TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Khái quát chung
Hiện nay cùng với sự phát triển công nghiệp và sự hiện đại hoá thì nhu cầu năng lượng cũng rất cần thiết cho sự phát triển của đất nước Vấn đề đặt ra là phát triển nguồn năng lượng sao cho phù hợp mà không ảnh hưởng tới môi trường và cảnh quang thiên nhiên Trong khi đó, các nguồn năng lượng như than đá, dầu mỏ, khí đốt ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường và là nguyên nhân gây ra hiệu ứng nhà kính Để giảm những vấn đề trên ta phải tìm nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sạch để thay thế hiệu quả, giảm nhẹ tác động của năng lượng đến tình hình kinh tế an ninh chính trị quốc gia Nhận thấy được tầm quan trọng của vấn đề về năng lượng để phát triển Việt Nam có các quan điểm về chính sách sử dụng năng lượng hiệu quả nguồn năng lượng tái sinh trong đó có năng lượng gió.
Năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên dồi dào và phong phú, được ưu tiên được đầu tư và phát triển ở Việt Nam Nhiều dự án công trình đã được khởi công và xây dựng với quy mô vừa và nhỏ tiêu biểu là điện gió ở bán đảo Bạch Long Vĩ có công suất khoảng 800kW và công trình phong điện Phương Mai III ở tỉnh Bình Định đang được xây dựng.
Năng lượng điện gió là nguồn năng lượng sạch và có tìm năng rất lớn Nhà máy điện gió đầu tiên được xây dựng đầu tiên ở vùng nông thôn Mỹ vào năm 1890.Ngày nay công nghệ điện gió phát triển mạnh và có sự cạnh tranh lớn, với tốc độ phát triển như hiện nay thì không bao lâu nữa năng lượng điện sẽ chiếm phần lớn trong thị trường năng lượng của thế giới.
Lợi ích của năng lượng điện gió
Năng lượng điện gió đang ngày càng phát triển cùng với năng lượng mặt trời bởi tính chất bảo vệ môi trường và khai thác Ở Việt Nam, hiện tại đang có 4 nhà máy điện gió hoạt động phục vụ mạng lưới điện cho cả khu vực, giảm tải lưới điện quốc gia, góp phần đáp ứng nhu cầu sử dụng điện của người dân và khai thác tiềm năng hiệu quả về kinh tế.
Lợi ích của năng lượng gió mang lại bao gồm:
Dễ khai thác - không gây ô nhiễm môi trường.
Có lợi về diện tích khai thác.
Hiệu quả về mặt chi phí.
Góp phần làm giảm sự phụ thuộc về thuỷ điện.
Tạo công ăn việc làm.
Dễ khai thác – không gây ô nhiễm môi trường:
Năng lượng điện gió là nguồn năng lượng có thể tái tạo vả dễ khai thác Việt Nam thuộc khí hậu nhiệt đới gió mùa là điều kiện thuận lợi để khai thác “nguồn gió” lớn nhất khu vực Đông Nam Á Là nguồn năng lượng sạch – không gây ô nhiễm trên diện rộng như các nhiên liệu hóa thạch.
Có lợi về diện tích khai thác:
Khác với năng lượng mặt trời, việc khai thác năng lượng gió sẽ có lợi về diện tích khai thác Sau khi lắp đặt các turbine, khu vực này vẫn có thể được sử dụng cho canh tác hoặc các hoạt động nông nghiệp khác Turbine gió có thể xây dựng trên các nông trại, vì vậy đó là một điều kiện kinh tế cho các vùng nông thôn. Những người nông dân và các chủ trang trại có thể tiếp tục công việc trên đất của họ bởi vì turbine gió chỉ sử dụng một phần nhỏ đất trồng.
Hiệu quả về mặt chi phí:
Chi phí sản xuất thấp, không tổn hao năng lượng trong quá trình vận hành và sản xuất vì vậy năng lượng điện gió có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác như than đá, khí đốt.
Nhờ vào công nghệ hiện đại, năng lượng gió sẽ trở nên rẻ hơn nhưng vẫn đáp ứng nhu cầu năng lượng Chi phí lắp đặt một turbine gió thấp hơn so với một nhà máy điện than mà không ô nhiễm môi trường Năng lượng điện gió không tạo ra khí CO2 như điện than, vì thế khi xây dựng, các nhà đầu tư không cần đầu tư máy móc xử lý môi trường.
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Góp phần làm giảm sự phụ thuộc vào thủy điện:
Nguồn điện tại Việt Nam phụ thuộc khá nhiều vảo thủy điện Là 1 nước khí hậu nắng nóng khắc nghiệt cùng với hạn hán kéo dài sẽ không có đủ tài nguyên nước đề thủy điện khai thác Tuy nhiên, điện gió lại dễ dàng khai thác thời tiết gió mùa này Năng lượng gió không chỉ giúp ngành điện giảm sự phụ thuộc vào thủy điện mà còn cung cấp cho nhu cầu sử dụng điện của Việt Nam trong ngắn hạn.
Tạo công ăn việc làm:
Vừa chống biến đổi khí hậu, năng lượng gió còn tạo cơ hội nghề nghiệp, công ăn việc làm cho người dân địa phương Cũng cố đời sống vật chất cho bà con tại những nơi hẻo lánh, vùng biển đảo còn gặp khó khăn.
Nhu cầu năng lượng đang ngày càng tăng lên do sự phát triển công nghiệp và hiện đại hóa đất nước Là 1 nguồn năng lượng dễ tái tạo và “sạch”, năng lượng điện gió đóng vai trò hết sức quan trọng trong đảm bảo an ninh năng lượng và có thể thay thế nguồn năng lượng hóa thạch trong tương lai.
Là một nước có tiềm năng năng lượng gió nhiều nhất trong khu vực Đông Nam Á, khai thác năng lượng điện gió là một giải pháp khả thi mang tính dài hạn và chiến lược cho kinh tế Việt Nam trong thời đại ngày nay.
Với tất cả những lợi ích vừa nêu trên thì năng lượng điện gió có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác Nhưng để phát triển và xây dựng nhà máy điện gió thì phải khảo sát chặt chẽ, giám sát xây dựng nghiêm túc đúng kỹ thuật để đảm bảo an toàn khi sử dụng và vận hành
Tình hình của năng lượng điện gió trên thế giới và tiềm năng gió ở Việt Nam 4 1 Tình hình của năng lượng điện gió trên thế giới
1.3.1 Tình hình của năng lượng điện gió trên thế giới
Mặc dù năng lượng mặt trời có thể là điều bạn liên tưởng đầu tiên khi nhắc đến năng lượng tái tạo, nhưng năng lượng gió mới là lựa chọn phù hợp cho nhiều quốc gia. Trên thực tế, năng lượng toàn cầu được tạo ra từ các trang trại gió đã tăng lên rất nhiều chỉ trong hai năm qua Theo Hội đồng Năng lượng gió toàn cầu (GWEC), công
Nguyễn Lê Thuật suất gió 51.477 MW đã được lắp đặt trên toàn cầu vào năm 2014, tăng 44% so với những năm trước.
Hình 1.1 Các trụ điện gió
Hiện tại là thời gian tuyệt vời nhất để tạo ra năng lượng tái tạo không chỉ ở cấp độ cao mà nhu cầu về các nguồn năng lượng thay thế đang thúc đẩy ngành này hướng tới các cấp độ phổ thông Trên thực tế, năng lượng mặt trời và năng lượng gió hiện nay ít tốn kém hơn so với năng lượng than hoặc khí đốt tự nhiên ở một số thị trường quốc tế, bao gồm cả Hoa Kỳ.
Theo Hiệp hội Năng lượng gió thế giới (WWEA), Trung Quốc là nhà sản xuất năng lượng gió lớn nhất thế giới, với khoảng 114.763 MW công suất gió được lắp đặt Điều này rất quan trọng, vì các phương pháp sản xuất điện thông thường khó có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương lai của đất nước với dân số 1,386 tỷ người. Ở Hoa Kỳ, Chương trình năng lượng điện gió đã được khởi xướng cách đây gần
10 năm để hợp tác với các chuyên gia trong ngành, những người muốn tăng hiệu suất và độ tin cậy của các công nghệ gió thế hệ tiếp theo trong khi giảm chi phí thi công,
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ lắp đặt và bảo trì của năng lượng gió Chương trình này rất cần thiết để phát triển các công nghệ mới, giúp cải thiện hiệu suất turbine trên quy mô lớn.
