Xác định vị trí và dung lượng của máy phát điện gió để cải thiện ổn định hệ thống điện

LỜI CẢM ƠN
Trong luận văn thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật điện với đề tài “xác định vị trí và
dung lƣợng của máy phát điện gió để cải thiện ổn định hệ thống lƣới điện” là kết
quả của quá trình cố gắng không ngừng của bản thân và đƣợc sự giúp đỡ, động viên
khích lệ của các thầy, bạn bè đồng nghiệp và ngƣời thân. Thông qua luận văn này
tác giả xin gửi lời cảm ơn tới những ngƣời đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học
tập - nghiên cứu vừa qua.
Tơi xin tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với TS. Dƣơng Thanh Long đã trực
tiếp tận tình hƣớng dẫn cũng nhƣ cung cấp tài liệu thơng tin cần thiết cho tơi để
hồn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Trƣờng đại học Công Nghiệp TPHCM, khoa
Sau đại học, khoa Công Nghệ Điện và các Bộ môn đã tạo điều kiện cho tơi hồn
thành tốt cơng việc nghiên cứu luận văn của mình.
Cuối cùng tơi cũng xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp đã giúp đỡ tơi trong suốt
q trình học tập, công tác và thực hiện Luận văn này.

i


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hệ thống điện là một trong những hệ thống phức tạp, nó đƣợc phát triển liên tục để
đáp ứng sự phát triển kinh tế và nhu cầu tăng cơng suất. Máy phát gió đã trải qua sự
phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây và đã đƣợc ghi nhận là môi trƣờng
thân thiện và cạnh tranh về kinh tế trên phƣơng diện sản xuất điện. Trong tƣơng lai
gần, sự tham gia của điện gió trong hệ thống điện sẽ đƣợc tăng lên và bắt đầu thay
thế các máy phát điện thông thƣờng. Kết quả là nó cũng bắt đầu ảnh hƣởng đến
trạng thái của tồn bộ hệ thống. Vì vậy, ảnh hƣởng của máy phát gió đến ổn định
động hệ thống cần phải đƣợc nghiên cứu kỹ lƣỡng để xác định các vấn đề phát sinh
và phát triển các phƣơng pháp để loại bỏ các vấn đề phát sinh đó.
Trạng thái động của hệ thống đƣợc xác định chủ yếu là bởi máy phát điện. Ảnh
hƣởng động trong hệ thống điện của máy phát điện gió có thể khác so với máy phát

điện thơng thƣờng. Vấn đề chính trong xem xét ảnh hƣởng động của hệ thống thông
thƣờng là ổn định điện áp và ổn định thoáng qua. Một hệ thống đƣợc xem là ổn định
điện áp nếu nhƣ điện áp đƣợc duy trì trong giới hạn vận hành. Duy trì ổn định
thống qua trong hệ thống là một vấn đề lớn trong vận hành hệ thống. Đó là khả
năng duy trì đồng bộ của các máy điện khi xảy ra mất cân bằng lớn.
Luận văn tập trung phân tích ảnh hƣởng vị trí và dung lƣợng của của máy phát gió
đến ổn định điện áp và ổn định thoáng qua của hệ thống điện. Máy phát gió đƣợc sử
dụng trong nghiên cứu này là máy phát cảm ứng nguồn kép (DFIG). Để cải thiện ổn
định hệ thống, máy phát gió đƣợc lắp đặt tại các vị trí khác nhau để tìm ra vị trí tốt
nhất và cơng suất gió đƣợc thay đổi để xác định giá trị tối ƣu. Kết quả mô phỏng
đƣợc thực hiện trên phần mềm PSAT/Matlab/Simulink mà cho phép truy cập vào
thƣ viện với nhiều mơ hình phần tử hệ thống điện và mơ hình máy phát gió tƣơng
ứng. Hệ thống IEEE 9 nút và IEEE 14 nút đƣợc sử dụng để kiểm tra hiệu quả của
phƣơng pháp đề nghị. Kết quả mơ phỏng cho thấy rằng máy phát gió có thể cải
thiện đáng kể ổn định hệ thống cho các vị trí sự cố khác nhau.

ii


ABSTRACT
Power systems are complex systems that evolve over years in response to economic
growth and continuously increasing power demand. Wind power generation has
experienced a tremendous growth in the past decade, has been recognized as an
environmental friendly and economically competitive means of electric power
generation. In the near future, wind power penetration in electrical power systems
will increase and will start to replace the output of conventional synchronous
generators (CSGs). As a result, it may also begin to influence overall power system
behavior. Hence, the impact of wind power on the dynamics of power systems
should be studied thoroughly in order to identify potential problems and to develop
measures to mitigate those problems.

The dynamic behavior of a power system is determined mainly by the generators.
Wind turbine generators (WTGs) affect the dynamic behavior of the power system
in a way that might be different from CSGs. The major issues to be considered are
voltage stability and transient stability. A power system is said to be voltage stable
if it maintains voltage within operational limits. Maintaining the transient stability
of the system is another major issue in the operation of power system. It is the
ability to maintain synchronous operation of the machines when subjected to a large
disturbance.
This thesis presents a detailed analysis of the optimum location and rating of wind
turbine for studying the voltage stability and transient stability of electric power
system. The wind turbine used is a variable speed doubly-fed induction generator
(DFIG). In order to enhance transient stability of the grid system, the wind turbine
has been installed at different buses to get the best location. The wind power has
been changed to obtain the optimum valu e. The simulation analysis was established
by PSAT/MATLAB, which gives access to an extensive library of grid components,
and relevant wind turbine model. An IEEE 9-bus and IEEE 14-bus system are used

iv


to evaluate the performance of proposed approach. Simulation results show that
wind turbine can improve significant transient stability for different fault locations.

v


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả nghiên
cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một
nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có)

đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Học viên

Vũ Đức Vạn

vi


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ .............................................................................ii
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... vi
MỤC LỤC .................................................................................................................vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... x
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... xv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................ xviii
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1.

