Luận văn Nghiên cứu ổn định điện áp trong lưới điện phân phối có kết nối nguồn điện gió (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu ổn định điện áp trong lưới điện phân phối có kết nối nguồn điện gió (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 TRỊNH QUỐC TOẢN NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ KẾT NỐI NGUỒN ĐIỆN GiÓ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250 S K C0 0 4 1 6 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRỊNH QUỐC TOẢN NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ KẾT NỐI NGUỒN ĐIỆN GIÓ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2014
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRỊNH QUỐC TOẢN NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ KẾT NỐI NGUỒN ĐIỆN GIÓ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250 Hướng dẫn khoa học: TS VÕ VIẾT CƯỜNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2014
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Trịnh Quốc Toản Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 14 – 08 – 1984 Nơi sinh: Cà Mau Quê quán: Cà Mau Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 146 Nguyễn Việt Khái, khóm 3 thị trấn Cái Nước huyện Cái Nước, tỉnh Cà Mau. Điện thoại : 0918868477 E-mail: tqtoan14@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học phổ thông: Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo từ 2000 đến 2002 Nơi học (trường, thành phố): Trường THPT Cái Nước huyện Cái Nước tỉnh Cà Mau 2. Đại học: Hệ đào tạo: không chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2003 đến 10/2008. Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM Ngành học: Điện công nghiệp Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế cung cấp điện cho nhà máy thuốc lá VINASA Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 7/2008 tại Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM. Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Hữu Phúc. III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Công ty TNHH xây dựng tổng 2010 - nay Nhân viên kỹ thuật hợp Năm Quân Cà Mau
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 07 năm 2014 Trịnh Quốc Toản
6. LỜI CẢM TẠ Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và tốt đẹp nhất đến: Thầy Võ Viết Cường, người đã tận tâm, nhiệt tình hướng dẫn và cung cấp tài liệu cho em trong suốt thời gian làm luận văn. Quý Thầy Cô khoa Điện – Điện tử trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM đã tận tình chỉ bảo và truyền thụ cho em những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian 2 năm theo học tại Trường. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 07 năm 2014 Trịnh Quốc Toản
7. TÓM TẮT Hiện nay có rất nhiều nguồn điện gió (WP) sử dụng máy điện không đồng bộ (KĐB) đang kết nối vào lưới điện phân phối (LĐPP). Các máy điện này thường không phát công suất phản kháng (thậm chí tiêu thụ công suất phản kháng), cho nên chúng gây ảnh hưởng chung đến ổn định điện áp toàn lưới, đồng thời có thể gây mất ổn định tại chính bản thân nó bởi không còn cân bằng mômen làm việc. Luận văn này trình bày một phương pháp nghiên cứu quan hệ giữa công suất tác dụng và điện áp tại điểm kết nối nguồn điện gió, từ đó xác định được giới hạn điện áp. Trước hết, luận văn sẽ xây dựng mô hình máy điện KĐB, sau đó xây dựng công cụ phân tích ổn định điện áp tại nút kết nối. ABSTRACT Currently there are a lot of wind power using asynchronous machine are connected to the distribution grid. This machines is usually not found interest by reactive power (even reactive power consumption), so they generally affect to the entire grid voltage stability, and can cause instability in itself it is no longer balanced by the torque to work. This thesis presents a method to study the relationship between the active power and voltage at the connection point of wind power to determines the voltage limit. First, the thesis will build asynchronous machine model, then build voltage stability analysis tool at the connection point.
8. DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ CÁC HÌNH Danh mục các bảng - Bảng 3.1. Thông số máy phát và máy biến áp - Bảng 3.2. Kết quả tính toán PBCS và trị số giới hạn ổn định điện áp khi UTH = 1 pu - Bảng 3.3. Kết quả tính toán PBCS và trị số giới hạn ổn định điện áp khi UTH = 0.95 pu - Bảng 3.4. Thông số giới hạn nút kết nối WT trong chế độ cơ bản, vận tốc gió 15 m/s - Bảng 3.5. Giá trị công suất, điện áp của nút kết nối khi vận tốc gió 15 m/s - Bảng 3.6 .Thông số giới hạn nút kết nối WT trong chế độ cơ bản, vận tốc gió 10 m/s - Bảng 3.7. Giá trị công suất, điện áp của nút kết nối khi vận tốc gió 10 m/s - Bảng 3.8 .Thông số giới hạn tại nút kết nối khi điện áp suy giảm - Bảng 3.9. Giá trị công suất, điện áp tại nút kết nối khi điện áp suy giảm - Bảng 3.10. Thông số giới hạn tại nút kết nối khi có tụ bù - Bảng 3.11.Giá trị công suất, điện áp tại nút kết nối khi có tụ bù - Bảng 3.12. Thông số giới hạn tại nút kết nối khi có OLTC - Bảng 3.13. Giá trị công suất, điện áp tại nút kết nối khi có OLTC - Bảng 4.1. Thông số máy phát, đường dây 22 kV khu vực kết nối WP Ninh Thuận - Bảng 4.2. Thông số giới hạn tại nút kết nối trong trường hợp cơ bản với IM - Bảng 4.3. Kết quả xác định đặc tính PU trong trường hợp cơ bản với IM - Bảng 4.4. Thông số giới hạn tại nút kết nối IM khi đặt thiết bị bù - Bảng 4.5. Kết quả xác định đặc tính PU với IM khi có thiết bị bù - Bảng 4.6. Thông số giới hạn tại nút kết nối DFIM - Bảng 4.7. Kết quả xác định đặc tính PU với DFIM - Bảng 4.8 .Thông số giới hạn tại nút kết nối với DFIM khi điện áp nút kết nối suy giảm - Bảng 4.9. Kết quả xác định đặc tính PU với DFIM khi điện áp nút kết nối suy giảm Danh mục các hình - Hình 1.1. Sơ đồ khối của tuabin gió - Hình 1.2. Cấu tạo cơ bản của tuabin gió trục đứng và trục ngang - Hình 1.3. Sơ đồ lưới điện phân phối có kết nối nguồn điện phân tán - Hình 2.1. Sơ đồ thay thế động cơ và quan hệ Pm(s) - Hình 2.2 đặc điểm sơ đồ lưới điện trung áp - Hình 2.3. Hệ thống điện có các máy phát đồng bộ công suất nhỏ - Hình 2.4a. Máy điện KĐB rôto lồng sóc - Hình 2.4b. Máy điện KĐB rôto dây quấn - Hình 2.5 Mạch điện thay thế máy điện roto lồng sóc
9. - hình 2.6 quan hệ momen và hệ số trược của máy điện KĐB - Hình 2.7. Mạch điện tương đương máy điện không đồng bộ - Hình 2.8. Mô hình và mạch điện tương đương máy điện - Hình 2.9. Đặc tính mômen - tốc độ và phân bố công suất trong máy điện DFIM - Hình 2.10. Sơ đồ tương đương hình T và sơ đồ đơn giản của DFIM - Hình 2.11. Mô hình mạng 2 cửa tương đương của DFIM - Hình 2.12. Sơ đồ lưới điện phân phối kết nối tuabin gió KĐB - Hình 3.1. Mô hình xây dựng tiêu chuẩn ổn định cho máy điện KĐB kết nối LĐPP. - Hình 3.2. Đặc tính mômen theo hệ số trượt của máy điện KĐB tuabin gió - Hình 3.3. Tiêu chuẩn thực dụng phân tích ổn định - Hình 3.4. Quan hệ điện áp theo hệ số trượt của WP - Hình 3.5 đặc tính công suất của tuabin gió 1.3 MW - Hình 3.6. Quan hệ công suất tác dụng và phản kháng của tuabin gió trong CĐXL - Hình 3.7. Sơ đồ hệ thống điện đơn giản - Hình 3.8 đặc tính PU nút tải khi cos 2 = 1 - Hình 3.9. Đồ thị quan hệ PTUT với cosφ2 - Hình 3.10. Sơ đồ LĐPP kết nối máy điện KĐB (a) và mô hình tương đương (b) - Hình 3.11 biểu đồ pha điện áp - Hình 3.12 biểu đồ vectơ mặt phẳng công suất - Hình 3.13. Mô hình khảo sát giới hạn ổn định điện áp nút có WP trong LĐPP - Hình 3.14. Mô hình nghiên cứu ổn định điện áp có xét đến OLTC và thiết bị bù - Hình 3.15. Đặc tính PU nút kết nối trong khi tốc độ gió thay đổi - Hình 3.16. Đặc tính PU nút kết nối khi điện áp suy giảm - Hình 3.17. Đặc tính PU nút kết nối khi có tụ bù - Hình 3.18 đặt tính PU nút kết nối có OLTC - Hình 4.1. Sơ đồ lưới điện Ninh Thuận năm 2015 kết nối WP - Hình 4.2. Cấu trúc nguồn điện gió Phước Ninh 20 MW và đặc tính công suất máy điện KĐB rôto lồng sóc công suất 2MW - Hình 4.3. Sơ đồ tương đương lưới điện Ninh Thuận - Hình 4.4. Đặc tính PU nút kết nối WP trong trường hợp cơ bản
10. - Hình 4.5. Đặc tính PU nút kết nối WP khi có thiết bị bù - Hình 4.6 tổng hợp các phương án tính toán ổn định tại nút kết nối WP Ninh Thuận - Hình 4.7. Đặc tính PU tại nút kết nối với DFIM - Hình 4.8. So sánh đặc tính PU giữa IM và DFIM - Hình 4.9. Đặc tính PU nút kết nối DFIM và IM khi điện áp suy giảm
11. MỤC LỤC Trang Chương 0: Mở Đầu i 1. Mục đích và lý do chọn đề tài i 2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu i 3. Mục đích của luận văn ii 4. Cấu trúc của luận văn iii Chương 1: Tổng Quan Về Nguồn Điện Gió Và Ảnh Hưởng Của Nó Đến Chế Độ Vận Hành Lưới Điện Phân Phối 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Các kiểu tuabin gió 3 1.2.1 Cấu tạo chung 3 1.2.2 Tuabin gió trục đứng và trục ngang 4 1.3 Các loại máy phát điện dùng trong tuabin gió 5 1.4 Ảnh hưởng của WP đến chế độ vận hành LĐPP 6 1.4.1 Bài toán đánh giá ảnh hưởng của WP đến chất lượng điện năng LĐPP 6 1.4.2. Bài toán đảm bảo chất lượng điện áp và ổn định điện áp của LĐPP có WP 7 1.5 Nội dung nghiên cứu của luận văn 9 Chương 2: Nghiên Cứu Ổn Định Điện Áp Trong LĐPP Có Kết Nối WP 11 2.1 Đặt vấn đề 11 2.2 Các bài toán phân tích ổn định điện áp khi có kết nối WP 11 2.2.1 Ổn định điện áp nút có động cơ không đồng bộ 11 2.2.2. Ổn định điện áp nút phụ tải tổng hợp 13 2.2.3. Ổn định điện áp nút có các máy phát đồng bộ công suất nhỏ 13 2.2.4. Ổn định điện áp nút có các máy điện không đồng bộ (KĐB) 15 2.2.5. Nhận xét chung 16 2.3 Mô hình máy điện không đồng bộ tuabin gió 16 2.3.1 Giới thiệu 16 2.3.2. Mô hình máy điện không đồng bộ tuabin gió loại rôto lồng sóc 16 2.3.3. Mô hình máy điện không đồng bộ tuabin gió loại nguồn kép (DFIM) 19 2.3.4. Nhận xét 22 2.3.5. Bài toán tìm điều kiện đầu và PBCS trong LĐPP có WP sử dụng máy điện không đồng bộ 22 Chương 3: Nghiên Cứu Các Tiêu Chuẩn, Phương Pháp Đánh Giá Giới Hạn Ổn Định Điện Áp Nút Kết Nối WP Không Đồng Bộ 26
