Nghiên cứu yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn kết nối nguồn điện chạy bằng sức gió với hệ thống điện quốc gia

NGUYỄN THỊ HỒNG YẾN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THỊ HỒNG YẾN HỆ THỐNG ĐIỆN NGHIÊN CỨU YÊU CẦU KỸ THUẬT VÀ TIÊU CHUẨN KẾT NỐI NGUỒN ĐIỆN CHẠY BẰNG SỨC GIÓ VỚI HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HỆ THỐNG ĐIỆN 2009 Hà Nội – 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ HỒNG YẾN NGHIÊN CỨU YÊU CẦU KỸ THUẬT VÀ TIÊU CHUẨN KẾT NỐI NGUỒN ĐIỆN CHẠY BẰNG SỨC GIÓ VỚI HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA Chuyên ngành : Hệ thống điện LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HỆ THỐNG ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN XUÂN HOÀNG VIỆT Hà Nội – 2011 Nguyễn Thị Hồng Yến LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, vấn đề trình bày luận văn nghiên cứu riêng cá nhân tơi, có tham khảo số tài liệu báo tác giả nước xuất Tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm có sử dụng kết người khác Tác giả Nguyễn Thị Hồng Yến -1- Nguyễn Thị Hồng Yến LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn tốt nghiệp này, nỗ lực thân tác giả, cịn phải kể đến giúp đỡ tận tình thầy cơ, bạn bè, gia đình Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Xuân Hồng Việt, người giúp đỡ tơi nhiều trình thực luận văn Xin cảm ơn thầy cô thuộc môn Hệ thống điện – Viện Điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội có góp ý quý báu nội dung đề tài Đồng thời, xin gửi tới bạn bè, đồng nghiệp trao đổi giúp tơi tháo gỡ nhiều vướng mắc q trình thực Cuối tơi xin gửi tới gia đình người thân, người bên cạnh tôi, chỗ dựa tinh thần giúp tơi vượt qua khó khăn thời gian qua -2- Nguyễn Thị Hồng Yến MỤC LỤC Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ, đồ thị Lời mở đầu Chương Giới thiệu nguồn phân tán 10 1.1 Định nghĩa nguồn điện phân tán 10 1.2 Tác dụng vấn đề cần quan tâm đến nguồn điện phân tán 13 1.2.1 Độ tin cậy cung cấp điện chất lượng điện 13 1.2.2 Thị trường điện tự 17 1.2.3 Các vấn đề biến đổi khí hậu 18 1.3 Một số dạng nguồn điện phân tán 18 1.3.1 Điện gió 18 1.3.2 Điện mặt trời 19 1.3.3 Thủy điện nhỏ 21 1.3.4 Điện sinh khối 22 1.3.5 Địa nhiệt 24 1.3.6 Tổ hợp nhiệt - điện (CHP) 26 1.4 Hiện trạng xu hướng phát triển nguồn phân tán Việt Nam 26 Chương Yêu cầu kỹ thuật điều kiện kết nối hệ thống phát điện chạy sức gió với hệ thống điện quốc gia 28 2.1 Công suất phản kháng điện áp 28 2.1.1 Yêu cầu chung điện áp 28 2.1.2 Yêu cầu điện áp có cố 32 2.1.3 Nhấp nháy điện áp sinh nguồn điện gió 33 2.1.4 Sóng hài 34 2.2 Công suất tác dụng tần số 37 -3- Nguyễn Thị Hồng Yến 2.3 Hòa đồng 39 2.4 Chế độ vận hành cô lập 40 2.4.1 Chế độ vận hành cô lập không chủ ý 40 2.4.2 Chế độ vận hành lập có chủ ý 42 2.5 Kết nối trở lại với hệ thống điện khu vực 43 2.6 Hệ thống bảo vệ lưới điện phân phối 43 2.6.1 Máy biến áp kết nối đầu nguồn điện gió 44 