, đặc biệt là các khu vực lưới điện gần với khách hàng sử
dụng điện với yêu cầu về điện áp chất lượng cao.
Hệ thống điều khiển là bộ não của STATCOM đối với việc điều khiển bù
ứng động công suất phản kháng cho hệ thống điện. Trên cơ sở các yêu cầu vận
hành, dạng ứng dụng, cấu trúc hệ thống và tối ưu tổn hao, các thông số điều khiển
chủ yếu được điều khiển để đạt được hiệu suất mong muốn và rất nhiều phương
pháp điều khiển dựa trên mạch động lực của STATCOM đã được nghiên cứu.
Nhiều kỹ thuật điều khiển cũng được đề xuất để thực hiện như kỹ thuật điều khiển
PI, PID, điều chế độ rộng xung (PMW). Xu hướng ngày nay, nhằm cải thiện giải
thuật điều khiển, người ra bắt đầu nghiên cứu thử các kỹ thuật điều khiển khác như:
điều khiển mờ, nơ-ron, nơ-ron mờ. Tuy nhiên với các giải thuật điều khiển thuộc
các công trình nghiên cứu trước đây có một số hạn chế sau:
-
Đối với giải thuật điều khiển PI, PID không đáp ứng tốt trong các chế độ
vận hành khác nhau.
-
Một số công trình nghiên cứu không giám sát điện áp một chiều (DC)
trong quá trình làm việc và điều khiển STATCOM.
Ngoài ra, Việt Nam chưa nhiều công trình nghiên cứu về STATCOM được
công bố. Đối với các công trình đã công bố, hầu hết tập trung chủ yếu vào việc lựa
4
chọn và xác định vị trí tối ưu để lắp đặt trên lưới điện, nâng cao ổn định điện áp,
ứng dụng trong truyền tải điện năng và chưa có nhiều công bố về giải thuật điều
khiển STATCOM đối với các bài toán hệ thống điện.
Do đó, để tạo môi trường thuận lợi và có cơ sở hạ tầng tốt (trong đó có hạ
tầng về cung cấp điện với chất lượng cao) nhằm thu hút các nhà đầu tư nước ngoài
trong lĩnh vực công nghệ cao, vấn đề chất lượng điện áp cần phải được nghiên cứu
nhiều hơn. Và việc nghiên cứu giải thuật điều khiển tiên tiến khác và áp dụng vào
việc điều khiển STATCOM nhằm nâng cao chất lượng của bộ điều khiển, nâng cao
hiệu quả làm việc của STATCOM và góp phần vào việc cải thiện chất lượng điện
áp, đặc biệt đối với các khu vực gần với khách hàng sử dụng điện là thực sự cần
thiết.
Đảm bảo chất lượng điện áp khi vận hành bình thường hoặc ổn định sau khi
chịu tác động nhiễu là rất cần thiết và quan trọng, đó là lý do tác giả lựa chọn đề
tài“Nâng cao ổn định trong vận hành hệ thống điện gió nối lưới dùng
Statcom”nhằm nghiên cứu ứng dụng thiết bị bù đồng bộ tĩnh STATCOM vào hệ
thống điện gió nối lưới để để khiển công suất và cải thiện đặc tính quá độ của hệ
thống khi xảy ra ngắn mạch 3 pha.
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ
-
Nghiên cứu lý thuyết ổn định của hệ thống điện. Tổng quan về Statcom và
ứng dụng của nó vào hệ thống điện để cải thiện đáp ứng động của hệ thống.
-
Mô phỏng hệ thống điện gió nối lưới trên môi trường Matlab/Simulink dùng
Statcom để điều khiển công suất và cải thiện đáp ứng quá độ.
1.3 Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết ổn định hệ thống điện.
-
Nghiên cứu lý thuyết hệ thống điện gió nối lưới.
- Nghiên cứu lý thuyết về Statcom và ứng dụng của nó vào hệ thống điện để
cải thiện ổn định quá độ.
5
- Mô phỏng ứng dụng Statcom dùng bộ điều khiển PID cho hệ thống điện gió
nối lưới trên phần mềm Matlab/Simulink.
