Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu hệ thống phát điện gió – diesel nhằm nâng cao mức thâm nhập điện gió với lưới cô lập

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

67
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án: Đối với hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trong lưới cô lập thì hai chỉ tiêu quan trọng là chất lượng điện năng 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện: 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 hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. LÊ VĂN DOANH 2. TS. NGUYỄN THẾ CÔNG Phản biện 1: TSKH. Trần Kỳ Phúc Phản biện 2: PGS.TS. Lê Mạnh Việt Phản biện 3: PGS.TS. Kim Ngọc Linh Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi ….. giờ, ngày … tháng…. năm ………. Có thể tìm hiểu 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. 1.2. Ứng dụng điện gió ở vùng cô lập 0,69/22 kV Tải 380 V 22kV 22 kV Hệ thống phát điện gió kết hợp diesel thích hợp cho các vùng cô lập là những nơi 472 472 mà sự mở rộng lưới điện quốc gia đến đó sẽ 471 471 rất tốn kém. Ở Việt Nam đã có một số hệ thống phát Tải Trạm điện diesel điện sử dụng năng gió kết hợp với điện Trạm điện gió 3x2 MW 6x0,5 MW 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 Hộp số DFIG Lưới phát điện hỗn hợp gió – điện iabcs u abcs i abcr u Gió abcw diesel iabcw u dc V u i Với hệ thống phát điện hỗn dc abcg Điều khiển Điều khiển Điều khiển Điều khiển Thời gian đáp ứng hợp gió – diesel trong lưới cô lập β bảo vệ P RSC Q u GSC Q cấp 1 khoảng mili giây ω Điều khiển Thời gian đáp ứng sref sref dcref gref thường được điều khiển theo ba r Điều khiển cả tuabin gió cấp 2 khoảng giây cấp khác nhau như Hình 1.20. P Q wref wref Điều khiển Thời gian đáp ứng Điều khiển cả trạm điện gió cấp 3 khoảng phút Trong nghiên cứu [35] còn phân hoặc cả hệ thống điện 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 của các cấp như sau: P Q kiểu DFIG [36,64]. Lưới điện ● Điều khiển cấp I, đây là cấp dsref, dsref Điều khiển AVR U điều khiển trực tiếp tại từng chung ref ω Điều khiển ref U Điều tốc nguồn phát, có cấu trúc tổng quát Nhiên liệu ω I kt2 CLQ như Hình 1.19. Chức năng điều I kt1 khiển theo đặc tính độ dốc được Động cơ diesel Van SG SG PMSG sử dụng để chia sẻ công suất Máy phát Máy phát kích từ chính kích từ phụ nhằm điều chỉnh các thông số Hình 1.17 Cấu trúc cơ bản của máy phát điện diesel [31]. điện áp và tần số một cách tức f P P N 0 Điều thời khi các thông số này có thay f ∆f k ∆P P khiển P FP Điều khiển ref Lưới theo hệ đổi. Riêng đối với tuabin gió thì U ∆U ∆Q Q Điều trục d-q ref điện k Nguồn bao gồm điều khiển cấp 1 và cấp khiển Q UQ công suất U Q Q 2 (thể hiện trên Hình 1.15). N 0 Hình 1.19 Sơ đồ điều khiển theo đặc tính độ dốc khi có thay đổi tần số, điện áp [45]. 4
