Phân tích các mô hình hệ thống điện tuabin gió công suất nhỏ làm việc độc lập

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - LÊ HOÀNG HÀ PHÂN TÍCH CÁC MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN TUABIN GIĨ CƠNG SUẤT NHỎ LÀM VIỆC ĐỘC LẬP LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - LÊ HỒNG HÀ PHÂN TÍCH CÁC MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN TUABIN GIĨ CƠNG SUẤT NHỎ LÀM VIỆC ĐỘC LẬP LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS BÙI XUÂN LÂM TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS Bùi Xuân Lâm (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày … tháng … năm … Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ tên Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện Phản biện Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp HCM, ngày tháng năm 2018 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Lê Hồng Hà Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: I- Tên đề tài: Phân tích mơ hình hệ thống điện tuabin gió cơng suất nhỏ làm việc độc lập II- Nhiệm vụ nội dung: - Tổng quan tình hình khai thác sử dụng nguồn lượng gió; - Tổng quan hệ thống điện tuabin gió; - Nghiên cứu mơ hình hệ thống điện tuabin gió cơng suất nhỏ làm việc độc lập; - Nghiên cứu mơ hình máy phát điện gió khơng đồng rotor lồng sóc làm việc độc lập; - Mơ mơ hình hệ thống điện tuabin gió cơng suất nhỏ làm việc độc lập sử dụng máy phát điện gió khơng đồng rotor lồng sóc III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán hướng dẫn: PGS TS Bùi Xuân Lâm CÁN BỘ HUỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu kết đạt Luận văn trung thực chưa công bố Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn tài liệu tham khảo Luận văn trích dẫn đầy đủ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Lê Hoàng Hà LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS TS Bùi Xuân Lâm tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi hồn thành đầy đủ tốt nhiệm vụ giao đề tài luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trang bị cho nhiều kiến thức quý báu chuyên ngành Kỹ thuật điện mà tảng vững cho tơi hồn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 16SMĐ12 động viên giúp đỡ tơi q trình thực đề tài luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp HCM; Viện Khoa học Kỹ thuật, Viện Đào tạo sau đại học quan nơi công tác tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành khóa học đề tài luận văn tốt nghiệp Lê Hoàng Hà i Tóm tắt Các nhà máy điện gió cơng suất nhỏ linh hoạt đặt địa điểm khác Gần đây, nhà máy điện gió đặt ven biển mà theo nghiên cho thấy nhà máy điện gió cho sản lượng điện cao nhà máy điện gió đất liền Lý tốc độ gió ven biển thơng thường lớn tốc độ gió đất liền Điều thật có giá trị Việt Nam với chiều dài bờ biển 3.000 km Theo ước tính, cơng suất tương ứng với điều kiện địa lý khoảng hàng tỉ kW Với tính chất linh hoạt, tuabin gió nhà máy điện gió lắp đặt mái nhà cao tầng nhằm cung cấp nhu cầu điện cho nội tòa nhà, Bên cạnh đó, để tăng độ tin cậy cung cấp điện liên tục cho phụ tải, mơ hình kết hợp nhà máy điện gió cơng suất nhỏ, máy phát điện diesel hệ thống lưu trữ ắc-quy mơ hình hồn chỉnh khả thi cho hệ thống phụ tải xa khơng có lưới điện quốc gia Các mơ hình giới thiệu phân tích luận