- Trong quá trình thi công xây dựng, không được xả nước thải trực tiếp ra nguồn tiếp nhận, bố trí các hố thu nước xử lý cặn và bùn lắng, thiết lập những quy định về an toàn, vệ sinh cho công nhân.
- Để giảm thiểu tiếng ồn do hoạt động của tua-bin cần phải thực hiện lựa chọn tua-bin phù hợp, đảm bảo điều kiện vận hành bảo dưỡng thường xuyên.
- Giảm thiểu ảnh hưởng đến tầm nhìn: lựa chọn tua-bin tiên tiến, cấu trúc gọn, đẹp, sơn bên ngoài nhẹ nhàng, bố trí khoảng cách hợp lý.
- Để hạn chế tác động tiêu cực đến hoạt động trên không, các tua-bin gió cần được lắp đặt đèn tín hiệu trên đỉnh cột tháp, đuôi cánh quạt.
HV: Nguyễn Xuân Khánh 98
Chương 4
HÒA ĐIỆN GIÓ VÀO LƯỚI ĐIỆN 4.1. Sự cần thiết hòa điện gió vào lưới điện
Thiết bị hòa mạng mang lại lợi ích: nâng cao hiệu suất thu năng lượng tránh hiện tượng dư thừa năng lượng vô ích: nếu ta nạp vào Accu thì Accu cũng sẽ đầy, các thiết bị điện có lúc dùng lúc không...Những lúc như vậy việc xảy ra dư thừa năng lương vô ích. Khi hòa vào lưới điện thì khi thừa năng lượng sẽ chia sẻ cho nơi khác hay đưa vào sản xuất, đưa vào phương tiện vận chuyển (xe điện, tàu điện ngầm...); khi ta cần lại có điện sử dụng.
Bộ hòa lưới điện: là thiết bị lấy năng lượng gió hòa chung vào lưới điện để chia sẻ cho mọi người hay những nơi sản xuất. Khi mà thời gian tạo ra năng lượng khi có gió chúng ta lại không dùng đến. Nếu ta lấy năng lượng gió mà dự trữ vào Accu thì sẽ rất tốn kém, hiệu quả không cao.
Nếu không hòa mạng mà chỉ tạo ra nguồn điện với một công suất danh định, giả sử trong trường hợp ta vận hành máy lạnh, hay động cơ bơm nước...Ta có một máy phát điện gió với công suất để vận hành 2kW nhưng các động cơ này khi khởi động cần công suất lớn hơn để khởi động vì lúc khởi động momen quay của động cơ bằng 0. Do đó khi khởi động sẽ phải tốn công suất gấp 3 đến 4 lần công suất vận hành, nên sẽ làm máy phát tắt tức thời và bật tắt liên tục vì bảo vệ an toàn cho máy phát. Nhưng khi hòa mạng thì khác, khi công suất máy phát điện gió thiếu thì nguồn quốc gia sẽ hỗ trợ và làm cho động cơ chạy; khi đã chạy ổn định rồi thì không cần nguồn quốc gia nữa mà năng lương dư thừa lại chia sẻ sang cho người khác sử dụng. Nên khi không cần nhiều năng lượng từ nguồn quốc gia mà nguồn quốc gia giống như một nguồn hỗ trợ cho việc vận hành, điều hòa công suất cho mọi nơi. Giảm đi tổn thất trên đường truyền tải do công suất tại nơi tiêu thụ giờ đây giảm đi. Vì tại nơi tiêu thụ điện cũng là nơi tạo ra điện. Nếu tại Hạ Long có một 70.000 hộ với 70.000 panel 200W thì Hạ Long sẽ tạo ra một nhà máy phát điện công suất 14 triệu Wait trên giờ và một ngày khoảng 8h gió như vậy một ngày Hạ Long sẽ tạo ra cả triệu kW/ngày và một năm có 365 ngày.
HV: Nguyễn Xuân Khánh 99
Nếu chúng ta không hòa mạng thì khi không dùng năng lượng gió sẽ phải nạp vào Accu như vậy làm chi phí tăng khổng lồ cho nguồn dự trữ Accu. Mặt khác không khai thác hết công suất và hiệu suất từ nguồn năng lượng gió (vì bạn không thể mua Acuu lớn đến mức tích trữ hết công suất tiêu thụ) lại làm cho Accu mau hỏng do nạp xả liên tục, gây hư hại Accu tăng chi phí đầu tư và chi phí vận hành giảm đi việc thu lại vốn và lợi nhuận từ việc tạo ra năng lượng bằng gió.
