Luận văn thạc sĩ Thiết bị, mạng và nhà máy điện: Khảo sát ổn định nhà máy điện gió

Khi kết nối máy phát phân tán DG đặc biệt là máy phát phân tán sử dụng năng lượng gió DG gió với hệ thống điện sẽ nảy sinh nhiều vấn đề, trong đó ổn định của hệ thống kết nối là vấn đề r

DẪN NHẬP

Giới thiệu chung

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế xã hội là sự gia tăng của phụ tải điện, đòi hỏi ngành điện phải đầu tư xây dựng các nhà máy điện cũng như phát triển và hoàn thiện hệ thống truyền tải và phân phối Việc xây dựng những nhà máy phát điện công suất lớn đòi hỏi phải có thời gian dài và vốn đầu tư lớn Các nguồn năng lượng này là hữu hạn ngày càng cạn kiệt, nó chỉ đảm bảo cho nhu cầu về năng lượng của chúng ta trong thời gian nhất định Để khắc phục tình trạng trên thì việc đưa vào sử dụng nguồn năng lượng tái tạo để sản xuất điện năng được xem là một trong những phương án tối ưu Trong đó năng lượng gió (Wind Power) là một lựa chọn

Gió có sẵn trong tự nhiên, xây dựng nhà máy điện từ gió không tốn nhiều tiền bằng chi phí xây dựng nhà máy phát điện từ các nguồn năng lượng khác Dưới góc độ môi trường, gió là nguồn nguyên liệu sạch, không gây ô nhiễm nguồn nước và không khí

Tuy nhiên năng lượng từ gió là nguồn năng lượng rất lớn nhưng là nguồn năng lượng phân tán và khó có phương tiện tập trung sức gió lớn như tập trung năng lượng của dòng nước Tốc độ của gió thay đổi theo thời gian trong phạm vi rộng và liên tục Không thể điều chỉnh khối lượng gió đi vào các động cơ gió giống như điều chỉnh lưu lượng nước vào turbine thủy lực

Như vậy với sự xuất hiện của nhà máy điện gió sẽ nảy sinh các nhiễu loạn trong lưới phân phối, vì vậy việc ổn định lưới điện khi có nhà máy điện gió là rất cần thiết Nhận thức được tầm quan trọng này tác giả tập trung nghiên cứu theo hướng “Khảo Sát Ổn Định Nhà Máy Điện Gió” Đây cũng chính là đề tài nghiên cứu của tác giả trong nhiệm vụ làm luận văn tốt nghiệp thạc sỹ.

Mục tiêu và nhiệm vụ

1 Tìm hiểu về DG gió

2 Vận hành DG gió trong lưới phân phối

3 Khảo sát ổn định của mạng phân phối khi có DG gió

4 Mô phỏng một số trường hợp kết nối DG gió trong lưới phân phối.

Phạm vi nghiên cứu

1 Vận hành và điều khiển DG gió

2 Ổn định của lưới phân phối và DG gió khi tốc độ gió thay đổi

3 Ổn định của lưới phân phối và DG gió khi có ngắn mạch.

Phương pháp nghiên cứu

1 Thu nhập và nghiên cứu các tài liệu liên quan từ cán bộ hướng dẫn, tài liệu sách vở, các bài báo và tài liệu từ internet

2 Tham khảo ý kiến của thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp

3 Tìm hiểu chương trình mô phỏng Matlab/Simulink

4 Tiến hành mô phỏng mô hình trên máy tính.

Các bước tiến hành

1 Thu nhập, chọn lọc, nghiên cứu tài liệu có liên quan

2 Tìm hiểu về công nghệ DG, tìm hiểu về máy phát điện gió

3 Xây dựng mô hình mô phỏng máy phát điện gió trong lưới phân phối

4 Thực hiện mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink, phân tích và đánh giá kết quả và đề xuất phương án thực hiện.

Kết quả dự kiến

Dựa trên kết quả mô phỏng để xem xét, đánh giá và đưa ra kết luận từ đó đề xuất phương án điều khiển, bảo vệ và vận hành DG gió trong hệ thống

Kết luận về kết quả đạt được và các mặt hạn chế của đề tài, đề xuất hướng mở rộng của đề tài.

Điểm mới của luận văn

Mô hình mô phỏng được máy phát điện gió trong lưới phân phối Ổn định và vận hành lưới phân phối khi máy phát điện gió.

Giá trị thực tiễn của luận văn

Khảo sát một số trường hợp điển hình khi có DG gió trong lưới phân phối

Xem xét tác động của Rơle, khảo sát độ tin cậy của hệ thống, ổn định điện áp, ổn định tần số

Làm tài liệu tham khảo và tạo nền tảng để phát triển hướng nghiên cứu sau này.

Nội dung dự kiến của luận văn

Ch ươ ng 1: Máy phát phân tán trong hệ thống điện

Phần này trình bày những khái niệm cơ bản về các loại DG, lợi ích của DG và các ứng dụng của DG trong lưới phân phối

Ch ươ ng 2: Năng lượng gió và máy phát điện năng lượng gió

Nghiên cứu về năng lượng gió trong tự nhiên và các loại máy phát năng

Ch ươ ng 3: Vận hành và ổn định DG gió trong lưới phân phối

Phương pháp vận hành và điều khiển lưới phân phối và máy phát điện gió trong lưới phân phối

Khảo sát các vấn đề về ổn định của lưới phân phối khi có DG gió và của chính DG gió

Ch ươ ng 4: Mô phỏng

Tiến hành mô phỏng các trường hợp kết nối DG gió với lưới trong các trường hợp: tốc độ gió thay đổi, ngắn mạch trong hệ thống

Ch ươ ng 5: Kết luận và hướng mở rộng đề tài

Từ kết quả thu được từ các phần trước, tiến hành phân tích, đánh giá và đưa ra nhận xét và đề xuất phương án Nhận xét các mặt làm được và chưa làm được từ đó đề ra hướng phát triển của đề tài

HỆ THỐNG ĐIỆN

Định nghĩa máy phát phân tán (Distributed Generator – DG)

Nguồn phát phân tán (DG) là các máy phát có công suất từ vài KW đến vài chục MW có thể cung cấp trực tiếp điện năng cho lưới điện phân phối và phụ tải tiêu thụ có vị trí gần DG

Những máy phát này chủ yếu sản xuất năng lượng điện cho người sử dụng cuối cùng Mục đích chính cho việc sử dụng là bổ sung vào sự thiếu hụt của hệ thống điện cũng như tăng cường độ tin cậy và tính liên tục trong việc cung cấp điện mặc khác còn để tận dụng các nguồn năng lượng tái tạo tại địa phương DG cũng có thể được đặt ở những vị trí trong hệ thống sao cho việc vận hành của hệ thống điện là tối ưu.

Một số nguồn phát phân tán chính

Nguồn năng lượng mà trái đất nhận được từ mặt trời là vô tận Năng lượng ánh sáng mặt trời chiếu xuống trái đất trong 30 ngày tương đương với tổng sản lượng từ nhiên liệu hóa thạch đã dùng và chưa dùng của trái đất

Tuy nhiên sử dụng nhiệt năng từ bức xạ mặt trời chưa được phổ biến rộng rãi trong công nghiệp Nguyên nhân chính của tình trạng này cũng giống như đối với toàn bộ ngành năng lượng tái tạo, đó là giá nguyên liệu khoáng đã được duy trì ở mức thấp trong suốt thời gian dài, do đó chưa thực sự đủ để khuyến khích phát triển ngành năng lượng tái tạo

Năng lượng mặt trời có thể dùng để sản xuất điện năng Một số nhà máy điện năng lượng mặt trời, sử dụng các tấm gương có độ cong lớn nhằm hội tụ ánh sáng mặt trời để đun sôi nước chứa trong đường ống sinh ra hơi nước Lượng hơi nước này có thể dùng để quay turbine hơi sinh ra điện năng

Một công ty lớn tại bang California (Mỹ) ngày 11/8/2005 đã ký hợp đồng với hãng Stirling Energy System, Inc, về nghiên cứu triển khai các thiết bị kiểu môđun dùng cho các trạm phát điện bằng năng lượng mặt trời để xây dựng các trạm phát điện bằng năng lượng mặt trời công suất lên đến 500MW

