Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió
ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI VÀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
STABILITY ASSESSMENT OF POWER SYSTEM INTEGRATED WIND AND
SOLAR
Trần Quốc Hiếu
Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh
TÓM TẮT
Việc nghiên cứu hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió có
ý nghĩa hết sức quan trọng góp phần khai thác triệt để nguồn năng lượng tự nhiên to lớn khi
các nguồn năng lượng truyền thống đang ngày càng cạn kiệt.
Bài báo nghiên cứu ổn định của một hệ thống phát điện tích hợp năng lượng mới
bao gồm năng lượng gió và năng lượng mặt trời nối với lưới điện . Năng lượng gió sử dụng
máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG).
Từ khóa: Năng lượng gió, năng lượng mặt trời, máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu,
kết hợp, ổn định động
ABSTRACT
The studied grid connecting photo-voltaic system and wind energy system is very
important. It crucially contributed to exploit the natural energy when traditional energy is
dwinding.
This thesis studies the stability of an integrated renewable power generation
system including wind power and solar power which are connected to a commercial power
system. The wind power generators are based on the Permanent Magnet Synchronous
Generator (PMSG).
Keywords: Wind power, solar power, PMSG, hybrid, dynamicstability.
v
năng lượng mặt trời và năng lượng gió là vô
cùng cần thiết
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, các nguồn nhiên liệu hóa
Sự ổn định hệ thống điện được xem như
là một vấn đề quan trọng đối với vận hành an
toàn hệ thống điện từ những năm 1920 [5].
Nhiều sự cố mất điện lớn có nguyên nhân do
sự không ổn định của hệ thống điện đã mô tả
sự quan trọng của vấn đề này [6]. Trong lịch
sử, sự không ổn định do quá độ đã trở thành
vấn đề ổn định chiếm ưu thế lớn của hầu hết
các hệ thống điện. Điều khiển ổn định hệ
thống điện là một nhiệm vụ quan trọng trong
vận hành hệ thống điện [7].
thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt đã và đang
đáp ứng phần lớn nhu cầu năng lượng của con
người, tuy nhiên năng lượng hóa thạch là
nguồn nguyên liệu không bền vững. Hơn nữa,
các nguồn nhiên liệu nói trên đang dần cạn
kiệt, vì vậy việc nghiên cứu và sử dụng các
nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo
như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời.
Công suất quang điện trên toàn thế giới là
67.000 MW vào cuối năm 2011 [1]. Trong
thực tế, một hệ thống năng lượng gió và năng
lượng mặt trời có thể cung cấp một phần nhu
cầu năng lượng của thế giới, ít tác động đến
khí hậu, chất lượng không khí, chất lượng
nước, hệ sinh thái và an ninh năng lượng, với
chi phí hợp lý [2-4].
Vì thế việc đánh giá một hệ thống điện
có tích hợp năng lượng mặt trời và năng
lượng gió có công suất lớn nhằm tìm giải
pháp nâng cao khả năng ổn định của hệ
thống, đảm bảo hệ thống vận hành an toàn và
tin cậy là yêu cầu mang tính cấp thiết hiện
nay.
Ở Việt Nam, trong những năm qua, sự
hội nhập về kinh tế dẫn tới nhu cầu điện năng
gia tăng đáng kể. Việt Nam là một trong các
quốc gia có tiềm năng đáng kể về năng lượng
mặt trời, phía Bắc bình quân có khoảng 1.800
– 2.100 giờ nắng/năm, phía Nam (từ Đà Nẵng
trở vào) bình quân từ 2.000 – 2.600 giờ
nắng/năm. Trong khi đó tổng tiềm năng điện
gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức
là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện
Sơn La (con số này bao gồm cả gió trên biển,
gió ở thềm lục địa và gió trên đất liền).
II. CẤU HÌNH HỆ THỐNG NGHIÊN
CỨU
Hình 1. Cấu hình của hệ thống được dùng để
nghiên cứu
Với sự phát triển mạnh mẽ của năng
lượng gió và năng lượng mặt trời thì yêu cầu
đánh giá ổn định của hệ thống khi tích hợp
Hình 1 trình bày cấu hình của một hệ
thống điện có tích hợp với một hệ thống pin
năng lượng mặt trời tổng công suất 60MW và
một hệ thống năng lượng gió công suất
60MW sử dụng máy phát PMSG. Cả hai hệ
thống này được kết nối chung với nhau tại
bus B. Ngoài ra hệ thống điện còn được cung
cấp thêm năng lượng từ một máy phát công
suất 2220MVA.
twRblade
VW
(2.15)
Trong đó ωtw là tốc độ theo rad/s và Rblade là
độ dài cánh quạt hay bán kính tuabin (m) của
tuabin gió.