Khi hòa mạng điện lợi ích tiếp theo đó là giảm thấp thoát năng lượng trong việc truyền tải điện năng đi xa. Các nhà máy điện thường ở rất xa thành phố, mà thành phố là nơi tiêu thụ lượng điên khổng lồ, nên tiêu hao và thấp thoát năng lượng rất lớn trên đường dây. Hòa mạng sẽ có nguồn năng lượng tại chỗ do đó giảm thấp thoát năng lượng trên đường dây.
4.2. Các loại tua bin gió và thiết bị gió điện tử công suất đi kèm
4.2.1. Phân tích tua-bin gió theo dải tốc độ hoạt động
Có nhiều cách để phân loại tua-bin gió, nhưng người ta phân loại tua-bin chủ yếu dựa vào dải tốc độ hoạt động và thiết bị điều khiển công suất của tua-bin gió. Theo dải tốc độ hoạt động thì có hai loại chính là tua-bin gió hoạt động ở tốc độ cố định và tua- bin gió hoạt động ở tốc độ thay đổi liên tục.
4.2.1.1. Tua bin gió hoạt động ở tốc độ cố định
Trong những năm đầu của thập niên 1990 các tua-bin tiêu chuẩn được lắp đặt và hoạt động tại một tốc độ cố định tức là nó không phụ thuộc vào tốc độ gió, tốc độ của roto là cố định, chỉ phụ thuộc vào tần số của lưới và tỉ số truyền động với máy phát.
Tua-bin này được trang bị một máy phát điện không đồng bộ hay còn gọi là máy phát điện cảm ứng, được nối trực tiếp với lưới điện, với một khởi động mềm và một bộ tụ để bù công suất phản kháng và hỗ trợ khởi động. Loại tua-bin này được thiết kế để thu được hiệu suất lớn nhất tại một tốc độ đặc biệt để nâng cao sản lượng điện. Máy phát của tua-bin này thường có hai cuộn dây: một được sủa dụng tại tốc độ thấp (thường có 8 cực) và một để sử dụng tại tốc độ cao (thường có từ 4 đến 6 cực).
HV: Nguyễn Xuân Khánh 100
Tua-bin gió hoạt động tại tốc độ cố định có ưu điểm là đơn giản, mạnh mẽ, đáng tin cậy trong vận hành, và chi phí đầu tư thấp. Nhược điểm của nó là không điều khiển được công suất kích từ, ứng suất cơ khí lên trục rotor tua-bin và điều khiển hạn chế về chất lượng điện năng. Do nó hoạt động ở một tốc độ cố định cho nên mọi biến động của tốc độ gió sẽ làm thay đổi momen trên rotor và kéo theo sự thay đổi công suất phát của tua-bin vào lưới, nó tạo nên một sủa dao động công suất trên lưới. Trong trường hợp lưới yếu và công suất của tua-bin lớn, nó sẽ dẫn đến một sự biến động điện áp lớn, kéo theo sự thiệt hại đáng kể về tổn thất trên lưới.
4.2.1.2. Tua-bin gió hoạt động ở tốc độ thay đổi
Trong vài năm trở lại đây tua-bin gió đa tốc độ trở nên chiếm ưu thế trong số các tua-bin gió.
Tua-bin đa tốc độ được thiết kế để thu được hiệu suất khí động học lớn nhất tua- bin cho tới tốc độ gió v. Bằng cách này, tỉ số tốc độ đỉnh được giữ không đổi tại một giá trị tương ứng với hệ số công suất lớn nhất. Trái ngược với tua-bin tốc độ cố định, tua-bin đa tốc độ luôn giữ momen trên máy phát tưng đối ổng định và các sự thay đổi của tốc độ gió được thích ứng bằng cách thay đổi tốc độ máy phát điện.
Hệ thống điện của tubin đa tốc độ phức tạp hơn các tua-bin tốc độ cố định. Nó thường được trang bị một máy phát cảm ứng hoặc máy phát đồng bộ và được kết nối với lưới thông qua một bộ chuyển đổi công suất. Bộ chuyển đổi công suất có tác dụng điều khiển tốc độ của máy phát điện. Khi có sự dao động công suất do sự thay đổi tốc độ gió gây nên, nó sẽ được thích ứng bằng cách thay đổi tốc độ rotor máy phát dẫn đến thay đổi tốc độ của rotor tua-bin gió.
Ưu điểm của tua-bin đa tốc độ là nâng cao sản lượng điện năng, cải thiện chất lượng điện năng và ứng suất cơ lên tua-bin gió. Nhược điểm của nó là phát sinh tổn thất của thiết bị điện tử công suất, sử dụng nhiều bộ phận hơn và chi phí đầu tư tăng do có thêm thiết bị điện tử công suất.
