Hcmute nghiên cứu ứng dụng thiết bị bù ngang svc nâng cao ổn định điện áp trong hệ thống điện có máy phát điện gió

Tài liệu nghiên cứu Hcmute nghiên cứu ứng dụng thiết bị bù ngang svc nâng cao ổn định điện áp trong hệ thống điện có, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: TS. Trương Đình Nhơn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Điện – Điện Tử
• Đề tài: Nâng Cao Ổn Định Điện Áp Với Thiết Bị Bù Ngang SVC Trong Hệ Thống Điện Gió
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ở trong và ngoài nước
• 0.2. Tính cấp thiết
• 0.3. Mục tiêu
• 0.4. Cách tiếp cận
• 0.5. Phương pháp nghiên cứu
• 0.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu, nội dung nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG CÓ KẾT HỢP VỚI ĐIỆN GIÓ
• 1.1. Ổn định trong hệ thống điện
• 1.1.1. Khái niệm ổn định hệ thống điện
• 1.1.2. Các chỉ tiêu ổn định điện áp
• 1.1.2.1. Hệ số dự trữ điện áp
• 1.1.2.2. Hệ số dự trữ công suất tác dụng của hệ thống
• 1.1.2.3. Độ dự trữ công suất phản kháng
• 1.1.2.4. Độ vọt lố điện áp
• 1.1.3. Máy phát điện gió PMSG
• 1.1.3.1. Phân loại máy phát điện tuabin gió
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ BÙ NGANG SVC VÀ ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
• 2.1. Thiết bị bù ngang SVC
• 2.1.1. Cấu tạo thiết bị bù SVC
• 2.1.2. Nguyên lý hoạt động SVC
• 2.1.3. Mô hình nghiên cứu SVC
• 2.2. Ứng dụng của SVC trong hệ thống điện có kết hợp hệ thống điện gió
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO SVC
• 3.1. Thiết kế PID bằng phương pháp gán điểm cực
• 3.2. Tính toán thiết kế PID cho SVC
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN SVC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
• 4.1. Giới thiệu về hệ thống điện sử dụng trong nghiên cứu
• 4.2. Kết quả mô phỏng hệ thống
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Ổn định điện áp hệ thống điện gió và vai trò của thiết bị bù ngang SVC

Phần này tập trung vào vấn đề ổn định điện áp trong hệ thống điện gió, một thách thức quan trọng do tính chất biến đổi của nguồn năng lượng gió. Tài liệu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc duy trì ổn định điện áp lưới điện, đặc biệt khi tích hợp nguồn điện gió quy mô lớn. Thiết bị bù ngang SVC được xác định là một giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề này. Tài liệu khảo sát các nghiên cứu trước đây về việc áp dụng SVC trong các hệ thống tương tự, bao gồm cả những nghiên cứu trong và ngoài nước. Những nghiên cứu này đề cập đến việc sử dụng SVC để bù công suất phản kháng, cải thiện chất lượng điện năng và nâng cao khả năng duy trì điện áp thấp (LVRT). Một số nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế cấu trúc mới cho SVC, tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của nó trong điều kiện lưới điện có sự biến động từ nguồn điện gió. Việc chọn lựa SVC như một giải pháp dựa trên hiệu quả kinh tế và khả năng điều khiển linh hoạt của nó trong việc đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng biến đổi.

1.1 Ảnh hưởng của điện gió đến ổn định điện áp

Sự biến đổi công suất phát từ các máy phát điện gió, đặc biệt là máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG), gây ra những dao động điện áp đáng kể. Đặc điểm này, cùng với sự gián đoạn định kỳ, làm giảm ổn định điện áp tổng thể của hệ thống. Tài liệu phân tích chi tiết các ảnh hưởng của nguồn điện gió đến chất lượng điện năng, bao gồm cả ảnh hưởng đến điện áp lưới điện. Sự thiếu hụt công suất phản kháng (Q) khi hệ thống hoạt động ở chế độ cần nhiều công suất phản kháng là một vấn đề quan trọng. Hệ thống điện gió nối lưới cần có giải pháp để quản lý và bù đắp những biến đổi này để đảm bảo ổn định điện áp lưới điện. Điều này làm nổi bật sự cần thiết của các giải pháp điều khiển tiên tiến để duy trì chất lượng điện năng và an toàn vận hành hệ thống điện gió. Tài liệu đề cập đến các tiêu chuẩn quốc tế như IEC để đánh giá chất lượng điện áp, bao gồm các chỉ số như hệ số dự trữ điện áp và độ vọt lố điện áp.

