Báo cáo Tóm tắt Nghiên cứu cải thiện hoạt động của máy phát Tuabin gió có tốc độ không đổi SCIG bằng máy phát Tuabin gió có tốc độ thay đổi DFIG ghép song song

i ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG QUỸ PHÁT TRIỂN KH&CN BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐHĐN NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT TUABIN GIÓ CÓ TỐC ĐỘ KHÔNG ĐỔI SCIG BẰNG MÁY PHÁT TUABIN GIÓ CÓ TỐC ĐỘ THAY ĐỔI DFIG GHÉP SONG SONG Mã số: B2017-ĐN02-31 Chủ nhiệm đề tài: TS. Dương Minh Quân Đà Nẵng, 12/2018 ii ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG QUỸ PHÁT TRIỂN KH&CN BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐHĐN NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT TUABIN GIÓ CÓ TỐC ĐỘ KHÔNG ĐỔI SCIG BẰNG MÁY PHÁT TUABIN GIÓ CÓ TỐC ĐỘ THAY ĐỔI DFIG GHÉP SONG SONG Mã số: B2017-ĐN02-31 Xác nhận của tổ chức chủ trì Chủ nhiệm đề tài TS. Dương Minh Quân Đà Nẵng, 12/2018 iii DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH 1. DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI TT Họ và tên Đơn vị công tác và lĩnh vực chuyên môn Nội dung nghiên cứu cụ thể được giao 1 TS. Dương Minh Quân Khoa Điện – Trường Đại học Bách Khoa, chuyên môn về kỹ thuật Điện Nghiên cứu tổng quan, đề xuất phương án, mô hình hóa mô phỏng, tính toán trong phần mềm, viết thuyết minh, báo cáo. 2 GS. TS Lê Kim Hùng Khoa Điện - Trường Đại học Bách khoa, chuyên môn về kỹ thuật Điện Đề xuất và thiết kế hệ thống bảo vệ bằng phần mềm mô phỏng. 3 Nguyễn Thị Hồng Duyên Sinh viên năm thứ 5, Khoa Điện - Trường Đại học Bách khoa chuyên môn về kỹ thuật Điện Đề xuất và thiết kế bộ điều khiển bằng phần mềm mô phỏng. 2. ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Tên đơn vị trong và ngoài nước Nội dung phối hợp nghiên cứu Họ và tên người đại diện đơn vị Khoa Năng lượng – Đại học Bách Khoa Milan, Ý Hỗ trợ tài liệu nghiên cứu Marco Musetta iv MỤC LỤC MỤC LỤC .....................................................................................................................iv DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..........................................................................xi MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 2 a) Đối tượng nghiên cứu .................................................................................... 2 b) Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 2 4. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu .................................................................. 3 5. Bố cục đề tài ............................................................................................................ 3 6. Tổng quan tài liệu nghiên cứu ................................................................................. 3 CHƯƠNG 1 .................................................................................................................... 4 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NĂNG LƯỢNG GIÓ ĐẾN LƯỚI ĐIỆN ................................................................................. 4 1.1. Tổng quan về năng lượng gió ................................................................................ 4 1.1.1. Sự phát triển của tuabin gió ...................................................................................... 4 1.1.2. Tiềm năng về năng lượng gió trên thế giới .............................................................. 4 1.1.3. Tiềm năng về năng lượng gió trong nước ................................................................ 4 1.2. Ảnh hưởng của năng lượng gió ............................................................................. 4 1.2.1. Ảnh hưởng mang tính khu vực ................................................................................. 5 1.2.2. Ảnh hưởng mang tính hệ thống ................................................................................ 5 1.3. Kết luận ................................................................................................................... 5 CHƯƠNG 2 .................................................................................................................... 6 PHÂN TÍCH HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY PHÁT TUABIN GIÓ SCIG VÀ DFIG KHI KẾT NỐI ĐẾN LƯỚI .......................................................................................... 6 2.1. Giới thiệu ................................................................................................................. 6 2.2. Hai khái niệm quan trọng trong hệ thống tuabin gió ......................................... 6 2.2.1. Máy phát tuabin gió SCIG ........................................................................................ 