Đánh giá chất lượng điện năng của máy phát điện gió

Luận văn Cao học Đánh giá Chất lượng điện Máy phát điện gió - MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.2 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN GIÓ 1.2.1 Ưu nhược điểm hệ thống lượng điện gió 1.2.2 Tình hình phát triển hệ thống lượng điện gió giới 1.2.3 Tình hình phát triển hệ thống lượng gió Việt Nam 1.2.4 Tình hình phát triển phong điện nước ta 20 năm tới .5 1.3 NHỮNG ĐỀ TÀI ĐÃ THỰC HIỆN TRÊN THẾ GIỚI 1.4 NHIỆM VỤ VÀ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 1.5 ĐỊNH HƯỚNG CỦA ĐỀ TÀI 1.6 KÉT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CHƯƠNG 2: MÁY PHÁT ĐIỆN TUA BIN GIÓ 10 2.1 QÚA TRÌNH HÌNH THÀNH GIĨ TRONG TỰ NHIÊN .10 2.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN GIÓ 10 2.2.1 Những ảnh hưởng mang tính chất khu vực 10 2.2.2 Ảnh hưởng địa hình 11 2.2.3 Sự thay đổi theo thời gian .13 2.3 QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG CỦA TUA BIN GIĨ 15 2.3.1 Động gió .15 2.3.2 Cơng suất đầu từ tua bin gió lý tưởng 15 2.4 KẾT CẤU CHUNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TUA BIN GIÓ 17 2.4.1 Trụ tháp 18 2.4.2 Tua bin gió 20 2.4.3 Hộp số 22 2.4.4 Bộ hãm tốc độ 22 2.4.5 Máy phát điện 23 2.4.6 Bộ chỉnh lưu nghịch lưu 24 2.5 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN TUA BIN GIÓ 26 2.5.1 Hệ thống máy phát tua bin gió tốc độ cố định 27 2.5.2 Hệ thống máy phát tua bin gió thay đổi 27 2.6 HÒA ĐỒNG BỘ MÁY PHÁT ĐIỆN TUA BIN GIÓ VÀO LƯỚI ĐIỆN 29 CHƯƠNG 3: CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG MÁY PHÁT TUA BIN GIÓ KHI LIÊN KẾT VÀO LƯỚI VÔ CÙNG LỚN 30 3.1 TỔNG QUÁT 30 Trang Luận văn Cao học Đánh giá Chất lượng điện Máy phát điện gió 3.2 MƠ HÌNH MÁY PHÁT TUA BIN GIĨ KHI LIÊN KẾT VÀO LƯỚI VÔ CÙNG LỚN 30 3.2.1 Mơ hình máy phát tua bin gió tốc độ cố định - Fixed speed wind turbine 30 3.2.2 Mô hình máy phát tua bin gió tốc độ thay đổi-Variable speed wind turbine.49 3.3 PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 54 3.3.1 Biến thiên điện áp 54 3.3.2 Sự sụt áp 62 3.3.3 Sự chập chờn - Flicker 66 3.3.4 Sóng hài .76 3.3.5 Qúa độ 86 CHƯƠNG 4: CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG MÁY PHÁT TUA BIN GIÓ KHI LIÊN KẾT VÀO LƯỚI ĐỘC LẬP .88 4.1 TỔNG QUÁT 88 4.2 MƠ HÌNH LƯỚI ĐỘC LẬP 88 4.2.1 Mơ hình khối 88 4.2.2 Mơ hình lưới độc lập .89 4.2.3 Thông số lưới độc lập 89 4.2.4 Mơ hình mơ 90 4.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG 98 4.3.1 Cơng suất gió biến thiên 98 4.3.2 Ngắn mạch đầu cực máy phát tua bin gió 106 CHƯƠNG 5: NHỮNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .108 TÀI LIỆU THAM KHẢO 109 W X Trang Luận văn Cao học Đánh giá Chất lượng điện Máy phát điện gió CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Năng lượng nhu cầu thiết yếu người yếu tố đầu vào thiếu hoạt động kinh tế Khi mức sống người dân cao, trình độ sản xuất kinh tế đại nhu cầu lượng ngày lớn việc thỏa mãn nhu cầu thực thách thức hầu hết quốc gia Năng lượng hóa thạch lượng hạt nhân sử dụng từ kỷ 20 Một số nhà khoa học dự đoán trữ lượng than, dầu khí cạn kiệt vịng 30 năm tới Do đó, từ đầu kỷ 21 Tổ chức Năng lượng gió châu Âu (EWEA) đề xuất ưu tiên phát triển điện gió giới giai đoạn