Nghiên cứu ảnh hưởng của nhà máy điện gió Hải Ninh đến lưới điện 110 kV tỉnh Quảng Bình

Là một tỉnh ven biển miền Trung với nhiều tiềm năng về đất đai, tốc độ gió… Để phát triển các dự án điện gió, Quảng Bình đã quy hoạch diện tích gần 1.620 ha với tổng công suất trên 500 M

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HOÀNG MINH THÁI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ HẢI NINH ĐẾN LƯỚI ĐIỆN 110KV TỈNH QUẢNG BÌNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 8520201

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ ĐÌNH DƯƠNG

Phản biện 1: TS LƯU NGỌC AN

Phản biện 2: TS LÊ HỮU HÙNG

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

kỹ thuật điện họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 22 tháng 12 năm 2018

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu và Truyền thông Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng

- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hệ thống điện Việt Nam gồm có các nhà máy điện, các lưới điện, các hộ tiêu thụ được liên kết với nhau thành một hệ thống để thực hiện 4 quá trình sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng Trong những năm gần đây, việc khuyến khích đầu tư vào khâu sản xuất điện được Nhà nước hết sức quan tâm đặc biệt là tập trung vào nguồn năng lượng tái tạo trong đó có năng lượng gió Năng lượng gió ở nước ta lại có tiềm năng cao so với các nước trong khu vực do

có lợi thế đường bờ biển trải dài, cùng địa hình thuận lợi Tiềm năng năng lượng gió là 513.360 MW với trên 8,6% diện tích đất liền của Việt Nam có khả năng lắp đặt các turbin gió lớn

Là một tỉnh ven biển miền Trung với nhiều tiềm năng về đất đai, tốc độ gió… Để phát triển các dự án điện gió, Quảng Bình đã quy hoạch diện tích gần 1.620 ha với tổng công suất trên 500 MW tại các vùng đất cát ven biển thuộc xã Gia Ninh, Hải Ninh huyện Quảng Ninh, xã Ngư Thủy Bắc, Ngư Thủy Nam, Hưng Thủy, Sen Thủy Huyện Lệ Thủy

Việc phát triển nguồn điện gió có rất nhiều ưu điểm như không gây ô nhiễm trên diện rộng như các loại nhiên liệu hóa thạch, không chiếm nhiều diện tích đất đai… tuy nhiên có thể thấy rằng nhà máy điện gió là một loại nguồn có công suất phát phụ thuộc vào tốc độ gió và biến thiên rất không ổn định Nhiều địa phương trong đó có Quảng Bình có chế độ gió biến đổi theo thời gian trong một giới hạn rất rộng, nhiều thời điểm gió rất lớn nhưng ngay sau vài phút có thể tốc

độ gió gần như bằng không Ngoài ra lượng gió và thời gian tồn tại gió theo hướng cũng luôn thay đổi Do đó cần phải nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của nhà máy điện gió khi đấu nối vào lưới điện của khu vực Vì vậy việc lựa chọn đề

tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhà máy điện gió Hải Ninh đến lưới điện 110kV tỉnh Quảng Bình” vừa là giải pháp mang tính thực tiễn, vừa mang lại hiệu quả

kinh tế cao nhất trong vận hành nhằm nâng cao sản lượng điện đóng góp vào hệ thống điện

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu, phân tích ảnh hưởng của nhà máy điện gió Hải Ninh đến lưới điện 110kV khu vực tỉnh Quảng Bình

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Nhà máy điện gió Hải Ninh; Hệ thống lưới điện tỉnh Quảng Bình (khu vực có nhà máy đấu nối vào) và các vấn đề liên quan khi vận hành nhà máy điện gió trong lưới điện

Phạm vi nghiên cứu: Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về nhà máy điện gió, trên cơ

sở lý thuyết và số liệu thực tế, sử dụng công cụ thích hợp (phần mềm) để phân tích, đánh giá ảnh hưởng của nhà máy điện gió Hải Ninh đến lưới điện 110kV khu vực tỉnh Quảng Bình

