Nghiên cứu chế độ vận hành máy phát điện trong nhà máy phong điện Phương Mai 1 nhằm hỗ trợ ổn định quá độ lưới điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

LÊ CÔNG TOÀN

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH MÁY PHÁT ĐIỆN

TRONG NHÀ MÁY PHONG ĐIỆN PHƯƠNG MAI 1

NHẰM HỖ TRỢ ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ LƯỚI ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Bình Định - Năm 2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

LÊ CÔNG TOÀN

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH MÁY PHÁT ĐIỆN

TRONG NHÀ MÁY PHONG ĐIỆN PHƯƠNG MAI 1

NHẰM HỖ TRỢ ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ LƯỚI ĐIỆN

Ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 8520201

Người hướng dẫn: TS. Lê Thái Hiệp

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu chế độ vận hành

máy phát điện trong nhà máy phong điện Phương Mai 1 nhằm hỗ trợ ổn

định quá độ lưới điện” là công trình của tôi và được thực hiện dưới sự

hướng dẫn của TS. Lê Thái Hiệp. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn trung

thực.

Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi

trong danh mục “Tài liệu tham khảo” và không sao chép hay sử dụng bất kỳ

tài liệu nào khác. Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách

nhiệm.

Bình Định, ngày tháng năm 2022

Tác giả luận văn

Lê Công Toàn

ii

LỜI CẢM ƠN

Luận văn tốt nghiệp là một trong những bước quan trọng trong khóa

học. Tôi rất hạnh phúc khi thực hiện xong luận văn tốt nghiệp và quan trọng

hơn là những gì tôi đã học được trong thời gian qua. Bên cạnh kiến thức thu

được, tôi đã học được phương pháp nghiên cứu một cách độc lập. Sự thành

công này không đơn thuần bởi sự nỗ lực của cá nhân, mà còn có sự hỗ trợ và

giúp đỡ của giảng viên hướng dẫn, gia đình và bạn bè. Nhân cơ hội này, cho

phép tôi được bày tỏ lời cảm ơn của tôi đến họ.

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô

trong Khoa Kỹ Thuật & Công Nghệ trường Đại Học Quy Nhơn đã tận tình

giảng dạy, truyền đạt cho tôi những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong

suốt thời gian qua. Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn đến TS. Lê Thái Hiệp,

thầy đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình

học tập cũng như thực hiện luận văn này. Trong thời gian làm việc với thầy,

tôi không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập được

tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là

những điều rất cần thiết cho tôi trong quá trình học tập và công tác sau này.

Do với kiến thức bản thân còn rất giới hạn nên bản luận văn này chắc

chắn còn nhiều thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các

thầy (cô) giáo trong Khoa Kỹ thuật & Công nghệ, trường Đại học Quy Nhơn

để bản luận văn của tôi được hoàn thiện hơn.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ..............................................................................................i

LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................ii

MỤC LỤC........................................................................................................iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................vii

DANH MỤC CÁC BẢNG...............................................................................ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ..................................................... x

MỞ ĐẦU....................................................................................................... 1

1. Lý do chọn đề tài................................................................................... 1

2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ........................................................... 3

3. Mục đích nghiên cứu............................................................................. 4

4. Nội dung nghiên cứu............................................................................. 4

5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................ 4

6. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 4

Chương 1........................................................................................................... 6

TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN GIÓ.......................................................................... 6

1.1 Tổng quan về năng lượng gió ............................................................... 6

1.2 Tổng quan về turbine gió ...................................................................... 7

1.2.1 Giới thiệu ........................................................................................ 7

1.2.2 Cấu tạo turbine gió.......................................................................... 8

1.2.3 Phân loại turbine gió ..................................................................... 12

1.3 Máy phát điện gió ............................................................................... 13

1.3.1 Turbine gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng bộ..... 14

1.3.2 Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ

rotor lồng sóc........................................................................................... 15

1.3.3 Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng bộ

nguồn kép................................................................................................ 16

iv

1.4 Tổng quan về nhà máy phong điện Phương Mai 1............................. 18

1.5 Kết luận chương 1............................................................................... 23

Chương 2......................................................................................................... 24

NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG NHÀ

MÁY PHONG ĐIỆN PHƯƠNG MAI 1 NHẰM HỖ TRỢ ỔN ĐỊNH QUÁ

ĐỘ LƯỚI ĐIỆN.............................................................................................. 24

2.1 Cấu trúc hệ thống tự động điều khiển phát điện của hệ thống điện

quốc gia [6].................................................................................................. 24

