Phân tích tĩnh ổn định điện áp khi có máy phát điện gió DFIG

Nội dung text: Phân tích tĩnh ổn định điện áp khi có máy phát điện gió DFIG

1. TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K5- 2016 Phân tích tĩnh ổn định điện áp khi cĩ máy phát điện giĩ DFIG Phan Thị Thanh Bình 1 Nguyễn Thụy Mai Khanh 1 Nguyễn Ngọc Âu 2 1 Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG-HCM 2 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh (Bản nhận ngày 14 tháng 6 năm 2016, hồn chỉnh sửa chữa ngày 13 tháng 10 năm 2016) TĨM TẮT Các phân tích tĩnh ổn định điện áp thường PQ. Do cĩ các ràng buộc về các bộ biến đổi cơng tiến hành theo phân tích độ nhạy V-Q hay phân suất, các nút PQ này sẽ trở nên đặc biệt và điều tích Q-V modal. Các phân tích này dựa trên ma này ảnh hưởng tới phân tích ổn định điện áp. Bài trận Jacobian của bài tốn trào lưu cơng suất và báo khảo sát mức độ xâm nhập và vị trí kết nối cịn được gọi là phân tích ổn định nút phụ tải. điện giĩ trên quan điểm ổn định điện áp. Ví dụ áp Khi cĩ máy phát điện giĩ kiểu DFIG vận hành dụng cho mạng điện 14 nút. theo mode PQ, các nút điện giĩ được coi như nút Từ khĩa: DFIG, phân tích V-Q modal, phân tích độ nhạy V-Q, ma trận Jacobian rút gọn 1. GIỚI THIỆU hệ phương trình vi phân và đại số, dùng phần mềm PSAT để kháo sát trị riêng của ma trận trạng Ổn định điện áp liên quan đến khả năng của thái theo phương pháp dao động bé. Trong [2], hệ thống ở điều kiện vận hành bình thường và khi coi DFIG như nút PV, mơ tả bằng hệ phương cĩ nhiễu cĩ thể duy trì điện áp tại mọi thanh cái trình vi phân đại số và phân tích theo Q-V modal trên hệ thống ở mức chấp nhận tại các nút. Một khi cĩ triển khai FACTS trên lưới. [4] xem xét hệ thống rơi vào trạng thái khơng ổn định điện áp DFIG là nút phát qua hệ phương trình vi phân và khi cĩ tác động nhiễu, khi cĩ yêu cầu tải tăng sẽ đại số, tiến hành phân tích ổn định tĩnh qua cĩ sự giảm áp liên tục khơng thể kiểm sốt được. phương pháp dao động bé. Nhân tố chính của nguyên nhân gây ra sự khơng ổn định là hệ khơng cĩ khả năng đáp ứng yêu cầu Trong các phân tích tĩnh về ổn định điện áp về cơng suất phản kháng. thì phân tích truyền thống dựa trên các tiêu chuẩn kinh điển hay các phân tích dựa trên độ nhạy V- Nghiên cứu ổn định điện áp khi cĩ máy phát Q, phân tích Q-V modal [5] khi cĩ cơng cụ máy điện giĩ được quan tâm nhiều vì sự phát triển của tính. Trong các phân tích này, các trị riêng của năng lượng tái tạo. Các cơng trình gần đây như ma trận Jacobian rút gọn được xem xét. Các ma [1] mơ tả tồn bộ hệ thống phát điện giĩ qua các Trang 5
2. SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No.K5- 2016 trận này là cĩ liên quan tới tính tốn trào lưu cơng Suy ra độ nhạy V-Q ở nút thứ k được cho bởi: suất. Phân tích này cịn được gọi là phân tích ổn V nn P định của các nút tải vì chỉ xem xét ổn định điện K ki ik ki (5) áp tại các nút tải. Trong các phân tích này, khơng QKii 11 i i xét các phương trình vi phân (liên quan tới nguồn Hệ thống ổn định điện áp nếu tất cả các giá phát) và chỉ cĩ các phương trình đại số. trị riêng của ma trận Jacobianan JR đều dương Khi hiện hữu máy phát giĩ ở mode PQ, việc Trong (5) Pki là hệ số tham gia của nút k vào tính tốn ma trận Jacobian rút gọn này sẽ cĩ sự mode (phương thức) i và được định nghĩa là: thay đổi và do đĩ ảnh hưởng tới phân tích ổn định điện áp. Bài báo này