Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng đấu nối các nhà máy phát điện gió lên lưới điện Bình Thuận (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng đấu nối các nhà máy phát điện gió lên lưới điện Bình Thuận (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 NGUYỄN BẢO QUỐC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐẤU NỐI CÁC NHÀ MÁY PHÁT ĐIỆN GIĨ LÊN LƯỚI ĐIỆN BÌNH THUẬN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 0 4 1 2 3 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 NGUYỄN BẢO QUỐC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐẤU NỐI CÁC NHÀ MÁY PHÁT ĐIỆN GIĨ LÊN LƯỚI ĐIỆN BÌNH THUẬN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 GVHD : TS. NGUYỄN HỒNG VIỆT TP. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013
3. TĨM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ và tên : NGUYỄN BẢO QUỐC. Ngày sinh : 09/01/1981. Nơi Sinh : Bến Tre. Địa chỉ liên lạc : 76/01 Dƣơng Văn Cam - Phƣờng Linh Tây – Quận Thủ Đức – TP.HCM. Điện thoại : 0972246635. Email : quocnguyen87dkc@gmail.com. Quá trình học tập: - Từ năm 2005 - 2010: học đại học ngành Điện Khí Hố & Cung Cấp Điện tại trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. - Từ năm 2011-2013: học cao học ngành Thiết Bị Mạng & Nhà Máy Điện tại trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. Quá trình cơng tác: - Từ tháng 04 / 2010 đến nay: Cơng tác tại trƣờng Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao Thắng – 65 Huỳnh Thúc Kháng – Phƣờng Bến Nghé – Quận 1 – Tp. Hồ Chí Minh.
4. LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc cơng bố trong các cơng trình nghiên cứu khác. TP. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2013 (ký và ghi rõ họ tên) Nguyễn Bảo Quốc.
5. NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Thành phố Hồ Chí Minh, ngày . Tháng năm 2013 PGS. TS. Nguyễn Hồng Việt
6. MỤC LỤC CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1 1.1. Đặt vấn đề: 1 1.2. Các kết quả trong và ngồi nƣớc đã cơng bố: 2 1.3. Các vấn đề nghiên cứu của đề tài : 4 1.4. Mục tiêu và nhiệm vụ 6 1.5. Phƣơng pháp giải quyết 6 1.6. Giới hạn đề tài 6 1.7. Điểm mới của luận văn 6 1.8. Phạm vi ứng dụng 6 1.9. Bố cục của luận văn 7 CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN 8 2.1 Bối cảnh lịch sử phát triển : 8 2.2 Hiện tại phát triển của năng lƣợng giĩ trên thế giới. 100 2.2.1) Cái nhìn tổng quát về trạm phát năng lượng giĩ kết nối vào lưới điện. 100 2.2.2) Châu Âu 11 2.2.3) Bắc Mĩ 12 2.2.4) Nam và Trung Mĩ. 14 2.2.5) Châu Á và Thái Bình Dương 15 2.2.6 ) Trung Đơng và Châu Phi 16 2.3 Kĩ thuật hiện tại của turbine giĩ 16 CHƢƠNG 3 NĂNG LƢỢNG GIĨ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 19 3.1 Đặc tính của giĩ: 19 3.2 Tình hình phát triển điện giĩ ở Việt Nam: 22 3.2.1 ) Tìm năng năng lượng giĩ : 22 3.2.2 ) Các dự án giĩ hiện nay : 23 CHƢƠNG 4 KHẢO SÁT CÁC LOẠI MÁY PHÁT GIĨ VÀ CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CƠNG SUẤT TRONG TURBINES GIĨ 25 4.1 Các loại Tuabin giĩ: 25 4.1.1 ) Máy phát giĩ loại fixed-speed : 25 4.1.2 ) Máy pháy giĩ loại variable-speed : 26 4.1.3 )Tuabin giĩ vận tốc thay đổi dùng máy phát cảm ứng nguồn đơi 27 CHƢƠNG 5 XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG PSCAD VÀ NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CÁC ĐẦU NỐI PHÁT GIĨ. 29 5.1 Giới thiệu về mơ hình DFIG trong PSCAD : 29 5.2 Giới thiệu về mơ hình máy phát khơng đồng bộ rotor lịng sĩc trong PSCAD : 31 5.