SRG xuất hiện trong những năm qua tỏ ra rất hiệu quả, kết cấu cơ khí đơn giản, hiệu suất cao, giá thành hạ, có thể loại bỏ hộp số. SRG hấp dẫn cho các ứng dụng hàng không vũ trụ. Các tài liệu về SRG liên quan đến tuabin gió là không đáng kể, và nhiều nghiên cứu vẫn còn phải được thực hiện trước khi SRG được ứng dụng trong tuabin gió.
SRG là một máy phát điện đồng bộ với cấu trúc cực lồi trên stato và cả roto. Kích từ được cung cấp bởi dòng stato giống như trong máy phát điện cảm ứng. Về phương diện năng lượng SRG kém hơn so với máy PMSG bởi vì mật độ điện năng thấp hơn. SRG cần có thiết bị thay đổi điện áp để hoạt động như một máy phát điện nối lưới. Hơn nữa, SRG có hiệu suất thấp hơn so với một PMSG và điện áp thấp hơn so với máy phát điện không đồng bộ.
2.4.3.3 Máy phát điện từ trƣờng ngang (TFG)
Cấu trúc máy phát điện từ trường ngang TFG khá mới, tuy nhiên cần có nhiều nghiên cứu trước khi đưa các máy TFG sử dụng như một máy phát điện gió. Nguyên lý từ trường ngang có thể được áp dụng cho một số máy, có thể được sử dụng trong máy phát điện nam châm vĩnh cửu và máy phát điện từ kháng thay đổi, sẽ kế thừa những đặc điểm chung của các loại máy khác, nhưng việc thiết kế máy phát điện từ trường ngang sẽ có những điểm khác. Tỷ lệ chịu mô men xoắn cao cho mỗi kg vật liệu tác dụng tỏ ra khá hấp dẫn.
Nguyên lý hoạt động của TFG giống máy điện đồng bộ, và hoạt tương tự như bất kỳ máy nam châm vĩnh cửu. Nó bao gồm nhiều cực từ phù hợp cho các ứng
42
dụng trực tiếp không dùng hộp số. Tuy nhiên, TFG có điện kháng tản tương đối lớn. Trong máy phát điện từ kháng có thể tạo ra hệ số công suất rất thấp lúc hoạt động bình thường, và dòng ngắn mạch là không đủ lớn để tác động bộ phận bảo vệ. Một bất lợi của TFG là có nhiều chi tiết riêng lẻ nên khó lắp ghép. Với tiến bộ của công nghệ, khó khăn này sẽ được cải thiện.
43
CHƢƠNG 3 - ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ ĐẢO PHÚ QUÝ 3.1 Thực trạng hệ thống điện gió – diesel trên đảo Phú Quý
Huyện đảo này bắt đầu có điện lưới của nhà nước từ năm 1999 do Chi nhánh điện Phú Quý quản lý, gồm 6 tổ máy chạy bằng dầu diezen, với tổng công suất 3 MW (nhưng thực tế chỉ phát huy khoảng 2/3 công suất hiện có). Với công suất quá nhỏ chỉ đủ cung cấp điện 16 giờ/ngày, bắt đầu đóng điện từ 7h30 và ngắt vào 23h30, đã không đủ cung ứng điện sản xuất cho bà con trên đảo, chỉ đủ cho sinh hoạt.
Trên đảo Phú Quý có tốc độ gió trung bình là 6,7 m/s, trong khi với tốc độ gió 3-4 m/s thì cánh quạt tuabin gió đã có thể quay, tuabin sẽ phát điện. Vì vậy, Dự án Nhà máy Phong điện Phú Quý có công suất 6 MW đã được khởi công xây dựng vào tháng 11/2010 tại hai xã Long Hải và Ngũ Phụng thuộc huyện đảo Phú Quý. Dự án này được Tổng Công ty Điện Lực Dầu khí Việt Nam (PV Power, đơn vị thành viên của Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam) giao cho đơn vị thành viên là Công ty Năng lượng tái tạo điện lực Dầu khí Việt Nam (PV Power RE) làm chủ đầu tư với tổng mức vốn hơn 335 tỷ đồng . Công ty CP công trình Viettronics và Công ty CP công nghệ Amec thi công.
Theo thiết kế kỹ thuật, nhà máy có công suất lắp đặt 6 MW, gồm 3 tuabin loại V80 (Vestas) gió với công suất mỗi máy là 2 MW. Chiều cao cột tháp là 60 m, đường kính cánh quạt 70 m. Toàn bộ thiết bị tuabin gió do Vestas (là một công ty của Đan Mạch) cung cấp. Hàng năm nhà máy sẽ sản xuất 25,4 triệu kWh, đáp ứng nhu cầu sản xuất và đời sống nhân dân trên đảo. Ngoài ra, dự án còn lắp đặt hệ thống đường truyền cáp quang ADSS từ các tuabin gió đến phòng điều hành. Nhà máy diezen đã có và xây dựng hoàn chỉnh mạch vòng mạng lưới điện 22 kV cho toàn đảo.