12. 3.1 Quá trình vật lý hiện tượng mất ổn định điện áp của máy điện KĐB 26 3.1.1 Tiêu chuẩn ổn định 26 3.1.2. Xác định giới hạn ổn định điện áp của máy điện KĐB theo tiêu chuẩn thực dụng 30 3.1.3. Hiện tượng sụp đổ điện áp 31 3.2. Ví dụ minh họa 32 3.3. Các phương pháp đánh giá ổn định điện áp nút theo những kịch bản khác nhau khi có WP. 36 3.3.1. Các phương pháp phân tích ổn định điện áp nút 36 3.3.2. Phương pháp phân tích giá trị riêng 36 3.3.3. Phương pháp phân tích ổn định điện áp theo đặc tính công suất - điện áp (đặc tính PU) 38 3.3.4. Nhận xét về khả năng ứng dụng 41 3.4. phương pháp xác định giới hạn ổn định điện áp tại nút kết nối WP không đồng bộ trong LĐPP theo đặc tính PU 42 3.4.1. Nội dung phương pháp 42 3.4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng MBA điều chỉnh dưới tải (OLTC) và thiết bị bù công suất phản kháng đến các giới hạn ổn định điện áp nút kết nối WP không đồng bộ 46 3.4.3. Ứng dụng tính toán 48 3.4.4 Nhận xét chung 53 Chương 4: Phân Tích Ổn Định Điện Áp Lưới Điện Phân Phối Ở Việt Nam Có Kết Nối Nguồn Điện Gió 54 4.1 Đặt vấn đề 54 4.2. Phân tích ổn đinh điện áp lưới điện Ninh Thuận 2015 có kết nối nguồn điện gió (WP) 54 4.2.1. Đặc điểm hiện trạng lưới điện Ninh Thuận 54 4.2.2. Phân tích ổn định điện áp nút kết nối WP với máy điện IM 56 4.2.2.1. Xác định điều kiện đầu 56 4.2.2.2. Kết quả phân tích ổn định nút kết nối bằng đặc tính PU 57 4.2.3. Phân tích ổn định điện áp nút kết nối WP với máy điện DFIM 59 4.2.3.1. Đặc tính ổn định điện áp của WP khi điện áp đặt bằng điện áp danh định 59 4.2.3.2. Đặc tính ổn định điện áp của WP khi điện áp đặt vào máy phát suy giảm 60 4.2.3.3. Nhận xét chung 62
13. 4.3. Kết luận chương 4 62 Chương 5: Kết Luận 64 Tài Liệu Tham Khảo 66
14. DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT CLDA: Chất lượng điện áp CCĐ: Cung cấp điện CĐXL: Chế độ xác lập IM (Induction Machine): Máy điện không đồng bộ tốc độ cố định DFIM (Doubly Fed Induction Machine): máy điện không đồng bộ nguồn kép HTĐ: Hệ thống điện KĐB: Không đồng bộ Kdt: Hệ số dự trữ LĐPP: Lưới điện phân phối Mgh: Mômen giới hạn Pgh: Công suất giới hạn PU: Đường đặc tính ổn định điện áp công suất tác dụng - điện áp QU: Đường đặc tính ổn định điện áp công suất phản kháng - điện áp s: Hệ số trượt sgh: Hệ số trượt giới hạn Ugh: Điện áp giới hạn WP (Wind power): nguồn điện gió WT (Wind turbine): tuabin gió XH: Điện kháng tính từ nút kết nối WP đến nút hệ thống
15. Chương 0: Mở đầu GVHD: TS. Võ Viết Cường CHƯƠNG 0 MỞ ĐẦU 1. MỤC ĐÍCH VÀ LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Các lưới điện phân phối (LĐPP) ở nước ta đang trong quá trình cải tạo, đầu tư và phát triển mạnh mẽ. Khối lượng các đường dây tải điện, các trạm biến áp và các nguồn điện công suất nhỏ kết nối với LĐPP đang gia tăng một cách nhanh chóng để đáp ứng nhu cầu của phụ tải. Tuy nhiên trong quá trình phát triển, khả năng ổn định điện áp và độ dự trữ ổn định của nhiều hệ thống cung cấp điện hiện còn ở mức thấp. Vấn đề nêu trên phần nào đã làm giảm độ an toàn và chất lượng của các LĐPP, nhất là một số khu vực nằm xa lưới điện. Để khắc phục các hiện tượng này, hệ thống điện cần phải được tăng cường công suất nguồn và khả năng tải của đường dây. Do đó, hướng giải quyết được đánh giá là có nhiều hiệu quả và cũng là xu thế hiện nay là phát triển các nguồn điện phân tán (Distributed Generation - DG) như: điêzel, thuỷ điện nhỏ, điện mặt trời, điện gió để cung cấp điện tại chỗ cho phụ tải, góp phần giảm áp lực về nguồn cho lưới điện Quốc gia. Ở nước ta trong thời gian gần đây, wind power ( WP ) đã và đang phát triển mạnh mẽ, một số lượng lớn các nguồn WP đã đi vào vận hành. Nhưng qua thực tế vận hành các LĐPP với những WP này cũng đã đặt ra nhiều vấn đề cần giải quyết. Với sự đa dạng của công nghệ máy phát điện phân tán, và sự phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên của chúng đã gây ra một số ảnh hưởng nhất định đến chất lượng điện áp và mức ổn định điện áp ở khu vực có WP kết nối lưới điện. Bối cảnh này đặt ra nhiều bài toán cần quan tâm nghiên cứu như: ảnh hưởng của nguồn phân tán đến chất lượng điện áp, giới hạn ổn định điện áp của nguồn WP trong các LĐPP, giải pháp để nâng cao ổn định điện áp ở các vị trí kết nối nguồn WP với lưới điện Đề tài luận văn đã chọn nhằm nghiên cứu giải quyết một số vấn đề liên quan đến các nội dung nói trên. i
16. Chương 0: Mở đầu GVHD: TS. Võ Viết Cường 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong thực tế, công tác thiết kế và vận hành các LĐPP có kết nối nguồn WP đã đặt ra hàng loạt các yêu cầu liên quan như: vấn đề đánh giá ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khi WP tham gia vào quá trình cung cấp điện; về ảnh hưởng của WP đến mức độ ổn định của các nút kết nối WP trong LĐPP Bởi vì, khi lưới điện ngày càng phát triển và sự tham gia ngày càng đa dạng của nguồn điện WP thì các yêu cầu về nâng cao chất lượng điện năng, cải thiện độ tin cậy cung cấp điện và nâng cao mức ổn định chung của lưới điện cũng luôn được quan tâm chú ý. Vì vậy bài toán nghiên cứu mức độ ổn định điện áp của LĐPP khi có nguồn WP và các phương pháp đánh giá mức độ tin cậy trong lưới điện có nguồn WP được đề xuất. Yêu cầu này được thiết lập do đặc tính công suất của chúng phụ thuộc nhiều vào các yếu tố tự nhiên. Liên quan đến nội dung đánh giá mức độ ổn định điện áp, luận văn sẽ đánh giá mức độ ổn định của LĐPP khi có kết nối nguồn WP không đồng bộ (KĐB) tuabin gió. Ở đây việc xem xét và đảm bảo ổn định điện áp tại nút kết nối WP sẽ được đề cập, bởi vì nút kết nối ổn định sẽ mang ý nghĩa đảm bảo ổn định cho LĐPP, giúp người vận hành có thể nhận biết được các tình huống "nguy hiểm" có thể xảy ra với LĐPP có WT không đồng bộ. Để thực hiện điều này, luận văn tiến hành xây dựng phương pháp xác định các giới hạn ổn định điện áp dựa trên phép phân tích đặc tính ổn định PU trong LĐPP có kết nối WP. Kết quả của điện áp và công suất giới hạn khi đó là một hàm số phụ thuộc thông số phía lưới điện và WP (điện áp, hệ số trượt của WT không đồng bộ). Từ kết quả đó, áp dụng phương pháp đánh giá ổn định điện áp nút đã xây dựng, luận văn đề xuất các giải pháp nâng cao ổn định điện áp nút kết nối WT không đồng bộ dựa trên các kịch bản quan tâm. 3. MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN Đề tài nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tế các lưới điện địa phương, cho các dạng nguồn WP đang phát triển mạnh ở nước ta; do vậy nghiên cứu có nhiều ý nghĩa thực tiễn khi ứng dụng trong thực tế. Nội dung ứng dụng bao gồm: ii