2.6.2 Dịng điện cố từ nguồn điện gió 45 2.7 Một số yêu cầu khác 48 2.7.1 Các hệ thống điều khiển, giám sát 48 2.7.2 Thiết bị đóng ngắt trực quan 48 2.7.3 Tính quán đấu nối 49 Chương Mô kết nối hệ thống phát điện chạy sức gió với lưới điện 51 3.1 Khái quát chung 51 3.1.1 Đặc điểm máy phát điện tuabin gió 51 3.1.2 Phân loại máy phát điện tuabin gió 52 3.1.3 Cấu trúc nguồn điện gió 55 3.2 Kết nối hệ thống phát điện chạy sức gió với lưới điện 56 3.2.1 Mô phần mềm PSCAD 58 3.2.2 So sánh chất lượng điện áp số loại máy phát điện gió với máy phát điện gió loại DFIG 65 3.2.3 Đánh giá mức độ ổn định hệ thống xảy ngắn mạch 72 Chương Kết luận kiến nghị 75 Tài liệu tham khảo 76 -4- Nguyễn Thị Hồng Yến DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt DG Distributed Generation Nguồn điện phân tán WP Wind Power Nguồn điện gió PCC Point of Common Connection Điểm kết nối chung -5- Nguyễn Thị Hồng Yến DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các công nghệ DG dãy công suất thông thường……………… 11 Bảng 1.2 Công suất lắp đặt nhà máy điện địa nhiệt năm 2007……………….25 Bảng 2.1 Đáp ứng hệ thống điện áp thay đổi……….………………….32 Bảng 2.2 Yêu cầu IEC nhấp nháy điện áp……………………………….34 Bảng 2.3 Giới hạn méo sóng hài cho phép………………… ………………….35 Bảng 2.4 Đáp ứng hệ thống tần số thay đổi……………………………38 Bảng 2.5 Giới hạn cho phép thông số hịa đồng bộ………………….39 Bảng 2.6 Các thiết bị sử dụng để hòa đồng tay…………….40 T 7 30T 30T 30T 30T 30T 30T 30T T T T T T T Bảng 3.1 Thông số đường dây ………………………………………………….57 Bảng 3.2 Thông số máy phát…………………………………………………….61 -6- Nguyễn Thị Hồng Yến DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Kết nối nguồn phân tán với lưới điện phân phối Hình 1.2 Điện gió Hình 1.3 Tháp nhận ánh sáng Mặt trời PS10, nhà máy gần thành phố Seville, Tây T T T Ban Nha Hình 1.4 Nhà máy điện dạng hình máng parabol có nhiều gương dạng hình máng tập trung ánh sáng vào điểm trọng tâm Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời Hình 1.6 Nhà máy thủy điện Krơng K’mar T Hình 1.7 Quy trình sản xuất điện sinh khối Hình 1.8 Nhà máy điện sinh khối Hình 1.9 Một nhà máy địa nhiệt Iceland Hình 1.10 Công ty Điện lực E.ON (UK) xây dựng nhà máy phát điện nhiệt kết hợp (CHP) chạy khí Isle of Grain (Vương quốc Anh) Hình 1.11 Dự báo phát triển nguồn phân tán đến 2030 Hình 2.1 Nguồn gió kết nối với hệ thống điện Hình 2.2 Phản ứng điện áp có cố thống qua Hình 2.3 Mức độ thay đổi điện áp cho phép theo tần số Hình 2.4 Tổng sóng hài sóng hài bậc MBA phân phối sinh dịng chiều Hình 2.5 Sự phối hợp tự đóng lại cầu chì Hình 2.6 Tự đóng lại tác động với cố ngồi vùng bảo vệ Hình 3.1 Máy phát điện tuabin gió loại tốc độ cố định Hình 3.2 Máy phát điện tuabin gió loại tốc độ biến thiên phạm vi hẹp Hình 3.3 Máy phát điện tuabin gió tốc độ biến đổi, biến đổi phần công suất (DFIG) Hình 3.4 Máy phát điện tuabin gió tốc độ biến đổi, biến đổi phần cơng suất Hình 3.5 Sơ đồ lưới điện có