Khảo sát điện áp lưới phân phối khi có máy phát điện gió

1.5 Đi măm iăcủaălu năvĕnă - ng dụng ph ơng pháp xác suất và phi xác xuất đ tính giá trị kỳ vọng công suất c a máy phát điện gió, giá trị kỳ vọng c a điện áp phụ t i l ới phân phối - Áp

M C L C

QUY TăĐ NHăGIAOăĐ TÀI

LÝ L CH KHOA H C i

L IăCAMăĐOAN iii

L I C Mă N iv

TÓM T T v

ABSTRACT vi

M C L C vii

DANH SÁCH CÁC CH VI T T T xi

DANH SÁCH CÁC HÌNH xii

DANH SÁCH CÁ CăB NG xv

Ch ngă1ăT NG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích c a đề tài 2

1.3 Nhiệm vụ, ph m vi nghiên c u 2

1.4 Ph ơng pháp nghiên c u 2

1.5 Đi m mới c a luận văn 2

1.6 Nội dung c a luận văn 3

Ch ngă2ăăCHUY NăĐ IăNĔNGăL NGăGIịăC ăB N 4

2.1 Công suất trong phổ gió 4

2.2 Phân tích dữ liệu gió 5

2.3 Vận tốc gió trung bình 7

2.4 Phân bố vận tốc gió 8

Ch ngă3ăMỌăHỊNHăXÁCăSU TăĐ PHÂN TÍCH D LI U GIÓ 14

3.1 Phân bố Weibull 14

3.1.1 Ph ơng pháp đồ thị 19

3.1.2 Ph ơng pháp độ lệch chuẩn 21

3.2 Phân bố Rayleigh 24

3.3 Sử dụng phân bố xác suất vào hệ thống chuy n đổi năng l ợng tua bin gió 27

3.3.1 Đặc tuyến công suất c a tuabin gió 27

3.3.2 Tiếp cận năng l ợng đ ợc phát b i tuabin gió dựa trên Weibull 29

Ch ngă4ăKH OăSÁTăĐI NăÁPăL I PHÂN PH I KHI CÓ MÁY PHÁT ĐI N GIÓ 33

4.1 nh h ng c a phân bố gió lên điện áp 33

4.1.1 Mô t hệ thống 33

4.1.2 Mô hình máy phát điện gió 35

4.1.3 Mô hình t i 38

4.1.4 Xác suất điện áp l ới trong hệ thống điện khi không có DG gió 39

4.1.5 Xác suất điện áp l ới trong hệ thống điện khi có DG gió 40

4.2 Phân tích điện áp theo cách tiếp cận phi xác suất 41

Ch ngă5ăÁPăD NG TÍNH TOÁN GIÁ TR Kǵ V NGăĐI NăÁPăL I PHÂN PH I 44

5.1 Tr ng hợp 1: Tính điện áp t i ph t i cho sơ đồ đặc tr ng 44

5.1.1 Tính điện áp l ới phân phối tr ớc khi lắp WTG 45

5.1.2 Xét nh h ng c a vị trí lắp WTG lên điện áp l ới phân phối 46

5.1.3 Xét nh h ng công suất định m c WTG lên điện áp l ới phân phối 50

5.2 Tr ng hợp 2: Phân tích dữ liệu gió t i Tuy Phong – Bình Thuận và áp dụng kết qu đ tính toán, mô phỏng điện áp l ới phân phối bất kỳ 55

