Mục tiêu nghiên cứu
Nguồn điện gió mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc kết nối với hệ thống truyền tải gặp phải nhiều thách thức kỹ thuật Mục tiêu của nghiên cứu này là giải quyết các vấn đề kỹ thuật để đảm bảo nguồn điện gió hoạt động an toàn và khai thác tối đa công suất của nó.
Luận văn thạc sĩ Kĩ thuật Nghiên cứu
Giải quyết các vấn đề kỹ thuật là rất quan trọng để đảm bảo mạng điện nối lưới hoạt động an toàn và tin cậy Việc điều khiển công suất của nguồn điện gió giúp tối ưu hóa hiệu suất khai thác công suất tối đa trong hệ thống truyền tải điện.
Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Luận văn này đề xuất các phương pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo an toàn và tin cậy khi kết nối nguồn điện gió với lưới điện Nghiên cứu đưa ra các phương án điều khiển để tối ưu hóa công suất của nguồn điện gió và đảm bảo phát điện lên lưới một cách hiệu quả Ý nghĩa thực tiễn của đề tài xuất phát từ nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng gió, mặc dù việc kết nối với lưới điện gặp nhiều thách thức Thành công của nghiên cứu sẽ giúp cải thiện việc kết nối nguồn điện gió với lưới điện, góp phần vào sự phát triển bền vững và hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng tái tạo.
4 Dự kiến các kết quả đạt được
Phân tích các vấn đề kỹ thuật quan trọng khi kết nối nguồn điện gió với hệ thống truyền tải năng lượng Đánh giá các yếu tố như điện áp, dòng điện sự cố, biện pháp bảo vệ và độ tin cậy cung cấp điện từ nguồn điện gió Nghiên cứu những ảnh hưởng của việc ghép nối nguồn điện gió với đường dây truyền tải để đảm bảo hiệu suất và an toàn trong hệ thống điện.
Để khai thác tối đa công suất của nguồn điện gió, cần áp dụng các phương pháp tối ưu hóa như điều chỉnh góc nghiêng của cánh quạt và sử dụng hệ thống điều khiển thông minh Việc điều khiển công suất của nguồn điện gió trong đường dây truyền tải cũng rất quan trọng, bao gồm việc sử dụng các thiết bị chuyển đổi tần số và hệ thống quản lý năng lượng để đảm bảo hiệu suất truyền tải cao nhất và ổn định điện áp.
Phương pháp nghiên cứu
Luận văn được sử dụng kết hợp hai phương pháp: nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên máy tính
Dựa trên các tính chất, định luật vật lý nguồn điện gió
Lý thuyết về nguồn điện gió và ghép nối đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển công suất của nguồn điện gió trong hệ thống truyền tải Việc áp dụng lý thuyết này giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải năng lượng gió, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả cho lưới điện.
Thực nghiệm trên máy tính, hay còn gọi là mô phỏng, là quá trình sử dụng phần mềm chuyên dụng để mô phỏng hệ thống, nhằm xác minh và kiểm chứng các kết quả lý thuyết đã được đưa ra.
Các công cụ, thiết bị cần thiết cho nghiên cứu
Máy tính, phần mềm mô phỏng
Các tài liệu có liên quan đến nguồn điện gió
Luận văn thạc sĩ Kĩ thuật Nghiên cứu
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ NỐI VÀO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI
GIỚI THIỆU VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ
Việt Nam sở hữu bờ biển dài khoảng 3.260 km và nhiều hải đảo, cùng với lưu lượng gió mạnh từ biển vào đất liền, tạo ra tiềm năng lớn cho năng lượng gió Do đó, cần tiến hành các nghiên cứu ứng dụng để khai thác hiệu quả nguồn năng lượng tái tạo này.
Bảo vệ môi trường là một trong những tiêu chuẩn hàng đầu cho sự phát triển bền vững của hệ thống năng lượng Việc sử dụng năng lượng truyền thống trong quá khứ đã gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường, từ quá trình khai thác đến vận chuyển và sử dụng Để đối phó với tình hình này, cần thiết phải tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế cho các nhà máy điện truyền thống.
Hiện nay, nguồn điện phân tán như điện gió, pin mặt trời và thủy điện nhỏ đang phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam, với nhiều nguồn đã đi vào vận hành Tuy nhiên, việc giải quyết các vấn đề kỹ thuật liên quan đến việc ghép nối nguồn điện phân tán với hệ thống truyền tải vẫn gặp nhiều khó khăn.
