5. Phƣơng pháp nghiên cứu
1.2.1. Các khái niệm
Lƣới điện là tập hợp toàn bộ các đƣờng dây và trạm biến áp kết nối với nhau theo những nguyên tắc nhất định có chức năng truyền tải điện năng từ nơi sản xuất tới nơi tiêu thụ. Mỗi loại lƣới lại có các tính chất vật lý và quy luật hoạt động khác nhau.
Trên hệ thống điện Việt Nam, lƣới điện đƣợc chia ra thành 3 loại lƣới chính:
Lƣới truyền tải 220 kV ÷ 500 kV nối liền các trạm biến áp khu vực với các trạm biến áp trung gian, tạo ra hệ thống điện lớn.
Lƣới khu vực 110 kV ÷ 220 kV là phần lƣới điện từ các trạm trung gian khu vực hoặc từ thanh cái cao áp các nhà máy điện cung cấp điện cho các trạm trung gian địa phƣơng.
Lƣới phân phối là phần lƣới điện sau các trạm biến áp trung gian địa phƣơng, kết nối trực tiếp với lƣới truyền tải hoặc lƣới khu vực để cấp điện tới các phụ tải tiêu thụ điện. Lƣới phân phối đƣợc phân chia thành lƣới phân phối trung áp (6, 10, 15, 22, 35 kV) và lƣới phân phối hạ áp (0,4 kV).
Tuabin gió chuyển đổi năng lƣợng gió thành năng lƣợng điện, sau đó đƣợc đƣa vào hệ thống cung cấp điện. Các kết nối của tuabin gió với hệ thống cung cấp điện có thể với điện áp thấp, điện áp trung bình, điện áp cao thậm chí là siêu cao áp. Hiện nay hầu hết các tuabin gió đều kết nối với hệ thống điện trung thế. Trong tƣơng lai khi phát triển các trang trại gió lớn ngoài khơi thì sẽ đƣợc kết nối với hệ
thống điện cao và siêu cao áp. Vì vậy phần kế tiếp sau đây ta sẽ đi sâu hơn vào tìm hiểu về lƣới phân phối trung áp hơn.
Lƣới phân phối trung áp (sau đây gọi tắt là Lưới điện phân phối - LPP) làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian cho các phụ tải. Lƣới phân phối có nhiệm vụ chính là đảm bảo chất lƣợng điện năng cho phụ tải bao gồm chất lƣợng điện áp và độ tin cậy cung cấp điện.
Các khối cơ bản của LPP là :
Trạm biến áp trung gian, biến đổi điện năng sơ cấp máy biến áp (MBA) ở cấp điện áp 110 và 35kV cấp cho các LPP địa phƣơng.
Lƣới phân phối trung áp, thƣờng đƣợc thiết kế dƣới dạng đƣờng dây trên không hoặc cáp ngầm, có cấp điện áp 6, 10, 15, 22 kV và đôi khi là 35kV đƣợc thiết kế phù hợp với địa hình từng khu vực và cấp điện cho các trạm biến áp phân phối hạ áp.
Trạm biến áp phân phối hạ áp, với mật độ dày đặc trên LPP, biến đổi điện năng từ cấp điện áp trung áp xuống cấp điện áp 0,4kV cấp điện trực tiếp cho phụ tải.
1.2.2. Sơ đồ lưới điện phân phối
Lƣới điện phân phối có mật độ khá dày đặc, là lƣới trung gian kết nối giữa các trạm biến áp trung gian và các khách hàng tiêu thụ điện năng. Cấu trúc của LPP đƣợc chia ra làm ba loại chính là: hình tia không phân đoạn (hình 1.4), hình tia có phân đoạn ( hình 1.5) và mạch vòng kín vận hành hở (hình 1.6).
Ở các đô thị lớn, LPP thƣờng là lƣới cáp ngầm với mật độ phụ tải rất cao, độ tin cậy cung cấp điện đƣợc yêu cầu cao nên cấu trúc thƣờng gặp là cấu trúc mạch vòng kín vận hành hở.
Hình 1.4. Lưới điện phân phối hình tia không phân đoạn
Hình 1.5. Lưới điện phân phối hình tia có phân đoạn
Hình 1.6. Lưới điện phân phối kín vận hành hở
Ở các vùng nông thôn thì LPP lại là lƣới trên không với mật độ phụ tải không cao, không đòi hỏi về độ tin cậy cung cấp điện cao nhƣ lƣới thành phố nên cấu trúc lƣới đƣợc lựa chọn là cấu trúc hình tia. Các trục chính đƣợc yêu cầu có các thiết bị phân đoạn để tăng độ tin cậy. Các thiết bị phân đoạn có thể là dao cách ly, cầu dao phụ tải, thiết bị tự động đóng lại (TĐL) hoặc cao hơn có thể là máy cắt phân đoạn.