Đặt vấn đề ......................................................................................................... 1

2.

Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................... 2

3.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu..................................................................... 2

4.

Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................... 2

5.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài .............................................................................. 2

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

3

1.1

Ổn định trong hệ thống điện .......................................................................... 3

1.1.1

Ổn định tĩnh ................................................................................................... 4

1.1.2

Ổn định động ................................................................................................. 4

1.1.3

Ổn định với sự cố thoáng qua ........................................................................ 4

1.1.4

Ổn định điện áp.............................................................................................. 7

1.2

Phƣơng trình cơng suất góc của hệ thống 2 máy ........................................... 7

1.3

Phƣơng trình dao động ................................................................................. 10

1.4

Đồ thị dao động ............................................................................................ 11

CHƢƠNG 2

HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

13

2.1

Các loại máy phát trong hệ thống năng lƣợng gió ....................................... 13

2.1.1

Máy phát điện đồng bộ ................................................................................ 13

2.1.2

Máy phát điện cảm ứng ............................................................................... 14

2.1.3

Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc ........................................................ 14

2.1.4

Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn ....................................................... 15

2.1.5

Máy phát điện không đồng bộ nguồn đôi DFIG.......................................... 15

2.1.5.1 Nguyên lý làm việc của DFIG .................................................................... 16

vii


2.1.5.2 Lƣu lƣợng công suất của DFIG ................................................................... 18
2.2

Các hệ thống tuabin gió ............................................................................... 18

2.2.1

Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ khơng đổi .................................... 18

2.2.2

Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi ....................................... 20

2.3

Mơ hình turbine gió...................................................................................... 21

CHƢƠNG 3

GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM PSAT

28

3.1

Kết quả trên PSAT ....................................................................................... 31

3.2

Mơ phỏng các bài tốn trên PSAT ............................................................... 32

3.2.1

Bài toán PF (power flow) ............................................................................ 32

3.2.2

Bài toán CPF (continuation power flow)..................................................... 36

3.2.3

Bài toán OPF (optimal power flow) ............................................................ 39

3.2.4

Chạy mô phỏng miền thời gian (time simulation)....................................... 41

3.2.5

Nhận xét về phần mềm PSAT ..................................................................... 43

CHƢƠNG 4
XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƢỢNG CỦA MÁY PHÁT GIÓ
ĐẾN ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN
45
4.1

Nhận xét lƣới điện IEEE 9-bus .................................................................... 62

4.2

Mô phỏng hệ thống điện IEEE 14-bus ......................................................... 63

4.2.1

Trƣờng hợp 0: khi chƣa sử dụng năng lƣợng gió ........................................ 65

4.2.2

Trƣờng hợp 1: Thay máy phát 40MW ở bus-2 bằng DFIG 40MW ............ 66

4.2.3

Trƣờng hợp 2: Thay máy phát bus-2 bằng DFIG 60 MW tại bus-4 ........... 69

4.2.4 Trƣờng hợp 3: Loại bỏ máy phát 60MW ở bus-2 thay vào đó là DFIG
60MW tại bus-5......................................................................................................... 72
4.2.5 Trƣờng hợp 4: Giảm công suất máy phát đồng bộ tại bus-2 và gắn thêm
DFIG tại bus-4 làm nhiệm vụ chia sẻ công suất ....................................................... 73
4.2.6

Trƣờng hợp 5: Thay đổi công suất máy phát đồng bộ ở bus-2 ................... 75

4.2.7

Trƣờng hợp 6: Thay đổi công suất DFIG thay cho MPĐB tại bus-2 .......... 78

4.3

Nhận xét về kết quả của các trƣờng hợp với sự có mặt của DFIG .............. 78

4.4

Về ảnh hƣởng của mức độ thâm nhập công suất DFIG ............................... 80

4.5

So sánh ảnh hƣởng của các đƣờng dây khác nhau kết nối cùng một bus .... 81

4.6

Một số kết quả mô phỏng với máy phát đồng bộ......................................... 82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

100

1. Kết luận ............................................................................................................ 100
2. Kiến nghị .......................................................................................................... 101

viii


TÀI LIỆU THAM KHẢO

102

Phụ Lục 1

ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PSAT

103

Phụ Lục 2

CÁC THÔNG SỐ LƢỚI ĐIỆN 14 BUS IEEE/PSAT

132

Phụ Lục 3

ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN IEEE

135

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN

ix

153


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Hệ thống 2 máy ............................................................................................ 7
Hình 1.2 Sơ đồ điện kháng .......................................................................................... 8
Hình 1.3 Biểu đồ vector .............................................................................................. 8
Hình 1.4 Biểu đồ cơng suất góc .................................................................................. 9
Hình 1.5 Đồ thị dao động .......................................................................................... 12
Hình 2.1 Máy phát khơng đồng bộ nguồn đơi DFIG ................................................ 15
Hình 2.2 Hƣớng cơng suất của DFIG ....................................................................... 16
Hình 2.3 Lƣu lƣợng cơng suất DFIG ........................................................................ 18
Hình 2.4 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ khơng đổi ................................... 19
Hình 2.5 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi ...................................... 20
Hình 3.1 Cộng đồng những ngƣời sử dụng PSAT .................................................... 28
Hình 3 2 So sánh cơng cụ mở rộng của PSAT/Matlab ............................................. 29
Hình 3.3 Giao diện ứng dụng của PSAT version 2.1.10 ........................................... 31
Hình 3.4 Giao diện vẽ đồ thị quá trình động của PSAT ........................................... 31
Hình 3.5 Mơ hình 9-bus ............................................................................................ 33
Hình 3.6 Kết quả của bài tốn PF 9-bus ................................................................... 35
Hình 3.7 Kết quả của bài tốn PF 9-bus ................................................................... 36