6 2.2.2. Máy phát tuabin gió DFIG ....................................................................................... 6 2.2.3. Sơ lược mô hình máy phát cải tiến - Máy phát tuabin gió PMSG. .......................... 6 2.3. Mô hình hóa máy phát tuabin gió ......................................................................... 6 2.3.1. Công suất gió ............................................................................................................ 6 2.3.2. Hệ thống truyền lực .................................................................................................. 6 2.3.3. Máy phát ................................................................................................................... 6 a) Máy phát không đồng bộ ................................................................................ 6 b) Máy phát đồng bộ ........................................................................................... 6 2.3.4. Bộ chuyển đổi ........................................................................................................... 6 v a) Bộ chuyển đổi DFIG ...................................................................................... 6 b) Bộ chuyển đổi PMSG ..................................................................................... 6 2.4. Kết quả mô phỏng .................................................................................................. 6 2.4.1. Trong chế độ bình thường ........................................................................................ 7 2.4.2. Trong chế độ sự cố ................................................................................................... 9 2.5. Kết luận ................................................................................................................. 10 CHƯƠNG 3 ................................................................................................................... 11 NGHIÊN CỨU PHỐI HỢP ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHÁT TUABIN GIÓ DFIG HOẠT ĐỘNG TRONG CHẾ ĐỘ SỰ CỐ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH .............................................................................................. 11 3.2. Tổng quan về các yêu cầu vượt qua điện áp thấp (LVRT) của hệ thống điện trên thế giới .................................................................................................................. 11 3.3. Mô hình hóa DFIG và Hệ thống điều khiển ....................................................... 11 3.3.1. Mô hình tuabin gió ................................................................................................. 11 3.3.2. Mô hình hóa máy phát DFIG.................................................................................. 11 3.3.3. Điều khiển vector phía rotor và phía lưới ............................................................... 11 3.3.4. Bảo vệ Crowbar (Bộ xả dòng ngắn mạch) ............................................................. 12 3.3.5. Bộ ổn định hệ thống điện........................................................................................ 12 3.4. Tối ưu hóa chiến lược điều khiển cho máy phát DFIG vượt qua sự cố điện áp thấp ............................................................................................................................... 13 3.4.1. Chế độ làm việc bình thường ................................................................................. 13 3.4.2. Chế độ vượt qua sự cố điện áp thấp (LVRT) ......................................................... 13 3.5. Kết quả mô phỏng ................................................................................................ 15 3.5.1. Đáp ứng của bộ xả dòng ngắn mạch với điều khiển trễ ......................................... 16 3.5.2. Hiệu quả hoạt động của bộ hãm dao động ............................................................. 19 3.5.3. Đánh giá hiệu quả trong khả năng hỗ trợ lưới điện áp ........................................... 19 3.6. Kết luận ................................................................................................................. 21 CHƯƠNG 4 .................................................................................................................. 22 PHỐI HỢP ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT TUABIN GIÓ DFIG ĐỂ CẢI THIỆN ĐẶC TÍNH LVRT CỦA MÁY PHÁT TUABIN GIÓ SCIG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH ....................................................................... 22 4.1. Giới thiệu ............................................................................................................... 22 4.2. Mô hình hóa hệ thống tuabin gió lai giữa máy phát SCIG và DFIG kết nối lưới. Quy trình chế tạo cánh tuabin bằng vật liệu composite .................................. 