4 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và tìm hiểu, áp dụng thực tế: nghiên cứu lý thuyết về nhà máy điện gió; các vấn đề liên quan khi kết nối nhà máy điện gió với lưới điện; thu thập số liệu thực tế về nhà máy điện gió Hải Ninh và lưới điện

110 kV khu vực tỉnh Quảng Bình; phân tích, đánh giá ảnh hưởng của nhà máy điện gió Hải Ninh đến lưới điện khu vực tỉnh Quảng Bình

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài đưa ra cơ sở phân tích, đánh giá ảnh hưởng của nhà máy điện gió đến lưới điện, sau khi hoàn thiện có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực của đề tài Đề tài có thể áp dụng thực tế cho nhà máy điện gió Hải Ninh và các nhà máy điện gió khác

6 Cấu trúc của luận văn

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG GIÓ, ĐẶC ĐIỂM LƯỚI ĐIỆN TỈNH QUẢNG BÌNH VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ HẢI NINH

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ HẢI NINH ĐẾN LƯỚI ĐIỆN 110KV TỈNH QUẢNG BÌNH KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG GIÓ, ĐẶC ĐIỂM LƯỚI ĐIỆN TỈNH QUẢNG BÌNH VÀ

NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ HẢI NINH

1.1 Tổng quan tình hình phát triển điện gió ở Việt Nam và trên Thế giới

1.1.1 Tình hình phát triển năng lượng gió trên Thế giới

1.1.2 Tình hình phát triển năng lượng gió tại Việt Nam

1.2 Tổng quan về lưới điện khu vực tỉnh Quảng Bình

1.2.1 Nhu cầu phụ tải khu vực

1.2.2 Khả năng đáp ứng nhu cầu phụ tải của lưới điện tỉnh Quảng Bình

1.2.3 Các nguồn cung cấp điện năng tại tỉnh Quảng Bình

1.3 Tổng quan về nhà máy điện gió Hải Ninh

1.3.1 Tiềm năng điện gió trên địa bàn tỉnh Quảng Bình

Theo khảo sát bước đầu của các chuyên gia xác định được một số địa điểm

trên vùng tỉnh Quảng Bình có nguồn năng lượng gió phong phú, có khả năng

xây dựng các trạm phát điện gió với quy mô công nghiệp Quảng Bình là một

trong những tỉnh có nhiều tiềm năng về phát triển điện gió Với khảo sát này,

vận tốc gió vùng ven biển của địa phương bình quân từ 5,5 - 6,0m/s, vùng núi

thuộc huyện Minh Hóa từ 6,2 - 7m/s Hiện nay tỉnh đang lập Quy hoạch điện gió

đến năm 2025, có xét đến năm 2035, sẽ hoàn thành trình Bộ Công Thương phê

duyệt vào cuối năm 2018, với tổng công suất khoảng 800 - 1.000MW trên địa

bàn các xã: Gia Ninh, Hải Ninh (huyện Quảng Ninh - khoảng 250MW); xã Ngư

Thủy Bắc, Ngư Thủy Nam, Sen Thủy, Hưng Thủy (huyện Lệ Thủy - khoảng

200MW); xã Dân Hóa (huyện Minh Hóa - khoảng 300MW); xã Quảng Đông

(huyện Quảng Trạch) và xã Trung Trạch (huyện Bố Trạch) khoảng 150MW

Hiện tại, đã lắp hai cột đo gió tại xã Hải Ninh (huyện Quảng Ninh) và tại xã Dân

Hóa (huyện Minh Hóa)

Tỉnh Quảng Bình được quy hoạch với tổng công suất 500 MW trên địa bàn

các xã Gia Ninh, Hải Ninh huyện Quảng Ninh, xã Sen Thủy huyện Lệ Thủy và

xã Dân Hóa huyện Minh Hóa Theo chương trình “Đo gió tại một số địa điểm để

phục vụ việc lập Quy hoạch phát triển điện gió và phát triển các dự án Điện gió”

tại Việt Nam được Chính phủ Đức tài trợ Vị trí cột đo gió được lắp đặt tại địa

phận xã Hải Ninh huyện Quảng Ninh thuộc Trang trại Điện gió B&T, trong khu vực cột đo gió có vận tốc gió bình quân ở độ cao 80m từ 5,5 – 6,0m/s

