Mô phỏng và khảo sát máy phát điện turbine gió kết nối với lưới điện trong môi trường matlab

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ BÙI VĂN TRÍ MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT MÁY PHÁT ĐIỆN TURBINE GIÓ KẾT NỐI VỚI LƯỚI ĐIỆN TRONG MÔI

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ BÙI VĂN TRÍ

MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT MÁY PHÁT ĐIỆN TURBINE GIÓ KẾT NỐI VỚI LƯỚI ĐIỆN

TRONG MÔI TRƯỜNG MATLAB

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

Tp Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2005

S KC 0 0 0 3 9 6

Trang 2

MATLAB

Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN

Mã số ngành: 60 52 50

Trang 3

*****

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MÔ PHỎNG & KHẢO SÁT MÁY PHÁT ĐIỆN TURBINE GIÓ KẾT NỐI VỚI LƯỚI ĐIỆN TRONG MÔI TRƯỜNG

MATLAB

Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG & NHÀ MÁY ĐIỆN

Mã số ngành: 60 52 50

Họ và Tên học viên: Bùi Văn Trí Người hướng dẫn: Ts Trần Thu Hà

Trang 4

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS TRẦN THU HÀ

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2005

Trang 5

LỜI CẢM ƠN

-o0o -

Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến TS Trần Thu Hà và TSKH Hồ Đắc Lộc đã tận tình hướng dẫn tôi để hoàn thành luận văn này Tôi cũng xin cảm ơn: Quí thầy, cô và phòng Quản Lý Khoa Học – Sau Đại Học trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM, Quí thầy, cô bộ môn Hệ Thống Điện trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Cuối cùng, tôi xin tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên và tạo điều kiện cho tôi rất nhiều trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này cũng như trong việc tìm kiếm thông tin và các tài liệu khác có liên quan

Tp Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 08 năm 2005

Học viên Bùi Văn Trí

Trang 6

93

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

-o0o -

Họ và tên: Bùi Văn Trí

Năm sinh: Ngày 10 tháng 11 năm 1976

Nơi sinh: Phú Yên

Địa chỉ liên lạc: 87B - Khu phố 2-Phước Long A- Quận 9 -Tp Hồ Chí Minh

Điện thoại: 0918150785 - E_mail: buivantri2000@yahoo.com

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

Từ năm 1995 đến năm 2000 học ngành điện- điện tử trường Đại Học

Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh

Từ năm 2003 đến nay học Cao học tại trường Đại Học Sư phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh, chuyên ngành Thiết bị mạng & Nhà máy điện

QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC Từ năm 2000 đến tháng 3 năm 2005, làm công tác giảng dạy tại trường Đại học Dân lập Lạc Hồng

Từ tháng 5 năm 2005 đến nay, làm công tác giảng dạy tại trường Đại Học Công Nghiệp Tp Hồ Chí Minh

Trang 7

PHẦN A: MỤC LỤC

Phần B: Nội Dung

Chương I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu chung về năng lượng hiện nay 01