Triển khai năng lượng gió ở cấp độ địa phương:
Vậy làm thế nào để năng lượng gió mở rộng đến cấp địa phương? Scotland đã sản xuất 982.842 MW điện gió vào cuối năm 2014 và tạo ra 126% nhu cầu năng lượng hộ gia đình của đất nước Chương trình năng lượng mặt trời của Tây Ban Nha cũng đang tìm kiếm những cách sáng tạo để cung cấp cho cộng đồng địa phương các hệ thống năng lượng tái tạo hiệu quả với chi phí Bán đảo Iberia có kế hoạch lắp đặt hệ thống đèn đường công cộng đầu tiên trên thế giới hoạt động với cả năng lượng mặt trời và năng lượng gió Ngoài ra, còn có những nỗ lực để tạo ra các turbine gió nhỏ gọn và thẩm mỹ hơn cho cộng đồng địa phương.
Ngoài turbine, còn cách nào để khai thác năng lượng từ gió?
Cây tạo gió/Wind Tree Turbine.
Diều Tạo Gió/energy kite.
Turbine trên không/Airborne Turbine.
1.3.2 Tiềm năng gió ở Việt Nam
Chính sách mua điện và ưu đãi đối với điện gió:
Tại Việt Nam, Chính phủ đã khuyến khích các doanh nghiệp đầu tư vào lĩnh vực điện từ năng lượng tái tạo, nhất là nguồn điện gió đã có các chính sách ưu đãi từ 10 năm trước: Thủ tướng Chính phủ đã có Quyết định số 37/2011/QĐ-TTg ban hành ngày 29/6/2011 về cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện gió tại Việt Nam. Các ưu đãi trong Quyết định 37/2011/QĐ-TTg nói trên bao gồm:
Trách nhiệm mua điện từ các dự án điện gió: Bên mua điện có trách nhiệm mua toàn bộ điện năng được sản xuất từ các nhà máy điện gió nối lưới thuộc địa bàn do mình quản lý Việc mua bán điện được thực hiện thông qua hợp đồng mua bán điện. Thời gian hợp đồng là 20 năm kể từ ngày vận hành thương mại Bên bán điện có thể
Nguyễn Lê Thuật kéo dài thời gian hợp đồng, hoặc ký hợp đồng mới với Bên mua điện theo quy định hiện hành. Ưu đãi về vốn đầu tư, thuế, phí:
- Nhà đầu tư được huy động vốn dưới các hình thức pháp luật cho phép từ các tổ chức, cá nhân trong và ngoài nước để đầu tư thực hiện các dự án điện gió.
- Các dự án điện gió được hưởng các ưu đãi theo quy định hiện hành về tín dụng đầu tư của Nhà nước.
- Dự án điện gió được miễn thuế nhập khẩu đối với hàng hóa nhập khẩu để tạo tài sản cố định của dự án, hàng hóa nhập khẩu là nguyên liệu, vật tư, bán thành phẩm trong nước chưa sản xuất được nhập khẩu để phục vụ sản xuất của dự án theo quy định tại Luật Thuế xuất khẩu, Thuế nhập khẩu và các quy định của pháp luật hiện hành về thuế xuất khẩu, thuế nhập khẩu.
- Dự án điện gió được thực hiện như đối với dự án thuộc lĩnh vực đặc biệt ưu đãi đầu tư quy định tại Luật Đầu tư, Luật Thuế thu nhập doanh nghiệp và các văn bản hướng dẫn thi hành Luật Đầu tư, Luật Thuế thu nhập doanh nghiệp. Ưu đãi về hạ tầng đất đai: Các dự án điện gió và công trình đường dây và trạm biến áp để đấu nối với lưới điện quốc gia được miễn, giảm tiền sử dụng đất, tiền thuê đất theo quy định của pháp luật hiện hành áp dụng đối với dự án thuộc lĩnh vực đặc biệt ưu đãi đầu tư.
Hỗ trợ giá điện đối với dự án điện gió nối lưới: Bên mua điện có trách nhiệm mua toàn bộ sản lượng điện từ các dự án điện gió với giá mua điện tại thời điểm giao nhận (tương đương 7,8 UScents/kWh) Giá mua điện được điều chỉnh theo biến động của tỷ giá đồng/USD Nhà nước hỗ trợ giá điện cho bên mua điện đối với toàn bộ sản lượng điện mua từ các nhà máy điện gió là 1,0 UScents/kWh (đã bao gồm trong 7,8 UScents/kWh) thông qua Quỹ bảo vệ môi trường Việt Nam. Đến năm 2018, Chính phủ đã ban hành Quyết định số 39/2018/QĐ-TTg sửa đổi, bổ sung một số điều của Quyết định 37 Theo đó, giá điện được điều chỉnh tăng lên, chưa bao gồm thuế giá trị gia tăng (VAT), lần lượt là: Điện gió trong đất liền là 8,5
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Uscent/kWh; điện gió trên biển là 9,8 Uscent/kWh Chính phủ quy định bên mua điện - EVN, hay các đơn vị được ủy quyền có trách nhiệm mua toàn bộ sản lượng điện từ các dự án điện gió với giá tại điểm giao nhận điện là như trên Mức giá này được tính trong vòng 20 năm Đồng thời, bên bán điện có thể kéo dài thời gian hợp đồng, hoặc ký hợp đồng mới với bên mua điện Áp dụng cho một phần, hoặc toàn bộ nhà máy điện gió nối lưới có ngày vận hành thương mại trước ngày 1 tháng 11 năm 2021. Đặc điểm tiềm năng điện gió Việt Nam:
Việt Nam với đặc điểm địa lý lợi thế, đường bờ biển trải dài hơn 3.000 km và khí hậu cận nhiệt đới gió mùa, đã được khảo sát và đánh giá có tiềm năng gió lớn trong khu vực Việc xây dựng các nhà máy điện gió là một giải pháp hợp lý, đóng góp tăng đáng kể nguồn sản xuất điện của Việt Nam trong những năm tới.
Trong 4 mùa Xuân - Hạ - Thu - Đông mùa có gió nhiều nhất là mùa đông từ tháng
Giới thiệu về Turbine gió
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều dạng turbine gió khác nhau từ loại chỉ có 1 cánh tới loại có rất nhiều cánh với hình dạng và kích thước cũng khác nhau.
Hình 1.4 Hình dạng các Turbine gió
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
1.4.2 Tính năng của các dạng turbine gió
Turbine gió trục ngang (HAWT):
Là loại turbine phổ biến nhất và có thể dễ dàng nhận ra bởi thiết kế cánh quạt của chúng Chúng thường có 3 cánh, một số ít loại 2 cánh HAWT tạo ra điện bằng cách sử dụng lực nâng của gió với cánh turbine Cho đến nay, đây là loại turbine gió hiệu quả nhất và được nghiên cứu kỹ lưỡng.
HAWT được lắp đặt trên cao trên các tháp lớn để tận dụng tốc độ gió ở độ cao lớn Điều này mang lại hiệu quả tốt hơn nhưng lại gây khó khăn cho việc sửa chữa cho các kỹ thuật viên bảo trì Hộp nan hoa, hoặc hộp nhỏ phía sau rôto, chứa hộp số, máy phát điện, phanh tốc độ, cơ cấu yaw và máy đo gió Hộp số được dùng để khuếch đại tốc độ turbine, cho phép máy phát tạo ra lượng điện phù hợp với tính toán thiết kế.
Cơ chế yaw quay các turbine theo hướng gió để đảm bảo lượng gió nhận được làm quay turbine hiệu suất cao nhất HAWT cũng không hoạt động tốt ở tốc độ gió cực mạnh Khi máy đo gió nhận được tốc độ gió có thể làm hỏng turbine, hệ thống hãm tốc độ sẽ được kích hoạt để ngăn turbine quay quá nhanh.
Hình 1.5 Turbine gió trục ngang
Turbine trục thẳng đứng (VAWT):
Turbine gió trục đứng có nhiều ưu điểm so với turbine gió trục ngang truyền thống, đặc biệt là lắp đặt trong khu dân cư Turbine gió trục đứng phù hợp với loại gió không ổn định, không giống như turbine gió trục ngang, phải đặt ở trên tháp cao để có thể tạo ra đủ điện.
Nghiên cứu của Joachim Toftegaard Hansen Mahak và cộng sự thuộc Đại học Oxford Brookes chỉ ra rằng, thiết kế turbine gió trục đứng hiệu quả hơn nhiều so với turbine truyền thống trong các trang trại gió quy mô lớn, đặc biệt khi được đặt thành cặp, các turbine trục đứng sẽ tăng hiệu suất của nhau lên tới 15%.