5.2.1 Đặc đi m dữ liệu gió t i Tuy Phong – Bình Thuận 55

5.2.2 Phân tích dữ liệu gió Tuy Phong – Bình Thuận theo phân bố Weibull 57

5.2.3 Kết qu phân tích dữ liệu gió bằng phần mềm Windpro (nguồn dự án) 58

5.2.4 Tính ớc l ợng công suất điện đầu ra WTG ng với dữ liệu gió thu thập đ ợc t i Tuy Phong – Bình Thuận 61

5.2.5 Mô phỏng điện áp l ới phân phối bất kỳ khi kết nối WTG 63

5.2.5.1 Mô phỏng điện áp l ới phân phối vào ban ngày 64

5.2.5.1.1 Mô phỏng điện áp l ới phân phối tr ớc khi lắp đặt WTG 64

5.2.5.1.2 Mô phỏng điện áp l ới phân phối khi lắp đặt WTG nút phụ t i đầu đ ng dây 65

5.2.5.1.3 Mô phỏng điện áp l ới phân phối khi lắp đặt WTG nút phụ t i giữa đ ng dây 66

5.2.5.1.4 Mô phỏng điện áp l ới phân phối khi lắp đặt WTG nút phụ t i cuối đ ng dây 67

5.2.5.2 Mô phỏng điện áp l ới phân phối vào ban đêm 68

5.2.5.2.1 Mô phỏng điện áp l ới phân phối tr ớc khi lắp đặt WTG 68

5.2.5.2.2 Mô phỏng điện áp l ới phân phối khi lắp đặt WTG nút phụ t i đầu đ ng dây 69

5.2.5.2.3 Mô phỏng điện áp l ới phân phối khi lắp đặt WTG nút phụ t i giữa đ ng dây 70

5.2.5.2.4 Mô phỏng điện áp l ới phân phối khi lắp đặt WTG nút phụ t i cuối đ ng dây 71

Ch ngă6ăK T QU VÀăH NG PHÁT TRI NăĐ TÀI 74

6.1 Kết luận 74

6.2 H n chế c a luận văn 74

6.3 H ớng phát tri n 74

TÀI LI U THAM KH O 75

D Kho ng cái từ nút nguồn đến vị trí đặt WTG, km

SLmax Công suất phụ t i cực đ i, pu

SLmin Công suất phụ t i cực ti u, pu

VL Điện áp pha hiệu dụng đi m phụ t i, pu

VS Điện áp pha hiệu dụng nút nguồn, pu

x Điện kháng đ ng dây trên 1 đơn vị chiều dài đ ng dây, pu/km

X Tổng tr kháng đ ng dây

Y Tổng chiều dài đ ng dây, km

WTG Máy phát điện gió

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Luồng không khí dịch chuy n đến tuabin gió 4

Hình 2.2: Bi u đồ hoa gió theo tần suất gió những h ớng khác nhau 6

Hình 2.3: Bi u đồ hoa gió theo vận tốc gió những h ớng khác nhau 6

Hình 2.4: Bi u đồ hoa gió theo năng gió những h ớng khác nhau 7

Hình 2.5: So sánh phân bố gió t i 2 vị trí 10

Hình 2.6: Xác suất phân bố vận tốc gió 12

Hình 2.7: Phân phối tích lũy vận tốc gió 12

Hình 3.1: Hàm mật độ xác suất gió 17

Hình 3.2: Hàm phân phối tích lũy gió 18

Hình 3.3: Ph ơng pháp đồ thị xác định k và c 21

Hình 3.4: Phân phối tích lũy đ ợc t o ra từ hai ph ơng pháp 24

Hình 3.5: So sánh tr ng dữ liệu gió với phân bố Weibull và Rayleigh 26

Hình 3.6 Đặc tuyến công suất lý t ng c a tuabin gió điều khi n pitch 27

Hình 3.7 ớc l ợng năng l ợng gió 30

Hình 4.1: Sơ đồ hình tia c a hệ thống điện đơn gi n khi ch a lắp WTG 33

Hình 4.2: Sơ đồ hình tia c a hệ thống điện đơn gi n khi lắp WTG 34

Hình 4.3: Đặc tuyến công suất c a tuabin gió 36

Hình 4.4: Hàm mật độ xác suất phụ t i 39

Hình 4.5: Hàm phân phối tích lũy phụ t i 39

Hình 5.1: Sơ đồ hình tia c a hệ thống điện đơn gi n khi lắp WTG 44

Hình 5.2: nh h ng c a vị trí lắp đặt WTG lên điện áp phụ t i các chế độ gió

khác nhau 49

Hình 5.3: nh h ng công suất định m c lên điện áp l ới phân phối các chế độ gió khác nhau 54

Hình 5.4: Vận tốc gió trong năm t i Tuy Phong 56

Hình 6.5: Áp dụng ph ơng pháp đồ thị đ phân tích dữ liệu gió t i Tuy Phong 58

Hình 5.6: Phân bố Weibull 59

Hình 5.7: Tốc độ gió trung bình theo h ớng 60

Hình 5.8: Tần suất gió theo h ớng 60

Hình 5.9: Năng l ợng theo h ớng gió ch đ o 61

Hình 5.10: Sơ đồ l ới phân phối khi máy cắt đầu cực WTG vị trí m 64

Hình 5.11: Đặc tuyến điện áp t i các nút c a l ới phân phối khi máy cắt đầu cực WTG vị trí m 65

Hình 5.12: Sơ đồ l ới phân phối khi lắp đặt WTG nút phụ t i đầu đ ng dây 65

Hình 5.13: Đặc tuyến điện áp t i các nút c a l ới phân phối khi khi lắp đặt WTG nút phụ t i đầu đ ng dây 66

Hình 5.14: Sơ đồ l ới phân phối khi lắp đặt WTG nút phụ t i giữa đ ng dây 66

Hình 5.15: Đặc tuyến điện áp t i các nút c a l ới phân phối khi khi lắp đặt WTG nút phụ t i giữa đ ng dây 67