 5 ● Điều khiển cấp II thực Trạm điện gió * P hiện điều chỉnh các thông 3II ĐK P I P ĐK * II 3 số điện áp và tần số theo 1II -P 3 P Q * ĐK – Điều khiển P*3III 1 1II I Q cấp I: điều khiển đặc tính độ dốc của nguồn ĐK P 1 ĐK I II * cấp thiết bị tại hiện 1III * Q Lưu trữ trường; phát khi các thông số này 1III P’*3II vượt quá giới hạn của tiêu P ĐK Tải giả * * ĐK – Điều khiển cấp II: điều khiển 2III I II Q ĐK P’ chuẩn vận hành do các biến * 2III P 2II cấp trạm điện hoặc III 3 * Q 2II nhà máy điện; động lớn của phụ tải. Bên P ĐK II ĐK 2 ĐK – Điều khiển cạnh đó cấp điều khiển này I III Q cấp III: điều khiển 2 cả hệ thống. cũng thực hiện việc phân chia phụ tải một cách cân Trạm điện diesel Tải đối cho từng nguồn phát cụ Hình 1.20 Cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel. 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. 5
 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 Is Rs jXσs jX’σr R'r/s I’r Zth Is jXdsdb Ids Io Ikt Φds0 Us U'r/s Eth Eds0 Uds jXm Us (a) (b) Hình 2.9a Sơ đồ mạch Hình 2.1 Sơ đồ mạch tương đương dạng một pha của DFIG. tương đương một pha của (a) Sơ đồ mạch chi tiết [58]; (b) Sơ đồ mạch chuyển đổi Thevenin. máy phát đồng bộ (SG). 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 22 kV 22 kV 380 V P1 P1t P2t P2 Q 690 V Q1 Q1t Q2t 2’ Q2 jXf1 jXb1 1’ jXb2 jXf2 3 U=U3 YNyn0 YNyn0 E1 U1’ Zd1 Zd2 U2’ E2 Trạm điện gió Trạm điện diesel St=Pt + jQt Pt Hình 2.10 Sơ đồ đơn giản hóa hệ thống điện hỗn hợp gió Hình 2.11 Sơ đồ mạch đơn giản hệ thống điện hỗn hợp – diesel. 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). P2I  E22 y23 sin 23  E2 Uy23 sin (2  23 ) (2.103) P2II  E22 yII23 sin II23  E2 UyII23 sin (2  II23 ) (2.104) Gọi P22II  E22 yII23 sin 23 II (2.105) P2III  E2 UyIII23 sin 2  P2m III sin 2 (2.106) d 2 2 P20  P2 khi 0  t  t c III d 22 TJ 2   (2.107) TJ 2 2  P20  P2I  0 khi t  0 (2.108) dt 2 P20  P2II khi t  tc dt 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:  Ang1   (P20  P2m sin 2 )d2 2c III  (2.109) 20 Công hãm tối đa khi góc δ2 tăng đến δ2gh: P )) d2 2gh Ang3   20  (P22II  E 2 UyII23 sin (2  23 II (2.110) 2c Với δ2gh là giá trị tối đa mà góc Tốc độ gió δ2 có thể quay về điểm cân bằng. Điều khiển Điều kiện để hệ ổn định quá độ Tính toán Nw , Nds , Máy phát Đo là Ang1 ≤ Ang3 [9,59]. Để tìm thời Pw, Qw, Pds, Qds điện gió thông số hệ thống gian cắt tới hạn tcc, luận án khảo Điều chỉnh công Máy phát U, I, f, sát tại giới hạn ổn định quá độ suất của các máy điện diesel Pt… phát điện gió và (Ang1=Ang3). diesel Điều khiển 2.5. Đề xuất thuật toán và Hình 2.16 Sơ đồ thể hiện mối liên hệ giữa việc tính toán và điều cấu trúc điều khiển nhằm 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 tính toán số tuabin gió, số máy diesel vận hành và Không phát điện P
 9 Bắt đầu Đọc các thông số: Pregf, Pwmin, Pwmax, Pw, Qw, Nw, Pds,Qds, Nds Sai Đúng Pregf>0 ∆Pds=Pds – Pdsmin ∆Pw=Pwmax – Pw ∆Pw=Pw – Pwmin ∆Pds=Pdsmax – Pds |Pregf|≥∆PdsNds+∆PwNw Pregf≥∆PdsNds+∆PwNw Sai Đúng Đúng Sai Đúng Nds≥2 Đúng Nw0 Sai Pdp ≥ Pdpmin Đúng Kw = (Nw–1)/Nw ∆Preg= Pregf–∆PwNw Sai P w= P wK w Qdsmax(Nds-1)≥Qt-QwNw ∆Preg= Pregf+∆PdsNds Q w= Q wK w Đúng |∆Preg|≥∆PwNw Sai Sai ∆Preg≥∆PdsNds Nds0 Sai Qds= QdsKds Kds = (Nds–1)/Nds Đúng Pds= PdsKds Kw = (Nw+1)/Nw Qds= QdsKds P w= P wK w Q w= Q wK w 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 wt hướng đến việc thiết kế một kiểu tuabin gió ω ω điện từ ls ω SCIG/ hs1 hs2 Lưới 1:N chuyên dụng cho lưới cô lập trong tương lai. T ω wt g ω SG/PMSG/ T DFIG hs g g cô lập 2.6.1. Đề xuất giải pháp iu P , cosφ, t Đề xuất giải pháp dùng chính quán tính β Điều khiển góc P Điều khiển U, f. quay của phần tuabin đóng vài trò như bánh nghiêng cánh P, Q. 