trình bày cách phân tích ổn Pki kiik (6) định điện áp khi cĩ máy phát điện giĩ. Giá trị Pki càng lớn  tham gia càng nhiều 2. PHÂN TÍCH ĐỘ NHẠY V-Q VÀ Q-V i MODAL vào độ nhạy V-Q ở nút k. Phân tích độ nhạy V-Q được mơ tả như sau: Ứng với phương thức i cĩ giá trị i nhỏ Như là kết quả của bài tốn trào lưu cơng suất, ở nhất, nút cĩ hệ số tham gia Pki lớn nhất sẽ cĩ độ chế độ xác lập, ma trận Jacobian được viết là: nhạy V-Q lớn nhất, do đĩ cĩ độ ổn định thấp nhất. Chính vì vậy trong phương pháp phân tích modal, JP JPV J= (1) để đánh giá ổn định điện áp, chỉ xét đến các JQ JQV phương thức cĩ giá trị nhỏ nhất và ứng với Ma trận Jacobian rút gọn của hệ thống (cho các giá trị này các nút cĩ hệ số P lớn. Ưu các nút tải) là : ki điểm của phân tích Q-V modal là đơn giản và J (J J J 1 J ) (2) R QV Q P PV đ ồng thời cho biết sự tham gia của các phần tử 1 mạng điện vào mỗi phương thức Phần tử đường chéo thứ i của ma trận J R là độ nhạy V-Q ở nút thứ i. 3. KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP THEO Trong phương pháp phân tích modal Q-V, ma PHÂN TÍCH Q-V MODAL KHI CĨ DFIG trận Jacobianan rút gọn JR được phân tích thành: MODE PQ Các máy phát DFIG khi kết lưới cĩ thể cho JR  (3) theo hai mode là PV hoặc PQ. Kiểu thứ hai Với:  là vectơ riêng phải của ma trận Jacobian thường dùng cho các lưới điện khi điện lực khơng rút gọn JR;  là ma trận vectơ riêng trái của JR; cho phép máy điện giĩ tham gia điều khiển điện  là ma trận trị riêng đường chéo, với các trị áp. Như vậy, trong bài tốn trào lưu cơng suất, do đặc thù khơng tham gia điều chỉnh điện áp, các riêng  , , , của ma trận Jacobian JR. Ma 1 2 n nút máy phát giĩ này được coi là nút PQ. Để xét trận nghịch đảo của JR cĩ dạng sau: ổn định điện áp cần tính đến ma trận Jacobian của 1 1 bài tốn trào lưu cơng suất. Trong một số tình J   (4) R huống khi hệ thống căng thẳng về điện áp, nghĩa Trang 6
3. TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K5- 2016 là các trị điện áp tại các nút cĩ thể nằm ngồi dải Nếu DFIG là Type-1 [6], khi các trị cài đặt Pe và điện áp vận hành bình thường của các máy phát Qe khơng thể đáp ứng do vi phạm giới hạn dịng giĩ, các máy phát DFIG vẫn tiếp tục vận hành. tổng, thì việc duy trì Qe sẽ được ưu tiên hơn Khi đĩ các bộ điều khiển sẽ thay đổi các trị dịng (nghĩa là giữ nguyên I2d ) và do đĩ Pe sẽ bị thay cài đặt rotor [3], tuy nhiên luơn đảm bảo các ràng đổi như sau: buộc về bộ biến đổi cơng suất (liên quan tới giới 2Pe ( X X ) hạn các dịng thành phần và dịng tổng của rotor). I sm 2q 3|VX | Các giá trị dịng cài đặt ảnh hưởng trực tiếp tới m (10) cơng suất đầu ra của máy phát điện giĩ. Điều này 22 rõ ràng sẽ ảnh hưởng tới việc tính tốn ma trận J. III 2 2dq 2 (11) Bài báo đề xuất thể hiện sự ảnh hưởng này vào khảo sát ổn định tĩnh, cụ thể là: Trong mỗi bước Nếu I2>I2max thì I2=I2max và I2d khơng đổi thì: tính tốn ma trận Jacobian, nếu các giới hạn dịng 22 III2qd 2 2 này bị vi phạm, cần gán bằng các trị giới hạn, khi (12) ấy cơng suất đầu ra Pe và Qe sẽ thay đổi sau mỗi 3 X m (13) lần lặp. Như vậy đảm bảo được tính chính xác khi Pe|| V I2q 2 XXsm 1 J R xác định và tới việc đánh gía ổn định. Do khuơn khổ và phạm vi bài báo chủ yếu Bài báo xây dựng giải thuật xác định ổn định tập trung vào phương pháp khảo sát ổn định điện điện áp như sau: áp, các giá trị I2dmax, I2dmin, I2max sẽ khơng được trình bày. Các