ĐÁnh giÁ so sÁnh cÁc giẢi phÁp duy trÌ kẾt nỐi cỦa hỆ...

Tạp chí Khoa học công nghệ và Thực phẩm 15 (1) (2018) 114-126

114

ĐÁNH GIÁ SO SÁNH CÁC GIẢI PHÁP DUY TRÌ KẾT NỐI CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ DFIG KHI LƯỚI BỊ SỰ CỐ

Văn Tấn Lượng*, Nguyễn Thị Thanh Trúc, Trần HoànTrường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM

*Email: [email protected] Ngày nhận bài: 07/7/2017; Ngày chấp nhận đăng: 18/5/2018

TÓM TẮT

Máy phát điện gió loại không đồng bộ ba pha nguồn kép rất nhạy cảm với các nhiễu củalưới, đặc biệt là giảm áp lưới. Khả năng một tua-bin gió tiếp tục duy trì kết nối lưới khi có giảm áp lưới trong thời gian ngắn mà không bị ngắt được gọi là khả năng lướt qua điện áp thấp (LVRT). Các giải pháp như crowbar, bộ phục hồi điện áp động (DVR) và hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) được nghiên cứu để đảm bảo vẫn duy trì kết nối lưới khi có giảm áp.Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu và đánh giá các giải pháp điều khiển để thấy đượckhả năng vượt trội của chúng. Hệ thống DVR thể hiện đáp ứng vận hành tốt nhất thông qua việc giữ điện áp stator của máy phát không đồng bộ ba pha nguồn kép (DFIG) bằng hằng sốkhi có giảm áp cũng như điều kiện bình thường.

Từ khóa: Bộ phục hồi điện áp động, crowbar, độ giảm điện áp, hệ thống lưu trữ năng lượng, máy phát điện không đồng bộ ba pha nguồn kép.

1. MỞ ĐẦU

Gần đây, việc sử dụng năng lượng tự nhiên một cách hiệu quả đã tạo ra sự quan tâm nhiều kể từ khi cuộc khủng hoảng cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và ô nhiễm môi trường trởthành vấn đề nóng bỏng. Trong số các loại nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng gió đượcxem như nguồn năng lượng đầy hứa hẹn và được thương mại hóa lớn nhất so với các nguồnkhác. Các tua-bin gió có tốc độ thay đổi được, được trang bị bằng máy phát điện không đồngbộ ba pha nguồn kép (DFIG) và được ứng dụng phổ biến nhất do có nhiều lợi ích [1].

Khi có giảm áp xảy ra với DFIG, từ thông stator không thể thay đổi kịp sự thay đổi độtngột điện áp stator và một thành phần DC xuất hiện trong từ thông stator, bởi vì thành phầntích phân giảm và vec-tơ từ thông stator trở nên gần như đứng yên. Rotor tiếp tục quay và độtrượt cao, gây ra tình trạng quá áp và quá dòng trong mạch rotor do ảnh hưởng của điện áp lưới. Sự cố điện áp nguồn bất đối xứng gây ra quá dòng và quá áp quá cao trong rotor dothành phần điện áp thứ tự nghịch có trong điện áp stator và độ trượt của thành phần thứ tựnghịch này rất cao [2]. Một số công trình nghiên cứu lớn đã và đang được tiến hành nhằmđiều khiển hệ thống năng lượng gió dùng DFIG trong trường hợp giảm áp sâu và kết quảnghiên cứu cho thấy quá dòng rotor xảy ra ở trường hợp này (Hình 1). Ngoài ra, dòng điệntăng quá mức trong rotor làm tăng điện áp tụ DC. Hơn nữa, mức độ dao động dòng điện,công suất tác dụng và công suất phản kháng xảy ra trong máy phát cũng tăng cao [3-5].

Tạp chí Khoa học công nghệ và Thực phẩm 15 (1) (2018) 114-126

114

ĐÁNH GIÁ SO SÁNH CÁC GIẢI PHÁP DUY TRÌ KẾT NỐI CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ DFIG KHI LƯỚI BỊ SỰ CỐ

Văn Tấn Lượng*, Nguyễn Thị Thanh Trúc, Trần HoànTrường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM

*Email: [email protected] Ngày nhận bài: 07/7/2017; Ngày chấp nhận đăng: 18/5/2018

TÓM TẮT

Máy phát điện gió loại không đồng bộ ba pha nguồn kép rất nhạy cảm với các nhiễu củalưới, đặc biệt là giảm áp lưới. Khả năng một tua-bin gió tiếp tục duy trì kết nối lưới khi có giảm áp lưới trong thời gian ngắn mà không bị ngắt được gọi là khả năng lướt qua điện áp thấp (LVRT). Các giải pháp như crowbar, bộ phục hồi điện áp động (DVR) và hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) được nghiên cứu để đảm bảo vẫn duy trì kết nối lưới khi có giảm áp.Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu và đánh giá các giải pháp điều khiển để thấy đượckhả năng vượt trội của chúng. Hệ thống DVR thể hiện đáp ứng vận hành tốt nhất thông qua việc giữ điện áp stator của máy phát không đồng bộ ba pha nguồn kép (DFIG) bằng hằng sốkhi có giảm áp cũng như điều kiện bình thường.

Từ khóa: Bộ phục hồi điện áp động, crowbar, độ giảm điện áp, hệ thống lưu trữ năng lượng, máy phát điện không đồng bộ ba pha nguồn kép.

1. MỞ ĐẦU

Gần đây, việc sử dụng năng lượng tự nhiên một cách hiệu quả đã tạo ra sự quan tâm nhiều kể từ khi cuộc khủng hoảng cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và ô nhiễm môi trường trởthành vấn đề nóng bỏng. Trong số các loại nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng gió đượcxem như nguồn năng lượng đầy hứa hẹn và được thương mại hóa lớn nhất so với các nguồnkhác. Các tua-bin gió có tốc độ thay đổi được, được trang bị bằng máy phát điện không đồngbộ ba pha nguồn kép (DFIG) và được ứng dụng phổ biến nhất do có nhiều lợi ích [1].

Khi có giảm áp xảy ra với DFIG, từ thông stator không thể thay đổi kịp sự thay đổi độtngột điện áp stator và một thành phần DC xuất hiện trong từ thông stator, bởi vì thành phầntích phân giảm và vec-tơ từ thông stator trở nên gần như đứng yên. Rotor tiếp tục quay và độtrượt cao, gây ra tình trạng quá áp và quá dòng trong mạch rotor do ảnh hưởng của điện áp lưới. Sự cố điện áp nguồn bất đối xứng gây ra quá dòng và quá áp quá cao trong rotor dothành phần điện áp thứ tự nghịch có trong điện áp stator và độ trượt của thành phần thứ tựnghịch này rất cao [2]. Một số công trình nghiên cứu lớn đã và đang được tiến hành nhằmđiều khiển hệ thống năng lượng gió dùng DFIG trong trường hợp giảm áp sâu và kết quảnghiên cứu cho thấy quá dòng rotor xảy ra ở trường hợp này (Hình 1). Ngoài ra, dòng điệntăng quá mức trong rotor làm tăng điện áp tụ DC. Hơn nữa, mức độ dao động dòng điện,công suất tác dụng và công suất phản kháng xảy ra trong máy phát cũng tăng cao [3-5].