Hình 5.16: Sơ đồ l ới phân phối khi lắp đặt WTG nút phụ t i cuối đ ng dây 67

Hình 5.17: Đặc tuyến điện áp t i các nút c a l ới phân phối khi khi lắp đặt WTG nút phụ t i cuối đ ng dây 68

Hình 5.18: Sơ đồ l ới phân phối khi máy cắt đầu cực WTG vị trí m 68

Hình 5.19: Đặc tuyến điện áp t i các nút c a l ới phân phối khi máy cắt đầu cực WTG vị trí m 69

Hình 5.20: Sơ đồ l ới phân phối khi lắp đặt WTG nút phụ t i đầu đ ng dây 69Hình 5.21: Đặc tuyến điện áp t i các nút c a l ới phân phối khi khi lắp đặt WTG nút phụ t i đầu đ ng dây 70Hình 5.22: Sơ đồ l ới phân phối khi lắp đặt WTG nút phụ t i giữa đ ng dây 70Hình 5.23: Đặc tuyến điện áp t i các nút c a l ới phân phối khi khi lắp đặt WTG nút phụ t i giữa đ ng dây 71Hình 5.24: Sơ đồ l ới phân phối khi lắp đặt WTG nút phụ t i cuối đ ng dây 71Hình 5.25: Đặc tuyến điện áp t i các nút c a l ới phân phối khi khi lắp đặt WTG nút phụ t i cuối đ ng dây 72

DANHăSÁCHăCÁCăB NG

B ng 2.1: Vận tốc gió trong kho ng 10 phút 8

B ng 2.2: Tần suất phân bố vận tốc gió trong tháng 10

B ng 3.1: Tần suất phân bố tốc độ gió 20

B ng 3.2: Đặc tính c a tuabin gió 28

B ng 5.1: Dữ liệu gió 44

B ng 5.2: Thông số tuabin gió, phụ t i, đ ng dây 44

B ng 5.3: Kết qu tính toán điện áp t i phụ t i khi lắp đặt WTG các vị trí khác nhau và các chế độ gió khác nhau 50

B ng 5.4: Kết qu tính toán điện áp t i phụ t i khi thay đổi công suất định m c WTG và các chế độ gió khác nhau 54

B ng 5.5: Vận tốc gió trung bình từng tháng, c năm các độ cao 60m và 40m (m/s) 55

B ng 5.6: Tần suất lặng gió, tần suất thịnh hành t i Dự án độ cao 60m 56

B ng 5.7: Tính thông số k, c bằng ph ơng pháp đồ thị 57

B ng 5.8: Dữ liệu gió 58

B ng 5.9: Dữ liệu gió và đặc tính tua bin gió 61

B ng 5.10: Thông số nguồn, phụ t i, đ ng dây 63

B ng 5.11: giá trị điện áp t i các nút: 72

tr ng v.v Mặt khác, đ đ a đ ợc công suất phát đến nơi tiêu thụ l i cần đến hệ thống truyền t i và phân phối làm cho chi phí tăng cao Vì vậy việc sử dụng kết hợp máy phát phân tán trong hệ thống đ ợc xem là một gi i pháp hữu hiệu đ gi i quyết

thống do thiếu điện

- Ít nh h ng đến môi tr ng, một số d ng nguồn phát sử dụng năng l ợng

s ch, hoàn toàn không có khí th i

Bên c nh những u đi m thì máy phát phân tán cũng tồn t i một số nh ợc đi m

đó là:

- Phụ thuộc vào yếu tố tự nhiên

- Làm thay đổi cấu trúc, sự phân bố công suất trên hệ thống cũng nh các vấn

đề về điều khi n, b o vệ

Chính vì vậy, khi hệ thống có sự tham gia c a nguồn phân tán thì một trong

những vấn đề lớn cần ph i quan tâm lớn đó là bài toán dự báo điện áp l ới điện khi

có nguồn phân tán đ a vào Chính b i lý do này nên tôi đư chọn đề tài “Kh o sát điện áp l ới phân phối khi có máy phát điện gió” làm đề tài luận văn th c sĩ

1.2ăM căđíchăcủaăđ ătƠi

- Tính toán ớc l ợng các thông số c a phân bố gió, ớc l ợng công suất máy phát điện gió và những nh h ng c a máy phát điện gió lên phổ điện áp c a

l ới phân phối

- Dùng làm tài liệu tham kh o cho lĩnh vực năng l ợng gió

1.3 Nhi măv ,ăph măviănghiênăc u

- Nghiên c u về điện áp l ới điện tr ớc và sau khi lắp đặt máy phát điện gió

- Nghiên c u về phân bố gió

- Nghiên c u đặc tính hệ thống chuy n đổi năng l ợng gió

- ng dụng ph ơng pháp xác suất và phi xác suất đ tính toán giá trị kỳ vọng điện áp t i phụ t i khi đ a máy điện gió vào vận hành