1.3.2 Địa điểm xây dựng nhà máy

Địa điểm xây dựng nhà máy điện gió dự kiến được xây dựng tại xã Hải Ninh, huyện Quảng Ninh, tỉnh Quảng Bình Toạ độ địa lý hệ VN2000 múi 3 là 1920350.58; 573553.17 Hiện trạng khu vực trạm đo gió là đất trống có cây bụi thấp, là khu vực có tiềm năng gió lớn trong khu vực Trên cơ sở tài liệu báo cáo khảo sát, có thể đánh giá điều kiện địa hình của khu vực dự án là bằng phẳng Thực vật chủ yếu là cây bụi Giao thông trong khu vực chủ yếu là đường rộng

1.3.3 Quy mô dự án

Trang trại điện gió B&T do công ty CP điện gió B&T làm chủ đầu tư với tổng công suất lắp đặt của trang trại gió là 252MW trên diện tích khảo sát khoảng 2620 ha gồm khoảng 60 tổ máy, mỗi tổ máy có công suất 4,2 MW Dự

án được triển khai trên địa bàn xã Hải Ninh Võ Ninh huyện Quảng Ninh và xã Ngư Thủy Bắc huyện Lê Thủy có tổng mức đầu tư dự kiến là 8.684 tỉ đồng Trong giai đoạn đầu nhà máy điện gió Hải Ninh thuộc khu vực trang trại điện gió B&T 1 dự kiến có công suất lắp đặt khoảng 42 MW bao gồm 10 tua bin, tổng diện tích khoảng 1258 ha Tổng mức đầu tư khoảng 1.447 tỉ đồng Chủ đầu

tư là Công ty Cổ phần Điện gió B&T Dự kiến khởi công vào tháng 10.2019 [2]

1.3.4 Phương án lựa chọn tuabin và kết lưới nhà máy

Dự kiến sẽ bố trí một trạm nâng áp 22/110kV để thu gom điện sản xuất và nâng áp gọi là Trạm 110kV Hải Ninh, công suất 2x40MVA Trạm này có nhiệm

vụ thu gom điện 22kV từ các trạm nâng áp tại các tua bin để phát lên lưới điện quốc gia thông qua dàn thanh cái 110kV của trạm

Xây dựng đường dây mạch kép 110kV đấu nối chuyển tiếp công suất từ trạm 110kV Hải Ninh vào thanh cái của TBA 110kV Tây Bắc Quán Hàu, dây dẫn ACSR-185/29, chiều dài 4,8 km

Với công suất tổng dự kiến là 42MW, dự kiến sẽ chọn loại tuabin DFIG (được trình bày trong mục 2.1.3 và 2.3.3) ký hiệu SG 4,2-145 của hãng Siemen

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ

2.1 Máy phát điện gió

2.1.1 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi

2.1.2 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi

2.1.3 Máy phát điện không đồng bộ nguồn đôi DFIG

2.2 Tiêu chuẩn kết nối nhà máy điện gió với lưới điện

2.3 Mô hình kết nối nhà máy điện gió vào lưới điện

2.3.1 Mô hình kết nối trực tiếp máy phát với lưới điện

Mô hình này sử dụng kết nối tuabin gió vận tốc cố định dùng máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc, kết nối trực tiếp với lưới điện thông qua máy biến

áp Do máy phát không đồng bộ luôn tạo ra công suất phản kháng phát lên lưới nên mô hình này cần sử dụng bộ tụ bù công suất phản kháng để tiêu thụ hoặc triệt tiêu công suất phản kháng phát lên lưới điện Bộ tụ bù tự động này thường bao gồm từ 5-25 tụ bù được điều khiển phụ thuộc vào công suất phát của tuabin