1.2 Ứng dụng SVC trong hệ thống điện gió

SVC đóng vai trò quan trọng trong việc bù điện áp và bù công suất phản kháng trong hệ thống điện gió. Khả năng điều khiển nhanh chóng và chính xác của SVC giúp giảm thiểu tác động của sự biến đổi công suất gió lên ổn định điện áp. Tài liệu đề cập đến việc ứng dụng SVC trong các hệ thống điện có kết hợp hệ thống điện gió, bao gồm cả các nghiên cứu về mô hình SVC và điều khiển vector SVC. Việc tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa các thiết bị bù và hệ thống điều khiển. Mục tiêu của việc sử dụng SVC là nâng cao tính ổn định của hệ thống, giảm tổn thất điện năng và đảm bảo an toàn vận hành tổng thể. Việc mô phỏng SVC trong hệ thống điện gió giúp đánh giá hiệu quả của giải pháp này trong điều kiện thực tế, cũng như cung cấp cơ sở cho việc thiết kế hệ thống bù điện áp tối ưu.

II. Thiết kế và điều khiển SVC

Phần này tập trung vào khía cạnh kỹ thuật của việc triển khai SVC. Tài liệu mô tả cấu tạo thiết bị bù SVC, bao gồm các thành phần chính và nguyên lý hoạt động. Nguyên lý hoạt động SVC dựa trên khả năng điều chỉnh nhanh chóng lượng công suất phản kháng để bù trừ cho sự thay đổi của nguồn điện gió. Tài liệu đề cập đến việc thiết kế bộ điều khiển PID cho SVC, một phương pháp phổ biến để điều khiển hệ thống. Tính toán dung lượng SVC là một phần quan trọng trong quá trình thiết kế. Việc lựa chọn các thông số điều khiển phù hợp có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hoạt động của hệ thống. Phương pháp gán điểm cực được sử dụng để thiết kế bộ điều khiển PID, giúp đảm bảo sự ổn định và đáp ứng nhanh của hệ thống. Tài liệu cũng trình bày sơ đồ điều khiển SVC và mô hình toán học được sử dụng để mô phỏng và phân tích hệ thống.

2.1 Thiết kế bộ điều khiển PID cho SVC

Tài liệu nhấn mạnh vào việc thiết kế bộ điều khiển PID cho SVC để tối ưu hóa hiệu suất và ổn định của hệ thống. Việc tính toán thiết kế PID được thực hiện dựa trên mô hình toán học của hệ thống và các yêu cầu về đáp ứng động. Bộ điều khiển PID được lựa chọn vì tính đơn giản, dễ triển khai và hiệu quả trong việc điều khiển các hệ thống có tính phi tuyến như hệ thống điện gió. Việc kiểm chứng hiệu quả của bộ điều khiển được thực hiện thông qua mô phỏng trên phần mềm Matlab. Các kết quả mô phỏng cho thấy khả năng cải thiện ổn định điện áp và giảm dao động trong hệ thống khi sử dụng bộ điều khiển PID. Tài liệu cũng phân tích các thách thức trong việc thiết kế bộ điều khiển và đề xuất các hướng cải tiến trong tương lai.

2.2 Mô phỏng và phân tích kết quả

Phần này tập trung vào việc mô phỏng ảnh hưởng của bộ điều khiển SVC trong hệ thống điện. Hệ thống điện sử dụng trong nghiên cứu được mô hình hóa trên phần mềm Matlab/Simulink. Kết quả mô phỏng được sử dụng để đánh giá hiệu quả của SVC trong việc nâng cao ổn định điện áp hệ thống điện gió. Tài liệu trình bày các kết quả mô phỏng cụ thể, bao gồm các chỉ tiêu đánh giá như điện áp, dòng điện, công suất và tần số. Việc so sánh kết quả mô phỏng giữa hệ thống có và không có SVC cho thấy sự cải thiện đáng kể về ổn định điện áp và chất lượng điện năng. Phân tích kết quả giúp xác định các thông số thiết kế tối ưu cho SVC và bộ điều khiển, đồng thời cung cấp cơ sở cho việc ứng dụng thực tế.

III. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Tài liệu kết luận về hiệu quả của việc sử dụng thiết bị bù ngang SVC trong việc nâng cao ổn định điện áp trong hệ thống điện gió. Nghiên cứu cho thấy SVC, kết hợp với bộ điều khiển PID, có thể hiệu quả trong việc giảm thiểu dao động điện áp và duy trì chất lượng điện năng. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật cho việc thiết kế và vận hành hệ thống điện gió hiệu quả và an toàn. Tài liệu đề cập đến khả năng chuyển giao kết quả nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế, bao gồm việc sử dụng kết quả nghiên cứu cho sinh viên cao học và các dự án nghiên cứu tiếp theo. Việc so sánh SVC với các thiết bị bù khác cũng có thể được thực hiện để đánh giá tính ưu việt của SVC trong bối cảnh này. Nghiên cứu cũng đề cập đến các chi phí vận hành SVC và hiệu quả kinh tế của giải pháp này.

3.1 Giá trị và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này mang lại giá trị thực tiễn cao trong việc nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện gió. Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trực tiếp vào thiết kế và vận hành các hệ thống điện gió quy mô lớn. Việc sử dụng SVC giúp giảm thiểu rủi ro mất ổn định điện áp, nâng cao chất lượng điện năng và đảm bảo an toàn vận hành. Nghiên cứu cung cấp hướng dẫn cụ thể cho việc thiết kế hệ thống bù điện áp, bao gồm việc lựa chọn thông số, thiết kế bộ điều khiển và xác định dung lượng SVC. Tài liệu cũng đề cập đến các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định vận hành liên quan đến việc sử dụng SVC trong hệ thống điện.

3.2 Hạn chế và định hướng nghiên cứu

Mặc dù nghiên cứu này đạt được nhiều kết quả tích cực, nhưng vẫn còn một số hạn chế. Một số hạn chế có thể là giả định đơn giản hóa trong mô hình toán học hoặc việc chỉ tập trung vào một loại bộ điều khiển. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc mở rộng mô hình, xem xét các yếu tố ảnh hưởng khác như sự không chắc chắn của nguồn gió, hoặc so sánh với các thuật toán điều khiển khác tiên tiến hơn. Phát triển công nghệ điện gió đang diễn ra nhanh chóng, do đó nghiên cứu liên tục là cần thiết để thích ứng với các công nghệ mới và thách thức trong tương lai. Nghiên cứu cũng cần xem xét các yếu tố khác như chi phí đầu tư và vận hành, ảnh hưởng môi trường của SVC và tính khả thi kinh tế của giải pháp này trong các điều kiện cụ thể.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo, điện gió ngày càng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện hiện đại. Tại Việt Nam, các dự án điện gió đang được đầu tư mạnh mẽ nhằm bổ sung nguồn điện sạch, tuy nhiên, tính không ổn định của công suất phát do biến động tốc độ gió gây ra nhiều thách thức về ổn định điện áp và chất lượng điện năng. Theo ước tính, dao động công suất tác dụng của máy phát điện gió có thể lên đến 60% trong vòng 3 phút, ảnh hưởng trực tiếp đến điện áp lưới và khả năng cung cấp công suất phản kháng cần thiết. Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế bộ điều khiển PID cho thiết bị bù ngang SVC nhằm nâng cao ổn định điện áp trong hệ thống điện có tích hợp máy phát điện gió, đặc biệt trong điều kiện dao động công suất lớn và sự cố ngắn mạch.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện kết nối với 4 máy phát điện gió công suất 5 MW loại đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) và một máy phát đồng bộ nối với bus vô hạn, thực hiện tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2015-2016. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện độ ổn định động của hệ thống điện, giảm dao động điện áp và công suất, từ đó nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy vận hành hệ thống điện có nguồn điện gió. Kết quả mô phỏng trên Matlab cho thấy bộ điều khiển PID kết hợp với SVC có khả năng giảm đáng kể dao động quá độ và thời gian phục hồi sau sự cố, góp phần thúc đẩy ứng dụng thiết bị FACTS trong hệ thống điện Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Ổn định hệ thống điện: Phân loại ổn định thành ổn định tĩnh, ổn định động, ổn định góc và ổn định điện áp. Ổn định điện áp được đánh giá qua các chỉ tiêu như hệ số dự trữ điện áp, dự trữ công suất tác dụng và phản kháng, độ vọt lố điện áp theo tiêu chuẩn IEC.

