Nâng cao chất lượng điều khiển của thiết bị bù đồng bộ statcom trong lưới điện
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN
CỦA THIẾT BỊ BÙ ĐỒNG BỘ STATCOM TRONG LƯỚI ĐIỆN
IMPROVE THE CONTROL QUALITY OF THE SYNCHRONOUS
COMPENSATION EQUIPMENT IN THE POWER GRID
N
Học viên cao học Trường ĐHSPKT TP.HCM
1. GIỚI THIỆU
vào để giúp nhanh chóng ổn định hệ
thống khi có sự cố nghiêm trọng xãy ra
như thiết bị bù tĩnh (SVC) có thể được
dùng trong hệ thống điện có kết nối với
trang trại gió sử dụng máy phát
DFIG[5],thiết bị bù đồng bộ tĩnh
(STATCOM) [6]…
Bài báo này tập trung vào việc nâng
cao ổn định của hệ thống điện gió sử dụng
máy phát DFIG có kết nối với lưới điện
bằng cách áp dụng phương pháp điều
khiển mờ thích nghi (ANFIS) thay cho bộ
điều khiển truyền thống PID trong bộ biến
đổi phía lưới điên.
Máy phát điện nguồn đôi (DFIG) được
sử dụng rộng rãi cho các trang trại gió
hiện nay vì có nhiều ưu điểm hơn so với
máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh
cữu (PMSG) như khả năng điều khiển độc
lập công suất phản kháng và công suất tác
dụng, hiệu suất cao hơn do có thể phát
điện từ rotor…Tuy nhiên, do các cuộn dây
stator được nối trực tiếp với lưới điện nên
loại máy phát này nhạy cảm với các nhiễu
từ hệ thống điện, vì thế vấn đề nâng cao
khả năng của các bộ điều khiển nhằm
giúp tăng độ ổn định của máy phát DFIG
cần được quan tâm và cải tiến trong nhiều
năm nay như trong [1], dòng điện trong
rotor của máy phát DFIG được xem xét và
phân tích trong nhiều trường hợp khác
nhau liên qua đến việc tăng, giảm điện áp.
Khả năng đáp ứng của máy phát DFIG khi
có điện áp cao trong thời gian ngắn có thể
được cải thiện dựa vào phương pháp điều
khiển bộ biến đổi phía lưới (GSC) đã
được đề cập trong [2]. Hay trong [3],
phương pháp điều khiển hồi tiếp dương
bù quá độ cũng được trình bày để nâng
cao độ ổn định của máy phát DFIG trong
cả trường hợp lưới điện cân bằng và
không cân bằng. Bên cạnh các phương
pháp điều khiển truyền thống, giải thuật
điều khiển gen di truyền cũng được ứng
dụng vào điều khiển máy phát DFIG để
nâng cao ổn định của hệ thống trang trại
gió kết nối với lưới khi xãy ra sự có điện
áp thấp [4].
2. HỆ THỐNG NGHIÊN CỨU
Trong nghiên cứu này, hệ thông nghiên
cứu bao gồm một trang trại gió công suất
6 MW gồm 3 x 2 MW máy phát DFIG
được kết nối với lưới điện. Trong đó,
trang trại gió được thay thế tương đương
bằng một máy phát điên gió nguồn đôi
(DFIG), hệ thống điện được thay thế bằng
hệ 14 bus bao gồm 3 máy phát đồng bộ và
3 tải như trong hình 1. Cụ thể từng khối
được mô tả như sau:
2.1 Mô hình má phát điện gió nguồn
đôi
Ngoài ra, có thể ứng dụng thiết bị
truyền tải linh hoạt xoay chiều (FACTS)
thức:
s r
s
s
(2)
với
bộ.
r là tốc độ rotor và
s là tốc độ đồng
Nếu máy phát vận hành dưới tốc độ đồng
bộ thì s> 0 nên Pr< 0 dẫn đến rotor tiêu
thụ công suất. Ngược lại nếu máy phát
vận hành trên tốc độ đồng bộ tức là s< 0
và Pr> 0 thì rotor cung cấp công suất lên
lưới.
Hình 1.Hệ thống điện nghiên cứu
Dưới đây là các phương trình mô tả của
máy phát điện DFIG.