đầu kỷ 21 Ở Việt Nam, khởi sắc kinh tế làm cho nhu cầu điện gia tăng đột biến lực cung ứng chưa phát triển kịp thời Nếu tiếp tục đà này, nguy thiếu điện nỗi lo thường trực ngành điện Việt Nam doanh nghiệp người dân nước Trên giới lượng điện gió (cụ thể máy phát điện gió) nghiên cứu ứng dụng từ sớm, nhiên nước ta lượng điện gió bước khởi đầu Do việc nghiên cứu lượng điện gió đáp ứng đòi hỏi phát triển tương lai ngành lượng nước ta 1.2 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN GIÓ 1.2.1 Ưu nhược điểm hệ thống lượng điện gió 1- Ưư điểm • So với nhiệt điện thủy điện điện gió (phong điện) tận dụng nguồn lượng vơ tận gió, khơng bị khống chế quy mơ diện tích đầu tư • Gío nguồn ngun liệu khơng gây nhiễm khơng khí nước tạo điện, có khả giảm đáng kể lượng khí CO2 thải mơi trường • Các tua bin gió khơng tạo mưa axít khí thải SO2 hay khí nhà kín • Với đặc trưng phân tán nằm sát khu dân cư nên lượng gió giúp tiết kiệm chi phí truyền tải • Giúp đa dạng hóa nguồn lượng điều kiện quan trọng để tránh phụ thuộc vào hay số nguồn lượng chủ yếu điều giúp phân tán rủi ro tăng cường an ninh lượng Trang Luận văn Cao học Đánh giá Chất lượng điện Máy phát điện gió 2- Nhược điểm • Nhược điểm lớn điện gió phụ thuộc vào điều kiện thời tiết chế độ gió Vì cần nghiên cứu chi tiết địa hình tính chất gió để tránh ảnh hưởng khơng tốt đến máy phát • Các trạm điện gió thường gây tiếng ồn vận hành, yếu tố kỹ thuật khơng đảm bảo phá vỡ cảnh qn tự nhiên làm ảnh hưởng đến tín hiệu sóng vơ tuyến Do xây dựng khu điện gió cần tính toán khoảng cách hợp lý đến khu dân cư, khu du lịch để không gây tác động tiêu cực 1.2.2 Tình hình phát triển hệ thống lượng điện gió giới Theo Hội đồng Năng lượng Gió Tồn cầu (Global Wind Energy Council-GWEC) năm 2006 tổng cơng suất lắp đặt tồn giới tăng 25% đạt mức 74 GW Dự đoán vào cuối thập niên (2010) tổng công suất lắp đặt lượng gió đạt 149,5 GW cơng suất phân bố cụ thể khu vực sau: • Châu Âu (EU) EU thị trường hàng đầu lượng gió Năm 2004 châu Âu chiếm 72% thị trường toàn cầu hàng năm sang năm 2005 giảm xuống 55% năm 2006 51% Xu hướng trì đến năm 2010 châu Âu cịn giữ 44% thị trường tồn cầu hàng năm (9,3 GW) giữ 55% tổng công suất lắp đặt giới (82 GW) • Bắc Mỹ Bắc Mỹ theo dự đoán tiếp tục thị trường khu vực lớn thứ hai tổng công suất lắp đặt với mức tăng trưởng trung bình hàng năm 24,6%, từ mức 9,8 GW vào năm 2006 tăng lên 31,6 GW vào năm 2010 Mỹ thị trường quan trọng khu vực náy với công suất lắp đặt dự đốn trung bình 3,5 GW/năm • Châu Á Thị trường Châu Á vượt dự đoán trước tăng trưởng mạnh mẽ dự kiến Trung Quốc châu lục có tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm cao (28,3%) suốt giai đoạn Tới năm 2010 tổng công suất đạt 29 GW so với 10,7 GW vào năm 2006 • Châu Mỹ La tinh vùng Caribê Tới năm 2010 thị trường cất cánh với 296 MW công suất lắp đặt mới, Braxin sau Mêhico Những dự án phát triển nhỏ thực số nước Trung Mỹ Áchentina Chilê Mặc dù có tiềm lớn cuối thập kỷ châu Mỹ La tinh thị trường nhỏ • Khu vực Thái Bình Dương Sự phát triển phong điện dự đoán tiếp tục Ôxtraylia với GW lắp đặt giai đoạn 2007-2010 Trang Luận văn Cao học Đánh giá Chất lượng điện Máy phát điện gió • Châu Phi Châu Phi lục địa có mức phát triển phong điện thấp