f. Ưu và nhược điểm của DFIG
4.3.3 Máy phát điện ngang dòng Transverse flux generator TFG
Bản chất của hoạt động của nó giống một máy phát đồng bộ. Máy phát điện ngang dòng bao gồm một số lượng rất lớn các cực, điều đó có thể làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng trực tiếp không dùng hộp số. Tuy nhiên, TFG có rò rỉ điện cảm tương đối lớn. Trong máy phát, điện từ trở 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 số lượng lớn các bộ phận riêng lẻ nên nó đòi hỏi sử dụng một công nghệ lắp ghép. Với sự tiến bộ của công nghệ năng lượng, tình trạng này sẽ sớm được cải thiện.
67
CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
5.1 Ứng dụng thiết kế nông trường gió ở Mũi Né, Phan Thiết 5.1.1 Khảo sát địa điểm
Việt Nam là nước có tiềm năng năng lượng gió cao nhất Đông Nam Á. Trong chương trình đánh giá về Năng lượng cho Châu Á, Ngân hàng Thế giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó có Việt Nam. Như vậy Ngân hàng Thế giới đã làm hộ Việt Nam một việc quan trọng, trong khi Việt Nam còn chưa có nghiên cứu nào đáng kể. Theo tính toán của nghiên cứu này, trong bốn nước được khảo sát thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận là Thái Lan, Lào và Campuchia. Trong khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm năng từ “tốt” đến “rất tốt” để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ở Campuchia là 0,2%, ở Lào là 2,9%, và ở Thái-lan cũng chỉ là 0,2%.
Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long có tiềm năng năng lượng gió tương đối khá, nhất là khu vực duyên hải, tốc độ gió trung bình từ 7-7,5 m/s ở độ cao 65m. Đảo Côn Sơn có tiềm năng khá cao, tốc độ gió trung bình đạt 8-9 m/s. Hai huyện Duyên hải (tỉnh Trà Vinh) và huyện Thạnh Phú (tỉnh Bến Tre), tốc độ gió trung bình đạt 7-7,5 m/s. Khu vực Tây Nguyên của Việt Nam, vùng núi Bảo Lộc có tiềm năng gió khá lớn, tốc độ gió đạt 7-7,5 m/s (cao độ so với mực nước biển 800-1000m). Trong khi đó, khu vực Pleiku và Buôn Mê Thuột (cao độ so với mực nước biển 500m) cũng có tiềm năng năng lượng gió tương đối tốt, tốc độ gió đạt 7 m/s. Khu vực Duyên hải Nam Trung bộ của Việt Nam có tiềm năng rất tốt, tốc độ gió từ 8-9,5 m/s, tuy nhiên những nơi này thường tập trung ở vùng núi cao độ 1600-2000m so với mực nước biển. Khu vực miền núi phía Tây Quy Nhơn và Tuy Hòa cao độ so với mực nước biển 1000-1200m, tốc độ gió đạt 7,5-7,8 m/s. Khu vực Huyện Ninh Phước (tỉnh Ninh Thuận), tốc độ gió trung bình 7-7,5 m/s. Khu vực Tuy Phong, Bắc Bình, bờ biển Nam Phan Thiết và đảo Phú Quý (tỉnh Bình Thuận) có tiềm năng năng lượng gió cũng khá lớn, trên các đỉnh núi và
biển gần bờ khu vực Ninh Thuận, Bình Thuận và Lâm Đồng tốc độ gió trung bình lên đến 9 m/s. Khu vực Bắc Trung Bộ, dãy Trường Sơn chạy dọc biên giới Lào-Việt, những nơi có cao độ 1800m, tốc độ gió trung bình có thể lên đến 8,5-9 m/s, có nơi lên đến 9,0-9,5 m/s. Tuy nhiên, một số nơi có khả năng phát triển điện gió được tìm thấy thuộc khu vực vùng núi đồi biên giới của Lào và Việt Nam về phía Tây của Huế, cao độ từ 400-800m tốc độ gió trung bình đạt đến 7-8 m/s. Khu vực đông Trường Sơn, cao độ 800-1200m cũng có tiềm năng gió tương tự, tốc độ gió trung bình 7,0-8,0 m/s. Tiềm năng năng lượng gió cho Tua-bin gió nhỏ, tập trung ở khu vực đồng bằng duyên
68
và có nơi sát vùng duyên hải còn vượt quá 6,0 m/s. Vùng duyên hải của Quảng Ngãi và Trường Sơn Đông, tiềm năng gió ở mức khá tốt tập trung ở vùng núi cao có cao độ khoảng 1100m. Khu vực Miền Bắc, đặc biệt khu vực duyên hải gần Hải Phòng có tốc độ gió trung bình 6,5-7 m/s. Hải đảo ngoài khơi, đỉnh đồi tốc độ gió đo được lên đến hơn 7m/s, tuy nhiên sẽ giảm rất nhanh khi đi sâu vào trong đất liền. Tốc độ gió trung bình đo được đạt 8-9 m/s tại một số đỉnh núi cao độ 1300-1800m so với mực nước biển. Vùng biên giới Lào-Việt Nam, vùng Đông Nam của Vinh và vùng đồi núi Đông Bắc biên giới Trung Quốc – Việt Nam cao độ 700-1000m có tiềm năng gió rất tốt (Nguồn: Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng số 10/9-2011).