- Xét nh h ng c a công suất tác dụng WTG lên điện áp l ới phân phối, ch a xét đến nh h ng c a công suất ph n kháng WTG lên điện áp l ới phân phối

1.4 Ph ngăphápănghiênăc uă

- Thu thập và nghiên c u các tài liệu liên quan từ cán bộ h ớng dẫn, b n bè, tài liệu sách v , các bài báo và tài liệu từ internet

- Phân tích tổng hợp bài toán

- Viết ch ơng trình gi i bài toán trên phần mềm MATLAB

- Mô phỏng điện áp l ới phân phối bằng phần mềm PsCad

1.5 Đi măm iăcủaălu năvĕnă

- ng dụng ph ơng pháp xác suất và phi xác xuất đ tính giá trị kỳ vọng công

suất c a máy phát điện gió, giá trị kỳ vọng c a điện áp phụ t i l ới phân phối

- Áp dụng tính toán, mô phỏng giá trị kỳ vọng điện áp phụ t i cho cấu hình l ới

ất kỳ

1.6 N iădungăcủaălu năvĕn

Ch ngă1:ăT ng quan

Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên c u, ph ơng pháp nghiên c u và nội dung nghiên c u

Ch ngă2: Chuy năđ iănĕngăl ngăgióăc ăb n

Công suất trong phổ gió và ph ơng pháp tính toán dữ liệu gió

Ch ngă3: Mô hình xác su tăđ phân tích d li u gió

Ph ơng pháp xác định dữ liệu gió bằng phân bố Weibull

Ph ơng pháp xác định dữ liệu gió bằng phân bố Rayleigh

Trình bày đặc tuyến công suất c a tuabin gió và h ớng tiếp cận dựa trên phân bố Weibull

Ch ng 4: Kh oăsátăđi năápăl iăđi n khi có máyăphátăđi n gió

Nghiên c u nh h ng c a phân bố gió lên l ới phân phối

Tính xác suất điện áp l ới trong hệ thống tr ớc và sau khi lắp đặt Máy phát điện gió

Phân tích điện áp theo cách tiếp cận phi xác suất

Ch ngă5: Áp d ng tính toán giá tr kǶ v ngăđi năápăl i phân ph i

Tính giá trị kỳ vọng điện áp t i phụ t i cho sơ đồ l ới đặc tr ng

Mô phỏng giá trị kỳ vọng điện áp t i phụ t i cho sơ đồ l ới bất kỳ

Ch ngă6: K t lu năvƠăh ng phát tri năđ tài

Nêu các kết qu đư thu đ ợc trong luận văn, đ a ra nhận xét và h ớng phát tri n

c a đề tài

Ch ngă2

Năng l ợng có sẵn trong gió cơ b n là động năng c a l ợng lớn không khí dịch chuy n trên bề mặt trái đất Cánh c a tuabin nhận đ ợc động năng này, cái mà sau

đó đ ợc chuy n đổi sang d ng cơ hay d ng điện phụ thuộc vào ng i sử dụng Hiệu

suất c a việc chuy n đổi gió đ sử dụng hữu ích phụ thuộc vào hiệu suất t ơng tác

giữa rotor với luồng gió [3]

2.1 Công su tătrong ph ăgió

Động năng c a luồng không khí với l u l ợng m và vận tốc V là

luồng không khí cho tua bin đ ợc th hiện

Trong đó ρa là mật độ không khí, v là th tích không khí sẵn có đến rotor Gió

t ơng tác với rotor trên 1 đơn vị th i gian có mặt cắt bằng rotor (AT) và vận tốc gió

V Do đó năng l ợng trên 1 đơn vị th i gian là công suất đ ợc th hiện

3

2

1

V A

P a T

Ta có th thấy rằng những hệ số h nh h ng đến công suất sẵn có luồng gió là mật độ không khí, mặt cắt rotor tuabin gió và vận tốc gió nh h ng c a vận tốc gió với công suất là nổi bậc nhất

2.2 Phơnătíchăd ăli uăgió

Đ thiết lập năng l ợng gió, dữ liệu gió đ ợc thu thập từ địa ph ơng nên đ ợc phân tích và di n gi i Dữ liệu gió lâu dài t i các tr m khí t ợng có th đ ợc dùng

