Điều khiển công suất của hệ thống điện gió

8

Chương 2
TỔNG QUAN CỦA BÀI TOÀN ĐIỀU KHIỂN CÔNG
SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ
Hiện nay xu thế năng lượng mới phát triển mang tính toàn cầu. Trong
những năm 70, thế kỷ XX, một cuộc khủng hoảng năng lượng đã khiến cho cả
nhân loại lo lắng về sự thiếu hụt các nguồn nhiên liệu bởi vì nguồn năng lượng
truyền thống (hoá thạch, thuỷ năng…) vốn được coi là nguồn năng lượng chủ
yếu hiện tại, và có thể sử dụng trong khoảng 4- 5 thập kỷ nữa giờ đây đang cạn
dần và trở nên đắt đỏ. Đây là nguyên nhân dẫn đến các cuộc chạy đua giữa các
quốc gia trong lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng những nguồn năng lượng tái tạo.
Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tái tạo được loài
người đang nhắm đến cho nhu cầu năng lượng trên thế giới trong tương lai.
Hiện nay, năng lượng gió đã mang đến nhiều hứa hẹn.
Tuy nhiên nếu muốn đẩy mạnh nguồn năng lượng nầy trong tương lai,
con người cần hoàn chỉnh thêm công nghệ này, cũng như làm thế nào để đạt
được năng suất điện năng cao để từ đó có thể hạ giá thành và đi sâu vào thị
trường cạnh tranh với những nguồn năng lượng khác. Đó là chủ đề của đề tài
nghiên cứu “ Điều khiển công suất của hệ thống điện gió” hướng đến. Sau đây
là một số đề tài được nghiên cứu liên quan đến điều khiển công suất của hệ
thống điện gió.
2.1. Các đề tài đã được nghiên cứu liên quan đến điều khiển công suất tác
dụng và phản kháng của hệ thống điện gió trong nước và ngoài nước
2.1.1. Trong nước
Đề tài NCKH cấp bộ “Nghiên cứu cải thiện chất lượng hệ thống điều
khiển máy phát điện không đồng bộ nguồn kép bằng phương pháp điều khiển
phi tuyến” của Đặng Danh Hoằng (2008). Các kết quả mô phỏng của đề tài
này thực hiện như sau:

9

Hình 2.1. Đáp ứng momen, cosφ, dòng điện rotor của máy phát 1
Kết quả mô phỏng ở tốc độ dưới đồng bộ (n = 850 v/ph); m = -4Nm, cosφ
nhảy bậc từ 0.9 lên 1 sau đó nhảy về 0.7

Hình 2.2. Đáp ứng momen, cosφ, dòng điện rotor của máy phát 2
Kết quả mô phỏng ở tốc độ dưới đồng bộ (n = 850 v/ph); với m từ = -2Nm lên
-4Nm, cosφ = 0.7


10

Hình 2.3: Đáp ứng momen, cosφ, dòng điện rotor của máy phát 3
Kết quả mô phỏng ở tốc độ dưới đồng bộ (n = 1050 v/ph); với m =-4Nm,
cosφ = 0.7

Hình 2.4. Đáp ứng momen, cosφ, dòng điện rotor của máy phát 4
Kết quả mô phỏng ở tốc độ dưới đồng bộ (n = 1050 v/ph); với m từ = -2Nm
lên -4Nm, cosφ = 0.7


11

Hình 2.5. Đáp ứng momen, cosφ, dòng điện rotor của máy phát 5
Kết quả mô phỏng ở tốc độ dưới đồng bộ (n = 950 v/ph); với m từ = - 2Nm,
-3Nm, và -4Nm, cosφ = 0.9 lên 1và về 0.7

Hình 2.6 Đáp ứng momen, cosφ, dòng điện rotor của máy phát 6
Kết quả mô phỏng khi tốc độ thay đổi nhảy từ 850v/ph lên 1050v/ph; với

m = -4Nm, cosφ = 0.72


12

Hình 2.7 Đáp ứng momen, cosφ, dòng điện rotor của máy phát ( sập lưới 10%)

Hình 2.8 Đáp ứng momen, cosφ, dòng điện rotor của máy phát ( sập lưới 25%)