22 4.2.1. Máy phát tuabin gió SCIG ...................................................................................... 22 4.3. Chiến lược phối hợp điều khiển của hệ thống tuabin gió lai DFIG và SCIG . 22 4.3.1. Chiến lược điều khiển DFIG độc lập không quan tâm đến SCIG .......................... 23 4.3.2. Chiến lược điều khiển DFIG nhằm mục đích cải thiện nhược điểm của máy phát SCIG ................................................................................................................................. 23 4.4. Kết quả mô phỏng ................................................................................................ 24 4.4.1. Đặc tính động của SCIG ......................................................................................... 24 4.4.2. Đặc tính vận hành ở trạng thái quá độ của SCIG và DFIG kết hợp ....................... 25 vi 4.5. Kết luận ................................................................................................................. 27 CHƯƠNG 5 TỔNG KẾT VÀ CÔNG VIỆC TƯƠNG LAI ..................................... 28 5.1. Kết luận chung ...................................................................................................... 28 5.2. Công việc trong tương lai ..................................................................................... 28 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................... PHỤ LỤC ......................................................................................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1. Tình hình phát triển năng lượng tính đến năm 2020 6 1.2. Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 65m so với mặt đất 8 1.3. So sánh vận tốc gió trung bình của EVN và Bản đồ thế giới 9 1.4. Tổng hợp các dự án điện gió đã và đang triển khai khu vực Nam Trung bộ và Miền Nam 11 2.1. Thông số mô phỏng của máy phát cảm ứng 24 3.1. Quy luật thuật toán mờ điều khiển trong trạng thái ổn định động 41 3.2. Thông số của máy phát gió DFIG 44 4.1. Quy luật điều khiển mờ góc mở của cánh quạt 61 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1. Sự phát triển về kích thước tuabin gió qua các năm 4 1.2. Tỷ trọng Công suất điện gió toàn cầu tính đến hết năm 2015 5 1.3. Tỷ trọng phát triển của các nguồn năng lượng và điện gió đến năm 2030 7 1.4. Công suất điện gió trên thế giới từ năm 1997 và dự toán đến 2020 8 1.5. Bản đồ tốc độ gió Việt Nam ở độ cao 60m 10 2.1. Sự phát triển của các loại máy phát gió qua từng năm từ 1995 - 2009 16 2.2. Cấu trúc cơ bản của 3 loại máy phát tua-tuabin gió 17 2.3. Sơ đồ khối của máy phát tuabin gió 18 2.4. Từng loại máy phát tuabin gió kết nối đến lưới 23 2.5. Tốc độ gió trong thực tế 23 2.6. Tốc độ gió tương đối 23 2.7. Điện áp đầu cực 25 2.8. Công suất tác dụng đầu cực 25 2.9. Công suất phản kháng đầu cực 26 2.10. Tốc độ Rotor 26 2.11. Từng loại máy phát tuabin gió kết nối đến lưới khi sự cố xảy ra 27 2.12. Điện áp đầu cực 27 2.13. Tốc độ Rotor 27 2.14. Công suất tác dụng đầu cực 28 2.15. Công suất phản kháng đầu cực 28 3.1. Đặc tính LVRT của một số quốc gia trên thế giới 31 3.2. Sơ đồ điều khiển LVRT và hãm của máy phát DFIG 35 3.3. Bộ bảo vệ xả dòng với điều khiển trễ 36 3.4. Máy phát DFIG với bộ PSS 37 ix 3.5. Bộ ổn định PSS 37 3.6. Sơ đồ khối điều khiển FLC cải tiến của bộ điều khiển điện áp RSC 39 3.7. Sơ đồ khối điều khiển FLC cải tiến của bộ điều khiển điện áp GSC 40 3.8. Đầu vào mờ thiết lập cho ε1 và ε2 41 3.9. Đầu vào mờ thiết lập cho đạo hàm của ε1 và ε2 41 3.10. Đầu ra mờ thiết lập cho Qs* 42 3.11. Đầu ra mờ thiết lập cho Qg* 42 3.12. Trang trại gió sử dụng máy phát DFIG nối đến điểm kết nối chung (PCC) 43 3.13. Dòng điện rotor của DFIG khi không có giải pháp LVRT và hạn chế dao động 45 3.14. Dòng điện rotor của DFIG khi có giải pháp LVRT và hạn chế dao động 45 3.15. Dòng điện qua bộ xả dòng của DFIG khi có giải pháp LVRT và hạn chế dao động 46 3.16. Dòng điện trong bộ xả dòng của DFIG khi không có giải pháp LVRT và hạn chế dao động 46 3.17. Dòng điện qua RSC của DFIG khi có giải pháp LVRT và hãm dao động 47 3.18. Dòng điện qua RSC của DFIG khi không có giải pháp LVRT và hãm dao động 47 3.19. Điện áp của DC link trong DFIG khi có giải pháp LVRT và hãm dao động 48 3.20. Điện áp của DC link trong DFIG khi không có giải pháp LVRT và hãm dao động 48 3.21. Tốc độ rotor 49 3.22. Momen cơ 49 3.23. Điện áp tại điểm kết nối chung PCC 50 x 3.24. Điện áp đầu cực máy phát 51 3.25. Công suất phản kháng đầu ra của máy phát DFIG 51 3.26. Công suất phản kháng đầu ra của GSC 52 3.27. Công suất phản kháng đầu ra của RSC 52 4.1. Trang trại điện gió lai sử dụng máy phát DFIG đặt gần máy phát SCIG 55 4.2. Sơ đồ điều khiển tổng thể của hệ thống máy phát