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 điều khiển quá trình nhận tải của tuabin gió. ωwt Hộp số ω T Cấu trúc của tuabin gió tích hợp EMC được Tls 1:Ng EMC Bg mô tả trên Hình 2.25. Jwt ωhs1 ω hs2 Tg Khi trạm điện gió phát công suất phản J g 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). dwt J wt  Twt  K wt wt  Bwt  wt dt  Tls (2.112) dt dg Jg  Ths2  K g g  Bg  g dt  Tg (2.113) dt 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  Phs2  hs1Ths1  hs2Ths2 (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 1 K B   Twt  Tls   wt wt  wt wt dt  (2.115) dt J wt J wt J wt  10 
 11  Sau khi quy đổi các phương trình trên về +∞ hệ đơn vị tương đối luận án đã xây dựng T (pu)+ G wt N ω (pu) wt g hs1 được mô hình truyền động cho tuabin gió có T – T 0 ls hs1 tích hợp EMC như Hình 2.27. Trong đó: hệ 1/N N ÷g g d số Kemc thể hiện sự trượt trong khớp điện từ P dt K d + dt C wt P =P emc hs2 hs1 khi có biến động thông số đầu vào; P (pu) u u + hs2đặt T 1 1 hs2 ÷ H  J0 / (2Scb ) và x '  x.0 / Scb với ω0 và 2 2 + T g d 0 d K 2Hemc g u dt + dt + – Scb là tốc độ và công suất cơ bản. 1 ω (pu) u K’ 1 + g +hs1 ω + hs2 ♦ Đáp ứng động học khi tốc độ gió biến ω (pu) d g C  B’ g 0 dt thiên và có nhiễu động Hình 2.27 Mô hình truyền động trong tuabin gió tích Khi năng lượng thu được của tuabin (Ewt) hợp khớp ly hợp điện từ. 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). 1 E wt  (Pwt max  Pg )t  J wt (hs1 2  g2 ) (2.116) 2 với Pwtmax là công suất tuabin thu nhận được tối ưu theo Cp(λ,β). 2E wt E wt hs1   g2 (2.117) t  (2.118) J wt | Pwt max 3  Pg | 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:   V 3  Pwlapdat  N wlapdat PwN    Pt 1  KQ tan t   Pdpmin  Pt .max   N  ,1   Vtb   (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 x 10 22 hệ hoàn toàn ổn định với mọi khả năng có 3 Phát Q S =P +jQ 1 1 1 1 thể phát của trạm điện gió. Như đã biết, 2 cosφ = 0.90 cosφ = 0.80 cosφ = 0.95 S1 S1 việc tăng điện kháng trên đường truyền S1 an 1 cosφ = 0.98 S1 OÅ n ñònh tải điện sẽ làm giảm tính ổn định của hệ. 0 cosφ = 0.995 S1 Khoâ ng oå n ñònh cosφ = 1.00 S1 Như vậy để có thể đánh giá ảnh hưởng -1 cosφ = 0.98 S1 cosφ = 0.90 S1 cosφ =0.80 của các thông số còn lại đến tính ổn định S1 -2 3 3.5 4 Nhận Q 4.5 5 5.5 6 1 S =P –jQ của hệ ta giả sử lắp đặt thêm cuộn kháng P1(W) 6 1 1 1 x 10 Hình 3.8 Khảo sát an với tải từ Pt = 6,0 MW, cosφt=0,87 vào đầu đường dây có giá trị lớn đến mức và P1 = 0,0 ÷ 6,0 MW. có hiện tượng không ổn định.  12 
