7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
1.2. Ứng dụng điện giĩ ở vùng cơ lập
1.2.1. Tiềm năng giĩ của Việt Nam
Như ở trên đã trình bày, theo khảo sát của Ngân hàng thế giới khẳng định, Việt Nam cĩ tiềm năng về năng lượng giĩ lớn nhất Đơng Nam Á. Việt Nam lại cĩ trên 3.200 km chiều dài bờ biển nên rất thuận lợi cho sự phát triển nguồn điện năng từ năng lượng giĩ. Cũng theo thống kê của Ngân hàng này, mật độ năng lượng giĩ ở Việt Nam thuộc loại trung bình và lớn so với thế giới. Với 8,6% diện tích đất đai (khoảng 28.000 km2) cĩ tiềm năng giĩ được đánh giá tốt và rất tốt, Việt Nam được coi là nước cĩ tiềm năng lớn để phát triển các nguồn điện sử dụng năng lượng giĩ [78].
Bảng 1.1 Thống kê tốc độ giĩ trung bình do EVN và Ngân hàng Thế giới khảo sát [78]
Địa điểm Tốc độ giĩ trung bình ở độ cao 65 m trên mặt đất (m/s)
EVN Ngân hàng thế giới
Mĩng Cái, Quảng Ninh 5,80 7,35
Van Lý, Nam Định 6,88 6,39
Sầm Sơn, Thanh Hĩa 5,82 6,61
Kỳ Anh, Hà Tĩnh 6,48 7,02
Quảng Ninh, Quảng Bình 6,73 7,03
Gio Linh, Quảng Trị 6,53 6,52
Phương Mai, Bình Định 7,30 6,56
Tu Bong, Khánh Hịa 5,14 6,81
Phước Minh, Ninh Thuận 7,22 8,03
Đà Lạt, Lâm Đồng 6,88 7,57
Tuy Phong, Bình Thuận 6,89 7,79
Duyên Hải, Trà Vinh 6,47 7,24
(a) (b)
Hình 1.1 (a) Tiềm năng giĩ ở đất liền của Việt Nam; (b) Tiềm năng giĩ ở Biển Đơng [78].
Các kết quả khảo sát trên Bảng 1.1 và Hình 1.1 cho thấy, nhiều hải đảo, cũng như các tỉnh duyên hải từ Bình Định đến Bình Thuận, Tây Nguyên và dãy Trường Sơn thuộc các tỉnh phía Bắc Trung bộ Việt Nam là những khu vực thuận lợi để lắp đặt hệ thống tuabin giĩ.
Tốc độ giĩ cần thiết tại trục tuabin (cĩ cao độ khoảng 40 ÷ 60m) cho vận hành thương mại vào khoảng 6 ÷ 7 m/s. Tốc độ giĩ trung bình của Việt Nam ở độ cao cách mặt đất 30 m theo đánh giá là khoảng 4 ÷ 5 m/s ở các v ng bờ biển. Ở một vài hịn đảo độc lập con số này đạt trên 9 m/s, ph hợp cho việc khai thác loại năng lượng này.
Theo các thống kê thì Việt Nam cĩ hơn 4.000 đảo với tổng diện tích hơn 1720 km² và phân bố chủ yếu ở v ng Đơng Bắc (2.321 đảo). Các quần đảo Hồng Sa và Trường Sa ở cách xa bờ. Cĩ rất nhiều đảo khơng dễ để cấp điện lưới quốc gia, nhưng đa phần các đảo đều ph hợp cho lắp đặt tuabin giĩ (Hình 1.1b).
1.2.2. Hệ thống phát điện giĩ hoạt động độc lập
Hệ thống phát điện giĩ làm việc độc lập thường được sử dụng ở v ng cơ lập. Hệ thống thường gồm cĩ tuabin giĩ loại nhỏ và bộ nạp acqui để cấp điện cho các thiết bị điện trong hộ gia đình như Hình 1.2.
Hình 1.2 Hệ thống phát điện giĩ làm việc độc lập.
Loại hệ thống này luơn luơn phải cĩ thiết bị lưu trữ (hệ thống ắcqui…) để khởi động và lưu trữ. Trong trường hợp máy phát nối trực tiếp với phụ tải thì thiết bị lưu trữ sẽ gĩp phần đảm bảo ổn định hệ thống.
