Nghiên cứu phát triển thủy điện nhỏ và nâng cao ổn định cho thủy điện nhỏ có kênh dẫn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LƯU VĂN DOANH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THỦY ĐIỆN NHỎ VÀ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH CHO THỦY ĐIỆN NHỎ CÓ KÊNH DẪN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN Mã ngành: 60520202 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC KHOA CHUYÊN MÔN TS Đỗ Trung Hải TS Ngơ Đức Minh PHỊNG ĐÀO TẠO TS Đặng Danh Hoằng THÁI NGUYÊN 2016 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Tôi Lưu văn Doanh, học viên lớp cao học K16 chuyên ngành Kỹ thuật điện, sau thời gian học tập nghiên cứu, giúp đỡ thầy cô giáo đặc biệt Thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp TS Ngơ Đức Minh, em hồn thành chương trình học tập đề tài luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu phát triển thủy điện nhỏ nâng cao ổn định cho thủy điện nhỏ có kênh dẫn” Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân hướng dẫn thầy giáo TS Ngô Đức Minh Nội dung luận văn có tham khảo trích dẫn tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Thái Nguyên, ngày 23 tháng 01 năm 2016 Học viên Lưu Văn doanh Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học làm đề tài thạc sỹ, em nhận truyền đạt kiến thức, phương pháp tư duy, phương pháp luận giảng viên trường Sự quan tâm lớn nhà trường, khoa Điện, thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên bạn lớp Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa đào tạo Sau đại học, thầy cô giáo tham gia giảng dạy tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện để em hồn thành luận văn Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Ngô Đức Minh tập thể cán giảng viên môn Hệ thống điện Hội đồng bảo vệ đề cương thạc sỹ khóa K16 - KTĐ cho dẫn quý báu để em hoàn thành luận văn Mặc dù cố gắng, xong kiến thức kinh nghiệm cịn hạn chế nên chắn luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong muốn nhận dẫn từ thầy, cô giáo bạn học để luận văn hoàn thiện có ý nghĩa thực tiễn Xin chân thành cảm ơn! Học viên Lưu Văn Doanh Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ v DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU viii LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG THỦY ĐIỆN NHỎ 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 1.1.1 khái niệm lượng tái tạo 1.1.2 Các dạng lượng tái tạo phổ biến KẾT LUẬN CHƯƠNG 14 CHƯƠNG THỦY ĐIỆN NHỎ 16 2.1 TỔNG QUAN VỀ THỦY ĐIỆN NHỎ 16 2.1.1 Điện thủy triều 16 2.1.2 Thủy điện hải lưu 19 2.1.3 Thủy điện sóng biển 21 2.1.4 Thủy điện dòng suối (kênh dẫn) 25 2.2 MƠ HÌNH THỦY ĐIỆN NHỎ KIỂU KÊNH DẪN 28 2.2.1 Giới thiệu chung 28 2.2.2 Nguyên lý hoạt động thủy điện nhỏ 28 2.2.3 Tính toán kỹ thuật 30 2.2.4 Turbine thủy điện nhỏ 32 CHƯƠNG MẠNG ĐIỆN NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ 36 3.1 MƠ HÌNH MẠNG ĐIỆN THỦY ĐIỆN NHỎ 36 3.1.1 Giới thiệu chung 36 3.1.2 Phân tích hoạt động sơ đồ 37 3.1.3 Đề suất ứng dụng BESS mạng điện nguồn thủy điện nhỏ 43 3.2 HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG ẮC QUY (BESS) 43 3.3.1 Giới thiệu chung 43 3.3.2 Bộ biến đổi công suất 44 3.3.3 Điện cảm đầu biến đổi công suất 47 3.3.4 Kho tích trữ lượng chiều 48 3.3 MƠ HÌNH BESS TRONG MẠNG ĐIỆN NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ 52 3.3.1 Mơ hình hóa BESS 52 3.3.2 Phương pháp điều khiển BESS 57 3.3.2.1 Mơ hình cấu trúc điều khiển 57 3.3.3 Thiết kế điều khiển cho hệ BESS 65 3.3.4 Thiết kế điều chỉnh điện áp 72 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv 3.3.5 