Phương trình điện áp ở stator:
dds
dt
vds Rsids sqs
(3)
dqs
vqs Rsiqs sds
dt
(4)
Phương trình điện áp ở rotor:
ddr
v R i
r
dr
r dr
s
qr
dt
dqr
dt
(5)
(6)
v R i
r
qr
s qr
s
dr
Hình 2 mꢀy phꢀt không đꢁng bꢂ nguꢁn
đôi DFIG
Công suất P và Q trên cực stator:
3
Hình 2 thể hiện sơ đồ nguyên lý của máy
phát điện nguồn đôi với mạch stator được
kết nối với lưới, trong khi mạch rotor
được kết nối với 1 bộ biến đổi phía rotor
(RSC) và 1 bộ biến đổi phía lưới (GSC).
Trong cấu hình này công suất của các bộ
biến đổi được thiết kế xấp xỉ 30% công
suất định mức máy phát.
P .(vds.ids vqs.iqs )
s
2
(7)
(8)
3
Qs .(vqs.ids vds.iqs )
2
Công suất P và Q trên cực rotor:
3
P .(vdr .ir vqr .iqr )
r
2
(9)
3
Qr .(vqr .idr vdr .iqr )
Máy phát điện gió DFIG là máy điện
mà cả stator và rotor có thể phát công suất.
Công suất phát rotor tỉ lệ với hệ số trượt s
của máy phát và được tính bằng
2
(10)
Trong đó:
là từ thông của máy phát
Các chỉ số r, s là thông số của rotor và
stator
Các chỉ số d và q là thông số chiếu lên
trục d và q của hệ trục tọa độ 0dq.
P s.P
r
s
(1)
với Pr là công suất phát của rotor.
Ps là công suất phát của stator.
(2.2)
Hệ số trượt được xác định bằng công
Ngoài ra, để hệ thống có thể làm việc
được cần phải có các bộ điều khiển cho
RSC và GSC. Trong phạm vi bài báo này
tác giả quan tâm đến bộ điều khiển GSC
nhằm điều khiển ổn định điện áp DC
chung của 2 bộ biến đổi và điều khiển
công suất phản kháng từ 2 thông số đặc
trưng là Idc_ref và Vqr như lưu đồ điều
khiển cho ở hình 3 với yêu cầu điều khiển
Pmax tức là Q = 0 [5].
ưu điểm hệ điều khiển mờ còn tồn tại một
số khuyết như việc thiết kế và tối ưu hóa
hệ logic mờ đòi hỏi phải có một số kinh
nghiệm về điều khiển đối tượng, đối với
những người mới thiết kế lần đầu điều đó
hoàn toàn không đơn giản.
Ngược lại, mạng nơron có khả năng
học nên ta có thể huấn luyện mạng để xấp
xỉ một hàm phi tuyến bất kỳ, đặc biệt khi
đã biết một tập dữ liệu vào/ra. Nhưng
nhược điểm cơ bản của mạng nơron là
khó giải thích rõ ràng hoạt động của mạng
nơron như thế nào. Do vậy việc chỉnh sửa
thông số trong mạng nơron rất khó khăn.
Do đó, việc kết hợp logic mờ và mạng
nơron ta được một hệ nơron mờ thích nghi
(ANFIS) sẽ phát huy được ưu điểm của cả
hai bộ điều khiển trên.
Vdc_ref
+
Idc_ref
Vdc
-
PI/ANFIS
Controller
a) Khối điều khiển VDC
Vqr
Iqr_ref = 0
+
PI
Trong bài báo này, bộ điều khiển mờ
-
thích nghi được đề xuất nhằm thay thế
cho bộ điều khiển PID như thể hiện trong
hình 3a. Trong đó 2 đầu vào của bộ điều
khiển ANFIS là sai số và tích phân của sai
số đầu vào như thể hiện trong hình 4.
Trường hợp cụ thể là tín hiệu được lựa
chọn là giá trị điện áp DC của bộ biến đổi.
Iqr
b) Khối điều khiển công suất phản kháng
Hình 3.Lưu đꢁ điều khiển cho GSC
2.2 Mô hình hệ thố điện
Hệ thống điện được sử dụng trong bài
báo này là hệ cơ bản 3 máy 14 bus được
sử dụng rất phổ biến trong các nghiên cứu
về hệ thống điện. Thông số cụ thể được
cho trong [7]. Trong đó, mô hình máy
phát SG được sử dụng là mô hình đơn
giản bậc 4 như trong [5].