Việt Nam nằm trong vành đai nhiệt đới có vĩ độ từ 8 đến 23 độ Bắc nên có năng lượng mặt trời (NLMT) khá lớn Tuy nhiên tùy thuộc vào điều kiện tự nhiên

Vùng Đông Bắc: là khu vực chịu ảnh hưởng mạnh nhất của gió mùa Đông Bắc lạnh và ẩm nên NLMT thấp nhất cả nước Mật độ NLMT biến đổi trong khoảng từ 250 đến 400 cal/cm 2 /ngày Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 1600 đến 1900 giờ

Vùng Tây Bắc: gồm các tỉnh như Lai Châu, Lào Cai Và vùng Bắc Trung Bộ có NLMT khá lớn Mật độ NLMT biến đổi trong khoảng từ 300 đến 500 cal/cm 2 /ngày Số nắng trung bình trong cả năm khoảng 1800 đến 2100 giờ Đặc điểm chung của bức xạ mặt trời ở Miền Bắc là có sự thay đổi rất rõ rệt giữa mùa Đông (tháng 12, 1, 2) và mùa Hè (tháng 5, 6, 7, 8) NLMT về mùa Hè nói chung lớn gấp 1,5 đến 2 lần so với mùa Đông

Vùng từ Đà Nẵng trở vào: NLMT rất tốt và phân bố tương đối điều hòa trong suốt cả năm Mật độ NLMT biến đổi trong khoảng từ 350 đến 500 cal/cm 2 /ngày Số giờ nắng trung bình cả năm trong khoảng 2000 đến 2500-2600 giờ Đây là khu vực ứng dụng NLMT rất hiệu quả, vì vậy hiện nay được sử dụng khá rộng rãi

Chúng ta có thể chuyển trực tiếp từ ánh sáng mặt trời thành điện năng bằng cách sử dụng pin mặt trời Khi ánh sáng mặt trời tác động vào pin mặt trời, các electron bị tách ra khỏi nguyên tử Các electron di chuyển theo hướng bề mặt Một electron không cân bằng được tạo nên giữa mặt trước và mặt sau Khi hai bề mặt được nối với nhau bằng sợi dây, một dòng điện tạo ra giữa cực âm và cực dương

Các pin mặt trời được sắp xếp với nhau được tạo thành khối pin quang điện và nhiều khối kết hợp với nhau tạo thành dãy pin quang điện Một số dãy pin quang điện được điều chỉnh bởi các thiết bị điều chỉnh tùy thuộc vào ánh sáng mặt trời trong ngày

Hiện nay, các hệ thống pin mặt trời thương mại có các cấp: nhỏ (nhỏ hơn 10kW), trung bình (10-100kW), và lớn (trên 100kW) được nối vào hệ thống phân phối Rào cản chính hiện nay là giá thành cao trong chi phí lắp đặt (6.000 – 10.000USD/kW) Ngoài ra, việc vận hành pin mặt trời còn phụ thuộc vào độ cao lắp đặt và điều kiện thời tiết

Trên thế giới, vấn đề năng lượng mới đang ngày càng được phát triển Năng lượng mặt trời ngày càng được ứng dụng vào cuộc sống nhiều hơn, đến độ, công nghệ sản xuất pin mặt trời không còn là công nghệ cao của riêng những nước phát triển Ở Việt Nam, TP.HCM là địa phương đi đầu thực hiện tiến trình xây dựng, hình thành và phát triển các sản phẩm pin mặt trời, với mục tiêu hình thành các đơn vị sản xuất, thương mại bằng các dây chuyền sản xuất công nghiệp Từ đầu năm 2007, Tp.HCM đã có kế hoạch về việc phát triển dây chuyền sản xuất pin mặt trời, dựa trên việc chuyển giao công nghệ hoặc phát triển công nghệ nội sinh

Trung tâm tiết kiệm năng lượng TP.HCM (ECC – HCM), chủ đầu tư nhà máy sản xuất pin mặt trời mang tên Mặt trời đỏ Nhà máy được khởi công từ cuối tháng 3-2008, nhưng dự án sản xuất pin mặt trời do ECC-HCM phối hợp đầu tư với Công ty cổ phần Mặt trời đỏ đã được chuẩn bị từ hơn 1 năm trước đó, với một hợp đồng mua dây chuyền sản xuất tại Mỹ, và cả một thời gian dài các đơn vị đầu tư tìm kiếm mặt bằng Tuy nhiên, những nghiên cứu về pin mặt trời đã thu hút các nhà khoa học Việt Nam từ hàng chục năm về trước Một số pin mặt trời đã được các nhà khoa học của chúng ta nghiên cứu và sản xuất thành công trong phòng thí nghiệm Nhưng, để tạo ra một dây chuyền sản xuất thương phẩm thì chúng ta chưa từng làm được Đối với một dự án kinh doanh như Mặt trời đỏ, vấn đề là tìm ra thị trường?

Pin nhiên liệu là một thiết bị điện hóa học, dùng để chuyển đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu thành năng lượng điện Sự chuyển đổi trung gian của năng lượng sang năng lượng nhiệt và cơ học là không cần thiết, tất cả các pin nhiên liệu đều bao gồm hai điện cực và chất điện phân Nguyên tắc hoạt động của chúng cũng giống như pin ácquy, điểm khác biệt là không lưu trữ được

Pin nhiên liệu được xem là một trong những giải pháp tốt nhất thay thế cho các dạng nhiên liệu hóa thạch Đó là nguồn cung cấp năng lượng và nhiệt năng có hiệu suất cao, sạch từ nguồn năng lượng ban đầu Ngoài ra nó còn có khả năng tái tạo lại mà ko gây ảnh hưởng đến môi trường và được xem là nguồn năng lượng thay thế trong tương lai

Những lợi ích của máy phát phân tán 1 Những lợi ích kinh tế

- Trì hoãn sự đầu tư trong việc nâng cấp các thiết bị

- Giảm chi phí vận hành và đo lường của một vài công nghệ DG

- Tăng cường hoạt động sản xuất

- Giảm chi phí nhiên liệu vì tăng hiệu suất một cách toàn diện

- Giảm các yêu cầu dự trữ và chi phí kết nối

- Chi phí vận hành thấp hơn

- Tăng độ an toàn cho những tài quan trọng trong lưới phân phối Đứng trên quan điểm thị trường điện, cả khách hàng và nhà cung cấp đều có những lợi ích từ sự hoạt động của DG

1.3.2 Lợi ích của khách hàng

- Tăng tính tin cậy cung cấp điện, có tác động đến việc kinh doanh và công nghiệp, là phần tử cần thiết cho những khu vực mà sự mất điện là không thể chấp nhận hoặc những nơi việc mất điện ảnh hưởng đến sức khỏe con người và an ninh xã hội

- Đưa ra giải pháp cung cấp năng lượng phù hợp với từng khu vực

- Cung cấp năng lượng với chất lượng cao đáp ứng đòi hỏi của nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt trong việc sản xuất các thiết bị đo lường và các thiết bị điều khiển điện tử

- Tăng hiệu suất cung cấp điện do cung cấp điện gần nơi sử dụng tránh tổn hao trên đường dây dẫn điện, sử dụng cả điện và nhiệt sản xuất bởi máy phát phân bố dùng cho việc sưởi ấm và điều hòa nhiệt độ

- Cho phép tiết kiệm bằng cách sử dụng máy phát phân tán trong thời gian cao điểm

- Cung cấp giải pháp sử dụng máy phát phân tán vận hành riêng lẻ đối với khu vực chưa có hệ thống phân phối hoặc quá đắt nếu xây dựng hệ thống lưới điện

- Cho phép sử dụng năng lượng điện ở khu vực có các quy định chặt chẽ về môi trường vì máy phát phân tán có hiệu suất cao và hầu như không thải ra chất gây ô nhiễm

- Đưa đến cho người sử dụng lựa chọn an toàn cho một nhu cầu đặc biệt nào đó

- Rất linh hoạt trong việc lắp đặt do kích thước nhỏ của máy phát phân tán

1.3.3 Lợi ích của nhà cung cấp điện

- Cung cấp giải pháp giúp tiết kiệm chi phí, thời gian lắp đặt nhanh chóng, thân thiện môi trường

