Hệ thống điện gió. Trong đó:
P: Công suất của dòng gió ở điều kiện bình thƣờng. Pm: Công suất cơ sau khi truyền qua hệ thống tua-bin gió. Pt: Công suất sau khi qua bộ truyền động.
Pe: Công suất điện ngõ ra của máy phát điện. a. Công suất của dòng gió ở điều kiện bình thƣờng.
1 . . 3 1 . .R .2 3 2 2 P A v v (W) Trong đó: v: Tốc độ gió [m/s]. : Mật độ của không khí = 1,225 [kg/m3]. A: Thiết diện của dòng gió đi qua = 2
.R
[m2]. b. Công suất cơ sau khi truyền qua hệ thống tua-bin gió.
1 . . . 3 1 . . .R .2 3 . 2 2 m P P P P C A v C v C P (W) Trong đó: CP: Hệ số Betz = 0,59259. c. Công suất sau khi qua bộ truyền động.
Pt m.Pm (W)
Trong đó: m là hiệu suất của bộ truyền động. Thất thoát truyền động chủ yếu do độ ma sát của bánh răng của hộp số và trụ đỡ của trục xoay. Tỉ lệ thất thoát chủ yếu phụ thuộc vào chất lƣợng bộ truyền động. Thông thƣờng tỉ lệ thất thoát ở mỗi tầng bánh răng là 1% đến 2%.
Pe g.Pt (W)
Trong đó: g là hiệu suất của máy phát điện gió. Đối với những máy phát chất lƣợng tốt có hiệu suất là 0,85 với công suất định mức là 2KW, là 0.9 đối với 20KW và bằng 0,96 đối với máy phát có công suất định mức là 2MW (Nguồn: chƣơng 4 trang 16 - 17 trong: “Wind energy Systems by Dr. Gary L. Johnson”).
5.1.2.2. Yêu cầu mỗi tua-bin có công suất định mức 2MW. a. Bán kính cánh quạt. a. Bán kính cánh quạt.
Dựa vào công thức tính công suất cơ sau khi truyền qua hệ thống tua-bin gió ta tính đƣợc bán kính diện tích mặt đón gió của cánh quạt từ đó ta có thể chọn đƣợc bán kính cánh quạt của tua-bin điện gió muốn sử dụng.
6 3 3 1,8.10 57( ) 0,5. P. . . 0,5.0,59259.1, 225. .(7,8) P R m C v
Theo số liệu khảo sát của EVN tốc độ gió tại xã Phú Lạc, Bình Thuận ở độ cao 65m là 7,8m/s nhƣng thực tế có thể cao hơn tốc độ gió trung bình này.
b. Số lƣợng cánh quạt.
Trên phƣơng diện khí động lực học thì số cánh quạt càng ít thì hiệu quả càng cao nhƣng trên phƣơng diện cơ học thì tua-bin hoạt động với số vòng quay nhanh sẽ phát sinh những nhƣợc điểm cơ bản nhƣ tần số rung của tua-bin điện gió sẽ mất ổn định ảnh hƣởng đến những chi tiết khác của hệ thống, sự phân bố lực của một cánh quạt vào trục và thân trụ không đều nên độ bền hệ thống giảm đi rất nhiều, ngoài ra khi tua-bin điện gió hoạt động sẽ phát ra tiếng ồn rất lớn, đặc biệt là những tua-bin sử dụng hộp số.
Tua-bin điện gió ba cánh nhờ sự phân bố đều về lực trong diện tích vòng quay nên họat động ổn định hơn tua-bin điện gió một hoặc hai cánh và có tỉ lệ công suất cao hơn khoảng 3-4% so với tua-bin điện gió hai cánh. Ngoài ra độ rung hệ thống ít bi xáo động nên hạn chế đƣợc những ảnh hƣởng cơ tác động đến những chi tiết khác trong tuabin. Việc nâng số cánh quạt của tua-bin điện gió lên bốn cánh hoặc nhiều hơn chỉ đạt đƣợc công suất thêm tối đa là 1 đến 2% so với tua-bin điện gió ba cánh nên những tua-bin loại nhiều cánh chỉ tồn tại trong quá trình thử nghiệm vì không kinh tế.