Thiết kế điều khiển công suất tác dụng 74 KẾT LUẬN CHƯƠNG 75 CHƯƠNG HÓA PHỎNG HOẠT ĐỘNG MẠNG ĐIỆN NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ 76 4.1 XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG 76 4.2 MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG 82 4.2.1 Phân tích động học điều khiển dịng kiểu PI kiểu D-B 82 4.2.2 Phân tích chất lượng điều khiển hệ thống bị kích động 82 KẾT LUẬN CHƯƠNG 86 KẾT LUẬN CHUNG 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1 Tình hình NLTT tồn cầu (thống kê năm 2006) Hình Minh họa hình thành gió Hình Tốc độ triển khai lượng gió giai đoạn 1997-2010 giới Hình Các hệ thống khai thác lượng Mặt trời Hình Năng lượng địa nhiệt công nghệ điện địa nhiệt 11 Hình Một số hình ảnh thủy điện nhỏ dòng suối 13 Hình Một số hình ảnh thuỷ điện thuỷ triều 16 Hình 2 Cơ chế vận hành turbine nước 17 Hình Cơ chế vận hành turbine phát điện kiểu khí 18 Hình Một số dòng hải lưu lớn giới 19 Hình Trạm phát điện hải lưu SeaGen, Bắc Ailen 19 Hình Mơ tả lượng sóng biển nhà máy thuỷ điện sóng biển 21 Hình Máy phát điện sóng biển cánh ngầm 22 Hình Mơ tả nguyên lý hoạt động phương pháp Cockrell Raft 22 Hình Cơ cấu DEXA phao 23 Hình 10 Mơ tả truyền lực DEXA Converler suốt ¼ chu kỳ sóng 23 Hình 11 Mơ tả quan hệ lực tạo với bước sóng 24 Hình 12 Mơ tả ngun tắc sinh công 24 Hình 13 Một số hình ảnh nhà máy thuỷ điện kênh dẫn 26 Hình 14 Mơ hình nhà máy thuỷ điện kênh dẫn 27 Hình 15 Mơ hình trạm thủy điện nhỏ 28 Hình 16 Mô tả biến đổi lượng mà turbine nhận 29 Hình 17 Minh họa giá trị HG HN 29 Hình 18 Biểu diễn quan hệ tổn thất đường ống phụ thuộc loại ống 30 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi Hình 19 Phương pháp đo lưu tốc 32 Hình 20 Mơ hình turbine Pelton nhiều vịi phun 33 Hình 21 Turbine Right-Angle-Drire 35 Hình Mơ hình tổng qt mạng điện cục nguồn thủy điện nhỏ 36 Hình Mơ hình số trạm thủy điện nhỏ kênh dẫn 37 Hình 3 Đặc tính ổn định tần số theo tải 38 Hình Mạng điện cục thủy điện nhỏ có BESS 43 Hình Mơ hình mạch lực BESS 44 Hình Cấu trúc ký hiệu IGBT 44 Hình Sơ đồ khai triển cấu tạo mô tả nguyên lý làm việc IGBT 45 Hình Đặc tính đóng mở van IGBT 46 Hình Sơ đồ tương đương ắcquy 49 Hình 10 Q trình phóng điện ắcquy phụ thuộc vào dịng phóng 50 Hình 11 Sự phụ thuộc cơng suất vào dịng điện phóng 52 Hình 12 Mơ tả BESS mạng điện nguồn thủy điện nhỏ 52 Hình 13 Sơ đồ thay biến đổi BESS 53 Hình 14 Mơ hình tín hiệu trung bình biến đổi BESS tọa độ abc 54 Hình 15 Mơ hình biến đổi BESS hệ tọa độ quay dq tựa điện áp lưới 56 Hình 16 Mơ hình biến đổi BESS miền tốn tử Laplace 56 Hình 17 Cấu trúc điều khiển hệ BESS mạng điện cục thủy điện nhỏ 57 Hình 18 Biểu diễn đại lượng vector tọa độ dq tựa điện áp 58 Hình 19 Cấu trúc khối đồng tựa điện áp lưới PLL 59 Hình 20 Dạng tín hiệu tựa đồng điện áp lưới có kết mơ 60 Hình 21 Tám khả chuyển mạch biến biến đổi van 62 Hình 22 Vị trí vector chuẩn hệ toạ độ αβ 63 Hình 23 Tổng hợp vector chuẩn sector 63 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vii Hình 24 Thời gian đóng/cắt van sector 64 Hình 25 Mơ dạng sóng biến điệu vector SVM 65 Hình 26 Cấu trúc khử tương tác thành phần dòng iBd iBq 66 Hình 27 Cấu trúc điều chỉnh dịng kiểu PI cho biến đổi BESS 67 Hình 28 Cấu trúc mạch vịng điều khiển dịng điện kiểu Dead-Beat 69 Hình 29 Đáp ứng động học tín hiệu đặt thực điều chỉnh Dead-Beat 70 Hình 30 Cấu trúc điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat 71 Hình 31 Cấu trúc điều khiển công suất tác dụng 75 Hình Mơ hình mơ hệ BESS MĐTĐN công suất 85 kVA 76 Hình Cấu trúc nguồn thủy điện 85 kVA-0,4kV 77 Hình Cấu trúc mạch lực BESS 79 