Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các loại công nghệ turbine gió đến dòng ngắn mạch trên lưới điện

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA DƢƠNG VĂN SƠN C C R L T ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC LOẠI CƠNG NGHỆ TURBINE GIĨ ĐẾN DÒNG NGẮN MẠCH TRÊN LƢỚI ĐIỆN DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Đà Nẵng - Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA DƢƠNG VĂN SƠN ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC LOẠI CƠNG NGHỆ TURBINE GIĨ ĐẾN DỊNG NGẮN MẠCH TRÊN LƢỚI ĐIỆN C C R L T DU Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số : 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHAN ĐÌNH CHUNG Đà Nẵng - Năm 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi, hướng dẫn TS Phan Đình Chung Các kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình Tác giả luận văn Dƣơng Văn Sơn C C DU R L T ii ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC LOẠI CƠNG NGHỆ TURBINE GIĨ ĐẾN DỊNG NGẮN MẠCH TRÊN LƢỚI ĐIỆN Học viên: Dương Văn Sơn Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 Khóa: 36 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt: Hiện nay, điện gió khai thác nhanh nhiều nơi giới nguồn lượng tái tạo vô tận Việc kết nối nhà máy điện gió vào hệ thống điện nhằm góp phần đáp ứng nhu cầu phát triển phụ tải Tuy nhiên, vấn đề phát sinh kết nối nhà máy điện gió vào hệ thống điện, làm cho dịng ngắn mạch lưới điện tăng cao, ảnh hưởng đến việc đóng góp dịng ngắn mạch loại máy phát-turbine gió đến lưới, hư hỏng khí cụ điện lưới Nhưng loại máy phát-turbine gió có cấu tạo khác nên dịng ngắn mạch loại máy phát-turbine gió đến dịng ngắn mạch lưới khác Vì vậy, tác giả nghiên cứu mức độ ảnh hưởng loại cơng nghệ turbine gió, từ đề nghị nên chọn loại máy phátturbine gió để giảm chi phí thay khí cụ điện Kết nghiên cứu cho thấy, với máy phát turbine gió loại đóng góp dịng ngắn mạch đến lưới nhỏ Vì vậy, luận văn khuyến cáo nên sử dụng máy phát turbine gió loại nhằm hạn chế việc thay thiết bị đóng cắt lưới Từ khóa : Máy phát turbine gió - Dịng ngắn mạch - Mức độ ảnh hưởng C C R L T DU ASSESSMENT OF THE INFLUENCE OF THE TYPES OF WIND TURBINE TECHNOLOGIES ON THE SHORT-CIRCUIT CURRENT ON THE GRID Student: Duong Van Son - Specialized:Electrical Engineering Code: 8520201, Course: 36 The University of Danang–University of Scienceand Technology Abstract: Currently, wind power has been exploited in many countries in the world because it is a plentiful and renewable energy source The integration of large wind power plants into the power system contributes to meet the increasing demand of the load However, one of the arising problems when connecting a wind power plant to the power system is that the short-circuit current of the grid increases, affecting the contribution of short-circuit current of each wind turbine to the grid, damaging the electric equipments on the grid Practically, the difference in the structure of wind turbine makes short-circuit current of each wind turbine to the grid different Therefore, the author researched theimpact of the type of wind turbine technologies, on the short-circuit current contribution to the connected grid and then, author will suggest the kind of wind turbine should be used to reduce the replacement cost of electric equippent on the connected grid The research results show that, the type wind tubine short-circuit current contribution is the smallest Therefore, the thesis recommends the type wind turbine should be used to restrict the replacement of switchgear on the connected grid Keyword:the windturbine, the short-circuitcurrent, the influencedegree iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i TÓM TẮT ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn Bố cục đề tài C C R L T CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ VÀ PHẦN MỀM ETAP 1.1 Khái quát chung 1.2 Lợi ích lượng điện gió 1.3 Tình hình lượng điện gió giới 1.4 Tiềm gió Việt Nam 1.5 Giới thiệu chung máy phát-turbine gió 1.5.1 Các dạng máy phát-turbine gió 1.5.2 Các loại máy phát-turbine gió 1.5.3 Cấu tạo máy phát-turbine gió 1.5.4 Nguyên lý hoạt động máy phát-turbine gió 1.5.5 Các kiểu máy phát-turbine gió nay: 1.5.6 Cơng suất loại tuabin gió 1.6 Giới thiệu loại máy phát-turbine gió 1.6.1 Giới thiệu máy phát-turbine gió sử dụng SCIG: 1.6.2 Giới thiệu máy phát-turbine gió sử dụng DFIG: 1.6.3 Giới thiệu turbine gió sử dụng PMSG 10 1.7 Tổng quan chương trình ETAP 11 1.7.1 Sơ lược ETAP 11 1.7.2 Ứng dụng phần mềm ETAP 12 1.7.3 Giao diện phần mềm ETAP 12 DU iv 1.7.4 Các phần tử ETAP 14 1.8 Kết luận chương 22 CHƢƠNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN NGẮN MẠCH CHO CÁC LOẠI MÁY PHÁT TURBINE GIÓ 24 2.1 Máy phát turbine gió loại (SCIG) 24 2.2 Máy phát turbine gió loại (DFIG) 27 2.3 Máy phát turbine gió loại (PMSG) 30 2.4 Kết luận chương 31 CHƢƠNG ĐÁNH GIÁ DÕNG ĐIỆN SỰ CỐ Ở LƢỚI ĐIỆN MẪU 32 3.1 Giới thiệu lưới điện mẫu 32 3.1.1 Lưới hệ thống 32 3.1.2 Các máy phát điện 32 3.1.3 Thông số máy biến áp lưới hệ thống 33 3.1.4 Thông số góp lưới hệ thống 33 3.1.5 Thông số chiều dài lưới hệ thống 34 3.1.6 Thông số phụ tải lưới hệ thống 34 3.2 Hệ thống điện gió kết nối với lưới 34 3.3 Dòng ngắn mạch có nhà máy điện gió kết nối vào lưới 35 3.3.1 Sự cố ngắn mạch pha lưới điện mẫu 36 3.3.2 Sự cố ngắn mạch pha lưới điện thực tế 45 3.4 So sánh đánh giá mức độ ảnh hưởng 51 3.4.1 So sánh chênh lệch dòng ngắn mạch pha không kết nối với nhà máy điện gió kết nối nhà máy điện gió, nhà máy điện truyền thống 51 3.4.2 So sánh chênh lệch dòng ngắn mạch pha khơng kết nối với nhà máy điện gió kết nối nhà máy điện gió, nhà máy điện truyền thống 52 3.4.3 Đánh giá mức độ ảnh hưởng 52 3.5 Kết luận Chương 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54 C C R L T DU DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AC Dòng điện xoay chiều ACSR Dây nhơm lõi thép Bus Thanh góp Cable Dây cáp điện CB Máy cắt điện CS Công suất CSPK Cơng suất phản kháng DC Dịng điện chiều DFIG Máy phát điện cảm ứng ro to dây quấn - loại Gen Máy phát điện Isc Dòng điện cố MPĐĐB Máy phát điện đồng NLTT Năng lượng tái taọ NM3P Ngắn mạch pha NM1P Ngắn mạch pha NMĐG Nhà máy điện gió PMSG máy phát điện đồng nam châm vĩnh cửu SCIG Máy phát điện cảm ứng roto lồng sóc - loại T Máy biến áp TG Thanh góp Turbine Tua bin VSC Bộ chuyển đổi nguồn điện áp WRIG Máy phát điện cảm ứng rôto dây quấn WRSG Máy phát đồng rotor dây quấn WTG Máy phát turbine gió C C R L T DU vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 So sánh đặc tính loại tua bin 3.1 Cơng suất phát điện áp định mức máy phát điện 33 3.2 Thông số máy biến áp 