1.2.3. Các yêu cầu của lưới điện phân phối
Lƣới điện phân phối có mật độ dày đặc, cung cấp điện năng cho phụ tải với chất lƣợng điện năng đảm bảo, độ tin cậy cao, an toàn và đem lại cho doanh nghiệp kinh doanh điện lợi nhuận cao nhất trong toàn bộ thời gian vận hành:
Chất lƣợng điện năng bao gồm chất lƣợng điện áp và chất lƣợng tần số , phải đảm bảo chúng phải thỏa mãn các tiêu chuẩn về độ lệch và độ dao động. Riêng với điện áp, nó còn phải đảm bảo độ không đối xứng và độ không sin nằm trong giới hạn cho phép.
An toàn điện gồm có an toàn cho thiết bị phân phối điện, cho hệ thống điện, cho ngƣời vận hành và ngƣời dùng điện.
Độ tin cậy cung cấp điện cần đƣợc xem xét để chọn mức tin cậy hợp lý về kinh tế, thể hiện trong việc lựa chọn phƣơng án lƣới điện.
Tổn thất điện năng trên lƣới là nhỏ nhất.
Khả năng tải của lƣới điện cũng cần đƣợc đảm bảo, đó là dòng điện hoặc dòng công suất mà đƣờng dây hoặc MBA tải đƣợc mà không vi phạm các tiêu chuẩn kỹ thuật. Trên LPP, khả năng tải đƣợc tính theo phát nóng và tổn thất điện áp: Dòng điện lớn nhất và tổn thất điện áp trên đƣờng dây phải nhỏ hơn giá trị cho phép trong điều kiện bình thƣờng và sự cố để đảm bảo chất lƣợng điện năng ở phụ tải.
1.3. KẾT LUẬN
Việc phát triển nguồn điện phân tán phong điện là xu thế tất yếu trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Với sự gia tăng của các trang trại gió thì các ảnh hƣởng của chúng tới lƣới điện cũng tăng theo. Để đảm bảo các yêu cầu, các tiêu chuẩn kỹ thuật cho lƣới điện có tuabin gió kết nối thì việc nghiên cứu “Ảnh hƣởng của nguồn phân tán phong điện tới các thông số của lƣới” là vô cùng cần thiết.
CHƢƠNG II
CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG GIÓ
Chương này sẽ đi sâu vào việc tìm hiểu đặc điểm cấu tạo, nguyên lý của hệ thống máy phát điện gió. Đồng thời cũng giới thiệu về các loại tuabin gió, từ đó đề xuất lựa chọn loại tuabin gió phù hợp cho điều kiện Việt Nam.
2.1. TỔNG QUAN VỀ TUABIN GIÓ
2.1.1. Một số khái niệm về tuabin gió
Tuabin gió là thiết bị chuyển đổi động năng của gió thành điện năng. Nguyên lý làm việc của tuabin gió là chuyển đổi động năng của dòng không khí thành cơ năng trên trục của rotor. Năng lƣợng của gió làm cho các cánh quạt quay quanh 1 rotor. Mà rotor đƣợc nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục quay máy phát để tạo ra điện.
Khả năng tạo ra điện từ gió của một tuabin gió phụ thuộc 3 yếu tố chính sau [9]:
Năng lƣợng gió có sẵn
Đƣờng cong công suất của tuabin
Khả năng đáp ứng nhiễu loạn gió của tuabin
Công suất cơ một tuabin gió tạo ra đƣợc cho bởi công thức: Pm= 0.5ρCpAV3
(W) (2.1) Trong đó : Pm: Công suất tuabin
ρ: Tỉ trọng của không khí (kg/m3) Cp: Hệ số công suất
A: Diện tích cánh quạt quét (m2 ) V: Vận tốc gió (m/s)
Theo định luật Betz ( Nhà vật lý ngƣời Đức – Albert Bezt 1885 - 1968) về động học khí quyển thì năng lƣợng gió không thể chuyển tất cả sang một loại năng lƣợng khác mà chỉ có thể thu đƣợc tối đa là 59,26 %, tức là Cp ≤ 59,26% (Xem hình 2.1).
Giá trị lý thuyết lớn nhất của Cp là 59,26%. Trong những thiết kế thực tế, giá trị lớn nhất có thể đạt đƣợc của Cp là dƣới 0,5 đối với tốc độ gió cao, tuabin hai cánh, và từ 0,2 đến 0,4 đối với những tuabin tốc độ thấp và nhiều cánh hơn. Nếu nhƣ ta đặt 0,5 nhƣ là hiệu suất thực tế lớn nhất của rotor, thì công suất đầu ra lớn nhất của turbine gió là :
Pm= ρCpAV3 (2.2)
Công thức này dùng để đánh giá tiềm năng công suất phát điện của một vùng nào đó với vận tốc gió trung bình V.