17. Chương 0: Mở đầu GVHD: TS. Võ Viết Cường - Luận văn xây dựng một công cụ tính toán giới hạn ổn định điện áp tại nút kết nối DG không đồng bộ dựa trên đặc tính tĩnh của chúng. Kết hợp công cụ này với chỉ tiêu phân tích sụt áp nút, luận văn đã đánh giá và xác định các nút yếu trong LĐPP có WP không đồng bộ và đề xuất giải pháp nâng cao mức ổn định. - Tính toán độ dự trữ ổn định cho từng kịch bản vận hành. Kết quả nội dung này được phân tích dựa trên lưới điện thực tế ở Ninh Thuận có kết nối nguồn điện gió, trong đó luận văn đề cập với 2 loại máy phát điển hình của tuabin gió: loại không đồng bộ rôto lồng sóc và loại không đồng bộ rôto dây quấn. 4. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Cấu trúc luận văn bao gồm phần mở đầu, nội dung các chương và kết luận chung: Tóm tắt Danh mục các bảng, các hình Mục lục Chương 0: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về nguồn điện WP và các ảnh hưởng của chúng đến chế độ vận hành lưới điện phân phối. Chương 2: Nghiên cứu ổn định điện áp trong lưới điện phân phối có kết nối WP. Chương 3: Nghiên cứu các tiêu chuẩn, phương pháp đánh giá giới hạn ổn định điện áp nút kết nối WP không đồng bộ. Chương 4: Phân tích ổn định điện áp lưới điện phân phối ở Việt Nam có kết nối nguồn điện gió, kết luận, đề xuất và tài liệu tham khảo. Chương 5: Kết luận iii
18. Chương 1: Tổng quan GVHD: TS. Võ Viết Cường CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Vấn đề giải quyết bài toán năng lượng cho mỗi quốc gia và trên toàn thế giới là bài toán nan giải nhất toàn cầu hiện nay và cũng là một trong những nguyên nhân sâu xa để xảy ra nhiều cuộc xung đột cấp quốc gia Nguồn năng lượng được sử dụng chủ yếu các nguồn năng lượng hóa thạch (khoảng 80%) như: than, dầu mỏ, các sản phẩm từ dầu mỏ, khí thiên nhiên Tuy nhiên việc lạm dụng nguồn năng lượng này dẫn đến nhiều vấn đề: - Trữ lượng nguồn năng lượng hóa thạch là hữu hạn và nếu lượng tiêu thụ năng lượng hóa thạch của thế giới trong thời gian tới vẫn tăng thì dần dần chúng ta sẽ phải phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch giá cao. Khi giá cả thị trường tăng lên việc ứng dụng kỹ thuật khai thác tiên tiến hơn để lấy được năng lượng hóa thạch từ những địa tầng sâu hơn cũng được đẩy mạnh và như vậy trữ lượng năng lượng hóa thạch có khả năng khai thác cũng sẽ tăng lên. Nhưng nếu khai thác đến một nửa trữ lượng của mỗi mỏ thì dù trữ lượng còn đó cũng sẽ dẫn đến suy giảm năng suất và có thể chuyển sang sụt giảm sản lượng. Tác hại của việc sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch: - Nhiên liệu hóa thạch như dầu, than, khí tự nhiên khi đốt cháy sẽ thải ra CO2, sulfur oxide (SOx), nitrogen oxide (NOx). Khi nồng độ của CO2 trong không khí tăng lên thì nhiệt độ trái đất sẽ tăng lên. Người ta dự đoán rằng nếu nhân loại cứ tiếp tục đốt các nhiên liệu hóa thạch như thế này và khí CO2 vẫn tiếp tục tăng lên thì sau 100 năm, nhiệt độ trung bình của trái đất sẽ tăng lên hai độ làm ảnh hưởng rất lớn đối với trái đất. - Ngoài ra, SOx, NOx là nguyên nhân tạo ra hiện tượng mưa acid gây ra những tác hại to lớn đối với động thực vật trên trái đất. Năng lượng đang sử dụng trên thế giới hiện nay nếu quy ra dầu thì gần 8,5 tỷ tấn, trong đó 40% là dầu, than khoảng 26% và khí thiên nhiên khoảng 24%, 10% là năng lượng khác. Lượng tiêu thụ năng lượng khác nhau tùy theo mỗi quốc gia. Ở các nước đang phát triển, cũng có nhiều nước lượng tiêu thụ năng lượng bình quân trên đầu người Trang 1