Hệ thống dạng này thường cĩ cơng suất nhỏ. Nếu hệ thống dạng này cĩ cơng suất lớn thì địi hỏi sự phối hợp rất tốt của các thiết bị phụ trợ như: thiết bị lưu trữ phục vụ khởi động, nạp khi phát thừa điện năng và cung cấp cho tải khi nguồn phát khơng đủ điện năng, tải giả (dumpload) phục vụ việc cân bằng cơng suất khi cơng suất phát lớn hơn cơng suất tiêu thụ mà hệ thống phát chưa kịp điều chỉnh, kèm theo đĩ là hệ thống điều khiển tốt. Hệ thống như vậy cĩ giá thành cao so với các phương pháp sản xuất điện năng khác.
1.2.3. Hệ thống phát điện giĩ kết hợp với diesel
Hệ thống phát điện giĩ kết hợp diesel thích hợp cho các v ng cơ lập là những nơi mà sự mở rộng lưới điện quốc gia đến đĩ sẽ rất tốn kém. Hiện nay chi phí cho lắp đặt một hệ thống pin mặt trời cĩ cơng suất lớn là rất nhiều. Kèm theo đĩ việc lưu trữ điện năng trong một thời gian dài trên acqui sẽ làm cho chi phí bảo dưỡng và vận hành của hệ thống pin mặt trời cũng khá cao. Chính yếu tố này mà lựa chọn hệ thống phát điện giĩ kết hợp với diesel cho các khu vực này là ph hợp.
Lưu trữ điện
Tải AC
Hệ thống phát điện giĩ kết hợp diesel hoạt động như một lưới nhỏ, cơ lập. Hệ thống phát điện giĩ kết hợp diesel phổ biến cĩ cấu trúc như Hình 1.3 bao gồm trạm điện giĩ, trạm điện diesel, hệ thống lưu trữ, tải giả kết nối với nhau qua lưới phân phối và truyền tải điện năng tới các hộ tiêu thụ.
Hình 1.3 Hệ thống phát điện hỗn hợp giĩ – diesel [50,51,56].
Trong hệ thống phát điện giĩ kết hợp diesel trên Hình 1.3, bộ phận bộ chuyển đổi quay (rotary converter) cĩ thể thay thế bằng bộ chuyển đổi điện tử cơng suất (power electronic converter).
Các hệ thống phát điện giĩ kết hợp diesel đã xây dựng ở nước ta như Bảng 1.2. Ngồi ra cịn cĩ máy phát điện giĩ 30 kW (cơng nghệ Nhật Bản) tại Hải Hậu – Nam Định, đây là trạm phát điện hỗn hợp điện giĩ và diesel thử nghiệm, nhưng hiện nay hệ thống này đã ngừng hoạt động.
Bảng 1.2 So sánh các dự án phát điện giĩ nối lưới cơ lập [19] T
T Cấu hình Nguyên lý nối lưới Hệ thống phụ trợ Đánh giá
I Lý
thuyết
Điện giĩ + diesel + hệ thống lưu trữ năng lượng + tải giả
Nên sử dụng hệ thống phát điện giĩ kết nối lưới gián tiếp qua bộ biến đổi Hệ thống lưu trữ năng lượng và tải giả Hệ thống ổn định và cĩ thể đạt mức thâm nhập cao (mức độ thâm nhập tức thời từ 100% ÷ 400%, mức độ thâm nhập trung bình 50% ÷ 150%). II Thực tế 1 Phú Quý Điện giĩ (3x2 MW) + diesel (6x0,5 MW)
DFIG, nối lưới trực tiếp
Khơng cĩ Hoạt động chưa thực sự ổn định, tỷ lệ thâm nhập điện giĩ chưa cao, chưa khai thác được hết ba tuabin giĩ. 2 Bạch Long Vĩ Điện giĩ (800 kW) + máy diesel (2x414 kVA)
SCIG nối lưới gián tiếp
Khơng cĩ Vận hành hệ thống hỗn hợp giĩ – diesel rất phức tạp. Khơng đảm bảo được cơng tác vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa dẫn đến ngừng hoạt động. Trạm điện giĩ Bộ chuyển đổi dạng quay Bộ lưu trữ điện năng Tải giả (Dumpload) Hộ tiêu thụ Trạm điện diesel
Trong báo cáo của NREL – National Renewable Energy Laboratory – [33] cho biết, để hệ thống phát điện hỗn hợp giĩ – diesel vận hành với tỷ lệ thâm nhập điện giĩ cao thì cần hệ thống điều khiển phức tạp kết hợp với các giải pháp kỹ thuật ph hợp. Theo báo cáo này cĩ nhiều dự án kiểu này đã áp dụng thành cơng, nhưng khơng phải tất cả đều như mong muốn.