Hình 3.8 Cửa sổ History khi chạy CPF ..................................................................... 38
Hình 3.9 Cửa sổ History khi chạy CPF ..................................................................... 38
Hình 3.10 mơ phỏng bài tốn OPF trên PSAT ......................................................... 39
Hình 3.11 Thơng số của khối Supply........................................................................ 40
Hình 3.12 Kết quả bài tốn trào lƣu cơng suất.......................................................... 41
Hình 3.13 Cửa sổ cài đặt các thơng số ...................................................................... 41

x


Hình 3.14 Mơ hình 9-bus có sự cố ............................................................................ 42
Hình 3.15 Thơng số sự cố 9-bus ............................................................................... 42
Hình 3.16 Kết quả mơ phỏng 9-bus sự cố................................................................. 43
Hình 4.1 Lƣu đồ giải thuật xác định vị trí và cơng suất máy phát điện gió .............. 46
Hình 4.2 Sơ đồ của hệ thống lƣới điện IEEE 9-bus. ................................................. 47
Hình 4.3 Biểu diễn đƣờng cong (p-v), sự cố bus-7(7-5) (thcb) CCT=80ms ............ 54
Hình 4.4 Biểu diễn điện áp (V) của 3 bus (5, 6, 8) sự cố bus-7(7-5) (THCB) ......... 54
Hình 4.5 Góc (ө) của 3 bus (5, 6, 8) sự cố bus 7(7-5) (THCB) với ʎ ....................... 55
Hình 4.6 Biểu diễn điện áp (V), sự cố bus 8(8-9) (THCB) với thời gian (t)s ........... 55
Hình 4.7 Biểu diễn góc cơng suất ω sự cố tại bus-6 CCT=23ms ............................. 56
Hình 4.8 Biểu diễn góc cơng suất ω sự cố tại bus-6 CCT=83ms ............................. 56
Hình 4.9 Biểu diễn góc cơng suất ω, sự cố tại bus-6 CCT=350ms .......................... 57
Hình 4.10 Biểu diễn góc ω, sự cố tại bus-7(7-5) CCT=100ms................................. 57
Hình 4.11 Góc cơng suất ω, sự cố tại bus-7 (7-5), DFIG bus-3 ............................... 58
Hình 4.12 Góc cơng suất ω, sự cố tại bus-7 (5-7), DFIG bus-1 ............................... 58
Hình 4.13 Biểu diễn góc ω, sự cố bus-7 (5-7), DFIG bus-2 ..................................... 59
Hình 4.14 Biểu diễn góc cơng suất ω, sự cố bus 7 (5-7) CCT=100ms, DFIG bus-559
Hình 4.15 Góc cơng suất ω, sự cố tại bus-7 (5-7), DFIG bus-6 ............................... 60
Hình 4.16 Biểu diễn góc cơng suất ω, sự cố bus-7 (5-7) .......................................... 60
Hình 4.17 Biểu diễn góc cơng suất ω, sự cố tại bus-7 (5-7) ..................................... 61

Hình 4.18 Biểu diễn Pω, sự cố tại bus-7 (5-7), DFIG bus-7..................................... 61
Hình 4.19 Biểu diễn Pω, sự cố tại bus-7 (5-7), DFIG bus-4..................................... 62
Hình 4.20 Hệ thống điện IEEE 14-bus ..................................................................... 63
Hình 4.21 Sơ đồ lƣới IEEE 14-bus khi chƣa có DFIG ............................................. 65
Hình 4.22 Sơ đồ 14-bus thay DFIG cho MPDB tại bus-2 ........................................ 66

xi


Hình 4.23 Sơ đồ lƣới IEEE 14-bus thay MPDB tại bus-2 bằng DFIG tại bus-4 ...... 70
Hình 4.24 Sơ đồ lƣới IEEE 14-bus thay MPDB tại bus-2 bằng DFIG tại bus-5 ...... 72
Hình 4.25 Sơ đồ lƣới IEEE 14-bus sử dụng DFIG chia sẻ cơng suất phát ............... 73
Hình 4.26 Sơ đồ lƣới IEEE 14-bus sử dụng DFIG chia sẻ cơng suất phát ............... 76
Hình 4.27 Sự cố bus-3, CCT=150ms biểu diễn điện áp V (KV) .............................. 88
Hình 4.28 Sự cố tại bus-7(7-8) CCT=150 ms khi có DFIG tại bus-7....................... 89
Hình 4.29 Khi có DFIG tại bus-2 và sự cố bus-9(9-4) CCT=150 ms ....................... 89
Hình 4.30 DFIG bus-2 sự cố bus-14(13-14), CCT=150 ms ..................................... 90
Hình 4.31 DFIG bus-3 sự cố bus-3(3-2), CCT=150 ms ........................................... 90
Hình 4.32 DFIG bus-6 sự cố bus-2(2-3), CCT=150 ms ........................................... 91
Hình 4.33 Trƣờng hợp cơ bản (MPĐB) bus-6 sự cố bus-2, CCT=272 ms ............... 91
Hình 4.34 Trƣờng hợp cơ bản sự cố bus-2 CCT=456 ms ......................................... 92
Hình 4.35 Trƣờng hợp cơ bản sự cố bus-2 CCT=621 ms ......................................... 92
Hình 4.36 Trƣờng hợp cơ bản sự cố bus-6 (6-11), CCT=7.58 ................................. 93
Hình 4.37 Biểu diễn (P-V) sự cố bus-2 CCT=605 ms .............................................. 93
Hình 4.38 Biểu diễn góc δ(1.7p.u) (MPĐB) sự cố bus-6 (6-13) CCT=623ms......... 94
Hình 4.39 Điện áp V(p.u) với thời gian (t) sự cố bus-6(6-13) CCT=623ms ............ 94
Hình 4.40 Biểu diễn (v-ʎ) (p.u) sự cố bus-7(7-4) CCT=779ms, ʎ=1.65(p.u) .......... 95
Hình 4.41 Điện áp V(p.u) với thời gian (t) sự cố bus-8(7-8) CCT=80ms ................ 95
Hình 4.42 Trƣờng hợp cơ bản sự cố bus-7(7-8) CCT=150ms.................................. 96
Hình 4.43 DFIG bus-1 sự cố bus-9(9-4) CCT=150ms ............................................. 96