- Còn thiếu các tiêu chí về kỹ thuật phù hợp để đánh giá một cách đầy đủ vai trò và ảnh hưởng của DG đến đường dây truyền tải
Khi DG hoạt động song song với đường dây truyền tải, nó có thể ảnh hưởng đến cấu trúc truyền thống của hệ thống này Nếu không áp dụng các biện pháp thích hợp, tổn thất công suất trong đường dây truyền tải có thể gia tăng Do đó, việc khai thác tối đa công suất của nguồn cũng cần được xem xét kỹ lưỡng.
- Vấn đề nối DG với đường dây truyền tải một cách an toàn cũng cần phải xét đến
Với sự đa dạng của công nghệ và sự phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên, cần nghiên cứu kỹ lưỡng các vấn đề kỹ thuật liên quan đến ảnh hưởng của DG đến công suất, điện áp, dòng điện sự cố và các biện pháp khắc phục.
Luận văn thạc sĩ Kĩ thuật Nghiên cứu tập trung vào việc bảo vệ và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, cũng như khai thác tối đa công suất của nguồn điện và điều khiển hệ thống phát điện phân tán (DG) khi kết nối với đường dây truyền tải Đề tài “Nghiên cứu giải quyết vấn đề kỹ thuật khi nối DG vào đường dây truyền tải” được lựa chọn nhằm mục đích giải quyết các vấn đề kỹ thuật liên quan đến việc kết nối này.
I.1.2 Năng lượng gió Để tồn tại và phát triển từ xa xưa loài người đã biết sử dụng các dạng năng lượng khác nhau Theo sự phát triển của lịch sử, con người đã phát hiện và sử dụng nhiều năng lượng Năng lượng là động lực cho mọi hoạt động vật chất và tinh thần của loài người Trình độ sản xuất càng cao thì càng tiêu tốn nhiều năng lượng và tạo ra thách thức vô cùng to lớn đối với môi trường sống
Một trong những tiêu chí quan trọng nhất cho sự phát triển bền vững của hệ thống năng lượng là bảo vệ môi trường Việc sử dụng các nguồn năng lượng truyền thống trong quá khứ đã gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường.
Trước tình hình khai thác và vận chuyển năng lượng hiện tại, việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế cho các nhà máy điện truyền thống là rất cần thiết.
Năng lượng tái tạo đang ngày càng trở thành nguồn năng lượng chủ chốt trong cuộc sống con người và dự kiến sẽ là nguồn phát điện chính trong tương lai Tại Việt Nam, các nguồn điện phân tán như điện gió, pin mặt trời và thủy điện nhỏ đang phát triển mạnh mẽ, với nhiều dự án đã đi vào hoạt động.
Gió là một dạng năng lượng từ mặt trời, hình thành do sự đốt nóng của mặt trời lên khí quyển, sự quay của trái đất và sự không đồng đều trên bề mặt trái đất Luồng gió thay đổi theo địa hình, nước, cây cối và hoạt động của con người, được sử dụng cho nhiều mục đích như di chuyển, thả diều và phát điện Năng lượng gió được coi là một quá trình, được ứng dụng để tạo ra năng lượng cơ học hoặc điện.
I.1.3 Năng lượng gió trên thế giới
Nghiên cứu và ứng dụng năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió, đang được nhiều quốc gia, bao gồm cả những nước có nền công nghiệp phát triển, quan tâm và triển khai.
Luận văn thạc sĩ Kĩ thuật Nghiên cứu năng lượng hiện đang được quan tâm đặc biệt tại các quốc gia phát triển như Nga, Mỹ, Pháp, CHLB Đức, Hà Lan, Anh, Đan Mạch, Tây Ban Nha và Thụy Điển Nghiên cứu này áp dụng các thành tựu mới từ nhiều ngành khoa học tiên tiến như thủy khí động lực học, tự động điều khiển, cơ học kết cấu, truyền động thủy lực và vật liệu mới Nhờ đó, việc nghiên cứu và ứng dụng năng lượng gió đã đạt được những tiến bộ vượt bậc về chất lượng thiết bị và quy mô ứng dụng.