Phường Mũi Né, Thành phố Phan Thiết, tỉnh Bình Thuận là một trong những địa điểm phù hợp để xây dựng một trạm phát nhà máy điện dùng năng lượng gió, tốc độ gió trung bình trong năm là 9m/s - Nguồn: “Tiềm năng và quy hoạch phát triển năng lượng điện gió về mặt tiềm năng gió” - Tạp chí khoa học công nghệ xây dựng số 10/9-2011.
69
Hình 5.1: Vị trí Mũi né, Phan thiết, Bình Thuận trên bản đồ.
70
Bảng 5.1: Hướng gió các tháng trong năm tại Mũi Né, Phan Thiết.
Tháng Hướng gió 1 Đông 2 Đông 3 Đông 4 Đông 5 Đông Nam 6 Tây Nam 7 Tây Nam 8 Tây Nam 9 Tây Nam 10 Đông Bắc 11 Đông 12 Đông
Trung bình cả năm Đông
Hướng gió các năm không biến động nhiều từ tháng 11 đến tháng 4 chủ yếu là hướng Đông, từ tháng 6 đến tháng 9 là hướng Tây Nam cả hai hướng đều từ biển thổi vào nên gió thường ổn định.
Hình 5.2 cho biết tốc độ gió tại Mũi Né, Phan Thiết ở độ cao 80m so với mực nước biển hiển thị từ màu xanh – màu vàng – màu sậm trên thanh windspeed m/s tốc độ gió trung bình tăng dần từ 3 – 6 – 9 m/s…, màu càng sậm tốc độ càng cao.
Nông trường gió này đặt ngoài biển, do đó ta có thuận lợi về việc di chuyển các Tua-bin gió và tháp khổng lồ. Thực tế cho thấy việc chuyển thiết bị to lớn bằng đường thủy trên quãng đường xa tiết kiệm chi phí hơn đường bộ. Mặc khác, việc đặt xa khu dân dư góp phần giảm tác động tiếng ồn, nhiễu sóng điện từ khi Tua-bin hoạt động và an ninh trong nông trường gió tốt hơn kèm theo không tốn chi phí đền bù giải toả mặt bằng và lượng gió ngoài biển dồi dào hơn.
71
72
5.1.2.1 Công thức liên quan
Hình 5.4: Công suất Tua-bin gió qua các khối.
Trong đó:
𝑷𝒘: Công suất của dòng gió ở điều kiện bình thường.
𝑷𝒎: Công suất cơ sau khi truyền qua hệ thống Tua-bin gió.
𝑷𝒕: Công suất 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 thường:
𝑃𝑤 = 1
2 ρ A 𝑣3 = 1
2 ρ π R2𝑣3
Trong đó:
ρ:Mật độ của không khí = 1.225 Kg/𝑚3
A: Thiết diện dòng gió đi qua = 𝜋𝑅2 đối với Tuabin gió trục ngang (𝑚2).
v:Vận tốc dòng gió (m/s)
b. Công suất cơ sau khi truyền qua hệ thống Tua-bin gió:
𝑃𝑚 = 𝐶𝑝 1
2 ρ A 𝑣3 = 𝐶𝑝𝑃𝑤 Trong đó: 𝐶𝑝 là hệ số Bezt 0.59259.
c. Công suất khi qua bộ truyền động:
73
Trong đó: 𝜂𝑚 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 lượng bộ truyền động. Thông thường tỉ lệ thất thoát ở mỗi tầng bánh răng là 1% đến 2%.
d. Công suất điện ngõ ra của máy phát điện:
𝑃𝑒 = 𝜂𝑔𝑃𝑡
Trong đó: 𝜂𝑔 là hiệu suất của máy phát điện gió. Đối với những máy phát chất
lượng 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: chương 4 trang 16 trong: “Wind energy Systems by Dr. Gary L. Johnson”).
5.1.2.2 Yêu cầu mỗi Tua-bin gió có công suất định mức 2MW
- Bán kính cánh quạt: Dựa vào công thức tính công suất cơ ta suy ra được bán
kính cánh quạt Tua-bin gió:
R = √𝐶 𝑃
𝑝.0,5.𝜌.𝜋.𝑣3 = √ 2.106
0,59.0,5.1,225.π.93 = 49 (mét)
Ứng với vận tốc gió 9m/s và trong thực tế thì tốc độ gió có thể lớn hơn mức gió trung bình này.