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng đấu nối các nhà máy phát giĩ trên lƣới điện : 33 5.3.1 ) Mơ hình đấu nối các nhà máy phát giĩ trên lưới điện Bình Thuận: 33 5.3.2 ) Sơ đồ mơ tả đấu nối lưới của các máy phát giĩ và các trạm biến áp trên lưới điện Bình Thuận 37
7. 5.3.3 ) Nghiên cứu ảnh hưởng đấu nối các nhà máy phát giĩ lên lưới điện Bình Thuận : 38 CHƢƠNG 6 KẾT LUẬN 117 6.1.Kết luận 117 6.2.Hƣớng phát triển đề tài 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117
8. MỤC LỤC HÌNH ẢNH Bảng 1.1: Sự phát triển của turbine giĩ trong 1985 – 2004. 2 Bảng 2.1 : Lịch sử turbine giĩ 8 Bảng 2.2: Hoạt động của các turbine giĩ loại cơng suất lớn. 9 Bảng2.3: Top 10 nước cĩ cơng suất lắp đặt tích lũy 10 Bảng 2.4: Top 10 nước cĩ cơng suất lắp đặt mới. 10 Bảng 2.5: Tổng cơng suất năng lượng giĩ lắp đặt trên tồn thế giới. 11 Bảng 2.6: Tổng cơng suất năng lượng giĩ lắp đặt ở Châu Âu. 11 Bảng 2.7: Tổng cơng suất năng lượng giĩ lắp đặt ở Châu Âu. 12 Bảng 2.8: Tổng cơng suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 – cuối năm 2006 13 Bảng 2.9: Tổng cơng suất lắp đặt ở Canada 13 Bảng 2.10: Tổng cơng suất lắp đặt ở Mỹ 14 Bảng 2.11: Tổng cơng suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 – cuối năm 2006 15 Bảng 2.12: Tổng cơng suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 – cuối năm 2006 15 Bảng 2.13: Tổng cơng suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 – cuối năm 2006 16 Bảng 2.14: Tổng cơng suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 – cuối năm 2006 16 Bảng 2.15 : Giá thành sản xuất ra 1 kWh của các nguồn năng lượng khác nhau 18 Hình 3.1 : Vận tốc giĩ khi qua cánh tuabin 20 Hình 3.2 : Hình vẽ thể hiện opt ứng với từng gĩc pitch-angle khác nhau. 21 Hình 3.3 : Biểu đồ thể hiện gĩc quay tối ưu với các hệ số λ khác nhau 22 Hình 4.1 : Dao động điện áp đầu ra khi đầu vào là vận tốc giĩ thay đổi với lạo máy phát fixed-speed 26 Hình 4.2 Cấu tạo cơ bản của loại fixed-speed 26
9. Hình 4.3 Điện áp đầu ra của máy phát khi đầu vào là vận tốc giĩ thay đổi khi sử dụng máy phát loại variable-speed 27 Hình 4.4 Tuabin giĩ vận tốc thay đồi với máy phát DFIG 28 Bảng 4.5 So sánh giữa các hệ thống tuabin giĩ 28 Hình 5.1 Sơ đồ máy phát mơ phỏng trong PSCAD 29 Hình 5.2 : mơ hình tuabin giĩ 29 Hình 5.3 : Xác định dịng điều khiển bên rotor 30 Hình 5.4 : Xác định vị trí của vector từ thơng 30 Hình 5.5 : Vị trí của rotor 30 Hình 5.6 : Xác định gĩc slip-angle 30 Hình 5.7: Sơ đồ đĩng cắt các khĩa IGBT của phương pháp điều khiển Hyteresis 31 Bảng 5.8 : Quy hoạch điện giĩ Bình Thuận 2015 34 Bảng 5.9 : Cơng suất lắp đặt tại các khu vực 35 Hình 5.10 : Sơ đồ lưới điện Bình Thuận và các nút đấu nối nhà máy phát giĩ 36 Hình 5.11 : Sơ đố đấu nối trạm biến áp 37 Hình 5.12 : Sơ đồ đấu nối một nút wind farm 37 Bảng 5.13 : Cơng suất từng cụm turbine 114 Hình 5.14 : Điện áp tại các nút 115 Hình 5.15 : Dịng phân bố cơng suất 116
10. CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1.1. Đặt vấn đề: Điện năng đĩng vai trị rất quan trọng đối với sản xuất sản phẩm hàng hĩa và cải thiện đời sống của con ngƣời. Chính vì vậy, nhà nƣớc luơn quan tâm tới sự phát triển của ngành điện, tạo điều kiện cho ngành điện trở thành một ngành cơng nghiệp mũi nhọn phục vụ sự nghiệp Cơng nghiệp hĩa – Hiện đại hĩa đất nƣớc. Xu hƣớng chuyển dịch từ hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc sang thị trƣờng điện cạnh tranh đã và đang diễn ra mạnh mẽ ở nhiều nƣớc trên thế giới. Thị trƣờng điện với cơ chế mở đã đem lại hiệu quả ở các nƣớc và cho thấy những ƣu điểm vƣợt trội hơn hẳn hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc truyền thống. Hệ thống điện khơng ngừng phát triển cả về số lƣợng, chất lƣợng và độ tin cậy. Các nguồn năng lƣợng điện đƣợc sử dụng ngày càng nhiều và phong phú : giĩ, năng lƣợng mặt trời, sĩng biển Năng lƣợng giĩ đƣợc sử dụng cách đây 3000 năm. Đến đầu thế kỉ 20, năng lƣợng giĩ đƣợc dùng để cung cấp năng lƣợng cơ học nhƣ bơm nƣớc hay xay ngũ cốc. Vào đầu kỉ nguyên cơng nghiệp hiện đại, nguồn năng lƣợng giĩ đƣợc sử dụng để thay thế năng lƣợng hĩa thạch hay hệ thống điện nhằm cung cấp nguồn năng lƣợng thích hợp hơn. Đầu những năm 1970, do khủng hoảng giá dầu, việc nghiên cứu năng lƣợng giĩ đƣợc quan tâm. Vào thời điểm này, mục tiêu chính là dùng năng lƣợng giĩ cung cấp năng lƣợng điện thay thế cho năng lƣợng cơ học. Việc này đã làm cho năng lƣợng giĩ trở thành nguồn năng lƣợng đáng tin cậy và thích hợp nhờ sử dụng nhiều kĩ thuật năng lƣợng khác – thơng qua mạng lƣới điện dùng nhƣ nguồn năng lƣợng dự phịng. Turbine giĩ đầu tiên dùng để phát điện đƣợc phát triển vào đầu thế kỉ 20. Kĩ thuật này đƣợc phát triển từng bƣớc một từ đầu những năm 1970. Cuối những năm 1990, năng lƣợng giĩ trở thành một trong những nguồn năng lƣợng quan trọng nhất. Trong những thập kỉ cuối của thế kỉ 20, tổng năng lƣợng giĩ trên tồn thế giới tăng xấp xỉ gấp đơi sau mỗi 3 năm. Chi phí điện từ năng lƣợng giĩ giảm xuống cịn 1/6 so với chi phí của đầu những năm 1980. Và xu hƣớng giảm này vẫn tiếp tục. Các chuyên NGUYỄN BẢO QUỐC Trang 1
11. gia dự đốn rằng tổng năng lƣợng tích lũy trên tồn thế giới hằng năm sẽ tăng khoảng 25% một năm và chi phí sẽ giảm khoảng 20% - 40%. Kĩ thuật năng lƣợng giĩ phát triển rất nhanh vể mọi mặt. Cuối năm 1989, việc chế tạo một turbine giĩ cơng suất 300 kW cĩ đƣờng kính rotor 30 m địi hỏi kĩ thuật tối tân. Nhƣng chỉ trong 10 năm sau đĩ, một turbine giĩ cơng suất 2000 kW cĩ đƣờng kính rotor vào khoảng 80 m đã đƣợc sản xuất đại trà. Tiếp theo đĩ dự án dùng turbine giĩ cơng suất 3 MW cĩ đƣờng kính rotor 90 m đƣợc lắp đặt vào cuối thế kỉ 20. Hiện tại, turbine giĩ cơng suất 3 – 3.6 MW đã đƣợc thƣơng mại hĩa. Bên cạnh