HV: Nguyễn Xuân Khánh 101
4.2.2. Khái niệm về điều khiển công suất
Có nhiều cách khác nhau để điều khiển lực khí động trên rotor tua-bin gió theo cách đó để hạn chế công suất gió quá lớn để tránh thiệt hại cho các tua-bin gió.
Có nhiều hệ thống tự động điều chỉnh tấc độ quay nhưng phổ biến là:
- Hệ thống tự động có thay đổi góc đặt cánh còn gọi là tự động biến bước cánh thường dừng cho động cơ gió ít cánh. Trong trường hợp này các cánh sẽ tự động xoay quanh trục tâm quay của chúng một góc nhỏ theo hướng giảm góc tần α.
- Hệ thống phanh khí động chỉ dùng cho động cơ gió phát điện hai cánh. Khi gió quá mạnh, do lực ly tâm hai càng phanh khí động bung ra cản bớt tốc độ quay của rotor.
- Hệ thống tự động đưa toàn bộ bánh cánh ra khỏi hướng gió theo hai nguyên lý như sau:
+ Sử dụng cánh phụ, thường dùng cho động cơ gió nhiều cánh.
+ Đặt lệch tâm trục quay của bánh cánh với trục quay của phần thấp động cơ gió.
4.2.3. Hiện trạng của các máy phát điện tua-bin gió hiện đại
Các cấu trúc tua-bin gió được ứng dụng phổ biến nhất hiện nay được phân chia bởi khả năng điều khiển tốc độ và phương thức điều khiển công suất mà chúng sử dụng. Có 4 loại tua-bin khác nhau đang chiếm ưu thế dựa vào tiêu chuẩn điều khiển tốc độ, được mô tả trong (hình 33)
- Tua-bin gió có thể được phân loại rộng hơn theo khía cạnh điều khiển công suất: ngắt stall, xoay pitch, ngắt chủ động active stall.
HV: Nguyễn Xuân Khánh 102
HV: Nguyễn Xuân Khánh 103
4.2.4. Thiết kế điện tử dông suất hiện đại
Tua-bin đa tốc độ đòi hỏi một hệ thống điện tử công suất có khả năng điều chỉnh tần số và điện áp phát lên lưới. Trước khi trình bày hiện trạng sử dụng điện tử công suất, điều quan trọng để hiểu tại sao nó lại rất hấp dẫn để sử dụng cho tua-bin gió trong tương lai.
Bảng 22: Ưu nhược điểm khi sử dụng điện tử công suất trong hệ thống điện gió
Thiết bị điện tử công suất bao gồm một khởi động mềm (và một bộ tụ), thiết bị chỉnh lưu và biến tần. Các phần tử của chuyến đổi công suất là điốt (các van không điều khiển được), chẳng hặn như thysitor và transitor. Điốt dẫn dòng theo một hướng và sẽ chặn dòng lại theo hướng ngược lại. Chuyển mạch điện tử cho phép lựa chọn thời điểm chính xác để điốt dẫn điện. Một thysistor thông thường được điều khiển cửa van của nó.
Đặc tính của điện
tử công suất Ưu điểm Nhược điểm
Điều khiển tần số (quan trọng đối với tua-bin gió)
-Năng lượng hoạt động tối ưu
-Hạn chế tải lên hộp số và bộ truyền động lái khi tốc độ gió thay đổi
-Điều khiển tải
-Có thể thay thế được vai trò của hộp số -Hạn chế tiếng ồn tại các nơi tốc độ gió thấp
Phát sinh chi phí và tổn thất vào các thiết bị đi kèm Đặc điểm Nhà máy điện (quan trọng đối với lưới điện)
-Công suất tác dụng và phản kháng có thể điều khiển được
-Thiết bị điện tử công suất có thể được sử dụng như một nguồn công suất phản kháng cục bộ -Cải thiện ổn định lưới (điện áp)
-Cải thiện chất lượng công suất: + Bằng phẳng hơn
+ Lọc đầu ra sóng hài bậc thấp + Hạn chế công suất ngắn mạch
Có sóng hài bậc cao
HV: Nguyễn Xuân Khánh 104
Bảng 23: Các tính năng và công suất lớn nhất của khóa chuyển mạch
Bộ tự chuyển đổi là một bộ chuyển đổi nguồn điện áp (VSCs) hay một bộ chuyển đổi nguồn dòng (CSCs) như có thể thấy ở (hình 30). Nó có thể điều khiển cả điện áp và tần số.