- Tránh các khoản đầu tư để nâng cấp hệ thống truyền tải và phân phối bằng cách đặt nguồn gần nơi sử dụng

- Mang đến sự lựa chọn với chi phí thấp trong môi trường cạnh tranh

- Giúp mở rộng thị trường đến những vùng xa xôi không có hệ thống truyền tải và phân phối và nhữn khu vực không có điện do liên quan đến vấn đề môi trường

1.3.4 Lợi ích của Quốc gia

- Giảm các loại khí gây hiệu ứng nhà kính bằng cách sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo

- Đáp ứng nhu cầu năng lượng và giải quyết các vấn đề môi trường với chi phí thấp

- Đảm bảo đáp ứng năng lượng đê tăng cường môi trường cạnh tranh thế giới

Dựa trên những lợi ích đó, người ta đặt ra rất nhiều bài toán vận hành DG

Các bài toán xoay quanh việc chứng minh sự có mặt của DG trong hệ thống là có lợi dựa trên các chỉ số mà họ đặt ra Tuy mỗi bài toán sử dụng các thủ thuật toán khác nhau, đặt ra các hàm mục tiêu khác nhau, nhưng điều có chung một mục đích là xác định vị trí đặt thích hợp và lượng công suất phát cần thiết của DG sao cho sự vận hành trong hệ thống là tối ưu.

Các ứng dụng của máy phát phân tán

• Sử dụng làm nguồn công suất dự phòng: Được áp dụng đối với các khách hàng cần cung cấp liên tục không thể bị cắt điện như các bệnh viện và các khu vực an ninh hoặc những khu vực có mức phí phạt là rất cao

Các máy phát được lắp đặt ở các khu vực như: bệnh viện, trạm bơm nước, các nhà máy sản xuất linh kiện điện tử, để có thể cung cấp điện trong trường hợp hệ thống truyền tải và phân phối bị sự cố bão, các tai nạn nghiêm trọng,

• Kết hợp nhiệt năng và điện năng:

Máy phát phân phối tạo ra một lượng lớn nhiệt năng rất lớn khi chuyển nhiên liệu thành điện Nếu nguồn phát ở gần người sử dụng, nhiệt năng từ các nguồn phát có thể sử dụng bởi khách hàng, trường hợp này gọi là kết hợp nhiệt năng và điện

Mô hình này sẽ có hiệu suất khá lớn nếu áp dụng trong các khu công nghiệp, các tòa nhà lớn, các bệnh viện,

• Dùng phát công suất đỉnh cho đồ thị phụ tải:

Với đặc điểm của DG là nhỏ gọn, cấu tạo khá đơn giản nên thời gian khởi động nhanh, vận hành linh hoạt vì vậy thường được sử dụng để chạy đỉnh, đáp ứng nhanh nhu cầu của phụ tải, giảm bớt áp lực về nhu cầu điện, hạn chế việc mua điện trong thời gian giá cao

• Cung cấp nguồn điện tại chỗ (cho vùng xa - vùng sâu)

DG được sử dụng để cung cấp điện cho những vùng sâu, vùng xa chưa có lưới điện quốc gia như biên giới, hải đảo Một mặt tận dụng được các nguồn nguyên liệu có sẵn tại địa phương, mặt khác giảm được chi phí về đường dây truyền tải, trạm phân phối và nâng cao chất lượng điện năng

• Sử dụng DG để nâng cao độ tin cậy và chất lượng điện năng Đáp ứng nhu cầu tại chỗ của phụ tải, nâng cao tính liên tục tong cung cấp điện và chất lượng điện Tham gia điều chỉnh tần số, điện áp cho mạng phân phối.

NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

2.1 Khái quát 2.1.1 Lịch sử phát triển năng lượng gió

Năng lượng gió đã được sử dụng ít nhất cách đây khoảng 3.000 năm

Trước đây chủ yếu năng lượng gió được sử dụng nhằm cung cấp lực cơ học cho việc bơm nước hay xay thóc Thời điểm bắt đầu của nền công nghiệp hiện đại, việc dùng nguồn năng lượng gió thay đổi bất thường được thay thế bởi những loại động cơ đốt trong hay điện năng mà nó được xem như một nguồn năng lượng ổn định và thích hợp nhất

Turbine gió đầu tiên sử dụng cho việc phát điện vào thời gian đầu của thế kỷ 20, và công nghệ ngày càng được hoàn thiện Vào cuối thập niên 90 năng lượng gió đã trở thành như một trong những nguồn năng lượng quan trọng

Vì vậy trong những thập niên gần đây của thế kỷ 21, trên thế giới cứ ba năm năng suất gió được tăng lên gấp đôi Giá điện sản xuất từ gió cũng hạ xuống còn 1/6 lần giá điện của những năm 1980 và xu hướng vẫn còn tiếp tục giảm đến 2005 giá điện sản xuất từ gió còn khoảng 40% của những năm 80

Kỹ thuật năng lượng gió bản thân nó cũng phát triển về kích cỡ và công suất rất nhanh, vào năm 1985 công suất là 50kw cho cánh quạt có chiều dài là 15m, đến năm 1989 công suất là 300kw cho cánh quạt có chiều dài là 30m, đến năm 2004 công suất là 4.500kw – 5.000kw cho cánh quạt có chiều dài là 112 – 128m

2.1.2 Sơ lược tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới Điện gió là nguồn năng lượng tăng trưởng nhanh nhất trên thế giới

Công suất hiện nay của toàn thế giới đang tiến gần tới 50.000MW - xấp xỉ công suất của 50 nhà máy điện hạt nhân

Bảng số liệu dưới đây miêu tả tình hình sử dụng năng lượng gió của một số nơi trên thế giới ở những năm cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21

Bảng 2.1 Công suất đặt turbine gió trên thế giới tính đến năm 2003

Công suất lắp đặt tính đến cuối năm 2003 (MW) Nơi lắp đặt

Bắc Mỹ Nam và Trung Mỹ Châu Á và Đại Dương Trung Đông và Châu Phi

Số liệu cho đến năm 2003 tỷ lệ sử dụng công suất điện từ năng lượng gió của Châu Âu là lớn nhất chiếm 74% tổng năng lượng gió trên thế giới, kế đến là Bắc Mỹ 18%, Châu Á và các nơi khác chiếm 8%

2.1.3 Tiềm năng sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam

Với điều kiện địa lý thiên nhiên ở nước ta với hơn 2000km bờ biển, có chế độ gió mùa quanh năm Các nhà nghiên cứu năng lượng, các nhà khoa học qua khảo sát, kiểm định, đối sánh đã tìm ra được những vị trí tối ưu để đặt các máy phát điện năng lượng gió với qui mô khá lớn tại Việt Nam

Một trong các thông số đặc trưng của gió là tốc độ gió, thường ký hiệu là V (đơn vị m/s hoặc km/h)

Căn cứ vào tốc độ gió người ta chia các cấp và bảng cấp gió được phổ biến sử dụng trên thế giới hiện nay là bảng cấp gió Bô-Pho (Beaufor) với 17 cấp

Bảng 2.2 Bảng cấp gió Beaufor

Tốc độ gió Cấp gió m/s Km/h Áp suất gió trung bình kg/m 2 Đặc điểm của gió

11 28,5 ÷ 32,6 113 ÷ 117 69,4 Bão mạnh 12 32,7 ÷ 36,9 118 ÷ 133 89,0 Bão rất mạnh

Trong thiên nhiên gió thường xuyên thay đối tốc độ, vì vậy để đánh giá được tiềm năng từng vùng người ta sử dụng các thông số gió trung bình V tb , tốc độ gió cực đại V max và tần suất xuất hiện các tốc độ gió gọi tắt là tần suất tốc độ gió

Ch ế độ gió ở Vi ệ t Nam

Tiềm năng gió của Việt Nam có thể đánh giá thông qua các số liệu về gió của Cục Khí tượng Thủy văn

Bảng 2.3 Tiềm năng gió Việt Nam Địa phương Tốc độ trung bình

Mật độ công suất gió (W/m 2 )

Mật độ năng lượng năm (E= kWh/m 2 )

Lạng Sơn 2,7 - 379,2 Đảo Cô Tô 4,4 - 1.317,9

Việt Nam nằm ở khu vực gần xích đạo trong khoảng 8 0 đến 23 0 vĩ Bắc thuộc Khu vực nhiệt đới gió mùa