đ ớc tính sơ bộ Dữ liệu này, có th có sẵn cho kho ng th i gian dài, nên suy luận

cẩn thận đ trình bày thuộc tính gió Sau b ớc điều tra đầu tiên này, những tr ng

đo l ng nói chung đ ợc làm t i vị trí t ơng lai cho kho ng th i gian ngắn Ghi l i

dữ liệu gió 1 năm đ đ trình bày cho những thay đổi trong kho ng th i gian dài

Hệ thống đo l ng gió hiện cho ta tốc độ gió trung bình t i chổ, trung bình trong

1 kho ng th i gian Trung bình sau 10 phút là rất phổ biến cho chuẩn phần mềm phân tích gió Dữ liệu gió trong kho ng th i gian ngắn này đ ợc t o nhóm và phân tích với sự giúp đỡ c a mô hình và phần mềm đánh giá dựa trên năng l ợng có sẵn trong gió Dữ liệu đ ợc nhóm trên kho ng th i gian ngắn Ví dụ, nếu ta muốn thiết

lập năng l ợng sẵn có những gi khác nhau, sau đó dữ liệu nên đ ợc nhóm theo hàng gi Dữ liệu cũng có th đ ợc phân lo i hàng ngày, hàng tháng và hàng năm

Hình 2.2: Bi u đồ hoa gió theo tần suất gió những h ớng khác nhau

Hình 2.3: Bi u đồ hoa gió theo vận tốc gió những h ớng khác nhau

Hình 2.4: Bi u đồ hoa gió theo năng gió những h ớng khác nhau

2 3ăV năt căgióătrungăbình

Một trong những thông tin quan trọng nhất trên quang phổ gió 1 vị trí là vận

tốc gió trung bình Vận tốc gió trung bình đ ợc tính Vmđ ợc cho b i:





i i

Trong đó V là vận tốc gió n là số dữ liệu gió

Tuy nhiên, đ tính toán công suất gió, vận tốc gió trung bình sử dụng ph ơng trình (2.4) th ng thiếu xót Ví dụ, dữ liệu gió 1 gi đ ợc thu thập kho ng 10 phút

nh trong b ng 2.1 Theo ph ơng trình (2.4), vận tốc gió hàng gi là 6.45 m/s Với

mật độ không khí 1.24 kg/m3, công suất trung bình t ơng ng là 166.37W/m2 Nếu

ta tính công suất t ơng ng với tất c vận tốc gió và sau đó lấy giá trị trung bình cho công suất thì công suất đ t 207 W/m2 Điều này có nghĩa , vận tốc gió trung bình sử dụng theo ph ơng trình (2.4) sẽ tính đ ợc công suất nhỏ hơn kho ng 20%

B ng 2.1: Vận tốc gió trong kho ng 10 phút

n

V

(2.5) Nếu sử dụng ph ơng trình (2.5), vận tốc trung bình trong ví dụ tr ớc là 6.94m/s

và công suất t ơng ng là 207 W/m2 Do đó ph ơng trình (2.5) đ ợc sử dụng đ tính vận tốc gió trung bình

2 4ăPhơnăb v năt căgió

Ngoài tốc độ gió trung bình trong kho ng th i gian, phân bố c a nó cũng là một

yếu tố quan trọng trong đánh giá tài nguyên gió Xét tuabin gió đ ợc lắp đặt t i 2 vị trí với cùng một tốc độ gió trung bình có th mang l i s n l ợng năng l ợng hoàn toàn khác nhau do sự khác biệt trong sự phân bố vận tốc gió Ví dụ, xem xét 2 vị trí

lắp đặt với mẫu gió hàng ngày nh trong hình 2.5 (B và C) Đối với vị trí đầu tiên, vận tốc gió là 15 m/s trong suốt c ngày T i vị trí th 2, vận tốc gió 30 m/s trong 12

gi đầu tiên và 0 gi cho các gi còn l i trong ngày Trong c hai tr ng hợp, tốc

độ gió trung bình hàng ngày là 15 m/s

Gi sử chúng ta lắp đặt một tuabin gió với với đặc tuyến công suất ngõ ra nh hình 2.5 (A) t i các trang vị trí này Các tuabin sẽ bắt đầu phát điện tốc độ cắt gió

c a 4 m/s và tuabin sẽ đ ợc cắt-off 25 m/s Công suất cao nhất c a 250 kW

độ cut-off 25 m/s) và 0 trong nửa th hai Ví dụ đ a ra đây là gi thiết Các tr ng

hợp thực sự sẽ có một số nơi giữa các tr ng hợp đặc biệt trên Điều này cho thấy

rằng, cùng với tốc độ gió trung bình, sự phân bố vận tốc trong chế độ cũng là một