- Nhận xét, đánh giá kết quả.
1.4 Điểm mới của luận văn
Xem xét mô hình hệ thống điện gió nối lưới và thiết kế bộ điều khiển cho
Statcom để nâng cao hiệu quả vận hành trong xác lập và quá độ của hệ thống điện.
1.5 Phạm vi ứng dụng
-
Ứng dụng cho hệ thống điệngió nối lưới.
-
Làm tài liệu tham khảo cho thiết kế vận hành lưới điện.
1.6 Bố cục của luận văn
Chương 1: Giới thiệu đề tài
Chương 2: Tổng quan về ổn định hệ thống điện, năng lượng gió và Statcom
Chương 3: Mô hình mô phỏng và kết quả
Chương 4:Kết luận và hướng phát triển đề tài
6
Chương 2 TỔNG QUAN ỔN ĐỊNH ĐỘNG HỆ THỐNG ĐIỆN,
NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ STATCOM
Hệ thống truyền tải điện ngày nay là một mạng phức tạp. đường dây truyền
tải điện kết nối tất cả các nhà máy điện và tất cả các điểm phụ tải chính trong hệ
thống điện. Các đường dây truyền tải nguồn công suất lớn theo hướng đi mong
muốn theosự kết nối của hệ thống truyền tải để đạt được sự phân bố công suất mong
muốn. Hơn nữa, đặc điểm chính của hệ thống truyền tải điện ngày nay là có nhiều
cấu trúc mạch vòng, trái với hệ thống truyền tải điện trước đây có nhiều cấu trúc
hình tia, cung cấp công suất từ máy phát đến phụ tải xác đinh.
Việc truyền tải công suất ở trạng thái tĩnh có thể bị giới hạn bởi sự phân bố
công suất song song hoặc mạch vòng. Việc phân bố đó thường xảy ra trong hệ
thống mạng nhiều phát tuyến, kết nối hệ thống điện, dẫn đến các đường dây bị quá
tải dưới các vấn đề về dạng nhiệt hoặc giới hạn điện áp.
Hệ thống điện làm việc có sự đồng bộ đối với việc phát công suất điện. Nó
là yêu cầu cơ bản để phát hết công suất của tất cả các máy phát trong vận hành hệ
thống điện với việc duy trì tần số chung. Tuy nhiên, hệ thống điện chịu tác động của
các thay đổi nhiễu loạn động, nhiễu loạn có thể là nguyên nhân của sự thay đổi đột
ngột sự cân bằng công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống và hậu quả của
việc hư hỏng trong máy phát. Khả năng của hệ thống điện để phục hồi từ các nhiễu
loạn và xác lập trở lại trạng thái đồng bộ mới dưới các điều kiện tác động ngẫu
nhiên trở thành việc thiết kế chính và các giới hạn vận hành đối với khả năng truyền
tải.
Khả năng này thường là đặc tính giới hạn ổn định hệ thống. Theo các vấn đề
đã được đặt vấn đề trước đây, khả năng của hệ thống điện để đáp ứng nhu cầu phụ
tải được giới hạn chính bằng hai chỉ số: phân bố công suất trên các đường dây và
các giới hạn ổn định của hệ thống điện. Trong chương này chúng ta quan tâm đến
các vấn đề cơ bản của việc kiểm soát hệ thống điện và khả năng ổn định, quan tâm
đến việc điều khiển công suất và các giới hạn ổn định
7
2.1. Ổn định trong hệ thống điện
Hệ thống điện được phân loại ổn định dựa trên các chỉ tiêu như ổn định góc
rotor, điện áp và tần số. Quá trình phân loại ổn định trong hệ thống điện được trình
bày trong sơ đồ sau:
Hình 2.1: Phân loại ổn định trong hệ thống điện
Ổn định điện áp là khả năng của hệ thống điện để duy trì điện áp ổn định tại
tất cả các thanh cái trong hệ thống điện sau khi chịu tác động của nhiễu loạn từ điều
kiện vận hành trước đó. Ổn định điện áp phụ thuộc vào khả năng duy trì, phục hồi
trạng thái cân bằng giữa nhu cầu phụ tải và khả năng cấp điện cho phụ tải từ hệ
thống điện. Ổn định điện áp được phân thành hai dạng dựa theo thời gian mô
phỏng: Ổn định điện áp tĩnh và ổn định điện áp động. Phân tích ổn định điện áp tĩnh
liên quan đến việc giải các phương trình đại số và vì thế nó ít phép tính hơn so với
nghiên cứu ổn định điện áp động.