• Máy phát điện gió PMSG: Loại máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu có ưu điểm vận hành tốc độ biến đổi, công suất cao, phù hợp với điều kiện biến động tốc độ gió. Mô hình toán học của máy phát và bộ biến đổi công suất được sử dụng để mô phỏng ảnh hưởng đến lưới điện.

• Thiết bị bù ngang SVC (Static Var Compensator): Thiết bị bù công suất phản kháng nhanh, điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối (PCC) bằng cách hấp thụ hoặc cung cấp công suất phản kháng. SVC gồm các thành phần TCR, TSC, TSR và bộ điều khiển, có đặc tính điều chỉnh liên tục với thời gian đáp ứng ≤ 40 ms.

• Bộ điều khiển PID: Thiết kế bộ điều khiển tỷ lệ - tích phân - vi phân bằng phương pháp gán điểm cực nhằm giảm dao động quá độ và nâng cao ổn định động cho hệ thống điện có SVC.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các công trình khoa học, tài liệu chuyên ngành và tiêu chuẩn quốc tế về hệ thống điện và thiết bị FACTS. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống điện có kết nối 4 máy phát điện gió PMSG và thiết bị SVC, mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink.

• Thiết kế bộ điều khiển PID cho SVC dựa trên phương pháp gán điểm cực, tuyến tính hóa hệ thống tại điểm làm việc định mức.

• Mô phỏng sự cố ngắn mạch 3 pha xảy ra tại thời điểm 2 giây, kéo dài 0,1 giây để đánh giá hiệu quả bộ điều khiển PID trong việc giảm dao động điện áp, công suất và góc lệch rotor.

• Cỡ mẫu mô phỏng gồm 4 máy phát điện gió 5 MW và 1 máy phát đồng bộ, lựa chọn phương pháp phân tích miền thời gian và miền tần số để đánh giá ổn định.

• Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2015-2016, với các bước từ xây dựng mô hình, thiết kế bộ điều khiển, đến mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả bộ điều khiển PID trên SVC: Khi có bộ điều khiển PID, dao động công suất tác dụng và phản kháng của máy phát điện gió giảm khoảng 30-40% so với trường hợp không có bộ điều khiển. Thời gian quá độ của các thông số cũng giảm từ khoảng 5 giây xuống còn dưới 3 giây.

2. Ổn định điện áp tại điểm kết nối PCC: Điện áp tại PCC dao động trong phạm vi ±2% khi có bộ PID, so với dao động vượt quá ±5% khi không có bộ điều khiển, đảm bảo tuân thủ tiêu chuẩn IEC về chất lượng điện áp.

3. Ảnh hưởng của tốc độ gió: Ở tốc độ gió từ 8 đến 16 m/s, dao động tốc độ rotor máy phát đồng bộ giảm đáng kể khi sử dụng bộ điều khiển PID, giúp duy trì ổn định tần số và công suất phát.

4. Phản ứng hệ thống khi xảy ra sự cố ngắn mạch 3 pha: Bộ điều khiển PID giúp hệ thống nhanh chóng phục hồi trạng thái ổn định, giảm thiểu nguy cơ mất đồng bộ và sụp đổ điện áp, nâng cao độ tin cậy vận hành.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc cải thiện ổn định là do bộ điều khiển PID cung cấp tín hiệu điều chỉnh chính xác và kịp thời cho SVC, giúp thiết bị này nhanh chóng bù công suất phản kháng phù hợp với biến động công suất của máy phát điện gió. So với các nghiên cứu trước đây chỉ dừng lại ở mô phỏng SVC hoặc điều khiển đơn giản, nghiên cứu này đã thiết kế và áp dụng bộ điều khiển PID dựa trên phương pháp gán điểm cực, cho phép kiểm soát dao động cơ và kích từ hiệu quả hơn.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ dao động công suất tác dụng và phản kháng, biểu đồ điện áp tại PCC, cũng như bảng so sánh trị riêng hệ thống với và không có bộ điều khiển PID, minh họa rõ ràng sự cải thiện về ổn định động. Điều này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của việc ứng dụng SVC có bộ điều khiển PID trong hệ thống điện có nguồn điện gió, góp phần nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai lắp đặt thiết bị SVC có bộ điều khiển PID tại các điểm kết nối nguồn điện gió lớn nhằm nâng cao ổn định điện áp và giảm dao động công suất, đặc biệt trong các hệ thống có công suất gió trên 10 MW. Thời gian thực hiện: 1-2 năm, chủ thể: các công ty điện lực và nhà đầu tư dự án điện gió.

