Ứng dụng bộ ổn định công suất cho các nguồn phát công suất nhỏ

LÊ KIM ANH (Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa)

Bộ điều khiển ổn định hệ thống công suất (PSS)

Bài viết chỉ đề cập nguồn phân tán là các tuabin thủy lực (Hydraulic Turbine Governor), tuabin hơi (Steam Turbine Governor) thông qua hệ thống kích từ để điều khiển điện áp stator của máy phát điện.

Trong thực tế, hệ thống kích từ bao gồm khối điều chỉnh tự động điện áp (Automatic Voltage Regulator -AVG) và khối chức năng ổn định hệ thống công suất (Power System Stablizer -PSS). Các khối này sẽ lấy thông tin về dòng điện, điện áp từ máy phát điện và so sánh với giá trị dòng điện, điện áp danh định, sau đó đưa ra các xung điều khiển thích hợp để điều khiển đóng mở các van bán dẫn của bộ chỉnh lưu có điều khiển (Static Excitatiton System -SES).

Điều khiển kích từ của máy phát điện

Khi máy phát chưa nối vào lưới điện, việc thay đổi dòng điện kích từ chỉ cần thay đổi điện áp đầu cực máy phát. Tuy nhiên, khi đã được nối vào lưới có công suất rất lớn so với hệ thống máy phát điện, lúc này việc tăng giảm dòng kích từ hầu như không làm thay đổi điện áp của lưới.

Để điều chỉnh dòng kích từ của hệ thống máy phát điện (Sử dụng tuabin thủy điện và tuabin khí), người ta sử dụng hệ thống tự động điều chỉnh kích từ có bộ phận điều khiển chính là thiết bị điều chỉnh tự động điện áp (AVR). Thiết bị này có nhiệm vụ giữ cho điện áp ở đầu cực máy phát là không đổi, khi phụ tải thay đổi và nâng cao giới hạn truyền tải công suất của máy phát vào hệ thống.

Những yêu cầu chung đối với hệ thống điều chỉnh kích từ là: Đảm bảo ổn định tĩnh (với nhiễu loại nhỏ), nâng cao tính ổn định động (với nhiễu loạn lớn) và cần có chế độ kích thích cưỡng bức khi máy phát làm việc ở chế độ kích thích cưỡng bức khi máy phát làm việc ở chế độ sự cố (như ngắn mạch trong lưới)...

Điều khiển ổn định hệ thống công suất

Bộ điều khiển ổn định hệ thống công suất (PSS) là một thiết bị tăng mômen hãm cho các hệ dao động cơ điện trong máy phát, cải thiện và hạn chế các vận hành cưỡng bức. Khi tác động bởi một sự thay đổi đột ngột nào đó trong điều kiện vận hành, tốc độ và công suất máy phát điện thay đổi xung quanh điểm cân bằng. Quá trình phân tích tính chất ổn định của bộ điều khiển ổn định hệ thống công suất bao gồm:

Ổn định về tần số (Δf)

Tín hiệu tần số được sử dụng làm tín hiệu đầu vào cho bộ điều khiển PSS, trong một số trường hợp tín hiệu điện áp đầu cực và tín hiệu dòng điện cũng được kết nối như một tín hiệu tần số là nhạy cảm với các tín hiệu dao động trong hệ thống máy phát điện. Nhược điểm của tín hiệu tần số thường chứa các nhiễu loạn của hệ thống gây ra cho các tải công nghiệp.

Ổn định về tốc độ (Δω)

Nhằm nâng cao đặc tính hãm tự nhiên của máy phát điện, bộ điều khiển PSS phải tạo ra được mômen điện chống lại sự thay đổi tốc độ của rotor. Để làm được điều này ta đưa vào một tín hiệu có tỷ lệ đo được về sai lệch tốc độ rotor khi điều chỉnh điện áp đầu cực máy phát.

Ổn định về công suất (ΔP)

Ổn định về tốc độ (Δω) thường gặp khó khăn khi tạo ra tín hiệu không có nhiễu, như các thành phần dao động xoắn của trục. Sự có mặt của các thành phần này trong đầu vào của ổn định về tốc độ có thể gây ra quá kích từ cho các máy phát điện. Những biến đổi về mômen điện dẫn đến việc thiết kế bộ ổn định về công suất (ΔP) đo được:

Trong đó:

ΔPm: là độ thay đổi công suất cơ đầu vào;

ΔPe: là độ thay đổi công suất điện đầu ra;

Δω: là sai lệch tín hiệu tốc độ của rotor.

Mặt khác, độ sai lệch tín hiệu tốc độ có thể tính được từ sự chênh lệch giữa công suất cơ đầu vào và công suất điện đầu ra. Sử dụng mối liên hệ trên để thay thế việc đo tín hiệu công suất điện và cơ cho đầu vào tốc độ.

Ổn định về đầu vào kép (ΔP_ω)

Mục đích của ổn định về đầu vào kép (Ổn định công suất gia tốc) là nhằm loại bỏ các thành phần không mong muốn ra khỏi tín hiệu tốc độ và loại trừ những khó khăn trong công việc đo tín hiệu công suất cơ. Vì công suất cơ thường thay đổi với tần số dao động cơ điện, tín hiệu công suất cơ có được nhờ sự hạn chế về độ rộng của dải khi sử dụng mạch lọc tần thấp.

Sự hạn chế dải tín hiệu thu được để sử dụng thay thế cho công suất cơ và chuyển thành tín hiệu thay đổi theo tốc độ. Tín hiệu tốc độ thu được từ việc hạn chế độ rộng dải thông tin qua mạch lọc cao tần. Còn ở tần số thấp hơn thì đầu ra được quyết định chủ yếu do đầu vào của công suất điện.

Việc sử dụng bộ điều khiển ổn định hệ thống công suất có cấu trúc phase Lead/Lag với một hằng số khuếch đại và hàm giới hạn đầu ra. Khả năng bù của PSS phụ thuộc vào tính chọn giá trị KPSS và hằng số thời gian. Ở đây các hằng số thời gian trễ và vượt được điều chỉnh trong khoảng 0.01s≤ T ≤ 6s.

Mô hình nghiên cứu

Kết quả mô phỏng trên Matlab-Simulink

Mô hình ứng dụng bộ điều khiển ổn định hệ thống công suất trong điều khiển nối lưới các nguồn phân tán. Ở đây nguồn phân tán (DG) là hai tuabin thủy điện nhỏ và hai tuabin được xây dựng trên Matlab - Simulink, như hình 2 và hình 3. Kết quả mô phỏng thể hiện trong các hình 4 đến hình 11.

Kết luận

Ứng dụng bộ điều khiển ổn định hệ thống công suất (PSS) trong điều khiển nối lưới các nguồn phân tán đã phát huy được công suất phát ra. Các DG nối lưới cho phép chúng đạt được quy mô tương đương và mức độ cung cấp điện ổn định như các nhà máy điện truyền thống. Tại thời điểm 1s≤ t ≤ 2s đóng tải thực hiện nối lưới, các giá trị dòng điện, điện áp và công suất bị dao động.

Khi t > 2s hệ thống điều khiển làm việc ở trạng thái ổn định. Điều khiển nối lưới các nguồn phân tán ứng dụng bộ điều khiển PSS, nhằm hướng đến việc phát triển lưới điện thông minh và điều khiển nối lưới linh hoạt cho các nguồn năng lượng tái tạo.

NangluongVietnam.vn