Qua quá trình thử nghiệm và thống kê trong thời gian hoạt động của tua-bin điện gió với những số cánh quat khác nhau, tua bin điện gió ba cánh gần nhƣ đã đạt đƣợc một tiêu chuẩn về công suất và độ bền cũng nhƣ độ ồn phát sinh thấp nhất và cơ bản có tính kinh tế cao hơn những tua-bin điện gió một, hai hoặc bốn cánh. Tuy nhiên khi tua-bin điện gió lắp đặt xa bờ biển, độ ồn không là yếu tố quyết định nên một số công trình ngoài khơi sử dụng loại tua-bin điện gió hai cánh. Tuy thế cho đến nay hầu hết những công trình điện gió lắp đặt trên đất liền và ngoài khơi đều sử dụng loại tua- bin điện gió ba cánh. (Nguồn: Điện gió & quạt gió bơm nƣớc – Nguyễn Ngọc) Vì vậy ta chọn tua-bin điện gió có số cánh quạt là ba.
c. Chiều quay của cánh quạt tua-bin điện gió.
Về phƣơng diện vật lý, công suất của tua-bin điện gió không lệ thuộc vào chiều quay của hệ thống cánh quạt và hiện nay cũng không có một tiêu chuẩn riêng, thế nhƣng hầu nhƣ tất cả mọi nhà sản xuất tua-bin điện gió trên thế giới đều định chiều quay của hệ thống cánh quạt, quan trắc từ hƣớng gió thổi đến là chiều kim đồng hồ. d. Trụ.
Chiều cao của trụ tua-bin điện gió đƣợc thiết kế theo vị trí lắp đặt và đƣợc chia làm hai lọai, lọai trụ thấp đƣợc lắp đặt tại vùng ven biển và ngoài khơi với tỉ lệ so với đƣờng kính cánh quạt là từ 1,0 đến 1,4. Lọai trụ cao đƣợc lắp đặt tại vùng đồi núi hoặc trên đất liền xa bờ biển có tỉ lệ so với đƣờng kính cánh quạt từ 1,2 đến 1,8. (Nguồn: Điện gió & quạt gió bơm nƣớc – Nguyễn Ngọc).
e. Bố trí các tua-bin điện gió.
Khoảng cách giữa các tua-bin gió bằng:
3 – 5 lần đƣờng kính cánh quạt, ở góc 900 so với hƣớng gió chính.
5 – 10 lần đƣờng kính cánh quạt theo hƣớng gió chính.
Đối với dự án gió lớn hơn, khoảng cách xa hơn là cần thiết.
Trong dự án các tua-bin gió sẽ đƣợc lắp đặt trên đất liền gồm có 12 tua-bin nên ta có sơ đồ bố trí nhƣ sau:
Hình 5.3: Tiêu chuẩn sắp xếp vị trí Tua-bin gió trong cánh đồng gió. (Nguồn: “The Wind Farm Layout Optimization Problem-By M.Samorani”)
5.1.2.3. Chọn tua-bin gió.
Trên thế giới có nhiều nhà sản xuất tua-bin điện gió lớn, trung và nhỏ nhƣ: Vestas (Đan Mạch), GE Energy (Hoa Kỳ), Gamesa (Tây Ban Nha), Enercon (Đức), Suzlon (Ấn Độ), Siemens (Đan Mạch / Đức), Acciona (Tây Ban Nha), Goldwind (Trung quốc), Nordex (Đức), Sinovel (Trung quốc) nhƣng trong dự án ta chọn tua-bin của hãng Vestas là một công ty của Đan Mạch chuyên thiết kế, sản xuất, bán, lắp đặt và vận hành các tua-bin gió lớn nhất thế giới.
Hình 5.4: Tổng quan về các tua-bin gió Vestas hoạt động trong lớp gió khác nhau.
