Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện công suất nhỏ vào lưới điện hạ thế
LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS.TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN
CÔNG SUẤT NHỎ VÀO LƯỚI ĐIỆN HẠ THẾ
STUDYING THE EFFECTS OF SMALL POWER SOURCE
ON LOW VOLTAGE GRID
Bùi Quang Tú
Học viện Cao học Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Tp.HCM
TÓM TẮT
Nội dung nghiên cứu của bài báo trình bày về các ảnh hưởng của nguồn điện công
suất nhỏ khi kết nối lưới hạ thế hệ thống điện đường 30/4, lối vào khu du lịch 30/4, xã Long
Hòa, huyện Cần Giờ, TP.HCM. Các kết quả mô phỏng được thực hiện trên môi trường
Matlab khi hệ thống xãy ra các sự cố như ngắn mạch 3 pha, 1 pha trong nhiều trường hợp
chưa gắn tua-bin gió, khi gắn tua-bin gió, khi tốc độ gió cố định và khi tốc độ gió thay đổi
đột ngột. Từ các kết quả mô phỏng ta có thể kết luận rằng bằng cách phân tích FFT, đã cho
thấy được càng nhiều tua-bin gió thì tổng độ méo hài càng lớn, thời gian phục hồi điện áp
và dòng điện càng tăng làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của lưới dẫn đến hệ thống
không ổn định.
Từ khóa: Mô hình hóa hệ thống điện Cần Giờ, Điện áp MCCB 2/9, Điện áp chợ Hàng
Dương, Phân tích FFT bus V04, Công suất MCCB Nguyễn Văn Vấn
ABSTRACT
The content of the paper presents the effects of small power sources when connecting the
distributed grid of the 30/4 power system, the entrance to 30/4 the tourist area, Long Hoa commune,
Can Gio district, Ho Chi Minh City. The simulation results were performed on Matlab environment
when the system occurred problems such as 3-phase, 1-phase short circuits in many cases without
wind turbines, when installing wind turbines, when fixed wind speed and when the wind speed
changes abruptly. From the simulation results we can conclude that by analyzing FFT, it has shown
that the more wind turbines the greater the total harmonic distortion, the greater the recovery time
of voltage and current, the problem will affect to the power quality of the grid and the system
instability.
Keywords: Modeling of the electrical system of Can Gio, MCCB 2/9 voltage, Hang Duong
market voltage, analysis FFT bus V04, Nguyen Van Van MCCB
1. Giới thiệu
ta đã xây dựng một loạt các chính sách công
nghiệp dựa trên luật năng lượng tái tạo.
Trong những năm gần đây, một loạt các luật,
quy định, chính sách và các chương trình về
sản xuất năng lượng tái tạo đã được đưa ra để
khuyến khích phát triển năng lượng tái tạo.
So với các thế hệ năng lượng mới khác, điện
gió là năng lượng gió rẻ nhất và có lợi thế rõ
ràng, đặc biệt là điện gió công suất nhỏ.
Khi mức tiêu thụ năng lượng hóa thạch
và mức độ ô nhiễm môi trường không ngừng
tăng lên, ngày càng có nhiều tác động môi
trường của năng lượng truyền thống. Do đó,
việc tìm kiếm các nguồn năng lượng mới là
rất cần thiết cho khủng hoảng năng lượng
của Việt Nam hiện nay. Từ năm 2011, nước
HVTH: BÙI QUANG TÚ
76
LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS.TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN
Trong bài báo này, tác giả tập trung nghiên
cứu các ảnh hưởng của việc tích hợp các tua-
bin gió công suất nhỏ vào lưới hạ thế khu
vực ven biển TP.HCM, cụ thể là đường 30/4,
khu du lịch 30/4 thuộc xã Long Hòa, huyện
Cần Giờ, TP.HCM, kiểm tra cả độ ổn định
điện áp, tần số, công suất của lưới điện trong
các tình huống khác nhau. Hệ thống nghiên
cứu gồm 2 trạm biến áp 22-0,4 kV: Trạm
Nguyễn Văn Vấn 250 kVA và trạm 2/9 400
kVA cung cấp cho khoảng 25 tải, 3 tua-bin
gió công suất 9 kW, tua-bin gió tích hợp sử
dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu 3
pha tích hợp dự trữ, inverter là các thiết bị
điện tử công suất để điều khiển hoạt động
của máy phát. Các thiết bị điện tử công suất
cho phép linh hoạt đáng kể trong việc cung
cấp năng lượng cho lưới điện và cũng chính
đây là nguyên nhân gây ra một số ảnh hưởng
khi tích hợp tua-bin vào lưới như sóng hài,
sự chập chờn điện áp,…. khi tốc độ gió thay
đổi hoặc các sự cố nghiêm trọng, làm ảnh
hưởng đến chất lượng điện năng. Các kết quả
nghiên cứu của tác giả được thực hiện trên
phần mềm Matlab sinmulink.