yếu tố quan trọng trong phân tích năng l ợng gió

Một trong những th ớc đo cho sự thay đổi c a vận tốc trong một tập hợp các dữ liệu gió là độ lệch chuẩn (σV) Độ lệch chuẩn cho chúng ta biết độ lệch c a vận tốc

cá nhân so với giá trị trung bình

Do đó

n

V V

n

i

m i V

Đối với một sự hi u biết tốt hơn về biến đổi gió, dữ liệu th ng đ ợc nhóm l i

và đ ợc trình bày trong các hình th c phân bố tần suất Điều này cung cấp cho chúng ta các thông tin trên số gi vận tốc trong một ph m vi cụ th Đ phát tri n phân bố tần suất, miền tốc độ gió đ ợc chia thành các kho ng th i gian bằng (0-1, 1-2, 2-3, ) và số lần ghi nhận gió trong kho ng th i gian đ ợc tính Một ví dụ cho

việc phân bố tần suất hàng tháng c a gió tốc độ đ ợc đ a ra trong b ng 2.2 Nếu vận tốc đ ợc trình bày trong các hình th c tần suất phân bố, vận tốc gió trung bình

và độ lệch tiêu chuẩn đ ợc đ a ra b i

3

1

1 3

n

i i i m

f

V f V

(2.7)

i

m i i

f

V V f V

Trong đó fi là tần suất và Vi là vận tốc trong kho ng th i gian t ơng ng Các giá trị trung bình và độ lệch chuẩn c a dữ liệu gió đ ợc trình bày trong b ng 2.2 là 8.34 m/s và 3.76 m/s Bi u đồ tần suất dựa trên các dữ liệu trên đ ợc hi n thị trong hình 2.6 Tốc độ gió trung bình không trùng với tốc độ gió th ng xuyên nhất

Đ ng cong phân phối tích lũy đ ợc xây dựng bằng cách vẽ th i gian tích lũy vận

tốc c a gió là bên d ới giới h n trên c a kho ng th i gian lớp gió Phân phối tích lũy c a các dữ liệu trên đ ợc th hiện trong hình 2.7

Nếu ta nối trung đi m c a tần suất và bi u đồ tích lũy trong hình 2.6 và hình 2.7, ta nhận đ ợc những đ ng cong m ợt mà với một mẫu đ ợc xác định rõ Điều này cho thấy là hợp lý đ đ i diện cho các b ng phân bố tốc độ gió b i các ch c năng thống kê tiêu chuẩn Ch c năng xác suất khác nhau đư đ ợc trang bị với các

tr ng dữ liệu đ xác định phù hợp thống kê phân bố cho đ i diện cho chế độ gió Phân bố Weibull và Rayleigh có th đ ợc sử dụng đ mô t các biến th gió một

chế độ với một m c độ chính xác chấp nhận đ ợc

V e 1 k c

V c

k là thông số hình d ng đặc tr ng cho „„dáng điệu„„ c a phân bố

c là thông số tỉ lệ đặc tr ng cho độ „„co„„ và „„giưn„„ c a phân bố

Hàm phân phối tích luỹ c a vận tốc V cho ta phân số th i gian hoặc xác suất mà vận tốc gió bằng hoặc nhỏ hơn V Do đó phân phối tích luỹ F(V) là tích phân c a hàm mật độ xác suất

k c

V e 1 ) ( (V)

Thay (3.1) vào (3.3) đ ợc

dV V

V m

k c

V e

1 k c

V c

k

V m

k c

V e

k c

c dV

k c

V

Thay vào (3.5) đ ợc

dx k x

x e c

V m

1

x e

k c

V m   

(3.9)

Độ lệch chuẩn c a vận tốc gió, theo phân phơi Weibull là

1 2 '

dV V f

V ( )

0

2 '

c x k

2 0

2 '

2 ' 2

) ( ) ( )

(3.15)

kc

Ve

kc

Ve)(

2 1

2 1

P

(3.16)

Hình 3.1: Hàm mật độ xác suất gió

Hình 3.2: Hàm phân phối tích lũy gió Chúng ta có th quan tâm đến kh năng khắc nghiệt c a gió những vị trí tiềm năng, vì thế hệ thống có th đ ợc thiết kế chịu đ ợc t i lớn nhất Xác suất vận tốc gió VXđ a ra b i

k c

V e

k c

V e 1 1 )

