Luận văn Kỹ thuật năng lượng gió: khảo sát các vấn đề liên quan đến năng lượng trong gió; turbine gió; hệ máy phát gió làm việc với lưới điện (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Kỹ thuật năng lượng gió: khảo sát các vấn đề liên quan đến năng lượng trong gió; turbine gió; hệ máy phát gió làm việc với lưới điện (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ VĂN KHÁNH KỸ THUẬT NĂNG LƯỢNG GIÓ: KHẢO SÁT CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NĂNG LƯỢNG TRONG GIÓ; TURBINE GIÓ; HỆ MÁY PHÁT GIÓ LÀM VIỆC VỚI LƯỚI ĐIỆN NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 0 4 1 1 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ VĂN KHÁNH KỸ THUẬT NĂNG LƯỢNG GIÓ: KHẢO SÁT CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NĂNG LƯỢNG TRONG GIÓ; TURBINE GIÓ; HỆ MÁY PHÁT GIÓ LÀM VIỆC VỚI LƯỚI ĐIỆN NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN - 095525 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ VĂN KHÁNH KỸ THUẬT NĂNG LƯỢNG GIÓ: KHẢO SÁT CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NĂNG LƯỢNG TRONG GIÓ; TURBINE GIÓ; HỆ MÁY PHÁT GIÓ LÀM VIỆC VỚI LƯỚI ĐIỆN NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN - 095525 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013
4. CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học : . . (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 (Ghi rõ họ, tên,, chức danh khoa học, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ trước HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Ngày tháng năm 0
5. MỤC LỤC Trang tựa Trang PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài 1 2. Mục đích khách thể và đối tượng nghiên cưu 1 3. Giải quyết nghiên cứu 2 4. Nhiệm vụ nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 2 5. Phương pháp nghiên cứu 3 PHẦN NỘI DUNG CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9 2.1 Các vấn đề liên quan đến năng lƣợng trong gió 9 2.1.1 Năng lượng gió 9 2.1.2 Sự phân bố vận tốc gió 9 2.1.3 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor 11 2.1.4 Đường cong công suất tuabin gió 14 2.1.5 Tầm quan trọng của việc thay đổi tốc độ máy phát 16 2.2 Turbine gió 16 2.2.1 Giới thiêụ Turbin gió 16 2.2.2 Khí động học Turbin gió trục ngang 19 2.2.3 Số Betz giới hạn 21 2.2.4 Lý thuyết phân tố cánh 22 2.2.5 Thuyết động lượng phân tố cánh (BEM) 23 2.3 Hệ thống máy phát gió làm việc với lƣới điện biến đổi hoàn toàn tốc đô trên turbin gió với máy đồng bộ (FRC-GS) 25 2.3.1 Máy phát đồng bộ trên tuabin gió FRC-SG 26 2.3.2 Điều khiển trực tiếp máy phát Tuabin gió 26 2.3.3 Máy phát động bộ kích điện đối bằng nam châm vĩnh cữu 27 2.3.4 Máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu 27 2.4 Vận hành công suất turbin gió 29 2.4.1 Vận hành công suất cực đại 29 CHƢƠNG 3. MÔ HÌNH TOÁN HỌC 33 3.1 Vectơ không gian và phép biến đổi 33 3.1.1 Véctơ không gian 33 3.1.2 Biểu diển công suất theo véctơ không gian 35 3.1.3 Phép biến biến đổi giữa đại lượng ba pha abc và αβ 36 3.1.4 Phép biến biến đổi giữa đại lượng αβ và dq 37 3.2 Mô hình toán học hệ thống máy phát gió làm việc với lƣới điện biến đổi hoàn toàn tốc độ trên turbine gió với máy phát đồng bộ (FRC-GS) 39 3.2.1 Điều khiển Tuabin gió và hoạt động đánh giá các đặc tính động 39 3.2.2 Máy phát cảm ứng trên Tuabin gió 51 1