nhất, hai quốc gia Ai Cập Marốc lên quốc gia đầu phát triển ngành Tới năm 2010 Bắc Phi Trung Đông bổ sung thêm 900 MW cho tồn châu lục 1.2.3 Tình hình phát triển hệ thống lượng gió Việt Nam 1- Điều kiện thuận lợi • Nằm khu vực cận nhiệt đới gió mùa với 3000 km bờ biển Việt Nam có thuận lợi để phát triển điện gió • Tốc độ gió trung bình vùng biển Đông Việt Nam vùng biển lân cận cho thấy gió biển Đơng mạnh thay đổi theo mùa 2- Những vị trí lý tưởng lắp đặt máy phát điện gió nước ta Ở Việt Nam, khu vực phát triển điện gió trải toàn lãnh thổ với ảnh hưởng chế độ gió khác - Ở phía Bắc đèo Hải Vân mùa gió mạnh chủ yếu trùng với mùa gió đơng bắc, khu vực giàu tiềm Quảng Ninh, Quảng Bình Quảng Trị - Ở phần phía nam đèo Hải Vân mùa gió mạnh trùng với mùa gió tây nam vùng tiềm thuộc cao nguyên Tây Nguyên, tỉnh đồng sông Cửu Long đặc biệt khu vực hai tỉnh Ninh Thuận Bình Thuận Theo nghiên cứu Ngân hàng Thế giới, lãnh thổ Việt Nam hai vùng giàu tiềm để phát triển điện gió Sơn Hải (Ninh Thuận) vùng đồi cát độ cao 60-100 m phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận) Gío vùng khơng có vận tốc trung bình lớn mà cịn có thuận lợi số lượng bão khu vực gió có xu ổn định điều kiện thuận lợi để phát triển điện gió Trong tháng có gió mùa tỷ lệ gió nam đơng nam lên đến 98% với vận tốc trung bình 6-7 m/s tức vận tốc xây dựng trạm điện gió cơng suất - 3,5 MW 1.2.4 Tình hình phát triển phong điện nước ta 20 năm tới Theo “Quy hoạch phát triển Điện lực Quốc gia giai đoạn 2006-2015 có xét triển vọng đến 2025” lượng tái tạo nguồn cơng suất đóng góp vào tổng cơng suất toàn hệ thống So với thủy điện nhiệt điện lượng tái tạo có quy mơ nhỏ giai đoạn tổng công suất tăng lên, dự kiến Việt Nam phấn đấu để tỷ lệ lượng tái tạo chiếm khoảng 3% tổng công suất điện tới năm 2010 6% vào năm 2030 Trong tiềm xây dựng điện gió Việt Nam từ tới năm 2030 khoảng 400 MW Hiện nay, số cơng trình điện gió bước đầu triển khai như: Trang Luận văn Cao học 1.3 Đánh giá Chất lượng điện Máy phát điện gió - Cột gió Bạch Long Vĩ với công suất 850 KW - Nhà máy phong điện Phương Mai xây dựng huyện Phù Cát tỉnh Bình Định với cơng suất 21 MW - Nhà máy phong điện Nhơn Hội xây dựng huyện Phù Cát tỉnh Bình Định với cơng suất 27 MW - Trang trại điện gió 20 MW Khánh Hòa NHỮNG ĐỀ TÀI ĐÃ THỰC HIỆN TRÊN THẾ GIỚI - Năm 1995 tác giả AKE LARSSON có báo “Electrical generating systems in wind turbine applications” Kết thu đưa nhin tổng quát thiết bị sử dụng máy phát tua bin gió, vấn đề chất lượng điện liên kết máy phát tua bin gió vào lưới - Năm 1996 tác giả M.P.Papadopoulos, S.A.Papathanassion, S.T.Tentzerakis, N.G.Boulasis có báo “Investigation of the flicker emission by grid connected wind turbine” Kết thu đánh giá tượng chập chờn máy phát tua bin gió gây liên kết với lưới điện - Năm 1996 tác giả AKE LARSSON có báo “Voltage and frequency variations on autonomous grids: A comparison of two different wind-diesel systems” Kết thu so sánh chất lượng điện (điện áp tần số) kiểu hệ thống máy phát tua bin gió-máy phát diesel lưới độc lập hoạt động chế độ gió phụ tải khác - Năm 1996 tác giả AKE LARSSON có báo “Flicker and slow variations from wind turbines” Kết thu đánh giá mức độ ảnh hưởng chập chờn biến thiên điện áp