Turbine gió trục đứng ngày nay chủ yếu dựa trên hai nguyên lý hoạt động: sử dụng lực cản hoặc sử dụng lực nâng của gió Đại diện cho hai loại nguyên lý hoạt động này là turbine gió kiểu Savonius và Darrieus Turbine Savonius có thiết kế đơn giản nhất và được cấu tạo bởi hai hoặc nhiều gầu bán trụ, sử dụng lực cản của gió làm quay trục thẳng đứng nối với các thiết bị phát điện Trong khi đó, turbine gió kiểu Darrieus bao gồm một trục thẳng đứng và các cánh quạt gió có hình cánh cung, với hai đầu của cánh được gắn vào đầu và cuối của trục quay thẳng đứng Sự chuyển động của những cánh quạt này ngược với hướng gió tạo ra một lực khí động học tác dụng lên trục, làm cho cánh quạt quay.So với turbine gió trục ngang, các turbine gió trục đứng có thể bắt đầu hoạt động với tốc độ gió thấp hơn và không phụ thuộc vào hướng gió Điều này giúp cho các turbine gió trục đứng được lắp đặt phổ biến tại những nơi diện tích nhỏ, khu dân cư, trên mái các tòa nhà với công suất chỉ từ vài kW đến vài trăm kW Trong khi đó, turbine gió trục ngang lớn với các cánh quạt vuông góc với hướng gió sẽ có hiệu suất cao hơn, tạo ra nhiều điện năng hơn với công suất 3 - 4 MW nhưng phải được lắp đặt trên cao và đòi hỏi diện tích sử dụng lớn, tạo thành các trang trại điện gió rộng lớn Để cạnh tranh với các turbine gió trục ngang, các nhà nghiên cứu, công ty sản xuất đã và đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại turbine gió trục đứng có kích thước lớn hơn và có thể hoạt động với dải công suất tương đương với các turbine gió trục ngang lớn hiện nay.
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Hình 1.6 Turbine gió trục thẳng đứng ở Anh
Các turbine gió Darrieus đã được nhận dạng bởi hai cánh quạt dạng cánh cong gắn vào trục trung tâm, tạo cho chúng thành dạng “máy đánh trứng” Các cánh quạt gắn kết ở đầu và cuối trục và quay theo phương pháp đứng xung quanh để phản hồi với gió Tương tự HAWT, turbine gió Darrieus tạo ra điện bằng lực nâng.
Turbine gió Savonius là một loại turbine gió trục đứng (VAWT), được sử dụng để chuyển đổi lực của gió thành mô - men xoắn trên một trục quay Turbine bao gồm một số cánh quạt, thường - nhưng không phải luôn luôn - được gắn thẳng đứng trên một trục hoặc khung quay, đặt trên mặt đất hoặc được buộc chặt trong các hệ thống trên không. Đây là một dạng turbine gió trục đứng đơn giản bao gồm các gầu dạng bán xy- lanh lắp trên trục quay hoặc một khung sườn Nhìn từ trên xuống, các gầu trông giống như hình chữ S theo mặt cắt ngang Trong khi hoạt động, turbine Savonius không gây ra tiếng ồn, chiếm ít diện tích nên có thể đặt trên mái nhà hoặc trong vườn.
Turbine hướng gió có bên ngoài gần giống với bình thường HAWT
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Turbine gió không cánh: 1.9 Turbine gió xuôi
Turbine không cánh là một thiết kế mới được tạo ra dựa trên các dòng gió thay vì gió liên tục Thoạt nhìn, khó có thể nhận ra turbine không cánh là thứ tạo ra năng lượng từ gió.
Turbine không cánh dao động để đáp lại các luồng gió trong một hệ thống cộng hưởng được gọi là rung động do xoáy Khi gió xoáy vào một vật thể, các vòng xoáy được tạo ra Sau đó, vật thể có thể bắt đầu dao động theo phản ứng cho đến khi ứng dụng tần số có thể trùng với tần số cộng hưởng của gió Khi turbine rung, nó tạo ra điện bằng hệ thống máy phát điện.
Hình 1.10 Turbine gió không cánh
Là loại turbine có hai rotor quay ngược lại nhau, với turbine gió sẽ thu năng lượng lại từ turbine gió ngược Các turbine quay ngược chiều đã đạt được hiệu suất tăng thêm 40% bằng cách thu năng lượng gió Mặc dù turbine quay ngược chiều có lợi nhưng chúng tôi rất khó để chế tạo.
Mỗi loại turbine gió khác nhau thì các tính năng của nó cũng khác nhau, đường đặc tính của chúng phụ thuộc vào hệ thống số và tốc độ.
Ta có công suất hệ thống:
P: Công suất cơ của khối lượng không khí di chuyển.
: Khối lượng riêng của không khí (kg/m 3 )
A: Diện tích quét của cánh rotor (m 2 )
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
1.4.3 Cấu tạo của một turbine gió Động cơ Turbine điện gió được xem như máy phát điện sử dụng sức gió Quan trọng nhất của chi tiết vẫn là động cơ điện một chiều Thiết bị này sẽ dùng cánh quạt với nam châm có độ để đón gió Turbine bao gồm:
Blades: Cánh quạt sử dụng ở các máy xay gió Khi gió thổi qua các cánh quạt và là tác nhân làm cho các cánh quạt chuyển động và quay.
Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục quay.
Pitch: Bánh răng Cánh được xoay hoặc làm một chút để giữ cho cánh quạt quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện.
Brake: Bộ hãm (phanh) Được dùng để dừng rôto trong trạng thái trạng thái hay sự cố xảy ra.
Trục tốc độ thấp: Trục quay tốc độ thấp.
Hộp số: Hộp số Bánh răng được kết nối với trục có tốc độ thấp với trục quay có tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/phút lên 1200 đến 1500 vòng / phút, quay tốc độ là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện.
Generator: Là máy phát điện sau khi turbine chuyển đổi tạo ra điện từ gió
Controller: Bộ điều khiển Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/giờ và cơ chế vận hành khoảng 65 dặm/giờ tương ứng với 104 km/h.
Anemometer: Là thiết bị được sử dụng để đo lường tốc độ gió và truyền tải tốc độ gió tới bộ điều khiển.
Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướng cho chiếc turbine gió.
Tính toán năng lượng điện gió
1.5.1 Tốc độ gió và mối liên hệ công suất
Khi gió có khối lượng m di chuyển với vận tốc V thì nó có một động năng là:
Khi đó công suất của khối lượng không khí là:
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
P: Công suất cơ của khối lượng không khí di chuyển (W).
: Mật độ không khí (kg/m 3 ).
A: Diện tích quét bởi cánh turbine (m 2 ).
Công suất đầu vào khi gió thổi vào cánh turbine:
Công suất thu được từ cánh turbine:
0 : Công suất cơ thu được từ rotor.
V: Tốc độ gió đầu vào của cánh rotor.
0 : Tốc độ gió đầu ra cánh rotor.
Mật độ công suất của điểm đặt turbine:
Lưu ý: ρ có giá trị 1.225 kg/m 3 ở 15 0 C và tại độ cao bằng mực nước biển.
Nếu giả thiết vận tốc gió đi qua cánh quạt turbine là trung bình cộng của vận tốc gió đi vào và đi ra khỏi turbine của cánh quạt, lưu lượng khối được tính bởi công thức:
Vậy công suất cánh quạt turbine nhận được từ gió là:
Công suất cơ thu được từ rotor và công suất máy phát được tính như sau:
: Được gọi là phân bố công suất gió đầu vào Hệ số được gọi là hệ số công suất của rotor hoặc hiệu suất của rotor Với một vận tốc gió cho trước, công thức trên cho thấy sự phụ thuộc của vào tỉ số 0
Hình 1.14 Mối liên hệ giữa hiệu suất rotor và tỉ lệ 0 Hiệu suất cực đại của rotor khi tỷ số 0 = 1 3 khi đó:
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Hình 1.15 Đồ thị biểu diễn hiệu suất của cánh quạt thay đổi theo tỷ số 0 1.5.2 Diện tích quét của cánh turbine
Với turbine gió trục ngang:
Với turbine gió trục đứng, có thể tính gần đúng:
H: Chiều cao của cánh turbine.