kết nối nguồn gió -7- Nguyễn Thị Hồng Yến Hình 3.6 Mơ hình tuabin gió PSCAD Hình 3.7 Mơ hình tốn học tính cơng suất gió PSCAD Hình 3.8 Mơ hình điều khiển tốc độ vào nguồn gió Hình 3.9 Mơ hình MPĐ PSCAD Hình 3.10 Sơ đồ quy đổi nhiều máy phát thành máy phát tương đương Hình 3.11 Sơ đồ tương đương DFIG chế độ xác lập Hình 3.12 Bộ biến đổi cơng suất Hình 3.13 Khối Crowbar Hình 3.14 Chiều dịng lượng qua máy phát DFIG Hình 3.15 Mơ lưới điện PSCAD Hình 3.16 Sơ đồ kết nối nguồn gió với lưới điện Hình 3.17 Các điểm ngắn mạch lưới Hình 3.18 Đồ thị điện áp đầu cực máy phát số loại máy phát tuabin gió xảy cố ngắn mạch lưới Hình 3.19 Thị phần số loại máy phát điện tuabin gió Hình 3.20 Điện áp đầu cực máy phát vận hành bình thường Hình 3.21 Tổng sóng hài PCC vận hành bình thường (khoảng 0,02%) Hình 3.22 Đồ thị U(pu), P(pu), Q(pu), Tm(pu), THD(%) có cố ngắn mạch -8- Nguyễn Thị Hồng Yến = s Hệ số trượt: ωs − ωr ωsl = ωs ωs Từ thông mạch: Φ= L m (Is + I r + I Rm ) m = Φ s Lls Is + L m (Is + I r + I Rm = ) Lls Is + Φ m = Φ r Llr I r + L m (Is + I r + I Rm = ) Llr I r + Φ m Thay phương trình từ thơng vào phương trình điện áp, ta có: * V = R s Is + jωs Φ s s * Vr R r = I r + jωs Φ r s s = R m I Rm + jωs Φ m 3.2.1.3 Mơ hình điều chỉnh GRID Converter & Controls GENERATOR Converter & Controls SABC GABC W IM S TL - 62 - Nguyễn Thị Hồng Yến T1s T5s T1 D1 BRK D1 T1 T3s 100000 [uF] D1 T1 D1 T1 T1 T1 D1 T5 0.01 [ohm] V Ecap T1 D1 T3 Ecapref D1 T1 D1 T1 T4 T2s T2 D2 T2 T6 [kV] B C #1 0.38 [kV] 100 A T2 D2 T2 D2 T6s C B #2 A T4s D1 T1 0.001 [ohm] 0.001 [ohm] 0.001 [ohm] DADEA DBDEB DCDEC V729 S1 DDDED SABC DEDEE DFDEF GABC Hình 3.12 Bộ biến đổi công suất Các khối biến đổi cơng suất bao gồm: - Khối Crowbar có nhiệm vụ bảo vệ dòng tránh điện áp mạch DC link Idc DADEA DBDEB DCDEC V729 S1 Irc Irb Ira DDDED DEDEE DFDEF GABC Hình 3.13 Khối Crowbar Thiết bị crowbar trang bị đầu cực rotor để bảo vệ dòng tránh điện áp mạch dc-link Khi xảy tình trạng dòng, thiết bị crowbar ngắn mạch đầu cực rotor thông qua điện trở crowbar, ngưng hoạt động điều khiển converter cho phép DFIG làm việc máy điện không đồng thông thường, lúc tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới - 63 - Nguyễn Thị Hồng Yến - Bộ biến đổi cơng suất gồm hai converter; converter phía máy phát RSC (Rotor Side Converter) converter phía lưới GSC (Grid Side Converter), kết nối theo kiểu “back-to-back” Một tụ điện dc-link đặt đóng vai trị tích trữ lượng Mạch rotor cấp nguồn từ nghịch lưu nguồn áp VSC (Voltage Source Converter) có biên độ tần số thay đổi, thường sử dụng linh kiện điện tử cơng suất IGBT Khi hịa đồng với lưới điện, dịng lượng qua máy phát xảy hai trường hợp: ▪ Gió thổi cánh quạt tuabin quay ứng với tốc độ thấp tốc độ đồng bộ, chế độ vận hành đồng (hệ số trượt dương, s>0), máy phát lấy lượng từ lưới qua rotor ▪ Gió thổi cánh quạt quay ứng với tốc độ lớn tốc độ đồng bộ, chế độ vận hành đồng (hệ số trượt âm, s