Gió ở Việt Nam có 2 mùa rõ rệt: Gió Đông Bắc và gió Đông Nam với tốc độ gió trung bình ở vùng ven biển từ 4,5 đến 6 m/s (ở độ cao 10 ÷ 12m)

Tại các đảo xa tốc độ gió tới 6 ÷ 8m/s Như vậy, tuy không cao bằng tốc độ gió ở các nước Bắc Âu ở vĩ độ cao nhưng cũng đủ lớn để sử dụng động cơ gió có hiệu quả

Còn ở vùng đồng bằng tốc độ gió nhỏ hơn 3 ÷ 4m/s, do đó việc sử dụng động cơ gió chắc sẽ không đạt hiệu quả Ở các vùng núi tốc độ gió còn thấp hơn trừ một vài vùng núi cao và những nơi có địa thế đặc biệt tạo ra những hành lang hút gió

Theo số liệu của Ngân hàng thế giới , tiềm năng gió của một số nước vùng Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam (trên độ cao 65m) rất khả quan, lớn hơn so với các nước lân cận như Căm Pu Chia, Lào, Thái Lan (xem bảng 4)

Theo số liệu này tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360MW, 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

Tuy nhiên, đây mới chỉ là tiềm năng trên lý thuyết Tiềm năng có thể khai thác được và tiềm năng kinh tế kỹ thuật sẽ nhỏ hơn nhiều Song đây sẽ là một nguồn năng lượng tiềm năng đáng kể có thể khai thác bổ sung cho nguồn điện quốc gia, thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt

2.2 Năng lượng gió 2.2.1 Năng lượng từ nguồn gió

• Động năng của luồng khí có khối lượng m di chuyển với vận tốc v như sau:

Xét luồng khí đi qua vùng diện tích A do cánh turbine quay tao ra (như hình vẽ)

• Động năng của luồng khí cho turbine có thể được biểu diễn như sau:

Trong đó: ρ α là mật độ không khí v là lượng khí khả dụng đến rotor Lượng khí khả dụng tương tác với rotor trong một đơn vị thời gian qua vùng diện tích quét của cánh rotor (At) với vận tốc (V) tạo ra lượng công suất có thể được biểu diễn như sau:

P: công suất cơ của luồng không khí chuyển động ρ α : mật độ không khí (kg/m 3 )

A T : diện tích vùng cánh quạt của turbine gió quét qua (m 2 )

V: vận tốc của không khí (m/s)

VẬN HÀNH VÀ ỔN ĐỊNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI

Vận hành máy phát điện gió trong lưới phân phối 1 Vận hành máy phát điện gió trong hệ thống độc lập

Hệ thống điện độc lập áp dụng cho những vùng xa xôi, những khu vực mà ở đó việc xây dựng dây truyền tải không kinh tế do những yếu tố như là địa hình, môi trường sinh thái và đường sắt, đối với những khu vực này thì việc xây dựng một hệ thống điện gió độc lập có thể sẽ kinh tế hơn việc xây dựng đường dây

Công suất phát của điện gió có thể thay đổi hàng phút, hàng giờ hoặc hàng ngày Vì vậy, hệ thống độc lập phải có các thiết bị tích trữ năng lượng, mà năng lượng này có thể sử dụng để cung cấp cho phụ tải trong suốt thời gian công suất phát của điện gió thấp hoặc bằng không Một sự lựa chọn khác là điện gió cũng có thể sử dụng trong cấu hình chép với máy phát điện diesel ở khu vực xa xôi hoặc với năng lượng mặt trời ở khu vực thành phố

3.1.1.1 Máy phát điện gió độc lập

Một hệ thống gió độc lập đơn giản sử dụng một máy phát điện có tốc độ không đổi trình bày trong Hình 3.1 đối với một hệ thống gió nhỏ cung cấp cho phụ tải cục bộ, máy phát điện DC nam châm vĩnh cửu tạo ra một hệ thống gió đơn giản và dễ dàng vận hành hơn Nói một cách khác khi cần sử dụng công suất điện AC người ta sẽ sử dụng máy phát điện không đồng bộ Máy phát điện tự kích từ bởi các tụ điện mắc song song với đầu cực máy phát Tần số được điều khiển bằng cách điều khiển tốc độ tua bin, ắc quy được nạp bởi bộ chỉnh lưu AC/DC và máy phát ra thông qua bộ nghịch lưu DC/AC

Hình 3.1 Máy phát điện gió độc lập

Hệ thống điện gió độc lập thường được sử dụng cung cấp điện cho các nông trại Ở nước Đức có nhiều hệ thống điện gió lắp đặt ở các nông trại thuộc sở hữu của chủ nông trại hoặc bởi một tổ chức

Sự vận hành trạng thái xác lập của máy phát điện được xác định bởi lý thuyết và phân tích đã trình bày trong phần trước Hệ số công suất của tải có ảnh hưởng lớn đến cả vận hành chế độ xác lập và chế độ quá độ của máy phát điện không đồng bộ Hệ số công suất phụ tải có thể là 1, sớm pha hay trễ pha phụ thuộc vào phụ tải là thuần trở, cảm kháng hay dung kháng Hầu hết phụ tải có tính cảm kháng với hệ số công suất là 0.9 và trễ pha Không giống như máy phát điện đồng bộ, hệ số công suất và dòng điện ngõ ra của máy phát điện không đồng bộ đối với một tải cho trước được xác định bởi các thông số máy phát điện Vì vậy, khi máy phát điện không đồng bộ cung cấp cho tải nào đó, dòng điện cùng pha nào đó và dòng điện lệch pha 90 độ nào đó Dòng điện lệch pha 90 độ được cung cấp bởi bộ tụ bù nối vào đầu cực máy phát Vì vậy, máy phát điện không đồng bộ không thích hợp cung cấp cho tải có hệ số công suất thấp Đặc tính quá độ của hệ thống độc lập, máy phát không đồng bộ tự kích từ còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nữa Người ta sử dụng mô hình trục d-q tổng quát của máy phát điện để tính toán quá độ Mô phỏng máy tính sử dụng mô hình trục d-q chỉ ra đặc tính quá độ tổng quát như sau:

- Dưới điều kiện mất tự kích từ đột ngột do cắt bộ tụ, phụ tải cảm kháng và điện trở làm cho điện áp ở đầu cực nhanh chóng đạt đến trạng thái xác lập bằng zero Tải dung kháng giữ được một khoảng thời gian dài hơn trước khi điện áp đầu cực giảm xuống zero

- Dưới điều kiện máy phát điện mang tải đột ngột Tải cảm kháng và điện trở làm cho máy phát rơi áp đột ngột, trong khi tải điện dung ảnh hưởng ít lên điện áp đầu cực máy phát

- Dưới điều kiện mất tải cảm kháng và điện trở đột ngột, điện áp đầu cực nhanh chóng tăng lên đến giá trị trạng thái xác lập Để khắc phục những vấn đề không ổn định chỉ ra ở trên, máy phát điện không đồng bộ độc lập phải luôn luôn mang tải tối thiểu nào đó hoặc cần thiết thì cách ly nếu không mang tải hoặc thường xuyên kết nối vào đầu cực khi có tải

3.1.1.2 Hệ thống ghép với Diesel Để đáp ứng nhu cầu phụ tải tại mọi thời điểm, giải pháp tốt nhất là sử dụng hệ thống ghép, tức là hệ thống sử dụng nhiều hơn một nguồn công suất Hầu hết các hệ thống ghép sử dụng tua bin gió với máy phát điện diesel bởi vì diesel có thể cung cấp nhiều công suất trong trường hợp thiếu nguồn do lúc giảm công suất phát điện gió Trong một vài hệ thống ghép, ắc quy có thể đáp ứng được sự thay đổi tải hàng ngày hay sử thay đổi ngắn hạn còn máy phát diesel đảm nhận sự thay đổi dài hạn Ví dụ, máy phát điện diesel được sử dụng trong trường hợp điều kiện thời tiết xấu nhất như là u ám hoặc không có gió kéo dài hàng ngày hoặc hàng tuần

Hình 3.2 Hệ thống điện gió ghép diesel

Hình trên trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ thống ghép ắc quy/ diesel/ gió