văn Từ vấn đề trình bày, đề tài luận văn, "Phân tích mơ hình hệ thống điện tuabin gió cơng suất nhỏ làm việc độc lập" lựa chọn thực mà bao gồm nội dung sau: - Chương 1: Giới thiệu chung - Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống điện tuabin gió cơng suất nhỏ - Chương 3: Mơ hình tốn máy phát điện khơng đồng rotor lồng sóc hệ thống điện gió làm việc độc lập - Chương 4: Mơ phân tích cấu hình hệ thống điện gió cơng suất nhỏ làm việc độc lập sử dụng máy phát điện khơng đồng rotor lồng sóc - Chương 5: Kết luận hướng phát triển tương lai ii Abstract Small-capacity wind farms can be flexibly located in different locations Wind power plants can now be located in coastal areas, according to studies showing that off-shore wind farms produce more electricity than on-shore wind farms The main reason is that the wind speed in coastal areas is usually higher than the inland wind speed This is really valuable for Vietnam with a coastline of over 3,000 km It is estimated that the capacity corresponding to this geographical condition is around billions of kilowatts With their versatility, wind turbines can also be installed on high-rise roofs to provide electricity for the building In addition, to increase the reliability of uninterruptible power supply for a load, a combined model of a small wind power plant, a diesel generator and a battery storage system is one A complete and feasible model for a grid system with or without a national grid These models will be introduced and analyzed in this thesis From the basic issues presented, the thesis topic, "Analysis on isolated wind power system models with a small power" is selected for implementation, which includes the following contents: - Chapter 1: Introduction - Chapter 2: Background to wind power systems - Chapter 3: Mathematic model of a squirrel rotor induction generator in isolated wind power systems - Chapter 4: Simulations and analysis - Chapter 5: Conclusions and future works iii MỤC LỤC Tóm tắt i Mục lục iii Danh sách hình vẽ vi Danh sách bảng x Chương - Giới thiệu chung 1.1 Giới thiệu 1.2 Mục tiêu nhiệm vụ luận văn 1.2.1 Mục tiêu luận văn 1.2.2 Nhiệm vụ luận văn 1.3 Phương pháp nghiên cứu 1.4 Phạm vi nghiên cứu đề tài 1.5 Tổng quan nghiên cứu liên quan đến hệ thống điện gió cơng suất nhỏ 1.6 Bố cục dự kiến luận văn Chương - Cơ sở lý thuyết hệ thống điện tuabin gió công suất nhỏ 2.1 Giới thiệu 2.2 Tốc độ gió cấp gió 12 2.3 Hệ thống điện gió cơng suất nhỏ 13 2.3.1 Tuabin gió cơng suất nhỏ 13 2.3.2 Bộ điều khiển sạc 16 2.3.3 Hệ thống ắc-quy 16 2.3.4 Bộ nghịch lưu 17 2.3.5 Máy phát điện dự phòng 18 2.4 Đặc tính cơng suất gió 21 2.5 Mật độ khơng khí 22 2.6 Các biến đổi công suất 23 2.6.1 Bộ khởi động mềm 24 iv 2.6.2 Bộ tụ bù 25 2.6.3 Bộ biến đổi áp DC/DC 26 2.7 Năng lượng gió Việt Nam 36 Chương - Mơ hình tốn máy phát điện khơng đồng rotor lồng sóc hệ thống điện gió làm việc độc lập 41 3.1 Giới thiệu 41 3.2 Cấu tạo máy phát điện khơng đồng rotor lồng sóc 41 3.2.1 Phần tĩnh hay stator 42 3.2.2 Phần quay hay rotor 45 3.3 Mơ tả tốn học máy phát điện không đồng 46 3.4 Các cấu hình hệ thống điện gió độc lập 51 3.4.1 Hệ thống điện gió độc lập 52 3.4.2 Hệ thống điện gió ghép với máy phát điện dự phòng diesel 54 3.4.3 Hệ thống điện gió ghép với biến tần