Hình 1.16 Đồ thị thể hiện mối tương quan giữa công suất và vận tốc gió
1.5.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên mật độ không khí
Mật độ không khí thay đổi theo nhiệt độ và áp suất theo công thức:
P: Áp suất không khí (atm).
T: Nhiệt độ (Tính theo nhiệt độ tuyệt đối 0 K)
Mật độ không khí thay đổi theo độ cao theo công thức:
Mật độ không khí với nhiệt độ và áp suất bất kỳ được tính theo công thức:
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
: Tỉ số giữa mật độ không khí tại T( 0 C) và mật độ không khí tại
: Tỉ số giữa áp suất không khí tại độ cao H và áp suất không khí tại độ cao ngang mực nước biển (H = 0m).
Hình 1.17 Bảng ảnh hưởng của độ cao lên mật độ gió
Hình 1.18 Bảng ảnh hưởng của nhiệt độ lên mật độ gió 1.5.4 Ảnh hưởng của chiều cao trụ tháp
Sự phụ thuộc của vận tốc gió vào chiều cao và địa hình thường được biểu diễn qua công thức:
Bảng 1.5 - Sự phụ thuộc của vận tốc gió vào chiều cao và địa hình Đặc điểm địa hình Đất phẳng và cứng, mặt nước yên lặng 0.10 Đất có cỏ cao 0.15
Cánh đồng, đất có bụi cây cao, hàng rào 0.20 Đất có nhiều cây cao, rừng 0.25
Thị trấn nhỏ với cây cối và bụi cây 0.40
Thành phố lớn với nhiều tòa nhà cao 0.45
Công suất gió tỉ lệ với lập phương vận tốc gió, công thức lập lại như sau:
Công việc đầu tiên trước khi quyết định xây dựng một nhà máy điện gió thì phải tìm được vị trí gió và khảo sát đo đạc hướng gió Thông thường người ta đo gió ở độ cao 65 m và 30 m, vì ở độ cao này gió thường thổi mạnh và ổn định.
Ngoài ra người ta còn xác định áp suất không khí, nhiệt độ tuyệt đối, độ ẩm…
Từ các thông số đã được xác định ta có công suất của gió là:
) Để xác định tốc độ gió người ta dùng thiết bị đo gió gọi là anemometer.
Hình 1.19 Thiết bị đo tốc độ
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Tốc độ gió thay đổi liên tục theo giờ, ngày, tháng, theo mùa, theo năm Nên việc khảo sát và đo đạc gió cần phải thực hiện lâu dài ít nhất là 1 năm và tính tương đối của nó rất cần thiết cho việc chọn turbine cũng như độ cao của tháp gió.
Hình 1.20 Mối liên hệ đường kính turbine và công suất.
1.5.6 Đánh giá chất lượng điện gió Đánh giá chất lượng điện gió dựa trên tiêu chuẩn nhất định đó là:
Hệ số Flicker được đánh giá dựa vào tiêu chuẩn IEC 61000-4-15.
Hệ số méo dạng toàn phần thì được đánh giá dựa theo tiêu chuẩn ICE
1000-4-7/2/11; ICE 61000-4-7CDV/15; ICE 61000-21CDV/21 … Để hiểu rõ hơn vấn đề trên thì ta tham khảo bản báo cáo kiểm tra 1 turbine gió của hãng Vestas loại V52 - 850kW dùng tiêu chuẩn ICE 61000 - 21 CDV được thực hiện tháng 2/2002 do viện năng lượng Đức thực hiện.
Bảng 1.6 - Các thông số kỹ thuật của loại turbine
Loại turbine Loại Vesta V52-850kW
Nhà sản xuất Đan Mạch
Công suất định mức 850 kW Điện áp đầu cực 690 V
Tốc độ dừng cực tiểu 4 m/ s
Tốc độ dừng cực đại 25 m/s
Tốc độ sử dụng hết công suất 15 m/s
Số cánh 3 Đường kính rotor 52 m
Tốc độ rotor 14.58 - 2.24 vòng/phút
Máy phát Máy phát không đồng bộ với tốc độ quay từ 900 - 1620 vòng /phút
Khi đo người ta tiến hành đo trong điều kiện hoạt động bình thường của nhà máy gió và trong các hoạt động đặc biệt.
Các bước tiến hành xây dựng nhà máy điện gió
1.6.1 Khảo sát đo gió Để tiến hành xây dựng nhà máy điện gió thì công việc đầu tiên là tiến hành khảo sát địa hình và đo tốc độ gió ở nơi đó Thiết bị đo gió có tên gọi là Anemometer được lắp đặt ở độ cao nhất định.
Hình 1.21 Bộ phận đo gió
Khảo sát đánh giá tiềm năng gió của khu vực là điều kiện cần thiết để chọn turbine có công suất phù hợp với tốc độ gió cho nhà máy hoạt động tốt tránh gây lãng phí Vì vậy việc khảo sát đo gió phải tiến hành trong thời gian dài mới cho kết quả chính xác Sau khi công việc khảo sát đo gió hoàn thành thì người ta tiến hành san lấp mặt bằng và xây dựng các nền móng và thân tháp gió như hình bên Tùy thuộc vào tốc độ gió mà chiều cao thân tháp gió cũng khác nhau:
Bảng 1.7 - Độ cao tháp phụ thuộc tốc độ gió Độ cao tháp gió H(m) Công suất cực đại của turbine P(kW)
Hình 1.22 Xây dựng nền móng và thân tháp gió
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Công việc tiếp theo là lắp các turbine vào thân tháp gió thông qua hệ thống cần trục Khi turbine được lắp trên thân tháp thì tiến hành lắp rắp trục quay turbine.
Hình 1.23 Lắp đặt turbine vào thân tháp gió
Hình 1.24 Lắp đặt trục quay của turbine vào tháp gió
Bộ phận cánh được lắp đặt vào turbine, thiết bị chống xét cho cánh cũng được hoàn thành để đảm bảo an toàn cho tháp gió.
Hình 1.25 Lắp ráp cánh của turbine vào bộ phận chính của rotor.
Hình 1.26 Trục chính và bộ phận tăng tốc của turbine gió
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Hình 1.27 Kiểm tra lại những thông số đã đạt được
Hình 1.28 Tủ điều khiển lưới điện
Các mô hình nhà máy điện gió trên thế giới:
Tùy vào địa hình của nhà máy mà cách bố trí hình dạng trại gió khác nhau.
Hình 1.29 Mô hình nhà máy điện gió đất liền
Hình 1.30 Mô hình trại gió giữa đất liền và ngoài khơi.
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Hình 1.31 Mô hình nhà máy điện gió ngoài biển.
NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ PHƯƠNG MAI
Dự án đầu tư và phát triển
Để xây dựng các dự án phong điện, đầu năm 1998 công ty IDECO phối hợp với viện vật lý địa cầu cùng với trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ quốc gia Việt Nam, lần đầu tiên tại Việt Nam đã thiết lập trạm khảo sát gió ở độ cao 40m tại bán đảo Phương Mai huyện Phù Cát – Tuy Phước tỉnh Bình Định.
Theo dự án nhà máy phong điện Phương Mai phát triển theo ba giai đoạn để nâng dần công suất của máy phát Ngay giai đoạn 1 nhà máy có công suất 15MW, sản lượng điện năng (39÷49) GW/năm Giá bán điện là 0.04USD/kWh thời gian hoàn vốn là (8÷9) năm Các giai đoạn tiếp theo nhà máy nâng công suất lên (25÷50) MW…. Nhưng cho đến nay các dự án giai đoạn 1 và 2 chưa thực hiện được Cùng với các dự án phong điện Phương Mai I và II tỉnh Bình Định đồng ý cho công ty đầu tư và phát triển phong điện miền trung (công ty xây lắp điện 3) đầu tư thêm dự án Phương Mai III có dự án khoảng 820 tỉ đồng Nguồn vốn trên do quỹ hỗ trợ phát triển quốc tế chính phủ Đan Mạch (DANIDA) tài trợ 100% Nhà máy này dự kiến nằm trong hệ thống điện quốc gia thông qua hợp đồng mua bán điện với tổng công ty điện lực Việt Nam giá dự kiến là 0.045USD/kW.
Về công nghệ, phía Việt Nam nhập toàn bộ máy móc của Đan Mạch, nước có công nghệ sản xuất điện từ sức gió tiên tiến nhất thế giới Các chuyên gia cho biết, chi phí đầu tư cho nhà máy phong điện tuy tốn kém ngang bằng mức đầu tư xây dựng các nhà máy nhiệt điện và thủy điện (khoảng 1 triệu USD/MW) nhưng lại có nhiều ưu điểm nổi bật như ít tác động tới môi trường, không tổn thất chi
41 phí vận hành, nơi sản xuất điện và tiêu thụ điện năng được thu hẹp một cách đáng kể.