Sự mất ổn định xuất hiện dưới dạng thường thấy là điện áp tăng lên hoặc
giảm xuống của một số các thanh cái. Hậu quả của việc mất ổn định điện áp là hệ
thống bảo vệ relay sẽ tác động cắt điện một số phụ tải trong khu vực, hoặc cắt
8
đường dây truyền tải điện hoặc các phần tử khác mà điều này có thể dẫn đến mất ổn
định đồng bộ của một số máy phát điện trong hệ thống. Trong luận văn này tác giả
quan tâm đến việc ổn định điện áp của hệ thống điện và mô phỏng ổn định điện áp
của hệ thống điện khi có các thiết bị điều khiển FACTS(STATCOM) bằng phần
mềm Matlab/Simulink. Ổn định điện áp đuợc phân thành bốn dạng: Ổn định điện áp
nhiễu loạn lớn, ổn định điện áp nhiễu loạn bé, ổn định điện áp trong ngắn hạn và ổn
định điện áp trong dài hạn. Tóm tắt ngắn gọn các loại ổn định điện áp nhu sau:
Ổn định điện áp nhiễu loạn lớn: Khả năng của hệ thống điện để duy trì ổn
định điện áp ngay sau khi các nhiễu loạn lớn xảy ra nhu các sự cố hệ thống, ngắt
máy phát điện, hoặc ngắn mạch. Khả năng này đuợc xác định bởi đặc tính của hệ
thống và phụ tải, và ảnh huởng của cả hệ thống điều khiển và bảo vệ. Nghiên cứu
ổn định này quan tâm trong khoảng thời gian từ một vài giây đến 10 phút.
Ổn định điện áp nhiễu loạn bé: Khả năng của hệ thống để duy trì ổn định
điện áp khi hệ thống xảy ra các dao động bé nhu việc gia tăng sự thay đổi trong hệ
thống phụ tải. Đây là dạng ổn định bị ảnh huởng bởi đặc tính của phụ tải, việc điều
khiển liên tục, và điều khiển gián đoạn ở thời gian tức thời đã cho trước.
Ổn định điện áp trong ngắn hạn: liên quan đến tác động của các thành phần
phụ tải thay đổi nhanh nhu mô-tơ cảm ứng, phụ tải có điều khiển bằng thiết bị điện
tử và các bộ chuyển đổi HVDC. Nghiên cứu quá trình trong khoảng vài giây.
Ổn định điện áp trong dài hạn: liên quan đến các thiết bị hoạt động chậm
hơn nhu máy biến áp điều nấc, các phụ tải có điều khiển theo nhiệt độ và các máy
phát điện có bộ hạn dòng. Thời gian quá độ có thể đuợc mở rộng một vài phút và
dài hơn nữa. Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến mất ổn định điện áp của
hệ thống điện là thiếu công suất phản kháng để hổ trợ cho hệ thống. Việc cải thiện
khả năng điều khiển công suất phản kháng của hệ thống bằng thiết bị là một biện
pháp để ngăn chặn mất ổn định điện áp và hơn nữa là sụp đổ điện áp. Đặc tính P-V
cho thấy điện áp ở thanh cái đầu cuối tỷ lệ nghịch với công suất truyền tải được
minh họa trong Hình 2.2 sau đây
9
Hình 2.2: Các đường cong P-V không có và có bù song song
Khi công suất truyền tải gia tăng, điện áp ở đầu nhận cuối giảm. Cuối cùng,
điểm giới hạn (nose), tại điểm giới hạn công suất phản kháng của hệ thống đã được
đem ra sử dụng hết, đến đây nếu gia tăng truyền tải công suất tác dụng thì sẽ dẫn
đến giảm biên độ điện áp rất nhanh. Trước khi đến điểm giới hạn, độ sụt áp là rất
lớn làm cho tổn thất công suất phản kháng trở nên trầm trọng. Chỉ bằng cách bảo vệ
hệ thống khỏi bị sụp đổ điện áp là giảm công suất phản kháng của phụ tải hoặc hổ
trợ công suất phản kháng trước khi hệ thống đến điểm sụp đổ điện áp. Các thiết bị
FACTS có thể cung cấp công suất phản kháng theo yêu cầu để gia tăng biên độ ổn
định điện áp.