ắc-quy 57 Chương - Mơ phân tích cấu hình hệ thống điện gió cơng suất nhỏ làm việc độc lập sử dụng máy phát điện khơng đồng rotor lồng sóc 58 4.1 Giới thiệu 58 4.2 Mô hình mơ phần tử cấu hình hệ thống điện gió cơng suất nhỏ sử dụng máy phát điện khơng đồng rotor lồng sóc 58 4.2.1 Mơ hình mơ máy phát điện gió khơng đồng rotor lồng sóc 58 4.2.2 Mơ hình mơ nghịch lưu hệ thống điện gió 59 4.2.3 Máy phát điện diesel 60 4.2.4 Ắc-quy 61 4.2.5 Phụ tải điện 62 4.3 Các cấu hình hệ thống điện gió cơng suất nhỏ làm việc độc lập 63 4.3.1 Cấu hình - Hệ thống điện gió độc lập 64 4.3.2 Cấu hình - Hệ thống điện gió, máy phát điện diesel ắc-quy 67 65   Đối với mơ hình biến đổi cơng suất nghịch lưu trực tiếp cung cấp nguồn với điện áp AC cho phụ tải điện Trong mô này, ắc-quy giản lược thực tế nguồn DC nghịch lưu ắc-quy Khi tốc độ gió cao, lượng điện thừa lưu vào ắc-quy Khi tốc độ thấp nguồn acqui hay DC nghịch lưu AC cấp cho tải Đối với kết mô ta quan tâm chất lượng điện áp tần số cấp cho tải Hình 4.10 Công suất yêu cầu phụ tải hệ thống điện gió độc lập Hình 4.11 Cơng suất khả phát cung cấp cho phụ tải hệ thống điện gió độc lập 66   Hình 4.12 Điện áp ngõ nghịch lưu hệ thống điện gió độc lập Hình 4.13 Tần số hệ thống điện gió độc lập Các kết mơ cho thấy rằng: + Về công suất, nghịch lưu đáp ứng đủ công suất cho nhu cầu phụ tải Khi nhu cầu phụ tải thay đổi theo thời gian nghịch lưu hay thực tế máy phát điện gió phát lượng điện thơng qua biến đổi AC/DC/AC cung cấp cho phụ tải 67   + Về điện áp, điện áp ngõ nghịch lưu bám sát theo yêu cầu, trường hợp 1,0 (đvtđ) + Về tần số, trình khởi động ban đầu, trạng thái độ tần số dao động mạnh Tuy nhiên, tần số nhanh chóng đạt trạng thái xác lập ổn định Trong trình thay đổi tải, tần số hệ thống thay đổi nẳm giới hạn cho phép 4.3.2 Cấu hình - Hệ thống điện gió, máy phát điện diesel ắc-quy Mơ hình bao gồm máy phát điện gió kết hợp với máy phát điện diesel ắc-quy lưu trữ lượng điện trường hợp nhu cầu phụ tải nhỏ cơng suất máy phát điện gió Mơ hình khơng sử dụng biến đổi cơng suất Thay vào đó, tụ bù sử dụng mơ hình để cung cấp cơng suất phản kháng hỗ trợ cho máy phát điện gió Ắc-quy sử dụng tốc độ gió cao, phụ tải khơng tiêu thụ hết lượng điện máy phát điện gió Trong trường hợp này, máy phát điện diesel ngừng làm việc Trên thực tế để tiết kiệm chi phí, ắc-quy cấu hình điện trở dùng để đun sôi nước lượng điện dư hay có tác dụng xả bỏ bớt lượng điện cho trì hệ thống điện ổn định, giữ vững tần số điện áp giới hạn cho phép Ưu điểm mơ hình tận dụng máy phát điện diesel có sẵn, sử dụng hết nguồn lượng điện gió Đồng thời, tốc độ gió thấp, lượng điện từ ắc-quy sử dụng để cung cấp cho phụ tải, góp phần làm giảm chi phí cho nhiên liệu vận hành máy phát điện diesel Nhược điểm mơ hình mức độ đáp ứng tín hiệu điều khiển máy phát điện gió, máy phát điện diesel ắc-quy tương ứng với thay đổi tốc độ gió nhu cầu phụ tải nên chất lượng điện cung cấp cho hệ thống điện chưa tốt Tuy nhiên, dao động tần số điện áp mơ hình mức chấp nhận 68   Hình 4.14 Hệ thống điện gió ghép với máy phát điện dự phòng diesel ắc-quy Trong mô này, tải thay đổi tương ứng từ 2; kW mà tương tự nhu cầu thay đổi phụ tải theo thời gian ngày Tốc độ gió thay đổi tăng dần từ m/s trở lên Cơng suất máy phát điện gió là: 15 kW; Công suất máy phát