Hình 4.44 DFIG bus-2 sự cố bus-2(2-3) CCT=150ms ............................................. 97
Hình 4.45 DFIG bus-4 và bus-5 sự cố bus-2(2-3) CCT=150ms............................... 97
Hình 4.46 DFIG bus-6 sự cố bus-2(2-3) CCT=150ms ............................................. 98
Hình 4.47 DFIG sự cố bus-7(7-8) CCT=150ms ....................................................... 98

xii


Hình PL1.1 Màn hình đồ họa của PSAT ................................................................106
Hình PL1.2 Màn hình đồ họa PSAT khi chạy PF ...................................................107
Hình PL1.3 Màn hình đồ họa của PSAT khi chạy CPF ..........................................107
Hình PL1.4 Màn hình đồ họa của PSAT khi chạy OPF .........................................107
Hình PL1.5 Các thơng số của máy điện đồng bộ ....................................................107
Hình PL 1.6 Khối Flexible AC Transmission Systems ..........................................113
Hình PL 1.7 Khối Wind Turbine ............................................................................115
Hình PL 1.8 Khối Other Models .............................................................................116
Hình PL 1.9 Cửa sổ PSAT Simulink (.mdl) ...........................................................117
Hình PL 1.10 Cửa sổ mơ phỏng của PSAT ............................................................118
Hình PL 1.11 Cửa sổ Data Conversion ...................................................................119
Hình PL 1.12 Cửa sổ Settings .................................................................................120
Hình PL1.13 Cửa sổ Static Report ..........................................................................122
Hình PL1.14 Biểu đồ hình cột thơng số điện áp mơ hình 9-bus .............................123
Hình PL1.15 Biểu đồ hình cột thơng số góc điện áp mơ hình 9-bus ......................123
Hình PL 1.16 Phân bố cơng suất của mơ hình 9-bus ..............................................126
Hình PL 1.17 Một số hình ảnh của mơ hình 9-bus .................................................127
Hình PL1.18 Cửa sổ làm việc của Plotting Utilities ...............................................128
Hình PL1.19 Một số biểu đồ của Plotting Utilities .................................................128
Hình PL1.20 Thay đổi dạng sóng ...........................................................................128
Hình PL1.21 Thay đổi góc tham chiếu ...................................................................129
Hình PL 1.22 Cửa sổ làm việc của Axes Properties ...............................................129

Hình PL1.23 Một số điều ch nh ở mục Axes Properties ........................................130
Hình PL1.24 Option: Plot voltage limits ................................................................130
Hình PL1.25 Option: Use Hz for rotor speed .........................................................131

xiii


Hình PL 2.1 Mơ hình 14-bus IEEE .........................................................................132
Hình PL 3.1 Sự cố trên đƣờng dây 2 - 4 .................................................................135
Hình PL 3.2 Tốc độ rotor các máy phát khi xảy ra sự cố đƣờng dây 2 - 4 .............136
Hình PL 3.3 Tốc độ rotor khi xảy ra sự cố .............................................................136
Hình PL 3.4 Công suất tác dụng và phản kháng của máy phát điện 2 ...................137
Hình PL 3.5 Tốc độ rotor của các máy phát điện khi đóng sự cố 5s ......................137
Hình PL 3.6. Góc rotor tại các máy phát điện khi đóng sự cố 5s ...........................138
Hình PL 3.7 Tốc độ và góc rotor của các máy phát điện (2s).................................138
Hình PL 3.8 Sự cố 3 pha tại bus-2 mơ hình 14-bus ................................................140
Hình PL 3.9 Góc rotor khi xảy ra sự cố tại bus 2, tcắt lớn .......................................140
Hình PL 3.10 Cƣờng độ điện áp tại các bus khi xảy ra sự cố .................................141
Hình PL 3.11 Góc rotor các MF khi xảy ra sự cố với t cắt nhỏ ..............................141
Hình PL 3.12 Tốc độ rotor của các MF khi xảy ra sự cố t cắt nhỏ .........................142

xiv


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Các mơ hình thiết bị hệ thống điện đƣợc cung cấp bởi PSAT .................. 30
Bảng 3.2 Các thông số của bộ AVR ......................................................................... 33
Bảng 3.3 Các thông số của các máy phát .................................................................. 34
Bảng 4.1 Biểu đồ phân bố cơng suất 9-bus khơng có AVR ..................................... 48
Bảng 4.2 Phân bố cơng suất 9-bus có AVR .............................................................. 49

Bảng 4.3 Phân bố cơng suất 9 bus có DFIG bus-5 và sự cố bus-7 ........................... 49
Bảng 4.4 Phân bố cơng suất 9 bus có DFIG bus-6 và sự cố bus-7 ........................... 50
Bảng 4.5 Phân bố công suất 9-bus có DFIG bus-8 và sự cố bus-7 ........................... 50
Bảng 4.6 Phân bố cơng suất 9-bus có DFIG bus-1 và sự cố bus-7 ........................... 51
Bảng 4.7 Phân bố công suất 9-bus có DFIG bus-2 và sự cố bus-7 ........................... 51
Bảng 4.8 Phân bố cơng suất 9-bus có DFIG bus-3 và sự cố bus-7 ........................... 52
Bảng 4.9 Phân bố công suất 9-bus có DFIG bus-4 và sự cố bus-7 ........................... 52
Bảng 4.10 Phân bố cơng suất 9-bus có DFIG bus-7 và sự cố bus-7 ......................... 53
Bảng 4.11 Phân bố công suất 9-bus có DFIG bus-9 và sự cố bus-7 ......................... 53
Bảng 4.12a CCT trong các trƣờng hợp cơ bản ......................................................... 65
Bảng 4.12b CCT xếp theo nhóm bus trong các trƣờng hợp cơ bản .......................... 66
Bảng 4.13a CCT của các trƣờng hợp sự cố trong trƣờng hợp 1 ............................... 67
Bảng 4.13b CCT khi sử dụng DG tại bus-2 .............................................................. 67
Bảng 4.14 CCT khi sử dụng DG tại bus-2 trƣờng hợp 1 .......................................... 68
Bảng 4.15 CCT của các trƣờng hợp sự cố trong trƣờng hợp 2 ................................. 70
Bảng 4.16 CCT trong trƣờng hợp 2 theo nhóm các bus ........................................... 71
Bảng 4.17 CCT của các trƣờng hợp sự cố trong trƣờng hợp 4 ................................. 74
Bảng 4.18 CCT của các sự cố nhóm bus trong trƣờng hợp 4 ................................... 74