1.2.4. Hệ thống phát điện hỗn hợp giĩ – diesel ở Phú Quý
Ở Việt Nam đã cĩ một số hệ thống phát điện sử dụng năng giĩ kết hợp với điện diesel. Trong số đĩ chỉ cịn hệ thống phát điện hỗn hợp giĩ – diesel ở đảo Phú Quý đang vận hành và cĩ tính chất tiêu biểu hơn (quy mơ lớn nhất và hiệu quả nhất), nên luận án chọn làm đối tượng chính cho các tính tốn và phân tích cũng như so sánh.
Trạm điện giĩ 3x2 MW Trạm điện diesel6x0,5 MW
0,69/22 kV 380 V 22kV 22 kV 471 471 472 472 Tải Tải (a) (b)
Hình 1.4 (a) Lưới điện 22kV trên đảo Phú Quý; (b) Hệ thống phát điện hỗn hợp giĩ – diesel trên đảo Phú Quý.
Trạm phát điện diesel đã cĩ từ năm 1999 bao gồm 6 máy phát loại VTA–28 của hãng Cummin, cơng suất danh định 500 kW (625 kVA), cơng suất tối thiểu 165 kW, điện áp đầu cực 0,4 kV, hệ số cơng suất 0,8. Hệ thống 0,4 kV này kết nối lưới 22 kV thơng qua 03 máy biến áp làm việc song song loại 1600 kVA, 22±2x2,5/0,4 kV. Lưới điện 22 kV cĩ tổng chiều dài khoảng 21,5 km gồm hai phát tuyến 471 và 472 (Phụ lục B) [5].
Từ năm 2011, trạm điện giĩ được đưa vào vận hành kết hợp với trạm điện diesel. Trạm điện giĩ gồm 3 tuabin giĩ loại V80–2MW sử dụng DFIG của Tập đồn Vestas. Mỗi tuabin giĩ cĩ cơng suất danh định 2,0 MW và điện áp danh định 690 V, được nối lưới 22 kV thơng qua máy biến áp khơ cơng suất 2,1 MVA, 22/0,69 kV, YN/yn–0. Cơng suất tối thiểu của 01 tuabin giĩ là 500 kW khi tốc độ giĩ từ 7,2 m/s đến 17,8 m/s; là 550 kW đến 800 kW khi tốc độ giĩ từ 17,8 m/s đến 25 m/s [5].
1.3. Khái quát về tuabin giĩ và máy phát điện diesel
1.3.1. Tuabin giĩ 1.3.1. Tuabin giĩ1.3.1.1. Cấu trúc chung của tuabin giĩ
Một tuabin giĩ là sự hợp thành từ ba phần: phần khí động lực, phần cơ, phần điện (Hình 1.5). Cấu trúc cụ thể của một tuabin giĩ được lắp đặt ở Phú Quý như Hình 1.6. Tuabin chuyển đổi động năng của giĩ thành động năng của chuyển động quay trên trục tốc độ thấp. Hộp số biến đổi chuyển động quay tốc độ thấp của tuabin lên tốc cao ph hợp với tốc độ yêu cầu của máy phát. Máy phát biến đổi cơ năng thành điện năng. Bộ chuyển đổi chuyển điện năng của máy phát với những thơng số chưa ph hợp với lưới điện thành ph hợp để kết nối được với lưới điện.
Hình 1.5 Các phần hợp thành và kết nối với tuabin giĩ [26].
Hình 1.6 Cấu trúc tuabin giĩ V80–2 MW [79,80].
Trong đĩ:
(1) Bộ điều khiển trên nắp
chụp trục tuabin (6) Hộp số (11) Máy biến áp tăng áp (16) Bệ máy
(2) Bộ điều chỉnh gĩc
nghiêng cánh
(7) Đĩa phanh (12) Cánh tuabin (17) Bánh răng điều chỉnh hướng tuabin
(3) Trục lắp cánh (8) Cầu trục (13) Bạc đỡ cánh tuabin (18) Trục tốc độ cao (4) Trục tốc độ thấp (9) Bộ điều khiển ở nắp
trên
(14) Hệ thống khĩa roto (19) Máy phát điện (5) Bộ làm mát dầu (10) Cảm biến siêu âm đo
giĩ
(15) Khối thủy lực (20) Bộ làm mát máy phát
Ngồi ra để tuabin giĩ hoạt động được cần cĩ một hệ thống điều khiển để phối hợp hoạt động giữa các bộ phận với nhau.