 13  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 4 0.8 1cosφS1 (pu) Mieà n oå n ñònh 3 0.6 13 Mieà n khoâ ng oå n ñònh cos  S X 2 0.4 Mieà n khoâ ng oå n ñònh 1 0.2 Mieà n oå n ñònh 0 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Pt(pu) Pt(pu) Hình 3.12b Đường cong giới hạn ổn định theo thông số Hình 3.13 Đường giới hạn ổn định theo thông số cosφS1 (b) điện kháng truyền tải của trạm điện gió. ứng với trạm điện gió nhận công suất phản kháng. Đơn Đơn vị pu theo công suất cơ bản 6 MVA. 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 ♦ Vận hành hệ thống khi không có gió 0,25 t (s) cc 0,2 Trở kháng tương đương của nguồn phát 0,15 0,184 s 0,179 s 0,175 s 0,173 s giảm khi kết nối thêm máy diesel. Nên làm 0,1 Diesel, t =0,173 s 2ccmin cho thời gian cắt tới hạn tăng theo kiểu nhảy 0,05 0 cấp như Hình 3.14c. Pt (kW) 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 500 600 700 800 900 ♦ Vận hành hệ thống khi gió có tốc độ Hình 3.14c Khảo sát xác định thời gian cắt tới trung bình 9m/s hạn tcc khi không có gió. 1,2 t (s) Qua so sánh các trường hợp khảo sát cho 1 cc Điện gió Diesel thấy khả năng ổn định quá độ của trạm diesel 0,60,8 0,657 s t =0,646 s trong trường hợp vận hành độc lập là kém 0,4 t =0,177 s 1ccmin 2ccmin 0,2 nhất. 0 0,198 s Pt (kW) 3.5. Phân tích và đề xuất giải pháp 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 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 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. 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 3 trình vận hành.  13 
 14  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 N (maùy) N N V (m/s) 4 w ds 10 9.5 3 2 9 1 8.5 0 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 Thôøi gian (s) Thôøi gian (s) Hình 4.2 Biểu đồ tốc độ gió trong mô phỏng. Hình 4.3 Số lượng máy phát tham gia vận hành. P1 P2 Pt P (MW) Q (MVAr) Q 1 Q 2 Q t 2 1 1.5 0.5 1 0.5 0 0 -0.5 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 10 12 (a) Thôøi gian (s) (b) Thôøi gian (s) Hình 4.4 Biểu đồ phát công suất tác dụng (a) và công suất phản kháng (b) của hai trạm điện. F f (Hz) U (pu) 50.1 1abc 1 50 0 -1 49.9 0 2 4 6 8 10 12 4 4.05 4.1 4.15 4.2 4.25 4.3 Thôøi gian (s) Thôøi gian (s) Hình 4.6 Biểu đồ tần số trên lưới. Hình 4.7 Biểu đồ dạng sóng của điện áp phía trạm điện gió.  14 
 15  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 V (m/s) 10 mức tối thiểu cho hệ thống và đảm nhiệm 8 vai trò chính trong việc cung cấp công 6 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Thôøi gian (giôø) suất phản kháng cho phụ tải vì không có Hình 4.11b Biểu đồ tốc độ gió trên đảo Phú Quý ngày thiết bị bù trên lưới. Vào thời điểm trước 13/7/2014. 3 giờ cũng vận hành tương tự. Q1 Q2 Qt N (maùy) N w N ds Q (kVAr) 4 1200 1000 Q (kVAr) 3 800 2 600 1 400 200 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Thôøi gian (giôø) Thôøi gian (giôø) Hình 4.12 Số lượng máy phát tham gia vận hành. Hình 4.14 Biểu đồ phát công suất phản kháng của hai trạm điện. P (kW) P1 P2 Pt P1/Pt, P2/Pt (%) P2/Pt P1/Pt 2000 100 80 P /P (%) 1500 P (kW) 60 1000 t 40 1 500 20 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Thôøi gian (giôø) Thôøi gian (giôø) Hình 4.16 Biểu đồ phát công suất tác dụng của hai trạm Hình 4.17 Biểu đồ biểu diễn tỷ lệ phát công suất tác điện. dụng của hai trạm điện.  15 