Bộ điều khiển và bộ chuyển đầu nối nguồn công suất vào lưới điện (PCCU) là vị trí trung tâm để quản lý đấu nối của hầu hết các bộ phận hệ thống Bộ điều khiển PCCU có các bộ phận chính như sau:

- Máy nạp ắc quy và bộ điều khiển xả điện - Các máy cắt bảo vệ và công tắc chuyển đổi nguồn

- Đồng hồ đo trào lưu công suất

- Bộ điều khiển chế độ

Toàn bộ hệ thống phải được thiết kế cho một phạm vi vận hành rộng để điều chỉnh các đặc tính của máy phát điện diesel, máy phát điện gió và ắc quy Khi cần thiết, chuyển sang chế độ điều chỉnh của máy phát được thực hiện bởi bộ điều khiển chế độ, vì chế độ điều khiển chế độ là bộ điều khiển và theo dõi trung tâm của các hệ thống ghép Bộ điều khiển chế độ bao gồm một máy tính xử lý và phần mềm cho việc chọn nguồn phát, quản lý ắc quy và quản lý sa thải phụ tải Bộ điều khiển chế độ thực hiện các chức năng sau:

- Điều khiển và theo dõi tính sẵn sàng và trạng thái của hệ thống

- Theo dõi và điều khiển trạng thái nạp ắc quy

- Khởi động máy phát diesel khi cần thiết và cách ly khi không cần thiết - Sa thải các phụ tải có tính ưu tiên thấp cho phù hợp với việc cài đặt thứ tự ưu

• Nguyên lý làm việc của hệ thống ghép diesel/ gió

Trong thời gian điện gió có đủ công suất để cung cấp cho tải tiêu thụ thì máy phát diesel được cách ly bằng một bộ li hợp và ngừng máy để tiết kiệm nguyên liệu Trong thời gian đó lưới điện chỉ được cung cấp bằng điện gió (tức là nguồn điện gió chiếm 100%) và động cơ diesel dự phòng phải được làm nóng trước nhằm đáp ứng cho việc khởi động nhanh khi cần thiết Khi tải tăng hoặc điện gió giảm xuống, máy phát diesel sẽ tự động khởi động để bổ sung công suất cấp cho phụ tải

Tần số lưới được duy trì bởi một điều khiển nhanh bằng việc cân bằng công suất giữa công suất điện gió thay đổi, tải giả và khách hàng tiêu thụ Trong thời gian điện gió chiếm 100% công suất tần số được điều khiển bằng bộ tiêu thụ năng lượng gió dư ở tải giả động (phụ tải được điều khiển động dùng để hấp thụ công suất dư) Điện áp lưới được duy trì bởi một điều chỉnh điện áp tự động (AVR) của máy phát điện đồng bộ cũng như cung cấp công suất phản kháng cho máy phát cảm ứng turbin gió

• Vận hành hệ thống ghép diesel/ gió cho một khu vực cụ thể

Giả định một khu vực xa xôi được cấp điện bằng hệ thống ghép diesel/ gió, khu vực này đặc tính về tốc độ gió trong những khoảng thời gian cụ thể như sau:

Ổn định máy phát điện gió trong lưới phân phối 1 Khái quát về ổn định trong lưới phân phối

Về yêu cầu kỹ thuật, các kỹ sư vận hành hệ thống phải luôn quan tâm đến mục tiêu chính của hệ thống là cung cấp điện đáp ứng được yêu cầu của khách hàng Nếu máy phát điện gió được nối đến lưới phân phối thì mục tiêu chính của hệ thống vẫn phải đảm bảo Thử thách lớn nhất khi thiết kế, vận hành lưới phân phối khi có máy phát điện gió liên quan đến sự dao động lên xuống thất thường của gió tự nhiên

Một số những khó khăn căn bản khi nối kết máy phát điện gió với lưới phân phối là:

- Làm sao để giữ cấp điện áp có thể chấp nhận cho tất cả các phụ tải tiêu thụ điện trong hệ thống?

- Làm sao để giữ mức cân bằng công suất trong hệ thống: DG gió và những máy phát khác cùng cung cấp liên tục có thể cung cấp được bao nhiêu cho phụ tải tiêu thụ?

- Các thông số đặc trưng:

- Trong các hệ thống điện nguồn AC, có bốn thông số then chốt phải được duy trì

- Tần số hệ thống: sự cân bằng năng lượng tạo ra và năng lượng tiêu thụ Nếu có nhiều năng lượng tạo ra hơn thì tần số sẽ tăng lên và ngược lại

- Công suất tác dụng và công suất phản kháng: phụ thuộc vào các loại phụ tải và thiết bị sử dụng, sự cân bằng công suất tác dụng và công suất phản kháng phải được duy trì Hơn nữa, một số phụ tải sẽ yêu cầu lượng công suất phản kháng lớn hơn như động cơ cảm ứng…

- Điện áp hệ thống: ổn định điện áp từ nguồn chắc chắn là yêu cầu thích hợp của đa số phụ tải Điều khiển căn bản được duy trì bởi sự điều chỉnh từ trường của máy phát hoặc sử dụng thiết bị điện tử công suất

- Biến dạng sóng điện áp: các máy phát khác nhau sẽ cung cấp chất lượng sóng hài khác nhau, các thiết bị điện tử hoặc các thiết bị chiếu sáng, biến tần… cũng góp phần tạo ra sóng hài trên lưới

Chi ế n l ượ c và m ụ c tiêu đ i ề u khi ể n Để đạt được các yêu cầu về điều khiển hệ thống điện có máy phát điện năng lượng gió cần thực hiện các bước sau:

- Xác định rõ ràng mục tiêu điều khiển

- Lựa chọn chiến lược điều khiển phù hợp, với sự ổn định tại điểm làm việc của turbine ứng với tốc độ gió

- Quyết định thực hiện chiến lược điều khiển như thế nào? Bao gồm sự chọn lựa việc phối hợp điều khiển, điều khiển động, tín hiệu chuẩn xác, chuyển đổi giữa các chiến lược điều khiển khác nhau…

- Thực hiện thiết kế bản đồ điều khiển vào-ra

3.2.2 Ổn định trong lưới phân phối khi có máy phát điện gió

Khi phân tích hệ thống điện: phụ tải, đường dây truyền tải và máy biến áp có thể đặc trưng bằng tổng trở Z

Hình 3.4 Mô phỏng hệ thống điện đơn giản

Trên cơ sở như vậy ta có thể mô phỏng mô hình máy phát điện gió kết nối với hệ thống điện như sau:

Hình 3.5 Mô hình máy phát điện gió trong hệ thống điện Điện áp rơi qua tổng trở được tính như sau:

Hình vẽ trên mô phỏng vấn đề căn bản của nối kết máy phát gió với lưới

Lưới có thể xem như nguồn áp U1, kế đến là tổng trở Z Tổng trở minh họa cho tổng trở của đường dây truyền tải, máy biến áp trên lưới Tại điểm nối kết của máy phát gió còn có tải địa phương Công suất ngắn mạch Sk tại điểm nối có thể tính như sau:

Sự thay đổi công suất của máy phát điện gió là nguyên nhân thay đổi dòng điện qua tổng trở Z Sự thay đổi của dòng điện là nguyên nhân thay đổi điện áp U 2 Nếu tổng trở Z lớn (trong lưới nhỏ, Sk nhỏ) sẽ không có nhiều thuận lợi cho máy phát điện gió như là nơi có Z nhỏ (trong lưới lớn, S k lớn)

Công suất máy phát điện gió và tải được tính P + JQ P: là công suất tác dụng

Q: là công suất phản kháng

Công suất phản kháng phụ thuộc vào góc lệch pha ϕ giữa điện áp và dòng điện

Như vậy điện áp U2 có thể tính như sau:

Từ phương trình trên ta có sản lượng công suất phản kháng trong máy phát điện gió Q w sẽ ảnh hưởng đến điện áp U 2 Sự ảnh hưởng phụ thuộc vào vị trí của tải và tổng trở của lưới

Máy phát không đồng bộ tiêu thụ công suất phản kháng và một lượng nhỏ không thể điều khiển Sự tiêu thụ công suất phản kháng một phần được bù bằng tụ mắc song song (tạo ra công suất phản kháng và giảm ϕ) Nếu có nhiều tụ điện, điện áp có thể được điều khiển từng bước bằng cách thay đổi số tụ nối vào