V ị trí địa lý và tiềm năng gió
Nhà máy phong điện Phương Mai III được xây dựng trên địa điểm cồn cát ven biển thuộc khu công nghiệp Nhơn Hội (TP Quy Nhơn) với tổng công suất dự kiến là 50.4MW, gồm 28 tổ máy mỗi năm sản xuất khoảng (150÷170) triệu kWh Việc xây dựng nhà máy phong điện Phương Mai III có ý nghĩa quan trọng trong việc tăng sản lượng điện cho lưới điện quốc gia và góp phần cảnh quan du lịch mới trên vùng biển Quy Nhơn.
Tại vị trí trên nhà máy phong điện Phương Mai được đặt gần hệ thống giao thông, cảng và các khu công nghiệp trong vùng Địa điểm trên nằm ngay trong vùng có hướng gió lý tưởng Trước mặt là biển sau lưng là toàn bộ Đầm Thị Nại và toàn bộ cánh đồng rộng khoảng 500km 2 Để tiến hành xây dựng nhà máy vào đầu năm 1998 công ty EDICO đã phối hợp cùng một số bộ phận chuyên nghành đã lắp đặt thiết bị đo gió ở độ cao 40m. Đến tháng 10/2000 hội đồng thẩm định Quốc Gia đã thẩm định kết quả quan trắc, thu thập số liệu trong toàn bộ quá trình vận hành trạm nhất trí đánh giá công trình đạt kết quả tốt và đồng cho cung cấp số liệu theo tiêu chuẩn quốc gia.
Theo bản đồ phân bố các cấp tốc độ gió của tổ chức Khí tượng thế giới (1981) và bản đồ phân bố các cấp tốc độ của khu vực Đông Nam Á do tổ chức True Wind Solutions LLC (Mỹ) lập theo yêu cầu của Ngân hàng Thế giới, xuất bản năm 2001, cho thấy: Khu vực ven biển từ Bình Định đến Bình Thuận, Tây Nguyên, dãy Trường Sơn phía Bắc Trung Bộ, nhiều nơi có tốc độ gió đạt từ 7.0 m/s, 8.0 m/s và 9.0 m/s, có thể phát điện với công suất lớn (nối lưới điện quốc gia), hầu hết ven biển còn lại trên lãnh thổ, một số nơi, vùng núi trong đất liền… tốc độ gió đạt (5.0÷6.0) m/s, có thể khai thác gió kết hợp Diezel để tạo nguồn điện độc lập cung cấp cho hải đảo, vùng sâu, vùng xa.
Gần đây, Việt Nam đã đưa vào vận hành turbine phát điện gió với công suất 800kW kết hợp Diezel có công suất 414kW tại đảo Bạch Long Vĩ Tổng công ty Điện lực Việt Nam đầu tư 142 tỷ đồng xây dựng hệ thống điện gió Diezel tại đảo Phú Quý (Bình Thuận) Hiện có ba phương án xây dựng điện gió: Phương Mai I-30MW đang triển khai xây dựng; Phương Mai II-36MW và Phương Mai III- 50MW
CHƯƠNG II: NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ PHƯƠNG MAI đang triển khi dự án khả thi Trước đây, có dự án xây dựng điện gió với công suất 30MW dưới dạng BOT tại Khánh Hòa và dự án đầu tư của công ty Grabowski, với kinh phí 200 triệu USD tại Bình Định, nhưng rất tiếc cả hai dự án này không thành công, có thể do hai nơi này không có số liệu đo trực tiếp ở độ cao 60m.
Theo bản đồ thế giới, bản đồ của True Wind Solutions, kết quả đo và tinh tốc độ gió tại Bình Định là 7.0 m/s Nếu dùng turbine phù hợp tốc độ gió tại Bình Định – NM 82/1500 và dùng công thức Betz để tính tổng điện năng năm: E = 5.870.952 kWh.
Nếu dùng 1.400 turbine NM 82/1500, tổng điện này sẽ đạt được: 8.219 triệu kWh, so với điện năng của nhà máy thủy điện sản xuất là 8.169 triệu kWh thì hai tổng điện năng này xấp xỉ nhau Kết quả nêu trên chỉ dùng cho dự án tiền khả thi, muốn xây dựng dựng được dự án khả thi phải có số liệu đo trực tiếp ở độ cao 65m tại những nơi để turbine phát điện gió… Do đó, cần có một đề tài khoa học đánh giá diện tích đặt turbine gió, xác định tổng công suất điện gió trên toàn lãnh thổ, làm cơ sở để kêu gọi các nhà đầu tư trong nước và ngoài nước.
Với độ cao lý tưởng của các đồi núi tại bán đảo Phương Mai có tốc độ gió tương đối tốt tốc độ trung bình đạt từ (8÷9) m/s với tốc độ gió trên phù hợp với các loại turbine vừa và nhỏ Với các điều kiện trên đầu tháng 9/2006 dến nay dự án đã được triển khai bước đầu như: tiến hành dò mìn, thăm dò địa chất, san ủi mặt bằng,làm đường bộ xây dựng móng tháp, xây dựng nhà điều hành mua thiết bị… Dự kiến sau năm 2007 sẽ tiếp tục hoành thành và phát điện các tổ máy.
Qui trình lắp đặt, điều khiển và giám sát của nhà máy
Nhà máy gió Phương Mai II được lắp đặt trên diện tích rộng khoảng 150ha với
28 tổ máy Công suất dự kiến của nhà máy là 50.4MW.
Turbine được sử dụng là loại 1,8MW có đường kính của cánh turbine là 60m.
Hình 2.1 Mô hình turbine gió 1.8MW
Bảng 2 - Đặc điểm của turbine gió 1.8MW
Số cánh rotor 3 Đường kính rotor 60m
Diện tích quét rotor 2826m 2 Độ cao của tháp 65m
Phương pháp điều khiển Điều khiển cánh
Hệ thống điều khiển Dùng PLC, điều khiển từ xa
Khi lượng không khí di chuyển nó mang theo một động năng rất lớn sẽ làm cho cánh rotor quay Cánh rotor quay nó tạo ra các chuyển động bên trong của một rotor gió tạo ra công suất điện và công suất này điều khiển máy phát được tính như sau:
Nhưng hiện nay, với trình độ khoa học kỹ thuật hiện đại các turbine gió được nhà sản xuất ấn định ngõ ra cố định là dòng điện AC với hiệu điện thế cố định là 690V và tần số đặt là 50Hz.
Việc ấn định điện áp và tần số ngõ ra của turbine gió tạo điều kiện lợi cho việc hoà mạng với lưới điện của quốc gia Nhà máy điện Phương Mai xây dựng nhằm mục đích phục vụ nhu cầu tiêu thụ của địa phương và thành phố Quy Nhơn, khu công nghiệp Nhơn Hội… đáp ứng nhu cầu điện cần thiết trong mùa khô Chính vì thế mà nhà máy điện gió Phương Mai kết nối với hệ thống lưới điện 22kV.
2.3.2 Điều khiển, giám sát của nhà máy Ở trong nhà máy nhiệt điện hoặc thuỷ điện, việc điều chỉnh công suất có thể thực hiện bất kỳ thời điểm nào Còn đối với nhà máy điện gió thì công suất phụ thuộc vào tốc độ gió Chính lượng gió và tốc độ gió ở các khu vực khác nhau cho nên ta có những nhà máy điện gió có công suất khác nhau Tốc độ gió thay đổi liên tục ảnh hưởng tới nhà máy gió, ví dụ như các đợt bão tốc độ gió rất mạnh sẽ làm thay đổi điện áp bất thường ngõ ra Chính vì vậy mà hệ thống điều khiển phải đáp ứng được vấn đề này Không như các thiết bị điều khiển, hệ thống điều phải cập nhật các số liệu của toàn hệ thống của nhà máy gió và xử lý.
Trong việc điều khiển và quản lý nhà máy gió, các điều khiển bên trong (các nhóm thiết bị và sự tác động lẫn nhau) và nhóm điều khiển bên ngoài (yêu cầu của người tiêu thụ ) Hệ thống điều khiển phải có những quyết định chính xác, hợp lý vì tầm quan trọng của nó phải luôn bảo dưỡng và đặt lên hàng đầu Ví dụ như thiết
CHƯƠNG II: NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ PHƯƠNG MAI bị điều khiển cánh, việc quyết định thời điểm dừng turbine khi tốc độ gió quá cao là rất quan trọng.