Từ những cối xay gió có hiệu suất chỉ khoảng 20%, công nghệ động cơ gió phát điện đã tiến bộ vượt bậc với cánh quạt khí động học, đạt hiệu suất sử dụng lên đến 42% Các phương pháp và hệ thống điều khiển tự động hiện đại giúp ổn định số vòng quay của động cơ gió, trong khi các động cơ lớn còn sử dụng hệ thống điều khiển điện thủy lực và máy tính điện tử Ngoài ra, các vật liệu mới như hợp kim nhôm và polime cốt sợi thủy tinh được áp dụng để chế tạo cánh quạt, đảm bảo độ bền cao và khả năng chịu gió bão trong mọi điều kiện thời tiết.
Tại những nơi có gió tốt, người ta ghép nhiều động cơ gió với nhau tạo thành
Rừng máy phát điện gió có thể chế tạo động cơ gió với đường kính lên đến 80m và công suất đạt tới 3000kW Tuy nhiên, quy mô phát triển ứng dụng năng lượng gió phụ thuộc vào vị trí địa lý, tiềm năng gió và trình độ phát triển công nghiệp Hiện nay, dung lượng lắp đặt turbine gió toàn cầu tăng khoảng 25% mỗi năm.
Hình 1.1: Dự báo tăng trưởng điện gió trên biển và đất liền đến năm 2030
Luận văn thạc sĩ Kĩ thuật Nghiên cứu
MỘT SỐ SƠ ĐỒ VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ
Sơ đồ ghép nối DG vào đường dây truyền tải được chia ra làm ba khối chính:
- Các thiết bị điều khiển kết nối lưới
I.2.1.1 Turbine gió và đặc tuyến của Turbine gió
Có thể nói turbine gió là một trong những phát minh đầu tiên được gọi là
Máy móc đã thay thế sức lao động chủ yếu trong nông nghiệp, đặc biệt trong việc xay sát và nghiền, với tên gọi phổ biến là "Máy chong chóng" hay máy xay gió Khi công nghiệp phát triển, máy xay gió không chỉ giữ nguyên chức năng truyền thống mà còn được cải tiến về cấu trúc, vật liệu và chức năng, tham gia vào sản xuất điện năng Các tên gọi mới như Wind Generator (WG), Wind Turbine (WT), Wind-Turbine Generator (WTG) và Wind Energy Conversion System (WECS) đã ra đời, phản ánh sự tiến bộ trong công nghệ năng lượng gió.
Turbine gió trong hệ thống phát điện được phân loại đa dạng, trong đó một cách phân biệt chính là theo trục cánh Hầu hết turbine gió sử dụng trục ngang, tuy nhiên, turbine trục đứng cũng ngày càng phát triển với nhiều kiểu dáng đa dạng nhằm cải thiện hiệu suất và tính thẩm mỹ Mặc dù turbine gió trục đứng mang lại một số lợi ích, nhưng chúng cũng gặp phải nhược điểm như cánh gần mặt đất, dẫn đến việc nhận được tốc độ gió thấp hơn và không khí gần mặt đất thường hỗn loạn hơn.
Luận văn thạc sĩ về Kĩ thuật nghiên cứu cho thấy rằng sự loạn lưu có thể làm tăng nhiễu cho các turbine trục đứng Do đó, hầu hết các turbine gió hiện nay được thiết kế theo dạng trục ngang để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
* Cấu tạo của Turbine gió nối với nguồn điện:
Hình 1.3: Cấu tạo của Turbine gió trục ngang
Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điều khiển
Blades: Cánh quạt Gió thổi qua các cánh quạt là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động quay
Brake: Bộ hãm (phanh) Dùng để dừng Rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ
Controller: Bộ điều khiển Điều khiển máy phát (chủ yếu là điều khiển dòng điện Rotor của máy phát)
Hộp số là một thiết bị quan trọng trong hệ thống truyền động, giúp kết nối trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ cao Thiết bị này tăng tốc độ quay từ 30 - 60 vòng/phút lên đến 1200 - 5000 vòng/phút, đáp ứng yêu cầu tốc độ quay của hầu hết các máy phát điện.
High – Speed Shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao
Low – Speed Shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ thấp
Luận văn thạc sĩ Kĩ thuật Nghiên cứu
Nacelle là vỏ bọc bên ngoài có chức năng bảo vệ các thành phần bên trong Một số loại nacelle cần đủ rộng để kỹ thuật viên có thể đứng bên trong khi thực hiện công việc.