Năm 2018
Năm 2019
Hình 1: Hoa gió trạm Nhà Bè - Cần Giờ từ
năm 2014 đến năm 2019
2. Mô hình hóa hệ thống điện nghiên cứu
Trong nghiên cứu này, tua-bin gió sử
dụng máy phát điện 3 pha - PMSG có
công suất 3 kW, 3 cánh, điện áp ra 120V
DC, tốc độ gió khởi động 2m/s, tốc độ
gió danh định 12 m/s, tốc độ gió tối đa
35m/s.
1. Tiềm năng năng lượng gió TP.HCM
Hình 2: Mô hình máy phát điện tua-bin gió
2.1. Mô hình toán học của máy phát điện
PMSG [1]
2.1.1. Phương trình điện áp và dòng điện
Lq
id eid
Ld
d
Vd Rs
Năm 2014
Năm 2015
id
(1)
dt
Ld Ld
Vq
L
d
Rs
0e
Lq
iq
iq q eid
(2)
dt
Ld Ld
Ld
p
Với
e
m
2.1.2. Mô men điện từ
Mô men điện từ trong máy phát PMSG được
mô tả bởi phương trình sau:
Năm 2016
Năm 2017
T 1.5p[0iq (Ld Lq )idiq ](N.m) (3)
e
HVTH: BÙI QUANG TÚ
77
LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS.TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN
Trong đó:
2
2
3
fc fd cos
e
fq sin
e
(7c)
3
Ld
,
: Độ tự cảm của máy phát trên trục d
Lq
Turbine Power Characteristics
và q (H)
1.6
1.4
1.2
1
8.8 m/s
8.2 m/s
7.6 m/s
Rs : điện trở Stato
Max. power at base wind speed (7 m/s)
0.8
0.6
0.4
0.2
0
7 m/s
6.4 m/s
5.8 m/s
5.2 m/s
4.6 m/s
id , : dòng điện trên trục d và trục q (A)
iq
4 m/s
1 pu
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
Turbine speed (pu of nominal generator speed)
Vd
,
: điện thế trụ c d và trục q (V)
Vq
m : tốc độ góc Rotor (rad/s)
0 : từ thông của nam châm vĩnh cửu (Wb)
Hình 3. Đặc tính công suất của tuabin gió
Hình 4 cho thấy đặc tính công suất phổ biến
của tuabin gió với các tốc độ gió khác nhau.
Nó cho thấy sự thay đổi công suất đầu của
tuabin gió với tốc độ gió khác nhau. Ở đây
tua-bin đạt công suất tối đa khi tốc độ gió ở
mức 7 m/s và tốc độ định mức của máy phát
là 1p.u. Rõ ràng là nếu được yêu cầu, đầu ra
của tuabin gió có thể được thay đổi bằng
cách thay đổi tốc độ cánh quạt với tốc độ gió
đặt trước, chẳng hạn 7 m/s. Đầu ra của phía
rôto / máy phát bộ chuyển đổi được thao tác
để kiểm soát công suất đầu ra của tua-bin
gió. Do đó, để kiểm soát đầu ra máy phát
điện. Tua bin gió không hoạt động khi tốc độ
gió nhỏ hơn tốc độ tối thiểu (trường hợp này
nhỏ hơn 4 m/s) vì năng lượng gió thu được
không đủ để bù các tổn thất và chi phí vận
hành.