33 3.3 Thông số góp 33 3.4 Thơng số chiều dài đường dây 34 3.5 Thông số phụ tải lưới điện mẫu 34 3.6 Dòng ngắn mạch pha góp có kết nối khơng kết nối với nhà máy điện gió, nhà máy điện truyền thống 36 3.7 Dòng ngắn mạch pha NMĐG DFIG Qmax = 0, Qmin=0, % V = 100%và Qmax = +5MVAr, Qmin= - MVAr, % V = 110% 44 3.8 Dòng ngắn mạch pha NMĐG PMSG Qmax = 0, Qmin=0, % V = 100% Qmax = +5MVAr, Qmin= - MVAr, % V = 110% 45 3.9 Dòng ngắn mạch pha góp có kết nối khơng kết nối với nhà máy điện gió, máy phát điện đồng 45 3.10 Dòng ngắn mạch pha NMĐG DFIG Qmax = 0, Qmin=0, % V = 100% Qmax = +5MVAr, Qmin= - MVAr, % V = 110% 50 3.11 Dòng ngắn mạch pha NMĐG PMSG Qmax = 0, Qmin=0, % V = 100% Qmax = +5MVAr, Qmin= - MVAr, % V = 110% 50 3.12 So sánh chênh lệch dòng ngắn mạch pha không kết nối NMĐG kết nối NMĐG 51 3.13 So sánh chênh lệch dòng ngắn mạch pha không kết nối NMĐG kết nối NMĐG 52 C C R L T DU vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Hình dạng máy phát-turbine gió 1.2 Cấu tạo máy phát-turbine gió 1.3 Tuabin gió MW có chiều dài cánh quạt 40 m 1.4 Tuabin 10 MW có chiều dài cánh quạt 210 m 1.5 Máy phát nối trực tiếp với lưới 1.6 Máy phát cảm ứng nguồn kép 1.7 Máy phát nối lưới thông qua biến đổi điện tử công suất đầy đủ 10 1.8 Giao diện phần mềm ETAP 13 1.9 Các chức tính tốn 13 1.10 Các thiết bị AC 1.11 Trang info nguồn 1.12 Trang Rating nguồn 1.13 Trang Rating máy phát 17 1.14 Trang info máy phát 18 1.15 Trang info đường dây 18 1.16 Trang parameter máy phát 19 1.17 Trang infor máy biến áp 20 1.18 Trang Rating máy biến áp 21 2.1 Sơ đồ đơn tuyến máy phát turbine gió loại 1- SCIG 24 2.2 Mạch tương đương máy phát turbine gió loại 1- SCIG 25 2.3 Sơ đồ thay máy phát turbine gió loại 1- SCIG 26 2.4 Sơ đồ thay máy phát turbine gió loại 3- DFIG 27 3.1 Lưới điện 230kV-9 góp 32 3.2 Mơ kết nối máy phát turbine gió hệ thống điện gió 35 3.3 Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch pha TG1 (Isc từ TG4TG1) 37 3.4 Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch pha TG2 (Isc từ TG7TG2) 38 3.5 Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch pha TG3 (Isc từ TG9TG3) 38 C C R L T DU 14 15 16 viii Số hiệu hình Tên hình Trang 3.6 Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch pha TG5(Isc từ NM10TG5) 39 3.7 Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch pha TG6 (Isc từ NM11TG6) 40 3.8 Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch pha TG7 (Isc từ TG5TG7) 40 3.9 Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch pha TG8 (Isc từ TG7TG8) 41 3.10 Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch pha TG9 (Isc từ TG6TG9) 41 3.11 Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch pha TG10 (Isc từ TG4NM10): 3.12 C C 42 Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch pha NM11 (Isc từ TG4NM11) 42 3.13 Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch pha góp 43 3.14 Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch pha TG1 (Isc từ TG4TG1) 46 3.15 Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch pha TG2 (Isc từ TG7TG2) 47 3.16 Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch pha TG3 (Isc từ TG9TG3) 47 3.17 Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch pha TG6 (Isc từ NM11TG6) 48 3.18 Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch pha góp 48 T U R L D 51 Dịng