1.3.1.2. Đặc tính làm việc điển hình của tuabin
Trong quá trình vận hành cần phải điều chỉnh thường xuyên tốc độ của tuabin theo tốc độ giĩ và năng lượng tới cánh để đảm bảo thu nhận năng lượng tối ưu (cực đại) khi tốc độ giĩ thấp và cắt giảm năng lượng khi tốc độ giĩ cao nhằm đảm bảo an tồn cho hệ thống. Quá trình điều chỉnh đĩ sẽ thu được đặc tính cơng suất theo tốc độ giĩ như Hình 1.7.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 0 5 10 15 20 25 P (kW) V (m/s) Series1 (a) (b)
Hình 1.7 Đường cong P(V) biểu diễn cơng suất tuabin phụ thuộc theo vận tốc giĩ.
(a) Đường cong P(V) dạng tổng quát ; (b) Đường cong P(V) của tuabin giĩ V80–2 MW [23,26,80,79].
Trên đặc tính vận hành của một tuabin ở Hình 1.7 cĩ 4 vùng chính là:
● V ng I tốc độ giĩ nhỏ hơn tốc độ khởi động VD của tuabin. Trong trường hợp này tuabin giĩ khơng hoạt động và khơng phát điện.
● V ng II cĩ tốc độ giĩ trong khoảng (VD, VN) ứng với v ng cĩ thể tối ưu về biến đổi năng lượng. Đây là v ng mà sự thay đổi tốc độ rất cần để nhận được cơng suất lớn nhất cĩ thể.
● V ng III, trong này cơng suất giĩ tăng, nhưng cơng suất của tuabin bị giới hạn bởi cơng suất danh định PN. Ở tốc độ giĩ trên danh định VN nếu tăng kích thước, cơng suất máy phát, sức bền cơ của cấu trúc... thì lợi ích sản xuất điện sẽ khơng b lại được chi phí ban đầu.
● V ng IV, khi tốc độ giĩ vượt quá tốc độ cực đại mà tuabin cĩ thể chịu đựng thì tuabin sẽ được dừng bởi hệ thống dừng khẩn cấp để bảo vệ phần cơ tránh hư hỏng.
1.3.1.3. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của tuabin
Nếu động năng của một khối khơng khí chuyển động với vận tốc V cĩ thể được thu hồi hồn tồn bằng một thiết bị cĩ diện tích A nằm vuơng gĩc với phương chuyển động thì cơng suất tức thời sẽ là:
PN VD VN VM I II III IV Tốc độ khởi động (cut–in) Tốc độ cực đại (cut–out) Tốc độ định mức P V
3 w 0 1 P A V 2 (1.1)
với ρ tỷ trọng của khơng khí (1,225 kg/m3
ở mực nước biển).
(a) (b)
Hình 1.8 (a) Đặc tính Cp – λ của các loại tuabin với thiết kế cánh khác nhau ; (b) Đồ thị mơ tả quan hệ Cp theo tốc độ riêng λ và gĩc nghiêng cánh β của tuabin 3 cánh [20,24,27,49,52,62,82].
Nhưng trong thực tế tuabin khai thác cơng suất nhỏ hơn cơng suất sẵn cĩ Pw0, do tốc độ của khối khơng khí phía sau tuabin khơng bằng khơng. Xác định hiệu suất của tuabin theo cơng thức Betz như (1.2).
m ax m ax p w 0 P 16 C 0, 593 P 27 (1.2)
Hiệu quả của việc thu nhận năng lượng phụ thuộc vào đặc tính khí động của tuabin và các khâu biến đổi nên luơn luơn nhỏ hơn giới hạn này (Hình 1.8a).
Người ta đưa vào một biến khơng thứ nguyên gọi là tốc độ riêng (cĩ bản chất là tỷ số
tốc độ đầu cánh Vtop và tốc độ giĩ V) để đặc trưng cho các tính năng khởi động của một
tuabin thể hiện ở biểu thức (1.3).
top w t V R V V (1.3)
với Ω là tốc độ quay của tuabin, Rwt là bán kính tuabin.