2. Phát triển và áp dụng các phương pháp điều khiển nâng cao như Lead-Lag, điều khiển trượt hoặc điều khiển mờ để thay thế hoặc bổ sung cho bộ điều khiển PID, nhằm cải thiện hiệu quả điều khiển trong hệ thống phi tuyến và biến đổi nhanh. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm: 2-3 năm, chủ thể: các viện nghiên cứu và trường đại học.

3. Xây dựng chương trình đào tạo và tài liệu tham khảo chuyên sâu về thiết bị FACTS và điều khiển SVC cho học viên cao học và kỹ sư vận hành hệ thống điện, giúp nâng cao năng lực chuyên môn và ứng dụng thực tế. Thời gian: 6-12 tháng, chủ thể: các trường đại học kỹ thuật và trung tâm đào tạo.

4. Thực hiện các nghiên cứu mở rộng về mô hình hóa và mô phỏng hệ thống điện có nhiều nguồn điện gió và các thiết bị FACTS phối hợp để đánh giá toàn diện ảnh hưởng và tối ưu hóa vận hành hệ thống điện thông minh. Thời gian: 3-5 năm, chủ thể: các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và học viên cao học ngành Điện – Điện tử, Công nghệ năng lượng tái tạo: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết bị SVC, điều khiển PID và ứng dụng trong hệ thống điện có nguồn điện gió, hỗ trợ làm luận văn và đề tài tốt nghiệp.

2. Kỹ sư vận hành và thiết kế hệ thống điện: Tài liệu giúp hiểu rõ về ổn định điện áp, công suất phản kháng và cách ứng dụng thiết bị FACTS để nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống có nguồn năng lượng tái tạo.

3. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá hiệu quả đầu tư thiết bị bù ngang SVC và các giải pháp điều khiển nhằm đảm bảo vận hành ổn định và bền vững hệ thống điện quốc gia.

4. Các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ thiết bị điện: Tham khảo phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID, mô hình toán học và kết quả mô phỏng để phát triển các thiết bị điều khiển và bù công suất phản kháng thế hệ mới.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần sử dụng thiết bị bù ngang SVC trong hệ thống điện có máy phát điện gió?
   SVC cung cấp công suất phản kháng nhanh, giúp điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối nguồn điện gió, giảm dao động điện áp và công suất do biến động tốc độ gió, từ đó nâng cao ổn định và chất lượng điện năng.

2. Bộ điều khiển PID được thiết kế như thế nào để điều khiển SVC?
   Bộ điều khiển PID được thiết kế bằng phương pháp gán điểm cực dựa trên mô hình trạng thái tuyến tính hóa tại điểm làm việc định mức, nhằm giảm dao động cơ và kích từ của máy phát đồng bộ, nâng cao ổn định động hệ thống.

3. Hiệu quả của bộ điều khiển PID trên SVC được đánh giá qua những chỉ tiêu nào?
   Hiệu quả được đánh giá qua giảm dao động công suất tác dụng và phản kháng, giảm dao động điện áp tại điểm kết nối PCC, rút ngắn thời gian quá độ sau sự cố và cải thiện trị riêng hệ thống, đảm bảo vận hành ổn định.

4. Có những hạn chế nào khi sử dụng bộ điều khiển PID cho SVC?
   Bộ điều khiển PID chỉ hoạt động hiệu quả tại điểm thiết kế và trong hệ thống tuyến tính. Với hệ thống phi tuyến và biến đổi nhanh, cần áp dụng các phương pháp điều khiển nâng cao như điều khiển mờ hoặc trượt để đạt hiệu quả tốt hơn.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế vận hành hệ thống điện?
   Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở thiết kế và mô phỏng, có thể triển khai lắp đặt SVC có bộ điều khiển PID tại các điểm kết nối nguồn điện gió lớn, đồng thời đào tạo kỹ sư vận hành và phát triển các giải pháp điều khiển phù hợp với đặc thù hệ thống.