điện diesel là: kW; Công suất ắc-quy là: 13 kW; Cơng suất tụ bù là: kVAr Hình 4.15 Mơ hệ thống điện gió ghép với máy phát điện dự phòng diesel ắc-quy 69   Hình 4.16 Điện áp hệ thống điện gió ghép với máy phát điện dự phòng diesel ắc-quy Hình 4.17 Tần số hệ thống điện gió ghép với máy phát điện dự phòng diesel ắc-quy 70   Hình 4.18 Cơng suất u cầu phụ tải hệ thống điện gió ghép với máy phát điện dự phòng diesel ắc-quy Hình 4.19 Cơng suất khả phát máy phát điện diesel cung cấp cho phụ tải hệ thống điện gió ghép với máy phát điện dự phòng diesel ắc-quy 71   Hình 4.20 Cơng suất điện nạp vào ắc-quy hệ thống điện gió ghép với máy phát điện dự phòng diesel ắc-quy Các kết mơ cho thấy rằng: + Về điện áp: Điện áp hệ thống điện gió ghép với máy phát điện dự phòng diesel ắc-quy bám sát theo yêu cầu, 1,0 (đvtđ) + Về tần số: Trong trình khởi động ban đầu trạng thái độ, tần số dao động mạnh Tuy nhiên, tần số nhanh chóng đạt trạng thái xác lập Trong trình tải thay đổi tần số hệ thống điện thay đổi nằm giới hạn cho phép 4.3.3 Cấu hình - Hệ thống điện gió, biến tần ắc-quy Sơ đồ khối cấu hình máy phát điện gió kết nối với tải thơng qua ắc-quy biến tần, Hình Trong mơ hình này, biến tần giữ nhiệm vụ: + Cung cấp lượng điện AC cho phụ tải thông qua ắc-quy lượng điện gió khơng đủ; 72   + Chỉnh lưu lượng điện gió AC thành lượng điện DC nạp lượng điện DC vào ắc-quy trường hợp công suất phát máy phát điện gió lớn tốc độ gió cao + Thêm vào đó, mơ này, biến tần có công suất nhỏ nên gắn thêm tụ bù để hỗ trợ công suất phản kháng cho máy phát điện gió Hình 4.21 Hệ thống điện gió ghép với biến tần ắc-quy Hình 4.22 Mơ hình mơ hệ thống điện gió ghép với biến tần ắc-quy * Ưu điểm mơ hình là: + Giảm chi phí đầu tư đáng kể biến tần có cơng suất nhỏ + Tận dụng nguồn lượng điện máy phát điện tuabin gió phát 73   * Nhược điểm mơ hình là: + Chất lượng điện không cao mức độ đáp ứng hệ thống điều khiển Tuy nhiên, mơ hình sử dụng chủ yếu khu vực vùng sâu hải đảo nên chấp nhận Hình 4.23 Điện áp hệ thống điện gió ghép với biến tần ắc-quy Hình 4.24 Tần số hệ thống điện gió ghép với biến tần ắc-quy 74   Hình 4.25 Cơng suất máy phát điện gió hệ thống điện gió ghép với biến tần ắc-quy Hình 4.26 Cơng suất u cầu phụ tải hệ thống điện gió ghép với biến tần ắc-quy 75   Hình 4.27 Cơng suất qua biến tần hệ thống điện gió ghép với biến tần ắc-quy 4.4 Đánh giá cấu hình Các kết mơ cho thấy rằng: - Cấu hình 1: có chất lượng điện tốt Tuy nhiên, máy phát điện gió bị gián đoạn hoạt động thời gian dài ắc-quy khơng thể cung cấp đủ tình trạng mưa bão biển đảo việc cung cấp cho tải khơng thể thực - Cấu hình 2: đáp ứng tần số không cao so với cấu hình cung cấp điện liên tục tốt nhất, dù tình việc cung cấp điện ln liên tục - Cấu hình 3: đáp ứng chất lượng điện áp tần số giới hạn cho phép Vì vậy, tùy vào trường hợp cụ thể nơi vùng sâu, vùng xa, vùng hải cấu hình cụ thể lựa chọn Về khía cạnh kinh tế, cấu hình có chi phí đầu tư thấp nhất, chi phí vận hành bảo dưỡng xem khơng đáng kể Cấu hình có chi phí vận hành lớn có máy phát điện diesel dự phòng mà tiêu thụ lượng dầu 76   lớn, đồng thời giá dầu ngày tăng tình hình vấn đề cần phải hạn chế Tuy nhiên, nơi có sẵn máy phát điện diesel, cấu hình sử dụng, vừa đáp ứng nhu cầu phụ tải tình huống, vừa khơng bỏ phí máy phát điện diesel