- Số lượng cánh quạt: Trên phương diện động lực học thì số cánh quạt càng ít thì
hiệu quả càng cao nhưng trên phương diện cơ học thì Tua-bin hoạt động với số vòng quay nhanh sẽ phát sinh nhược điểm cơ bản như sự rung, phân bố lực không đều và phát sinh tiếng ồn. Tua-bin điện gió 3 cánh nhờ sự phân bố đều về lực trong diện tích vòng quay nên hoạt động ổn định hơn, độ rung hệ thống ít bị xáo động 1 và 2 cánh và tỉ lệ công suất cao hơn khoảng 3-4% (Theo Điện gió-Nguyễn Ngọc). Việc nâng số cánh lên nhiều hơn thì chỉ được công suất tăng thêm tối đa 1-2% so với Tua-bin có 3 cánh và chỉ tồn tại trong thử nghiệm vì không kinh tế (Theo: Điện gió-Nguyễn Ngọc). Vì vậy số cánh quạt được chọn bằng 3 cánh là hợp lý nhất.
74
- Chiều cao thân trụ: thông thường có độ cao khoảng gấp 2 đến 3 lần bán kính
cánh quạt (Nguồn: Điện gió-Nguyễn Ngọc).
- Chiều quay của cánh quạt: Chiều quay cánh quạt quy định theo quan trắc từ hướng gió đến là cùng chiều quay của kim đồng hồ theo đa số Tua-bin gió hiện nay.
5.1.3 Chọn Tua-bin gió
Ta có thể chọn nhiều loại Tua-bin gió của nhiều hãng khác nhau: Vestas (Đan Mạch), GE Energy (Mỹ), Gamesa (Tây Ban Nha), Enercon (Đức), Suzlon (Ấn Độ), Siemen (Đức) ở đây ta chọn Tua-bin Vestas V90 2.0-IEC IIIA của hãng.
75
Hình 5.5: Cấu trúc bên trong Tua-bin V90 2.0-IEC IIIA của hãng Vestas.
Trong đó:
1. Bộ điều khiển cánh
2. Xi lanh điều khiển góc nghiêng
3. Bệ cánh quạt 4. Trục chính 5. Hệ thống làm mát nước 6. Hộp số 7. Thắng đĩa 8. Nơi móc cần nâng
9. Bộ điều khiển và bộ đổi điện
10. Bộ thu phát sóng và cảm biến 11. Máy biến áp 12. Cánh 13. Vòng bi cánh 14. Hệ thống khóa Roto 15. Bình dầu thủy lực 16. Bệ máy 17. Bánh răng định hướng
18. Mối nối bằng nhựa dẻo
19. Máy phát không đồng bộ đa tốc
76
Bảng 5.2: Các thông số Tua-bin Vestas V90 2.0-IEC IIIA.
Thông số Rotor: Đường kính: 90m Diện tích quét: 6362 m2 Tốc độ định mức: 14.9 vòng/ phút Số cánh: 3
Điều khiển công suất: điều khiển góc nghiêng.
Thắng khí học: Nghiêng tối đa cánh.
Tháp:
Chiều cao từ tâm bệ cánh: 80m.
Thông số hoạt động:
Tốc độ gió bắt đầu phát điện: 2.5 m/s.
Tốc độ gió định mức: 13 m/s Tốc độ gió ngắt điện: 25 m/s
Máy phát:
Loại máy phát không đồng bộ optispeed -Vòng trượt. 4 POLE. Cosφ = 0.8.
Công suất định mức: 2000 Kw Điện áp/ tần số: 690V/ 50Hz
Thử nghiệm của nhà sản xuất:
Tốc độ gió (m/s)
Góc Nghiêng cánh quạt
77
Hộp số:
Loại hộp số hành tinh.
Điều khiển:
Dùng vi xử lý điều khiển toàn bộ Tua-bin và có thể kết nối với hệ thống giám sát và điều khiển (scada) trung tâm.
Khối lượng:
Vỏ và các thiết bị bên trong: 68 tấn Rotor gồm cánh và bệ cánh: 38 tấn Tháp: 150 tấn
78
từ các giá trị vận tốc gió ổn định:
Hình 5.6: Đặc tuyến công suất Tua-bin Vestas V90-IEC IIIA.
Ưu điểm: đây là Tua-bin gió hiện đại nhất của hãng Vestas, có nhiều cải tiến với hộp số vệ tinh cho phép tỉ số truyền động thay đổi được, từ đó ổn định tốc độ máy phát. Cánh làm từ sợi cacbon nhẹ hơn các kiểu cánh trước làm từ sợi thủy tinh giúp tiết kiệm chi phí xây tháp.