 16  Nhìn chung, kết quả khảo sát cho thấy mức thâm nhập điện gió trung bình khoảng 80%Pt (Hình 4.17). Theo kết khảo sát với ngày 13/7/2014 trạm điện gió cung cấp 79,88% điện năng tiêu thụ cả đảo. Trong khi đó theo số liệu thực tế cùng ngày trạm điện diesel đã phát 82,3% tổng điện năng tiêu thụ trên đảo. Đây là một lợi ích đáng kể nếu áp dụng giải pháp đã đề xuất vào thực tế. 4.3. Khảo sát với tuabin gió có tích hợp khớp ly hợp điện từ 4.3.1. So sánh mô hình đề xuất với mô hình mẫu Sau khi tích hợp EMC vào tuabin gió và giữ nguyên lưới điện đã có như trong mô hình mẫu (trong [68]) thì được mô hình trình bày ở Hình 4.18. Biểu đồ gió dùng cho khảo sát trong các mô hình ở mục này như Hình 4.19. Trên Hình 4.22 cho thấy có lúc công suất nhận vào của tuabin Pwt bé hơn công suất phát ra Pg. Hiện tượng này chính là hiệu quả của việc lưu trữ năng lượng thừa nhờ EMC. Từ kết quả khảo sát trên Hình 4.23 cho thấy khi tích hợp EMC vào hệ thống thì chất lượng tần số, điện áp và dao động công suất cấp cho phụ tải được cải thiện đáng kể. M o hinh tich hop khop die n tu v ao tuabin gio tre n co so mo hinh mau Toác ñoä gioù (m/s) 16 "Wind-Turbine Asynchronous Ge ne rator in an Isolate d Ne twork" cua phan me m M atlab 14 m [T g] Tm 12 0 Pm wr A aA aA A 10 0 kW m B bB bB B 8 Vf _ Te 6 C cC cC C Thôøi gian (s) Synchronous Condenser 4 SC WT Asynchronous Generator 0 2 4 6 8 10 C A B 480V 300kVA 480V 275kVA Excitation PF Correction Capacitor Hình 4.19 Biểu đồ tốc độ gió dùng trong các mô hình mô phỏng. 75 kvar [T wt] Twt (pu) Vf m [Beta] [w_hs1] Beta (deg) w_hs1 (pu) Bo dieu khien goc nghieng canh P (pu) Pg Continuous 1.5 Aa Bb Pw t Cc Load [T wt] T_wt (pu) Tg (pu) [T g] pow ergui wr wg (pu) 1 a A Pwref Pwref (pu) b B f w_hs1 (pu) [w_hs1] f (Hz) c C 0.5 Khau truyen dong co tich hop EMC 3-Phase Breaker Thôøi gian (s) C C A B A B [w_hs1] Ge ne ra to r spe e d (pu) 0 Load Main Load 0 2 4 6 8 10 [Beta] P itch a ngle (de g) Tm (pu) -1 [T wt] 25 kW 50 kW W ind spe e d (m /s) Hình 4.22 Biến động công suất vào tuabin Consumer Load T oc do gio (m/s) Tuabin gio và công suất ra của máy phát trong mô Hình 4.18 Mô hình tích hợp khớp ly hợp điện từ vào tuabin gió. hình tích hợp EMC vào tuabin gió. Pt (kW) Pt (kW) 90 80 80 Vabc_SC Vabc (pu) P_WT P Wind Turb. (kW) 70 [Iabc_SL] [Pe] P_SL 70 Iabc Sec. Load (pu/275 kVA) P Sec. Load (kW) [Pt] f P_Load Frequency (Hz) P Main Load (kW) [T g] 60 60 wr Q_SC Q Sy nch. Condenser (kv ar) [T wt] Thôøi gianScope2 (s) Thôøi gian (s) ASM speed (pu) Scope1 Power 50 Computation 50 Scope 0 2 Freq 4 Te 6 |u| 8 10 0 2 4 6 8 10 F f (Hz) Vabc_WT [Pe] [Pitch_deg] F f (Hz) 62 Vabc(pu) wt wr Abs 50.4 61 Sin_Cos Product [w_hs1] 50.2 Discrete 60 wr 3-phase PLL 50 59 Scope3 1/z Control Vabc Vabc_SC 58 49.8 Discrete Thôøi gian (s) Thôø i gian (s) 57 wr 49.6 0 2 4 6 Regulator Frequency 8 [T g] 10 0 2 4 6 8 10 -1 Vabc (pu) Double click Double click Double click Double click Double click Product1 Vabc (pu) to