So sánh với thực tế và các giải pháp khác

7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

4.5. So sánh với thực tế và các giải pháp khác

Thực tế vận hành hệ thống phát điện hỗn hợp giĩ – diesel trên đảo Phú Quý thường theo tỷ lệ phát điện giĩ – diesel là 50% – 50% [5]. Riêng trường hợp cơng suất phụ tải thấp (Pwmin ≤ Pt ≤ 1100kW) và tốc độ giĩ cao hơn 7,2m/s thì máy phát điện giĩ sẽ chuyển sang chế độ phát cơng suất cố định: P = Pwmin+50 (kW), phần tải cịn lại do các tổ máy diesel phát b , lúc này tỷ lệ phát điện giĩ – diesel cho phép đạt 70% – 30% [5]. Theo phương án vận hành như vậy, tỷ lệ thâm nhập điện giĩ lớn nhất thường khoảng 50% ÷ 60% Pt (ngày 23/5/2012 P1/Pt ≤ 50,366%, ngày 13/7/2014 P1/Pt ≤ 54,4%).

Ngồi ra, theo các khảo sát trong nghiên cứu [60] thì trạm điện giĩ cĩ thể phát tối đa là 69,613% tổng cơng suất phát của hệ thống.

(a) (b)

Hình 4.36 Biểu đồ về cơng suất và số lượng máy tham gia vận hành ngày 23/5/2012. (a) Vận hành thực tế ở Phú Quý; (b) Cách vận hành ở Phú Quý theo đề xuất của [60].

4.6. Tổng kết chƣơng

Các kết quả đạt được trong chương:

1. Chương này đã xây dựng bài tốn kiểm tra và áp dụng thành cơng thuật tốn và cấu trúc điều khiển chung (đã đề xuất ở chương 2) cho hệ thống phát điện hỗn hợp giĩ – diesel ở Phú Quý. Bên cạnh đĩ cũng mơ phỏng và áp dụng thành cơng giải pháp sử dụng tuabin giĩ cĩ tích hợp EMC trong các lưới cơ lập (đã đề xuất ở chương 2).

2. Các khuyến nghị đối với hệ thống phát điện hỗn hợp giĩ – diesel ở đảo Phú Quý:

* Kết quả nghiên cứu với đối tượng là hệ thống phát điện hỗn hợp giĩ – diesel ở đảo Phú Quý cho thấy tỷ lệ thâm nhập điện giĩ trung bình khoảng 80% Pt, mức thâm nhập điện giĩ lớn nhất cĩ thể đạt 89,159% Pt. Như vậy, nên áp dụng cấu trúc điều khiển và thuật tốn vận hành đã đề xuất để tối đa hĩa lợi ích kinh tế của hệ.

* Các kết quả mơ phỏng với tuabin giĩ cĩ tích hợp EMC cho thấy chất lượng điện năng của trạm điện giĩ trong lưới cơ lập được cải thiện rõ rệt khi so sánh với mơ hình mẫu. Đồng thời với ứng dụng cụ thể vào hệ thống điện cơ lập giĩ – diesel ở đảo Phú Quý cho thấy hiệu quả khai thác hệ máy diesel và tuabin giĩ, cũng như tận dụng được

Số máy phát điện giĩ và máy diesel tham gia phát điện Cơng suất phát của trạm điện giĩ và trạm diesel (kW)

Cơng suất phát của trạm điện giĩ ≤ 69.613%Pt

Thời gian (giờ) Thời gian (giờ) Số máy phát điện giĩ và máy diesel tham gia phát điện

Cơng suất phát của trạm điện giĩ và trạm diesel (kW) Cơng suất phát của trạm điện giĩ ≤ 50.366%Pt

Thời gian (giờ) Thời gian (giờ)

cơng suất dự trữ trong tuabin giĩ cĩ tích hợp EMC. Nếu trong tương lai loại tuabin này được sản xuất thì nên ứng dụng cho các v ng cơ lập để tận dụng tối đa nguồn năng lượng giĩ của thiên nhiên và chỉ phải tốn ít nhiên liệu diesel vào các giờ cao điểm hoặc lúc giĩ yếu.