đĩ, turbine giĩ cơng suất 4 – 5 MW đã đƣợc phát triển hay chuẩn bị kiểm tra trong một số dự án, và turbine giĩ cơng suất 6 – 7 MW đang đƣợc phát triển trong tƣơng lai gần. Bảng 1 cho ta cái nhìn về sự phát triển của turbine giĩ từ năm 1985 đến năm 2004. Năm Cơng suất (kW) Đƣờng kính rotor (m) 1985 50 15 1989 300 30 1992 500 37 1994 600 46 1998 1500 70 2003 3000 – 3600 90 – 104 2004 4500 – 5000 112 – 128 Bảng 1.1: Sự phát triển của turbine giĩ trong 1985 – 2004. Trên cơ sở những kết quả của các cơng trình nghiên cứu trƣớc đây về sự phát triển của năng lƣợng giĩ đã đạt đƣợc, đề tài đề xuất tên “Nghiên cứu ảnh hưởng đấu nối các nhà máy phát giĩ trên lưới điện Bình Thuận” nhằm nghiên cứu các ảnh hƣởng khi đấu nối các nhà máy phát giĩ đến lƣới điện truyền tải về cơng suất tác dụng, cơng suất phản kháng, điện áp nút khi vận hành ở chế độ bình thƣờng và chế độ sự cố để đánh giá khả năng và hiệu quả của việc đấu nối các nhà máy phát giĩ từ đĩ giảm đƣợc chi phí sản xuất điện năng , nâng cao hiệu quả truyền tải và hạn chế nhƣợc điểm của các cơng trình nghiên cứu trƣớc đây. 1.2. Các kết quả trong và ngồi nƣớc đã cơng bố: Hệ thống lƣới điện truyền tải quốc gia cơ bản đáp ứng đƣợc các yêu cầu truyền tải điện năng từ các nhà máy điện cho các phụ tải, đảm bảo cung cấp điện phục vụ cho nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội và nhằm giảm tổn thất điện năng do truyền tải. Tuy NGUYỄN BẢO QUỐC Trang 2
12. nhiên, hệ thống vẫn chƣa cĩ khả năng cung ứng dự phịng, việc nghiên cứu đƣa vào sử dụng các nguồn năng lƣợng mới là vấn đề cấp thiết đáp ứng nhu cầu điện cũng nhƣ năng lƣợng quốc gia. Chính vì điều đĩ, việc nghiên cứu tính tốn và thiết kế hệ thống nhà máy điện giĩ đĩng vai trị quan trọng trong việc phát triển hệ thống điện quốc gia. Hiện nay, nhà nƣớc ta cĩ nhiều cơng trình ủng hộ nghiên cứu phát triển điện giĩ, cụ thể là : Chƣơng trình dự án năng lƣợng giĩ GIZ “Tình hình phát triển điện giĩ và khả năng cung ứng tài chính cho các dự án ở Việt Nam”, Phan Thanh Tùng, Vũ Chi Mai , Angelika Wasielke 2012 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nƣớc , đề tài mã số : 59A.01.12 “Máy điện dị bộ nguồn kép dùng làm máy phát trong hệ thống phát điện chạy sức giĩ: Các thuật tốn điều chỉnh bảo đảm phân ly giữa mơmen và hệ số cơng suất “ , Nguyễn Phùng Quang , 1998 Dự án hợp tác Quỹ bảo vệ mơi trƣờng Việt Nam và Hội đồng kỹ thuật điện quốc tế ( IEC ) “European Wind Energy Association – EWEA “, Viện KHCN Mơi Trƣờng , 02 / 2012 Hiện tại, tại các quốc gia phát triển và các trƣờng Đại học lớn trên thế giới cũng bắt tay vào nghiên cứu đấu nối vận hành các nhà máy phát giĩ lên lƣới điện truyền tải, tối ƣu hĩa các luồn phân bố cơng suất nâng cao hiệu quả truyền tải, giảm chi phí, sử dụng nhƣ nguồn năng lƣợng dự phịng sạch. Cụ thể là: Transient Analysis of Grid-Connected Wind Turbines with DFIG After an External Short-Circuit Fault, Tao Sun, Z Chen, Frede Blaabjerg, NORDIC WIND POWER CONFERENCE, 1-2 MARCH, 2004, CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY. . Renewable and Efficient Electric Power Systems, Gilbert M. Masters, Stanford University; Wiley. Control and Stability Analysis of a Doubly Fed Induction Generator Toufik Bouaouiche, Mohamed Machmoum IREENA-LARGE, Saint Nazaire cedex, France Novel Power Electronics Systems for Wind Energy Application : Final Report; Erickson, Al-Naseem, University of Colorado NGUYỄN BẢO QUỐC Trang 3