Kết luận

• Thiết bị bù ngang SVC kết hợp bộ điều khiển PID đã chứng minh khả năng nâng cao ổn định điện áp và giảm dao động công suất trong hệ thống điện có máy phát điện gió PMSG.
• Bộ điều khiển PID được thiết kế bằng phương pháp gán điểm cực, giúp giảm dao động cơ và kích từ của máy phát đồng bộ, nâng cao độ ổn định động.
• Kết quả mô phỏng sự cố ngắn mạch 3 pha cho thấy thời gian phục hồi và biên độ dao động được cải thiện rõ rệt khi có bộ điều khiển PID.
• Nghiên cứu góp phần làm cơ sở cho các ứng dụng thiết bị FACTS trong hệ thống điện Việt Nam, đồng thời là tài liệu tham khảo cho học viên cao học và kỹ sư ngành điện.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu các phương pháp điều khiển nâng cao và mở rộng mô hình để đáp ứng tốt hơn các hệ thống điện phức tạp và phi tuyến trong tương lai.

Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp điện lực triển khai thử nghiệm thực tế thiết bị SVC có bộ điều khiển PID, đồng thời phát triển đào tạo chuyên sâu về công nghệ FACTS và điều khiển hệ thống điện hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Ổn định động của hệ thống có kết hợp với điện gió 1. Ổn định trong hệ thống điện 1. Khái niệm ổn định hệ thống điện Ổn định của hệ thống điện là khả năng của hệ thống điện phục hồi lại trạng thái làm việc ban đầu hoặc rất gần ban đầu sau khi bị các kích động nhỏ hoặc kích động lớn. Ổn định hệ thống điện được phân loại như hình 1.

Sơ đồ phân loại ổn định của hệ thống điện Ổn định tĩnh là ổn định khi có kích động nhỏ, các kích động nhỏ xảy ra liên tục và có biên độ nhỏ, đó là sự biến đổi của các thiết bị điều chỉnh, các kích động này tác động 4 Luan van lên rotor của máy phát, làm phá hoại sự cân bằng công suất ban đầu làm cho chế độ xác lập tương ứng bị dao động, chế độ xác lập muốn duy trì thì phải chịu được các kích động nhỏ này. Như vậy, ổn định tĩnh là khả năng của hệ thống điện khôi phục lại chế độ ban đầu hoặc rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động nhỏ. Ổn định động là ổn định khi có kích động lớn, các kích động lớn xảy ra ít hơn so với các kích động nhỏ, nhưng biên độ khá lớn. Các kích động này xảy ra do các biến đổi đột ngột sơ đồ nối điện, biến đổi của phụ tải điện và các sự cố ngắn mạch…các kích động lớn tác động làm cho cân bằng công suất cơ – điện bị phá vỡ đột ngột, chế độ xác lập tương ứng bị dao động rất mạnh.

Như vậy, ổn định động là khả năng hệ thống điện khôi phục lại chế độ làm việc ban đầu hoặc là rất gần chế độ ban đầu sau khi bị kích động lớn. Ổn định góc thực chất là vấn đề giữ vững chuyển động đồng bộ giữa rotor của các máy phát điện trong toàn hệ thống điện. Mất ổn định góc là mất ổn định giữa các máy phát. Sự động bộ giữa các rotor được thể hiện qua góc tương đối giữa các vector điện áp, do đó gọi là ổn định góc.

Khi các góc này tăng lên có nghĩa là các rotor bắt đầu có chuyển động trái chiều, cái thì quay nhanh hơn, cái thì chậm lại. Khi góc giữa các vector điện áp vượt qua giá trị giới hạn, hệ thống điện mất ổn định, trạng thái đồng bộ không thể tự phục hồi lại, công suất, điện áp, dòng điện biến thiên hỗn loạn, các bảo vệ rơle của các máy phát điện sẽ cắt các máy phát ra khỏi lưới điện dẫn đến sụp đỗ hệ thống. Ổn định góc là quá trình quá độ cơ điện, xảy ra rất nhanh, do đó ổn định này là ngắn hạn. Ổn định điện áp là quá trình biến thiên điện áp tại các nút.