X

V V P

ph ơng pháp hệ số mẫu năng l ợng Trong nghiên c u này đề cập đến ph ơng pháp

đồ thị, ph ơng pháp độ lệch chuẩn và chọn ra một ph ơng pháp đ xác định k và c

phục vụ cho bài toán áp dụng

3.1.1 Ph ngăphápăđ ăth

Trong ph ơng pháp đồ thị, biến đổi hàm phân phối tích lũy thành d ng tuyến tính, theo tỉ lệ logaric Bi u th c phân bố tích lũy c a vận tốc gió có th đ ợc viết

kc

Ve)(

đ ng thẳng này và –k lnc t ơng ng với phân đo n Nếu t o ra bi u th c hồi quy

đ đ vẽ đ ng thẳng sử dụng tấm tr i chuẩn hoặc khối thống kê và so sánh nó với (3.19), chúng ta có th tìm giá trị c a k và c

Tính toán so sánh kết qu giữa 2 ph ơng pháp: ph ơng pháp đồ thị và ph ơng pháp

độ lệch chuẩn

Tần suất phân bố tốc độ gió đ ợc đ a ra trong b ng 3.1 Tính thông số hình

d ng k và thông số tỉ lệ c

B ng 3.1: Tần suất phân bố tốc độ gió

Số th tự Vận tốc gió V (km/h) Tần số gió Tích lũy F(V)

Xác định hệ số R2giữa dữ liệu và đ ng thẳng cố định là 0.99 So sánh ph ơng trình (3.19) và (3.20), ta có k = 2.56 T ơng tự, ta có k lnc = 8.58 => lnc = 8.58/2.56

= 3.35, suy ra c = 28.55 km/h (7.93 m/s)

Hình 3.3: Ph ơng pháp đồ thị xác định k và c

3.1.2 Ph ngăphápăđ ăl chăchuẩn

Những hệ số Weibull k và c có th cũng đ ợc thiết lập từ số trung bình và độ

lệch chuẩn c a dữ liệu gió [3] Xem nh bi u th c trung bình và độ lệch chuẩn đ a

ra trong bi u th c (2.7) và (2.8)

111

21

Cùng một lúc σV và Vm đ ợc tính cho một bộ dữ liệu đ a ra, sau đó k đ ợc xác định bằng bi u th c số học trên, c đ ợc đ a ra b i

73855 2

6674 2

816.0184

k V





(3.25) Bài toán: Thiết lập thông số Weibull k và c cho dữ liệu trong b ng 3.1 sử dụng

ph ơng pháp độ lệch chuẩn

Vận tốc gió trung bình:

)/(80.7)/(08.28

3

1

1 3

s m h

km f

V f

i i

n

i i i

 

)/(02.3)/(88.10

1

1

2

s m h

km f

V V f

n

i i

n

i

m i i

.28

88

km x

x

c 31.6 / 8.78 /

81.2816.0184.0

81.208.28

73855 2

6674 2









Ta có th thấy rằng, theo ph ơng pháp đồ thị và ph ơng pháp độ lệch chuẩn có

sự khác biệt đ thiết lập k và c Phân phối tích lũy đ ợc dùng đ so sánh giữa 2

ph ơng pháp trong hình 3.2 Kết qu cho thấy ph ơng pháp đồ thị cho kết qu chính xác hơn ph ơng pháp độ lệch chuẩn

Hình 3.4: Phân phối tích lũy đ ợc t o ra từ hai ph ơng pháp

3.2 Phơnăb Rayleigh

Độ tin cậy c a phân bố Weibull trong phân tích chế độ gió phụ thuộc vào độ chính xác khi thiết lập k và c Đ tính toán chính xác k và c, dữ liệu gió đầy đ ,

đ ợc thu thập trên kho ng th i gian ngắn hơn là cần thiết Trong nhiều tr ng hợp,

nh thông tin không th có sẵn Dữ liệu hiện t i có th trong hình d ng c a vận tốc gió trong kho ng th i gian trên (vận tốc gió hằng ngày, hằng tháng hoặc hằng năm) Trong tr ng hợp đơn gi n mô hình Weibull có th đ ợc suy ra, k xấp xỉ 2 [3] Điều này đ ợc biết nh là phân bố Rayleigh Với k=2 trong (3.9) ta có

2 )

V

m

e V

V V

V

e V

4 4

2

(      m    V m

V V

V

e e

V V V P

4 4

11)(       

X

V V V

V

V V P

Phân phối tích lũy cho dữ liệu gió trong b ng 3.1 sử dụng phân bố Rayleigh So sánh kết qu với phân bố Weibull và tr ng dữ liệu Dữ liệu đư đ a ra, vận tốc gió trung bình và độ lệch chuẩn t ơng ng c a vận tốc gió là 28.08 km/h và 10.88 km/h Hệ số k và c Weibull là 2.24 và 26.31 km/h Phân phối tích lũy đ ợc so sánh trong hình 3.1 Đi m l a th a trong hình là tr ng dữ liệu, nét đ c và nét liên tục

lần l ợc là phân bố Weibull và Rayleigh t ơng ng

Hình 3.5: So sánh tr ng dữ liệu gió với phân bố Weibull và Rayleigh

Phân bố gió đ ợc mô phỏng sử dụng mô hình Weibull cho kết qu chính xác hơn Phân bố Rayleigh cho kết qu đơn gi n hơn vì k luôn xác định k=2 Trong nghiên c u này dùng phân bố Weibull và ph ơng pháp đồ thị đ xác định k và c