3. Luận án khuyến nghị ứng dụng cấu trúc điều khiển và thuật tốn vận hành đã đề xuất cho hệ thống phát điện hỗn hợp giĩ – diesel trong lưới cơ lập tương tự nhằm tận dụng tốt nguồn năng lượng giĩ tự nhiên và tiết kiệm nhiên liệu diesel, bảo vệ mơi trường. Qua nghiên cứu các phương pháp vận hành tốt nhất cho hệ thống phát điện hỗn hợp giĩ – diesel đã cĩ theo hướng khai thác tối đa trạm điện giĩ, nhưng vẫn chưa tận dụng hết khả năng của trạm điện này. Điều này gây nên lãng phí trong đầu tư. Do vậy cần nghiên cứu lựa chọn trạm điện giĩ với chi phí đầu tư thấp mà cĩ hiệu quả khai thác cao nhất.

Chƣơng 5.

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRẠM ĐIỆN GIĨ PHÙ HỢP VỚI TRẠM ĐIỆN DIESEL ĐÃ CĨ Ở VÙNG CƠ LẬP

5.1. Đặt vấn đề

Hệ thống phát điện giĩ kết hợp diesel đã được ứng dụng tại các hải đảo, vùng sâu, vùng xa của nước ta với được hy vọng mang lại sự cấp điện ổn định, liên tục và tiết kiệm. Tuy nhiên thực tế áp dụng hệ thống phát điện hỗn hợp giĩ – diesel ở Việt Nam đã cĩ những dự án chưa mang lại lợi ích kinh tế như tính tốn. Chẳng hạn dự án dạng này ở đảo Bạch Long Vĩ được đầu tư năm 2004 nhưng đã ngừng hoạt động, năm 2011 trạm điện giĩ ở đảo Phú Quý được đưa vào vận hành kết hợp với trạm điện diesel nhưng khai thác chưa hiệu quả. Thực tế vận hành hệ thống phát điện hỗn hợp giĩ – diesel trên đảo Phú Quý, thường thì tỷ lệ phát điện giĩ – diesel là 50% – 50% [5,19,60].

Trên thế giới cũng cĩ nhiều hệ thống hỗn hợp giĩ – diesel cĩ tỷ lệ thâm nhập điện giĩ thấp. Điển hình tại một số nơi như:

Tỷ lệ thâm nhập điện giĩ trung bình tháng [61,65]

● Đảo Sal ở Cape Verde 22%

● Đảo Mindelo ở Cape Verde 17%

● Đảo Dachen ở Trung Quốc 26%

● Đảo Denham ở Australia 23%

Giải quyết vấn đề ở trên, đã cĩ các nghiên cứu [28,29,43,47]. Tuy nhiên, như đã phân tích ở mục “2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới” (thuộc “Mở đầu”) nhận thấy rằng cách giải quyết vấn đề ở các nghiên cứu này khơng ph hợp cho việc tính tốn thiết kế một trạm điện giĩ mới trên các đảo ở nước ta.

Như vậy cần cĩ phương pháp tính tốn quy hoạch để xác định được trạm điện giĩ ph hợp nhằm mang lại hiệu quả khai thác lớn nhất với chi phí đầu tư thấp. Chương này nhằm mục đích đưa ra các khuyến nghị cho sự lựa chọn trạm điện giĩ lắp đặt mới ph hợp với trạm điện diesel đã cĩ ở các đảo nĩi riêng và cho các v ng cơ lập nĩi chung.

Để giải quyết vấn đề trên, trong chương này giả thiết trên đảo đã cĩ lưới điện và trạm điện diesel, bài tốn cịn lại là tính tốn số lượng và cơng suất danh định mỗi tuabin giĩ của trạm điện giĩ sẽ xây dựng sao cho ph hợp với phụ tải và trạm điện diesel đã cĩ. Kết quả của nghiên cứu này cĩ thể áp dụng tương tự cho các đảo khác nhằm giảm chi phí đầu tư và mang lại lợi ích tối đa cho dự án.