19. Chương 1: Tổng quan GVHD: TS. Võ Viết Cường thấp hơn 1/10 so với ở các nước phát triển. Nhưng sự gia tăng dân số và tăng trưởng kinh tế của các nước đang phát triển làm người ta dự báo rằng trong thời gian tới nhu cầu năng lượng của thế giới tăng lên sẽ tập trung chủ yếu ở các quốc gia đang phát triển. - Tổng dân số thế giới năm 1996 vào khoảng 5,8 tỷ người, nhưng được dự báo đến năm 2025 là 8 tỷ và sẽ đạt tới 9,8 tỷ vào năm 2050, trong đó dân số của các nước đang phát triển sẽ chiếm khoảng 80%. Giả sử, mức tiêu thụ năng lượng của các nước đang phát triển sẽ tăng gấp 2 lần so với hiện nay thì chúng ta sẽ phải đối mặt với một thời kỳ rất khó khăn trong việc đáp ứng cung và cầu của năng lượng hóa thạch mà chủ yếu là dầu mỏ và rồi nguồn tài nguyên hữu hạn này đến một ngày nào đó sẽ rơi vào tình trạng cạn kiệt. - Dạng năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch là năng lượng mặt trời, năng lượng từ sức gió, năng lượng sóng biển Các dạng năng lượng mới này cần phải phát triển, khai thác để sử dụng. Có một giải pháp có thể nhanh chóng nâng cao sản lượng điện, đáp ứng nhu cầu điện năng trong một thời gian không lâu đó là xây dựng các trạm điện bằng sức gió. Các máy phát điện lợi dụng sức gió đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, Mỹ và các nước công nghiệp phát triển khác. Việc nghiên cứu và ứng dụng về năng luợng gió cũng đã tiến hành rất nhiều nhưng phần lớn là nghiên cứu ứng dụng phát điện công suất lớn, kết nối với lưới điện quốc gia và mục tiêu là phục vụ thương mại. Kết quả điều tra sơ bộ của Bộ Công Thương cho thấy, 8,6% diện tích đất của Việt Nam được đánh giá là những vùng có tiềm năng lớn để phát triển năng lượng gió, nhất là các tỉnh phía Nam, ước tính sản lượng vào khoảng trên 1.780 MW. Riêng tại Ninh Thuận, Bình Thuận, Trà Vinh và Sóc Trăng, tổng công suất khai thác ước tính có thể lên tới 8.000 MW. Theo đánh giá của các nhà khoa học, tiềm năng gió của Việt Nam (trên độ cao 65 m) rất khả quan, ước đạt 513.360 MW, lớn hơn 200 lần công suất nhà máy thủy điện Sơn La và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020. Khi sử dụng năng lượng gió có những thuận lợi như sau: - Giảm hoặc thay thế việc xây dựng các nhà máy điện truyền thống dùng năng lượng Trang 2
20. Chương 1: Tổng quan GVHD: TS. Võ Viết Cường hóa thạch, năng lượng hạt nhân. - Không gây ô nhiễm môi trường khi tuabin vận hành sản xuất điện năng. - Là nguồn năng lượng gần như không bao giờ cạn kiệt. - Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần thiết. - Việc lắp đặt và xây dựng các tuabin gió tương đối nhanh. - Mặc dù chi phí tổng của năng lượng gió hiện nay có giá đắt hơn nhiều so với nguồn năng lượng truyền thống, nhưng nó không bị ảnh hưởng bởi giá nguyên