2.1.1 Giới thiệu ...................................................................................... 24

2.1.2 Nguyên tắc làm việc của hệ thống AGC ...................................... 26

2.1.3 Các trạng thái vận hành của AGC ................................................ 27

2.1.4 Các chế độ làm việc của tổ máy trong AGC ................................ 28

2.2 Cấu trúc hệ thống nhà máy phong điện Phương Mai 1 ...................... 31

2.2.1 Giới thiệu hệ thống nhà máy phong điện Phương Mai 1.............. 31

2.2.2 Đường dây 110kV đấu nối vào hệ thống điện Quốc gia. ............. 32

2.2.3 Quy mô tuyến đường dây ............................................................. 33

2.2.4 Đặc điểm tuyến đường dây ........................................................... 33

2.2.5 Trạm biến áp 110kV ở nhà máy phong điện Phương Mai 1 ........ 34

2.3 Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép .......................................... 36

2.3.1 Nguyên lý hoạt động của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

36

2.3.2 Mô hình toán học máy phát điện không đồng bộ nguồn kép....... 40

2.4 Mô hình toán máy phát điện không đồng bộ nguồn kép.................... 42

2.4.1 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh αβ .................. 44

2.4.2 Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ đồng bộ dq ........... 46

2.5 Chế độ vận hành máy phát điện trong nhà máy phong điện nhằm hỗ

trợ ổn định quá độ lưới điện ........................................................................ 48

v

2.5.1 Các dạng ngắn mạch..................................................................... 48

2.5.2 Ổn định quá độ trong lưới điện..................................................... 50

2.6 Đề xuất phương thức vận hành máy phát điện trong nhà máy phong

điện nhằm hỗ trợ ổn định quá độ lưới điện ................................................. 53

2.6.1 MÁY PHÁT LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ WRIG.............................. 54

2.6.1.1 Mô hình hóa WRIG ............................................................... 54

2.6.1.2 Các đường đặc tính của máy phát khi nối điện trở crowbar.. 58

2.6.1.3 Điều khiển Rcrowbar.................................................................. 59

2.6.2 GSC làm việc ở chế độ STATCOM............................................. 61

2.6.2.1 Cấu trúc cơ bản của STATCOM ........................................... 62

2.6.2.2 Nguyên lý hoạt động của STATCOM................................... 63

2.7 Kết luận chương 2............................................................................... 66

Chương 3......................................................................................................... 67

MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH MÁY PHÁT ĐIỆN TRONG NHÀ

MÁY PHONG ĐIỆN PHƯƠNG MAI 1 NHẰM HỖ TRỢ ỔN ĐỊNH QUÁ

ĐỘ LƯỚI ĐIỆN.............................................................................................. 67

3.1 Cấu trúc máy phát điện gió trên phần mềm mô phỏng....................... 67

3.1.1 Tổng quan về Matlab .................................................................... 67

3.1.2 Sơ đồ kết nối lưới của nhà máy điện gió Phương Mai 1 .............. 68

3.1.3 Cấu trúc máy phát điện gió trên phần mềm mô phỏng................. 69

3.1.3.1 Khối mô phỏng máy phát điện (DFIG Wind Turbine).......... 70

3.1.3.2 Khối Wound-Rotor Induction Generator............................... 73

3.1.3.3 Khối AC-DC-AC converter Average Model......................... 74

vi

3.1.3.4 Khối điều khiển các quạt và turbine (Turbine and Drive Train)

75

3.1.3.5 Khối điều khiển phần điện của turbine (Wind Turbine

Control) 76

3.1.4 Bộ phận hiển thị đặc tính .............................................................. 82

3.1.5 Thiết lập thông số các phần tử trong các khối.............................. 82

3.1.6 Mô phỏng ở chế độ làm việc bình thường.................................... 86

3.1.7 Mô phỏng ở chế độ ngắn mạch..................................................... 89

3.1.7.1 Thiết kế bộ tạo tín hiệu ngắn mạch........................................ 89

3.1.7.2 Khối ngắn mạch ba pha ......................................................... 90

3.1.7.3 Bộ mô phỏng điện trở Crowbar............................................. 91

3.1.7.4 Kết quả mô phỏng chế độ làm việc khi xảy ra ngắn mạch sau

máy biến áp 110kV .............................................................................. 92