Các phân tích tính tốn trong chương này được thực hiện với tất cả các loại tuabin giĩ, bao gồm các loại hiện đang cĩ trên thị trường và loại cĩ tích hợp EMC (như đã đề xuất

trong luận án và trong nghiên cứu [70,71,72], loại này cĩ thể được chế tạo trong tương lai). Trạm điện diesel và lưới điện ở đảo Phú Quý được lựa chọn làm đối tượng để phân tích, tính tốn và so sánh giữa các lựa chọn đối với trạm điện giĩ.

5.2. Đề xuất phƣơng pháp xác định trạm điện giĩ phù hợp với trạm điện diesel đã cĩ

5.2.1. Phƣơng pháp phân tích và tính tốn

Để giải quyết bài tốn đã đặt ra ở trên một cách chung nhất, luận án tiến hành phân tích và tính tốn theo các bước sau:

Thứ nhất, sử dụng biểu đồ phụ tải, biểu đồ giĩ, thơng số của lưới và nguồn diesel đã cĩ trên đảo làm dữ liệu cơ bản cho quá trình phân tích tính tốn;

Thứ hai, giả định chưa cĩ trạm điện giĩ, chương này sẽ tính tốn số lượng và cơng suất tuabin giĩ để lắp đặt mới, với số lượng tuabin giĩ được lắp đặt Nw lapdat 1, n ;

Thứ ba, xây dựng các hàm ràng buộc từ các điều kiện ràng buộc trong vận hành (Bảng 5.1);

Thứ tư, xây dựng thuật tốn để tính tốn phân bố cơng suất cho các máy phát trong hai trạm điện khi vận hành. Trong thuật tốn này sẽ tính tốn cơng suất và số lượng máy phát của hai trạm điện khi tham gia vận hành theo hướng sử dụng tối đa tài nguyên giĩ.

Thứ năm, ứng với mỗi loại tuabin giĩ, tiến hành tính tốn lặp một số lần để tìm số lượng tuabin giĩ ít nhất mà hiệu quả khai thác năng lượng giĩ lớn nhất.

Thứ sáu, từ các kết quả của từng loại tuabin giĩ, tiến hành tính tốn so sánh lợi ích kinh tế của các loại này với nhau để tìm ra loại và số lượng tương ứng ph hợp để lắp đặt cho đảo cũng như v ng cơ lập.

Dựa trên cơ sở phân tích ở trên luận án tổ chức một cách tổng thể quá trình phân tích tính tốn như Hình 5.1.

Cũng cĩ các nghiên cứu [28,29,43,47] đã tính tốn xác định được trạm điện giĩ ph hợp nhất theo điều kiện khảo sát tương ứng. Tuy nhiên các nghiên cứu này đều tính tốn cho cả vịng đời dự án nên khơng áp dụng chương trình tính tốn để thực hiện chế độ vận hành tối ưu nhằm giảm chi phí nhiên liệu diesel. Ngồi ra các nghiên cứu này đều sử dụng các thơng số giá tuabin giĩ, chi phí lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng tại thời điểm khảo sát làm dữ liệu đầu vào. Trong thực tế các chi phí này thay đổi theo thời gian và phụ thuộc thị trường, vấn đề này thể hiện trong báo cáo [74]. Nên các trị số trong kết quả được tính theo các thơng số này sẽ mất tính ứng dụng trong tương lai khi thị trường cĩ nhiều thay đổi. Do vậy luận án đã sử dụng hàm mục tiêu là hiệu quả sử dụng năng lượng giĩ. Đây là thơng số độc lập với thị trường. Luận án đã đưa ra một bộ các giá trị để các nhà lập dự án lựa chọn ph hợp với giá cả và các chi phí tại thời điểm tính tốn để xây dựng mới.

Thơng số hệ thống diesel Thơng số vận

hành trên lưới tốc độ giĩ Số liệu Số liệu phụ tải loại tuabin giĩ Thơng số các

Tính tốn phân bố cơng suất

Số lượng tuabin giĩ tối đa cho lắp đặt theo lợi ích cận biên

Vùng cĩ lựa chọn tốt nhất Chi phí ban đầu Chi phí vận hành Phân tích dữ liệu Phân tích kinh tế Tính tốn tối ưu về hiệu quả khai thác năng lượng giĩ Điều kiện ràng buộc vận hành

Yêu cầu khác của chuyên gia

Chương trình tính tốn Biểu đồ so sánh P1/Pt

của các loại tuabin giĩ Biểu đồ so sánh A1/At của các loại tuabin giĩ Hiển thị kết quả phân tích

Dữ liệu cơ bản

Hình 5.1 Sơ đồ thể hiện quá trình phân tích tính tốn để xác định trạm điện giĩ phù hợp nhất.