13. Bằng phƣơng pháp đo đạc, chúng ta đã lập đƣợc biểu đồ quang khí hậu tại nhiều vùng của Việt Nam. Bản đồ quang khí hậu mà cụ thể là tốc độ giĩ sẽ cho cái nhìn chính xác hơn về điều kiện phát điện bằng năng lƣợng giĩ. Với sự trợ giúp ngày càng nhiều và càng mạnh của máy tính, các chƣơng trình tính tốn đƣợc viết để mơ hình hĩa và mơ phỏng cơng trình với các điều kiện địa lý, tự nhiên, khí hậu, vật liệu và kỹ thuật thiết bị. Nhờ đĩ, càng cĩ thể đƣa thêm nhiều ràng buộc đầu vào trong bài tốn năng lƣợng giĩ, nhờ đĩ cĩ thể đƣa ra đƣợc những dự báo chính xác hơn. 1.3. Các vấn đề nghiên cứu của đề tài : Tính cấp thiết của đề tài Trong thực tiễn, hệ thống điện giĩ của Việt Nam đƣợc thiết kế và xây dựng dựa trên Quy định tiêu chuẩn Việt Nam về hệ thống điện giĩ nhƣ sau: Quyết định 1208/2011/QĐ-TTg ban hành ngày 21 tháng 7 năm 2011 về phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 cĩ xét đến năm 2030. Quyết định của Thủ tƣớng Chính phủ số 26/2006/QĐ-TTg3 ban hành 26 tháng 01 năm 2006, phê duyệt lộ trình, các điều kiện hình thành và phát triển các cấp độ thị trƣờng điện lực Quyết định 24/2011/QĐ-TTg của Thủ tƣớng Chính phủ về điều chỉnh giá bán điện theo cơ chế thị trƣờng Quyết định 37/2011/QĐ-TTg về cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện giĩ tại Việt Nam. Quyết định 18/2008/QĐ-BCT về biểu giá chi phí tránh đƣợc và Hợp đồng mua bán điện mẫu áp dụng cho các nhà máy điện nhỏ sử dụng năng lƣợng tái tạo Do đặc thù tính khơng ổn định của giĩ tự nhiên nên khi tính tốn thiết kế hệ thống điện giĩ, ngƣời ta phải tận dụng một số thiết bị điện tử cơng suất trong hệ thống NGUYỄN BẢO QUỐC Trang 4
14. . Tuy nhiên, giĩ tự nhiên cĩ những ƣu điểm nhƣ tính kinh tế cao nên thƣờng đƣợc yêu cầu xem xét trong thiết kế hệ thống cung cấp điện cho khu vực nhỏ khơng nối lƣới Mặc dù cơ cấu điện năng sản xuất từ giĩ cung cấp cho hệ thống điện chỉ chiếm từ 2% đến 5% tổng nhu cầu điện năng của hệ thống điện. Tuy nhiên, việc tận dụng năng lƣợng điện giĩ đƣợc dự tính cĩ thể thay thế lƣới điện quốc gia để cung cấp điện cho các khu vực nhƣ đảo, vung đồng bằng cửa sơng hoặc gần biển. Điều này sẽ đem lại một tiềm năng tiết kiệm năng lƣợng lớn trong hệ thống điện so với giải pháp sử dụng các nguồn năng lƣợng hĩa thạch. Việc dự đốn một mạng điện giĩ tối ƣu đem lại kết quả thực tiễn cho các giải pháp về cung cấp điện cũng nhƣ hệ thống truyền tải và phân phối điện năng. Kết quả của việc nghiên cứu này giúp thiết kế những hệ thống điện giĩ nối lƣới phù hợp thực tế dễ vận hành mang lai hiệu quả về cả tính kỹ thuật và kinh tế. Ý nghĩa luận Việc đƣa thêm vào sủ dụng nguồn năng lƣợng điện giĩ giúp ta từng bƣớc cân bằng lại nguồn năng lƣợng cung ứng