máy phát tua bin gió gây cho hộ tiêu thụ liên kết vào lưới điện - Năm 1997 tác giả AKE LARSSON có báo “Power quality of wind turbine generating systems and their interaction with the grid” Kết thu đưa kết cấu máy phát tua bin gió tốc độ cố định máy phát tua bin gió tốc độ thay đổi, ảnh hưởng chất lượng điện gây hai loại máy phát - Năm 1999 tác giả AKE LARSSON có báo “Grid impact of variable-speed wind turbines” Kết thu đo đạc đánh giá ảnh hưởng chuyển đổi công suất trang bị máy phát tua bin gió tốc độ thay đổi lưới điện Qúa trình đánh giá có so sánh với tiêu chuẩn IEC 61400-21 “Power quality requirement for grid connected wind turbines” - Năm 2000 tác giả AKE LARSSON có báo “Flicker emission of wind turbines during continuous operation” Kết thu đo đạc đánh giá chập chờn gây máy phát tua bin gió q trình hoạt động liên tục có so sánh với tiêu chuẩn IEC 61400-21 Trang Luận văn Cao học 1.4 1.5 Đánh giá Chất lượng điện Máy phát điện gió - Năm 2000 tác giả AKE LARSSON có báo “Flicker emission of wind turbines caused by switching operations” Kết thu đo đạc đánh giá chập chờn gây máy phát tua bin gió q trình hoạt động đóng ngắt có so sánh với tiêu chuẩn IEC 61400-21 - Năm 2002 tác giả J.Morren, S.W.H.de.Haan, P.Bauer, J.T.G.Pierik có báo “Comparison of complete and reduced models of a wind turbine using Douby-Fed Induction generator (DFIG)” Kết thu đưa mơ hình máy phát DFIG tinh giãm thiết bị chuyển đổi công suất máy điện để q trình tính tốn mơ nhanh xác - Năm 2004 tác giả FlorinIov, Anca Daniela Hansen, Poul Sorensen, Frede Blaabjerg thuộc Đại học University có “Wind turbine blockset in Matlab/Simulink” Kết thu tác giả đưa cách tồn diện mơ hình tốn hoc, mơ hình mơ phần tử hệ thống máy phát tua bin gió - Năm 2004 tác giả Anca d.Hansen, Nicolaos A Cutuluis, Poul Sorensen thuộc Đại học Đan Mạch có “Simulation of a flexible wind turbine response to a grid fault” Kết thu đánh giá ảnh hưởng tượng ngắn mạch lưới điện máy phát tua bin gió, đồng thời đưa mơ hình máy phát điện gió có cấu trúc linh hoạt để tác động tượng ngắn mạch - Năm 2006 tác giả Dr Greg Buckner, Dr Herbert Eckerlin, Dr Alex Hobbs, Dr James Leach có viết “Performance optimization of a hybird wind turbine-diesel microgrid power system” Kết thu sử dụng cơng cụ Matlab/Simulink đưa mơ hình mơ hệ thống máy phát điện gió máy phát diesel hoạt động chế độ hỗn hợp, đo đạc đánh giá chât lượng điện chế độ hoạt động khác NHIỆM VỤ VÀ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI - Xây dựng mơ hình tốn học mơ hình mơ tất phần tử máy phát tua bin gió lưới điện - Sử dụng mơ hình mơ đánh giá chất lượng điện lưới điện liên kết máy phát tua bin gió vào lưới điện vô lớn lưới điện độc lập - Đánh giá kết thu đưa nhận xét ĐỊNH HƯỚNG CỦA ĐỀ TÀI Với phân tích thấy điện gió có tiềm phát triển lớn việc đánh giá đắng tác động hệ thống điện nhằm đảm bảo tính ổn định cần thiết Để thức việc đánh giá, số vấn đề đặt sau: • Vấn đề thứ Trang Luận văn Cao học Đánh giá Chất lượng điện Máy phát điện gió Để khai thác nguồn điện gió cần kết nối máy phát điện tua bin gió vào lưới điện Có hai kiểu kết nối chính: - Kết nối vào lưới điện vơ lớn - Kết nối vào lưới điện độc lập nhằm cung cấp công suất cho phụ tải vùng xa xơi • Vấn