Để mô hình nối lưới trực tiếp hoạt động thuận lợi, người ta thường sử dụng bộ khởi động

Hình 2.1:Mô hình kết nối trực tiếp máy phát với lưới điện

Các chuyển động gió luôn thay đổi được chuyển thành chuyển động cơ học

và thành các xung động điện năng Chúng có thể gây ra dao động điện áp tại điểm đấu nối của tuabin gió với lưới điện Do các dao động điện áp này, tuabin gió tốc độ cố định tạo ra công suất phản kháng dao động từ lưới điện (trong trường hợp của tụ bù), làm tăng cả dao động điện áp và tổn thất đường dây Các

hệ thống tốc độ cố định có lợi thế về tính đơn giản và chi phí thấp Tuy nhiên, nhược điểm chính của khái niệm này bao gồm yêu cầu đối với lưới cứng (điện

áp cố định và tần số), và sự cần thiết của cấu trúc cơ khí mạnh mẽ để hỗ trợ ứng suất cơ học cao do gió gây ra

2.3.2 Mô hình máy phát kết nối trực tiếp với lưới điện sử dụng phương

thức thay đổi điện trở mạch rotor

Mô hình sử dụng máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn (WRIG) và được sử dụng từ những năm chín mươi của thế kỉ trước Mô hình này tương tự mô hình kết nối trực tiếp máy phát điện gió với lưới điện Tuy nhiên, cuộn dây rotor của máy phát được kết nối theo chuỗi với một điện trở điều khiển, có kích thước xác định phạm vi của tốc độ thay đổi (thường cao hơn 0-10% so với tốc độ đồng bộ) Mô hình này vẫn sử dụng bộ khởi động và tụ bù có điều khiển để vận hành kết nối mượt mà hơn Có thêm tính năng đặc biệt của mô hình này là nó có điện trở rotor thay đổi được, và nó được thay đổi bởi một bộ điều khiển quang học được điều khiển gắn trên trục rotor Bằng cách thay đổi điện trở mạch rotor, do

đó có thể điều khiển tác động của gió lên turbin Phạm vi điều khiển tốc độ động thay đổi theo kích thước của điện trở rotor biến và phổ biến lên đến 10% so với tốc độ đồng bộ Mô hình này có lợi thế hơn mô hình kết nối trực tiếp là các kết cấu cơ khí ít bị tác động hơn, ít phải bảo dưỡng, nên giá thành sản xuất cũng như vận hành thấp hơn

Hình 2.2: Mô hình máy phát kết nối trực tiếp với lưới điện sử dụng phương

thức thay đổi điện trở mạch rotor

2.3.3 Mô hình kết nối máy phát điện cảm ứng nguồn kép với lưới điện

Mô hình này là còn gọi là máy phát điện cảm ứng kép (DFIG), tương ứng với tuabin gió điều khiển tốc độ biến đổi với bộ tạo cảm ứng rotor dây quấn (WRIG) và bộ chuyển đổi năng lượng một phần (đánh giá khoảng 30% công suất danh định) trên mạch rôto Việc sử dụng bộ chuyển đổi năng lượng cho phép tuabin gió hoạt động ở tốc độ biến thiên hoặc có thể điều chỉnh, và cho phép chúng cung cấp năng lượng hiệu quả hơn so với các mô hình sử dụng máy phát tốc độ cố định Ngoài ra, các lợi ích đáng kể khác sử dụng các hệ thống tốc