6. 3.3 Đại lƣợng cơ bản 58 Chƣơng 4. MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN TỔ HỢP TURBIN GIÓ SỬ DỤNG MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỮU VỚI BỘ CHUYỂN ĐỔI HOÀN TOÀN CÔNG SUẤT ĐỊNH MỨC (FRC-SG) 60 4.1 Giới thiệu về phần mềm PSCAD 60 4.2 Nguồn gió 62 4.3 Thành phần turbine gió 64 4.3.1 Khái quát về thành phần turbine gió trong PSCAD 64 4.3.2 Đường cong Cp với mô hình chuẩn PSCAD 65 4.3.3 Các thông số tính toán 66 4.4 Thành phần điều chỉnh turbine gió 68 4.4.1 Khái quát về thành phần điều chỉnh turbine gió trong PSCAD 68 4.4.2 Các thông số bộ điều chỉnh gió 69 4.5 Máy phát điện đồng bộ 70 4.5.1 Khái quát về các thành phần máy phát điện đồng bộ trong PSCAD 70 4.5.2 Các thông số của máy phát điện đồng bộ 72 4.6 Nguồn và chuyển đổi tần số 73 4.6.1 Bô ̣chỉnh lưu 73 4.6.2 Bảo vệ quá điện áp 75 4.6.3 Bus DC 76 4.6.4 Bộ nghịch lưu 6 khóa Thyristor 78 4.6.5 Kết nối lưới . 84 CHƢƠNG 5. MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 86 5.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRÊN PSCAD 86 5.1.1 Phía phần phát 86 5.1.2 Phần chuyển đổi 88 5.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN PSCAD 90 5.2.1 Kết quả mô phỏng trên một turbine 90 5.2.2 Kết quả mô phỏng trên 10 turbine 100 CHƢƠNG 6. KẾT LUẬN 112 6.1 Các vấn đề đã giải quyết trong luận văn 112 6.2 Đề xuất những nghiên cứu tiếp theo 112 2
7. THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CÁC TỪ VIẾT TẮT FRC-SG Fully Rated Converter- Synchronous Generator FSIG Fixed-speed Induction Generator PG-RE Real Power Generator-Rectifier QG-RE Reactive Power Generator-Rectifier PG-IN Real Power Generator-Invecter QG-IN Reactive Power Generator-Invecter PG-TOTAL Real Power Generator Total QG-TOTAL Reactive Power Generator Total FTP Flux, Torque, Power FOC Field Oriented Control GSC Grid Side Converter IG Induction Generator IE Increment Encoder LA Line Voltage Angle LPV Linear Parameter Varying RSC Rotor Side Converter PLL Phase Locked Loop PI Proportional Integral p.u Per Unit PWM Pulse Width Modulation RMS Root Mean Square SG Synchronuos Generator SMC Sliding Mode Control SC Stator Current VSC Voltage Source Converter WECS Wind Energy Convertion System Chỉ số trên s, e hệ trục tọa độ tĩnh αβ và hệ trục đồng bộ dq ref, ∗ giá trị điều khiển hoặc giá trị đặt mea giá trị đo lường T chuyển vị của ma trận, véctơ ^ giá trị ước lượng Chỉ số dƣới n,b giá trị danh định, trị cơ bản max, min maximum, minimum KÝ HIỆU vas, vbs, vcs, var, vbr , vcr điện áp pha stator và rotor ias, ibs, ics, iar , ibr , icr dòng điện stator và rotor 3
8. ψas, ψbs, ψcs, ψar, ψbr, ψcr từ thông stator và rotor vαs, vβs, vαr, vβr điện áp stator và rotor theo trục α,β iαs, iβs, iαr, iβr dòng stator và rotor theo trục α,β ψαs, ψβs, ψαr, ψβr từ thông stator và rotor theo trục α,β vds, vqs, vdr, vqr điện áp stator và rotor theo trục d,q ids, iqs, idr, iqr dòng stator và rotor theo trục d,q ψds,ψqs,ψdr ,ψqr từ thông stator và rotor theo trục d,q us,Udc điện áp lưới và điện áp dc-link Rs,Rr điện trở dây quấn stator và rotor Lls,Llr điện cảm tản stator và rotor Ls,Lr điện cảm stator và rotor Lm điện cảm từ hóa ωs,ωr tốc độ đồng bộ và rotor [elec.rad/s ] ωrm vận tốc góc cơ học của rotor [mach.rad/s ] ωsl ,s vận tốc trượt và độ trượt kT tỷ số vòng dây stator và rotor θs,θr góc vị trí stator và rotor [elec.rad ] Te,Tm mômen điện từ và mômen cơ Ps,Qs công suất tác dụng, phản kháng phía stator τs, τr thời hằng stator và rotor σ, f hệ số tản tổng và hệ số ma sát [N.m.s/rad ] p số cặp cực từ J,H mômen quán tính và hệ số quán tính rotor v,vd, v vận tốc gió trước, sau cánh quạt và trung bình Rb,Ar bán kính và diện tích quét cánh quạt tuabin p, Cρ mật độ không khí và hiệu suất rotor λ, β Tip - speed - ratio và góc pitch 4
9. Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc Chƣơng1. TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1.1 Tình hình cung - cầu điện năng ở Việt Nam Tốc độ tăng trƣởng trung bình của sản lƣợng điện ở Việt Nam trong 20 năm trở lại đây đạt mức rất cao, khoảng 12-13%/năm - tức là gần gấp đôi tốc độ tăng trƣởng GDP của nền kinh tế. Chiến lƣợc công nghiệp hóa và duy trì tốc độ tăng trƣởng cao để thực hiện „dân giàu, nƣớc mạnh“ và tránh nguy cơ tụt hậu sẽ còn tiếp tục đặt lên vai ngành điện nhiều trọng trách và thách thức to lớn trong những thập niên tới. Để hoàn thành đƣợc những trọng trách này, ngành điện phải có khả năng dự báo nhu cầu về điện năng của nền kinh tế, trên cơ sở đó hoạch định và phát triển năng lực cung ứng của mình. Việc ƣớc lƣợng nhu cầu về điện không hề đơn giản, bởi vì nhu cầu về điện là nhu cầu dẫn xuất. Chẳng hạn nhƣ nhu cầu về điện sinh hoạt tăng cao trong mùa hè là do các hộ gia đình có nhu cầu điều hòa không khí, đá và nƣớc mát. Tƣơng tự nhƣ vậy, các công ty sản xuất cần điện là do điện có thể đƣợc kết hợp với các yếu tố đầu vào khác (nhƣ lao động, nguyên vật liệu v.v.) để sản xuất ra các sản phẩm cuối cùng. Nói cách khác, chúng ta không thể ƣớc lƣợng nhu cầu về điện một cách trực tiếp mà phải thực hiện một cách gián tiếp thông qua việc ƣớc lƣợng nhu cầu của các sản phẩm cuối cùng. Nhu cầu này, đến lƣợt nó, lại phụ thuộc vào nhiều biến số kinh tế và xã hội khác Theo dự báo của Tổng Công ty Điện lực Việt Nam, nếu tốc độ tăng trƣởng GDP trung bình tiếp tục đƣợc duy trì ở mức 7,1%/năm thì nhu cầu điện sản xuất của Việt Nam vào năm 2020 sẽ là khoảng 200.000 GWh, vào năm 2030 là 327.000 GWh. Trong khi đó, ngay cả khi huy động tối đa các nguồn điện truyền thống thì sản lƣợng điện nội địa của chúng ta cũng chỉ đạt mức tƣơng ứng là 165.000 GWh (năm 2020) và 208.000 GWh (năm 2030). Điều này có nghĩa là nền kinh tế sẽ bị HVTH: Lê Văn Khánh 1-1
10. Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc thiếu hụt điện một cách nghiêm trọng, và tỷ lệ thiếu hụt có thể lên tới 20-30% mỗi năm. Nếu dự báo này của Tổng Công ty Điện lực trở thành hiện thực thì hoặc là chúng ta phải nhập khẩu điện với giá đắt gấp 2-3 lần so với giá sản xuất trong nƣớc, hoặc là hoạt động sản xuất của nền kinh tế sẽ rơi vào đình trệ, còn đời sống của ngƣời dân sẽ bị ảnh hƣởng nghiêm trọng. Không phải đợi đến năm 2010 hay 2020, ngay trong thời điểm hiện tại chúng ta cũng đã đƣợc “nếm mùi” thiếu điện. Trong những năm gần đây, ngƣời dân ở hai trung tâm chính trị và kinh tế của đất nƣớc chịu cảnh cắt điện luôn phiên gây nhiều khó khăn cho sinh hoạt và ảnh hƣởng tiêu cực đến đời sống kinh tế. 1.1.2 Những lợi ích về môi trường và xã hội của điện gió Năng lƣợng gió đƣợc đánh giá là thân thiện nhất với môi trƣờng và ít gây ảnh hƣởng xấu về mặt xã hội. Để xây dựng một nhà máy thủy điện lớn cần phải nghiên cứu kỹ lƣỡng các rủi ro có thể xảy ra với đập nƣớc. Ngoài ra, việc di dân cũng nhƣ việc mất các vùng đất