13

Hình 2.9 Đáp ứng momen, cosφ, dòng điện rotor của máy phát ( sập lưới 50%)
Tác giả Đặng Danh Hoằng đưa ra những kết quả mới trong luận án như sau:
- Luận văn giải quyết việc áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến tựa
theo thụ động (Passivity - Based) cho hệ thống máy phát điện sức gió sử dụng
máy điện không đồng bộ 3 pha nguồn kép ở các chế độ làm việc bình thường
với tải đối xứng và chế độ xảy ra sự cố lỗi lưới ngắn mạch 3 pha đối xứng ở xa
gây sụt điện áp lưới.
- Khi áp dụng phương pháp điều khiển phi tuyến Passivity - Based, luận
án giải quyết được vấn đề dao động tốc độ máy phát (thay đổi tốc độ khi hệ
thống làm việc với nguồn năng lượng gió), dao động tần số góc mạch rotor khi
lỗi lưới (sập lưới một phần) đối xứng đảm bảo làm việc ổn định và bền vững.
- Khi sập lưới 50% với bộ điều chỉnh phi tuyến Passivity - Based, hệ
thống vẫn làm việc ổn định.
- Luận án đã đề xuất áp dụng phương trình Euler - Lagrange để kiểm tra
và đánh giá được tính thụ động của máy phát điện không đồng bộ 3 pha nguồn
kép, làm cơ sở để tổng hợp bộ điều chỉnh dòng máy phát bằng phương pháp
điều khiển tựa theo thụ động có kiểm chứng bằng mô phỏng offline và mô
phỏng thời gian thực.

14

Tương tự luận văn thạc sĩ về “ Bộ điều khiển hòa lưới cho máy phát
điện sức gió sử dụng máy cảm ứng nguồn kép” của tác giả Dương Quốc Hưng
thuộc trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã cho ra kết quả như sau:

Hình 2.10. Tốc độ máy phát, công suất phía Stator (Ps, Qs), Rotor (Pr, Qr) và
công suất phát của hệ thống ( P,Q) khi tốc độ gió chuyển từ 12.5m -10.5m/s

Hình 2.11. Dòng điện Rotor (Ir), dòng Stator (Is), và điện áp Rotor (Ur) khi
Vwind 12m/s xuống 10m/s


15

Hình 2.12. Dòng điện Idc, điện áp một chiều Udc và công suất một chiều Pdc
của bộ DC – Link khi Vwind 12m/s xuống 10m/s

Hình 2.13. Tốc độ máy phát), công suất phía Stator (Ps, Qs), Rotor (Pr, Qr) và
công suất phát của hệ thống ( P,Q) khi Vwind =10.5m xuống 8m/s


16

Hình 2.14 . Dòng điện Rotor (Ir), dòng Stator (Is), và điện áp Rotor Ur ) khi
Vwind từ 10.5 m/s xuống 8m/s

Hình 2.15. Dòng điện Idc, điện áp một chiều Udc và công suất một chiều

Pdc của bộ DC Link khi Vwind = 10.5m/s xuống 8m/s


17

Hình 2.16. Dòng điện Rotor (Ir), dòng Stator (Is), và điện áp Rotor Ur) khi
Vwind=12m xuống 10.5m/s với thời gian mô phỏng 0,06s

Hình 2.17. Dòng điện Rotor (Ir), dòng Stator (Is), và điện áp Rotor Ur)
khi Vwind=12m xuống 10.5m/s với thời gian mô phỏng 0,06s
Luận văn của tác giả đưa ra những kết quả đã nghiên cứu và giải quyết
được những nội dung sau:
- Tìm hiểu về hệ thống máy phát điện sức gió, bao gồm: Vai trò, tiềm năng
của năng lượng gió. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của turbine phong điện.
- Tìm hiểu về máy phát điện cảm ứng nguồn kép: Cấu tạo, nguyên lý làm
việc, các phương trình và sơ đồ thay thế máy điện.
- Tìm hiểu hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn
kép DFIG, từ đó xây dụng mô hình toán học của hệ thống.
- Tìm hiểu về bộ điều khiển kinh điển PID. Đây cũng là bộ điều khiển mà
tác giả sử dụng để thiết kế cho hệ thống.


18

- Xây dựng các bộ điều khiển (bộ điều khiển từ thông máy phát, bộ điều
khiển phía lưới, bộ điều khiển góc cánh) để lấy công suất cực đại từ gió của
hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy phát DFIG.
-Tiến hành mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab – Simulink và đã
đưa ra kết quả mô phỏng. Các kết quả mô phỏng thể hiện một cách trung thực,
khẳng định tính đúng đắn của việc xây dựng các bộ điều khiển.