Đối với một tuabin gió, khả năng phát điện thể hiện ở số công suất thu đƣợc có tính đến các giới hạn về kỹ thuật và kinh tế. Nó thƣờng đƣợc mô tả dƣới dạng một đồ thị công suất phát - tốc độ gió, đƣợc gọi là đồ thị công suất lý tƣởng (hình 2.2).
Hình 2.2. Đường cong công suất lý tưởng của tuabin gió
Qua đồ thị cho thấy, tốc độ gió mà hệ thống vận hành đƣợc giới hạn trong khoảng tốc độ từ 3m/s đến 25m/s. Khi tốc độ gió quá nhỏ thì năng lƣợng gió đƣợc tạo ra là không đủ cho vận hành và tổn hao. Khi tốc độ gió quá lớn tuabin gió sẽ phải dừng hoạt động để tránh quá tải. Hơn nữa việc thiết kế một tuabin gió phải đủ bền vững để đáp ứng đƣợc các tiêu chuẩn cơ khí cơ bản.
2.1.2. Cấu tạo tuabin gió
Bao gồm các phần chính sau đây (xem hình 2.3):
Cánh quạt (Blades): Gió thổi qua các cánh quạt là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động và quay.
Roto: Bao gồm các cánh quạt và trục.
Bộ xoay cánh (Pitch): Cánh đƣợc xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện.
Phanh (Brake): Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức nƣớc hoặc bằng động cơ.
Hình 2.3. Cấu tạo của tuabin gió
Hình 2.4. Cấu tạo một cánh đón gió của tuabin gió
Máy phát (Generator): Phát điện.
Bộ điều khiển (Controller): Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tƣơng ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắt động cơ ở tốc độ khoảng khoảng 65 dặm/giờ tƣơng đƣơng với 104 km/h để các máy phát có đƣợc tốc độ làm việc phù hợp, tránh bị phát nóng.
Bộ đo vận tốc gió (Anemometer): đo lƣờng tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điều khiển.
Bộ đo hƣớng gió (Wind vane): Để xử lý hƣớng gió và liên lạc với "yaw drive" để định hƣớng tuabin gió.
Vỏ (Nacelle): Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ đƣợc đặt trên đỉnhcột tháp và bao gồm các phần: hộp số, trục truyền tốc độ cao và thấp, máy phát, bộ điều khiển, and phanh. Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ. Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc.
Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao (High - speed shaft)
Bộ chuyển hƣớng (Yaw drive): Dùng để giữ cho roto luôn luôn hƣớng về hƣớng gió chính khi có sự thay đổi hƣớng gió.
Mô tơ chuyển hƣớng (Yaw motor): Động cơ cung cấp cho bộ chuyển hƣớng định đƣợc hƣớng gió.
Cột tháp (Tower): Đƣợc làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằng bằng thép. Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu cột càng cao, cột tháp cao hơn thu đƣợc năng lƣợng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn.
2.1.3. Các dạng tuabin gió
Về cơ bản có thể chia loại tuabin gió theo nhiều hình thức khác nhau: theo cấu tạo hoạt động, theo công suất hay theo số cánh quạt. Tuy nhiên có thể chia tuabin gió theo 2 loại cơ bản sau đây: tuabin gió trục đứng và tuabin gió trục ngang.
a/ Tuabin gió trục đứng (đây là loại tuabin mới phát triển trong thời gian gần đây):
theo hình dƣới đây, trục quay vuông góc với dòng gió và mặt đất, dải vận tốc gió hoạt động 3 - 40m/s, chiều cao tubin dƣới 30m, số cánh quạt 2 - 4 cánh, bán kính cánh quạt dƣới 10m.
Hình 2.5. Tuabin gió trục đứng
Ƣu điểm:
- Các máy phát điện, hộp số ..vv..có thể đặt dƣới mặt đất. - Dải vận tốc gió hoạt động là khá rộng.
- Không cần thiết có cơ chế chuyển hƣớng nhƣ tuabin trục ngang.
- Tuabin hoạt động không phụ thuộc vào hƣớng của vận tốc dòng khí nên có thể lắp đặt ở vị trí có vận tốc gió cao với dòng chảy không ổn định. Vì vậy nó phù hợp hơn cho đô thị, nơi có nhiều gió xoáy và hƣớng gió thay đổi, với một cánh quạt mà quay quanh một trục thẳng đứng, gió đến từ bất kỳ hƣớng nào cũng có thể làm quay cánh và cung cấp điện. - Tuabin loại này thƣờng êm hơn tuabin trục ngang, ngoài ra đối với
tuabin cánh quạt dạng hình trụ đỡ tốn diện tích không gian lắp đặt, kết cấu tƣơng đối vững chắc.