Trên lý thuyết, nếu nhà máy điện gió trên đảo có công suất tới 6 MW, cộng với 3 MW của điện diesel thì trên đảo sẽ không thiếu điện. Tuy nhiên nguồn điện 6 MW của nhà máy điện gió trên đảo không thể thâm nhập hết công suất trên. Có những lúc điện gió cung cấp dư. Nhưng có lúc điện gió yếu thì nguồn điện diesel
44
vẫn phải chạy bù vào. Nó xuất hiện tình trạng thừa vẫn thừa, nhưng có lúc lại thiếu điện trên đảo” , đây chính là nguyên nhân chính chỉ có thể cung cấp điện 16 giờ trên ngày cho bà con trên đảo Phú Quý.
Hình 3.1 Hệ thống phát điện hỗn hợp gió – diesel trên đảo Phú Quý
Đến tháng 09/2011 PV Power RE đã hoàn chỉnh hồ sơ dự án và đề nghị Tổng công ty Điện lực miền Nam (EVN SPC) chấp thuận đấu nối nhà máy điện gió vào lưới điện 22 kV trên đảo Phú Quý tạo thành một hệ thống hỗn hợp Diesel – Gió.
Các thông số chính của hệ thống điện trên đảo Phú Quý: công suất của điện gió: 6 MW; công suất của diesel: 3MW; công suất phụ tải: Pmax: ~ 2.000 kW, Pmin: ~ 760 kW .
Đặc điểm của điện gió là không thể dự đoán trước. Do đó, một hệ thống hỗn hợp Diesel - Gió thông thường luôn bao gồm các thiết bị và giải pháp phụ trợ như: Tải giả, các thiết bị tích trữ điện năng (Pin, bánh đà, pin nhiên liệu ...), Diesel tốc độ cao, kèm theo giải pháp sa thải phụ tải nhằm đảm bảo hệ thống vận hành ổn định. Trong khi đó, giải pháp điều khiển mà PV Power RE đầu tư xây dựng hoàn toàn không có các thiết bị phụ trợ đã nêu. Tuy nhiên, từ tháng 5/2012 EVN SPC đã chấp thuận đấu nối vận hành tạm hệ thống hỗn hợp Diesel - Gió do PV Power RE đầu tư
45
nhằm đánh giá tính ổn định của hệ thống này.
Quá trình vận hành thực tế tại đảo Phú Quý:
Từ ngày 24/5/2012, Công ty Điện lực Bình Thuận đã kết hợp cùng PV Power RE đã vận hành thử nghiệm các turbine W1 và W3. Tuy nhiên, đã xảy ra sự cố gây mất điện một phần và toàn đảo Phú Quý vào các ngày 24/5/2012, 30/5/2012, 31/5/2012.
Nhằm khắc phục các sự cố đã nêu, từ tháng 8/2012 EVN SPC cùng PV Power RE đã thống nhất phương án vận hành hệ thống hỗn hợp Diesel - Gió trên nguyên tắc:
+ Tỷ lệ phát điện Gió - Diesel là 50% - 50%. Tuy nhiên, trong trường hợp phụ tải trên đảo Phú Quý nhỏ hơn 1.050 kW thì cho phép tỷ lệ này đạt đến mức 70% - 30%;
+ Trường hợp phụ tải thấp, gió cao:
- Khi phụ tải thấp (nhỏ hơn 1100 kW) và vận tốc gió cao (lớn hơn 7,2m/s) thì tuabin sẽ chuyển sang chế độ phát công suất cố định : P = Pmin+50 (kW), phần còn lại do các tổ máy diezen bù, lúc này tỷ lệ phát điện gió - diezen cho phép đạt 70% -30%.
- Khi phụ tải nhỏ hơn công suất tối thiểu của tuabin cộng công suất tối thiểu của máy phát diesel thì sau 03 phút hệ thống điều khiển tự động sẽ phát lệnh khởi động bổ sung các tổ máy phát diesel khác và sau đó dừng tuabin điện gió. Lúc này chỉ còn các tổ máy diesel phát điện.
+ Trường hợp gió tải thấp, phụ tải cao:
Trong trường hợp này khả năng phát công suất của tuabin điện gió không đủ 50% phụ tải,
Hệ thống điều khiển hỗn hợp sẽ ra lệnh khởi động thêm các tổ máy diesel để đáp ứng yêu cầu của phụ tải.