Bài tốn kinh tế được quan tâm ở đây là bài tốn kinh tế trong vận hành, sử dụng tiêu chí mức thâm nhập điện giĩ để đánh giá hiệu quả của dự án. Bài tốn kinh tế với đầy đủ các dữ kiện tạm thời chưa được xem xét trong luận án, vì đĩ là bài tốn quy hoạch động, thuộc một nội dung khác mà luận án khơng quan tâm. Trong tương lại modun phân tích kinh tế được đề cập ở đây sẽ được hồn chỉnh.

5.2.2. Các điều kiện ràng buộc trong vận hành

Quá trình tính tốn vận hành phải thỏa mãn các điều kiện ở Bảng 5.1.

Bảng 5.1 Điều kiện vận hành

Điều kiện Ghi chú

Cân bằng cơng suất (đk1) Như đk1 ở Bảng 2.1

Giới hạn phát cơng suất (đk2) Như đk2 ở Bảng 2.1

Đặt cơng suất dự trữ quay cho hệ thống điện (đk3’)

Dự phịng quay cho trường hợp phụ tải tăng đột ngột

Pdpmin ≤ Pdp Pdp – cơng suất dự trữ quay của hệ thống phát điện hỗn hợp giĩ – diesel;

Pdpmin = max(Pbapt_i) Pbapt_i – cơng suất trạm biến áp 22/0,4kV của phụ tải thứ i; max() – hàm lấy giá trị lớn nhất.

Dự phịng quay cho trường hợp sự cố một máy phát

PN–1 ≥ Pt PN–1 – tổng cơng suất của các máy phát cịn lại sau sự cố một máy phát.

5.2.3. Thuật tốn tính tốn phân bố cơng suất

Luận án đề xuất thuật tốn phân bố cơng suất cho các máy phát trong hai trạm điện theo hướng sử dụng tối đa tài nguyên giĩ như Hình 5.2.

Kết thúc Lưu kết quả phù hợp Bắt đầu Nw = Nw - 1 Pt < Pdsmin Pt < Pwmin+Pdsmin Đúng Sai Khơng phát điện Đúng Sai

Nw < 0 Đúng Sai Kiểm tra đk3’ Đúng

Tra tìm Pwmin, Pwmax theo vận tốc giĩ Đọc dữ liệu cơ bản 1 2 3 7 8 Nw=0, P1=0, Q1=0 Chỉ vận hành trạm điện diesel Ước tính Nw nhiều nhất 4

5 Tính sơ bộ cơng suất phát của trạm điện giĩ

Ước tính Nds ít nhất 6

Tính cơng suất vận hành của mỗi máy Tính dự phịng quay Nds=Nds+1 Sai Kiểm tra đk2 Đúng Sai Kiểm tra đk4 Đúng Sai 9 10 11 Nw>0 Đúng Sai 12

Hình 5.2 Thuật tốn tính tốn phân bố cơng suất cho hai trạm điện. Bảng 5.2 Các hàm sử dụng trong thuật tốn

Tên hàm Chức năng Tên hàm Chức năng

max() Hàm lấy giá trị lớn nhất roundup() Hàm làm trịn lên giá trị nguyên gần nhất min() Hàm lấy giá trị nhỏ nhất rounddown() Hàm làm trịn xuống giá trị nguyên gần nhất

Cụ thể hĩa thuật tốn trên Hình 5.2 được trình bày như sau:

Bước 1: Đọc dữ liệu cơ bản

Bước 2: Xác định giới hạn phát cơng suất của máy phát điện giĩ

Tra đặc tính cơng suất của tuabin giĩ để tìm cơng suất phát cực tiểu (Pwmin) và cực đại (Pwmax).