A. Mô hình máy phát điện gió
B. Mô hình pin năng lượng mặt trời
Mỗi bảng điều khiển PV thực tế của hệ thống
nghiên cứu có các đặc tính sau: BP275UU,
công suất định mức 75 (W), điện áp định mức
17 (V), dòng điện định mức 4.45 (A), điện áp
hở mạch 21.4 (V) và dòng điện ngắn mạch
4.5 (A). Vì điện áp đầu ra của PV rất thấp,
một số tế bào PV được mắc nối tiếp nhau để
đạt được yêu cầu điện áp cao hơn. Hình 3 cho
thấy một sơ đồ mạch tương đương của một
mảng PV bao gồm một nguồn dòng ngắn hạn
tương đương song song với một diode và một
điện trở shunt, là số lượng các tế bào trong
chuỗi và là số lượng mô-đun song song.
Hình 2. Hệ thống máy phát đồng bộ - PMSG
Công suất được tạo ra bởi một tua bin
gió, Pmw từ động năng của gió và lệ thuộc vào
hệ số công suất Cp theo biểu thức sau:
1
P p.A .VW3 .CP (, W )
mw
r
2
Trong đó Pm là công suất cơ rút ra bởi tua
bin gió theo W, p là mật độ không khí kg/m3,
Ar = πR2 là bề mặt bị bao phủ bởi cánh quạt
gió có bán kính R (m2),Vwlà tốc độ gió ở
(m/s), Cplà hệ số công suất của tuabin gió, Cp
có thể được biểu diễn bởi một hàm gần đúng
của tỷ số tốc độ tại đầu cánh quạt t và góc
cánh quạt βw(độ) như sau:
Hình 3. Mạch tương đương của mảng PV đã
c2
c7
i
Cp (,W ) c1( c3W c4wc5 c6 )exp(
)
nghiên cứu.
i
Mô hình mạch tương đương của dãy PV thể
hiện trong hình 3 có thể được biểu diễn bằng
các phương trình sau:
Với
1
1
c9
i c3W w3 1
V
q
R I
N
R
V
R I
R
_
PV
S
PV
P
PV
S
PV
I
N I N I exp
(
(
)
) 1
PV
P
SC
P
D
Tỷ số tốc độ đầu cánh quạt được xác định theo
AkT
N
N
N
N
S
P
sh
s
P
trong đó VR_PV là điện áp ra của mảng PV, q
là điện tích của một electron (q = -1.602 × 10-
Hình 5. Biểu đồ khối điều khiển bộ nghịch lưu dc -
19 C), k là hằng số Boltzmann (k = 1,38 x 10-
ac của hệ thống PV.
o
23 J / K), T là nhiệt độ K, A là yếu tố chất
Phương trình vi phân pu tương ứng cho bộ
nghịch lưu dc-ac:
(TI _ PV ) ) p(I _ PV ) KI _ PV (II _ PV _ref II _ PV ) I _ PV
lượng mà là một hằng số, ID là dòng ngược
bão hòa của diode, và ISC là dòng ngắn mạch
dưới bức xạ mặt trời 1000 W / m2.
III. ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH TĨNH
Ta dùng phương pháp dao động bé [8]
trong đánh giá ổn định hệ thống điện để đi
đánh giá ổn định tĩnh của hệ thống điện đang
nghiên cứu.
Hình 4 cho thấy điện áp đầu ra của
mảng PV được cấp cho một dòng tương
đương và một bộ biến đổi DC-AC. Tụ điện,
nằm ở điểm giữa của đường dây DC có thể
được coi là mô hình pin để lưu trữ năng
lượng.
Một hệ thống thường được mô tả bởi
hệ phương trình vi phân sau:
Với x – vector trạng thái; u – vector ngõ vào
của hệ (nhiễu).