dịng này được trình bày trong Tại mỗi bước lặp của bài tốn trào lưu cơng [7][8] và được coi là các thơng số của máy phát. suất, nếu điện áp đầu cực của nút máy phát điện Ngồi ra cần lưu ý tới phương trình cân bằng giĩ DFIG vượt quá mức bình thường sẽ thực hiện cơng suất tại nút cĩ DFIG sẽ cĩ Pe và Qe phụ các tính tốn sau: thuộc vào điện áp mỗi bước lặp, cụ thể cho cơng Với điện áp V và Qe là thơng số cho trước suất tác dụng như sau: thì Qe = Qecho trước và tính I2d: n Pei (Vi ) ViVkYik cos(i k ik ) 0 ( 14) ||V 2Qe ( Xsm X ) k 1 I2d (7) XVXmm3| | Khi điện áp DFIG nằm trong dải giá trị bình thường, nút DFIG được coi như cho trước cơng Nếu I2d>I2dmax thì I2d=I2dmax , cần tính lại Qe: 3X |V | suất P, Q nghĩa là một nút tải bình thường. m (8) Qe| V | ( I2d ) 2 XXXs m m Sau khi xây dựng được JR, các trị riêng và các hệ số tham gia sẽ được xác định dựa trên (3), Nếu I <I thì I =I , tính lại Qe: 2d 2dmin 2d 2dmin (6). (9) Khi cĩ máy phát giĩ đặt tại vị trí cho trước, tiến hành so sánh các giá trị riêng khi cĩ và khơng Trong các cơng thức trên I2 thể hiện dịng rotor. cĩ máy phát giĩ để cho một nhận định về ảnh hưởng của máy phát giĩ. Sau đĩ, tiến hành chất Trang 7
4. SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No.K5- 2016 tải như nhau cho cả hai phương án là cĩ và khơng cĩ máy phát giĩ để xem xét về khả năng ổn định của hệ. Để đánh giá khả năng thâm nhập của điện giĩ lên ổn định điện áp, tăng dần cơng suất phát của máy phát điện giĩ vào lưới điện. Giữ nguyên tải hiện hữu, quan sát trị riêng nhỏ nhất rút ra kết luận về mức độ phát cho phép của điện giĩ. Nếu cùng một lượng cơng suất bơm vào lưới của máy phát điện giĩ nhưng nếu đặt tại các vị trí khác nhau sẽ cĩ sự phân bố cơng suất (nhất là cơng suất Q) trên lưới khác nhau, kéo theo sự đáp Hình 1. Sơ đồ lưới điện 110kV ứng khác nhau về thay đổi cơng suất phản kháng Các máy phát đồng bộ được đặt tại nút 1, 2 tại các nút tải. Nghĩa là sẽ cĩ ánh hưởng khác và 5 trong đĩ nút 1 là nút cân bằng. nhau lên tính ổn định điện áp. Để khảo sát ảnh 1-Trường hợp 1: Khi chưa cĩ nguồn điện giĩ hưởng của vị trí đặt máy DFIG, tại các nút cĩ thể đặt máy phát điện giĩ và giả sử các vị trí này cĩ Tổng cơng suất tải là: Ptải=335MW, cùng lượng phát như nhau, giữ cùng các điều kiện Qtải=168Mvar. Sau khi chạy chương trình đánh tải như nhau và tiến hành quan sát các trị riêng giá ổn định điện áp theo phương pháp phân tích nhỏ nhất. Nếu vị trí nào cĩ trị riêng nhỏ nhất mà Q-V modal cho kết quả trị riêng là: [1.948; đạt giá trị lớn nhất thì sẽ là vị trí tốt nhất trên quan 7.380; 10.568; 16.862; 21.048; 22.718; 30.499; điểm về ổn định tĩnh điện áp. Cũng cĩ thể giữ 33.401; 44.401; 46.211; 57.289]. Với trị nhỏ nhất nguyên cùng kiểu chất tải tăng như nhau cho đến min 1.948 > 0, hệ thống cĩ ổn định điện áp. khi nào trị riêng nhỏ nhất đạt trị âm, vị trí nào cĩ Ứng với giá trị min 1.948 , nút 12 cĩ hệ số mức chất tải cao nhất sẽ là tốt nhất, hay nĩi một tham gia nút lớn nhất (Pki12 = 0.2483) (Bảng 1) cách khác là cĩ độ dự trữ ổn định cao nhất. và cĩ điện áp xấu nhất bằng 0.872. Để xác định 4. ÁP DỤNG được giới hạn ổn định điện áp, một cách đơn giản Với mục đích minh họa rõ tính đúng đắn của là tăng tải đều tại các nút (hệ số cos tai tại các giải thuật, bài báo sử dụng DFIG với cơng suất nút phụ tải khơng đổi) cho đến khi nào hệ thống phát Q âm (tiêu thụ Q), vì khi thêm tiêu thụ Q thì mất ổn định (bỏ qua một số ràng buộc về điều tính ổn định điện áp sẽ xấu đi. Ngồi ra, chất tải kiện đốt nĩng dây dẫn). Khi tải đến 108.1% cơng tương đối cao trên mạng điện để cĩ được những suất tồn hệ thống (Ptải = 697.135 MW, Qtải = nút cĩ điện áp nằm ngồi dải điện áp vận hành 349.608 MVAr) thì mất ổn định với min = - bình thường của DFIG để minh họa cho giải 0.013086 < 0. thuật. Khảo sát mạng điện 14 nút cải biên IEEE 110kV: Trang 8
5. TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K5- 2016 Bảng 1. Hệ số tham gia của so với trường hợp 1 vì trị riêng nhỏ nhất bé hơn các nút vào mode trị riêng λmin=1.948 trường hợp đầu. Các giá trị của hệ số tham gia nút được cho trong Bảng 4. Nút Pki Nút Pki 3 0.0354 10 0.184 Bảng 3. Trị riêng khi cĩ điện giĩ ở nút 2 4 0.120 11 0.0165 Mode λ Mode λ 6 0.02 12 0.2483 1 0.5358 8 28.086 7 0.0064 13 0.1257 2 1.8772 9 31.24 8 0.05 14 0.1771 3 6.0522 10 33.72 9 0.0157 4 7.4858 11 44.463 5 13.433 12 46.149 2- Trường hợp 2: Khi cĩ nguồn điện giĩ 30MW 6 17.356 13 57.235 7 22.778 14 61.732 Nguồn điện giĩ cĩ cơng suất 30MW (sử dụng loại máy điện DFIG cơng suất Bảng 4. Hệ số tham gia của 1.5MW/1máy được nối vào lưới qua máy biến thế các nút vào mode trị riêng λmin=0.5358. 2.5MVA 0.69kV/22kV) sau đĩ được nâng điện Nút Pki Nút Pki áp lên 110kV bằng biến thế 63MVA 3 0.0029 11 0.0012 22kV/110kV qua cáp ngầm. Điều này tương đương với việc bổ sung thêm các nút mới là 15, 4 0.0116 12 0.0532 16 và 17. Nguồn điện giĩ này được bơm vào nút 6 0.0015 13 0.0136 12. Như vậy nút 15 sẽ được nối vào nút 12. 7 0.0005 14 0.0218 8 0.0043 15 0.0863 Bảng 2. Thơng số của DFIG 9 0.0014 16 0.1119 S rate(MVA) 1.67 10 0.024 17 0.6657 V rate (kV) 0.69 Rs (pu) 0.0256 3- Trường hợp 3: Thay đổi vị trí đặt máy phát Rr (pu) 0.0167 điện giĩ X11 (pu) 0.0791 Vẫn nguồn điện giĩ này nhưng thay đổi vị X12 (pu) 0.1025 trí đặt khác nhau và xem xét các giá trị nhỏ nhất Xm (pu) 2.7368 của λ. Kết quả được cho trong Bảng 5. Tương tự Xc (pu) 0 kết quả khi thay đổi cơng suất tải được cho trong H (s) 3.255 Bảng 6. Từ Bảng 5 và Bảng 6, nhận thấy với cùng Với tải ban đầu P = 335MW, Q = tải tải lượng cơng suất bơm vào lưới của máy điện giĩ, 168MVAr, điện áp tại nút 12 được cải thiện nếu đặt tại nút số 3 sẽ cho ra kết quả tốt hơn về (0.877) và cĩ  0.5358 > 0 (Bảng 3). Với min mặt ổn định điện áp. thơng số của nguồn phát điện giĩ đã cho, hệ cĩ ổn định điện áp, tuy nhiên tính ổn định xấu hơn Trang 9
6. SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No.K5- 2016 5. KẾT LUẬN Bảng 5. Giá trị min tại các vị trí cĩ kết nối giĩ và khơng kết nối giĩ Khi các nguồn phát điện giĩ DFIG được xem như những nút PQ thì trong một số tình Chưa Vị trí giĩ kết nối kết huống, các nút này sẽ cĩ cơng suất P,Q thay đổi Nút nối Nút 12 Nút 3 trong quá trình giải bài tốn trào lưu cơng suất 10 giĩ kéo theo sự thay đổi tính tốn ma trận Jacobian 1.948 0.5358 0.601 0.88881 rút gọn và do đĩ ảnh hưởng tới phân tích ổn định điện áp. Giải thuật của bài báo đề xuất vẫn cho phép sử dụng phương pháp phân tích Q-V modal Bảng 6. So sánh mức độ tăng tải tối đa (%) để tận dụng các ưu điểm của phương pháp này là cho các vị trí đặt DFIG đơn giản cũng như tìm được những phần tử nào Chưa Vị trí giĩ kết nối trong lưới ảnh hưởng nhiều nhất tới các mode kết nối (thể hiện qua các hệ số tham gia), tuy nhiên cĩ giĩ % Nút 12 Nút 