cho hệ thống điện. Rõ ràng năng lƣợng giĩ là nguồn năng lƣợng tự nhiên và vơ tận việc tận dụng một cách hiệu quả nguồn năng lƣợng này vào hệ thống điện quốc gia sẽ mang lai rất nhiếu lợi ích kinh tế đi kém là các giải pháp tiết kiệm năng lƣợng. Nếu biết rõ đặc tính của năng lƣợng giĩ và các thiết bị phát điện bằng năng lƣợng giĩ khi đƣa vào đấu nối các nhà máy điện giĩ sẽ giúp việc vận hành dễ dàng hơn và hiệu quả sẽ tăng cao. Tuy nhiên, chúng ta cần cĩ những tính tốn cụ thể, những thí nghiệm gần với thực tế để vửa đảm bảo chất lƣợng điện năng cũng nhƣ hiệu quả kinh tế khi đấu nối các nhà máy phát giĩ. Tính thực tiễn của đề tài Hiện nay, nguồn năng lƣợng chính cung cấp cho hệ thống điện vẫn là thủy điện, nhiệt điện và phải nhập khẩu từ nƣớc ngồi, cho nên việc nghiên cứu đƣa vào sử dụng nguồn năng lƣợng điện giĩ là hết sức cần thiết và thực tế. Ngồi ra, nƣớc ta cĩ tiềm năng lơn về nguồn năng lƣợng giĩ, đồng thời đƣợc sự hỗ trợ giúp đỡ từ chính phủ, các tổ chức năng lƣợng điện giĩ, sẽ giúp ta cĩ cơ sở để huy hoạch phát triển, đầu tƣ xây dựng các hệ thống điện giĩ ở các vùng cĩ tiềm năng về giĩ tại Việt Nam. NGUYỄN BẢO QUỐC Trang 5
15. Do đĩ, việc nghiên cứu ảnh hƣởng của việc đấu nối các nhà may phát giĩ tai vung cĩ tiềm năng lớn nhƣ Bình thuận sẽ giúp ta cĩ cái nhien chính xác hơn và những đành giá về khả năng đầu tƣ xây dƣng và hịa lƣới điện quốc gia với các dự án điện giĩ. 1.4. Mục tiêu và nhiệm vụ  Tìm hiểu các loại máy phát giĩ  Trình bày nguyên lý hoạt động và điều khiển của máy phát giĩ rotor lịng sĩc và DFIG (Doubly-Fed Induction Generator)  Giải quyết bài tốn vận hành khi đấu nối các nhà máy phát giĩ lên lƣới điện o Vận hành chế độ bình thƣờng o Vận hành chế độ sự cố  Đánh giá khả năng và hiệu quả các nhà máy phát giĩ khi đấu nối vận hành 1.5. Phƣơng pháp giải quyết - Giải tích và mơ phỏng tốn học. - Ứng dụng phần mềm PSCAD. 1.6. Giới hạn đề tài  Chỉ xét đến hƣớng vận hành các nhà máy phát giĩ trên lƣới truyền tải, khơng xét đến cấu tạo và nguyên lý điều khiển của các nhà máy phát giĩ. 1.7. Điểm mới của luận văn - Xây dựng mơ hình nghiên cứu các ảnh hƣởng của các nhà máy phát giĩ lên lƣới điện cĩ thơng số điện lực thực tế. - Xét đến các trƣờng hợp bình thƣờng và sự cố để đánh giá khả năng đấu nối các nhà máy phát giĩ. 1.8. Phạm vi ứng dụng - Ứng dụng cho các mơ hình hay lƣới điện bất kỳ. - Ứng dụng cho các lƣới điện IEEE mẫu. - Ứng dụng cho lƣới điện 500KV , 200KV Việt Nam tính đến năm 2012. NGUYỄN BẢO QUỐC Trang 6
16. - Làm tài liệu tham khảo khi vận hành lƣới điện cĩ đấu nối các nhà máy phát giĩ. - Làm tài liệu tham khảo cho bài giảng mơn học cung cấp điện. 1.9. Bố cục của luận văn Chƣơng 1: Giới thiệu luận văn. Chƣơng 2: Tổng quan. Chƣơng 3: Năng lƣợng giĩ trong hệ thống điện. Chƣơng 4: Khảo sát các loại máy phát giĩ và các bộ điện tử cơng suất trong turbines giĩ. Chƣơng 5: Xây dƣng mơ hình mơ phỏng PSCAD và nghiên cứu các ảnh hƣởng đấu nối các nhà máy phát giĩ Chƣơng 6: Kết luận. NGUYỄN BẢO QUỐC Trang 7
17. CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1 Bối cảnh lịch sử phát triển : Trong năm 1891, Dane Poul LaCour đã chế tạo turbine giĩ đầu tiên phát ra điện. Các kĩ sƣ Đan Mạch đã phát triển kĩ thuật để bổ sung năng lƣợng thiếu trong chiến tranh thế giới thứ nhất và thứ hai. Turbine giĩ của cơng ty Đan Mạch F. L. Smidth chế tạo trong năm 1941 – 1942 cĩ thể đƣợc xem là nguyên mẫu đầu tiên của turbine giĩ phát điện ngày nay. Turbine giĩ Smidth đầu tiên sử dụng cánh máy bay dựa trên kĩ thuật tiên tiến của ngành máy bay cùng thời. Vào cùng thời điểm đĩ, một ngƣời Mĩ Palmer Putnam đã chế tạo turbine giĩ khổng lồ cho cơng ty Mĩ Morgan Smith Co., cĩ đƣờng kính 53 m. Turbine giĩ này khơng chỉ khác ở kích thƣớc to lớn mà kĩ thuật chế tạo cũng khác biệt. Kĩ thuật của ngƣời Đan Mạch cơ bản dựa trên cánh quạt theo chiều giĩ đang thổi với sự điều khiển ngừng quay, hoạt động ở tốc độ chậm. Kĩ thuật của Putnam cơ bản dựa trên cánh quạt theo hƣớng giĩ thổi với bộ điều chỉnh tốc độ. Tuy nhiên turbine giĩ của Putnam vẫn chƣa thành cơng. Nĩ đƣợc dỡ bỏ vào năm 1945. Bảng 2 sẽ cho ta cái nhìn tổng quát về lịch sử của turbine giĩ. Turbine và Đƣờng Diện tich Cơng Cơng Số Chiều Ngày nƣớc sản xuất kính quét (m2) suất suất cánh cao ra (m) (kW) riêng quạt tháp đời (kW/m2) (m) Poul LaCour, 23 408 18 0.04 4 ¾ 1891 Đan Mạch Smith – 53 2231 1250 0.56 2 34 1941 Putnam, USA F. L. Smidth, 17 237 50 0.21 3 24 1941 Đan Mạch F. L. Smidth, 24 456 70 0.15 3 24 1942 Đan Mạch Gedser, Đan 24 452 200 0.44 3 25 1957 Mạch Hutter, Đức 34 908 100 0.11 2 22 1958 Bảng 2.1 : Lịch sử turbine giĩ Sau chiến tranh thế giới thứ hai, ở Đan Mạch Johannes Juul cải tiến kĩ thuật thiết kế của ngƣời Đan Mạch. Turbine giĩ của anh ta, đƣợc đặt ở Gedser – Đan Mạch, NGUYỄN BẢO QUỐC Trang 8
18. phát 2.2 triệu kWh từ năm 1956 và 1967. Vào cùng thời điểm đĩ, gia đình German Hutter đã phát triển một kĩ thuật thiết kế mới. Turbine giĩ gồm 2 cánh mỏng bằng nhựa đĩn theo hƣớng giĩ thổi của tháp trên trục quay. Turbine giĩ này nổi tiếng về hiệu suất cao. Trái lại sự thành cơng của turbine giĩ Juul và Huuter, việc nghiên cứu turbine giĩ cơng suất lớn bị ngƣng sau chiến tranh thế giới thứ hai. Chỉ cĩ loại turbine giĩ cơng suất nhỏ cho hệ thống cơng suất ở vùng sâu vùng xa hay sạc pin là cịn đƣợc quan tâm. Việc khủng hoảng giá dầu đầu những năm 1970, năng lƣợng giĩ mới đƣợc quan tâm trở lại. Kết quả là tài chính hỗ trợ cho nghiên cứu và phát triển năng lƣợng giĩ đã đƣợc đầu tƣ. Các nƣớc nhƣ Đức, Mĩ và Thụy Điển đã nghiên cứu phiên bản turbine giĩ cơng suất lớn (vào khoảng megawatt). Tuy nhiên, nhiều phiên bản này (xem bảng 1.3) đã khơng đáp ứng đƣợc mong đợi vì nhiều vấn đề kĩ thuật. Turbine và nƣớc Đƣờng Diện tich Cơng Giờ Cơng suất Thời gian sản xuất kính quét (m2) suất hoạt đã phát hoạt động (m) (MW) động (GWh) Mod – 1, USA 60 2827 2 ¾ ¾ 1979 – 83 Growian, Đức 100 7854 3 420 ¾ 1981 – 87 Smith – Putnam, 53 2236 1.25 695 0.2 1941 – 45 USA WTS – 4, USA 78 4778 4 7200 16 1982 – 94 Nibe A, Đan Mạch 40 1257 0.63 8414 2 1979 – 93 WEG LS – 1, GB 60 2827 3 8441 6 1987 – 82 Mod – 2, USA 91 6504 2.5 8658 15 1982 – 88 