độ thay đổi bao gồm giảm tổn thất cơ học, làm cho các thiết kế cơ khí nhẹ hơn

và có thể điều khiển được công suất lớn hơn, ít phụ thuộc vào thay đổi của năng lượng gió, hiệu quả chi phí, điều khiển góc pitch đơn giản, cải thiện chất lượng điện và hiệu quả, giảm tiếng ồn… Như thể hiện trong hình bên dưới, stator được kết nối trực tiếp với lưới điện, trong khi một bộ chuyển đổi năng lượng quy mô một phần điều khiển tần số rotor và tốc độ rotor Bộ chuyển đổi năng lượng một phần bao gồm bộ chuyển đổi AC/DC/AC, công suất xác định phạm vi tốc độ (thường khoảng ± 30% tốc độ đồng bộ) Hơn nữa, bộ chuyển đổi này cho phép

nhỏ hơn làm cho mô hình này trở nên hấp dẫn từ quan điểm kinh tế Tuy nhiên, nhược điểm chính của nó là sử dụng vòng trượt, chổi than, cần thường xuyên bảo trì, và các phương án bảo vệ phức tạp trong trường hợp sự cố lưới điện

Hình 2.3: Mô hình kết nối máy phát điện cảm ứng nguồn kép với lưới điện

2.3.4 Mô hình máy phát kết nối lưới điện thông qua bộ biến đổi toàn diện

Mô hình này tương ứng với tuabin gió điều khiển tốc độ biến thiên trực tiếp, với máy phát điện được kết nối với lưới điện thông qua bộ chuyển đổi công suất toàn diện Máy phát đồng bộ được sử dụng để tạo ra dòng điện AC Bộ chuyển đổi điện được kết nối theo chuỗi với máy phát điện để biến đổi tần số này Bộ chuyển đổi năng lượng này cũng cho phép điều khiển bù công suất phản kháng cục bộ được tạo ra và có kết nối lưới mịn cho toàn bộ phạm vi tốc độ Máy phát điện được sử dụng có thể có thế là máy phát điện đồng bộ rôto dây quấn (WRSG) hay máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) Gần đây, do

sự phát triển của công nghệ điện tử công suất, máy phát cảm ứng rotor lồng sóc (SCIG) cũng đã bắt đầu được sử dụng cho mô hình này Một số hệ thống tuabin gió có tốc độ biến đổi hoàn toàn không có hộp số và sử dụng máy phát đa cực được điều khiển trực tiếp

Tua bin gió tốc độ thay đổi trực tiếp có một số hạn chế đối với các khái niệm DFIG tốc độ biến đổi, trong đó chủ yếu bao gồm bộ chuyển đổi công suất

và bộ lọc đầu ra ở khoảng 1 p.u của tổng công suất hệ thống Tính năng này làm giảm hiệu quả của hệ thống tổng thể và do đó dẫn đến một thiết bị đắt tiền hơn Tuy nhiên, với bộ chuyển đổi năng lượng với tỉ lệ đầy đủ, máy phát điện gió đã

chuyển đổi năng lượng đến lưới một cách hiệu quả hơn, đáp ứng được yêu cầu

là một giải pháp hiệu quả và mạnh mẽ mang lại lợi ích, đặc biệt cho các mô hình

điện gió ngoài khơi, nơi các yêu cầu bảo trì thấp là điều cần thiết Hơn nữa, sử

dụng một máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu, hệ thống kích từ DC loại

bỏ và giảm chi phí, tổn thất, chi phí và các yêu cầu bảo trì (không yêu cầu phải

có vành trượt) Thậm chí các hệ thống tuabin gió PMSG hướng trực tiếp có thể

được ưu tiên sử dụng trong tương lai hơn so với các mô hình tuabin gió DFIG [5]

Hình 2.4: Mô hình máy phát kết nối lưới điện thông qua bộ biến đổi

toàn diện

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ HẢI NINH ĐẾN LƯỚI ĐIỆN 110KV TỈNH QUẢNG BÌNH

3.1 Chế độ vận hành

3.1.1 Nhu cầu phụ tải khu vực và nguồn cấp

3.1.2 Đặc điểm phụ tải lưới điện khu vực

Sơ đồ mô phỏng được thể hiện như sau:

Sơ đồ này sẽ được sử dụng mô phỏng các chế độ vận hành của lưới điện 110kV tỉnh Quảng Bình trong các điều kiện bình thường và trong chế độ sự cố

để đánh giá khả năng hoạt động của nhà máy điện gió Hải Ninh