Các điều kiện của bộ biến đổi năng lượng:
Phải tự động hoàn toàn.
Bảo vệ an toàn cho nhà máy, dùng các thiết bị điều khiển từ xa với kỹ thuật hiện đại và làm việc chính xác không gây ra sự cố.
Các bộ phận bảo vệ làm việc riêng biệt.
Hoạt động của nhà máy phải thích ứng với phụ tải.
Ngoài những yêu cầu trên còn có nhiều yêu cầu khác đặc biệt là yêu cầu chống chạm đất, bảo vệ quá áp, bảo vệ chống sét là yêu cầu quan trọng của nhà máy.
Hệ thống điều khiển nhà máy gió phải giám sát được toàn bộ hoạt động của nhà máy Tất cả các thông số hoạt động nhà máy gió đều được quản lý và điều khiển thông qua máy tính Hệ thống máy tính sẽ chuẩn đoán các sự cố và các lỗi trước khi thực hiện lệnh điều khiển Nếu máy tính phát hiện một số vấn đề bất thường thì nó có thể điều khiển turbine ngừng hoạt động Thêm vào đó hệ thống SCADA (hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu) cho phép điều khiển hoạt động từ xa Hệ thống này cho phép giám sát hoạt động và cài đặt thông số mới.
Kết nối lưới điện của nhà máy với lưới điện phân phối.
Nhá máy điện Phương Mai kết nối với lưới điện 22kV thông qua máy phát phân phối DG Khi lượng điện của nhà máy phát ra đáp ứng dư so với nhu cầu sử đụng điện ở khu vực đó thì máy phát phân phối DG sẽ đẩy lượng điện dư lên đường dây truyền tải lưới điện quốc gia Như vậy đối với nhà máy điện Phương Mai máy phát phân phối DG chạy trong ở trạng thái đỉnh.
2.3.3 Chức năng của hệ thống SCADA trong điều khiển và giám sát của nhà máy
Hệ thống SCADA thực hiện chức năng thu thập dữ liệu từ xa, các số liệu về sản lượng, các thông số vận hành ở các trạm biến áp thông qua đường truyền số liệu được truyền về trung tâm, lưu trữ ở hệ thống máy tính chủ.
Dùng các cơ sở số liệu đó: Để cung cấp những dịch vụ về điều khiển giám sát hệ thống điện.
Hiển thị các trạng thái về quá trình hoạt động của thiết bị điện, hiển thị đồ thị, hiển thị sự kiện, báo động, hiển thị báo cáo sản xuất.
Thực hiện điều khiển từ xa quá trình Đóng /Cắt máy cắt, dao cách ly, dao tiếp địa, thay đổi các giá trị của đầu phân áp máy biến thế, đặt giá trị của rơle
Thực hiện các dịch vụ: Về truyền số liệu trong hệ và ra ngoài hệ, việc đọc viết số liệu lên PLC /RTU, trả lời các bản tin yêu cầu của cấp trên về số liệu, về thao tác.
Một hệ SCADA kết hợp phần cứng lẫn phần mềm vi tính để tự động hóa việc điều khiển giám sát cho một đối tượng trong hệ thống điện.
Với một hệ thống thì yêu cầu việc xây dựng hệ SCADA (cho hệ thống điện) thực hiện một trong số những nhiệm vụ tự động hóa sau:
+ Thu thập - Giám sát từ xa.
+ Điều khiển Đóng /Cắt từ xa.
+ Điều chỉnh tự động từ xa.
+ Thông tin từ xa của các đối tượng và các cấp quản lý.
Mỗi chức năng trên đều có những yêu cầu đặc biệt cho từng bộ phận, phần cứng, phần mềm chuyên dụng của hệ thống SCADA Cụ thể là:
Phần đo - Giám sát xa: Cần đảm bảo thu thập, lưu giữ, hiển thị, in ấn, đủ những số liệu cần cho quản lý kỹ thuật.
CHƯƠNG II: NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ PHƯƠNG MAI
Phần điều khiển thao tác xa: Phải đảm bảo được việc kiểm tra Đóng /Cắt an toàn, tin cậy.
Sơ đồ kết nối nhà máy:
Hình 2.2 Sơ đồ phân phối của nhà máy
CHƯƠNG III: KẾT NỐI HỆ THỐNG ĐIỆN LƯỚI QUỐC GIA
Yêu cầu chung khi kết nối lưới điện
Nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời phải có khả năng duy trì vận hành phát công suất tác dụng trong dải tần số từ 49 Hz đến 51 Hz theo các chế độ sau:
Chế độ phát tự do: Vận hành phát điện công suất lớn nhất có thể theo sự biến đổi của nguồn năng lượng sơ cấp (gió hoặc mặt trời).
Chế độ điều khiển công suất phát: Nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời phải có khả năng điều chỉnh phát công suất tác dụng theo lệnh của Cấp điều độ có quyền điều khiển phù hợp với sự biến đổi của nguồn năng lượng sơ cấp trong thời gian không quá 30 giây với độ sai số trong dải ± 01 % công suất định mức, cụ thể như sau:
+ Phát công suất theo đúng lệnh điều độ trong trường hợp nguồn sơ cấp biến thiên bằng hoặc lớn hơn giá trị dự báo.
+ Phát công suất lớn nhất có thể trong trường hợp nguồn sơ cấp biến thiên thấp hơn giá trị dự báo.
Trong chế độ vận hành bình thường, nhà máy điện gió và nhà máy điện mặt trời phải có khả năng phát công suất tác dụng và đảm bảo không bị ảnh hưởng do điện áp tại điểm đấu nối thay đổi trong dải cho phép quy định tại Điều 6 Thông tư qui định hệ thống truyền tải số: 25/2016/TT – BCT.
Nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời tại mọi thời điểm đang nối lưới phải có khả năng duy trì vận hành phát điện trong thời gian tối thiểu tương ứng với các dải tần số vận hành theo quy định tại Bảng 3 như sau:
Bảng 3 - Quan hệ giữa thời gian duy trì tối thiểu và tần số
Dải tần số của hệ thống điện Thời gian duy trì tối thiểu
Từ 47,5 HZ đến 48,0 Hz 10 phút
Trên 48 Hz đến dưới 49 Hz 30 phút
CHƯƠNG III: KẾT NỐI HỆ THỐNG ĐIỆN LƯỚI QUỐC GIA
Từ 49 Hz đến 51 Hz Phát liên tục
Trên 51 Hz đến 51,5 Hz 30 phút
Trên 51,5 Hz đến 52 Hz 01 phút
Khi tần số hệ thống điện lớn hơn 51 Hz, nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời phải giảm công suất tác dụng với tốc độ không nhỏ hơn 01 % công suất định mức mỗi giây.
Nhà máy điện gió và nhà máy điện mặt trời phải có khả năng điều chỉnh công suất phản kháng và điện áp.
Nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời tại mọi thời điểm đang nối lưới phải có khả năng duy trì vận hành phát điện tương ứng với dải điện áp tại điểm đấu nối trong thời gian như sau:
Điện áp dưới 0,3 pu, thời gian duy trì tối thiểu là 0,15 giây.
Điện áp từ 0,3 pu đến dưới 0,9 pu, thời gian duy trì tối thiểu được tinh theo công thức sau:
Tmin (giây): Thời gian duy trì phát điện tối thiểu U (pu): Điện áp thực tế tại điểm đấu nối tính theo đơn vị pu.
Điện áp từ 0,9 pu đến dưới 1,1 pu, nhà máy điện gió và nhà máy điện mặt trời phải duy trì vận hành phát điện liên tục.
Điện áp từ 1,1 pu đến dưới 1,15 pu, nhà máy điện gió và nhà máy điện mặt trời phải duy trì vận hành phát điện trong thời gian 03 giây.
Điện áp từ 1,15 pu đến dưới 1,2 pu, nhà máy điện gió và nhà máy điện mặt trời phải duy trì vận hành phát điện trong thời gian 0,5 giây.
Nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời phải đảm bảo không gây ra thành phần thứ tự nghịch của điện áp pha tại điểm đấu nối quá 01 % điện áp danh định. Nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời phải có khả năng chịu được thành phần thứ tự nghịch của điện áp pha tại điểm đấu nối tới 03 % điện áp danh định đối với cấp điện áp từ 220 kV trở lên.