10 Nút 3 tính đến đặc thù của máy phát DFIG. Sử dụng giải thuật này cũng cho phép xác định được vị trí 108 83.5 95 107.7 kết nối giĩ tốt nhất cũng như mức độ xâm nhập tối đa của điện giĩ trên quan điểm ổn định điện áp. 4- Mức độ xâm nhập của giĩ vào hệ thống lưới truyền tải Tăng dung lượng của điện giĩ tới P = 43.5MW, Q = -5.8MVAr (giữ nguyên hệ số cơng suất) thì min vẫn cịn cĩ giá trị dương, vượt quá trị này sẽ cĩ giá trị âm. Tương tự, tiến hành cho các vị trí đặt khác nhau, tìm mức độ xâm nhập lớn nhất cĩ thể của máy phát mà hệ vẫn duy trì ổn định điện áp. Kết quả được cho trong Bảng 7 với nút 3 cho phép thâm nhập cao nhất. Bảng 7. Mức độ xâm nhập tối đa của điện giĩ tại các vị trí đặt khác nhau Nút kết nối Nút 3 Nút 10 Nút 12 giĩ Pgiĩ(MW), 54 42.1 41.39 Qgiĩ(MVAr) -7.2 -6 -5.8 Trang 10
7. TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ K5- 2016 Static analysis of voltage stability with DFIG Phan Thi Thanh Binh 1 Huynh Thi Thu Thao 1 Nguyen Ngoc Au 2 1 Department of Electrical and Electronics Engineering, Ho Chi Minh city University of Technology- VNU-HCM 2 Ho Chi Minh City University of Technology and Education ABSTRACT The static voltage stability analysis is converters, these PQ buses became very special carried out by V-Q sensitivity or Q-V modal and this influences on the voltage stability analysis. These analyses are based on the examining. This paper also examines the Jacobian matrix of power flow calculation. This penetration level and the location of wind is regarded as load bus stability analysis. With generation injection based on voltage stability. DFIG of PQ mode, the wind generation bus is The reliability of the algorithm is illustrated in a considered as the PQ bus. Due to the limits of study of 14 buses power network. Keywords: DFIG, Q-V modal analysis, V-Q sensitivity analysis, reduced Jacobian matrix REFERENCES [1]. J. C. Muđoz, and C. A. Cađizares, [4]. Francoise Mei, and Bikash Pal, Modal Comparative Stability Analysis of DFIG- Analysis of Grid-Connected Doubly based Wind Farms and Conventional Fed Induction Generators, IEEE Trans.on SynchronousGenerators, Power Systems energy conversion, Vol.22, N.3, September Conference and Exposition, March 2011. 2007. [2]. Kevin Zibran Heetun, Shady H. E. Abdel [5]. Kundur, Power system stability and Aleem & Ahmed F. Zobaa, Voltage stability Control, Mc Graw Hill, 1994 . analysis of grid-connected wind farms with [6]. N.W. Miller, J.J. Sanchez-Gasca, W.W. FACTS: Static and dynamic analysis, Price, R.W. Delmerico, Dynamic modeling Energy and Policy Research 2016, 3:1, 1-12. of GE 1.5 and 3.6 MW wind turbine [3]. K.C. Divya, P.S. Nagendra Rao, Models for generators for stability simulations, IEEE wind turbine generating systems and their WTG Modeling Panel Session, July 2003. application in load flow studies, Electric [7]. J. C. Muđoz, and C. A. Cađizares, Power Systems Research 76 (2006) 844– Comparative Stability Analysis of DFIG- 856. based Wind Farms and Conventional Trang 11
8. SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 19, No.K5- 2016 Synchronous Generators, Power system conference and exposition , 2011. [8]. G. Tsourakis , B.M. Nomikos, C.D. Vournas, Effect of wind parks with doubly fed asynchronous generators on small- signal stability, Electric Power Systems Research 79 (2009) 190–200. Trang 12