Đanh gia so sanh cac giai phap duy tri kêt nôi cua hệ thông năng lương gio DFIG …

115

1:n

DF

IGD

FIG

DF

IG

DFIG

t

PWMConverter

SwitchSụt áp lưới

Hộp số1:n

DF

IGD

FIG

DF

IG

DFIG

Cánh quạt

Sụt áp lưới00

Từ thông stator Dòng điện stator

Sụt áp lướir

Sụt áp lưới

dcV

Dòng điện rotorSụt áp lưới

Tốc độ (rpm)

Tăng tốc

Sụt áp lưới ACDC AC

DC

Hình 1. Phản ứng của hệ thống năng lượng gió khi có sự cố giảm áp lưới

Khi có sự cố lưới, bộ nghịch lưu phía rotor (RSC) của DFIG có thể được khóa để bảovệ mạch rotor khỏi hiện tượng quá dòng quá mức [6]. Tua-bin gió thường cắt trong thời gian ngắn sau khi bộ biến đổi công suất bị khóa và tự động được nối với lưới điện sau khi sự cốđã được giải quyết và vận hành trở lại bình thường như cũ. Tuy nhiên, điều này không còn được chấp nhận theo quy luật làm việc của lưới mới. Các quy luật này đòi hỏi trang trại gió tiếp tục được nối với lưới điện khi có sự cố giảm áp. Hình 2 thể hiện yêu cầu về lướt qua điện áp thấp (LVRT) theo quy luật làm việc của lưới điện Tây Ban Nha [7].

Giải pháp điều khiển kết nối liên tục của tua-bin gió DFIG với lưới trong trường hợp sựcố lưới đã được đề xuất trong nghiên cứu của Akhmatov [8]. Trong trường hợp này, RSC bịkhóa và rotor bị ngắn mạch qua crowbar và DFIG trở thành máy phát điện không đồng bộthông thường và bắt đầu hấp thụ công suất phản kháng từ lưới điện. Tua-bin gió tiếp tục hoạtđộng để phát ra công suất tác dụng và bộ chỉnh lưu phía lưới (GSC) có thể được dùng đểđiều khiển phát ra công suất phản kháng hay điều khiển điện áp lưới tại điểm kết nối lưới,tùy theo yêu cầu của lưới. Khi sự cố kết thúc, điện áp và tần số trong lưới điện được thiết lậplại, RSC sẽ khởi động lại và tua-bin gió sẽ trở lại hoạt động bình thường.

VPCC(pu)

1

0 1.5 Time (s)

Vùng liên tục kết nối lưới(WT must stay connected)

Vùng cắt(May trip)

0.8

0.2

10.5

0.95

Điện áp tại điểm kết nối lưới

Hình 2. Quy luật làm việc của lưới điện Tây Ban Nha khi kết nối hệ thống tua-bin gió [7]

Một giải pháp khác dùng hệ thống tích tụ năng lượng (ESS) đã được đề xuất. ESS bao gồm một bộ chuyển đổi buck/boost DC-DC và một siêu tụ điện hai lớp điện (EDLC), đượckết nối ở phía thanh cái DC của các bộ chuyển đổi back-to-back (back-to-back converters) [9-11]. Ngoài công dụng trên, ESS còn được sử dụng để nâng cao chất lượng điện năng ởđầu ra của máy phát bằng cách lưu trữ hoặc giải phóng các dao động công suất trong trường hợp tốc độ gió thay đổi ngẫu nhiên.

Văn Tân Lương, Nguyên Thi Thanh Truc, Trân Hoan

116

Ngoài ra, bộ phục hồi điện áp động (DVR) đã được đề xuất như một giải pháp để cô lậptua-bin gió DFIG bởi sự cố giảm áp lưới [12-13]. DVR là bộ chỉnh lưu nguồn điện áp (VSC) được mắc nối tiếp giữa máy phát điện gió và lưới điện, mà điện áp ngõ ra của nó được thêm vào lưới để bù cho sự cố sụt điện áp lưới.

Trong bài báo này, các giải pháp điều khiển LVRT như crowbar, DVR và ESS được áp dụng. Trước tiên, cơ sở lý thuyết về các giải pháp điều khiển LVRT đã được giới thiệu và phân tích. Sau đó, các kết quả mô phỏng từ việc mô phỏng hệ thống năng lượng gió dùng DFIG công suất 2 MW ứng với các giải pháp điều khiển khác nhau được cung cấp để so sánh, đánh giá ưu và khuyết của từng phương pháp.

2. GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN LƯỚT QUA SỰ CỐ GIẢM ÁP LƯỚI

2.1. Crowbar

Hệ thống bảo vệ crowbar bao gồm một điện trở và bộ chỉnh lưu diode 3 pha được nối ởphía rotor của máy phát DFIG (Hình 3). Giải pháp điều khiển crowbar dựa trên tiêu chuẩnquá áp tại thanh cái tụ DC-link và quá dòng trong dây quấn rotor, khi lưới có sự cố.

m

DFIG

LướiMáy biến áp

Rcrowbar

SCR

Hình 3. Hệ thống năng lượng gió DFIG với crowbar

Sơ đồ khối điều khiển của DFIG được thể hiện trong Hình 4. Để bảo vệ các bộ chuyển đổi công suất trong điều kiện lưới bị sự cố, giải pháp dùng crowbar được áp dụng. Để quyết định khi nào crowbar được kích hoạt và bộ nghịch lưu phía rotor (RSC) bị khóa, hệ thống sẽ theo dõi các thông số liên quan như dòng rotor, dòng stator và điện áp DC. Khi ít nhất một trong các thông số này không phải là giá trị bình thường, bộ nghịch lưu phía rotor sẽ dừng chuyển mạch (tắc nghẽn) và crowbar được kích hoạt, khi đó rotor bị ngắn mạch thông qua điện trở crowbar. Dòng rotor bị giảm do sự gia tăng điện trở của rotor. Khi bộ nghịch lưu phía rotor bị khóa, nó sẽ đợi để khởi động lại từ hệ thống điều khiển. Khi điện áp lưới, tần số và dòng rotor quay trở lại giá trị bình thường, điện trở của crowbar bị ngắt kết nối và bộ chuyển đổi rotor bắt đầu chuyển đổi (chế độ đồng bộ) (Hình 5). Điện áp rotor ba pha cho RSC được đặt như sau:

*

*

*

.

.

.

ar crowbar ar

br crowbar br

cr crowbar cr

V R i

V R i

V R i

(1)

Trong đó: các dòng rotor đo được (iar, ibr, icr ) là đầu vào của các bộ điều khiển.


116

Ngoài ra, bộ phục hồi điện áp động (DVR) đã được đề xuất như một giải pháp để cô lậptua-bin gió DFIG bởi sự cố giảm áp lưới [12-13]. DVR là bộ chỉnh lưu nguồn điện áp (VSC) được mắc nối tiếp giữa máy phát điện gió và lưới điện, mà điện áp ngõ ra của nó được thêm vào lưới để bù cho sự cố sụt điện áp lưới.

Trong bài báo này, các giải pháp điều khiển LVRT như crowbar, DVR và ESS được áp dụng. Trước tiên, cơ sở lý thuyết về các giải pháp điều khiển LVRT đã được giới thiệu và phân tích. Sau đó, các kết quả mô phỏng từ việc mô phỏng hệ thống năng lượng gió dùng DFIG công suất 2 MW ứng với các giải pháp điều khiển khác nhau được cung cấp để so sánh, đánh giá ưu và khuyết của từng phương pháp.

2. GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN LƯỚT QUA SỰ CỐ GIẢM ÁP LƯỚI

2.1. Crowbar

Hệ thống bảo vệ crowbar bao gồm một điện trở và bộ chỉnh lưu diode 3 pha được nối ởphía rotor của máy phát DFIG (Hình 3). Giải pháp điều khiển crowbar dựa trên tiêu chuẩnquá áp tại thanh cái tụ DC-link và quá dòng trong dây quấn rotor, khi lưới có sự cố.

m

DFIG

LướiMáy biến áp

Rcrowbar

SCR

Hình 3. Hệ thống năng lượng gió DFIG với crowbar

Sơ đồ khối điều khiển của DFIG được thể hiện trong Hình 4. Để bảo vệ các bộ chuyển đổi công suất trong điều kiện lưới bị sự cố, giải pháp dùng crowbar được áp dụng. Để quyết định khi nào crowbar được kích hoạt và bộ nghịch lưu phía rotor (RSC) bị khóa, hệ thống sẽ theo dõi các thông số liên quan như dòng rotor, dòng stator và điện áp DC. Khi ít nhất một trong các thông số này không phải là giá trị bình thường, bộ nghịch lưu phía rotor sẽ dừng chuyển mạch (tắc nghẽn) và crowbar được kích hoạt, khi đó rotor bị ngắn mạch thông qua điện trở crowbar. Dòng rotor bị giảm do sự gia tăng điện trở của rotor. Khi bộ nghịch lưu phía rotor bị khóa, nó sẽ đợi để khởi động lại từ hệ thống điều khiển. Khi điện áp lưới, tần số và dòng rotor quay trở lại giá trị bình thường, điện trở của crowbar bị ngắt kết nối và bộ chuyển đổi rotor bắt đầu chuyển đổi (chế độ đồng bộ) (Hình 5). Điện áp rotor ba pha cho RSC được đặt như sau:

*

*

*

.

.

.

ar crowbar ar

br crowbar br

cr crowbar cr

V R i

V R i

V R i

(1)

Trong đó: các dòng rotor đo được (iar, ibr, icr ) là đầu vào của các bộ điều khiển.


117

SVPWM SVPWM

PI PI

PI PI

PI PI

PI PI

iabc iabc

idqr idq

idriqr idiq

Q Vdc Qgrid

RSC GSC

Vdc

Vdqr

Vabc

Vdq

Vabc

*qrV *

drV *qV *

dV

*qrI *

drI *qI *

dI

*sP *

sQ *dcV *

gridQ

sP

Hình 4. Sơ đồ khối điều khiển năng lượng gió DFIG

SVPWMRSC

iar Rcrowbar

ibr

icr

*arV

*brV

*crV

Rcrowbar

Rcrowbar

Hình 5. Đồng bộ hóa ở bộ nghịch lưu phía rotor (RSC)

Tại thời điểm này, việc điều khiển công suất stator dựa vào bộ điều khiển tích phân tỷlệ (PI) được áp dụng như trong Hình 5. Trong đó, công suất tác dụng stator tham chiếu, *

sP ,đạt được từ việc điều khiển phát công suất cực đại (MPPT) và công suất phản kháng stator,

*sQ thường được cài đặt bằng 0 [14]. Công suất phản kháng lưới có thể được điều khiển theo

giá trị tham chiếu ( *gridQ ) và giá trị này có thể được cài đặt theo yêu cầu của lưới. Khi giá trị

công suất stator đạt đến giá trị tham chiếu được thiết lập bởi bộ điều khiển thông thường, bộnghịch lưu phía rotor sẽ trở về chế độ điều khiển thông thường.

2.2. Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS)

2.2.1. Điều khiển hệ thống ESS

Hệ thống lưu trữ năng lượng bao gồm bộ biến đổi DC/DC bán cầu và siêu tụ điện được kết nối tại thanh cái của tụ DC-link được thể hiện trong Hình 6.

Trong trường hợp lưới bình thường, ESS được dùng để loại bỏ dao động công suất phát ngõ ra bằng cách điều khiển siêu tụ điện hấp thụ thành phần dao động công suất (Pfluc) từ lưới hoặc bơm thành phần dao động công suất cho lưới thông qua bộ lọc thông cao bậc hai. Công suất tham chiếu ESS, *

ESSP , đạt được từ giá trị sai lệch công suất giữa công suất stator và rotor thông qua bộ lọc thông cao.

Ở trạng thái lưới bị sự cố, công suất tác dụng tham chiếu ESS, *ESSP , đạt được từ công

suất tác dụng rotor (Pr). Hệ thống lưu trữ năng lượng bao gồm vòng lặp điều khiển công suất siêu tụ điện ở bên


118

ngoài và vòng lặp điều khiển dòng điện siêu tụ điện ở bên trong. Cả hai vòng lặp điều khiển công suất và dòng điện đều dùng bộ tích phân tỷ lệ. Ngõ ra của bộ điều khiển dòng điện siêu tụ điện là điện áp tham chiếu ( *

LV ). Từ giá trị điện áp tham chiếu này, ta tính được duty ratio (DESS). Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) được thực hiện bằng cách so sánh hệ số (DESS) với sóng mang để tạo xung (g1 và g2) đóng cắt các khóa S1 và S2.

2.2.2. Thiết kế siêu tụ điện

Năng lượng E được lưu trữ trong siêu tụ điện được tính như sau:

2 2,max ,min

12 ESS ESS ESSE C V V P T (2)

Trong đó: T là khoảng thời gian nạp hoặc xả cho việc làm phẳng công suất phát.

Công suất định mức của siêu tụ điện (PESS) (giả sử bỏ qua tổn hao trên linh kiện) được chọn bằng 30% của toàn công suất hệ thống. Điện áp định mức của siêu tụ điện là 600 V. Điện áp nhỏ nhất khi xả được chọn là 50% (300 V) giá trị định mức của siêu tụ điện. Trong nghiên cứu này, ESS được thiết kế để nạp hoặc xả liên tục 30% công suất định mức hệ thống trong khoảng 45 s. Vì vậy, dung lượng của siêu tụ điện được tính toán như sau:

2 2 2 2,max ,min

2 2 600000 45 200( )600 300

ESS

ESS ESS

P TC F

V V

(3)

dcV

rDFIG

Lf

Siêu tụ điện

1S

2S

PESS

capV capI

g1

g2

capcapcap IVP

12

Trường hợp lưới sự cố

PcapI

PI

cap

*capI*V

PI*capP

Lưới

lướiP

Lg GSCP

rP

sP

g1

g2

PWM

+-

ESSD

Sóng tam giác

*ESS L

dc

V VV L

rP

Trường hợp lưới bình thường

flucP

2

2 22 c c

ss s

genP

Hình 6. Bộ điều khiển dùng ESS

2.3. Bộ điều khiển điện áp động (DVR)

DVR là bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI) được mắc nối tiếp với lưới điện thông qua bộ lọcLC (Hình 7). DVR là một giải pháp lý tưởng mà có thể tạo ra sự cách ly hệ thống tua-bin gió khi có độ võng điện áp (voltage dip) lưới lớn. Ngoài ra, DVR còn được dùng để bảo vệ tảinhạy cảm (sensitive loads) khi xuất hiện nhiễu trong lưới như giảm áp (voltage sag), tăng áp (swell), điện áp không cân bằng (unbalance), v.v.