- Cần nghiên cứu để tìm cách khắc phục sai lệch mô hình sao cho kết quả
nghiên cứu giữa mô hình toán học và mô hình thực tế khác nhau không nhiều
để các kết quả nghiên cứu với mô hình toán học có thể áp dụng trực tiếp cho
mô hình thực tế.
Tương tự bài báo về “ Nghiên cứu khả năng trục lưới không đồi xứng
của hệ thống phát điện chạy bằng sức gió” của tác giả Nguyễn Thị Mai
Hương, Đinh Văn Nghiệp, Trần Thị Thanh Hải -trường Đại Học Kỹ thuật
Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên đã đưa ra kết quả như sau:.

Hình 2.18. Thành phần d (a) và q (b) của dòng điện rotor đáp ứng mômen (c)
và công suất phản kháng (d)


19

Hình 2.19. Các đáp ứng khi sập lưới.
Luận văn của các tác giả đưa ra những kết quả đã nghiên cứu và giải
quyết được nội dung sau:
Khi máy phát nguồn kép đang làm việc bình thường mà xảy ra lỗi lưới thì
các thành phần dòng điện rotor và dòng điện lưới tăng rất nhanh, gấp khoảng 3
đến 4 lần dòng điện làm việc bình thường của máy phát nguồn kép tại thời
điểm trước khi xảy ra lỗi lưới. Dòng điện tăng lớn như vậy có thể phá hỏng
các bộ biến đổi nếu không có các biện pháp trụ lưới và bảo vệ các bộ biến đổi
khi xảy ra sự cố. Sách lược trụ lưới được đề xuất trong nghiên cứu này cho
phép giữ cho máy phát không bị ngắt ra khỏi lưới khi có sự cố và máy phát có
thể cung cấp năng lượng trở lại cho lưới sau khoảng vài trăm mili giây khi hết


20

lỗi. Do máy phát và bộ biến đổi phía rotor vẫn được nối với lưới nên việc vận
hành đồng bộ vẫn được duy trì trong suốt quá trình lỗi lưới.
Tương tự bài báo về “ Nghiên cứu về các đặc trưng sụp đổ điện áp trong
lưới điện có kết nối với nhà máy điện gió lưới ” của tác giả Trịnh Trọng
Chưởng trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội.

Hình 2.20. Lưới điện Ninh Thuận năm 2012

Hình 2.21. Đặc tính công suất của máy phát DFIG (VESTAS) – 2MW


21

Hình 2.22. Chỉ số VCPI các nút của lưới điện Ninh Thuận

Hình 2.23. Ảnh hưởng của quá trình mất ổn định điện áp nút 100 đến nút 19

Hình 2.24. Miền ổn định nút 99 trên mặt phẳng công suất trong các phương án


22

Bài báo của các tác giả đã phân tích các chỉ tiêu đánh giá ổn định điện áp
trong hệ thống cung cấp điện:
- Lựa chọn chỉ tiêu trong trường hợp hệ thống cung cấp điện có các nguồn
điện gió tham gia.
- Các chỉ tiêu được chọn cho phép xác định các nút yếu, nhánh yếu trong
hệ thống điện có kết nối với nhà máy điện gió sử dụng loại máy phát điện
không đồng bộ.
- Đề xuất các biện pháp nâng cao chất lượng điện áp

- Đối với các nhà máy điện gió có công suất lớn khi kết nối hệ thống điện,
trong quá trình vận hành có gây ảnh hưởng nhất định đến điện áp của lưới
điện. việc mất ổn định điện áp của chúng có thể gây ảnh hưởng đến một số nút
lân cận. việc ứng dụng tiêu chuẩn ổn đinh điện áp nút để đánh giá mức độ ổn
định của hệ thống điện có kết nối nguồn điện gió đóng vai trò quan trọng trong
quá trình thiết kế, cải tạo hay quy hoạch mạng điện trong đó các khâu yếu cần
quan tâm: các nút kết nối (Pcc), các nhánh có nối với nhà máy điện gió, giải
pháp bù công suất phản kháng luôn được chú trọng để bù vào phần công suất
mà nhà máy điện gió (WP) đã nhận về từ phía hệ thống, góp phần nâng cao
chất lượng điện áp.
Tương tự luận văn thạc sĩ về “ Nghiên cứu thiết kế hệ thống phát điện
bằng sức gió công suất nhỏ ” của tác giả Vũ Thị Thanh Phương trường Đại
Học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên, tác giả đã đưa ra kết quả nghiên
cứu