p: số cặp cực
2.1.3. Biến đổi Park (chuyển đổi hệ tọa độ
abc sang dq và ngược lại
Sự chuyển đổi giữa hệ tọa độ quay dq và hệ
tọa độ 3 pha abc và ngược lại được thực hiện
bởi phép biến đổi park cho dưới đây (Patel et
al.., 2015)
f
f
q
a
fd [Tqd 0 ] fb
(4)
f0
fc
f
f
q
a
fb [Tqd 0 ]1 fd
Và
(5)
fc
f0
2
2
3
2
fd
fa cose fb cos e
fc cos e
3
3
(6a)
2
2
3
2
fq
fa cose fb sin e
fc sin e
3
3
(6b)
Hình 4: Sơ đồ một nhánh của hệ thống điện
ở Long Hòa, Cần Giờ tích hợp điện gió công
suất nhỏ trong môi trường Matlab
fa fd cos
e fq sine (7a)
- Hệ thống điện nghiên cứu là lưới điện hạ
thế 22 kV được rẽ nhánh từ trạm 110 kV
thuộc xã Long Hòa, huyện Cần Giờ,
TP.HCM, lối vào đường 30/4 khu du lịch
2
2
3
fb fd cos e
fq sin e
(7b)
3
HVTH: BÙI QUANG TÚ
78
LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS.TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN
biển Cần Giờ. Để đơn giản trong việc mô tả
hệ thống điện nghiên cứu cũng như xét đến
ảnh hưởng của các tua-bin gió trong hệ thống
này, tác giả chỉ nghiên cứu 2 trạm hạ thế là
trạm Nguyễn Văn Vấn 250 kVA gồm 3 CB
250A cung cấp cho khoảng 13 phụ tải (170
kVA) và trạm 2/9 400 kVA gồm 4 CB 250A
cung cấp cho khoảng 12 phụ tải (190 kVA)
khu vực trục dọc đường 30/4.
MCCB 2/9 xuống 0V và nhanh chóng phục
hồi trong 0,1s.
- Khi ngắn mạch 1 pha MCC7 tại thời điểm
2s thì sụt áp ở MCCB Nguyễn Văn Vấn giảm
không đáng kể và cũng nhanh chóng phục
hồi.
3.2. Khi gắn tua-bin gió
- Khi tốc độ gió ổn định ở mức 8m/s. Tại
thời điểm 0,5 s đóng tải 2,5 kW và thời điểm
1s bị ngắn mạch 3 pha trong thời gian 0,1 s.
Các tua-bin gió được đề xuất gắn ở các vị
trí sau:
10
- Khu vực Chợ Hàng Dương
- Khu Resort Cần giờ
9
8
7
6
- BQL khu du lịch 30/4
5
4
0
0.5
1
1.5
2
t (s)
3. Kết quả nghiên cứu
3.1. Khi chưa gắn tua-bin gió
Hình 8: Tốc độ tua-bin gió
- Khi chưa có các máy phát điện gió, giả sử
xảy ra sự cố ngắn mạch 3 pha tại MCCB 1
vào thời điểm 1 giây và ngắn mạch 1 pha tại
MCCB7 vào thời điểm 2 giây.
300
250
200
150
100
50
1.2
1
0
0
0.5
1
1.5
2
0.8
0.6
0.4
0.2
0
t (s)
Hình 9: Dòng điện tua-bin gió
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0.5
1
1.5
t (s)
2
2.5
3
Hình 5: Điện áp tại MCCB Nguyễn Văn Vấn
khi ngắn mạch.
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0
0
0.5
1
1.5
2
t (s)
Hình 10: Điện áp tua-bin gió
1.1
Dựa vào các đồ thị kết quả mô phỏng, khi tốc
độ gió ổ định ở mức 8 m/s, đóng tải 2,5 kW
đột ngột tại thời điểm 0,5 s thì điện áp, dòng
điện của tua-bin tăng không đáng kể. Tuy
nhiên, khi ngắn mạch 3 pha trong thời gian
0,1 s tại thời điểm 1s thì điện áp xuống 0 và
nhanh chóng phục hồi, dòng điện thì ngược
lại đột ngột tăng đến 250A.
Hình 6: Điện áp tại MCCB 2/9 khi ngắn
mạch.
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
t (s)
Hình 7: Điện áp tại chợ Hàng Dương khi
ngắn mạch.
- Khi xảy ra sự cố ngắn mạch 3 pha MCC1
tại thời điểm 1s, điện áp tại các tải L1 (Chợ
Hàng Dương), MCCB Nguyễn Văn Vấn,
HVTH: BÙI QUANG TÚ
79
LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS.TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN
- Khi tốc độ gió thay đổi từ 8 m/s xuống 6
m/s tại thời gian 1,5 s với tải không đổi.