Bước 3: Chọn phương án phát điện

Dựa vào cơng suất phụ tải yêu cầu mà chọn phương án phát điện. ● Nếu Pt < Pdsmin, thì khơng phát điện;

● Nếu Pdsmin < Pt < Pdsmin + Pwmin, thì chỉ vận hành trạm điện diesel;

Nw=0, P1=0, Q1=0 (5.1)

Nhảy đến bước 6.

● Nếu Pdsmin + Pwmin < Pt, thì tính tốn vận hành cả trạm điện diesel và trạm điện giĩ ở các bước tiếp theo;

Bước 4: Ước tính số lượng tuabin giĩ (Nw) nhiều nhất tham gia vận hành

Gọi Nwlapdat là số tuabin giĩ đã lắp đặt.

t w w lapdat w m in P N m in rounddow n , N P              (5.2)

Bước 5: Tính sơ bộ cơng suất phát của trạm điện giĩ

  1 w w t P m in ( P .N ), P (5.3)     1 1 w t Q m in P . tan , Q (5.4)

Tính lại hệ số cơng suất của máy phát điện giĩ:

1 w 2 2 1 1 P co s P Q    (5.5)

Bước 6: Ước tính số máy phát điện diesel (Nds) ít nhất tham gia vận hành

t 1 t 1 ds ds m ax ds m ax P P Q Q N roundup m ax , P Q              (5.6)

Bước 7: Tính cơng suất vận hành của mỗi máy

t 1 d s d s m in d s P P P m ax , P N         (5.7) Nếu P2 < Pt, thì t 2 w w P P P N   và Qw P . tanw w (5.8) t 1 ds ds Q Q Q N   (5.9) Bước 8: Tính tốn dự phịng quay

Dự phịng quay cho trường hợp phụ tải tăng đột ngột

 

d p d s m ax d s d s

P  P P N (5.10)

d p d p m in

P P (5.11)

Nếu Pt < 2Pdsmin thì khơng xét sự cố máy phát điện diesel. Vì để đảm bảo dự phịng sự cố trong trường hợp này thì các máy phát điện diesel phải vận hành dưới cơng suất cực tiểu. Dự phịng quay cho sự cố một máy phát điện diesel:

    dpsucoD S w m ax w ds m ax ds P P N P .m ax N 1 , 0 (5.12) d p su co D S t P P (5.13)

Dự phịng quay cho sự cố một tuabin giĩ

    dpsucoW ds m ax ds w m ax w P P N P .m ax N 1 , 0 (5.14) d p su co W t P P (5.15)

Nếu cĩ một trong các điều kiện (5.11) hoặc (5.13) hoặc (5.15) khơng đúng thì vận hành thêm một máy phát điện diesel (Nds=Nds+1) rồi lặp lại các bước 7 và 8.

Nếu Nw=0 thì nhảy đến bước 12.

Bước 9: Kiểm tra giới hạn phát cơng suất

Kiểm tra giới hạn phát cơng suất (đk2) đã trình bày ở Bảng 5.1, nếu khơng thỏa mãn thì giảm một tuabin giĩ (Nw=Nw–1) và tính lại từ bước 6.

Bước 10: Kiểm tra ổn định với dao động bé

Hệ phương trình (2.77), (2.78), (2.79), (2.80) mơ tả quá trình quá độ của hệ thống điện và sự cân bằng cơng suất tại nút phụ tải.

Tuyến tính hĩa hệ phương trình trên theo các biến δ1, δ2, U và ω với xấp xỉ bậc nhất. Áp dụng phương pháp đánh giá ổn định với dao động bé của Lyapunov để lập được phương trình đặc trưng D(p)=0 (2.101).

Điều kiện để hệ đang xét ổn định là tất cả nghiệm xi của D(x)=0 (2.102) đều phải cĩ phần thực âm. Nếu điều kiện này khơng thỏa mãn thì giảm một tuabin giĩ (Nw=Nw–1) và tính lại từ bước 6.

Bước 11: Kiểm tra ổn định quá độ

Bài tốn khảo sát ổn định quá độ của hệ thống hỗn hợp điện giĩ – diesel được xét với