Hình 2.25. Sơ đồ khối hệ thống phát điện bằng sức gió


23

Hình 2.26. Mô hình trạm phát điện bằng sức gió công suất nhỏ
Tác giả đã giải quyết được những vấn đề sau đây:
- Nghiên cứu về các nguồn và các công nghệ sử dụng năng lượng mới và
tái tạo trên thế giới và ở Việt Nam.
- Đánh giá tiềm năng và thực trạng ứng dụng năng lượng gió ở Việt Nam:
 Tốc độ gió, cấp gió
 Chế độ gió ở Việt Nam
 Sản xuất điện năng từ năng lượng gió ở Việt Nam
- Xây dựng cấu trúc tổng quát hệ thống phát điện bằng sức gió:
 Sơ đồ khối hệ thống phát điện sức gió

 Phương pháp điều khiển máy phát đồng bộ và điều khiển máy
phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu
- Thiết kế hệ thống phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ
 Sơ đồ khối hệ thống phát điện sử dụng sức gió công suất nhỏ
 Thiết kế tính toán máy phát điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu
1,5kW
2.1.2.
Tác giả P. N. Boonchiam, A. Sode-Yome, N. Mithulananthan, K .
Aodsup “Voltage Stability in Power Network when connected Wind Farm
enerators”. Member, IEEE, PED 2009, tác giả đã đưa ra kết quả nghiên
như sau:


24

Hình 2.27. Đường cong P-V của trường hợp chuẩn IEEE hệ thống thanh cái 14

Hình 2.28. Đường cong P-V của hệ thống thanh cái 14 IEEE khi kết nối SCIG

Hình 2.29. Đường cong P-V của hệ thống thanh cái 14 IEEE khi tốc độ gió
thay đổi


25

Hình 2.30. Mối quan hệ của tốc độ gió, LF tối đa và vị trí thanh cái.

Hình 2.31. Đường cong P-V của hệ thống thanh cái 14 IEEE khi kết nối DFIG

Hình 2.32. Đường cong P-V của hệ thống thanh cái 14 IEEE khi tốc độ gió

thay đổi


26

Hình 2.33. Đường cong P-V của hệ thống thanh cái 14 IEEE khi kết nối turbine
gió và SVC

Hình 2.34. Đường cong P-V của hệ thống thanh cái 14 IEEE khi kết nối
turbine gió và STATCOM

Hình 2.35. Đường cong P-V của hệ thống thanh cái 14 IEEE khi kết nối
turbine gió với SVCI và STATCOM
Trong bài báo này tác giả đã đưa ra những nghiên cứu như sau:
- Hiệu quả của mô hình trạng thái ổn định và tốc độ cố định của máy phát
điện turbine gió tốc độ biến đổi về giới hạn ổn định điện áp, máy phát điện
lồng sóc cảm ứng (SCIG) được mô hình hóa như một thanh cái PQ thông


27

thường và được cải thiện như là một thanh cái PQ tiêu chuẩn, sự phụ thuộc
của công suất phản kháng vào nút điện áp đã được đưa vào bảng kê khai trong
trong thời gian cho phép tải lặp đi lặp lại.
- Máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG) được mô hình hóa trong mô
hình điều khiển như là một thanh cái PQ tiêu chuẩn, và trong mô hình điều
khiển điện áp như một thanh cái PV với công suất phản kháng của máy phát
điện giới hạn cưởng bức, thiết bị FACTS được chọn để cải thiện sự ổn định
điện áp. Các kết quả cho thấy rằng STATCOM có thể cải thiện yếu tố tải tối đa
tốt hơn SVC. Cả hai loại máy phát điện trang trại gió. Yếu tố tăng tải tối đa khi

thiết lập STATCOM lên đến 56,33% và 53,28% trong các hệ thống kết nối
máy phát điện lồng sóc cảm ứng và máy phát điện cảm ứng nguồn kép turbine
gió tương ứng.
Vì vậy, phương pháp này có thể tạo lợi thế trực tiếp trong việc nghiên
cứu xây dựng hệ thống điện để đáp ứng thiết lập máy phát điện turbine gió
trong ổn định điện áp.
Tương từ bài báo khoa học về “ Thuật toán tối ưu hóa cho phần tái cấu
hình mạng và điều khiển công suất phản kháng của trang trại gió trong hệ
thống phân phối ” của tác giả Jingjing Zhao, Xin Li, Jiping Lu, Congli Zhang,
State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security
and New Technology Chongqing University 400030 Chongqing, China. Tác
giả đã đưa ra kết quả nghiên cứu như sau:

Hình 2.36. Hệ thống phân phối 3 nhánh


28

Hình 2.37. Đường công tốc độ gió

Hình 2.38. công suất tác dụng của tua bin gió máy phát điện dị ứng nguồn kép

Hình 2.39. Tối đa công suất phản kháng của tuabin gió máy phát điện dị ứng
nguồn kép

Hình 2.40. Công suất tác dụng và phản kháng đạt được trong trang trại gió


29

Hình 2.41. Tổn thất điện năng của hệ thống phân phối

Hình 2.42. điện áp nút nhỏ nhất của hệ thống phân phối
Trong bài báo này, một thuật toán tối ưu hóa điểm kết nối của điều khiển
công suất phản kháng kết hợp của trang trại gió và cấu hình mạng được đề
xuất. Trong các đề xuất thuật toán tối ưu hóa, sản lượng công suất phản kháng
trang trại gió và tình trạng của thiết bị chuyển mạch được sử dụng như là bộ
điều khiển biến đổi cho các giảm thiểu tổn thất và cải thiện chất lượng điện áp.
tối ưu hóa sản lượng điện của trang trại gió và tối ưu cấu trúc mạng thu được
hiệu quả bằng cách thực hiện giới hạn công suất phản kháng của máy phát
điện nguồn kép trong các mô phỏng.Từ những kết quả đạt được trong các mô
phỏng, có thể kết luận rằng trại gió của máy phát điện nguồn kép có thể tạo
thành một nguồn công suất phản kháng liên tục quan trọng để hỗ trợ hệ thống
điều khiển điện áp. Các kết quả mô phỏng cũng cho thấy rằng để có được kết
quả giải pháp tốt hơn bằng cách sử dụng tối ưu hóa điều khiển công suất phản
kháng
Tương tự bài báo khoa học về “Điều khiển công suất phản kháng công
suất tác dụng của DFIG Sử dụng một kết hợp của VSC với PSO” của tác giả


30

1H. Abdi, 2N. Hashemnia and3 A. Kashiha, 1faculty of Engineering, Razi
University, Kermanshah, Iran. Tác giả đã đưa ra kết quả nghiên cứu như sau:

Hình 2.43. Công suất phản kháng và tác dung cho bộ điều khiển không tối ưu

Hình 2.44. Chức năng chi phí (tích hợp các lỗi) sự thay đổi trong mỗi lần lặp
lại PSO

Hình 2.45. Điều khiển tối ưu công suất phản kháng và tác dụng sử dụng
phép tính tích phân của lỗi ngõ ra.


31

Hình 2.46. Chức năng chi phí (tích hợp cộng với sự thay đổi dẫn xuất của
lỗi) trong lặp đi lặp lại PSO liên tiếp.

Hình 2.47. Công suất phản kháng và tác dụng startor cho bộ điều khiển
tối ưu bằng cách sử dụng tách rời cộng với phát sinh lỗi đầu ra

Hình 2.48. Công suất phản kháng và tác dụng startor


32

Hình 2.49. Rotor d và dòng điện trục q

Hình 2.50. Rotor d và điện áp trục q
Tác giả đã nghiên cứu điều khiển kết hợp cấu trúc biến với hệ tối ưu hóa
được sử dụng để điều khiển công suất phản kháng và tác dụng của stato của
một máy phát điện cảm ứng nguồn kép. Tham số của bộ điều khiển đã được
lựa chọn sử dụng phương pháp PSO. Chức năng thích hợp khác nhau có thể
được xem xét để có những đáp ứng đầu ra mong muốn liên quan đến các tiêu
chuẩn điều khiển. Nó đã được thể hiện qua kết quả mô phỏng dao động ít hơn
và lỗi trạng thái không ổn định có thể đạt được thông qua giảm thiểu các lỗi
đầu ra không tách rời và phái sinh của cùng một lúc.
Bài báo khoa học về “Điều khiển sản lượng tối ưu hệ trong trang trại gió
khi thực hiện yêu cầu nhà điều hành hệ thống” của tác giả Rogério G. De

Almeida, Edgardo D. Castronuovo, Member, IEEE, and J. A. Peças Lopes,
Senior Member, IEEE. Tác giả đã đưa ra kết quả mô phỏng