xv


Bảng 4.19a CCT của các trƣờng hợp sự cố trong trƣờng hợp 5 ............................... 77
Bảng 4.19b Tỷ lệ thay đổi CCT trong trƣờng hợp 5 ................................................. 77
Bảng 4.20 Thay đổi công suất DFIG thay cho MPĐB tại bus-2 .............................. 78
Bảng 4.21 CCT định mức trong 5 trƣờng hợp thí nghiệm ........................................ 80
Bảng 4.22 Ảnh hƣởng DG gió bus-2 trong trƣờng hợp 6 ......................................... 81
Bảng 4.23 CCT của các trƣờng hợp sự cố trong trƣờng hợp (2+4) .......................... 83
Bảng 4.24 CCT các trƣờng hợp có STATCOM khi có DFIG bus-2 ........................ 84
Bảng 4.25 Phân bố công suất và điện áp trên 14-bus khi khơng có sự cố ................ 85

Bảng 4.26 Mơ phỏng trào lƣu công suất (CPF), trƣờng hợp cơ bản ........................ 86
Bảng 4.27 Phân bố công suất trƣờng hợp cơ bản khơng có sự cố ............................ 87
Bảng 4.28 Cơng suất đƣờng dây sự cố bus-(2,4) với CCT=150 ms ......................... 88
Bảng PL1.2 Chức năng trên thanh công cụ ............................................................105
Bảng PL 1.3 Thông số của MFĐB và MFKĐB......................................................108
Bảng PL1.4 Các thông số của Máy điện không đồng bộ ........................................109
Bảng PL 1.5 Các thông số của bộ TG .....................................................................110
Bảng PL1.6 Các thông số của bộ AVR ...................................................................111
Bảng PL 1.7 Các thông số của bộ PSS ...................................................................112
Bảng PL 1.8 Các thông số của bộ TCSC ................................................................114
Bảng PL 1.9 Các thông số của bộ HVDC ...............................................................115
Bảng PL 1.10 Báo cáo của mơ hình 9-bus ..............................................................125
Bảng PL 2.1 Thông số bộ AVR của các Exciter trong hệ thống ............................133
Bảng PL 2.2 Thông số các máy phát trong hệ thống ..............................................133
Bảng PL 2.3 Thông số các thanh cái trong hệ thống ..............................................134
Bảng PL 3.1 Trào lƣu công suất lƣới điện 9- bus có DFIG bus-5 ..........................143
Bảng PL 3.2 Trào lƣu cơng suất lƣới điện 9- bus có DFIG bus-5 ..........................144

xvi


Bảng PL 3.3 Trào lƣu công suất lƣới điện 9- bus có DFIG bus-5 ..........................145
Bảng PL 3.4 Trào lƣu cơng suất lƣới điện 9- bus có DFIG bus-6 ..........................146
Bảng PL 3.5 Trào lƣu công suất trên đƣờng dây lƣới điện 9- bus, DFIG bus-6 ....147
Bảng PL 3.6 Trào lƣu công suất lƣới điện 9- bus có DFIG bus-8 ..........................148
Bảng PL 3.7 Trào lƣu cơng suất lƣới điện 14- bus có DFIG bus-2 ........................149
Bảng PL 3.8 Trào lƣu công suất trên đƣờng dây/14- bus có DFIG bus-2, F2 ........150
Bảng PL 3.9 Trào lƣu cơng suất trên các bus/14- bus có DFIG bus-2, F3 .............151
Bảng PL 3.10 Trào lƣu công suất trên đƣờng dây/14- bus có DFIG bus-2, F3 ......152

xvii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AC

Alternating Current

CCT

Critical Clearing times

DC

Direct Current

DSA

Dynamic Security Assessment

FACTS

Flexible AC Transmission Systems

HTĐ

Hệ thống điện

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

MPĐKĐB

Máy phát điện không đồng bộ

LVThS

Luận văn Thạc sĩ

PSAT

Power System Analysis Toolbox

PF

Power Flow

PV

Photo Voltaic

p.u.

Per-Unit System,

Pg

Power Generation

PSS

Power System Stabilyzer

QTQĐ

Quá trình quá độ

SIME

SIngle Machine Equivalent

SA

Simulated Annealing

SCIG

Squirrel Cage Induction Generator

xviii


THCB

Trƣờng hợp cơ bản

UPFC

Unified Power Flow Controller

V

Voltage

xix


MỞ ĐẦU
1.

Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, tại nhiều nƣớc trên thế giới đã và đang nỗ lực để đẩy
mạnh sự tham gia của máy phát gió vào hệ thống điện. Trong đó, một vấn đề quan
trọng cần phải xem xét đó là ảnh hƣởng của máy phát gió đến ổn định hệ thống
điện. Đây là một trong các thách thức cho những ngƣời thiết kế và vận hành hệ
thống điện. Đã có nhiều nghiên cứu phân tích ảnh hƣởng của máy phát gió đến ổn
định hệ thống điện. Các nghiên cứu này tập trung giải quyết các khía cạnh khác
nhau liên quan đến nguồn năng lƣợng gió, chẳng hạn nhƣ sự dao động tự nhiên của
cơng suất gió, vị trí của nguồn gió, sự thay đổi cơng nghệ và điều khiển máy phát.
Mặc dù, các nguồn năng lƣợng gió đƣợc biết đến nhƣ là một nguồn năng lƣợng
sạch, thân thiện với môi trƣờng và trong tƣơng lai gần, nguồn năng lƣợng này sẽ giữ
một vai trò quan trọng trong hệ thống điện của mỗi quốc gia. Tuy nhiên, khi nhiều
tua bin gió đƣợc kết nối vào lƣới, ảnh hƣởng của chúng đến chất lƣợng điện năng,
đến ổn định hệ thống cần phải đƣợc quan tâm. Vì vậy, việc phân tích ổn định điện
áp, ổn định quá độ của hệ thống bao gồm máy phát gió là một vấn đề cấp thiết.
Nhiều nghiên cứu về công nghệ tua bin gió đã đƣợc trình bày. Hầu hết các nghiên
cứu đó tập trung vào chi tiết máy điện hơn là phân tích ảnh hƣởng và ứng dụng của
nó trong hệ thống điện. Trong một số trƣờng hợp, có thể thấy rằng mơ hình cung

cấp là q đơn giản, hoặc phức tạp hoặc là quá chi tiết với khía cạnh trong nghiên
cứu hệ thống điện. Do đó, việc sử dụng mơ hình tua bin gió phù hợp trong nghiên
cứu hệ thống điện là vấn đề cần xem xét.
Cùng sự phát triển của khoa học công nghệ, nguồn phân tán (Distributed Generator
– DG) ngày càng trở nên phổ biến hơn bởi những ƣu thế của nó trên hệ thống điện.
Một khía cạnh quan trọng của hệ thống điện là sự ổn định hệ thống, trong khi năng
lƣợng gió ngày nay đang đƣợc ƣu tiên lựa chọn, phù hợp với yêu cầu kinh tế kỹ

1


thuật. Vì vậy, việc nghiên cứu đánh giá ổn định của hệ thống điện với sự tham gia
của máy phát điện gió ngày càng trở nên quan trọng hơn.
Trên cơ sở những kết quả của các cơng trình nghiên cứu trƣớc đây đã đạt đƣợc, đề
tài đề xuất tên “Xác định vị trí và dung lượng của máy phát điện gió để cải thiện ổn
định hệ thống điện” với mục đích khảo sát ảnh hƣởng của vị trí và dung lƣợng máy
phát DG gió, cùng với ảnh hƣởng của vị trí sự cố đển ổn định hệ thống điện.
2. Mục tiêu nghiên cứu
 Phân tích ổn định điện điện áp và ổn định quá độ của hệ thống điện khi có và
khơng có máy phát gió khi xảy ra sự cố thống qua tại các vị trí khác nhau.
 Xác định vị trí và dung lƣợng phù hợp của máy phát gió để duy trì và cải thiện
ổn định của hệ thống khi xảy ra sự cố thoáng qua.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
-

Đối tƣợng nghiên cứu

 Nghiên cứu mô phỏng trên lƣới điện chuẩn IEEE 9 nút và IEEE 14 nút
-

Phạm vi nghiên cứu

 Phân tích ổn định hệ thống điện
 Sử dụng mơ hình máy phát gió DFIG trong phần mềm Matlab/PSAT/Simulink
 Sử dụng phƣơng pháp thử sai để xác định vị trí của máy phát gió.
4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu
 Nghiên cứu các tài liệu cơng trình nghiên cứu trƣớc
 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về ổn định và máy phát điện gió DFIG.
 Phân tích và mơ phỏng trên phần mềm Matlab/Psat/Simulink
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
 Ứng dụng cho lƣới điện bất kỳ.
 Ứng dụng cho các lƣới điện IEEE mẫu
 Làm tài liệu tham khảo cho mơn giải tích hệ thống điện.

2


CHƢƠNG 1
1.1

TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN

Ổn định trong hệ thống điện

Tầm quan trọng của ổn định hệ thống điện đã đƣợc xem xét từ giai đoạn đầu đƣa
vào hoạt động, khoảng những năm 1920. Khi các hệ thống điện bắt đầu gia tăng về
quy mô, và ngày càng nhiều thiết bị kết nối với nhau, hiện tƣợng ổn định ngày càng
đƣợc quan tâm, đồng thời dần hình thành nhƣ là một trong các tiêu chí đánh giá cần
thiết cho công tác quy hoạch và vận hành hệ thống điện.
Với nền công nghiệp liên tục phát triển, đặc biệt là các phát minh, tiến bộ trong

khoa học công nghệ, độ phức tạp của hệ thống điện đã tăng đáng kể so với hệ thống
ban đầu hình thành từ một thế kỷ trƣớc đó. Các thiết bị mới, các bộ điều khiển đáp
ứng nhanh, bao gồm các nguồn năng lƣợng tái tạo, đặc biệt là năng lƣợng gió ngày
càng đƣợc phổ biến trong hệ thống điện ngày nay. Sự phức tạp cùng với việc các hệ
thống dần đƣợc mở rộng ra nhiều khu vực địa lý rộng lớn đã dẫn đến tiềm ẩn các sự
cố ngày càng lớn, và khơng ít trong số đó có thể gây hậu quả nghiêm trọng về an
ninh hệ thống. Hiện nay, do các yêu cầu về kinh tế, nguồn nhiên liệu và bảo vệ môi
trƣờng, năng lƣợng điện thƣờng đƣợc sản xuất cách xa trung tâm phụ tải, sau đó
truyền tải đến ngƣời dùng thông qua mạng lƣới hệ thống truyền tải và phân phối
phức tạp. Điều này dẫn đến nguy cơ gây ra các dao động, mất ổn định liên khu vực
và sụp đổ hệ thống theo cấp điện áp.
Ngoài ra, trong quy hoạch và vận hành hệ thống điện ngày nay, các ch tiêu kinh tế
cũng phải đƣợc xem xét bên cạnh các yêu cầu về kỹ thuật (một trƣờng hợp ví dụ
đơn giản là khuynh hƣớng huy động cơng suất từ các nguồn điện có suất chi phí
phát điện thấp, thƣờng là những nhà máy thủy điện ở rất xa trung tâm phụ tải) dẫn
đến hệ quả là hệ thống điện hiện nay ngày càng hoạt động gần với giới hạn ổn định
của nó.
Ổn định hệ thống có thể đƣợc định nghĩa chung là khả năng của một hệ thống vẫn
trong trạng thái vận hành cân bằng theo điều kiện vận hành bình thƣờng và trở lại