Hình 5.5: Cấu trúc bên trong tua-bin V100 –2 của hãng Vestas. Bảng 5.3: Các bộ phận bên trong của tua-bin V100 –2MW của Vestas.
1. Bộ điều khiển cánh 11. Máy biến áp 2. Xi lanh điều khiển góc nghiêng 12. Cánh quạt
3. Bệ cánh quạt 13. Vòng bi cánh
4. Trục chính 14. Hệ thống khóa Roto
5. Hệ thống làm mát bằng nƣớc 15. Bình dầu thủy lực
6. Hộp số 16. Bệ máy
7. Thắng đĩa 17. Bánh răng định hƣớng
8. Nơi móc cần nâng 18. Mối nối bằng nhựa dẻo 9. Bộ điều khiển và bộ đổi điện 19. Máy phát không đồng bộ 10. Bộ thu phát sóng và cảm biến 20. Hệ thống làm mát máy phát
Bảng 5.4: Thông số kỹ thuật của tua-bin Vestas V100 – 2 MW.
Công suất
Công suất thiết kế 2000 kW (50 Hz)
Tốc độ gió tua-bin bắt đầu khởi động 3 m/s Tua-bin hoạt động đạt công suất thiết kế
với tốc độ gió 20 m/s
Tốc độ gió tua-bin ngừng hoạt động 18 m/s Tốc độ gió cao nhất tua-bin có thể đứng vững 52,5 m/s
Loại cấp gió tiêu biểu IEC IIIA
Máy phát điện
Nguyên tắc Không đồng bộ rotor dây quấn, vòng trƣợt.
Phạm vi quay 9,3 rpm đến 16,6 rpm Tốc độ quay thực tế 14,9 rpm Cos 0,9 Hiệu suất >96,5% Hệ thống cánh quạt Đƣờng kính cánh quạt 100 m Diện tích quét 7.854 m2 Cánh quạt
Vật liệu Sợi thủy tinh Epoxy và sợi cacbon
Chiều dài 49 m Trọng lƣợng 70 tấn Hệ thống điện Tần số lƣới điện 50/60 Hz Hiệu thế 690 V Hệ thống làm mát Làm mát bằng nƣớc và gió
Điều chỉnh công suất
Hệ thống thắng phụ Bánh thắng điều khiển bằng thủy lực
Hộp số Một giai đoạn hành tinh và hai giai đoạn
xoắn ốc Thùng Nacelle Chiều cao 5,4 m Chiều dài 10,4 m Chiều rộng 3,5 m Độ ồn 105 dB(A) Trụ
Độ cao tại tâm cánh quạt 80/95 m
Hình 5.6: Đường kính cánh quạt và chiều cao của trụ tua-bin V100 – 2.
Hình 5.8: Sơ đồ bố trí tua-bin điện gió trên cánh đồng gió Phú Lạc.
5.2. Kết nối lƣới điện.
a. Điều kiện khi kết nối hệ thống điện gió với lƣới điện.
Việc kết nối lƣới điện cho cánh đồng gió cần đáp ứng đầy đủ những yêu cầu kỹ thuật nhƣ việc cung cấp nguồn điện và hạn chế đƣợc những ảnh hƣởng gây xáo dòng điện, bảo đảm giữ mạng điện chính ổn định, đáp ứng đƣợc tất cả những mã số về mạng điện cũng nhƣ yêu cầu giảm truyền dòng điện áp. Yêu cầu kỹ thuật về mạng lƣới điện trên thế giới có những điểm khác biệt nên tua-bin điện gió sản xuất phải tuân thủ những yêu cầu kỹ thuật riêng của từng và chủ yếu là:
Điều kiện kỹ thuật của mạng lƣới điện.
Ổn định điện áp khi kết nối lƣới.
Cùng tần số, tần số có thể dao động từ 49Hz đến 50,3Hz và khi tần số nằm ngoài giới hạn 47Hz đến 53Hz trong 300ms thì phải đƣợc cắt ra khỏi lƣới điện.