3.2.2.1 Mô hình các phần tử của DG gió loại phổ biến hiện nay (Doubly-fed induction generator-DFIG)

Với những ưu điểm nổi trội nên phổ biến hiện nay người ta sử dụng loại máy phát cảm ứng nối kép (Doubly-fed induction generator – DFIG)

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý của Máy phát điện gió loại DFIG

DFIG bao gồm một máy phát cảm ứng rotor dây quấn và một bộ đổi điện AC/DC/AC Bộ đổi điện gồm hai thành phần: Bộ biến tần phía roto (C rotor ) và bộ biến tần phía lưới (C grid ) C rotor và C grid là các bộ biến tần nguồn áp sử dụng linh kiện điện tử công suất chuyển mạch (IGBTs) Một tụ điện được nối phía DC như một nguồn áp DC Một bộ cuộn cảm sử dụng để nối C grid với lưới Cuộn dây rotor ba pha được nối với C rotor bằng các vành trượt và chổi than Cuộn stator nối trực tiếp với lưới điện 50Hz Năng lượng mà turbine gió hấp thụ được chuyển thành năng lượng điện bằng máy phát cảm ứng và nó được chuyển lên lưới qua các cuộn dây stato và roto Hệ thống điều khiển thực hiện điều khiển góc mở cánh quạt của turbine và điều khiển C rotor và C grid bằng các tín hiệu điện áp V r và V gc để điều khiển công suất của turbine gió, điện áp bus DC và công suất phản kháng hoặc

Các phương trình cơ bản

P m : Công suất cơ Turbine gió thu được đưa đến đầu trục rotor máy phát

P s : Công suất điện từ đưa ra từ stato

P r : Công suất điện từ đưa ra từ roto

Pgc: Công suất điện từ đưa ra từ bộ biến tần phía lưới (DC/AC) Qs: Công suất phản kháng đưa ra từ stato

Q r : Công suất phản kháng đưa ra từ rotor Q gc : Công suất phản kháng đưa ra từ bộ biến tần phía lưới (DC/AC) Tm: Mooment cơ cung cấp cho roto

Tem: Mooment điện từ của máy phát ωr: Vận tốc quay của rotor ωs: Vận tốc quay của từ thông khe hở không khí của máy phát

Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý dòng công suất của DFIG

Công suất cơ và công suất điện từ stato được tính:

Tổn thất khi qua máy phát: em r T m T dt J d ω = − Đối với trạng thái bền vững ở tốc độ cố định với tổn thất thấp nhất thì:

T m = T em và P m = P s + P r Ta có thể viết:

Pr = Pm - Ps = Tm.ω r - Tm.ω s = -sPs

Hay: P r = -sP s Trong đó: s là độ trượt của máy phát s r s s ω ω ω −

Nói chung trị tuyệt đổi độ trượt s luôn nhỏ hơn 1 vì vậy giá trị của Pr nhỏ hơn nhiều so với Ps Trong chế độ máy phát Tm là dương, khi đó ωs là dương và điện áp của hệ thống có tần số là hằng số không đổi, Pr là một hàm số theo độ trượt s và Pr là dương nếu s âm (tốc độ lớn hơn tốc độ đồng bộ) và nó âm khi độ trượt dương (tốc độ nhỏ hơn tốc độ đồng bộ) Khi hoạt động ở chế độ quá đồng bộ, P r được đưa đến bus DC và có khuynh hướng làm tăng điện áp DC Khi hoạt động ở chế độ dưới đồng bộ, Pr được lấy ra khỏi bus DC và có khuynh hướng làm giảm điện áp DC Bộ Cgrid được dùng để phát hoặc hấp thụ năng lượng Pgc để giữ điện áp DC là hằng số Trong trạng thái ổn định, tổn thất của bộ đổi điện AC/DC/AC là nhỏ thì P gc gần bằng với P r và tốc độ của turbine gió xác định công suất P r được phát ra hay hấp thụ bằng bộ C rotor Sự điều khiển công suất sẽ được giải thích như

MÔ PHỎNG

Quá trình khảo sát sự ổn định của máy phát điện gió trong lưới phân phối tiến hành khảo sát cánh đồng gió nối với lưới vô cùng lớn được mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink trong các trường hợp sau:

- Mô phỏng trường hợp vận tốc gió thay đổi

- Mô phỏng sự cố ngắn mạch ba pha trên lưới phân phối cấp điện áp 22kV

- Mô phỏng sự cố ngắn mạch ba pha xảy ra trên đầu cực thủy điện DG1

- Mô phỏng sự cố ngắn mạch ba pha xảy ra trên đầu cực máy phát điện DG2

4.1 Mô tả mô hình hệ thống điện có cánh đồng gió nối với lưới 22kV

Lưới phân phối hình tia gồm 16 nút như sau:

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện có hai DG gió nối với lưới 22kV

Bảng 4.1 Thông số lưới điện

Nút đầu Nút cuối R( Ω) X( Ω) Công suất nút cuối(MVA)

Từ sơ đồ nguyên lý trên ta xây dựng được sơ đồ mô phỏng trong môi trường Matlab/Simulink như sau:

Hình 4.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống có hai DG gió nối với lưới 22kV trong Mathlab

4.2 Thông số các thành phần chính của mô hình

4.2.1 Thông số DG1 (Distributed Generator 1)

DG1 là một cánh đồng gió sử dụng sáu máy phát cảm ứng loại Doubly-Fed Mỗi máy phát có: Công suất P = 1.5 MW, điện áp U = 575V

4.2.1.1 Thông số khối Wind Turbine DG1

Công nghệ DFIG cho phép thu thập nguồn năng lượng lớn nhất từ gió, khi vận tốc gió thấp tốc độ quay turbine được thực hiện tối ưu hóa; và tối thiểu hóa các xung động cơ học của turbine trong các trận gió lốc Tốc độ turbine tối ưu sinh ra cơ năng lớn nhất, tương ứng với tốc độ gió

Cơ năng của turbine là một hàm của tốc độ turbine và được hiển thị trong phạm vi tốc độ gió từ 5m/s lên 15.2m/s DFIG được điều khiển để đi theo đường cong màu đỏ Sự tối ưu hóa tốc độ turbine được duy trì giữa điểm B và điểm C trên đường cong này

Công suất cơ bản tại nhỏ ra turbine là 9MW tương ứng khi công suất tại điểm C bằng 1pu Trong trường hợp công suất tại điểm C bằng 0.73 pu khi tốc độ gió là 12m/s tương ứng công suất ngỏ ra thực là P = 0.73 x 9 = 6.57 MW Công suất ngỏ ra của turbine bằng 1pu tương ứng tại điểm D trên đường đặc trùng công suất turbine Khi tốc độ gió quá lớn hệ thống điều khiển điều chỉnh lại góc mở cánh quạt để hạn chế công suất cơ đặt vào turbine, tránh gây ra hậu quả gẫy cánh turbine Ngược lại khi tốc độ gió quá nhỏ hệ thống điều khiển điều chỉnh góc mở cánh quạt to ra để tận dụng hết năng lượng gió

Hình 4.4 Đường đặc trưng công suất turbine gió DG1

Một lợi ích khác của công nghệ DFIG là khả năng của bộ đổi điện có thể phát ra hoặc hấp thụ công suất phản kháng, do đó hạn chế được yêu cầu phải lắp đặc các dáy tụ điện như trong trường hợp của máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc

4.2.1.2 Thông số khối generator và khối coverter

Hình 4.5 Thông số khối generator DG1 Hình 4.6 Thông số khối coverter DG1

Máy phát có công suất P = 6*1.5/0.9 = 10 MVA Điện áp đầu cực máy phát U = 575V Tần số đầu cực máy phát fPHz

Bộ chuyển đổi có điện áp V dc = 1200V Điện dung của tụ C= 6*10 -6 F

Hình 4.7 Thông số khối control DG1

Có hai chế độ điều khiển chính: voltage regulation và var regulation

Máy phát được đặt ở chế độ điều chỉnh điện áp (voltage regulation), tức bộ chuyển đổi sẽ điều khiển máy phát sẽ thay đổi công suất Q tùy thuộc vào từng trường hợp, tình hình từng giai đoạn biến đổi của lưới mà có thể chế độ thu hoặc phát Q để đảm bảo mục đích cuối cùng là ổn định cho được điện áp đầu cực máy phát điện gió ở 1pu