3.1.7.5 Phân tích và kiểm tra hiệu quả của chế độ làm việc máy phát

khi xảy ra ngắn mạch trên lưới gần nhà máy....................................... 95

3.2 Kết luận chương 3............................................................................... 97

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 98

1. KẾT LUẬN......................................................................................... 98

2. KIẾN NGHỊ........................................................................................ 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................. 101

PHỤ LỤC...................................................................................................... 103

vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

PLC Programmable Logic

Controller

Bộ điều khiển logic

Setpoint Giá trị đặt

Inverter Biến tần

DFIG Doubly-Fed Induction

Generator

Hệ thống máy phát điện cảm

ứng được cấp nguồn kép: là

một hệ thống phổ biến trong

đó giao diện điện tử công suất

điều khiển các dòng điện rôto

để đạt được tốc độ thay đổi

cần thiết để thu năng lượng

tối đa khi có gió thay đổi.

Grid-Support Strategies Chế độ hỗ trợ lưới

FACTS Flexible Alternating Current

Transmission System

Hệ thống truyền tải dòng điện

xoay chiều linh hoạt

STATCOM A static synchronous

compensator

Giữ vững điện áp, giảm nhấp

nháy và lọc sóng hài trong hệ

thống

NMĐG Nhà máy điện gió

NLTT Năng lượng tái tạo

PĐ Phong điện

CPC-CPSC Tổng Công Ty Điện Lực

Miền Trung - Công ty Dịch

vụ điện lực miền Trung

TBA Trạm biến áp

RTU Remote Terminal Unit Thiết bị đặt tại trạm điện

hoặc nhà máy điện phục vụ

việc thu thập và truyền dữ

liệu về hệ thống SCADA của

Trung tâm điều độ hệ thống

viii

điện hoặc Trung tâm điều

khiển

AGC Automatic Generation Control Hệ thống thiết bị tự động điều

chỉnh tăng giảm công suất tác

dụng của tổ máy phát điện

nhằm duy trì tần số của hệ

thống điện ổn định trong

phạm vi cho phép theo

nguyên tắc vận hành kinh tế

tổ máy phát điện

P Công suất tác dụng

Q Công suất phản kháng

U Điện áp

I

CSTD

CSPK

Dòng điện

Công suất tác dụng

Công suất phản kháng

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật turbine.[8] ........................................................ 18

Bảng 2.1: Các dạng ngắn mạch [6]. ............................................................... 49

x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Cấu tạo turbine gió........................................................................... 8

Hình 1.2: Hộp số bên trong turbine gió.......................................................... 10

Hình 1.3: Hệ thống turbine gió tốc độ cố định với máy phát điện không đồng

bộ rotor lồng sóc được kết nối với lưới điện................................................... 15

Hình 1.4: Máy điện không đồng bộ. .............................................................. 15

Hình 1.5: Turbine gió có tốc độ thay đổi sử dụng DFIG............................... 17

Hình 1.6: Hình ảnh nhà máy điện gió Phương Mai 1. ................................... 21

Hình 1.7: Sơ đồ nối điện chính nhà máy điện gió Phương Mai 1 (a) [7]. ..... 22

Hình 1.8: Sơ đồ nối điện chính nhà máy điện gió Phương Mai 1 (b) [7].. .... 22

Hình 2.1: Sơ đồ đấu nối NMĐG Phương Mai 1 vào hệ thống điện. ............ 32

Hình 2.2: Hệ thống turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng

bộ nguồn kép. .................................................................................................. 37

Hình 2.3: Chế độ vận hành dưới đồng bộ máy phát điện không đồng bộ

nguồn kép. ....................................................................................................... 39

Hình 2.4: Chế độ vận hành trên đồng bộ máy phát điện không đồng bộ nguồn

kép. .................................................................................................................. 39

Hình 2.5: Cấu hình kết nối stator và rotor, Y-Y. ........................................... 43

Hình 2.6: Sơ đồ tương đương RL của stator và rotor. ................................... 44

Hình 2.7: Sơ đồ tương đương DFIG trong hệ trục αβ.................................... 45

Hình 2.8: Sơ đồ tương đương của DFIG trong hệ trục quay dq. ................... 46

Hình 2.9: Sơ đồ điều khiển của DFIG khi có sự cố lưới [14]........................ 55