VSCs và CSCs cung cấp một dạng sóng áp và sóng chuyển mạch tương ứng tại các cực của máy phát điện và lưới điện. Đối với một VSC, điện áp tại thanh cái một chiều DC được giữ không đổi nhờ một tụ điện lớn. Đối với CSC, cũng tương tự đó là dòng điện trên thanh cái một chiều được giữ không đổi nhờ một cuộn cảm lớn. Phải nhấn mạnh rằng biến đổi nguồn dòng và nguồn áp là hai khái niệm khác nhau.
Hình 34: Các bộ tự chuyển đổi công suất cho tua-bin gió (a) Biến đổi nguồn dòng và (b) Biến đổi nguồn áp
Chúng có thể thực hiện bằng nhiều cách:
- Sáu bước
- Điều chế biên độ xung (RAM)
- Điều chế độ rộng xung (PWM)
Bằng cách sử dụng các kỹ thuât PWM, các sóng hài bâc thấp được loại bỏ và tần số của sóng hài bậc cao đầu tiên nằm trong khoảng tần số chuyển mạch của các biến tần hoặc bộ chỉnh lưu.
Dạng chuyển mạch điện tử
GTO IGCT BJT MOFET IGBT
Điện áp ra lớn nhất(V) 6000 6000 1700 1000 6000 Dòng điện ra lớn nhất(A) 4000 2000 1000 28 1200 Dải tần số hoạt động (kHz) 0,2 - 1 1 -3 0,5 - 5 5 - 100 2 - 20 Yêu cầu chuyển động Cao Thấp Trung bình Thấp Thấp
HV: Nguyễn Xuân Khánh 105
4.2.5. Ứng dụng điện tử công suất
Điện tử công suất là một công nghệ phát triển nhanh chóng. Nó có thể nâng cao chất lượng của điện áp và dòng điện, tổn thất công suất giảm thấp và thiết bị trở nên tin cậy hơn. Bây giờ chúng ta sẽ xem xét thiết bị điện tử công suất sử dụng cho tua-bin gió.
4.2.5.1. Khởi động mềm
Khởi động mềm được sử dụng trong các tua-bin tốc độ cố định. Chức năng của nó là giảm dòng khởi động. Nếu không có nó dòng khởi động sẽ tăng lên 7 đến 8 lần dòng định mức, gây sụt áp lớn ở điểm kết nối. Nó gồm hai thysistor như các thiết bị đảo mạch trong mỗi pha.
4.2.5.2. Bộ tụ bù
Nó được sử dụng cho các tua-bin tốc độ cố định và tốc độ thay đổi hạn chế (như loại “a” và “b”). Nó là nguồn công suất phản kháng cung cấp cho máy phát điện, vì thế giảm lượng công suất tiêu thụ từ lưới. Do đó điện áp trên lưới sẽ ổn định hơn. Vì tụ rất nhạy cảm với điện áp nên việc bảo vệ tụ cũng gây tốn kém thêm chi phí.
4.5.2.3. Chỉnh lưu và biến tần
Bộ chuyển đổi tần số cơ bản gồm các phần sau:
- Một chỉnh lưu để chuyển đổi dòng xoay chiều về dòng một chiều
- Một tụ dự trữ năng lượng.
- Một biến tần để chuyển đổi dòng xoay chiều với điện áp và tần số mong muốn. Bộ chuyển đổi tần số thường dùng là loại back - to o back có cấu tạo như hình sau:
HV: Nguyễn Xuân Khánh 106
Điện áp xoay chiều ở đầu cực máy phát được chỉnh lưu thành một chiều đến biến tần. Tại đây điện áp một chiều được chuyển đổi thành điện áp xoay chiều với điện áp và tần số nhất định.
4.3. Hòa điện gió vào lưới điện
Hình 36: Kết nối điện gió vào lưới điện
Hệ thống điện gió được truyền tải đi trên các lưới với cấp điện áp khác nhau, tùy thuộc vào số lượng tua-bin và công suất định mức. Đối với các cánh đồng điện gió ngoài khơi và công suất tương đối lớn, để tránh tổn thất, người ta thường truyền tải bằng đường dây một chiều với điện áp siêu cao lên tới 750kV. Đối với các cánh đồng gió trên đất liền có công suất hang trăm MW thường truyền tải lên lưới trên 100kV. Sau đây là sơ đồ kết nối với lưới chủ yếu của các tua-bin gió hiện đại với công suất định mức khoảng 2MW, rất phổ biến trong ngành công nghiệp điện gió.
Các tua-bin gió hiện đại có công suất trung bình trở lên chủ yếu sử dụng các thiết bị điện tử công suất để hòa với hệ thống điện bởi những lợi thế ưu việt của nó. Tua-bin