3


một trạng thái cân bằng có thể chấp nhận đƣợc sau khi bị nhiễu loạn. Sự bất ổn định
trong một hệ thống điện có thể đƣợc biểu hiện bằng nhiều dạng khác nhau tùy thuộc
vào cấu hình hệ thống và chế độ hoạt động. Thông thƣờng, vấn đề ổn định là đảm
bảo duy trì tất cả các máy đồng bộ đƣợc đồng bộ. Khía cạnh này của sự ổn định là
ảnh hƣởng bởi góc rotor máy phát điện. Sự ổn định trong hệ thống điện có thể đƣợc
chia thành các loại nhƣ sau [1].
1.1.1 Ổn định tĩnh

Các tác động nhỏ xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ, Các tác động này tác dụng lên
roto của máy phát, làm mất sự cân bằng công suất của trạng ban đầu làm cho chế độ
xác lập tƣơng ứng bị tác động. Trạng thái xác lập muốn duy trì đƣợc thì phải chịu
đƣợc các tác động nhỏ này, có nghĩa là sự cân bằng công suất phải đƣợc giữ vững
trƣớc các tác động nhỏ, nói đúng hơn là sự cân bằng cơng suất phải đƣợc khôi phục
sau các tác động nhỏ, trong trƣờng hợp đó ta nói hệ thống có ổn định tĩnh. Nhƣ vậy
ổn định tĩnh là điều kiện đủ để một trạng thái xác lập tồn tại trong thực tế.
1.1.2 Ổn định động
Các tác động lớn xảy ra ít hơn so với các tác động nhỏ, nhƣng có biên độ khá lớn.
Các tác động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện, biến đổi của phụ
tải và các sự cố ngắn mạch. Các tác động lớn xảy ra làm cho công suất cân bằng Cơ
Điện trong hệ thống bị phá vỡ đột ngột, chế độ xác lập tƣơng ứng bị dao động rất
mạnh. Khả năng của hệ thống điện chịu đƣợc các tác động này mà sau đó chế độ
xác lập khơng bị mất đi gọi là khả năng ổn định động của hệ thống. Nhƣ vậy ổn
định động là điều kiện để trạng thái của hệ thống điện tồn tại lâu dài.
1.1.3 Ổn định với sự cố thoáng qua
Hiện tƣợng thoáng qua điện-cơ của một hệ thống điện do một sự cố lớn có thể phát
triển thành hai trƣờng hợp khác nhau. Trong trƣờng hợp một, góc rotor giữa các
máy phát vẫn cân bằng, hệ thống vẫn hoạt động đồng bộ nhƣng dần chuyển sang
một trạng thái hoạt động ổn định khác. Ta gọi hệ thống điện hoạt động ổn định
trong sự cố thoáng qua. Trƣờng hợp hai, chuyển động giữa các máy phát thay đổi

4


trong quá trình quá độ điện – cơ, và kết quả là góc giữa các máy phát mất cân bằng
dẫn đến mất đồng bộ hệ thống. Hệ thống nhƣ vậy gọi là khơng ổn định đối với sự cố
thống qua.
Khi một máy phát điện mất đồng bộ với các máy cịn lại của hệ thống, vận tốc góc
của nó sẽ cao hơn hay thấp hơn những điều kiện cần thiết để duy trì ổn định điện áp

và ổn định tần số. Chuyển động trƣợt giữa từ trƣờng xoay của stator (liên quan đến
tần số hệ thống) và từ trƣờng của rotor tạo nên điện áp và dòng điện đầu ra dao
động với biên độ rất cao, kết quả xấu nhất sẽ là tan dã hệ thống. Điều kiện quan
trọng để hệ thống duy trì hoạt động ổn định chính là hoạt động đồng bộ của tất cả
các máy phát. Do đó phân tích ổn định động của hệ thống sau một sự cố lớn là phân
tích khả năng của các máy phát giữ đƣợc hoạt động đồng bộ sau một sự cố lớn đó,
điều này đƣợc gọi là phân tích ổn định động thoáng qua của hệ thống.
Dao động tần số của hệ thống điện phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống, chẳng hạn
nhƣ tải, máy phát, đƣờng dây truyền tải. Tuy nhiên mức độ ảnh hƣởng của nhiễu
động trên hệ thống còn bị phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhƣ: vị trí của lỗi, các
loại máy điện [2].
Trong các máy điện đồng bộ, từ trƣờng của rotor và từ thông stator luôn ở cùng tốc
độ ở hệ quy chiếu thông thƣờng. Sự cố định giữa chúng là góc quay δ của máy khi
khởi động, góc này đóng vai trị điều ch nh trao đổi năng lƣợng thơng qua khe hở
khơng khí giữa stator và rotor. Khi rotor và từ trƣờng stator nằm cùng chiều với
nhau và năng lƣợng đƣợc trao đổi tối đa trong máy phát điện đồng bộ có góc giữa
stator và rotor là 900, giá trị này goi là giá trị tới hạn ổn định của máy điện đồng bộ.
Một máy điện cảm ứng (máy điện không đồng bộ) không dùng cuộn dây để tạo ra
từ trƣờng trong khe hở khơng khí. Vì vậy máy điện cảm ứng khơng thể làm việc mà
khơng có nguồn điện từ bên ngồi. Có hai cách để cung cấp nguồn điện từ bên
ngoài cho máy điện cảm ứng. Một là sử dụng máy điện cảm ứng liên kết lƣới, đối
với loại này, máy điện cảm ứng đƣợc liên kết với nguồn điện, hấp thụ công suất
phản kháng bằng cách sử dụng mạch từ. Máy điện cảm ứng có thể chuyển năng