đề thứ hai Sau kết nối cần đánh giá ảnh hưởng nguồn điện gió (mà cụ thể máy phát điện tua bin gió) lưới điện ảnh hưởng lưới điện máy phát tua bin gió Những ành hưởng thể thông qua tiêu chất lượng điện Chất lượng điện xem lý tưởng điện áp liên tục có dạng hình sin với biên độ tần số không đổi Chất lượng điện thường xem xét thông qua: - Điện áp - Tần số - Sự gián đoạn cung cấp điện Trong chất lượng điện áp chia thành bốn dạng - Sự biến thiên điện áp - Chập chờn - Hoạ tần - Qúa độ Các trạng thái khác chất lượng điện thể Hình 1.1 Hình 1.1 : Các trạng thái khác chất lượng điện • Vấn đề thứ ba Xây dựng mơ hình máy phát điện tua bin gió phần tử lưới điện Trang Luận văn Cao học Đánh giá Chất lượng điện Máy phát điện gió • Vấn đề thứ tư Sử dụng công cụ mô để đánh giá chất lượng điện Từ lâu mô trở thành công cụ hiệu để nghiên cứu phân tích thiết bị thực tế Trong báo cáo sử dụng công cụ “Wind Turbine Blockset” phát triển môi trường Matlab/Simulink thực hợp tác Aalborg University RIS∅ National Larboratory 1.6 KÉT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Xây dựng hai mơ hình máy phát tua bin gió kết nối vào lưới điện - Máy phát tua bin gió tốc độ cố định - Fixed speed wind turbine - Máy phát tua bin gió tốc độ thay đổi - Variable speed wind turbine Đánh giá tiêu chất lượng điện lưới điện liên kết máy phát tua bin gió vào lưới chế độ - Liên kết máy phát tua bin gió vào lưới điện vơ lớn - Liên kết máy phát tua bin gió vào lưới điện độc lập Trang Luận văn Cao học Đánh giá Chất lượng điện Máy phát điện gió CHƯƠNG MÁY PHÁT ĐIỆN TUA BIN GIĨ 2.1 QÚA TRÌNH HÌNH THÀNH GIĨ TRONG TỰ NHIÊN Trái đất nhận khoảng 1,7x1014 kW lượng từ mặt trời dạng xạ nhiệt, xạ đốt nóng khơng khí khí Cường độ đốt nóng cao xích đạo giảm dần hai cực (cực Bắc cực Nam) trái đất Hình 2.1 : Cường độ đốt nóng mặt trời trái đất Những khu vực nóng thể màu ấm như: màu đỏ, màu cam, màu vàng Hình 2.1 Mật độ khơng khí giảm nhiệt độ cao khơng khí nhẹ từ xích đạo bay vào khí đến cực định sau lan rộng xung quanh Qúa trình làm giảm áp suất cực khơng khí lạnh từ cực có áp suất thấp bị hút xích đạo có áp suất cao hơn, di chuyển khơng khí sinh gió Kết luận: Gío sinh ứng với chênh lệch áp suất đốt nóng khơng đồng bề mặt trái đất mặt trời Do gió hình thức gián tiếp lượng mặt trời, 1÷2% xạ mặt trời đến bề mặt trái đất chuyển hóa thành lượng gió 2.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN GIĨ 2.2.1 Những ảnh hưởng mang tính chất khu vực Sự thay đổi vận tốc hướng gió gần bề mặt trái đất (cách 100m so với mặt đất) đáng quan tâm tính chất gió bị ảnh hưởng hệ số khu vực Trang 10 ... bin gió: Trang 23 Luận văn Cao học Đánh giá Chất lượng điện Máy phát điện gió - Với máy phát điện tua bin gió có cơng suất nhỏ từ vài W đến vài kW sử dụng máy phát điện DC - Với máy phát điện. .. tần số độ - L : điện kháng lưới điện - C : điện dung lưới điện Trang 87 Luận văn Cao học Đánh giá Chất lượng điện Máy phát điện gió CHƯƠNG CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG MÁY PHÁT TUA BIN GIÓ KHI LIÊN KẾT... theo vận tốc gió Trang 17 Luận văn Cao học Đánh giá Chất lượng điện Máy phát điện gió B- Phần điện 1- Máy phát điện 2- Bộ chỉnh lưu 3- Bộ nghịch lưu Các thành phần máy phát điện tua bin gió thể Hình