3.3ăS ăd ngăphơnăb ăxácăsu tăvƠoăh ăth ngăchuy năđ iănĕngăl ng tua bin gió 3.3.1 Đặcătuy năcôngăsu tăcủaătuabinăgió

Hình 3.6 Đặc tuyến công suất lý t ng c a tuabin gió điều khi n pitch

Một trong những yếu tố chính nh h ng đến đặc tính c a WECS (Wind Energy Conversion System: hệ thống chuy n đổi năng l ợng gió) là đáp ng năng l ợng

c a vận tốc gió khác nhau Điều này th ng đ ợc đ a ra b i đặc tuyến công suất

c a tuabin Đặc tuyến công suất c a máy ph n ánh hiệu qu khí động học, phát và truyền t i điện c a hệ thống trong một hình th c tích hợp

Hình 3.6 chỉ ra đặc tuyến công suất đặc tr ng c a tuabin điều khi n pitch Công suất định m c c a tuabin là 1 MW Đặc tuyến tốc độ quan trọng là vận tốc cut-in (VI), tốc độ định m c (VR) và tốc độ cut-out (VO) Vận tốc cut-in c a tuabin là vận

tốc gió nhỏ nhất hệ thống s n xuất điện Hầu hết tuabin th ơng m i với vận tốc cut-in từ 3 đến 5 m/s

Theo lý do kỹ thuật và kinh tế, tuabin gió đ ợc thiết k đ s n xuất cống suất bất biến – nh công suất (PR) Do đó, vận tốc c a 1 tuabin là vận tốc gió nhỏ nhất t ơng

ng với công suất Th ng hiệu suất hệ thống là cực đ i VR Từ VI, đến VR, công

suất đ ợc phát b i tuabin tăng với vận tốc gió Giữa VR và VO, tuabin bị giới h n đ

s n xuất công suất bất biến PR t ơng ng với VR, bất chấp sự thay đổi vận tốc Sự điều chỉnh công suất này là tốt hơn cho hệ thống điều khi n và an toàn

Do vậy, PR là lý thuyết công suất cực đ i đ ợc kỳ vọng từ tuabin vận tốc tốc gió cao hơn VO, máy thì hoàn tất dừng đ b o vệ rotor và trục không bị hỏng do quá

t i

Do đó, tuabin có 4 chế độ đặc tính riêng đ ợc th hiện trong b ng 3.2 Công suất

đ ợc s n xuất b i hệ thống có hiệu qu từ chế độ đặc tr ng t ơng ng với VI đến

VR và từ VRđến Vo Mối quan hệ giữa vận tốc và công suất trong miền 1 đ ợc viết trong bi u th c sau

b aV

vận tốc VR công suất là PR

R n

n I n R V

V V

V V P P

Công th c (3.35) áp dụng cho công suất t ơng ng với vận tốc gió trong miền 1 Còn trong miền 2 là PR

3.3 2ăTi păc nănĕngăl ngăđ căphátăbởiătuabinăgió dựaătrênăWeibull

Nếu tốc độ gió trong 1 chế độ theo phân bố Weibull, mật độ xác suất f(V) và phân phối tích lũy F(V) đ ợc cho b i

 k

c V

e V

F( )1 

(3.36)

 k

c V k

e c

V c

k dV

dF V

Trong đó k là thông số hình d ng và c là thông số tỷ lệ Weibull Những ph ơng pháp đ xác định k và c đư đ ợc trình bày trên

Hình 3.7 ớc l ợng năng l ợng gió Tham kh o hình 3.7, đ EIR và ERO đ ợc phát tri n b i hệ thống chế độ đặc

tr ng 1 và 2 Sau đó EIR có th đ ợc tính b i năng l ợng thêm vào t ơng ng với vận tốc gió giữa VI và VR Do đó,

dV V f TP E

I n R

n I n R

c

V c

k V V

V V T P E

I n n I n R

R

dV e

c

V c

k V V V V

k dX

và

k

cX V

n I R X

k n

I n R

n R

V V

TV P dX e X V V

Tc P E

) (

)