Pitch: Bước răng Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho Rotor quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện
Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục
Tháp gió là trụ đỡ cho vỏ, thường được chế tạo từ thép hình trụ Khi chiều cao của trụ tăng lên, tốc độ gió cũng gia tăng, giúp thu hoạch nhiều năng lượng gió hơn.
Wind Vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “Yaw Drive” để định hướng
Yaw Drive: Dùng để giữ cho Rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió
Yaw Motor: Động cơ cung cấp cho “Yaw Drive” định được hướng gió
Hình 1.4: Cấu tạo bên trong của một Turbine gió
Luận văn thạc sĩ Kĩ thuật Nghiên cứu
Biến đổi năng lượng gió tuân theo nguyên lý về khả năng sử dụng gió và tối ưu hóa Turbine Khi Turbine gió được đặt trong dòng chảy không khí, không khí sẽ bị ứ lại, dẫn đến tăng áp suất và giảm vận tốc Khi dòng chảy chạm vào bề mặt Turbine, nó sẽ truyền năng lượng cho Turbine.
Dòng chảy phía sau Turbine bị nhiễu xoáy, gây bởi chuyển động của Turbine và sự tác động với các dòng không khí xung quanh
Dòng chảy cần được duy trì để đảm bảo hiệu suất của Turbine Điều này dẫn đến việc năng lượng mà Turbine thu nhận sẽ bị giới hạn Nếu Turbine hấp thụ toàn bộ năng lượng gió, vận tốc gió phía sau Turbine sẽ giảm xuống còn bằng không.
Để đảm bảo sự cân bằng giữa khối lượng và vận tốc trong dòng chảy, năng lượng qua Turbine sẽ bị mất mát Theo nghiên cứu của Carl Betz vào năm 1927, công thức tính toán cho thấy rằng hệ tối ưu có thể thu nhận tối đa một tỷ lệ phần trăm năng lượng gió nhất định.
Trong đó: P là mật độ năng lượng [N/ m 2 ]
Ar là điện tích quét của cánh Turbine [m 2 ]
Vo là vận tốc gió ban đầu – Mật độ năng lượng trên một đơn vị thể tích dòng chảy không khí [m/s]
Giới hạn Betz, hay hệ số Betz, được xác định là 0,593, tương ứng với hệ số công suất cực đại của động cơ gió trục ngang là 16/27, tức 59,3% Betz đã chứng minh điều này vào năm 1927, trong trường hợp lý tưởng với số cánh vô hạn và trở lực bằng không.
Trong thực tế có ba nhân tố làm giảm nhỏ hệ số công suất cực đại đó là:
(1) Phía sau Turbine gió tồn tại dòng xoáy
(2) Số cánh của Turbine gió là có hạn
(3) Cd/Cl (trong đó: Cd là hệ số cản, Cl là hệ số nâng)
Luận văn thạc sĩ Kĩ thuật Nghiên cứu
2 𝜌 𝑉 2 𝐴 Trong đó: ρ là mật độ không khí [kg/m 3 ]
V là vận tốc dòng không khí (gió) không bị nhiễu loạn [m/s]
A là diện tích hình chiếu cánh quạt (diện tích hứng gió) [m 2 ]
Khi diện tích bề mặt hưng gió của cánh Turbine thay đổi, hiệu suất sử dụng năng lượng gió cũng sẽ thay đổi, ảnh hưởng đến lực tác dụng lên cánh quạt và làm quay Turbine Mặc dù khi gió tăng tốc độ, năng lượng gió gia tăng, nhưng công suất trên trục Turbine lại hầu như không tăng.
Để đảm bảo tần số phát ra ổn định từ máy phát điện gió, cần thiết phải duy trì diện tích bề mặt hứng gió ổn định, điều này liên quan đến việc xác định góc điều khiển của turbine gió.
* Xác định góc cánh điều khiển của Turbine gió
Turbine gió trục đứng với 5 cánh phẳng hình chữ nhật yêu cầu điều chỉnh liên tục góc cánh để tối ưu hóa hiệu suất Việc này cần phải phù hợp với vị trí cánh, hướng gió, cường độ gió và công suất đặt của Turbine Để xác định góc cánh điều khiển, cần phân tích động lực học của cánh gió Turbine tại các vị trí khác nhau.