118

ngoài và vòng lặp điều khiển dòng điện siêu tụ điện ở bên trong. Cả hai vòng lặp điều khiển công suất và dòng điện đều dùng bộ tích phân tỷ lệ. Ngõ ra của bộ điều khiển dòng điện siêu tụ điện là điện áp tham chiếu ( *

LV ). Từ giá trị điện áp tham chiếu này, ta tính được duty ratio (DESS). Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) được thực hiện bằng cách so sánh hệ số (DESS) với sóng mang để tạo xung (g1 và g2) đóng cắt các khóa S1 và S2.

2.2.2. Thiết kế siêu tụ điện

Năng lượng E được lưu trữ trong siêu tụ điện được tính như sau:

2 2,max ,min

12 ESS ESS ESSE C V V P T (2)

Trong đó: T là khoảng thời gian nạp hoặc xả cho việc làm phẳng công suất phát.

Công suất định mức của siêu tụ điện (PESS) (giả sử bỏ qua tổn hao trên linh kiện) được chọn bằng 30% của toàn công suất hệ thống. Điện áp định mức của siêu tụ điện là 600 V. Điện áp nhỏ nhất khi xả được chọn là 50% (300 V) giá trị định mức của siêu tụ điện. Trong nghiên cứu này, ESS được thiết kế để nạp hoặc xả liên tục 30% công suất định mức hệ thống trong khoảng 45 s. Vì vậy, dung lượng của siêu tụ điện được tính toán như sau:

2 2 2 2,max ,min

2 2 600000 45 200( )600 300

ESS

ESS ESS

P TC F

V V

(3)

dcV

rDFIG

Lf

Siêu tụ điện

1S

2S

PESS

capV capI

g1

g2

capcapcap IVP

12

Trường hợp lưới sự cố

PcapI

PI

cap

*capI*V

PI*capP

Lưới

lướiP

Lg GSCP

rP

sP

g1

g2

PWM

+-

ESSD

Sóng tam giác

*ESS L

dc

V VV L

rP

Trường hợp lưới bình thường

flucP

2

2 22 c c

ss s

genP

Hình 6. Bộ điều khiển dùng ESS

2.3. Bộ điều khiển điện áp động (DVR)

DVR là bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI) được mắc nối tiếp với lưới điện thông qua bộ lọcLC (Hình 7). DVR là một giải pháp lý tưởng mà có thể tạo ra sự cách ly hệ thống tua-bin gió khi có độ võng điện áp (voltage dip) lưới lớn. Ngoài ra, DVR còn được dùng để bảo vệ tảinhạy cảm (sensitive loads) khi xuất hiện nhiễu trong lưới như giảm áp (voltage sag), tăng áp (swell), điện áp không cân bằng (unbalance), v.v.


119

TRF

DFIGLưới

Cfvfvdc

if

vc

vs

is

vg

Lf

Hình 7. Sơ đồ mạch dùng DVR

Điện áp tham chiếu bồi hoàn được phát ra từ máy biến áp được viết như sau:

*,

*,

*,

ga presag gaca

gb presag gbcb

gc presag gccc

v v vv v v

v vv

(4)

Trong đó: vga,presag, vgb,presag và vgc,presag là điện áp trước khi xảy ra sự cố giảm áp; vga, vgb và vgc là điện áp sau khi có sự cố giảm áp xảy ra trong hệ thống điện.

SVPWM

θ

dqp

isifvc abc

Bộ điều khiển điện áp thứ tự

thuận

Bộ điều khiển điện áp thứ tự

nghịch

- θ

θdqp

- θ

dqn

+

+

*cv

*cdqV

*cdqV

cdqV

cdqV

fdqI

fdqI

sdqI

sdqI

dqs

dqn

abc

*fdqV

*fdqV

*sfdqv

*sfdqv

*sfdqv *

abcfv

dqs

dqs

dqs

dqs

dqs

*scdqvscdqvsfdqissdqi

vg

vg,presag Phương trình (12)

Hình 8. Sơ đồ khối điều khiển của DVR

Sơ đồ khối điều khiển DVR được thực hiện trong hệ trục tọa độ quay (dq) và kết hợp cảvòng lặp điều khiển dòng điện bên trong và cả vòng lặp bộ điều khiển điện áp bên ngoài (Hình 8). Trong đó, các bộ điều khiển điện áp và dòng điện thứ tự nghịch và thứ tự thuận được dùng kết hợp. Bộ điều khiển điện áp thứ tự nghịch được thêm vào để xử lý sự cố giảmáp không cân bằng (unbalanced voltage sags) vì thành phần thứ tự thuận chỉ có thể bồi hoàn sự cố độ võng điện áp cân bằng. Trong trường hợp mất cân bằng, các thành phần d và q trong bộ điều khiển thứ tự thuận không phải là thành phần DC và do đó chỉ sử dụng bộ điều khiển thứ tự thuận là không đủ. Bởi vì thành phần thứ tự nghịch được quay theo hướng ngược lại với thành phần thứ tự thuận. Do đó, cả bộ điều khiển điện áp thứ tự nghịch và thứtự thuận được kết hợp điều khiển trong hệ thống.

3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN

Thông số của tua-bin gió và máy phát DFIG lần lượt được thể hiện trong Bảng 1 và 2.


120

Bảng 1. Thông số của tua-bin gió Bảng 2. Thông số của DFIG

Thông số Giá trị Thông số Giá trị

Công suất định mức 2 MW Công suất định mức 2 MW

Bán kính cánh quạt 39 m Điện áp lưới 33 kV

Cường độ không khí 1,225 kg/m3 Điện áp stator 690 V

Hệ số chuyển đổi công suấtcực đại 0,4

Điện trở stator 0,00488 p.u

Điện trở rotor 0,00549 p.u

Tốc độ gió cận dưới 3 m/s Điện cảm rò stator 0,0924 p.u

Tốc độ gió cận trên 25 m/s Điện cảm rò rotor 0,0995 p.u

Hệ số quán tính cánh quạt 6,3 × 106 kg.m2 Hệ số quán tính máy phát 200 kg.m2

3.1. Kết quả mô phỏng khi không dùng crowbar, ESS và DVR

Khi không dùng các giải pháp điều khiển crowbar, ESS và DVR, việc mô phỏng hệthống năng lượng gió máy phát DFIG công suất 2 MW được thực hiện bằng phần mềmPSCAD 4.1.2. Sự cố lưới được giả định là sự cố giảm áp nguồn 3 pha không cân bằng và khoảng thời gian xảy ra sự cố là 200 ms, từ 2100 đến 2300 ms. Trong đó, điện áp pha A giảm 70%, pha B và pha C đồng thời giảm 30% so với điện áp pha định mức (Hình 9a).

Hình 9 thể hiện đáp ứng vận hành của hệ thống năng lượng gió DFIG trong trường hợpkhông dùng các giải pháp điều khiển trên. Dòng điện stator và rotor tăng lên đáng kể trong trường hợp có sự cố giảm áp (Hình 9b và 9c). Ngoài ra, điện áp tụ DC cũng tăng lên nhiều và độ thay đổi điện áp tụ DC là 33,3% so với giá trị điện áp tham chiếu. Như vậy, việc không thêm vào giải pháp điều khiển nào để hỗ trợ điều khiển hệ thống năng lượng gió kết nối vớilưới làm cho các đáp ứng tăng cao. Điều này có thể gây ra rủi ro như phá hủy bộ nghịch lưu, gia tăng độ rung của trụ tháp và gián đoạn cung cấp điện, trường hợp lưới sự cố.