Khai triển phương trình trên vào chuỗi Taylor
và bỏ qua các đạo hàm bậc cao:
Hình 4. Mạch tương đương của dòng dc và biến
tần dc-ac của hệ thống PV.
Theo hình 4, các phương trình vi
Khi u = 0, có phương trình mô tả
phân pu của dòng DC có thể được mô tả bởi
chuyển động tự do:
. Giá trị
(LDC_PV)p(IR_PV) = VR_PV – RDC_PV R_PV
I
- EDC
riêng của ma trận thường được gán bởi các
giá trị của tham số khi không có lời giải
tầm thường cho phương trình: A =
Tìm trị riêng của A = theo phương
trình: (A - I) = 0
(CDC_PV)p(EDC) = IR_PV – II_PV
(LDC_PV)p(II_PV) = EDC – VI_PV – RDC_PV I_PV
I
Trong đó:
Vq2INV _ PV Vd2INV _ PV
6
VI _ PV
cos(I _ PV )
X
II _ PV
CIPV
2
Khi nghiệm là không tầm thường thì: det(A -
I) = 0
Hình 5 cho thấy sơ đồ điều khiển
không đổi hiện tại bên trong bộ biến đổi DC
- AC. Các phương trình vi phân pu tương ứng
cho bộ biến đổi DC - AC có thể được biểu
diễn bằng:
Việc khai triển định thức cho ra phương trình
đặc trưng, m nghiệm = 1, 2, …,n gọi là
những trị riêng của A.
Quan hệ giữa nghiệm phương trình
đặc trưng và ổn định:
Khi nghiệm là thực sẽ có trạng thái
không dao động. Nếu nghiệm là thực dương
tương ứng với mất ổn định không chu kỳ.
Khi nghiệm là phức thì chúng sẽ xuất
Trường hợp 1: Trong phần này, các
phản ứng động của hệ thống khi tốc độ gió
thay đổi được trình bày. Sự thay đổi của tốc
độ gió được mô tả trong hình 6a. Một cơn gió
mạnh với tốc độ đỉnh là tốc độ gió cơ bản
cộng với 3 m/s được bổ sung tại thời điểm t
= 20s và được xóa sau 10s. Tại t = 20s, tốc độ
gió được giả định tăng lên từ 13 m/s đến 16
m/s và giảm xuống đến 13 m/s ở t = 30s.
hiện dưới dạng cặp liên hợp và sẽ có trạng
thái dao dộng. Nếu nghiệm có phần thực
dương sẽ cho ra mất ổn định dao động.
Hệ
Số thứ tự
Trị riêng
thống
Λ1-2
Λ3-4
Λ5-6
Λ7-8
Λ9-10
Λ10-11
Λ12-13
Λ14
-15.071 ± 3.3703e + 006i
-15.563 ± 3.3902e + 006i
-33.834 ± 1641.7i
-49.169 ± 1504.2i
-31.825 ± 924.85i
-0.9024 ± 19.958i
-15.252 ± 10.438i
-0.11809
16.5
16
15.5
15
WT-
a)
14.5
PMSG
14
13.5
13
12.5
0
5
10
15
20
t (s)
25
30
35
40
2.04
2.02
2
Λ15-16
Λ17
-72.6
±
22.49i
PV
SG
b)
c)
.98
1.96
1.94
1.92
1.9
-116.61
-100.76
-99.298
-26.139
-32.976
-0.0339
-34.751
-8.9741
Λ18
Λ19
Λ20
±
±
±
j88676
j87916
j376.8
1.88
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Λ21
0.044
0.043
42
0.041
0.04
Λ22
Λ23
Λ24
±
j10.739
Bảng 1. Các giá trị riêng (rad/s) của hệ thống
0.039
0.038
0
5
10
15
20
t (s)
25
30
35
40
Các giá trị riêng của hệ thống là nghiệm
của phương trình đặt trưng và được cho trong
bảng 1. Từ kết quả của bảng 1 ta thấy tất cả
các phần thực của trị riêng của hệ thống hoàn
toàn nằm ở vị trí phía bên tay trái của mặt
phẳng phức. Chính vì thế ta có thể kết luận hệ
thống ổn định tĩnh.