2.2.Giới hạn ổn định trong hệ thống điện
Để tin cậy, hệ thống điện có thể vận hành có các giới hạn truyền tải công
suất. Các giới hạn này sẽ ràng buộc việc phát và truyền tải công suất tác dụng và
phản kháng trong hệ thống. Các giới hạn này được chia thành 3 dạng: giới hạn
nhiệt, giới hạn điện áp và giới hạn ổn định.
2.2.1. Giới hạn điện áp
Các thiết bị điện của điện lực và khách hàng được thiết kế để hoạt động ở
10
công suất định mức hoặc điện áp định mức.Phần lớn, sự lệch áp kéo dài so với mức
điện áp định mức có thể gây bất lợi cho đặc tính làm việc của chúng.Nghiêm trọng
hơn nữa là có thể phá hủy thiết bị.Dòng điện chạy trong đường dây truyền tải gây ra
một sụt áp lớn không mong muốn trên đường dây của hệ thống.Điện áp rơi là
nguyên nhân chính gây nên tổn thất công suất phản kháng.Tổn thất này xảy ra ngay
khi có dòng điện chạy trong hệ thống.Nếu công suất phát ra từ các máy phát điện
hoặc các nguồn phátkhác là không đủ để cung cấp cho nhu cầu của hệ thống, thì
điện áp sẽ bị giảm.
Giới hạn chấp nhận là +6% giá trị điện áp định mức. (Phụ thuộc vào tiêu
chuẩn cho phép của từng cấp điện áp và từng quốc gia khác nhau). Hệ thống thường
yêu cầu hổ trợ công suất phản kháng để giúp ngăn chặn vấn đề điện áp giảm thấp.
Tổng công suất phản kháng sẵn sàng hổ trợ thường được xác định theo giới hạn
truyền tải công suất. Hệ thống có thể bị hạn chế đến mức thấp công suất tác dụng
truyền tải hơn mong muốn bởi vì hệ thống không đáp ứng yêu cầu dự trữ công suất
phản kháng đủ để hổ trợ điện áp.
2.2.2. Giới hạn nhiệt
Các giới hạn nhiệt do khả năng chịu nhiệt của các thiết bị hệ thống điện.
Ngay khi công suất truyền tải gia tăng, biên độ dòng điện gia tăng, dẫn đến hư hỏng
quá nhiệt. Cho ví dụ, trong các nhà máy điện, việc vận hành liên tục các thiết bị ở
mức giới hạn vận hành tối đa sẽ dẫn đến hư hỏng do nhiệt. Việc hư hỏng này có thể
là cuộn dây stator hoặc cuộn dây rotor của máy phát điện. Cả công suất tác dụng và
phản kháng đều tác động đến biên độ dòng điện. Ngoài ra trong hệ thống điện, các
đường dây truyền tải và thiết bị liên quan cũng phải vận hành có các giới hạn nhiệt.
Việc phải thường xuyên vận hành quá tải các đường dây trên không làm cho cấu
trúc kim loại của dây dẫn bị phá vỡ, làm giảm khả năng dẫn điện của chúng. Không
giống thuộc vào cách điện của chúng và hơn nữa là không khí làm mát lượng nhiệt
năng phát ra. Các thiết bị này được hạn chế dòng điện để chúng mang tải một cách
an toàn. Đối với hai thiết bị loại này, quá tải liên tục sẽ làm giảm tuổi thọ của thiết