Tổng mức biến dạng sóng hài do nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời gây ra tại điểm đấu nối không vượt quá giá trị 03 %.
Mức nhấp nháy điện áp do nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời gây ra tại điểm đấu nối không được vượt quá giá trị quy định tại Điều 9 Thông tư qui định hệ thống truyền tải số: 25/2016/TT – BCT.
Kết nối lưới
Hiện nay, các turbine gió đều được lắp đặt loại biến đổi tốc độ Việc biến đổi tần số máy phát ngõ ra chỉnh lưu ra một chiều và sau đó nghịch lưu ra xoay chiều với trị hiệu dụng và tần số có thể thay đổi được để hoà lưới Các bộ phận biến đổi trên được nhà sản xuất định sẵn trong turbine của máy phát tự điều chỉnh điện áp ngõ ra, tần số phù hợp với lưới điện.
Bộ nghịch lưu xoay chiều.
Hình 3.1 sơ đồ mạch bộ nghịch lưu ba pha
CHƯƠNG III: KẾT NỐI HỆ THỐNG ĐIỆN LƯỚI QUỐC GIA
Mạch điện tử công suất sử dụng để chuyển từ một chiều sang xoay chiều gọi là bộ nghịch lưu Ngõ vào của bộ nghịch lưu được lấy từ ngõ ra một chiều của nhà máy gió. Điện áp pha bộ nghịch lưu được tính như sau:
Phương pháp kết nối lưới
Tùy vào đặc tính của máy phát thì ta có các phương pháp kết nối khác nhau.
Máy phát kiểu cảm ứng thì ta có thể nối trực tiếp với lưới mà không cần biến tần Đối với loại này thì:
Có công suất thay đổi khi thay đổi vận tốc gió.
Có dòng vào lớn khi kết nối với mạng lưới điện.
Có tiếng ồn lớn do bộ tăng tốc và cánh rotor gây ra. Đối với loại máy phát đồng bộ và không đồng bộ thì ta sử dụng bộ biến tần Ta có các đặc điểm sau:
Bộ biến tần không điều khiển.
Bộ biến tần điều khiển bán phần.
Bộ biến tần điều khiển toàn phần.
Hình 3.2 Cấu trúc của bộ biến tần.
Bộ biến tần được sử dụng để cung cấp điện cho các tải tiêu thụ với tần số phù hợp với tần số lưới Tuỳ thuộc vào thiết kế bộ biến tần mà nó có thể ảnh hưởng tới máy phát và mạch IC Điều này không xảy ra nếu ta sử dụng cầu chỉnh lưu không điều khiển, sử dụng bộ biến tần xung, các thông số của máy phát có thể sử dụng qua độ lớn và pha của máy phát.
Điều khiển công suất
Điện áp và dòng điện thì đặc biệt được đo 128 lần trên 1 chu kỳ dòng điện xoay chiều Trên cơ sở này bộ xử lý DSP tính toán sự ổn định tần số lưới, công suất thực và công suất phản kháng của turbine. Để bảo đảm chất lượng của công suất bộ điều chỉnh có thể đóng hoặc mở một số lượng lớn tụ điện, nhiệm vụ của các tụ này là điều chỉnh công suất phản kháng(góc lệch pha giữa điện áp và dòng).
Sử dụng DG vào hệ thống lưới phân phối
3.5.1 Giới thiệu về DG (Distributed Generrator)
Năng lượng sử dụng nhiều nhất là năng lượng hoá thạch, năng lượng hóa thạch là năng lượng hữu hạn nó chỉ đáp ứng cho nhu cầu của con người vài chục năm nữa. Ngoài ra năng lượng hoá thạch còn gây nên ô nhiễm môi trường và nguyên nhân gây ra hiệu ứng nhà kính Để giải quyết vấn đề trên phải tìm ra nguồn năng lượng tái
CHƯƠNG III: KẾT NỐI HỆ THỐNG ĐIỆN LƯỚI QUỐC GIA sinh, năng lượng tự nhiên để thay thế Sử dụng nguồn năng lượng tái sinh hiệu quả, chúng ta sử dụng các máy phát công suất nhỏ gọi là máy phát phân bố gọi tắt là
DG Các máy phát này cung cấp trực tiếp cho hộ tiêu thụ nói một cách khác chúng đưa trực tiếp điện vào lưới phân phối Khi lượng điện còn dư thì nó mới đẩy lên lưới điện truyền tải để truyền tải cho những nơi khác.
Hình 3.3 Vị trí của máy phát phân bố trong hệ thống điện
Vì DG thường được sử dụng với nguồn năng lượng tài sinh có công suất vừa và nhỏ nó sẽ ưu tiên cung cấp điện cho khu vực đó Vì vậy DG có những ưu điểm như sau:
Về phía nhà cung cấp :
Giảm tổn thất điện năng trên lưới phân phối và truyền tải do nguồn DG phát trực tiếp vào lưới phân phối.
DG làm giảm sự phụ thuộc của khách hàng vào nguồn phát trung tâm.
Máy phát phân bố làm đa dạng hoá nguồn năng lượng điện, tận dụng nguồn năng lượng sẵn có ở địa phương.
DG nâng cao chất lượng điện năng.
DG sử dụng nguồn năng lượng sạch không gây ô nhiễm môi trường.
Về phía khách hàng tiêu thụ:
DG nâng cao hiệu suất năng lượng giảm tổn thất năng lượng nhờ kết hợp với các nguồn điện sẵn có ở địa phương.
DG góp phần nâng cao độ tin cậy do sử dụng nguồn dự phòng.
3.5.2 Ứng dụng của DG (Distributed Generator)
DG cung cấp nguồn năng lượng liên tục
Cung cấp cho khách hàng dùng điện ít nhất 6000h/năm Vì vậy DG sử dụng nhiều trong ngành chế biến thực phẩm, công nghệ chất dẻo, công nghệ hoá học Trong lĩnh vực thương mại DG được dùng nhiều trong các khoa dự trữ.
DG dùng chạy công suất đỉnh
Các máy phát hoạt động giảm bớt áp lực về nhu cầu điện, hạn chế việc mua điện trong thời gian giá cao Ưu điểm nổi bật khi DG chạy đỉnh là chi phí lắp đặt thấp, khởi động nhanh, chi phí bảo trì ổn định mức thấp.
DG cung cấp nguồn năng lượng sạch
DG có thể sử dụng nguồn năng lượng tái sinh như năng lượng gió, năng lượng mặt trời Các nguồn này không gây ô nhiễm môi trường Các nguồn năng lượng tái tạo không sử dụng máy phát công suất lớn phát trực tiếp vào lưới điện.
DG cung cấp nguồn năng lượng phụ trợ
Nguồn dự trữ: Máy phát làm việc không tải hoạt động đồng thời và sẵn sàng ứng phó.
Nguồn dự trữ, nguồn bổ sung: vận hành bên ngoài độc lập với hệ thống nhưng khi hệ thống yêu cầu sẽ cung cấp thời gian ấn định.
Ảnh hưởng của DG đối với lưới phân phối
DG làm thay đổi mạnh mẽ vào hệ thống nguồn phát, nguồn phát có thể tập trung hay phân bố, chúng đều hợp nhất thành một hệ thống điện thống nhất Công suất các
CHƯƠNG III: KẾT NỐI HỆ THỐNG ĐIỆN LƯỚI QUỐC GIA nguồn phát này phụ thuộc vào nguồn sơ cấp ở địa phương Các nguồn phát này được biết như nguồn năng lượng phân bố DG là nguồn phát có công suất từ vài chục kW đến vài vài chục MW các nguồn này bơm trực tiếp vào lưới phân phối để cấp điện cho lưới phân phối.
DG sẽ thay đổi lưới phân phối một cách mạnh mẽ thay vì điện được sản xuất từ các nhà máy có công suất lớn và truyền tải đến hộ tiêu thụ, DG giúp ích khách hàng như sau:
Có mức độ độc lập nhất định với nguồn điện lực.
Nâng cao độ tin cậy nguồn cung cấp.
Thân thiện với môi trường.
Tuy nhiên việc kết nối DG nếu không dựa trên độ sụt áp cho phép sẽ bị giới hạn bởi khả năng mang dòng của thiết bị, khả năng này được xác định thông qua khả năng tải nhiệt mà nó có thể chịu đựng.