Hình 6. Dạng sóng ra của trường hợp 1
a. Sự thay đổi tốc độ gió.
b. Đáp ứng của điện áp bus
c. Đáp ứng của công suất tiêu thụ đường dây
Trong khoảng thời gian tốc độ gió còn
thay đổi ngẫu nhiên trong mức (13 ± 0.1)
(m/s), các đáp ứng của hệ thống có dao động
nhưng ở mức nhỏ. Nhưng khi tố độ gió tăng
đột biến từ 13 m/s lên đến 16 m/s ta thấy các
IV. ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH TRONG
MIỀN THỜI GIAN
Kết quả mô phỏng các dao động
đáp ứng đều thay đổi theo. Với trường hợp
6b, điện áp bus dao động mạnh với biên độ
lớn nhất 2.03 pu. Công suất tiêu thụ đường
dây dao động với biên độ lớn nhất 0.0435 pu
trong hình 6c. Sau khi tốc độ gió trở về trạng
thái ngẫu nhiên ban đầu thì các tín hiệu trở về
trạng thái ổn định cũ.
Trong khoảng thời gian trước khi
xảy ra ngắn mạch các đáp ứng của hệ
thống hoạt động ổn định. Nhưng khi xảy
ra lỗi ngắn mạch ta thấy các đáp ứng đều
thay đổi theo. Với trường hợp 7b, điện áp bus
dao động mạnh với biên độ lớn nhất 2.075 pu.
Sau khi kết thúc lỗi ngắn mạch thì các tín hiệu
trở về trạng thái ổn định cũ.
Trường hợp 2: Trường hợp này xảy ra một
lỗi ngắn mạch 3 pha tại thanh cái vô cùng
lớn ở thời điểm t = 2(s) và kết thúc ở thời
điểm t = 2.1(s). Đáp ứng của hệ thống được
cho trong hình 7.
Trường hợp 3: Giả định sau 3 giây,
độ lớn tải cục bộ giảm đi còn 0.5 (pu) trong
hệ thống như thể hiện trong hình 8.
3
2.5
2
1
0.9
0.8
0.7
0.6
a)
0.5
1.5
a)
0.4
0.3
0.2
0.1
0
1
0.5
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
0
2
4
6
8
10
t (s)
12
14
16
18
20
t (s)
2.15
2.1
2.2
2
2.05
2
1.8
1.6
1.4
1.2
1
1.95
1.9
b)
c)
b)
1.85
1.8
0.8
1.75
0
2
4
6
8
10
t (s)
12
14
16
18
20
0
2
4
6
8
10
t (s)
12
14
16
18
20
0.35
0.3
0.12
0.1
0.25
0.2
0.08
0.06
0.04
0.02
0
0.15
0.1
c)
0.05
0
0
2
4
6
8
10
t (s)
12
14
16
18
20
0
2
4
6
8
10
t (s)
12
14
16
18
20
Hình 8. Dạng sóng ra của trường hợp 3
Hình 7. Dạng sóng ra của trường hợp 2
a. Mô tả ngắn mạch
a.
b.
c.
Mô tả thay đổi tải.
Đáp ứng của điện áp bus.
Đáp ứng của công suất tiêu thụ
b. Đáp ứng của điện áp bus.
c. Đáp ứng của công suất tiêu thụ
đường dây
đường dây
Trong khoảng thời gian trước khi thay
đổi tải các đáp ứng của hệ thống hoạt động ổn
định. Khi xảy ra lỗi ngắn mạch ta thấy các
đáp ứng đều thay đổi theo. Với trường hợp
8b, điện áp bus dao động mạnh với biên độ
lớn nhất 2.2 pu. Sau khi kết thúc lỗi ngắn
mạch thì các tín hiệu trở về trạng thái ổn định
cũ.
b. Đáp ứng công suất tiêu thụ đường
dây
c. Đáp ứng dòng điện lưới
Trong khoảng thời gian trước khi điện
áp PV thay đổi và xảy ra ngắn mạch các đáp
ứng của hệ thống hoạt động ổn định. Khi xảy
ra ngắn mạch t = 2(s) thì các đáp ứng dao
động với biên độ lớn. Sau thời gian xảy ra
ngắn mạch các đáp ứng hệ thống dần ổn định.