canh tác truyền thống sẽ đặt gánh nặng lên vai những ngƣời dân xung quanh khu vực đặt nhà máy, và đây cũng là bài toán khó đối với các nhà hoạch định chính sách. Hơn nữa, các khu vực để có thể quy hoạch các đập nƣớc tại Việt Nam cũng không còn nhiều. Song hành với các nhà máy điện hạt nhân là nguy cơ gây ảnh hƣởng lâu dài đến cuộc sống của ngƣời dân xung quanh nhà máy. Các bài học về rò rỉ hạt nhân cộng thêm chi phí đầu tƣ cho công nghệ, kỹ thuật quá lớn khiến càng ngày càng có nhiều sự ngần ngại khi sử dụng loại năng lƣợng này. Các nhà máy điện chạy nhiên liệu hóa thạch thì luôn là những thủ phạm gây ô nhiễm nặng nề, ảnh hƣởng xấu đến môi trƣờng và sức khỏe ngƣời dân. Hơn thế nguồn nhiên liệu này kém ổn định và giá có xu thế ngày một tăng cao. Khi tính đầy đủ cả các chi phí ngoài – là những chi phí phát sinh bên cạnh những chi phí sản xuất truyền thống, thì lợi ích của việc sử dụng năng lƣợng gió càng trở nên rõ rệt. So với các nguồn năng lƣợng gây ô nhiễm (ví dụ nhƣ ở nhà máy nhiệt điện Ninh Bình) hay phải di dời quy mô lớn (các nhà máy thủy điện lớn), khi HVTH: Lê Văn Khánh 1-2
11. Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc sử dụng năng lƣợng gió, ngƣời dân không phải chịu thiệt hại do thất thu hoa màu hay tái định cƣ và họ cũng không phải chịu thêm chi phí y tế và chăm sóc sức khỏe do ô nhiễm. Ngoài ra với đặc trƣng phân tán và nằm sát khu dân cƣ, năng lƣợng gió giúp tiết kiệm chi phí truyền tải. Hơn nữa, việc phát triển năng lƣợng gió ở cần một lực lƣợng lao động là các kỹ sƣ kỹ thuật vận hành và giám sát lớn hơn các loại hình khác, vì vậy giúp tạo thêm nhiều việc làm với kỹ năng cao. Tại các nƣớc Châu Âu, các nhà máy điện gió không cần đầu tƣ vào đất đai để xây dựng các trạm turbin mà thuê ngay đất của nông dân. Giá thuê đất (khoảng 20% giá thành vận hành thƣờng xuyên) giúp mang lại một nguồn thu nhập ổn định cho nông dân, trong khi diện tích canh tác bị ảnh hƣởng không nhiều. Cuối cùng, năng lƣợng gió giúp đa dạng hóa các nguồn năng lƣợng, là một điều kiện quan trọng để tránh phụ thuộc vào một hay một số ít nguồn năng lƣợng chủ yếu và chính điều này giúp phân tán rủi ro và tăng cƣờng an ninh năng lƣợng. 1.1.3 Tiềm năng điện gió của Việt Nam Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lƣợng gió. So sánh tốc độ gió trung bình trong vùng Biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại Biển Đông khá mạnh và thay đổi nhiều theo mùa. Trong chƣơng trình đánh giá về Năng lƣợng cho Châu Á, Ngân hàng Thế giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lƣợng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam. Nhƣ vậy Ngân hàng Thế giới đã làm hộ Việt Nam một việc quan trọng, trong khi Việt Nam còn chƣa có nghiên cứu nào đáng kể. Theo tính toán của nghiên cứu này, trong bốn nƣớc đƣợc khảo sát thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào và Campuchia. Trong khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ đƣợc đánh giá có tiềm năng từ tốt đến rất tốt để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ở Campuchia là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở Thái-lan cũng chỉ là 0,2%. Tổng tiềm năng điện gió của Việt HVTH: Lê Văn Khánh 1-3
12. Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc Nam ƣớc đạt 513.360 MW tức là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020. Tất nhiên, để chuyển từ tiềm năng lý thuyết thành tiềm năng có thể khai thác, đến tiềm năng kỹ thuật, và cuối cùng, thành tiềm năng kinh tế là cả một câu chuyện dài; nhƣng điều đó không ngăn cản việc chúng ta xem xét một cách thấu đáo tiềm năng to lớn về năng lƣợng gió ở Việt Nam. Nếu xét tiêu chuẩn để xây dựng các trạm điện gió cỡ nhỏ phục vụ cho phát triển kinh tế ở những khu vực khó khăn thì Việt Nam có đến 41% diện tích nông thôn có thể phát triển điện gió loại nhỏ. Nếu so sánh con số này với các nƣớc láng giềng thì Campuchia có 6%, Lào có 13% và Thái Lan là 9% diện tích nông thôn có thể phát triển năng lƣợng gió. Đây quả thật là một ƣu đãi dành cho Việt Nam mà chúng ta còn thờ ơ chƣa nghĩ đến cách tận dụng. Cho đến nay Việt Nam còn một số trở ngại lớn làm chậm bƣớc việc xây dựng, phát triển sản xuất điện gió. Chƣa có chính sách (luật) và các quy định (dƣới luật) về trợ giá cho việc mua điện từ nguồn năng lƣợng gió; chƣa đủ sức hấp dẫn các nhà đầu tƣ. Vẫn còn thiếu các dịch vụ và khả năng tài chính để nhà đầu tƣ có thể vay vốn từ ngân hàng hoặc từ các tổ chức tài chính cho việc xây dựng và phát triển điện gió. Chƣơng trình qui hoạch và chính sách của chính quyền địa phƣơng và trung ƣơng nên thật minh bạch, rõ ràng, tránh tình trạng chỏi nhau, để xảy ra tình trạng “trống đánh xuôi - kèn thổi ngƣợc”. Thiếu kiến thức và năng lực kỹ thuật để thực hiện một công trình điện gió hoàn chỉnh, cũng nhƣ các kỹ thuật cơ bản và dịch vụ bảo quản, bảo trì, điều hành và quản lý sau lắp đặt. Tại các trƣờng đại học, trung cấp dạy nghề chƣa có bộ môn giảng dạy về kỹ thuật và công nghệ điện gió. Quá trình, xây dựng các trạm đo gió (wind measuring station) để thu thập, thống kê và phân tích đầy đủ các số liệu về gió chỉ mới đang từng bƣớc thực hiện. HVTH: Lê Văn Khánh 1-4
13. Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc Việt Nam chƣa có một lộ trình, định hƣớng (roadmap) và qua đó một chƣơng trình cơ bản (masterplan) về sự phân bố những nguồn năng lƣợng chính (hóa thạch, năng lƣợng tái tạo, hạt nhân ) sử dụng trong tƣơng lai và nhất là biện pháp, bƣớc đi cụ thể để thực hiện chƣơng trình này. 1.1.4 Đề xuất một khu vực xây dựng điện gió cho Việt Nam Ở Việt Nam, các khu vực có thể phát triển năng lƣợng gió không trải đều trên toàn bộ lãnh thổ. Với ảnh hƣởng của gió mùa thì chế độ gió cũng khác nhau. Nếu ở phía bắc đèo Hải Vân thì mùa gió mạnh chủ yếu trùng với mùa gió đông bắc, trong đó các khu vực giàu tiềm năng nhất là Quảng Ninh, Quảng Bình, và Quảng Trị. Ở phần phía nam đèo Hải Vân, mùa gió mạnh trùng với mùa gió tây nam, và các vùng tiềm năng nhất thuộc cao nguyên Tây Nguyên, các tỉnh ven biển đồng bằng sông Cửu Long, và đặc biệt là khu vực ven biển của hai tỉnh Bình Thuận, Ninh Thuận. Theo nghiên cứu của NHTG, trên lãnh thổ Việt Nam, hai vùng giàu tiềm năng nhất để phát triển năng lƣợng gió là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi cát ở độ cao 60-100m phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận). Gió vùng này không những có vận tốc trung bình lớn, còn có một thuận lợi là số lƣợng các cơn bão khu vực ít và gió có xu thế ổn định là những điều kiện rất thuận lợi để phát triển năng lƣợng gió. Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ gió nam và đông nam lên đến 98% với vận tốc trung bình 6-7 m/s tức là vận tốc có thể xây dựng các trạm điện gió công suất 3 - 3,5 MW. Thực tế là ngƣời dân khu vực Ninh Thuận cũng đã tự chế tạo một số máy phát điện gió cỡ nhỏ nhằm mục đích thắp sáng. Ở cả hai khu vực này dân cƣ thƣa thớt, thời tiết khô nóng, khắc nghiệt, và là những vùng dân tộc đặc biệt khó khăn của Việt Nam. Mặc dù có nhiều thuận lợi nhƣ đã nêu trên, nhƣng khi nói đến năng lƣợng gió, chúng ta cần phải lƣu ý một số đặc điểm riêng để có thể phát triển nó một cách có hiệu quả nhất. Nhƣợc điểm lớn nhất của năng lƣợng gió là sự phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và chế độ gió. Vì vậy khi thiết kế, cần nghiên cứu hết sức nghiêm túc chế độ gió, địa hình cũng nhƣ loại gió không có các dòng rối vốn ảnh hƣởng không HVTH: Lê Văn Khánh 1-5
14. Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc tốt đến máy phát. Cũng vì lý do phụ thuộc trên, năng lƣợng gió tuy ngày càng hữu dụng nhƣng không thể là loại năng lƣợng chủ lực. Tuy nhiên, khả năng kết hợp giữa điện gió và thủy điện tích năng lại mở ra cơ hội cho chúng ta phát triển năng lƣợng ở các khu vực nhƣ Tây Nguyên vốn có lợi thế ở cả hai loại hình này. Một điểm cần lƣu ý nữa là các trạm điện gió sẽ gây ô nhiễm tiếng ồn trong khi vận hành cũng nhƣ phá vỡ cảnh quan tự nhiên và có thể ảnh hƣởng đến tín hiệu của các sóng vô tuyến. Do đó, khi xây dựng các khu điện gió cần tính toán khoảng cách hợp lý đến các khu dân cƣ, khu du lịch để không gây những tác động tiêu cực. 1.1.5 Kết luận Nhằm đáp ứng mục tiêu tăng trƣởng đầy tham vọng, trong trung hạn Việt Nam cần tiếp tục khai thác các nguồn năng lƣợng truyền thống. Về dài hạn, Việt Nam cần xây dựng chiến lƣợc và lộ trình phát triển các nguồn năng lƣợng mới. Trong chiến lƣợc này, chi phí kinh tế (bao gồm cả chi chí trong và chi chí ngoài về môi trƣờng, xã hội) cần phải đƣợc phân tích một cách kỹ lƣỡng, có tính đến những phát triển mới về mặt công nghệ, cũng nhƣ trữ lƣợng và biến động giá của các nguồn năng lƣợng thay thế. Trong các nguồn năng lƣợng mới này, năng lƣợng gió nổi lên nhƣ một lựa chọn xứng đáng, và vì vậy cần đƣợc đánh giá một cách đầy đủ. Việt Nam có nhiều thuận lợi để phát triển năng lƣợng gió. Việc không đầu tƣ nghiên cứu và phát triển điện gió sẽ là một sự lãng phí rất lớn trong khi nguy cơ thiếu điện luôn thƣờng trực, ảnh hƣởng đến tốc độ tăng trƣởng kinh tế và năng lực cạnh tranh quốc gia. Trong khi đó, hiện nay chiến lƣợc quốc gia về điện dƣờng nhƣ mới chỉ quan tâm tới thủy điện lớn và điện hạt nhân - những nguồn năng lƣợng có mức đầu tƣ ban đầu rất lớn và ẩn chứa nhiều rủi ro về cả mặt môi trƣờng và xã hội. 1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Tổ hợp turbin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu với bộ chuyển đổi hoàn toàn công suất định mức. Mô phỏng trên phần mềm Pscad. HVTH: Lê Văn Khánh 1-6
15. Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc 1.3 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, mô hình hóa và xây dựng giải thuật điều khiển FRC-SG (Fully Rated Converter- Synchronous Generator) đƣợc ứng dụng trong các hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió WILEY (Wind Energy Generation Modelling and Control). 