Đảm bảo sự ổn định của hệ thống điện: khi hệ thống lƣới thiếu hụt công suất thì hệ thống điện gió có thể phát công suất góp phần đảm bảo sự ổn định điện áp của hệ thống theo yêu cầu.
Dòng điện thất thoát tối đa phải đƣợc định trƣớc.
Hệ thống bảo vệ mạng điện.
Hệ thống bảo vệ tua-bin.
Hệ thống bảo vệ khi bị chạm điện.
Ảnh hƣởng của lƣới điện vào tua-bin.
Trong dự án chúng ta sử dụng tua-bin vestas V100 – 2MW nên phƣơng pháp kết nối lƣới điện là phƣơng pháp nối gián tiếp thông qua bộ đổi tần, tua-bin hoạt động với tốc độ số vòng quay khác nhau nên máy phát điện sản xuất dòng điện xoay chiều có tần số không ổn định, dòng điện này phải đƣợc chuyển qua điện một chiều, qua hệ thống lọc và chuyển vào hệ thống đổi tần để chuyển ngƣợc trở lại thành điện xoay chiều (AC – DC – AC) với tần số ổn định.
b. Nối dây cáp cánh đồng điện gió.
Việc nối dây cáp điện cần đƣợc thiết kế tối ƣu, việc tiến hành phải hoàn chỉnh theo quy trình công nghệ để tránh thất thoát điện và đạt đƣợc độ an toàn cao trong sản lƣợng cũng nhƣ có chi phí thấp nhất. việc thất thoát điện xảy ra do chiều dài dây dẫn điện, cấu hình, tiết diện của dây điện. Chiều dài dây dẫn điện, vị trí tua-bin điện gió và những điểm nối cáp là một trong những yếu tố quan trọng để hạn chế sự thất thoát. Để có độ bền, độ cách điện cao, dây cáp điện cần có độ dẻo và thiết diện phù hợp, chịu đƣợc ảnh hƣởng nhiệt độ, không bị thẩm thấu hơi ẩm, nƣớc vì thế cáp thƣờng có nhiều lớp bảo vệ. Việc nối dây cáp điện gồm hai loại là nối dây cáp điện trên cao và dây cáp điện ngầm.
Cánh đồng gió gồm 12 tua-bin có công suất là 2MW, điện áp định mức một Tua-bin máy phát là 690 (V), do trong Tua-bin gió đã có sẵn máy biến áp với cấp điện áp thứ cấp theo yêu cầu khách hàng. Do đó, ta chọn cấp điện áp là Uđm = 22 (KV), Pđm = 2000 (KW), hệ số công suất mỗi máy cosφ = 0.9.
Ta có 1800 2222, 2 cos 0,9 đm P S (MVA) 2222, 2 58,38 3. 3.22 S I U (A) Tra bảng tìm các hệ số:
k1=0,96 (nhiệt độ trong môi trƣờng đất T=250C, cách điện XLPE tra bảng 5.7). k2=0,75 (cáp 3 lõi đi trong ống đơn chôn dƣới đất, số mạch đi chung là 3 tiếp xúc tra bảng 5.8).
(không xét hệ số hiệu chỉnh cho độ sâu đặt cáp 0,8 m cho cáp chôn trong ống, hệ số hiệu chỉnh cho nhiệt trở đất 1,5 km/W đối với cáp 3 lõi đi trong ống chôn ngầm vì đều bằng 1). 1 2 58,38 81, 08 0,96.*0, 75 b I I k k (A)
Chọn cáp 3 lõi Cadivi với cách điện là XLPE, ruột dẫn bằng đồng không giáp lớp bảo vệ đi trong ống ngầm có F = 16 mm2 có dòng điện định mức IZ = 87 A. (tra bảng 5.6).
Chọn cáp điện cho cả cánh đồng điện gió Công suất của cả cánh đồng gió là:
2.12 24
P MW
Điện tự dùng cả nông trƣờng kể cả trung tâm điều khiển thông thƣờng bằng 0,25% tổng công suất cả cánh đồng gió. Nguồn: “The Wind Farm Layout Optimization Problem-By M.Samorani”.