Grid voltage

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

y

Ec2 Eb2 Ea2

(a).

Điệ

n áp

lưới

(kV

) Main : Graphs

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-1.5k

-1.0k

-0.5k

0.0

0.5k

1.0k

1.5k

y

Ia Ib Ic

-5.0k-4.0k-3.0k-2.0k-1.0k0.0 1.0k2.0k3.0k4.0k5.0k

y

Ias Ibs Ics

(b).

Dòn

g đi

ện s

tato

r (kA

)

Main : Graphs

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-5.0k

-4.0k

-3.0k

-2.0k

-1.0k

0.0

1.0k

2.0k

3.0k

4.0k

5.0k

y

Iar Ibr Icr

(c).

Dòn

g đi

ện ro

tor (

kA)

Main : Graphs

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

0.6k

0.8k

1.0k

1.2k

1.4k

1.6k

1.8k

y

Vdcm Vdc_ref

(d).

Điệ

n áp

tụ D

C-li

nk(k

V)

Time(s)Time(s)

Time(s)Time(s)

Hình 9. Kết quả mô phỏng PSCAD khi sự cố giảm áp lưới

3.2. Kết quả mô phỏng dùng crowbar

Việc mô phỏng dùng crowbar đã được áp dụng đối với hệ thống năng lượng gió dùng máy phát DFIG, công suất 2 MW. Trong bài báo này, điện trở của crowbar được thiết kế là


120

Bảng 1. Thông số của tua-bin gió Bảng 2. Thông số của DFIG

Thông số Giá trị Thông số Giá trị

Công suất định mức 2 MW Công suất định mức 2 MW

Bán kính cánh quạt 39 m Điện áp lưới 33 kV

Cường độ không khí 1,225 kg/m3 Điện áp stator 690 V

Hệ số chuyển đổi công suấtcực đại 0,4

Điện trở stator 0,00488 p.u

Điện trở rotor 0,00549 p.u

Tốc độ gió cận dưới 3 m/s Điện cảm rò stator 0,0924 p.u

Tốc độ gió cận trên 25 m/s Điện cảm rò rotor 0,0995 p.u

Hệ số quán tính cánh quạt 6,3 × 106 kg.m2 Hệ số quán tính máy phát 200 kg.m2

3.1. Kết quả mô phỏng khi không dùng crowbar, ESS và DVR

Khi không dùng các giải pháp điều khiển crowbar, ESS và DVR, việc mô phỏng hệthống năng lượng gió máy phát DFIG công suất 2 MW được thực hiện bằng phần mềmPSCAD 4.1.2. Sự cố lưới được giả định là sự cố giảm áp nguồn 3 pha không cân bằng và khoảng thời gian xảy ra sự cố là 200 ms, từ 2100 đến 2300 ms. Trong đó, điện áp pha A giảm 70%, pha B và pha C đồng thời giảm 30% so với điện áp pha định mức (Hình 9a).

Hình 9 thể hiện đáp ứng vận hành của hệ thống năng lượng gió DFIG trong trường hợpkhông dùng các giải pháp điều khiển trên. Dòng điện stator và rotor tăng lên đáng kể trong trường hợp có sự cố giảm áp (Hình 9b và 9c). Ngoài ra, điện áp tụ DC cũng tăng lên nhiều và độ thay đổi điện áp tụ DC là 33,3% so với giá trị điện áp tham chiếu. Như vậy, việc không thêm vào giải pháp điều khiển nào để hỗ trợ điều khiển hệ thống năng lượng gió kết nối vớilưới làm cho các đáp ứng tăng cao. Điều này có thể gây ra rủi ro như phá hủy bộ nghịch lưu, gia tăng độ rung của trụ tháp và gián đoạn cung cấp điện, trường hợp lưới sự cố.

Grid voltage

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

y

Ec2 Eb2 Ea2

(a).

Điệ

n áp

lưới

(kV

) Main : Graphs

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-1.5k

-1.0k

-0.5k

0.0

0.5k

1.0k

1.5k

y

Ia Ib Ic

-5.0k-4.0k-3.0k-2.0k-1.0k0.0 1.0k2.0k3.0k4.0k5.0k

y

Ias Ibs Ics

(b).

Dòn

g đi

ện s

tato

r (kA

)

Main : Graphs

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-5.0k

-4.0k

-3.0k

-2.0k

-1.0k

0.0

1.0k

2.0k

3.0k

4.0k

5.0k

y

Iar Ibr Icr

(c).

Dòn

g đi

ện ro

tor (

kA)

Main : Graphs

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

0.6k

0.8k

1.0k

1.2k

1.4k

1.6k

1.8k

y

Vdcm Vdc_ref

(d).

Điệ

n áp

tụ D

C-li

nk(k

V)

Time(s)Time(s)

Time(s)Time(s)

Hình 9. Kết quả mô phỏng PSCAD khi sự cố giảm áp lưới

3.2. Kết quả mô phỏng dùng crowbar

Việc mô phỏng dùng crowbar đã được áp dụng đối với hệ thống năng lượng gió dùng máy phát DFIG, công suất 2 MW. Trong bài báo này, điện trở của crowbar được thiết kế là


121

Rcrowbar = 0,024 Ω. Các kết quả mô phỏng dùng phần mềm PSCAD được thể hiện trong Hình 10. Trong đó, sự cố lưới được giả định là sự cố giảm áp ba pha cân bằng (balanced voltage sags), điện áp ba pha xuống 30% so với định mức và khoảng thời gian xảy ra sự cốlà 180 ms, từ 820 đến 1000 ms.

Main : Graphs

0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 ... ... ...

-4.0k

-3.0k

-2.0k

-1.0k

0.0

1.0k

2.0k

3.0k

4.0k

5.0k

Rot

or C

urre

nts

[kA]

Iar Ibr Icr

Main : Graphs

0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 ... ... ...

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

y

Eat Ebt Ect

Time (s)

(a).

Điệ

n áp

lưới

(pu)

(b).

Dòn

g đi

ện ro

tor (

kA)

Main : Graphs

0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 ... ... ...

0.8k

0.9k

1.0k

1.1k

1.2k

1.3k

1.4k

1.5k

y

Vdc_ref Vdcm

Generator current

0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 ... ... ...

-5.0k

-4.0k

-3.0k

-2.0k

-1.0k

0.0

1.0k

2.0k

3.0k

4.0k

y

Ias Ibs Ics

Time (s)

Time (s)

(c).

Dòn

g đi

ện st

ator

(kA

)(d

).Đ

iện

áp tụ

DC-

link

(kV

)

a b c

t1 t2

a b c

t1 t2

t3

Vdc

0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 ... ... ...

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

D

FIG

Con

verte

r dc

volta

ge [p

u]

Vdc_b2b

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

R

otor

Spe

ed [p

u]

Wp.u

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

D

FIG

Ele

ctro

mag

netic

Tor

que

[pu]

Te

Active pow er control

0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 ... ... ...

-0.5M

0.0

0.5M

1.0M

1.5M

2.0M

2.5M

y

Ps_ref1 Ps

(e).C

ông

suất

stat

or (M

W)

(g).M

ôm

enm

áyph

át(p

u)(f)

.Tốc

độ

máy

phá

t (pu

)(h

).Dòn

g đi

ện c

row

bar (

kA)

Time (s)

Vdc

0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 ... ... ...