1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các vấn đề nhƣ sau: - Mô hình hóa tổ hợp turbin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu với bộ chuyển đổi hoàn toàn công suất định mức. - Mô phỏng trên Pscad. - Đánh giá tính ổn định và tính bền vững của hệ thống điều khiển khi có sự thay đổi tham số mô hình. So sánh kết quả đạt đƣợc với các phƣơng pháp khác. 1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên cứu. - Nghiên cứu lý thuyết, kiểm tra bằng mô phỏng. 1.6 KẾ HOẠCH THỰC HIỆN - Thu thập, chọn lọc và nghiên cứu tài liệu liên quan. - Tìm hiểu về tổng quan về năng lƣợng gió. - Tìm hiểu các cấu hình hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió đang áp dụng trên thế giới và so sánh ƣu nhƣợc điểm của các cấu hình này. - Chất lƣợng điều khiển và tính điều khiển của luật điều khiển. - Mô phỏng bằng Pscad. Nhận xét kết quả. 1.7 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI - Có thể đƣợc ứng dụng vào thực tế trong ngành điện sử dụng năng lƣợng gió. HVTH: Lê Văn Khánh 1-7
16. Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc - Làm tài liệu tham khảo và làm nền tảng để phát triển hƣớng cho các nghiên cứu sau này. 1.8 PHÁC THẢO NỘI DUNG LUẬN VĂN Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết về kỹ thuật năng lƣợng gió: khảo sát các vấn đề liên quan đến năng lƣợng trong gió; Tuabin gió; hệ máy phát gió làm việc với lƣới điện. Tìm hiểu nguyên lý làm việc của hệ thống máy phát điện đồng bộ biến đổi hoàn toàn tốc độ trên Tuabin gió (FRC-SG: Fully Rated Converter- Synchronous Generator). Chƣơng 3: Trình bày mô hình toán học FRC-SG trong hệ trục tọa độ tham chiếu đồng bộ dq . Chƣơng 4: Điều khiển tổ hợp turbin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu với bộ chuyển đổi hoàn toàn công suất định mức (FRC-SG). Chƣơng 5: Trình bày sơ đồ và kết quả mô phỏng, nhận xét kết quả và kết luận. Thảo luận và đề xuất hƣớng phát triển của đề tài. Phần mềm Pscad đƣợc sử dụng trong luận văn này để mô hình phỏng tổ hợp turbin gió sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cữu với bộ chuyển đổi hoàn toàn công suất định mức. HVTH: Lê Văn Khánh 1-8
17. Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc Chƣơng2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chƣơng này trình bày khái quát về kỹ thuật năng lƣợng gió: khảo sát các vấn đề liên quan đến năng lƣợng trong gió; Tuabin gió; hệ máy phát gió làm việc với lƣới điện. Tìm hiểu nguyên lý làm việc của hệ thống máy phát điện cảm ứng tốc độ cố định (FSIG: Fixed-speed Induction Generator) và máy phát điện đồng bộ biến đổi hoàn toàn tốc độ trên Tuabin gió (FRC-SG: Fully Rated Converter- Synchronous Generator). 2.1 CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN ĐẾN NĂNG LƢỢNG TRONG GIÓ 2.1.1 Năng lượng gió Năng lƣợng tích trữ trong gió đƣợc tính theo công thức: 1 P A v3 W  ( 2.1) W 2 r Trong đó: là mật độ không khí [kg/m3], ở điều kiện chuẩn có giá trị 1.293 kg/m3 2 Ar là diện tích quét của cánh quạt turbin [m ]  là vận tốc gió [m/s] 2.1.2 Sự phân bố vận tốc gió Từ (2.1) ta thấy vận tốc gió là dữ liệu then chốt để đánh giá năng lƣợng gió tiềm năng thu đƣợc ở một vùng nào đó. Phải xác định đƣợc vận tốc gió trung bình để ƣớc tính năng lƣợng kỳ vọng nhận đƣợc từ một vùng cụ thể, do vận tốc gió thƣờng thay đổi theo mùa và có khuynh hƣớng lặp lại với chu kỳ một năm sau đó. Vì vậy, vận tốc gió trung bình có thể đƣợc xác định cho khoảng thời gian một năm. HVTH: Lê Văn Khánh 2-9
18. Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc Sự thay đổi vận tốc gió thƣờng đƣợc mô tả bởi hàm mật độ xác suất. Một trong những hàm mật độ xác suất đƣợc sử dụng phổ biến nhất để mô tả vận tốc gió là hàm Weibull [9], [10]. Phân bố Weibull đƣợc biểu diễn bởi: k k 1 v k v f v e c với 0 0, c > 0 lần lƣợt là hệ số dạng và hệ số tỷ lệ. Vì thế, vận tốc gió trung bình (hoặc vận tốc gió kỳ vọng) có thể đƣợc tính từ: k k 1 v 1 vk v c c 1 v vf v dv e c dv x k e xdx  ( 2.3) 0 0 c c k 0 k k k v Trong đó x c Γ là hàm gamma: 1  y e x x y 1dx, với y 1 ( 2.4) 0 k Nếu hệ số dạng bằng 2, thì phân bố Weibull còn đƣợc biết đến với tên gọi là phân bố Rayleigh. 1 k = 2,  2 Mối quan hệ giữa hệ số tỷ lệ c và vận tốc gió trung bình v theo phân bố Rayleigh 2 c v ( 2.5) Hàm mật độ xác suất của vận tốc gió theo phân bố Rayleigh (xem Hình 2.1) với vận tốc gió trung bình lần lƣợt 5.4m/s, 6.8m/s và 8.2m/s. HVTH: Lê Văn Khánh 2-10
19. Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc Hình 2.1 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh thể hiện vận tốc gió trung bình 5.4m/s (nét liền), 6.8m/s (nét đứt) và 8.2m/s (nét chấm) 2.1.3 Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor Năng lƣợng thực tế lấy đƣợc từ gió bởi cánh quạt tuabin chính bằng sự khác nhau giữa động năng tích trữ trong gió ở phía trƣớc cánh quạt và động năng của gió đằng sau cánh quạt. 1 P A v3C W  ( 2.6) R 2 r p Cp đƣợc gọi là hiệu suất của cánh quạt tuabin (hiệu suất rotor) đƣợc tính 1 C 1  1  2 ( 2.7) p 2 γ là tỷ số của tốc độ gió phía sau cánh quạt vd và tốc độ gió đi vào cánh quạt v v  d ( 2.8) v Để tìm hiệu suất rotor cực đại ta lấy đạo hàm (2.8) theo γ và tính đƣợc 1 Cp,max = 0.593 , ứng với giá trị  3 HVTH: Lê Văn Khánh 2-11
20. Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc Giá trị lý thuyết Cp,max chỉ ra rằng tuabin không thể lấy nhiều hơn 59.3% năng lƣợng từ gió, đây còn đƣợc biết đến nhƣ là giới hạn Betz (Albert Betz’s Law). Đƣờng cong hiệu suất rotor (xem Hình 2.2). Hình 2.2 Đường cong hiệu suất rotor lý thuyết Một thuận lợi của công thức lý thuyết (2.8) là chỉ ra giới hạn công suất có thể nhận đƣợc từ gió. Tuy nhiên, công thức này chƣa nêu ra đƣợc mối quan hệ giữa hiệu suất rotor với cấu trúc hình học của từng loại tuabin gió cụ thể, cũng nhƣ mối quan hệ giữa hiệu suất rotor với tốc độ quay của máy phát. Nhƣ vậy, nếu nhƣ rotor quay quá chậm thì gió sẽ dễ dàng đi xuyên qua mà không tác động nhiều lên cánh quạt. Ngƣợc lại, nếu rotor quay quá nhanh thì cánh quạt sẽ giống nhƣ một bức tƣờng chắn và vận tốc gió phía sau cánh quạt bằng không, hệ quả là hiệu suất rotor bằng không. Do đó, với một vận tốc gió cho trƣớc thì hiệu suất rotor còn phụ thuộc vào tốc độ máy phát (xem Hình 2.3). Hiệu suất rotor thƣờng đƣợc biểu diễn theo tỷ số λ (Tip - Speed - Ratio), đƣợc định nghĩa là tỷ số giữa vận tốc tiếp tuyến của đỉnh cánh quạt và vận tốc gió thổi theo hƣớng vuông góc với mặt phẳng quay của cánh quạt. HVTH: Lê Văn Khánh 2-12
21. Luận Văn Thạc Sĩ CBHD: PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc  R  T b ( 2.9) v T là tốc độ quay của turbin [rad /s ] và Rb là bán kính của cánh quạt gió [m]. Hình 2.3 Công suất đầu ra phụ thuộc vận tốc gió và tốc độ turbin Hình 2.4 Góc pitch của cánh quạt gió Trong thực tế, hiệu suất rotor không những phụ thuộc vào λ mà còn phụ thuộc vào góc pitch β[rad], vì vậy hầu hết các hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió có HVTH: Lê Văn Khánh 2-13