Khi xảy ra kích động nhỏ làm mất cân bằng điện áp, phản ứng lập tức xảy ra ở máy phát, các thiết bị điều chỉnh điện áp và phụ tải. Các phản ứng này có thể đưa điện áp trở lại trạng thái ban đầu, cũng có thể không, điện áp tiếp tục biến thiên, khi trị số điện áp vượt quá giá trị cho phép thì các thiết bị bảo vệ sẽ hoạt động cắt đường dây, máy biến áp… gây mất điện cục bộ, có thể tác động dẫn đến mất điện cả khu vực. Như vậy, ổn định điện áp dễ xảy ra khi lưới điện bị sự cố, khi đó mức điện áp chung giảm thấp, khả năng điều chỉnh điện áp suy yếu. Ổn định tần số xảy ra khi tần số của hệ thống điện xuống thấp hoặc tăng cao, các thiết bị tự động điều chỉnh tần số hoạt động nhằm khôi phục lại tần số ban đầu, nếu khôi 5 Luan van phụ không thành công thì phải sa thải bớt phụ tải và nếu vẫn không được thì hệ thống điện tan rã.

Các chỉ tiêu ổn định điện áp Để đánh giá mức độ ổn định điện áp nhằm đảm bảo chất lượng điện năng, chúng ta cần xác định các chỉ tiêu ổn định điện áp. Có nhiều chỉ tiêu đánh giá ổn định điện áp hệ thống điện kết nối nguồn điện gió, những chỉ tiêu quan trọng được trình bày dưới đây: 1. Hệ số dự trữ điện áp Chỉ tiêu để đánh giá mức độ ổn định điện áp của một nút là sự chênh lệch giữa điện áp làm việc và điện áp giới hạn thấp nhất của hệ thống điện. Chỉ tiêu này được mô tả bằng hệ số dự trữ điện áp δVmin% được tính như biểu thức: Vlv  Vgh min  Vmin %  .1) Vgh min Trong đó: + Vlv là điện áp nút ở chế độ làm việc bình thường.

+ Vghmin là điện áp giới hạn thấp nhất cho phép của hệ thống điện. Do Vghmin là điện áp giới hạn thấp nhất cho phép của hệ thống điện nên hệ số dự trữ điện áp được dùng để đánh giá chuyên sâu cho mức độ kém ổn định điện áp. Khi δVmin% của một nút giảm thấp dưới ngưỡng qui định cho phép hoặc gần bằng không thì có thể kết luận nút đó kém ổn định điện áp và sẽ bị mất ổn định điện áp hoặc sụp đổ điện áp. Trong cùng một chế độ vận hành, những nút có giá trị δVmin% nhỏ nhất là những nút yếu về phương diện ổn định điện áp.

Giá trị điện áp giới hạn thấp nhất cho phép của hệ thống điện Vghmin tùy thuộc quy định hoặc tiêu chuẩn riêng của từng nước. Theo tiêu chuẩn vận hành lưới điện kết nối nguồn điện gió của IEC là 2%. Hệ số dự trữ công suất tác dụng của hệ thống Hệ số dự trữ công suất tác dụng (CSTD) của hệ thống được tính toán phụ thuộc vào tổng CSTD phụ tải trong toàn hệ thống điện ở chế độ vận hành cơ sở và CSTD phụ tải cực đại toàn HTĐ tại điểm giới hạn ổn định điện áp của hệ thống theo phương pháp đường cong PV và được định nghĩa như sau: Pmax HT  Ppt K dtP %  .2) Ppt Trong đó: + PmaxHT :Tổng CSTD phụ tải của HTĐ tại điểm giới hạn ổn định điện áp. + PƩpt : Tổng CSTD phụ tải của HTĐ ở chế độ cơ sở.

Chế độ cơ sở là chế độ vận hành của HTĐ tại thời điểm hiện đang khảo sát. Hệ số dự trữ CSTD của HTĐ KdtP% đặc trưng cho mức độ ổn định điện áp chung của toàn HTĐ. Nếu KdtP% có giá trị lớn tương ứng với HTĐ có độ dự trữ CSTD cao, nếu KdtP% có giá trị nhỏ tương ứng với HTĐ có độ dự trữ CSTD thấp và nếu K dtP% ~ 0 thì HTĐ đang vận hành ở chế độ giới hạn CSTD. Đối với hệ thống điện Việt Nam, hiện tại chưa có qui định về độ dự trữ công suất tác dụng của hệ thống điện do nguồn điện phát triển chậm so với sự tăng trưởng của phụ tải nên phương thức vận hành của HTĐ Việt Nam hiện nay là độ dự trữ CSTD của hệ thống được yêu cầu lớn hơn công suất của một tổ phát lớn nhất.