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

D

FIG

Con

verte

r dc

volta

ge [p

u]

Vdc_b2b

0.920

0.940

0.960

0.980

1.000

1.020

1.040

1.060

1.080

R

otor

Spe

ed [p

u]

Wp.u

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

DFI

G E

lect

rom

agne

tic T

orqu

e [p

u]Te

Time (s)

Vdc

0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 ... ... ...

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

D

FIG

Con

verte

r dc

volta

ge [p

u]

Vdc_b2b

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

R

otor

Spe

ed [p

u]

Wp.u

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

D

FIG

Ele

ctro

mag

netic

Tor

que

[pu]

Te

Time (s)

Time (s)

Crow bar current

0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 ... ... ...

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

y (k

A)

Iacb Ibcb Iccb

Time (s)

Hình 10. Kết quả mô phỏng DFIG dùng crowbar

Ở thời điểm bắt đầu sự cố (điểm a), t = 820 ms, crowbar được kích hoạt và bộ nghịch lưu phía rotor bị khóa, lúc này máy phát DFIG làm việc tương tự như máy phát không đồng bộ thông thường, với giá trị điện trở rotor được tăng lên bởi điện trở crowbar thêm vào. Sau khi sự cố kết thúc (điểm b), crowbar được ngắt khỏi mạch rotor và RSC bắt đầu quá trình hòa đồng bộ sau khoảng thời gian t1. Với việc dùng crowbar, dòng điện rotor và stator có giảm xuống đáng kể. Tuy nhiên, phải mất thời gian t2 để quá trình hòa đồng bộ trở lại. Sau khoảng thời gian t3, bộ nghịch lưu phía rotor đã khởi động làm việc trở lại như trường hợplưới bình thường. Nhiệm vụ của crowbar là giảm dòng điện rotor tăng quá mức và ngăn ngừagia tăng điện áp tụ DC trước khi quá trình đồng bộ hóa và khởi động lại bộ nghịch lưu. Tuy nhiên, trong trường hợp lưới tương đối yếu thì crowbar khó đảm bảo đủ bảo vệ mạch.

3.3. Kết quả mô phỏng dùng ESS

Việc mô phỏng hệ thống năng lượng gió dùng máy phát DFIG công suất 2 MW dùng ESS được áp dụng. Trong đó, sự cố lưới được giả định là sự cố giảm áp nguồn ba pha không cân bằngvà khoảng thời gian xảy ra sự cố là 200 ms, từ 2100 đến 2300 ms. Trong đó, điện áp pha A giảm70%, pha B và pha C đồng thời giảm 30% so với điện áp pha định mức (Hình 11a).


122

Dòng điện stator và rotor được giảm khi sử dụng ESS, trong trường hợp có sự cố (Hình 11b và 11c). Ngoài ra, đáp ứng của điện áp tụ DC cũng giảm đáng kể (Hình 11d). Công suấtphát stator và mô men máy phát được điều khiển bằng không khi có sự cố (Hình 12a và 12d),trong khi đó tốc độ máy phát có sự tăng tốc đáng kể do quán tính của tua-bin (Hình 12d). Hình 13 thể hiện đáp ứng vận hành của hệ thống lưu trữ năng lượng ESS khi lưới bị sự cố.

Main : Graphs

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-2.0k

-1.5k

-1.0k

-0.5k

0.0

0.5k

1.0k

1.5k

GS

C c

urre

nt (

A)

Ia_gsc Ib_gsc Ic_gsc

-3.0k

-2.0k

-1.0k

0.0

1.0k

2.0k

3.0k

Sta

tor

curr

ent

(kA

)

Ias Ibs Ics

Grid voltage

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

y

Ec2 Eb2 Ea2

(a).

Điệ

n áp

lưới

(kV

)(b

).D

òng

điện

sta

tor

(kA

)

Main : Graphs

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-3.0k

-2.0k

-1.0k

0.0

1.0k

2.0k

3.0k

Rot

or C

urre

nts

[kA

]

Iar Ibr Icr

Main : Graphs

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

1.1k

1.2k

1.3k

y

Vdcm Vdc_ref

Time(s)

(c).

Dòn

g đi

ện r

otor

(kA

)(d

).Đ

iện

áp D

C (

kV)

Time(s)

Time(s)

Time(s)

Hình 11. Kết quả mô phỏng DFIG dùng ESS


2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-0.2M

0.0

0.2M

0.4M

0.6M

0.8M

1.0M

1.2M

1.4M

1.6M

y

Ps_ref Ps

Main : Graphs

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-200.000k

-100.000k

0.000

100.000k

200.000k

y

Pr

(a).

Côn

g su

ất s

tato

r (M

W)

(b).

Côn

g su

ất r

otor

(kW

)

Main : Graphs

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

1.60k

1.62k

1.64k

1.66k

1.68k

1.70k

1.72k

y

Wrpm

(c).

Tốc

độ

máy

phá

t (10

3 rpm

)

Main : Graphs

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-800.000k

-600.000k

-400.000k

-200.000k

0.000

200.000k

400.000k

y

Te

(d).

Mô

men

máy

phát

(kN

m)

Time(s)Time(s)

Time(s)Time(s)

Hình 12. Đáp ứng của DFIG

Psup

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-150.00k

-100.00k

-50.00k

0.00

50.00k

100.00k

150.00k

200.00k

y

Pref Psup_fil

Current controller

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-400

-200

0

200

400

600

ESS

curre

nt (k

A)

Isup Isup_ref

(a).

Côn

g su

ất s

iêu

tụ đ

iện

(kW

)

(b).

Dòn

g đi

ện s

iêu

tụ đ

iện

(A)

Time(s)Time(s)Hình 13. Đáp ứng ESS


122

Dòng điện stator và rotor được giảm khi sử dụng ESS, trong trường hợp có sự cố (Hình 11b và 11c). Ngoài ra, đáp ứng của điện áp tụ DC cũng giảm đáng kể (Hình 11d). Công suấtphát stator và mô men máy phát được điều khiển bằng không khi có sự cố (Hình 12a và 12d),trong khi đó tốc độ máy phát có sự tăng tốc đáng kể do quán tính của tua-bin (Hình 12d). Hình 13 thể hiện đáp ứng vận hành của hệ thống lưu trữ năng lượng ESS khi lưới bị sự cố.

Main : Graphs

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-2.0k

-1.5k

-1.0k

-0.5k

0.0

0.5k

1.0k

1.5k

GS

C c

urre

nt (

A)

Ia_gsc Ib_gsc Ic_gsc

-3.0k

-2.0k

-1.0k

0.0

1.0k

2.0k

3.0k

Sta

tor

curr

ent

(kA

)

Ias Ibs Ics

Grid voltage

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

y

Ec2 Eb2 Ea2

(a).

Điệ

n áp

lưới

(kV

)(b

).D

òng

điện

sta

tor

(kA

)

Main : Graphs

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-3.0k

-2.0k

-1.0k

0.0

1.0k

2.0k

3.0k

Rot

or C

urre

nts

[kA

]

Iar Ibr Icr

Main : Graphs

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

1.1k

1.2k

1.3k

y

Vdcm Vdc_ref

Time(s)

(c).

Dòn

g đi

ện r

otor

(kA

)(d

).Đ

iện

áp D

C (

kV)

Time(s)

Time(s)

Time(s)

Hình 11. Kết quả mô phỏng DFIG dùng ESS


2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-0.2M

0.0

0.2M

0.4M

0.6M

0.8M

1.0M

1.2M

1.4M

1.6M

y

Ps_ref Ps

Main : Graphs

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-200.000k

-100.000k

0.000

100.000k

200.000k

y

Pr

(a).