3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Đối với logic mờ, ta dễ dàng thiết kế
một hệ thống mong muốn chỉ bằng các
luật Nếu - thì gần với việc xử lý của con
người. Với đa số ứng dụng thì điều này
cho phép tạo ra lời giải đơn giản hơn
trong khoảng thời gian ngắn hơn. Ngoài
ra, ta dễ dàng sử dụng những hiểu biết của
mình về đối tượng để tối ưu hệ thống một
cách trực tiếp. Tuy nhiên, đi đôi với các
Hình 4. Sơ đꢁ khối của bꢂ ANFIS
4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Các tuabin gió vận hành ở tốc độ
0.98
0.96
gió 12 m/s. Kết quả mô phỏng của hệ
thống được thực hiên bằng công cụ
MATLAB/Simulink. Hình 5, biểu diễn kết
quả so sánh sự cố ngắn mạch của hệ thống
nghiên cứu khi không có STATCOM
(đường màu xanh biển), và khi có
STATCOM(đường màu xanh lá). Sự cố
ngắn mạch 3 pha xảy ra tại thời điểm t =
1s và kết thúc lúc t = (1 + 5/50) s.
0.94
0.92
0.9
0.88
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Thoi gian (s)
c) Điện áp tại bus 2
0.88
0.86
0.84
0.82
0.8
Có thể nhận thấy từ kết quả mô
0.78
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Thoi gian (s)
phỏng rằng đáp ứng quá độ của hệ thống
nghiên cứu thể hiện trong Hình 5 ( a)- (g)
có đáp ứng tốt hơn khi STATCOM kết
hợp với bộ điều khiển nơ- ron mờ thích
nghi so với khi chưa có STATCOM. Do
STATCOM có khả năng điều khiển công
suất phản kháng nên giúp cho hệ thống ổn
định nhanh hơn và dao động ít hơn.
d) Dòng điện tại bus 2
1.3
1.25
1.2
1.15
1.1
1.05
1
0.95
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Thoi gian (s)
e) Tốc độ rotor của DFIG
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
1.01
1
0.99
0.98
0.97
0.96
0.95
0.94
600
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Thoi gian (s)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Thoi gian (s)
f) Điện áp Vdctrên DFIG
a) Điện áp tại bus 1
0.8
0.6
0.4
3.2
3.15
0.2
0
3.1
3.05
-0.2
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3
Thoi gian (s)
2.95
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Thoi gian (s)
g) Công suất tác dụng của DFIG
b) Dòng điện tại bus 1
Hình 5: Biểu diễn kết quả so sánh biển), và khi có bộ điều khiển ANFIS cho
sự cố ngắn mạch ba pha tại bus số 14 khi STATCOM (đường màu xanh lá).
không có bộ điều khiển ANFIS cho
Từ kết quả mô phỏng trên ta thấy
STATCOM (đường màu xanh biển), và khi có có bộ điều khiển ANFIS và khi chỉ
khi có bộ điều khiển ANFIS cho có bộ điều khiển PID thì điện áp tại bus
STATCOM (đường màu xanh lá).
14 được cải thiện tốt hơn. Tuy nhiên, điện
áp tại 2 bus máy phát là bus 1 và bus 2
không được cải thiện. Điều này là hợp lí
vì điểm xãy ra sự cố nằm ở giữa bus 1 và
bus 2 cách xa bus 14 và độ dao động này
nhỏ hơn so với sự cố ngắn mạch 3 pha.
Điều này càng cho ta cơ sở để kết
1.015
1.01
1.005
1
0.995
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
Thoi gian (s)
a) Điện áp tại bus 1
luận khả năng đáp ứng của STATCOM đã
tăng lên nhờ bộ điều khiển ANFIS.
0.97
0.96
0.95
0.94
0.93
0.92
0.91
5. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày việc cải thiện ổn
định động của một hệ thống điện gió
sử dụng máy phát điện nguồn đôi
(DFIG) có kết nối với hệ thống điện.
Để cung cấp công suất phản kháng
thích hợp cho hệ thống thiết bị bộ bù
đồng bộ tĩnh (STATCOM) đã được đề
xuất và kết nối vào bus 14 của hệ
thống.
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
Thoi gian (s)
b) Điện áp tại bus 2
0.97
0.96
0.95
0.94
0.93
0.92
0.91
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
Thoi gian (s)
Để nâng cao đáp ứng của thiết
bị STATCOM, bộ điều khiển nơ-ron
mờ thích nghi (ANFIS) đã được thiết
kế để bổ sung thêm thông tin điều
khiển cho bộ điều khiển PID có sẵn
của khối điều khiển dòng điện trong
c) Điện áp tại bus 14
Hình 6: Biểu diễn kết quả so sánh
sự cố hở mạch trên đường dây nối giữa
bus 1 và bus 2 khi không có bộ điều khiển
ANFIS cho STATCOM (đường màu xanh
Có thể kết luận từ kết quả mô phỏng rằng
khi có STATCOM kết hợp với ANFIS đã
cải thiện rõ rệt chất lượng điện năng cũng
như ổn định của hệ thống nghiên cứu trong
trường hợp sự cố xãy ra.