Rõ ràng cấu hình có chi phí cao cấu hình khác chi phí thấp so với lúc có máy phát điện diesel 77   Chương Kết luận hướng phát triển tương lai 5.1 Kết luận Qua nghiên cứu kết mơ với cấu hình giới thiệu, cho thấy rằng: + Cấu hình 3: Máy phát điện gió ghép với biến tần có chi phí thấp + Cấu hình 2: Máy phát điện gió ghép với máy phát điện diesel có chi phí cao với chi phí nhiên liệu dầu cho máy phát điện diesel cấu hình tính cung cấp điện liên tục tốt Mơ hình cung cấp điện tình Thêm vào đó, mơ hình áp dụng cho hộ tiêu thụ sử dụng điện mà trước sử dụng máy phát điện diesel để phát điện cho gia đình Tóm lại, tùy theo u cầu thực tế hộ tiêu thụ sử dụng điện, cấu hình lựa chọn để tiến hành áp dụng cho điều kiện cụ thể: + Nếu lắp hoàn toàn hệ thống lượng gió cho nhóm hộ tiêu thụ điện độc lập sử dụng điện đơn phục vụ gia đình nên áp dụng cấu hình + Nếu sử dụng lại máy phát điện diesel sẵn có hay áp dụng cho tàu thuyền nhỏ đánh cá xa bờ đơn vị hành chánh, quân đội vùng sâu vùng xa, hải đảo phục vụ cho an ninh quốc phòng nên áp dụng phưong án 5.2 Hướng phát triển tương lai Ngoài vấn đề giải quyết, luận văn mở rộng hướng nghiên cứu phát triển khác liên quan như: + Nghiên cứu cấu hình tích trữ lượng điện gió phát thời gian phụ tải thấp điểm 78   + Nghiên cứu đến khả hòa lưới tương lai xây dựng lưới điện + Chính phủ có sách đầu tư thoả đáng cho lĩnh vực nghiên cứu thực dự án ứng dụng nguồn lượng tái tạo, đặc biệt ứng dụng lượng gió để phát điện + Có sách hổ trợ phù hợp giá bán điện cho đơn vị đầu tư lựong gió 79 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Phùng Quang, Lê Anh Tuân, Trương Xuân Hùng, Phí Kim Phúc, "Nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống phát điện sức gió cơng suất 20 kW hoạt động chế độ ốc đảo", Tạp chí Khoa học - Kỹ thuật, 2014 [2] Lê Duy Khánh Dương Hồi Nghĩa, “Mơ phương pháp điều khiển mơ hình nội điều khiển máy phát điện gió nguồn kép (DFIG)”, Tạp chí Khoa học Giáo dục Kỹ thuật, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM [3] Nguyễn Tri Nhân, Mơ hình hóa mơ máy phát điện DFIG, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học Công nghệ Tp HCM, 2016 [4] F K A Lima, A Luna, P Rodríguez, E H Watanabe and M Aredes, “Study of a simplified model for DFIG-based wind turbines”, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, ECCE, 2009 [5] R Jiang, J Zhong, S M Malik Y Sun, "A small isolated power system SCUC model with state-controllable wind power", International Conference on Information Science and Control Engineering, ICISCE, 2016 [6] Huỳnh Châu Duy Hồ Đắc Lộc, Năng lượng tái tạo bảo vệ môi trường, Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp HCM, 2016 ... quan hệ thống điện tuabin gió; - Nghiên cứu mơ hình hệ thống điện tuabin gió cơng suất nhỏ làm việc độc lập; - Nghiên cứu mơ hình máy phát điện gió khơng đồng rotor lồng sóc làm việc độc lập; ... tuabin gió cơng suất nhỏ - Chương 3: Mơ hình tốn máy phát điện khơng đồng rotor lồng sóc hệ thống điện gió làm việc độc lập - Chương 4: Mơ phân tích cấu hình hệ thống điện gió cơng suất nhỏ làm việc. .. 202-220 245,6 13 2.3 Hệ thống điện gió cơng suất nhỏ Hình 2.1 Một hệ thống điện gió cơng suất nhỏ Thơng thường, hệ thống điện gió cơng suất nhỏ bao gồm: + Tuabin gió cơng suất nhỏ; + Bộ điều khiển