Nasudden I, Thụy 75 4418 2 11400 13 1983 – 88 Điển Mod – OA, USA 38 1141 0.2 13045 1 1977 – 82 Tjỉreborg, Đan 61 2922 2 14175 10 1988 – 93 Mạch École, Canada 64 4000 3.6 19000 12 1987 – 93 Mod – 5B, USA 98 7466 3.2 20561 27 1987 – 92 Maglarp WTS – 3, 78 4778 3 26159 34 1982 – 92 Thụy Điển Nibe B, Đan Mạch 40 1257 0.63 29400 8 1980 – 93 Tvind, Đan Mạch 54 2290 2 50000 14 1978 – 93 Bảng 2.2: Hoạt động của các turbine giĩ loại cơng suất lớn. NGUYỄN BẢO QUỐC Trang 9
19. 2.2 Thực tại phát triển của năng lƣợng giĩ trên thế giới. Mục tiếp theo sẽ giới thiệu cái nhìn tổng quát về hiện tại phát triển của năng lƣợng giĩ trên tồn thế giới vào cuối thế kỉ 20. Xa hơn chúng ta sẽ tìm hiểu những mơ hình hỗ trợ năng lƣợng giĩ. Cái nhìn tổng quát đƣợc chia thành hai phần:  Máy phát năng lƣợng giĩ kết nối vào lƣới điện.  Hệ thống độc lập. 2.2.1) Cái nhìn tổng quát về trạm phát năng lượng giĩ kết nối vào lưới điện. Năng lƣợng giĩ là nguồn năng lƣợng cĩ kĩ thuật phát triển nhanh nhất vào những năm 1990 khi xét về tỉ lệ phần trăm sự phát triển cơng suất lắp đặt so với nguồn kĩ thuật. Tuy nhiên, sự phát triển của nguồn năng lƣợng giĩ khơng phân phối đều trên tồn thế giới (dựa theo bảng để thấy rõ sự chênh lệch). Bảng2.3: Top 10 nước cĩ cơng suất lắp đặt tích lũy Bảng 2.4: Top 10 nước cĩ cơng suất lắp đặt mới. NGUYỄN BẢO QUỐC Trang 10
20. 2.2.2) Châu Âu Giữa cuối năm 1995 và cuối năm 2003, khoảng 76% trạm phát năng lƣợng giĩ mới kết nối vào mạng lƣới điện trên thế giới đƣợc lắp đặt ở Châu Âu (theo bảng 6). Đất nƣớc cĩ cơng suất giĩ lắp đặt lớn nhất ở Châu Âu là Đức, Đan Mạch, Tây Ban Nha (theo bảng 7). Bảng 2.5: Tổng cơng suất năng lượng giĩ lắp đặt trên tồn thế giới. Bảng 2.6: Tổng cơng suất năng lượng giĩ lắp đặt ở Châu Âu. NGUYỄN BẢO QUỐC Trang 11
21. Bảng 2.7: Tổng cơng suất năng lượng giĩ lắp đặt ở Châu Âu. Ở những nƣớc cĩ tổng cơng suất giĩ lớn, yếu tố chính trong sự phát triển cùa năng lƣợng giĩ đƣợc gọi là thuế nuơi cố định cho năng lƣợng giĩ. Loại thuế nuơi cố định nhƣ vậy đƣợc định nghĩa bởi chính phủ nhƣ là giá mua năng lƣợng mà sự phân phối địa phƣơng hay cơng ty truyền tải phải trả cho sự sản sinh năng lƣợng tái tạo đƣợc đƣa vào hệ thống mạng. Thuế nuơi cố định điều chỉnh gây nguy hiểm tài chính cho nhà đầu tƣ năng lƣợng giĩ khi giá mua năng lƣợng là một giá cơ bản cố định trong khoảng tối thiểu 10 đến 15 năm. Ví dụ, ở Đức, cơ quan năng lƣợng mới (EEG – Renewable Energy Sources Act) xác định giá mua (thuế nuơi cố định) cho năng lƣợng giĩ lắp đặt trong năm 2004 nhƣ sau: 8.8 eurocents cho 1 kWh trong 5 năm đầu tiên và 5.9 eurocents cho 1 kWh trong những năm tiếp theo. Hiện tại chính phủ Đức đang làm việc để thay đổi EEG và giá mua năng lƣợng 2.2.3) Bắc Mĩ Năm 1998 bƣớc ngoặt thứ hai đƣợc bắt đầu ở Mĩ. Thời điểm này, các nhà phát triển dự án giĩ đã lắp đặt các dự án truớc khi Quỹ thuế sản phẩm liên bang (PTC – Production Tax Credit) hết hiệu lực trong ngày 30 – 5 – 1999. PTC đã thêm 0.016 - 0.017 $ cho 1 kWh vào các dự án năng lƣợng giĩ trong 10 năm đầu tiên của tuổi thọ NGUYỄN BẢO QUỐC Trang 12