Các bài toán vận hành
Để phát triển thành công nguồn phát và lưới với hệ thống DG yêu cầu phải xây dựng mô hình toán học cho:
Bảo vệ trong lưới phân phối.
Thu thập số liệu, điều khiển DG và hệ thống lưới trên nền SCADA.
Tối ưu và cân bằng tải.
Phân tích quá độ và ổn định trên lưới phân phối.
Phân tích độ tin cậy.
Đánh giá trạng thái trong lưới phân phối có DG.
Có rất nhiều bài toán đánh giá trạng thái của hệ thống điện có máy phát phân phối DG như:
Bài toán phối hợp bảo vệ trong lưới phân phối có DG.
Bài toán đánh giá độ tin cậy của hệ thống.
Bái toán định lượng các chỉ số kỹ thuật.
Bài toán vận hành DG nhằm tối ưu các hàm chi phí.
Bái toán đánh giá trạng thái trong lưới phân phối có DG.
Các bài toán vận hành DG thì rất phức tạp tuy nhiên nếu ta biết được những ưu điểm trong vận hành DG thì có rất nhiều thuận lợi Trong phần này ta chỉ nguyên cứu các cách bảo vệ lưới phân phối có DG và đánh giá trạng thái làm việc của hệ thống trong lưới phân phối có DG Qua đó ta tìm ra những ưu nhược 58 điểm của hệ thống, để phát triển nâng cao các ưu điểm và khắc phục các nhược điểm đó.
3.7.1 Bài toán phối hợp bảo vệ trong lưới phân phối có DG
Tất cả các hệ thống phân phối điện áp thấp đều có cấc trúc hình tia Chúng lấy năng lượng thông qua một hay nhiều máy biến áp (giảm áp) Trong khi đó, hệ thống lưới trung áp có cấu trúc kín nhưng vận hành hở.
Bảo vệ máy biến áp phân phối:
Việc bảo vệ DG phải đáp ứng đúng nhu cầu của người sở hữu và người vận hành cả đơn vị máy phát và hệ thống điện Để chuẩn hoá việc bảo vệ DG, ở Thuỵ Điển người ta ra tiêu chuẩn AMP trong việc kết nối những máy phát công suất nhỏ với hệ thống Những tiêu chuẩn này dựa trên chất lượng điện năng của quốc gia và bao gồm những bảo vệ khác như nối đất, bù công suất phản kháng, sóng hài, giao động, bảo vệ và đo lường.
Những chức năng bảo vệ cơ bản là bảo vệ máy phát và turbine khỏi bị hư hại về cơ khí, quá nhiệt và hỏng cách điện Ngoài ra cần phải bảo vệ ngắn mạch, điện áp và tần số bất thường đổi chiều công suất và mất đối xứng.
CHƯƠNG III: KẾT NỐI HỆ THỐNG ĐIỆN LƯỚI QUỐC GIA
Bảo vệ ngắn mạch: sự cố bảo vệ ngắn mạch trên máy phát hay cáp nối và máy biến áp làm dòng ngắn mạch tăng cao, gây hư hại thiết bị cho nên phải bảo vệ DG bằng cách sử dụng cầu chì hay CB kết hợp với relay để bảo vệ.
Bảo vệ bất đối xứng: Yêu cầu bảo vệ DG khi sự cố bất đối xứng, đó là sự có ngắn mạch bất đối xứng hay sự cố hở 1 pha trong hệ thống sẽ làm cho dòng bất đối xứng tăng lên.
Bảo vệ hệ thống Đa số hệ thống lưới phân phối hạ áp được bảo vệ bằng cầu chì Đối với hệ thống trung áp nối đất qua tổng trở cao người ta sử dụng bảo vệ ngắn mạch nhằm phát hiện sự cố ngắn mạch nhiều pha và sự cố chạm đất Để bảo vệ sự cố trên người ta sử dụng các CB Khi gặp sự cố chạm đất thông thường người ta cắt các
CB ở pháp tuyến trung gian.
Ảnh hưởng của DG đối với hệ thống bảo vệ
DG sẽ cung cấp một phần công suất cho tải và dòng sự cố Hiện nay, hầu hết các lưới phân phối đều được trang bị hệ thống bảo vệ quá dòng nhằm loại bỏ sự cố bằng cách mở CB hay làm chảy cầu chì ở khu vực phía trên sự cố Với sự có mặt của DG, sự cố ngắn mạch trong nhiều trường hợp có thể xử lý bởi các thiết bị tương tự nhưng cần phải phối hợp chặt chẽ trong việc bảo vệ.
Yêu cầu tối thiếu trong hệ thống là phải có một bảo vệ ngắn mạch và một bảo vệ sự cố chạm đất ở tất cả những vị trí mà dòng sự cố cung cấp vào hệ thống.
3.7.2 Bài toán đánh giá trạng thái của hệ thống lưới phân phối có DG
Có nhiều phương pháp để đánh giá trạng thái trên lưới phân phối: phương pháp bình phương tối thiểu có gia trọng (WLS) Phương pháp WLS với ràng 60 buộc, phương pháp đánh giá cực tiểu hàm trị tuyệt đối, phương pháp đánh giá Huber, áp dụng công nghệ IA vào bài toán đánh giá trạng thái trên cơ sở phương pháp WLS với việc đề xuất áp dụng mạng neural.
Bài toán đánh giá trạng thái trong lưới phân phối là bài toán lớn trong đó có rất nhiều bài toán nhỏ như:
Bài toán định vị đo lường.
Bài toán đánh giá tải, cây đo lường.
Bài toán nhận dạng dữ liệu xấu.
Bài toán nhận dạng sai số cấu hình.
Bài toán đánh giá điện áp, góc pha tại các nút trong lưới.
Những năm gần đây do nhu cầu thị trường hoá và nâng cao chất lượng điện năng, các công ty điện bắt đầu tập trung vào lưới phân phối Ngoài ra, theo khuynh hướng tự động hoá các máy phát nhỏ tư nhân sẽ được bơm thẳng vào lưới phân phối để giảm bớt vai trò các công ty điện Sự hiện diện của những máy phát nhỏ trong một lưới phân phối tự động hoá kém đã dẫn đến nhu cầu đầu tư vào tự động hoá của những lưới phân phối và lắp đặt thế hệ đầu tiên của SCADA và sự ra đời của DMS.
3.7.3 Dữ liệu lưới phân phối
Dữ liệu đầu vào của bài toán đánh giá trạng thái lưới phân phối bao gồm tất cả các giá trị liên quan tới trang thái tĩnh của trạng thái Các giá trị của trạng thái có thể lấy từ một số trạng thái hoặc phần chung nhất của tất cả các phần tử chúng bao gồm:
Tập hợp tất cả các thiết bị trên lưới cần đánh giá: hệ thống nút, máy phát, đường dây, thiết bị đóng cắt… Với những đặc trưng vật lý của chúng như trở kháng, chiều dài…
Sơ đồ nối dây giữa các phần tử trên lưới.
Hàm đánh giá trạng thái sẽ đánh giá tập hợp giá trị bao gồm các đo lường thực và số đo giả khác nhau (P, Q, V ).
Đo lường biên độ điện áp tại các nút hoặc đưa ra giá trị điện áp trong trường hợp xem đó là số đo giả.
Công suất tác dụng và công suất phản kháng bơm vào nút và đưa ra giá trị nếu xem đó là số do giả.
CHƯƠNG III: KẾT NỐI HỆ THỐNG ĐIỆN LƯỚI QUỐC GIA
Dòng điện bơm vào nút hoặc đưa ra giá trị nếu xem đó là số giả Giá trị của dòng điện này được đưa ra nhờ các hàm đánh giá tải hoặc hàm dự đoán tải.
Trạng thái của các thiết bị đóng cắt.
Dữ liệu đầu ra Đầu ra của đánh giá trạng thái là mô tả hoàn toàn mô hình hiện tại của lưới điện, các vùng quan sát được trên lưới, kể cả các vùng không quan sát được Chúng bao gồm tất cả các giá trị hoặc một số giá trị:
Trạng thái của các thiết bị đóng cắt.
Nhận dạng vùng không quan sát được.
Điện áp mỗi nút trong vùng quan sát được.
Công suất tác dụng, phản kháng mỗi nút trong vùng quan sát được.
Công suất tụ bù trong vùng quan sát được.
Công suất tác dụng, phản kháng của tải.
Công suất tác dụng, phản kháng trên các nhánh.
Công suất tác dụng, phản kháng trên máy phát.
Dòng điện trên các nhánh…