Đến thời điểm t = 10(s) thì điện áp PV thay
đổi các đáp ứng hệ thống lại dao động nhưng
với biên độ nhỏ hơn so với thời điểm xảy ra
ngắn mạch.
Trường hợp 4: Trường hợp này xảy ra
lỗi ngắn mạch 3 pha và điện áp hệ thống PV
thay đổi. Đáp ứng của hệ thống được cho
trong hình 9. Tại thời điểm t = 10s thì điện
áp của hệ thống PV tăng đột biến và được xóa
tại t = 10.5s. Tại ở thời điểm t = 2(s) xảy ra
ngắn mạch 3 pha và kết thúc ở thời điểm t =
2.1(s).
Sau thời gian xảy ra lỗi ngắn mạch và
điện áp PV ổn định thì các tín hiệu trở về
trạng thái ổn định ban đầu.
7
6.5
6
V. KẾT LUẬN
5.5
5
Dựa vào quy trình ở trên ta thấy rằng
với phương pháp xây dựng mô hình toán học
và một chương trình lập trình bằng ngôn ngữ
Matlab cho phép phân tích ổn định của hệ
thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và
năng lượng gió qua kết quả phân tích ổn định
tĩnh và động.
4.5
a)
4
3.5
3
2.5
2
0
2
4
6
8
10
t (s)
12
14
16
18
20
1.6
1.4
1.2
1
b)
0.8
0.6
0.4
0.2
Kết quả phân tích ổn định tĩnh dựa trên
phương pháp dao động bé (xét dấu các
trị riêng) đã chứng tỏ rằng hệ thống được
khảo sát có ổn định tĩnh.
0
2
4
6
8
10
t (s)
12
14
16
18
20
0.35
0.3
0.25
0.2
Kết quả phân tích ổn định động dựa
trên mô phỏng các trường hợp hệ thống bị sự
cố ngắn mạch ba pha, thay đổi tốc độ gió và
thay đổi tải cho phép đánh giá được rằng hệ
thống được khảo sát ổn định động với các sự
cố trên.
c)
0.15
0.1
0.05
0
0
2
4
6
8
10
t (s)
12
14
16
18
20
Hình 9. Dạng sóng ra của trường hợp 4
a. Mô tả điện áp PV thay đổi
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] European Photovoltaic Industry Association - Market report 2011, EPIA, Rue d’Arlon 63-67,
1040 Brussels, Belgium, 2012, pp. 1-34.
[2] M. A. Delucchi and M. Z. Jacobson – Providing all global energy with wind, water, and solar
power, Part I: Technologies, energy resources, quantities and areas of infrastructure, and materials,
Energy Policy 39 (3) (2011) 1154-1169.
[3] D.-N. Truong and L. Wang – Power system stability enhancement with an integrated offshore
wind farm and marine-current farm using a STATCOM, Proc. IEEE Asia Pacific Conference on
Circuits and Systems, 2-5 December 2012, Kaohsiung, Taiwan 571-574.
[4] M. A. Mahmud, H. R. Pota, and M. J. Hossain - Dynamic stability of three-phase grid-
connected photovoltaic system using zero dynamic design approach, IEEE Journal of
Photovoltaics, 2(4) (2012) 564-571.
[5] C. P. Steinmetz, “Power control and stability of electric generating stations,” Trans. AIEE,
vol. 39, no. 2, pp. 1215-1287, Jul. 1920.
[6] G. S. Vassell, “Northeast blackout of 1965,” IEEE Power Engineering Review, vol. 11, no. 1,
pp. 4-8, Jan. 1991.
[7] P. Kundur, J. Paserba, V. Ajjarapu, G. Andersson, A. Bose, C. Canizares, N. Hatziargyiou,
D. Hill, A. Stankovic, C.
[8] Nguyễn Hoàng Việt, Ngắn mạch và ổn định trong hệ thống điện, Nhà xuất bản Đại Học Quốc
Gia TP. Hồ Chí Minh, 2005.
BÀI BÁO KHOA HỌC
THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ
Bài báo khoa học của học viên
có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn
Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ
Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.
Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý
của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!
Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2018-2019 của Thư viện Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
9 trang
11/01/2024
23380
Free
Bạn đang xem tài liệu "Đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- danh_gia_on_dinh_he_thong_dien_co_tich_hop_nang_luong_mat_tr.pdf