Khi ngắn mạch 1 pha tại 0,5 s với tốc độ gió
ổn định 8 m/s, điện áp đầu ra tua-bin xuống
0, dao động chút ít rồi trở về ban đầu, ngược
lại dòng điện tăng cao gần 200A tại 0,5 s,
dao dộng chút ít trước khi phục hồi. Tuy
nhiên, công suất lại không thay đổi nhiều
10
9
8
7
6
5
3.3. Phân tích FFT của điện áp tại tua-bin
gió khi ngắn mạch 1 pha MCC7 tại 0,5s
4
0
0.5
1
1.5
2
t (s)
2.5
3
3.5
4
Hình 11: Tốc độ tua-bin gió
Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió
(WECS) của máy phát đồng bộ nam châm
(PMSG) được kết nối với tải ba pha thông
qua các bộ chuyển đổi (AC / DC / AC). Sóng
hài là gây ra bởi những hệ thống chuyển đổi
này. Để giảm các sóng hài này cần sử dụng
một bộ lọc. Có hai loại bộ lọc thường được
sử dụng, bộ lọc chủ động và bộ lọc thụ động.
Để phân tích mức độ sóng hài của hai bộ
chuyển đổi AC / DC làm việc ở tốc độ gió
khác nhau, ta sử dụng phương pháp biến đổi
Fourier nhanh (FFT) để xác định sóng hài.
400
380
360
340
320
300
0
0.5
1
1.5
2
t (s)
2.5
3
3.5
4
Hình 12: Điện áp tua-bin gió
20
18
16
14
12
10
Selected signal: 100 cycles. FFT window (in red): 100 cycles
400
200
0
-200
-400
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
t (s)
Time (s)
Fundamental (50Hz)
=
351.4
,
THD= 15.80%
20
Hình 13: Dòng điện tua-bin gió
18
16
14
12
10
8
Khi tốc độ gió thay đổi từ 8 m/s xuống 6 m/s
tại thời gian 1,5 s với tải không đổi thì điện
áp và dòng điện của tua-bin vẫn ổn định,
nhưng công suất đầu ra của tua-bin giảm
đáng kể, từ 7500 W xuống còn 3000 W trong
2 s và ổn định ở mức 3000 W.
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
Harmonic order
12
14
16
18
20
Hình 16: Phân tích FFT của điện áp tại tua-
bin gió
Dựa vào phân tích FFT điện áp tại tua-bin
gió ở hình 5.34, tổng méo hài khi có sự cố ở
điều kiện có tải là 15,8%, chủ yếu là bậc 1 ở
tần số cơ bản 50Hz.
- Ngắn mạch 1 pha tại MCC7 với tốc độ
gió 8 m/s
400
350
300
250
200
150
100
50
3.4. Phân tích FFT điện áp tại bus xa nhất
so với điểm ngắn mạch
Selected signal: 100 cycles. FFT window (in red): 100 cycles
400
200
0
0
0.5
1
1.5
2
-200
-400
t (s)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Time (s)
Hình 14: Điện áp tua-bin gió
Fundamental (50Hz)
=
360.5
,
THD= 12.82%
16
14
12
10
8
200
150
100
50
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
Harmonic order
12
14
16
18
20
Hình 17: Phân tích FFT điện áp tại bus xa
0
0
0.5
1
t (s)
1.5
2
nhất so với điểm ngắn mạch
Hình 15: Dòng điện tua-bin gió
HVTH: BÙI QUANG TÚ
80
LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS.TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN
Kết quả phân tích FFT ở hình 5.35 cho thấy
tổng méo hài điện áp tại bus xa nhất so với
điểm ngắn mạch thấp hơn tại tua-bin gió, cụ
thể là 12,82%, thấp hơn 2,98%
3.5. Phân tích khả năng tích hợp tuabin
gió vào lưới hạ thế
Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của việc lắp
đặt điện gió công suất nhỏ vào lưới hạ thế,
tác giả tiến hành lắp đặt thêm 3 máy phát
điện gió (2 tua-bin 3kw, 1 tua-bin 2,5kw) tại
hộ dân (MCCB7) và tiến hành mô phỏng sự
cố ngắn mạch 1 pha (100%) tại MCCB7 khi
tốc độ gió là 5 m/s.
Hình 20: Phân tích FFT điện áp tại tua-bin
gió khi ngắn mạch 3 pha chợ Hàng Dương và
1 pha tại hộ dân gắn tua-bin gió
Với biên độ đỉnh 351,2V thì tổng độ méo hài
THD = 11,96%
Các kết quả mô phỏng điện áp tại các bus
như trong các hình sau:
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
1.5
2
2.5
3
t (s)
Hình 21: Phân tích FFT dòng điện tại tua-
bin gió khi ngắn mạch
Hình 18: Điện áp (p.u) tại MCCB 2/9 khi
ngắn mạch 1 pha, tốc độ gió 5 m/s.