Côn

g su

ất s

tato

r (M

W)

(b).

Côn

g su

ất r

otor

(kW

)

Main : Graphs

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

1.60k

1.62k

1.64k

1.66k

1.68k

1.70k

1.72k

y

Wrpm

(c).

Tốc

độ

máy

phá

t (10

3 rpm

)

Main : Graphs

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-800.000k

-600.000k

-400.000k

-200.000k

0.000

200.000k

400.000k

y

Te

(d).

Mô

men

máy

phát

(kN

m)

Time(s)Time(s)

Time(s)Time(s)

Hình 12. Đáp ứng của DFIG

Psup

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-150.00k

-100.00k

-50.00k

0.00

50.00k

100.00k

150.00k

200.00k

y

Pref Psup_fil

Current controller

2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 ... ... ...

-400

-200

0

200

400

600

ESS

curre

nt (k

A)

Isup Isup_ref

(a).

Côn

g su

ất s

iêu

tụ đ

iện

(kW

)

(b).

Dòn

g đi

ện s

iêu

tụ đ

iện

(A)

Time(s)Time(s)Hình 13. Đáp ứng ESS


123

Hình 14 thể hiện đáp ứng làm phẳng công suất phát của hệ thống khi tốc độ gió thay đổi(Hình 14a). Thành phần dao động công suất phát (Pfluc) đạt trích ra, thông qua bộ lọc thông cao (trong đó: = 0,707; fc = 0,1 Hz) và được hấp thu hay xả vào lưới bởi việc điều khiển ESS. Do đó, công suất lưới (Pgrid) trở nên phẳng hơn công suất phát (Pgen = Ps Pr) (Hình 14b). Ngoài ra, công suất, dòng điện và điện áp siêu tụ điện được thể hiện từ Hình 14c đến 14e.

Wind

2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 ... ... ...

8.0

10.0

12.0

14.0

16.0

y

Windspeed

Psup

2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 ... ... ...

-600.000k

-400.000k

-200.000k

0.000

200.000k

400.000k

600.000k

ES

S p

ower

(kW

)

Pref Psup_fil

(a)T

ốc đ

ộ gi

ó (m

/s)

(b)C

ông

suất

phá

t (M

W)

Main : Graphs

2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 ... ... ...

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

y

Pgrid Pr Ps Qgenerator

0.0

0.2M

0.4M

0.6M

0.8M

1.0M

1.2M

1.4M

1.6M

1.8M

2.0M

Pow

er [

MW

]

Pess Pgenerator

(c)C

ông

suất

siê

u tụ

đi

ện (k

W)

Time (s)

Time (s)

Time (s)

Current controller

2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 ... ... ...

-1.0k

-0.5k

0.0

0.5k

1.0k

ES

S c

urre

nt (

kA)

Isup_ref Isup

Vsup

2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 ... ... ...

400

500

600

700

800

900

y

Vsup

(d)D

òng

điện

siê

u tụ

đi

ện (k

A)

(e)Đ

iện

áp s

iêu

tụ

điện

(V)

Time (s)

Time (s)

Hình 14. Kết quả mô phỏng làm phẳng công suất phát dùng ESS

3.4. Kết quả mô phỏng dùng DVR

Việc mô phỏng hệ thống năng lượng gió máy phát DFIG công suất 2 MW dùng DVR đã được áp dụng. Sự cố lưới được giả định là sự cố gián đoạn nguồn 3 pha (interruptions) và khoảng thời gian xảy ra sự cố là 20 ms. Ở thời điểm bắt đầu sự cố, t = 1,4 s, DVR được kích hoạt và điện áp được phát ra từ DVR được bù vào điện áp lưới (Hình 15c-15i). Lúc này, điệnáp stator vẫn được giữ định mức và có dạng như Hình 15b. Ngoài ra, công suất phát stator, điện áp tụ DC và mô men máy phát vẫn được duy trì ở giá trị hằng số theo tốc độ gió không đổi (13 m/s). Kết quả mô phỏng cho thấy, mặc dù sự cố nguồn 3 pha bị gián đoạn, nhưng hệthống năng lượng gió DFIG vẫn làm việc bình thường, như trường hợp không có sự cố.

Bảng 3 thể hiện sự so sánh về đặc điểm vận hành của các giải pháp điều khiển kết nốilưới khi có sự cố. Trong đó, DVR cho kết quả vận hành tốt nhất so với giải pháp dùng crowbar và ESS. Bảng 4 liệt kê các công dụng, chi phí và tính đơn giản trong điều khiển củacrowbar, DVR và ESS. Trong đó, DVR có nhiều ứng dụng nhất so với crowbar và ESS, mặcdù chi chí DVR rất đắt.


124

Bảng 3. So sánh đặc điểm vận hành của các giải pháp điều khiển

Đại lượngĐặc điểm vận hành

Crowbar ESS DVR

Công suất stator Giảm Giảm Ổn định

Mô men máy phát Méo dạng nhiều Méo dạng ít Ổn địnhTốc độ Tăng và méo dạng Tăng Ổn định

Điện áp tụ DC Độ vọt lố tăng Độ vọt lố giảm Ổn định

Main,DVR : Graphs

1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 ... ... ...

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

Tran

sfor

mer

HV

side

Vol

tage

s [p

u]

Eat Ebt Ect

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

Tran

sfor

mer

LV

side

Vol

tage

s [p

u]

Eag Ebg Ecg

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

Stat

or V

olta

ges

[pu]

Eas Ebs Ecs

Vu_ref and Vc

1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 ... ... ...

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

y

Vua_ref Eca

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

y

Vub_ref Ecb

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

y

Vuc_ref Ecc

Time (s)

(a).

Điệ

n áp

lưới

(pu)

(b).

Điệ

n áp

stat

o (p

u)(c

).Đ

iện

áp

DV

R-p

haA

(pu)

(d).

Điệ

n áp

D

VR

-pha

B(p

u)(e

).Đ

iện

áp

DV

R-p

haC

(pu)

(f).C

ông

suất

stat

or (M

W)


1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 ... ... ...

1.8M

2.0M

2.2M

y

Ps Ps_ref

Main : Graphs

1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 ... ... ...

0.0

0.5M

1.0M

1.5M

2.0M

y

P_dvr Q_dvr

Vdc

1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 ... ... ...

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

D

FIG

Con

verte

r dc

volta

ge [p

u]

Vdc_b2b

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

R

otor

Spe

ed [p

u]

Wp.u

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

D

FIG

Ele

ctro

mag

netic

Tor

que

[pu]

Te

(g).C

ông

suất

DV

R (M

W)

(h).Đ

iện

áp tụ

DC

(pu)

(i).T

ốc đ

ộ m

áy p

hát (

pu)

(j).M

ôm

enm

áyph

át(p

u)

Time (s)

Hình 15. Kết quả mô phỏng DFIG dùng DVR


124

Bảng 3. So sánh đặc điểm vận hành của các giải pháp điều khiển

Đại lượngĐặc điểm vận hành

Crowbar ESS DVR

Công suất stator Giảm Giảm Ổn định

Mô men máy phát Méo dạng nhiều Méo dạng ít Ổn địnhTốc độ Tăng và méo dạng Tăng Ổn định

Điện áp tụ DC Độ vọt lố tăng Độ vọt lố giảm Ổn định

Main,DVR : Graphs

1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 ... ... ...