ngắn mạch (kA) Thanh góp Không kết nối NMĐG Qmax = Qmin=0 %V = 100% Qmax = +5MVAr Qmin= - MVAr % V = 110% đến 1.046 1.056 1.056 1.056 đến 0.548 0.552 0.552 0.552 đến 1.2 1.207 1.207 1.207 đến 0.739 0.744 0.744 0.744 đến 0.955 0.964 0.964 0.964 Nhận xét: Từ bảng 3.11 ta nhận thấy dòng ngắn mạch pha NMĐG PMSG không thay đổi thay đổi công suất phản kháng thay đổi điện áp 3.4 So sánh đánh giá mức độ ảnh hƣởng 3.4.1 So sánh chênh lệch dịng ngắn mạch pha khơng kết nối với nhà máy điện gió kết nối nhà máy điện gió, nhà máy điện truyền thống Bảng 3.12 So sánh chênh lệch dòng ngắn mạch pha không kết nối NMĐG kết nối NMĐG C C Thanh góp / Điểm ngắn mạch R L T DU Chênh lệch NMĐG SCIG DFIG PMSG Nhà máy điện truyền thống 60Mw đến 5.804 5.804 0.624 14.607 đến 1.748 1.748 0.124 4.047 đến 1.61 1.61 0.128 3.71 10 đến 0.245 0.245 0.017 0.596 đến 0.029 0.029 0.002 0.072 11 đến 0.293 0.293 0.023 0.729 đến 0.021 0.021 0.001 0.053 đến 0.156 0.156 0.01 0.37 đến 0.053 0.053 0.003 0.127 đến 0.086 0.086 0.004 0.201 đến 0.062 0.062 0.003 0.145 đến 0.143 0.143 0.01 0.34 đến 0.047 0.047 0.002 0.111 NM10 đến NM10 0.566 0.566 0.045 1.497 NM11 đến NM11 0.566 0.566 0.048 1.497 52 3.4.2 So sánh chênh lệch dòng ngắn mạch pha không kết nối với nhà máy điện gió kết nối nhà máy điện gió, nhà máy điện truyền thống Bảng 3.13 So sánh chênh lệch dịng ngắn mạch pha khơng kết nối NMĐG kết nối NMĐG Chênh lệch NMĐG Thanh góp SCIG DFIG PMSG Nhà máy điện truyền thống 60Mw đến 4.052 4.052 0.464 10.058 đến 1.683 1.683 0.126 3.938 đến 1.465 1.465 0.126 3.415 10 đến 0.115 0.115 0.022 0.267 11 đến 0.123 0.123 0.024 0.287 đến 0.051 0.051 0.01 đến 0.015 0.015 0.004 0.032 đến 0.02 0.007 0.044 đến 0.016 0.016 C C 0.116 0.005 0.035 đến 0.044 0.044 0.009 0.099 DU R L T 0.02 3.4.3 Đánh giá mức độ ảnh hưởng 3.4.3.1 Đánh giá mức độ ảnh hưởng ngắn mạch pha: - Khi kết nối nhà máy điện gió vào lưới điện: + Máy phát turbine gió loại PMSG có dịng ngắn mạch pha tăng thấp loại máy phát turbine gió + Máy phát turbine gió loại SCIG loại DFIG có dịng ngắn mạch tăng cao máy phát turbine gió gió loại - Khi kết nối nhà máy điện truyền thống công suất vào lưới điện: dòng ngắn mạch tăng cao so với kết nối nhà máy điện gió 3.4.3.2 Đánh giá mức độ ảnh hưởng ngắn mạch pha: - Khi kết nối nhà máy điện gió vào lưới điện: + Máy phát turbine gió loại PMSG có dòng ngắn mạch pha tăng thấp loại máy phát turbine gió + Máy phát turbine gió loại SCIG loại DFIG có dịng ngắn mạch tăng cao máy phát turbine gió loại - Khi kết nối nhà máy điện truyền thống cơng suất vào lưới điện: dịng ngắn mạch tăng cao so với kết nối nhà máy điện gió 53 3.5 Kết luận Chƣơng - Khi bị cố ngắn mạch lưới điện cao áp, lưới có nối với tua bin gió dịng ngắn mạch tăng Tùy theo vị trí nối tua bin gió vào góp mà dịng ngắn mạch tăng khác nhau, góp gần vị trí nối tuabin gió gần máy phát dịng ngắn mạch tăng nhiều ngược lại, góp xa vị trí nối tuabin gió, máy phát dịng ngắn mạch tăng Vì vậy, thông qua phần mềm ETAP mô cụ thể giá trị dòng ngắn mạch để ta tiến hành chọn khí cụ điện (máy cắt) để thay cho phù hợp - Tùy thuộc vào việc ta chọn loại máy phát turbine gió mà dịng ngắn mạch tăng khác Trong loại máy phát turbine gió máy phát turbine gió loại (PMSG) dịng ngắn mạch tăng thấp nhất, máy phát turbine gió loại loại tăng cao - Trong loại máy phát turbine gió máy phát turbine