Hiệu suất khí động ηa được tính theo cơng thức (1.4) là biểu diễn “chất lượng khí động” của tuabin trong điều kiện điều chỉnh tốt nhất.
p a m ax p C ( ) C (1.4)
Trong thực tế cánh tuabin được điều chỉnh theo yêu cầu của hệ thống, nên hiệu suất khí động được biểu diễn bằng biểu thức sau:
p a m ax p C ( , ) C (1.5)
với β là gĩc giữa trục tham chiếu của mặt cắt cánh và mặt phẳng quay gọi là gĩc nghiêng cánh.
Đặc trưng thống kê quan trọng nhất của tuabin là các đường cong hiệu suất Cp theo tốc độ riêng λ và gĩc nghiêng cánh β (Hình 1.8b).
λ β
1.3.1.4. Điều chỉnh khí động của tuabin
Cĩ nhiều nguyên lý điều chỉnh khí động để điều chỉnh tốc độ tuabin theo tốc độ giĩ, nhưng trong giới hạn luận án chỉ đề cập đến phương pháp điều khiển gĩc nghiêng cánh (cịn gọi là phương pháp điều khiển kiểu pitch).
Hệ thống điều chỉnh kiểu pitch sử dụng phương pháp thay đổi gĩc nghiêng cánh để làm thay đổi tỷ số các thành phần lực kéo và lực cản nhờ đĩ điều chỉnh được tốc độ tuabin. Hệ thống sẽ điều chỉnh để cĩ gĩc tới tối ưu nhằm nhận cơng suất cực đại hoặc điều chỉnh để hạn chế tốc độ khi tốc độ giĩ cao hơn tốc độ danh định VN.
FL
FT
FD
Fr
Hình 1.9 Phương pháp điều chỉnh khí động theo kiểu pitch.
(a) Lực tác dụng lên thành phần cánh; (b) Hệ số cản CD và hệ số nâng CL [34].
Hình 1.10 Đồ thị mơ tả các đặc tính của tuabin điều khiển kiểu pitch [34].
Trong Hình 1.9a thì lực tác dụng lên cánh ở tốc độ giĩ V0 và V1 (với V1>V0) được thể hiện tương ứng bởi các vectơ nhạt và đậm. Khi tốc độ giĩ tăng từ V0 lên V1, gĩc Φ giữa dịng khí và cánh tăng lên. Bộ điều khiển sẽ làm tăng gĩc nghiêng β để giảm gĩc tới α. Kết quả là hệ số nâng CL sụt giảm trong khi hệ số cản CD gần như giữ nguyên ở mức thấp. Cĩ thể cho rằng bộ điều khiển điều chỉnh lực nâng FL để giữ cho lực tiếp tuyến Fr trong mặt phẳng roto là khơng đổi. Theo phương pháp này thì lực cơ FT cũng giảm theo khi tăng gĩc nghiêng β, nên đây là một ưu điểm đáng chú ý trong thiết kế tua bin giĩ. Điểm yếu của phương pháp điều khiển này là địi hỏi một nỗ lực lớn để thay đổi đáng kể gĩc nghiêng β khi cĩ sự biến động năng lượng giĩ.
P ( kW ) CPmax Cp PN Vmin=VD Vmin=VD VN Vmax=VM Vm (m/s) Vm (m/s) Vmax=VM VN A C’ C B C M omen T ( Nm ) Tốc độ roto Ω (Nm)
Nĩi chung việc thay đổi gĩc tới của cánh cĩ bốn tác dụng: ● Khởi động ở tốc độ giĩ VD thấp nhất;
● Tối ưu chế độ biến đổi năng lượng khi tốc độ giĩ thay đổi giữa các giới hạn [VD,VN]; ● Điều chỉnh hạn chế cơng suất khi V > VN;
● Bảo vệ máy chống lại tốc độ giĩ quá mạnh V >VM bằng cách xếp cánh (giảm diện tích hứng giĩ về khơng).
Ta nhận thấy rằng hệ thống này tác động vào sự vận hành của tuabin bằng cách thay đổi gĩc nghiêng β sao cho đáp ứng yêu cầu từ lúc khởi động (v ng I) và trong chế độ điều chỉnh tốc độ (v ng II và III) cho tới khi hiện tượng vượt tốc khí động (v ng IV) của tuabin.
So sánh phương pháp điều chỉnh pitch với một số phương pháp khác:
◊ Hệ thống tốc độ khơng đổi nhờ nhả khí động – stall [34] Hệ thống kiểu tốc độ khơng đổi và gĩc nghiêng cánh khơng đổi:
Hình 1.11 Đồ thị mơ tả các đặc tính của tuabin kiểu tốc độ khơng đổi và gĩc nghiêng cánh khơng đổi.