0, 25% 0, 25%*24 0, 06
td
P P MW
Công suất còn lại của cánh đồng gió:
24 0,06 23,94 td PPP MW 23,94 26, 6 cos 0,9 đm P S (MVA) 3 26, 6*10 698,89 3 3.22 S I U A Tra bảng tìm các hệ số:
k2 = 1 (cáp 1 lõi đi trong ống đơn chôn dƣới đất, số mạch đi chung là 1 tra bảng 5.9). (không xét hệ số hiệu chỉnh cho độ sâu đặt cáp 0,8 m cho cáp chôn trong ống, hệ số hiệu chỉnh cho nhiệt trở đất 1,5 km/W đối với cáp 1 lõi đi trong ống chôn ngầm vì đều bằng 1). 1 2 698,89 728, 01 0,96*1 b I I k k (A)
Chọn 3 cáp 1 lõi Cadivi với cách điện là XLPE, ruột dẫn bằng đồng đi trong ống xếp thành hình lá có F = 800mm2 có dòng điện định mức IZ = 735 A. (tra bảng 5.5)
Bảng 5.5: Dòng điện định mức cho cáp một lõi với cách điện là XLPE.
Bảng 5.7: Hệ số hiệu chỉnh cho nhiệt độ môi trƣờng đất.
Bảng 5.8: Hệ số hiệu chỉnh cho các nhóm cáp 3 lõi đi trong ống đơn xếp nằm ngang chôn trong đất.
Bảng 5.9: Hệ số hiệu chỉnh cho các nhóm mạch nhánh 3 pha dùng cáp một lõi đi trong ống đơn chon trong đất.
c. Vận hành hệ thống điện gió khi kết lƣới điện.
Những cánh đồng điện gió có công suất cao hơn 20 MW kết nối với mạng điện cao thế 110 kV hoặc 220 kV. Trong dự án cánh đồng điện gió có tồng công suất 18 MW nên sẽ kết nối với mạng điện trung thế. Khi hệ thống điện gió kết nối lƣới điện phải đảm bảo các điều kiện hòa đồng bộ
+ Cùng tần số: hệ thống điện gió cùng tần số với lƣới điện
+ Cùng góc lệch pha: điện áp hệ thống điện gió và điện áp lƣới điện cùng góc lệch pha
+ Cùng điện áp tại điểm đấu nối: điện áp tại điểm đấu nối hệ thống điện gió với lƣới điện phải cùng cấp điện áp.
+ Cùng thứ tự pha: tại điểm kết nối hệ thống điện gió có cùng thứ tự pha với lƣới điện
- Khi xảy ra sự có ngắn mạch lâu dài ở lƣới điện hay đầu hệ thống điện gió thì cần phải cắt hệ thống điện gió ra khỏi lƣới điện
- Khi sự thay đổi điện áp, tần số của hệ thống điện gió dƣới hoặc quá độ sụt áp, độ thay tần số ngoài sự cho phép hệ thống điện gió thì hệ thống điện gió cũng cần phải cắt ra khỏi lƣới điện.
Hình 5.9: Mô hình cánh đồng điện gió nối lƣới. 5.3. Hƣớng phát triển: nông trƣờng điện gió và bộ bù tĩnh.
Năng lƣợng phát ra cũng nhƣ công suất phản kháng tiêu thụ của nông trƣờng gió phụ thuộc vào tốc độ gió, điều này gây ảnh hƣởng không nhỏ đối với lƣới điện. Việc bù công suất phản khảng cho cả nông trƣờng là yêu cầu cấp thiết để cải thiện hệ số công suất và tránh quá tải đƣờng dây. Tuy nhiên, thiết bị bù truyền thống là tụ điện với độ đáp ứng chậm và nhảy cấp (khi thêm hay bớt tụ) dung lƣợng bù không đáp ứng nhu cầu công suất phản kháng các tua bin gió kịp thời. Mặc khác, việc lắp mỗi tua bin gió một thiết bị bù cũng gây tốn kém. Do đó, việc trang bị cho nông trƣờng gió bộ bù tĩnh