- Hiệu quả tổng thể của máy trục đứng không cao. Hiệu suất của tuabin chỉ bằng 50% so với tubin trục ngang khi hoạt động ở cùng 1 vận tốc gió. - Loại này cần bố trí dây guy để giữ
b/ Tuabin gió trục ngang (đây loại tubin gió phổ biến trên thị trƣờng - xem hình
2.6) là loại phổ biến có 2 hay 3 cánh quạt. Tuabin gió 3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hƣớng về chiều gió đang thổi. Ngày nay tuabin gió 3 cánh quạt đƣợc sử dụng rộng rãi, công suất phát điện từ vài trăm W đến vài MW, dải vận tốc gió hoạt động từ 4 m/s -25 m/s, chiều cao cột chống tuabin 6 m ( loại công suất nhỏ) – 120 m (loại công suất lớn), bán kính cánh quạt từ 3 m – 45 m, số vòng quay cánh quạt 20 – 40 vòng/phút.
Ƣu điểm:
- Đây là loại tuabin gió có hiệu suất cao nhất. - Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau.
- Hình dạng và kích thƣớc lớn nên đòi hỏi chỉ số an toàn cao.
Nhƣợc điểm:
- Tuy có hệ thống điều chỉnh hƣớng để đón gió nhƣng vẫn giới hạn ở 1 góc quay nhất định nên chỉ thích hợp cho những nơi có vận tốc gió ổn định.
2.2. CÁC LOẠI CẤU HÌNH TUABIN GIÓ VÀ PHƢƠNG PHÁP KẾT NỐI LƢỚI ĐIỆN LƢỚI ĐIỆN
Cấu hình tuabin gió đƣợc phân chia dựa trên 2 yếu tố là tốc độ hoạt động (là cố định hay thay đổi) và phƣơng pháp điều khiển điện năng.
2.2.1. Tốc độ hoạt động của tuabin gió
2.2.1.1. Tuabin gió có tốc độ cố định (Fixed-speed wind turbines)
Trong đầu những năm 1990 tiêu chuẩn cài đặt các tuabin gió là hoạt động ở tốc độ cố định. Điều đó có nghĩa là bất kì tốc độ gió nào, tốc độ cánh quạt của tuabin gió là cố định và xác định bởi tần số của lƣới điện cung cấp, tỷ số truyền và thiết kế máy phát điện.
Đặc trƣng của tuabin gió tốc độ cố định là chúng đƣợc trang bị máy phát điện cảm ứng (rotor lồng sóc hoặc rôto dây quấn) kết nối trực tiếp với lƣới điện, với một phần mềm khởi động và bộ tụ để giảm mức tiêu hao công suất phản kháng. Chúng đƣợc thiết kế để đạt đƣợc hiệu quả tối đa tại một tốc độ gió cụ thể. Để tăng cƣờng sản xuất điện, máy phát điện của một số tuabin gió có tốc độ cố định có hai cuộn dây: một là sử dụng tốc độ gió thấp (thƣờng là 8 điện cực) và tốc độ gió trung bình, cao (thƣờng 4 -6 điện cực).
Tuabin gió có tốc độ cố định có lợi thế là đơn giản, mạnh mẽ, đáng tin cậy và cũng đã đƣợc kiểm chứng. Tổn thất điện năng của nó thấp. Nhƣợc điểm của nó là không kiểm soát đƣợc tiêu thụ công suất phản kháng, ứng suất cơ học và chất lƣợng điện năng bị giới hạn. Do hoạt động ở tốc độ cố định , tất cả các biến động của tốc độ gió sẽ gây lên các biến động trong mô - men xoắn cơ khí và sau đó là sự biến động của điện năng trên lƣới điện. Trong trƣờng hợp lƣới yếu, dao động năng lƣợng cũng có thể dẫn đến các biến động điện áp lớn, điều này sẽ cho kết quả rã lƣới.
2.2.1.2. Tuabin gió tốc độ thay đổi (Variable-speed wind turbines )
thích ứng (tăng tốc hay giảm tốc) tốc độ quay của tuabin gió với tốc độ gió. Bằng cách này, tốc độ đƣợc giữ không đổi ở một giá trị đƣợc xác định tƣơng ứng với hệ số công suất tối đa . Trái ngƣợc với một hệ thống tốc độ cố định, một hệ thống biến