STATCOM.
Kết quả so sánh trong miền thời
gian với sự cố ngắn mạch 3 pha và sự cố hở
đường dây truyền tải của hệ thống đã thể
hiện được tính hiệu quả của bộ điều khiển
ANFIS thiết kế cho STATCOM đề xuất
trong việc hạn chế dao động của hệ thống.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TIẾNG VIỆT
[1]
[2]
[3]
[4]
Phan Thanh Tùng, Vũ Chi Mai, Angelika Wasielke. Chương trình dự án năng lượng
gió GIZ: Tình hình phát triển điện gió và khả năng cung ứng tài chính cho các dự án
ở Việt Nam. 2012
Nguyễn Phùng Quang. Máy điện dị bộ nguồn kép dùng làm máy phát trong hệ
thống phát điện chạy sức gió, các thuật toán điều chỉnh bảo đảm phân ly giữa
mômen và hệ số công suất. 1998
Viện KHCN Môi Trường. Dự án hợp tác Quỹ bảo vệ môi trường Việt Nam và Hội
đồng kỹ thuật điện quốc tế (IEC) “European Wind Energy Association – EWEA ”.
02/2012
Nguyễn Quốc Khánh 4/2011 “ Thông tin vể năng lượng gió VN” Dự án năng
lượng Gió GIZ/MOIT tháng 4/2011
NƯỚC NGOÀI
[5]
Tao Sun, Z Chen, Frede Blaabjerg. Transient Analysis of Grid-Connected Wind
Turbines with DFIG After an External Short-Circuit Fault. NORDIC WIND
POWER CONFERENCE, 1-2 March, 2004, CHALMERS university of technology
Gilbert M. Masters, Stanford University; Wiley. Renewable and Efficient Electric
Power Systems
[6]
[7]
Toufik Bouaouiche, Mohamed Machmoum IREENA-LARGE, Saint Nazaire cedex,
France. Control and Stability Analysis of a Doubly Fed Induction Generator
Erickson, Al-Naseem, University of Colorado. Novel Power Electronics Systems
for Wind Energy Application
[8]
[9]
TS. Vũ Thành Tự Anh, Đàm Quang Minh, Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội.
Năng lượng gió của Việt Nam. 2011
[10]
[11]
How FACTS controllers benefits AC transmission systems: John J.
Paserba, Fellow IEEE.
How FACTS improve the performance of electrical grid: Rolf
Grunbaum, Ake Petersson, Bjom Thorvaldsson (ABB Review3/2002).
[12] Lie Xu, Yi Wang “Dynamic Modeling and control of dfig – based wind turbines
under unbalanced network conditions” IEEE; 2007
[13] Hee-Sang Ko, Gi-Gab Yoon, Won-Pyo Hong, 2008; “Active Use of DFIG- Based
Variable-Speech Wind-Turbine for Voltage Regulation,” IEE transactions on
industry applications , vol.44, no.6, November 2008.
[14] Li Wangand Dinh- Nhon Truong, “Dynamic Stability Improvement of Four
Parallel- Operated PMSG- Based Offshore Wind Turbine Generator Fed to a Power
System Using a STATCOM”. IEEE Transactions on power delivery, Vol.28, No.1,
January 2013
[15] Li Wang and Dinh- Nhon Truong, “Stability Enhancement off DFIG- Based
Offshore Wind Farm Fed to a Multi-Machine system Using a STATCOM”.IEEE
Transactions on power system, Vol.28, No.3, August 2013.
[16]
Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết):
Họ tên: Nguyễn Hoàng Quân
Đơn vị: Trường CĐ Nghề Kiên Giang
Điện thoại: 0917 6393 92
Email: [email protected]
Giáo viên hướng dẫn
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.
8 trang
09/01/2024
19820
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nâng cao chất lượng điều khiển của thiết bị bù đồng bộ statcom trong lưới điện", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nang_cao_chat_luong_dieu_khien_cua_thiet_bi_bu_dong_bo_statc.pdf