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

Tran

sfor

mer

HV

side

Vol

tage

s [p

u]

Eat Ebt Ect

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

Tran

sfor

mer

LV

side

Vol

tage

s [p

u]

Eag Ebg Ecg

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

Stat

or V

olta

ges

[pu]

Eas Ebs Ecs

Vu_ref and Vc

1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 ... ... ...

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

y

Vua_ref Eca

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

y

Vub_ref Ecb

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

y

Vuc_ref Ecc

Time (s)

(a).

Điệ

n áp

lưới

(pu)

(b).

Điệ

n áp

stat

o (p

u)(c

).Đ

iện

áp

DV

R-p

haA

(pu)

(d).

Điệ

n áp

D

VR

-pha

B(p

u)(e

).Đ

iện

áp

DV

R-p

haC

(pu)

(f).C

ông

suất

stat

or (M

W)


1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 ... ... ...

1.8M

2.0M

2.2M

y

Ps Ps_ref

Main : Graphs

1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 ... ... ...

0.0

0.5M

1.0M

1.5M

2.0M

y

P_dvr Q_dvr

Vdc

1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 ... ... ...

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

D

FIG

Con

verte

r dc

volta

ge [p

u]

Vdc_b2b

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

R

otor

Spe

ed [p

u]

Wp.u

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

D

FIG

Ele

ctro

mag

netic

Tor

que

[pu]

Te

(g).C

ông

suất

DV

R (M

W)

(h).Đ

iện

áp tụ

DC

(pu)

(i).T

ốc đ

ộ m

áy p

hát (

pu)

(j).M

ôm

enm

áyph

át(p

u)

Time (s)

Hình 15. Kết quả mô phỏng DFIG dùng DVR


125

Bảng 4. Liệt kê công dụng, chi phí và tính đơn giản điều khiển của crowbar, DVR và ESS

Tiêu chí Crowbar ESS DVR

Họa tần dòng điện × ×

Điều khiển công suất phản kháng × ×

Họa tần điện áp ×

Chập chờn điện áp (flicker) ×

Voltage dips

Chi phí Tính đơn giản

Ghi chú: : tốt, : trung bình, : không tốt , ×: không có

4. KẾT LUẬN

Các giải pháp điều khiển kết nối lưới khi có sự cố lưới như crowbar, ESS và DVR đã được nghiên cứu trong bài báo để đảm bảo yêu cầu liên tục kết nối lưới. Kết quả mô phỏng dùng phần mềm PSCAD cho hệ thống năng lượng gió DFIG công suất 2 MW được đưa ra đểkiểm chứng tính vượt trội của từng phương pháp. Mỗi giải pháp điều khiển có ưu điểm và khuyết điểm riêng. Tuy nhiên, so với giải pháp dùng crowbar và ESS, thì giải pháp dùng DVR vượt trội hơn vì có thể đảm bảo được hệ thống năng lượng gió làm việc bình thường, bất chấp sự cố gián đoạn kết nối lưới.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Zhou Y., Bauer P., Ferreira J. A., and Pierik J. - Operation of grid-connected DFIG under unbalanced grid voltage condition, IEEE Transactions on Energy Conversion 24(1) (2009) 240-246.

2. Seman S., Niiranen J., and Arkkio A. - Ride-through analysis of doubly fed induction wind-power generator under unsymmetrical network disturbance, IEEE Transactions on Power Systems 21(4) (2006) 1782–1789.

3. Sun T., Chen Z., and Blaabjerg F. - Voltage recovery of grid-connected wind turbines after a short-circuit fault, Proceedings of the 29th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (2003) 2723–2728.

4. Awad H., Svensson J., and Bollen M. - Mitigation of unbalanced voltage dips using static series compensator, IEEE Transactions on Power Electronics 19 (3) (2004) 837–846.

5. Nunes M. V. A., Lopes J. A. P., Zurn H. H., Bezerra U. H., and Almeida R. G. -Influence of the variable-speed wind generators in transient stability margin of the conventional generators integrated in electrical grids, IEEE Transactions on Energy Conversion 19 (4) (2004) 692–701.

6. Lima F. K. A., Luna A., Rodriguez P., Watanabe E. H., and Blaabjerg F. - Rotor voltage dynamics in the doubly-fed induction generator during grid faults, IEEE Transactions on Power Electronics 25 (1) (2010) 118–113.

7. Tsili M. and Papathanassiou S. - A review of grid code technical requirementsfor wind farms, IET Renewable Power Generation 3 (3) (2009) 308-332.


126

8. Akhmatov V. - Analysis of dynamic behavior of electric power systems with large amount of wind power, Ph.D. dissertation, Department of Electrical Power Engineering, Technical University of Denmark, Kongens Lyngby, Denmark, 2003.

9. Abbey C. and Joos G. - Supercapacitor energy storage for wind energy applicatons, IEEE Transactions on Industry Applications 43 (3) (2007) 769-776.

10. Nguyen T. H. and Lee D.-C. - Improved LVRT capacity and power smoothening of DFIG wind turbine systems, Journal of Power Electronics 11 (4) (2011) 568-575.

11. Van T. L. and Ho V. C. - Enhanced fault ride-through capability of DFIG wind turbine systems considering grid-side converter as STATCOM, Lecture Notes in Electrical Engineering (2015) 185-196.

12. Nielsen J. G. and Blaabjerg F. - A detailed comparison of system topologies for dynamic voltage restorers, IEEE Transactions on Industry Applications 41 (5) (2005)1272–1280.

13. Wessels C., Gebhardt F., and Fuchs F.W. - Fault ride-through of a DFIG wind turbine using a dynamic voltage restorer during symmetrical and asymmetrical grid faults, IEEE Transactions Power Electronics 26 (3) (2011) 807-815.

14. Kim K.-H., Van T. L., Lee D.-C., Song S.-H., and Kim E.-H. - Maximum output power tracking control in variable-speed wind turbine systems considering rotor inertial power, IEEE Transactions on Industrial Electronics 60 (8) (2013) 3207-3217.

ABSTRACT

OVERVIEW OF LOW-VOLTAGE RIDE-THROUGH SOLUTIONS FOR DFIG WIND TURBINE SYSTEM

Van Tan Luong*, Nguyen Thi Thanh Truc, Tran HoanHo Chi Minh City University of Food Industry

*Email: [email protected]

Doubly-fed induction generator wind turbines are very sensitive to grid disturbances, especially to voltage dips, since they are connected directly to the grid. The ability of a wind turbine to survive a short voltage dip without tripping is referred to as the low-voltage ride-through (LVRT) capability. Crowbar, dynamic voltage restorer (DVR) and energy storage system (ESS) are the solutions which are adopted in this study. In order to test the LVRT capability of the wind turbine system, the PSCAD/EMTDC simulation has been performed for a 2 MW DFIG wind turbine system. In comparison of the LVRT techniques, although the ESS, with relatively high cost, outperforms the crowbar, the DVR system presents the best performances of the wind turbines through keeping the stator voltage at constant under grid fault condition despite the balanced and unbalanced voltage dips as well as normal condition.

Keywords: Crowbar, doubly-fed induction generator (DFIG), dynamic voltage restorer,energy storage system, voltage sag.

ĐÁnh giÁ so sÁnh cÁc giẢi phÁp duy trÌ kẾt nỐi cỦa hỆ...

Documents