Độ dự trữ công suất phản kháng Theo phương pháp phân tích đường cong QV, hiện tượng mất ổn định điện áp bắt đầu xảy ra tại thời điểm giới hạn vận hành của công suất phản kháng (CSPK) tại nút tải. Như vậy mức độ ổn định điện áp và độ dự trữ CSPK của nút tải có liên quan mật thiết với nhau nên độ dự trữ CSPK được sử dụng để đánh giá giới hạn ổn định điện áp của nút tải. 7 Luan van V Vnú t Bình thường (trước khi sự cố xảy ra) Sau khi sự Điểm tới hạn (hoặc cố xảy ra điểm sụp đổ điện áp) Vgh Giới hạn công suất phản kháng Qdt Q 0 Q0 Qmax Qma 1 x0 Hình 1. Đường cong QV sử dụng biến Q phụ tải thay đổi Đối với phương pháp phân tích đường cong QV truyền thống sử dụng biến điện áp nút thay đổi.

Khi thay đổi Vnút theo kịch bản giảm dần đều từ điểm vận hành ban đầu thì lượng CSPK bù thêm vào nút tải QC sẽ tăng dần theo và tại điểm đáy của đường cong QV (gọi là điểm sụp đổ điện áp) QC sẽ đạt giá trị cực đại ứng với giá trị Qgh ứng với giá trị Vgh. Khoảng cách giá trị CSPK vuông góc từ điểm vận hành ban đầu (trục hoành) đến điểm giới hạn của đường cong QV ứng với Qgh được gọi là độ dự trữ CSPK (Qdt) của nút tải và được xác định: Qdt  Qgh Trong phương pháp phân tích đường cong QV sử dụng biến Q thay đổi như hình 1.2 thì khi tăng dần Qpt theo kịch bản tăng đều CSPK Qpt tại nút kiểm tra từ điểm vận hành ban đầu thì Vnút sẽ giảm dần theo và tại thời điểm tới hạn (điểm sụp đổ điện áp) Qpt đạt giá trị cực đại tại Qmax tại điện áp Vgh. Khoảng cách giá trị CSPK từ điểm vận hành ban đầu ứng với Q0 đến điểm giới hạn của đường cong QV ứng với Q max được gọi là độ dự trữ CSPK (Qdt) của nút tải. Như vậy độ dự trữ CSPK được định nghĩa như biểu thức: Qdt  Qmax  Q0 (1.3) 8 Luan van Như vậy trong cả hai phương pháp, nếu độ dự trữ CSPK của một nút lớn thì biểu thị nút tải đó đạt được ổn định điện áp và nút tải nào có độ dự trữ CSPK càng lớn thì độ ổn định điện áp càng cao.

Độ vọt lố điện áp Khi Nhà máy điện gió kết nối lưới điện vận hành với tốc độ gió cao sẽ làm cho điện áp tại điểm kết nối PCC tăng. Để xác định mức độ mức độ quá áp ta tính toán độ vọt lố điện áp tại điểm kết nối PCC gần đúng theo công thức [12].4) U2 Theo tiêu chuẩn IEC, để đảm bảo chất lượng điện áp hệ thống điện gió kết nối lưới điện thì 𝛥u <= 2%. Trong đó: 𝛥u: độ vọt lố điện áp Smax: Công suất biểu kiến tối đa 𝜙: góc lệch pha U: điện áp lưới điện 1. Máy phát điện gió PMSG 1.

Phân loại máy phát điện tuabin gió Đã có nhiều công trình khoa học nghiên cứu về hệ thống máy phát điện tuabin gió với các cấu trúc rất đa dạng, nhưng có thể khái quát sự phát triển các loại máy phát điện tuabin gió như hình 1. 9 Luan van Hình 1. Phân loại máy phát điện tuabin gió Thực tế có 04 loại máy phát điện tuabin gió được đã và đang được sử dụng chủ yếu [6] bao gồm:  Máy phát điện tuabin gió loại tốc độ cố định (FSIG – Fixed Speed Induction Generator), (loại A) hình 1. Máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc 10 Luan van Loại này thường được trang bị máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc hoặc rotor dây quấn được kết nối trực tiếp với lưới điện.