plot to plot to plot to plot to plot [w_hs1] 1 Vabc (pu) 1 Scope1 Scope2 Scope6 Scope Scope3 [T wt] Scope6 1 1 Product4 0 0 0 0 -1 -1 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 2 2.05 2.1 2.15 2.2 Time (s) -1 -1 Thôøi gian (s) Thôøi gian (s) 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 Hình 4.23 Kết quả về chất lượng điện năng của mô hình mẫu trình bày ở các hình bên trái; Kết quả về chất lượng điện năng của mô hình tích hợp EMC vào tuabin gió trình bày ở các hình bên phải. 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).  16 
 17  Theo kết quả tính toán mô phỏng, khi vận 140 P1/Pt, P2/Pt (%) P2 P 2 P1 hành theo giải pháp này thì trong ngày 120 100 P /P (%) 80 13/7/2014 trạm điện diesel chỉ phải phát 60 t 40 7,5% tổng điện năng tiêu thụ trên đảo Phú 200 1 -20 P (kW) t Quý. Trong khi đó theo số liệu thực tế cùng -40500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 ngày trạm điện diesel đã phát 82,3% tổng Hình 4.28 Biểu đồ tỷ lệ công suất của trạm gió – điện năng tiêu thụ trên đảo. Đây là một lợi diesel so với tổng tải. 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 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.  17 
 18  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 ở trên một cách chung nhất, luận Thông số vận hành trên lưới Số liệu tốc độ gió Số liệu phụ tải Thông số các Thông số hệ 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 Cũng có các nghiên cứu [28,29, Biểu đồ so sánh P /P 1 t Tính toán phân bố Tính toán tối buộc vận hành của các loại tuabin gió 43,47] đã tính toán xác định được Biểu đồ so sánh A /A 1 t công suất ưu về hiệu quả khai thác năng trạm điện gió phù hợp nhất theo của các loại tuabin gió Phân tích dữ liệu lượng gió Chi phí điều kiện khảo sát tương ứng. Tuy Số lượng tuabin gió tối đa cho lắp đặt ban đầu theo lợi ích cận biên Chương trình nhiên các nghiên cứu này đều sử Phân tích tính toán Chi phí dụng các thông số giá tuabin gió, Yêu cầu khác chuyên gia của kinh tế vận hành chi phí lắp đặt, vận hành, bảo Vùng có lựa 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. Luận án quan tâm đến bài toán Bảng 5.1 Điều kiện vận hành kinh tế trong vận hành, sử dụng Điều kiện Ghi chú Cân bằng công suất (đk1) Như đk1 ở Bảng 2.1 tiêu chí mức thâm nhập điện gió Giới hạn phát công suất (đk2) Như đk2 ở Bảng 2.1 để đánh giá hiệu quả của dự án. Đặt công suất dự trữ quay cho hệ thống điện (đk3’) Bài toán kinh tế với đầy đủ các Dự phòng quay cho trường hợp phụ tải tăng đột ngột P ≤P Pdp – công suất dự trữ quay của hệ dữ kiện tạm thời chưa được xem dpmin dp thống phát điện hỗn hợp gió – diesel; xét trong luận án, vì đó là bài Pdpmin = max(Pbapt_i) Pbapt_i – công suất trạm biến áp toán quy hoạch động, thuộc một Dự phòng quay cho trường hợp sự22/0,4kV của phụ tải thứ i. cố một máy phát nội dung khác mà luận án không PN–1 ≥ Pt PN–1 – tổng công suất của các máy quan tâm. Trong tương lại phát còn lại sau sự cố một máy phát. Điều kiện ổn định (đk4) Như đk4 ở Bảng 2.1 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.  18 