Hình 1.5: Phân tích động lực học cánh gió Luận văn thạc sĩ Kĩ thuật Nghiên cứu
Trong đó: α là góc định vị ở tâm θ là góc cánh (đại lượng cần điều khiển) γ là góc tới
Giả thiết tốc độ gió tác động vào cánh của Turbine là
→ , ta phân tích nó thành 𝑉 hai thành phần, một thành phần song song với mặt cánh là
→ một thành phần vuông 𝑊 góc với mặt cánh là
Với biên độ dạng cánh là phẳng thì thành phần
→ sẽ gây lực F𝑊 d còn thành phần
→ sẽ gây lực F𝑈 l mới có tác dụng gây ra chuyển động của cánh
→ là tốc độ theo phương tiếp tuyến
→ là tốc độ theo phương hướng tâm
Lực hướng tâm tác động lên cánh do thành phần theo phương hướng tâm, trong khi thành phần theo phương tiếp tuyến tạo ra lực hiệu dụng Fhd, giúp cánh chuyển động.
2 𝜌 𝐶 ℎ𝑑 𝐴 𝑈 ℎ𝑑 2 Trong đó: ρ là mật độ không khí [kg/m 3 ]
Uhd là vận tốc của gió theo phương tiếp tuyến [m/s]
A là diện tích cánh gió [m 2 ]
Hệ số lực hiệu dụng Chd là một yếu tố quan trọng trong lý thuyết tối ưu hóa hiệu suất biến đổi năng lượng gió Tại một vị trí xác định (α được xác định), giá trị Fhd cần đạt mức tối đa Fhdmax để đảm bảo hiệu quả tối ưu trong quá trình khai thác năng lượng gió.
Fhd ta thấy Fhd đạt giá trị lớn nhất khi Uhd đạt giá trị lớn nhất
Từ hình vẽ ta có:
U = V.sinγ, Uhd = U.cosθ = V.sinγ.cosθ
Luận văn thạc sĩ Kĩ thuật Nghiên cứu
=> U = v.sinα.cosθ = v.sin(θ-α-90 0 ).cosθ = v.cos(θ-α).cosθ
Khi α là xác định thì Uhd đạt giá trị lớn nhất
Từ mối quan hệ giữa góc cánh θ và góc định vị α ta có thể xác định được góc cánh điều khiển ở bất kỳ vị trí nào của cos(2θ-α) = 1 => 𝜃 = 𝛼
Sau đây ta xác định góc cánh điều khiển của một cánh của Turbine ở 10 vị trí như sau:
Góc định vị α (độ) 0 36 72 108 144 180 216 252 288 324 360 Góc cánh ĐK θ (độ) 0 18 36 54 72 90 108 126 144 162 180
Hình 1.6: Góc điều khiển của một cánh gió ở 10 vị trí khác nhau
Với các cánh còn lại của Turbine ta cũng điều khiển góc cánh tương tự như vậy khi ở các vị trí tương ứng
Góc cánh ở trên ứng với tốc độ gió bằng tốc độ gió định mức V=V0, trong trường hợp tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ gió định mức V>V0 cos(2𝜃 − 𝛼) < 1 => 𝜃 ≠ 𝛼
2 Như vậy lực Fhd được ổn định và tốc độ của Turbine cũng được ổn định
* Công suất của Turbine gió
Công suất của Turbine gió được tính toán theo công thức sau:
Luận văn thạc sĩ Kĩ thuật Nghiên cứu
2 𝜌 𝑡𝑏 𝜋 𝑅 𝑐𝑔 2 𝑣 𝑔𝑚 3 𝐶 𝑡𝑏 Trong đó: ρtb là mật độ không khí [kg/m 3 ]
Rcg là bán kính của cánh gió [m] vgm là tốc độ gió ở một khoảng cách đủ xa trước cánh gió [m/s]
GIỚI THIỆU VỀ ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI TRUNG ÁP
Hiện nay có nhiều cách để phân loại các đường dây, theo cấp điện áp người ta có thể phân biệt:
- Đường dây hạ áp (low voltage: LV) tương ứng với cấp điện áp U < 1 kV
- Đường dây trung áp (medium voltage: MV): 1 kV