gió loại nhiều hạn chế khơng điều hiển tốc độ dòng ngắn mạch tang cao - Khi thay đổi chế độ làm việc máy phát turbine gió, dịng ngắn mạch khơng thay đổi C C DU R L T 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - Kết luận: Khi nối thêm máy phát turbine gió vào hệ thống dịng ngắn mạch tăng, để biết cụ thể giá trị dòng ngắn mạch vị trí có giá trị bao nhiêu, ta sử dụng phần mềm ETAP để mô Từ ta tiến hành thay khí cụ điện có thơng số kỹ thuật cho đảm bảo hệ thống hoạt động tốt bình thường cố Điển hệ thống điện cao áp 230 KV/ 300MW – sử dụng góp ta xét, nối máy phát turbine gió có cơng suất 60 MW nối vào góp 4, ta cần thay máy cắt MC 3, MC 4, MC 17, MC 18, MC 20, MC 21 để đảm bảo an toàn cho hệ thống xảy cố ngắn mạch Trong loại máy phát turbine gió 1,3,4 xét máy phát turbine gió loại tối ưu có ưu điểm lớn điều khiển tốc độ bị cố ngắn mạch, dịng ngắn mạch tăng so với máy phát turbine gió loại 3, loại Mặt khác, máy phát turbine gió loại có hạn chế lớn khơng điều khiển tốc độ - Kiến nghị: Vì khn khổ đề tài thời gian có hạn, nên đề tài nghiên cứu đến dịng ngắn mạch góp lưới điện, vị trí khác ngắn mạch máy phát turbine gió chưa xét tới C C DU R L T 55 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] TS Lưu Ngọc An, TS Phan Đình Chung, TS Đồn Anh Tuấn,“Hệ thống điện gió mặt trời”- Nhà xuất xây dựng [2] Nguyễn Bính (1985), “Điện tử cơng suất lớn, ứng dụng Tiristor”, Nhà xuất Đại học Trung học chuyên nghiệp Hà Nội [3] Nguyễn Ngọc Phúc Diễm, Võ Ngọc Điều (chủ biên), Đặng Tuấn Khanh, Phạm Đình Anh Khơi, Huỳnh Quang Minh, Nguyễn Nhật Nam, Phạm Thị Minh Thái, Nguyễn Hoàng Minh Tuấn, Trần Thế Tùng, Huỳnh Quốc Việt, Lê Đức Thiện Vương (2017 ),“ETAP ứng dụng phân tích hệ thống điện”, Nhà xuất Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh [4] http://evnhanoi.vn/tin-tuc-evnhanoi/tiet-kiem-dien/5233-tiem-nang-phat-trien-diengio [5] http://tietkiemnangluong.com.vn/tin-tuc/khoa-hoc-cong-nghe/t6963/nang-luonggio-toan-cau-2008-2020-tai-sao-khong-.html [6] http://nangluongvietnam.vn/news/vn/khoa-hoc-va-cong-nghe/nguyen-ly-lam-vieccua-tuabin-gio.html [7] http://www.technologymag.net/wp-content/uploads/2013/08/Tua-bin-Gio_3.jpg [8] https://vnexpress.net/khoa-hoc/trung-quoc-phat-trien-turbine-gio-ngoai-khoi-lonnhat-4009271.html C C R L T DU TIẾNG ANH [9] P.E, Benjamin Karlson, and Joseph R Williams (2012), “Wind Power Plant Short-Circuit Modeling Guide”, prepared by Sandia National Laboratories [10] V Gevorgian and E Muljadi (2010), “Wind Power Plant Short Circuit Current Contribution for Different Fault and Wind Turbine Topologies”, prepared by National Renewable Enerergy Laboratory (NREL) C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T C C U D R L T ... nhà máy điện gió vào hệ thống điện, làm cho dòng ngắn mạch lưới điện tăng cao, ảnh hưởng đến việc đóng góp dịng ngắn mạch loại máy phát -turbine gió đến lưới, hư hỏng khí cụ điện lưới Nhưng loại. .. đặt mức độ ảnh hưởng nhà máy điện gió đến dịng ngắn mạch lưới hữu nhiều hay so với nhà máy điện truyền thống Hơn nữa, cấu trúc nhà máy điện gió khác nên mức độ ảnh hưởng loại máy phát -turbine gió. .. máy điện gió đến dịng ngắn mạch lưới điện hữu cần thiết C C R L T DU Mục tiêu nghiên cứu - Xác định dòng ngắn mạch điểm nút lưới điện hữu có nhà máy điện gió kết nối vào - Đánh giá mức độ ảnh hưởng