Nông trường gió khi đã được xây dựng sẽ hòa vào lưới điện địa phương và quốc gia qua đường dây 220 KV Hàm Thuận, Phan Thiết. Điện từ nông trường gió có thể nối vào trạm biến áp Mũi Né 110/22 KV.
79
Hình 5.7: Tiêu chuẩn sắp xếp vị trí Tua-bin gió trong cánh đồng gió ngoài khơi. (Nguồn: “The Wind Farm Layout Optimization Problem-By M.Samorani”)
Số lượng Tua-bin gió được chọn là 30 Tua-bin, vì hướng gió chủ yếu là hướng Đông nên ta xếp Tua-bin thành 10 hàng xoay về hướng Đông, để giảm ảnh hưởng công suất lẫn nhau của các Tua-bin gió thì khoảng cách giữa các Tua-bin gió trong cùng một hàng cách nhau ít nhất bằng 4 lần đường kính cánh quạt và khoảng cách giữa hai hàng tối thiểu là 7 lần đường kính như hình 5.7, sơ đồ bố trí Tua-bin trong cánh đồng gió như hình 5.8:
80
Hình 5.8: Sơ đồ bố trí Tua-bin gió trong cánh đồng gió ngoài khơi tại Mũi Né.
Nông trường 10×3 Tua-bin nằm trong phạm vi 3.6x1.26 (Km), hai Tua-bin trong cùng hàng (10 Tua-bin) cách nhau 360 (m), hàng 3 Tua-bin đặt so le nhau (180m) cách nhau 630 (m), ngoài ra còn có một trạm điều khiển và 4 trạm báo hiệu. Các Tua-bin đều được trang bị máy biến áp 22 (KV), do đó ta dùng cáp 22 (KV), chiều dài cáp từ nông trường về đất liền là gần bờ khoảng 6 (Km). Tổng chiều dài cáp điện trong nông trường ước tính khoảng là 17.03042 (Km). Tất cả cáp đều được đặt dưới đáy biển.
81
Hình 5.9: Cáp nối dưới biển giữa các trụ Tua-bin gió.
82
Hình 5.11: Cáp vào bờ từ cánh đồng gió ngoài khơi.
Do đặc điểm của nhà máy điện dùng năng lượng gió, không tốn chi phí cho nguồn năng lượng sơ cấp, mặc khác gió không thể trữ như nhà máy thủy điện nên khi điều động các nhà máy điện ta ưu tiên nhà máy điện dùng sức gió trước tiên. Vì vậy trong tính toán nhà máy điện lúc nào nhà máy cũng hoạt động đầy tải. Do công suất nhà máy phụ thuộc nhiều vào sức gió nên ta tính khi nhà máy điện ở công suất định mức và chọn thiết bị cũng theo thông số này.
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 = 0.8
Công suất biểu kiến mỗi máy: 𝑆 = 𝑃đ𝑚
𝑐𝑜𝑠𝜑= 2000
0.8 = 2500 (𝐾𝑉𝐴) Công suất phản kháng máy cần là:
83
Do công suất máy không ổn định nên ta dùng bộ bù có thể cấp công suất phản
kháng theo yêu cầu máy phát. Dung lượng bù sao cho hệ số công suất tăng từ cosφ1 =
0.8 -cosφ2 = 0.95, bộ bù được đặt tại Tua-bin để tiết kiệm dây dẫn: Qb = P(tgφ1 – tgφ2) = 2000×0,42 = 840 (KVAR) Công suất biểu kiến mỗi máy giảm còn:
𝑆 = 𝑃đ𝑚 𝑐𝑜𝑠𝜑=
2000
0.95 = 2105 (𝐾𝑉𝐴) Công suất cả nông trường là:
Sw = 2.105×30 = 63.15 (MVA) Pw = 2×30 = 60 (MW)
Điện tự dùng cả nông trường kể cả trung tâm điều khiển thông thường bằng 0,25% tổng công suất cả nông trường gió. Nguồn: “The Wind Farm Layout Optimization Problem-By M.Samorani”.
Suy ra công suất tải vào đất liền là:
P = Pw – Ptd = 60 – 0,15 = 59,85 (MW)
𝑆 = 𝑃 𝑐𝑜𝑠𝜑=
59,85
0.95 = 63 (𝑀𝑊)
Từ đó ta chọn cáp ngầm đi kép dưới đáy biển có thông số: điện áp chịu đựng 22 KV, công suất truyền tải tối đa 30 MW.
84
85
5.2 Kết luận
Sau thời gian thực hiện khoá luận tốt nghiệp với sự hướng dẫn tận tình của các Thầy-Cô trong khoa Điện, đặc biệt là sự chỉ bảo và giúp đỡ tận tình của Giảng viên - Thạc sỹ Võ Tấn Lộc cùng những cố gắng và tiến hành thực hiện nghiêm túc của bản