Với biên độ đỉnh 75,67V thì tổng độ méo hài
THD = 46,45%
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
4. Kết luận
1.5
2
2.5
3
t (s)
Bài báo đã trình bày những ảnh hưởng
của việc tích hợp điện gió công suất nhỏ vào
lưới điện hạ thế tại khu vực Khu du lịch 30/4
thuộc xã Cần Thạnh, huyện Cần Giờ,
Tp.HCM và đề xuất một số phương pháp
nhằm nâng cao ổn định cho hệ thống điện.
Hình 19: Điện áp (p.u) tại MCCB Nguyễn
Văn Vấn khi ngắn mạch 1 pha, tốc độ gió 5
m/s
Dựa vào các kết quả điện áp ta thấy giá trị
giảm xuống dưới 0,95 và khi sự cố xãy ra thì
thời gian phục hồi điện áp cũng khá chậm.
Cụ thể, điện áp tại MCCB 2/9 và MCCB
Nguyễn Văn Vấn giảm xuống dưới 0,5 p.u
chút ít, cũng bị dao động đôi chút rồi phục
hồi lại giá trị định mức ban đầu.
Các kết quả mô phỏng đã được trình bày và
thực hiện trên các điều kiện vận hành nguy
hiểm khác nhau của hệ thống điện như sự cố
ngắn mạch 3 pha, hoặc khi tốc độ gió thay
đổi đột ngột. Có thể kết luận từ các kết quả
nghiên cứu rằng càng nhiều tua-bin gió thì
tổng độ méo hài càng lớn, thời gian phục hồi
điện áp và dòng điện càng tăng làm ảnh
hưởng đến chất lượng điện năng của lưới dẫn
đến hệ thống không ổn định. Do đó, tác giả
xin đề xuất một số giải pháp để nâng cao độ
ổn định của hệ thống như sau:
HVTH: BÙI QUANG TÚ
81
LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: PGS.TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN
Sử dụng giải thuật thông minh để
điều khiển tối ưu các nguồn công suất
phân tán nhằm giảm các ảnh hưởng
đến lưới hạ thế khi tích hợp điện gió
công suất nhỏ.
Có thể kết hợp các thiết bị FACTS để
nâng cao khả năng hoạt động ổn định
của hệ thống.
Tuy nhiên, trong nghiên cứu này vẫn còn
một số hạn chế, cần phát triển thêm trong
tương lai như nghiên cứu các giải pháp
tang độ ổn định của hệ thống và nghiên
cứu them các ảnh hưởng của máy phát
điện gió PMSG khi kết nối lưới.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Số 4A Nguyễn Thái Sơn, Nguyễn Phát Lợi , Quảng Đức Thành , Lương Nhân và Trần Hữu
Danh, Tạp chí Khoa học trường Đại học Cần Thơ, Tập 55, trang 4-5, 2019
[2] Bùi Đình Tiếu, Trần Văn Thịnh, Nguyễn Duy Khiêm, Luận văn thạc sĩ mô phỏng ảnh
hưởng của nhà máy phát điện chạy bằng sức gió ở Bình Định đến lưới điện quốc gia sử dụng
phần mềm Matlab – Simulink, Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2009
[3] G. M. Shafiullah, Amanullah M. T. Oo, A.B.M.ShawkatAli and Alex Stojcevski, Influences
of Wind Energy Integration into the Distribution Network, Hindawi Publishing Corporation
Journal of Wind Energy Volume 2013, Article ID 903057, 2013
[4] Tony B. Nguyen, M.A. Pai, Eduard Muljadi, Impact of Wind Power Plants on Voltage and
Thông tin liên hệ tác giả chính
(người chịu trách nhiệm bài viết):
Họ tên: Bùi Quang Tú
Xác Nhận Của GVHD
Đơn vị: Cao Đẳng Nghề Tây Nnh
Điện thoại: 0987.756.913
PGS.TS Trương Đình Nhơn
Email: [email protected]
HVTH: BÙI QUANG TÚ
82
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 2019-2020 của Thư viện Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
9 trang
09/01/2024
19340
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện công suất nhỏ vào lưới điện hạ thế", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_anh_huong_cua_nguon_dien_cong_suat_nho_vao_luoi_d.pdf