+ Công suất tối thiểu của 01 tuabin điện gió là 500 kW khi tốc độ gió từ 7,2m/s đến 17,8m/s ; là 550 kW khi tốc độ gió từ 17,8m/s đến 25m/s. Công suất tối thiểu của 1 tổ máy diesel là 165 kW. Nếu công suất phát của 1 tổ máy
46
diesel nhỏ hơn 165 kW liên tục trong vòng 5 phút thì hệ thống điều khiển tự động sẽ dừng 1 tổ máy.
+ Công suất dự phòng nóng của diesel ~ 250 kW tùy trường hợp.
Hệ thống hỗn hợp Diesel - Gió đã chính thức vận hành thương mại từ ngày 24/08/2012. Tuy nhiên, đến ngày 27/8/2012 hệ thống này lại xảy ra sự cố (do công suất phát của tuabin gió tăng cao, ngoài khả năng điều chỉnh của diesel làm tần số hệ thống tăng đến 51,57 Hz) buộc Điện lực Phú Quý phải sa thải khẩn cấp một phần phụ tải trên đảo nhằm tránh rã lưới và hư hỏng thiết bị. Ngày 02/9/2012 hệ thống hỗn hợp Diesel - Gió đảo Phú Quý đã vận hành thử nghiệm 24/24h nhưng đến 0h20 cùng ngày tuabin gió không thể tham gia phát điện do công suất phụ tải xuống thấp (dưới 900 kW).
3.2 Đánh giá đầu tƣ dự án phong điện Phú Quý
Qua quá trình vận hành từ tháng 5/2012 đến thời điểm hiện tại cho thấy, hệ thống hỗn hợp Diesel - Gió đảo Phú Quý do PV Power RE đầu tư là một hệ thống chưa hoàn thiện và tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây mất ổn định trên lưới điện. Việc này xuất phát từ nhiều nguyên nhân.
3.2.1 Những hạn chế của hệ thống hỗn hợp diesel – gió trên đảo Phú Quý. Hạn chế về độ ổn định tần số: Hạn chế về độ ổn định tần số:
Trong một hệ thống điện ba pha với các máy đồng bộ, giữ tần số hệ thống trong phạm vi dung sai có thể chấp nhận là tương đương với việc duy trì một sự cân bằng tốt giữa công suất phát và công suất tiêu thụ. Trong một hệ thống như vậy tốc độ máy phát điện đồng bộ luôn luôn được giữ ở tốc độ đồng bộ. Các roto có quán tính, tuabin có quán tính và việc điều chỉnh tốc độ đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định và giữ tần số hệ thống tại 50/60 Hz. Tuabin gió hiện nay sử dụng một máy phát điện nguồn kép hoặc máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu kết nối với lưới điện thông qua một chuyển đổi điện tử hai chiều. Tốc độ roto có thể thay đổi trong một phạm vi rộng lớn hơn để thu năng lượng gió tối đa. Đối với hai công nghệ này, quán tính roto không đóng vai trò trong việc ổn định tần số hệ thống. Vì vậy, một vấn đề chung cho một hệ thống với một mức độ thâm nhập cao của năng
47
lượng gió được giảm quán tính. Khi các sự kiện chuyển đổi lớn xảy ra, những thay đổi tần số hệ thống ảnh hưởng đến hoạt động thiết bị và có thể kích hoạt rơle tần số.
Đối với hệ thống điện ở đảo Phú Quý, do tỷ lệ cao công suất điện gió trên công suất phát điện diesel, số lượng máy phát điện diesel hoạt động đồng thời đóng vai trò quan trọng trong hệ thống quán tính. Hiện tượng giảm quán tính có thể được nhìn thấy ràng từ một tải một phần được mô phỏng trong hình 3.2. [11]
Hình 3.2 Đáp ứng tần số với sự thay đổi tải với số lƣợng khác nhau của máy phát diesel
Mặt khác, mô phỏng cũng cho thấy rằng với cùng một số đơn vị diesel hoạt động, tăng tỷ lệ điện năng lượng gió có tác động không đáng kể đến đáp ứng tần số hệ thống [11]
Hình 3.3 Đáp ứng tần số khi tăng tải đổi đột ngột ở các mức thâm nhập khác nhau
48
Các máy phát điện diesel Cummins hiện tại đảo Phú Quý có khả năng kiểm soát tần số và đáp ứng khá tốt. Trong thực tế, với hơn 3 máy phát điện diesel hoạt động, hệ thống hỗn hợp là tương đối ổn định. Theo tài liệu tham khảo kỹ thuật, máy phát điện gió Vestas V80 cũng có khả năng điều chỉnh điện được tạo ra với tần số hệ thống do đó giúp cải thiện sự ổn định của tần số hệ thống. Tuy nhiên, chức năng này chưa được kích hoạt.