Máy phát được đặt ở chế độ điều chỉnh công suất phản kháng (var generation), tức bộ chuyển đổi sẽ điều khiển máy phát luôn giữ Q bằng hằng số không đổi (Q=0) còn điện áp đầu cực máy phát sẽ bị thay đổi

4.2.1.4 Thông số khối bảo vệ DG1

Hình 4.8 Bảng thông số cài đặt cho rơ le bảo vệ DG1

Dựa vào các ngưỡng bảo vệ đã được đặt trong bảng thông số của rơ le, rơ le sẽ phát hiện sự cố khi dấu hiệu sự cố nằm trong vùng bảo vệ, khi phát hiện được sự cố rơ le phát lệnh cắt đến để điều khiển máy cắt cắt sự cố ngay lập tức, việc sự cố được cắt nhanh hay chậm tùy thuộc vào loại sự cố và thời gian đặt để cắt sự cố nhanh hay chậm

4.2.1.5 Thông số máy biến áp 575V/ 22KV

4.2.2 Thông số DG2 (Distributed Generator 2)

Hình 4.10 Sơ đồ DG2 gồm 6 turbine (using inducion generator)

Cánh đồng gió được mô phỏng bằng 3 cặp turbine gió 3MW DG2 là nguồn cố định có công suất tác dụng P = 9 MW khi hấp thụ từ lưới Q= -4.2 MVAR

Các turbine gió sử dụng máy phát cảm ứng rotor lồng sóc (IG) Cuộn dây stator nối trực tiếp vào lưới có tần số 50Hz và rotor được truyền động bằng một turbine gió cánh động Góc mở cánh turbine được điều khiển để hạn chế công suất đầu ra của máy phát cho ra giá trị ổn định khi tốc độ gió gia tăng vượt quá giá trị danh định (9m/s) Để phát điện, tốc độ IG phải lớn hơn tốc độ đồng bộ Tốc độ thay đổi trong khoảng 1pu khi không tải và là 1005 pu khi đầy tải Mỗi turbine gió có một hệ thống bảo vệ kiểm soát điện áp, dòng điện và tốc độ turbine

4.2.2.1 Thông số khối turbine, khối generator

Hình 4.11 Thông số khối turbine DG2 Hình 4.12 Thông số khối generator DG2

Công suất cơ bản tại ngỏ ra turbine là 3 MW tương ứng khi công suất tại điểm C bằng 1pu Trong trường hợp công suất tại điểm C bằng 1pu khi tốc độ gió là 9m/s tương ứng công suất ngỏ ra thực là P = 3MW Tùy thuộc vào tốc độ gió dựa vào đường đặc trưng công suất turbine mà biết được công suất thực tại ngỏ ra turbine bằng bao nhiêu đường đặc trưng công suất của turbine như sau:

Hình 4.13 Đường đặc tính của vận tốc gió DG2

Công suất cơ của turbine như là hàm của tốc độ turbine biểu thị cho vận tốc gió từ 4m/s đến 10m/s Khi tốc độ quay turbine đúng bằng 1pu sẽ cho công suất ngỏ ra turbine bằng 1pu (1pu= 3MW)

4.2.2.2 Thông số khối máy biến áp 575 V/ 22KV

Hình 4.14 Thông số khối máy biến áp 575 V/22KV DG2

Máy biến áp sử dụng cho mỗi cặp máy phát có công suất P=4 MVA, tần số f= 50 Hz, điện áp cuộn sơ cấp U = 575 V, điện áp cuộn thứ cấp U" KV

4.2.2.3 Sơ đồ phụ tải điện

Hình 4.15 Sơ đồ mô phỏng của phụ tai điện Hình 4.16 Thông số rơ le bảo vệ tải

Mô hình tải sử dụng một máy biến áp để biến đổi điện áp từ 22KV xuống 380 V để cung cấp cho tải Rơ le bảo vệ phụ tải được đặt tại đầu cực phụ tải Khi có sự cố nằm trong vùng bảo vệ rơ le sẽ phát hiện và ra lệnh cho máy cắt cắt tải ra khỏi lưới để đảm bảo an toàn cho tải

4.3 Mô phỏng các trường hợp

4.3.1 Mô phỏng khi tốc độ gió thay đổi

Bộ điều khiển DG1 được đặt ở chế độ điều khiển điện áp (Voltage regulation) Nên Q của DG1 được thay đổi để đảm bảo điện áp đầu cực DG1 ở 1pu

Xét hai trường hợp sau:

Hình 4.15 Tốc độ gió của DG1 Hình 4.16 Bảng các thông số điều khiển DG1

4.3.1.1 Xét trường hợp tốc độ gió lớn ắ Nhận xột đối với DG1

Tốc độ gió DG1 được cài đặt là 14m/s:

Hình 4.17 Thông số đo tại đầu cực DG1 khi tốc độ gió 14m/s

Khi tốc độ gió là 14m/s đo tại nút số 7 (đầu cực DG1):

- Tốc độ quay turbine tăng dần đến 1.21 pu theo đường đặc trưng công suất turbine gió

- Lượng phát công suất tác dụng bắt đầu tăng lên nhanh chóng đến giá trị P=6 MW

- Điện áp tại đầu cực máy phát giữ ổn định ở 1pu nhờ sự điều chỉnh công suất phản kháng bằng bộ biến tần điều khiển máy phát gió phát Q = 5MVAR

- Góc mở cánh turbine tăng dần để hạn chế công suất cơ không vượt qua điểm C trên đường đặc tính của vận tốc gió (14m/s > 12m/s), tránh quay quá tốc độ định mức làm gẫy trục turbine Sau khi ổn định góc mở 8 0

- Tốc độ gió tăng từ 8m/s lên 14 m/s trong khoảng thời gian Δt = 6s làm cho tốc độ của turbine gió tăng tương ứng từ 0.8 đến 1.21 pu trong khoảng thời gian Δt

= 14s Khoảng thời gian trễ (Δt = 14s – 6s = 8s) là do thời gian quá độ cơ học của tốc độ turbine để có thể đáp ứng được sự thay đổi của tốc độ gió Đây cũng là khoảng thời gian cần thiết để hệ thống ổn định về cơ học sau khi tốc độ gió tăng lên 14m/s ắ Nhận xột đối với lưới (đo tại nỳt số 3)

Hình 4.18 Thông số đo tại nút số 3 khi tốc độ gió 14m/s Đo tại nút số 3 (đầu nguồn 22kV – 40 MVA) ta được:

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG MỞ RỘNG

Mục tiêu chính của luận văn là nhằm tìm hiểu ổn định của máy phát phân tán đặc biệt là máy phát điện gió khi kết nối với hệ thống Tuy nhiên, vấn đề ổn định là bài toán khó trong ngành điện vì tính động của hệ thống và tính đa dạng của các nguồn phát DG mà DG gió là một điển hình

Luận văn đã trình bày các vấn đề như: Tìm hiểu về các nguồn phát phân tán DG, tìm hiểu về năng lượng gió và máy phát điện năng lượng gió (DG gió), vận hành, điều khiển và ổn định DG gió trong lưới phân phối Mô phỏng các trường hợp kết nối DG gió trong lưới phân phối ắ Qua quỏ trỡnh tỡm hiểu và khảo sỏt về năng lượng giú cho thấy:

- Sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo để thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống khác là yêu cầu cấp thiết hiện nay, đặc biệt trong bối cảnh năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt và giá dầu ngày càng tăng cao

- Năng lượng gió được xem là nguồn năng lượng thay thế rât tốt nhờ những ưu điểm của nó

- Sử dụng năng lượng gió trên thế giới ngày càng cao, dự báo đến năm 2020 năng lượng gió chiếm khoảng 12% tổng năng lượng mà thế giới sử dụng

- Việt Nam được xem là nước có tiềm năng về năng lượng gió, các số liệu điều tra cho thấy một số vùng thuộc khu vực hải đảo và ven biển Miền Trung khá cao phù hợp với phát triển triển năng lượng gió