liệu và sự gián đoạn cung cấp. - Tạo ra nhiều công ăn việc làm hơn so với các nhà máy năng lượng khác, khi cùng sản xuất ra một đơn vị năng lượng. Một Megawatt điện gió cần từ 2,5 – 3,0 nhân công làm việc. - Các tuabin gió mang lại nhiều lợi ích kinh tế cho nông dân và các chủ đất từ nguồn thu cho thuê đất nơi đặt các máy phát điện gió, mà không làm ảnh hưởng đến việc canh tác ngay trên mảnh đất đó. Công nghệ năng lượng gió có thể thay đổi cho nhiều ứng dụng có công suất từ nhỏ đến lớn. Thời gian từ khi khảo sát đến lắp đặt và vận hành ngắn và có những thuận lợi khác mà các nhà máy điện kiểu truyền thống không làm được. Do vậy, với năng lượng gió ở Việt Nam sẽ thuận lợi khi dùng các loại máy phát điện gió công suất nhỏ sẽ phù hợp với tiềm năng gió của Việt Nam. Những loại máy phát điện gió công suất nhỏ phù hợp với các vùng ở nông thôn, các vùng hải đảo và những vùng có tốc độ gió trung bình thay đổi nhiều. Khi đi vào sản xuất các loại máy phát điện gió công suất nhỏ có hiệu suất cao thì thường chi phí sản xuất khá cao và khó khăn trong việc sản xuất hàng loạt. Vấn đề đặt ra là cần tìm được loại máy phát điện có giá thành thấp, hiệu suất cao, điều khiển và vận hành dễ dàng. 1.2 CÁC KIỂU TUABIN GIÓ 1.2.1 Cấu tạo chung Tuabin gió sẽ chuyển đổi động lực của gió thành năng lượng cơ. Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những công việc như là bơm nước, truyền động cho các máy nghiền lương thực hoặc cho một máy phát để có thể chuyển đổi từ năng lượng cơ thành Trang 3
21. Chương 1: Tổng quan GVHD: TS. Võ Viết Cường năng lượng điện. Thành phần chính của tuabin gió phục vụ cho việc chuyển từ năng lượng cơ thành năng lượng điện như hình 1.1. Hình 1.1: Sơ đồ khối của tuabin gió. Trong thực tế có hai loại tuabin gió, đó là tuabin gió trục đứng và tuabin gió trục ngang. 1.2.2 Tuabin gió trục đứng và trục ngang Có nhiều kiểu thiết kế khác nhau cho tuabin gió và được phân ra làm hai loại cơ bản: Tuabin gió trục ngang và tuabin gió trục đứng. Các cánh quạt gió thường có các dạng hình dáng: cánh buồm, mái chèo, hình chén đều được dùng để “bắt” năng lượng gió và tạo ra moment quay trục tuabin. Tuabin gió trục ngang có rotor kiểu chong chóng với trục chính nằm ngang. Số lượng cánh quạt có thể thay đổi, tuy nhiên thực tế cho thấy loại 3 cánh là có hiệu suất cao nhất. Loại tuabin này có các thành phần cấu tạo nằm thẳng hàng với hướng gió, cánh quạt quay sẽ truyền chuyển thông qua bộ truyền động tăng tốc và đến máy phát. Loại tuabin trục ngang không bị ảnh hưởng bởi sự xáo trộn luồng khí, nhưng yêu cầu phải có một hệ thống điều chỉnh hướng gió bằng cơ khí để đảm bảo các cánh quạt luôn luôn hướng thẳng góc với chiều gió, hình 1.2 a. Tuabin gió trục đứng có cánh nằm dọc theo trục chính đứng. Loại này không cần phải điều chỉnh cánh quạt theo hướng gió và có thể hoạt động ở bất kỳ hướng gió nào. Việc duy tu bảo quản và duy trì vận hành dễ dàng vì các bộ phận chính như máy phát, hệ thống truyền động đều được đặt ngay trên mặt đất. Tuy nhiên nó cần có không gian rộng hơn cho các dây chằng chống đỡ hệ thống, hình 1.2 b. Trang 4