Hạn chế về độ ổn định điện áp:
Ngoài các yêu cầu cân bằng công suất tác dụng, hệ thống điện cũng đòi hỏi cân bằng công suất phản kháng . Cân bằng công suất phản kháng có liên quan trực tiếp đến điện áp lưới. Máy phát điện diesel Cummins nói chung có khả năng phát công suất phản kháng tốt với hệ số công suất trong khoảng 0,8 - 0,85. Khả năng tạo ra công suất phản kháng của máy phát điện tuabin gió ở đảo Phú Quý là có giới hạn: hệ số công suất máy phát điện rơi trong khoảng 0,98 - 1. Điều này có nghĩa là máy phát điện gió có ít khả năng trong việc kiểm soát điện áp tại điểm kết nối. Tải tại đảo Phú Quý chủ yếu là dân cư với hệ số công suất rất cao (0,92-0,93). Do đó tải trọng tiêu thụ rất ít điện năng phản kháng. Kinh nghiệm vận hành cho thấy các vấn đề kỹ thuật không đáng kể liên quan đến sự ổn định điện áp. Tuy nhiên, khả năng hạn chế về tạo công suất phản kháng từ các tuabin gió sẽ trở thành một thách thức khi tăng mức độ thâm nhập. Khi mức tăng sự thâm nhập, số lượng các máy phát điện diesel giảm dẫn đến sự sụt giảm dự trữ công suất phản kháng.
Hạn chế về chế độ vận hành máy phát điện diesel:
Ngoài những hạn chế công suất tối đa, máy phát điện diesel cũng bị hạn chế bởi năng lượng tối thiểu (~ 30% công suất định mức). Đây là một rào cản đối với tăng thâm nhập điện gió. Để duy trì sự ổn định hệ thống, phải có một số lượng tối thiểu của máy phát điện diesel điều hành để duy trì quán tính của hệ thống (2-3 máy phát điện với tải hiện có). Vì vậy sự xâm nhập điện gió cũng bị hạn chế bởi năng lượng tối thiểu được tạo ra bởi máy phát điện diesel. Mỗi máy phát điện diesel chỉ phát điện trong khoảng 165 – 420 kW.
49
Duy trì dự trữ quay và ứng phó với biến đổi phụ tải cũng là một vấn đề kỹ thuật quan trọng cho hệ thống hybrid ở đảo Phú Quý. Tại thời điểm tần số được điều chỉnh bởi các máy phát diesel thì máy phát điện diesel đáp ứng tại điểm đầu tiên khi có những biến đổi tải. Các hệ thống SCADA phát hiện sự thay đổi trong tải và điều chỉnh được tạo ra bởi các tuabin gió để đảm bảo mức thâm nhập điện gió được xác định trước. Do thời gian cập nhật chậm chạp của hệ thống SCADA, tuabin gió không có vai trò trong việc quay dự trữ và đáp ứng nhanh. Đây là một rào cản rất lớn khi cố gắng gia tăng sự xâm nhập gió.
Hạn chế về năng lƣợng gió tối thiểu:
Với tốc độ gió trên 7m /s, điện gió tối thiểu được tạo ra bởi máy phát điện V80 là 500 kW. Khi tăng tốc độ gió trên 17m /s, điện gió tối thiểu được tạo ra là 800 kW. Ở một phạm vi tải nhất định, những hạn chế này hạn chế số lượng các tua-bin gió hoạt động kể từ khi tất cả các tua-bin gió này được sử dụng sẽ vi phạm thâm nhập tối đa cho phép.
Công suất lắp đặt của một turbine gió là quá lớn (2 MW mỗi tuabin): trong khi phụ tải trên đảo phú Quý thấp (khoảng 2 MW) phụ tải thấp điểm chỉ khoảng 750 kW.
Khả năng điều chỉnh công suất phát của tuabin gió là rất hạn chế: Chỉ có
thể điều chỉnh công suất phát ra bằng cách chỉnh cánh tuabin với tốc độ tối đa 100kW/1s; công suất phát của tuabin có thể điều chỉnh giảm tối đa = 40% x Khả năng phát của tuabin.
Chế độ gió không ổn định nên phải đặt công suất diesel dự phòng nóng rất cao, các diesel vận hành non tải dẫn đến tổn hao nhiều năng lượng.
Tuabin gió chƣa đƣợc thực hiện phát công suất phản kháng, chƣa có giải pháp lắp tụ bù hợp lý, cos máy phát diesel thấp.
Không có hệ thống phụ trợ nhƣ hệ thống lƣu trữ năng lƣợng và tải giả. Phụ tải trên đảo lớn nhất khoảng 1,9 MW thấp hơn nhiều so với nguồn