5


lƣợng cơ từ trục thành năng lƣợng điện đƣa vào lƣới. Ngay cả khi không tạo ra điện,
máy điện cảm ứng vẫn tiêu thụ một lƣợng đáng kể công suất phản kháng. Năng
lƣợng phản kháng tiêu thụ tỷ lệ với năng lƣợng thực tạo ra. Do đó, một tụ điện cần

đƣợc sử dụng để cung cấp năng lƣợng phản kháng cho máy phát. Dạng máy điện
cảm ứng còn lại đƣợc gọi là dạng độc lập, trong đó sử dụng một tụ mắc shunt làm
nguồn công suất phản kháng để từ hóa những mạch máy [3]. Một yếu tố nữa tham
gia vào đánh giá sự ổn định tạm thời của hệ thống là thời gian đóng cắt quan trọng
(Critical Clearing Time-CCT). CCT đƣợc định nghĩa là thời gian tối đa của sự cố
thống qua mà hệ thống có thể duy trì vận hành ổn định. Về mặt tốn học thì CCT
là một hàm phức tạp với các biến đầu vào là những điều kiện trƣớc sự cố (điểm hoạt
động, mơ hình, thông số hệ thống), cấu trúc sự cố (loại sự cố và vị trí xảy ra sự cố)
và những trạng thái sau sự cố còn phụ thuộc vào hệ thống rơle mà nó sử dụng. Do
đó việc phân tích và xác định các đại lƣợng này là rất quan trọng. Tuy nhiên sự đa
dạng của các biến có liên quan trong q trình thực hiện phân tích là phức tạp.
Trong thực tiễn, CCT có thể tính tốn đƣợc bằng hai cách phổ biến: Bằng phƣơng
pháp thử và sai của hệ thống sau một nhiễu loạn lớn và kiểm tra hành vi của hệ
thống sau những lỗi đƣợc xác định trƣớc. Phƣơng pháp tính tốn đầu tiên thì việc
chính xác hóa mô tả hành vi quá độ của hệ thống là quan trọng và số lần thực hiện
tính tốn rất nhiều. Phƣơng pháp tiếp cận thứ hai đòi hỏi những yêu cầu cao hơn
trong giải thuật và những phân tích đầu vào, số lần thực hiện tính tốn giảm đi
nhƣng độ chính xác của kết quả vẫn chƣa cao và ngày càng đƣợc nâng cao chất
lƣợng trong những nghiên cứu gần đây. Ổn định thoáng qua chủ yếu tác động tức
thời của một lỗi đƣờng dây truyền tải hay máy phát đồng bộ [4].
Trong ổn định động góc, hay ổn định thoáng qua, ổn định hệ thống liên quan đến
hành vi của hệ thống khi bị sự cố, chẳng hạn nhƣ là sự cố đƣờng dây truyền tải, đó
là lý do tại sao ta gọi đây là ổn định động góc với nhiễu động lớn. Khung thời gian
sự cố chính là đối tƣợng nghiên cứu ổn định của hệ thống và thông thƣờng từ 3-5
giây phụ thuộc vào sự cố. Th nh thoảng, giá trị này cịn có thể lên đến 20s với hệ
thổng rất lớn.

6

Trong phân tích ổn định hệ thống điện, các mơ hình tốn học của hệ thống khơng
ch liên hệ trực tiếp đến kết quả phân tích mà cịn có một tác động đáng kể lên độ
phức tạp của việc phân tích. Vì vậy, nếu mơ hình tốn học phù hợp với từng thành
phần hệ thống thì phân tích càng trở nên đơn giản và chính xác. Đây chính là bƣớc
quan trọng trong phân tích ổn định hệ thống điện.
1.1.4 Ổn định điện áp
Ổn định điện áp của hệ thống là khả năng của hệ thống duy trì đầy đủ biên độ điện
áp để khi tải tăng lên thì cơng suất thực sự truyền tải sẽ tăng lên. Các yếu tố chính
gây ra sự mất ổn định điện áp là thiếu nguồn cung cấp công suất phản kháng trong
hệ thống.
Ổn định điện áp có thể đƣợc phân thành hai loại: ổn định điện áp tĩnh và ổn định
điện áp động. Trong ổn định động, các nghiên cứu bao gồm các ảnh hƣởng động
của các thiết bị nhƣ máy biến áp phân áp, động cơ điện cảm ứng, tải. Trong khi
nghiên cứu xem xét sự biến đổi tĩnh tải là một quá trình chậm hơn trong thời gian
dài. Hầu hết các vấn đề tìm thấy trong hệ thống liên quan đến sụp đổ điện áp là ở
trạng thái tĩnh. Nghiên cứu ở trạng thái tĩnh thì thích hợp trong các nghiên cứu trong
hệ thống lớn, hệ thống mà gồm số lƣợng rất lớn số nút và máy phát điện.
1.2

Phƣơng trình cơng suất góc của hệ thống 2 máy

Xem xét hệ thống nhƣ hình 1.1:

Hình 1.1 Hệ thống 2 máy
Hệ thống bao gồm một máy phát điện cung cấp cho một động cơ thông qua một
đƣờng dây truyền tải. Chúng ta biết rằng bất kỳ máy điện đồng bộ nào cũng đƣợc
mơ hình hóa bởi một nguồn điện áp khơng đổi mắc nối tiếp với điện kháng X. Tùy
thuộc vào điều kiện nghiên cứu, điện kháng có thể là điện kháng siêu quá độ Xd d’’,

7