Hình 4 Khối đo lường 80 Hình Cấu trúc điều khiển vịng ngồi cho điều dịng điện kiểu D-B 81 Hình Cấu trúc điều khiển dòng điện vòng kiểu D-B 81 Hình So sánh đáp ứng động học điều chỉnh PI D-B 82 Hình Mơ trị hiệu dụng điện áp tải chế độ nguồn tạm thời trường hợp dùng điều khiển D-B 83 Hình Mơ trị tức thời điện áp tải chế độ nguồn tạm thời 83 trường hợp dùng điều khiển D-B 83 Hình 10 Mơ dịng điện phóng nạp ắcquy chế độ nguồn tạm thời trường hợp dùng điều khiển D-B 84 Hình 11 Biên dạng dòng điện pha tải, trường hợp dùng điều khiển D-B84 Hình 12 Kiểm tra THD cho dòng điện tải BESS cấp thời điểm 0,6s 85 trường hợp dùng điều khiển D-B 85 Hình 13 Mơ chế độ BESS bù công suất đỉnh động khởi động 85 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn viii DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1 Bảng tổng hợp tiềm năng lượng Mặt trời Bảng Tỷ lệ lượng số trồng 10 Bảng Quan hệ công suất theo lưu lượng, chiều cao cột nước 27 Bảng 3.1 Các số liệu tính tốn mạng điện 40 Bảng 3.2 Các số liệu tính tốn mạng điện 42 Bảng 3 Bảng thời gian đóng/cắt cho van bán dẫn sector 65 Bảng Thông số mạch điều khiển turbine thủy điện 77 Bảng Thông số mạch điều khiển dịng kích từ máy phát 78 Bảng Thông số đường dây 78 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, từ cuối kỷ 20 đặc biệt 10 năm trở lại tình hình lượng thay đổi - có số lượng lớn nguồn cung cấp lượng dạng truyền thống thúc đẩy phát triển mạch mẽ riêng nước ta, mà phạm vi tồn cầu Đó dạng nguồn phát điện theo cơng nghệ Ví dụ như: phong điện, thủy điện nhỏ, điện mặt trời, V.V Chúng khai thác loại hình mạng điện khác nhau: mạng điện cục bộ, mạng phân tán có kết nối với lưới quốc gia, mạng điện thơng minh Trước đây, loại hình mạng điện chưa quan tâm khai thác phát triển, lý đặc tính dạng nguồn có tính chất mềm (siêu mềm), khơng ổn định Tính kinh tế hệ thống thấp, chất lượng điện cung cấp chưa đảm bảo Ngày nay, đứng trước phát triển mặt xã hội, hoạt động sản xuất ngày phong phú, đời sống văn hóa tinh thần người ngày nâng cao dẫn đến đòi hỏi lưới điện vận hành phải đảm bảo tiêu chất lượng điện quy định (mang lại lợi ích cho phía người tiêu dùng), giảm nhỏ tối thiểu tổn thất lượng mạng nâng cao hiệu khai thác hệ thống (mạng lại lợi ích cho phía sản xuất phân phối điện năng) Đặc biệt, bối cảnh giới khuyến khích phát triển nguồn lượng sạch, hệ nguồn phân tán, công suất nhỏ… cần thiết kết hợp với biến đổi, kho lưu trữ lượng kỹ thuật điều khiển đại nhằm phát huy hết công hệ nguồn Xuất phát từ phân tích trên, đề tài luận văn định hướng nghiên cứu phát triển nguồn thủy điện nhỏ, đại diện cho nguồn lượng tái tạo có tiềm lớn Việt Nam Đề xuất giải pháp khắc phục số nhược điểm thủy điện nhỏ Tìm hiểu nắm vững mơ hình đối tượng nghiên cứu, mạng điện phân tán có nguồn thủy điện nhỏ có kênh dẫn Phân tích ưu nhược điểm hệ thống, đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng điện ăng tính ổn định động cho hệ thống Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ... nghiệp ? ?Nghiên cứu phát triển thủy điện nhỏ nâng cao ổn định cho thủy điện nhỏ có kênh dẫn? ?? Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân hướng dẫn thầy giáo TS Ngô Đức Minh Nội dung luận văn có. .. hình tổng quát mạng điện cục nguồn thủy điện nhỏ 36 Hình Mơ hình số trạm thủy điện nhỏ kênh dẫn 37 Hình 3 Đặc tính ổn định tần số theo tải 38 Hình Mạng điện cục thủy điện nhỏ có. .. điểm thủy điện nhỏ Tìm hiểu nắm vững mơ hình đối tượng nghiên cứu, mạng điện phân tán có nguồn thủy điện nhỏ có kênh dẫn Phân tích ưu nhược điểm hệ thống, đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng điện