DFIG phối hợp 58 4.3. Tập hợp mờ đầu vào của sai lệch điện áp PCC 60 4.4. Tập hợp mờ đầu vào của đạo hàm 60 4.5. Tập hợp mờ đầu ra của công suất phản kháng tham chiếu 61 4.6. Điện áp PCC trong hai trường hợp tác động của máy cắt 62 4.7. Công suất tác dụng PCC trong hai trường hợp tác động của máy cắt 63 4.8. Công suất phản kháng tại PCC trong hai trường hợp tác động của máy cắt 63 4.9. Điện áp tại PCC với hai chế độ vận hành SCIG độc lập và DFIG có điều khiển phối hợp với SCIG 64 4.10. Điện áp tại PCC với hai chế độ vận hành SCIG độc lập và DFIG điều khiển độc lập 64 4.11. Công suất phản kháng tại PCC với hai chế độ vận hành SCIG độc lập và DFIG có điều khiển phối hợp với SCIG 65 4.12. Công suất tác dụng tại PCC với hai chế độ vận hành SCIG độc lập và DFIG có điều khiển phối hợp với SCIG 65 xi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên Tiếng Anh Tên Tiếng Việt IRENA International Renewable Energy Agency Hiệp hội năng lượng tái tạo toàn cầu IEA International Energy Agency Cơ quan năng lượng quốc tế EWEA European Wind Energy Association Hiệp hội năng lượng gió Châu Âu WWEA World Wind Energy Association Hiệp hội năng lượng gió thế giới WB World Bank Ngân hàng thế giới REVN Vietnam Renewable Energy One Member Company Limited Công ty Trách nhiệm Hữu hạn Một thành viên năng lượng tái tạo Việt Nam SCIG Squirrel Cage Induction Generator Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc DFIG Doubly Fed Induction Generator Máy phát cảm ứng nguồn kép PMSG Permanent Magnet Synchronous Generator Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu DC Direct current Điện một chiều AC Alternating current Điện xoay chiều SSC Stator Source Converter Bộ biến đổi phía stator GSC Grid Side Converter Bộ chuyển đổi phía lưới WPP Wind Power Plant Mô hình của một nhà máy điện gió LVRT Low Voltage Ride Through Khả năng vượt qua điện áp thấp IGBT Insulated Gate Bipolar Van bán dẫn IGBT xii Transistor ENTSO-E European Network of Transmission System Operators for Electricity Tổ chức vận hành hệ thống truyền tải điện Châu Âu RSC Rotor Side Converter Bộ chuyển đổi phía rotor PSS Power System Stabilizer Bộ ổn định hệ thống điện MPPT Maximum Power Point Tracking Bắt điểm công suất cực đại PCC Point of Common Coupling Điểm kết nối chung FLC Fuzzy Logic Controller Phương pháp điều khiển mờ - Logic FI Fuzzification Mờ hóa DML Decision-Making Logic Ra quyết định DFI Defuzzification Giải mờ KB Knowledge Base Hiểu biết NL Negative Large Âm lớn NM Negative Medium Âm trung bình NS Negative Small Âm nhỏ N Negative Âm ZO Zero Không P Positive Dương PS Positive Small Dương nhỏ PM Positive Medium Dương trung bình PL Positive Large Dương lớn xiii ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG QUỸ PHÁT TRIỂN KH&CN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Đà Nẵng, ngày 01 tháng 12 năm 2018 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu cải thiện hoạt động của máy phát tuabin gió có tốc độ không đổi SCIG bằng máy phát tuabin gió có tốc độ thay đổi DFIG ghép song song. - Mã số: B2017-ĐN02-31 - Chủ nhiệm đề tài: TS. Dương Minh Quân - Tổ chức chủ trì: Đại học Đà Nẵng - Thời gian thực hiện: 24 tháng, từ tháng 06 năm 2017 đến tháng 06 năm 2019 2. Mục tiêu: Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đề xuất một chiến lược điều khiển tối ưu cho hoạt động của máy phát tuabin gió có tốc độ thay đổi DFIG. Sau đó, lắp đặt máy phát DFIG gần máy phát tuabin gió có tốc độ không đổi SCIG để cải thiện chất lượng điện áp cũng như hiệu quả vượt qua sự cố điện áp thấp của máy phát SCIG. 3. Tính mới và sáng tạo: Công nghệ máy phát tuabin gió trên thế giới trước năm 2000 chủ yếu sử dụng loại máy phát có tốc độ không thay đổi SCIG vì các lý do sau: rẻ, có độ tin cậy cao và mạnh mẽ. Tuy nhiên, những vấn đề chính của máy phát SCIG đó là: thiếu khả năng điều khiển, luôn luôn tiêu thụ công suất phản kháng của lưới điện trong suốt quá trình hoạt động bình thường và sự cố. Vì lý do tiêu thụ công suất phản kháng nên máy phát SCIG dễ gây ra mất ổn định điện áp. Kết quả là máy phát này gặp nhiều khó khăn trong việc đáp ứng các yêu cầu kết nối của lưới điện. xiv Để cải thiện đặc tính điện áp thấp LVRT của máy phát tuabin gió SCIG, đề tài đã thiết kế và đề xuất một chiến lược điều khiển mới cho máy phát tuabin gió có tốc độ thay đổi DFIG. Máy phát DFIG sẽ được lắp đặt gần máy phát tuabin gió có tốc độ không đổi SCIG bằng cách sử dụng phương pháp điều khiển mờ (hay còn gọi là phương pháp điều khiển thông minh). Trong nghiên cứu này, mô hình của một nhà máy điện gió (WPP) dựa trên mô hình máy phát DFIG truyền thống sử dụng bảo vệ bộ xả dòng ngắn mạch đã được mô phỏng trong Matlab/Simulink để tối ưu khả năng vận hành trong trường hợp sự cố lớn. Kết quả cho thấy DFIG truyền thống đ