Từ các kết quả nghiên cứu, khảo sát mô phỏng hệ thống có máy phát điện gió kết nối cho thấy: ắ Khi tốc độ giú thay đổi:

- Khi tốc độ gió thay đổi thì thời gian để tốc độ của turbine thay đổi sẽ chậm hơn so với thời gian của tốc độ gió thay đổi, bởi vì thời gian quá độ về cơ khí lớn hơn thời gian quá độ của gió Vì vậy, nếu tốc độ gió dao động với tần số lớn nhưng trị số dao động nhỏ thì DG gió vẫn ổn định do turbine gió không kịp cảm nhận sự dao động này

- Khi tốc độ gió dao động (trong phạm vi làm việc của turbine gió) thì công suất của DG gió phát ra dao động rất lớn, nhưng hệ thống vẫn hoạt động ổn định, một mặt là do lượng dao động công suất này dù là lớn nhưng so với lưới hệ thống vẫn rất nhỏ (khi DG gió nối với lưới vô cùng lớn), mặt khác nhờ đáp ứng rất tốt của bộ điều khiển cho DG gió (điều khiển bộ biến tần AC/DC/AC và điều khiển góc mở cánh turbine gió loại DFIG) ắ Khi ngắn mạch tại đầu cực DG1 Đối với bản thân DG1, khi ngắn mạch ba pha xảy ra tại đầu cực DG1 làm điện áp giảm xuống đột ngột nằm ngoài ngưỡng cho phép của hệ thống nên sau khoảng thời gian 0.1s DG1 bị cắt ra khỏi lưới bởi hệ thống bảo vệ lúc này công suất P, Q, điện áp U đo tại đầu cực DG1 đều giảm về 0 nhanh chóng Do mất tải đột ngột nên trục turbine quay lồng lên vượt quá tốc độ định mức Để tránh gây ra hậu quả với sự thay đổi đột ngột này hệ thống điều khiển đã phát tín hiệu điều khiển góc mở cánh quạt để giảm tốc độ quay turbine tránh gẫy trục turbine Đối với hệ thống, sau khi DG1 bị cắt ra khỏi lưới hệ thống điện bị mất ổn định hệ thống không thể quay lại trạng thái ổn định Do ở trạng thái ổn định ban đầu nguồn DG1 đóng vai trò là một nguồn phát quan trọng cho các tải 4, 5, 6, 8, 9, 14, 15, 16 có tổng công suất Q = 4.2, tổng công suất P = 9.9MW Hai nguồn DG1, DG2 cùng phát P để cung cấp cho các tải này, nhưng DG2 không thể phát được Q (chỉ thu Q từ lưới), mà chỉ có DG1 có khả năng phát Q, tổng Q mà DG1 phát lên đủ để cung cấp cho các tải này Nên khi DG1 bị cắt ra khỏi lưới thì các tải này đều bị thiếu Q nên đã bị hệ thống bảo vệ phát hiện cắt ra khỏi lưới, tất cả các tải này đều mất điện Đối với DG2 sau khi DG1 bị cắt ra khỏi lưới DG2 vẫn làm việc ổn định, thu Q= 4.2 MVAR từ lưới 22KV và phát lên lưới P= 9MW cung cấp cho lưới và các tải còn lại ắ Khi ngăn mạch ba pha xảy ra tại đầu cực DG2 Đối với bản thân DG2, khi ngắn mạch ba pha xảy ra tại đầu cực DG2 làm điện áp giảm xuống đột ngột nằm ngoài ngưỡng cho phép của hệ thống nên sau khoảng thời gian 0.1s DG2 bị cắt ra khỏi lưới bởi hệ thống bảo vệ Lúc này công suất P, Q điện áp U đo tại đầu cực DG2 đều giảm về 0 nhanh chóng Do mất tải đột ngột nên trục turbine quay lồng lên vượt quá tốc độ định mức Để tránh gây ra hậu quả với sự thay đổi đột ngột này hệ thống điều khiển đã phát tín hiệu điều khiển góc mở cánh quạt để giảm tốc độ quay turbine tránh gẫy trục turbine

Sau khi DG2 bị cắt ra khỏi lưới, khi DG2 bị cắt ra khỏi lưới làm hệ thống bị mất đi nguồn cung cấp P= 9MW, và giảm lượng Q= -4.2 MVAR do DG2 hấp thụ từ lưới Để vẫn duy trì trạng thái ổn định của lưới nguồn 22kV và DG1 phải thay đổi công suất P, Q của mình để cân bằng đúng lượng thay đổi P, Q của DG2 Sau khoảng thời gian 5s hệ thống ổn định ở trạng thái mới

Như vậy khi ngắn mạch ở đầu cực DG2 hệ thống vẫn quay lại trạng thái ổn định, trong khi ngắn mạch ở đầu cực DG1 hệ thống không quay trở lại trạng thái ổn định Điều này chứng tỏ DG1 chiếm một vị trí quan trọng hơn DG2 trong việc duy trì trạng thái ổn định cho hệ thống ắ Khi ngắn mạch trờn lưới 22kV khoảng giữa bus 3,4

Khi ngắn mạch xảy ra trên lưới 22kV gây ra thấp áp tại thanh cái bus 3,4 điện áp giảm xuống giảm xuống đột ngột thấp hơn ngưỡng bảo vệ của rơ le (0.75pu) là nguyên nhân bảo vệ rơ le của máy phát tác động, rơ le đã phát tín hiệu cho máy cắt để cắt sự cố ra khỏi lưới bằng hai máy cắt 3,4 trong vòng 0.1s, cách ly vùng ngăn mạch ra khỏi nguồn lưới Khi sự cố được ngắt ra khỏi lưới các nút 3, 11, 12, 13 được cung cấp điện bởi nguồn 22kV-40MVA, các tải 4, 5, 6, 8, 9, 10, 14, 15, 16 được cung cấp điện bởi hai nguồn DG1, DG2

Sau sự cố hệ thống điện không còn ổn định Các tải 3, 11, 12, 13 được cung cấp điện bởi nguồn 22kV-40MVA vẫn tiếp tục làm việc ổn định sau sự cố nhưng các tải 4, 5, 6, 8, 9, 10, 14, 15, 16 bị mất điện do tổng công suất có thể phát của hai nguồn DG1 = 6 + 5j, DG2 = 9+ (-4.2)j không cung cấp đủ Q cho tải mặc dù P đủ để cung cấp cho tải Nên đã gây ra thấp áp tại các nút thuộc vùng này, rơ le phát hiện đã cắt DG1, DG2, các tải ra khỏi lưới

Như vậy, qua việc khảo sát ba trường hợp ngăn mạch cho ta thấy máy phát điện loại DFIG (doubly fed induction generator) có khả năng ổn định hệ thống sau sự cố bởi do nó có hệ thống điều khiển linh hoạt để điều khiển công suất P, Q đáp ứng với các bất ổn định của lưới để duy trì trạng thái ổn định cho lưới Ngược lại máy phát điện gió loại IG (induction generation) không có bộ điều khiển công suất linh hoạt, chỉ có khả năng phát ra công suất P cố định khi hấp thụ được công suất phản kháng từ lưới Nên khả năng điều khiển ổn định lưới với các biên động là rất nhỏ Tuy nhiên, về mặt kinh tế thì giá thành của IG rẻ hơn rất nhiều so với DFIG

Từ các trường hợp mô phỏng trên cho ta thấy việc chọn lựa loại máy phát điện cho DG gió ảnh hưởng lớn đến vận hành, điều khiển và ổn định cho hệ thống khi có DG gió Nên cần cân nhắc lựa chọn cho đúng trong từng trường hợp cụ thể

Trong khuôn khổ của luận văn chưa phân tích được ảnh hưởng họa tần của DG gió khi xuất hiện các sự cố, và họa tần khi đóng cắt DG gió và khi tốc độ gió thay đổi Hay vấn đề về sự thay đổi điện áp lưới ảnh hưởng như thế nào đến DG gió (thay đổi kích từ) Mong các tác giả quan tâm nghiên cứu phân tích vấn đề này cũng như nghiên cứu về công nghệ DG gió để sử dụng nguồn năng lượng gió tốt hơn nhằm một phần nào đó giải quyết vấn đề thiếu điện, vấn đề khan hiếm nhiên liệu và vấn đề về bảo vệ môi trường của chúng ta hiện nay.