1.2 Tình hình năng lượng gió và nhu cầu phát triển 01

1.2.1 Bản đồ phân bố năng lượng gió 01

1.2.2 Nhu cầu phát triển năng lượng gió 02

1.3. Tổng quan tình hình trong và ngoài nước 03

1.3.1 Tình hình điện năng dùng năng lượng gió một số quốc gia 03

1.3.2 Tình hình năng lượng gió và máy phát điện turbine gió tại Việt Nam 05

1.4 Một số công cụ mô phỏng máy phát điện turbine gió

06 1.5 Lý do chọn đề tài 09

1.6 Giới hạn đề tài 09

1.7 Các sản phẩm đề tài 10

1.8 Phương pháp nghiên cứu 10

Chương II: MÁY PHÁT ĐIỆN TURBINE GIÓ 2.1 Sơ lược các loại nhà máy phát điện 11

2.1.1 Nhà máy nhiệt điện 11

2.1.1.1 Nhà máy nhiệt điện turbine hơi 11

2.1.1.2 Nhà máy nhiệt điện turbine rút hơi 11

2.1.1.3 Nhà máy nhiệt điện turbine khí 11

2.1.1.4 Nhà máy từ thủy động 12

2.1.1.5 Nhà máy điện nguyên tử 12

2.1.1.6 Nhà máy điện sử dụng năng lượng mặt trời 12

2.1.1.7 Nhà máy điện địa nhiệt 13

2.1.2 Nhà máy thủy điện

13 2.2 Turbine gió và nhà máy phát điện turbine gió 13

2.2.1 Turbine gió 13

2.2.1.1 Điều khiển turbine gió tốc độ cố định 17

2.2.1.2 Điều khiển turbine gió tốc độ thay đổi

18 2.2.2 Nhà máy phát điện turbine gió 21

2.2.2.1 Sơ đồ kết nối máy phát điện turbine gió 22

2.2.2.2 Sơ đồ kết nối nhà máy phát điện turbine gió 23

Trang 8

2.3 Các phương pháp kết nối nhà máy phát điện turbine gió 24

2.4 Đánh giá chi phí và tổn thất nhà máy điện 28

2.5 Chi phí xây dựng và vận hành nhà máy điện 30

Chương III: MÔ PHỎNG MÔ HÌNH 3.1 Mô hình toán học 31 3.1.1 Mô hình các thành phần cơ khí 31 3.1.1.1 Mô hình gió 31

3.1.1.2 Mô hình Rotor turbine gió 31

3.1.1.3 Mô hình truyền động 32

3.1.2 Mô hình máy điện 32

3.1.2.1 Mô hình máy điện cảm ứng 3 pha 32

3.1.2.2 Máy điện không đồng bộ nguồn kép 33

3.1.3 Mô hình máy điện đồng bộ (Synchronous machine) 34

3.1.3.1 Phương trình động lực của máy điện đồng bộ 34

3.1.3.2 Hệ phương trình máy điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu 37

3.1.4 Mô hình bộ biến đổi công suất (Power converter) 39

3.1.4.1 Tải 3 pha kết nối hình sao – Y 41

3.1.4.2 Tải 3 pha kết nối hình tam giác – Δ 42

3.1.4.3 Tải 3 pha kết nối nhánh – tam giác 44

3.2 Mô hình các bộ biến đổi DC-DC công suất lớn 45

3.2.1 Giới thiệu chung 45

3.2.2 Môi trường làm việc của các bộ biến đổi 46

3.2.3 Mô hình một số bộ biến đổi 46

3.2.3.1 Bộ tăng thế 47

3.2.3.2 Bộ biến đổi Cúk 49

3.2.3.3 Bộ biến đổi Zeta 50

3.2.3.4 Bộ biến đổi đẩy kéo 51

3.2.3.5 Bộ biến đổi bán cầu 53

3.2.3.6 Bộ biến đổi cầu 54

3.2.3.7 Bộ biến đổi bán cầu có sử dụng bộ nhân đôi điện áp

56 3.2.4 So sánh sự tiện ích của các bộ biến đổi

57 Chương IV: MÔ PHỎNG MÁY PHÁT TURBINE GIÓ 4.1 Kết quả mô phỏng 58

4.1.1 Khởi động trực tiếp cho turbine có tốc độ không đổi 58

4.1.2 Turbine gió có tốc độ/ góc kích thay đổi của động cơ cảm ứng hai chiều: 60

4.1.3 Mô Phỏng máy phát điện kết nối Turbine gió 61

4.1.4 Mô Phỏng kết hợp 2 máy phát điện Turbine gió 65

Trang 9

4.1.5 Mô phỏng máy phát điện turbine gió với lưới điện 66

4.2 Phân tích kết quả mô phỏng 68 4.2.1 Phân tích khởi động trực tiếp cho turbine có tốc độ không đổi 68 4.2.2 Phân tích turbine gió có tốc độ/ góc kích thay đổi 69 4.2.3 Phân tích ổn định tần số máy phát điện kết nối Turbine gió 70 4.2.4 Phân tích kết hợp 2 máy phát điện Turbine gió 72 4.2.5 Phân tích đáp ứng của tốc độ 73

4.2.6 Một số đề xuất 73

Phần C: Kết Luận Và Hướng Phát Triển Tương Lai

1 Kết luận 76

2 Một số kết quả đạt được của đề tài

76

3 Hướng phát triển trong tương lai 78

Phần D: Phụ lục- Giới Thiệu Toolbox Wind Turbine Blockset 82

Trang 10

Tổng quan về đề tài

1

PHẦN B: NỘI DUNG

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu chung về năng lượng hiện nay

Sự phát triển của nền công nghiệp toàn cầu kéo theo nhu cầu ngày càng lớn năng lượng phục vụ cho nó mà năng lượng được sử dụng chủ yếu là năng lượng điện Trong khi đó, tiềm năng để khai thác sản sinh ra điện theo phương pháp truyền thống như thủy điện, nhiệt điện đã dần cạn kiệt Riêng tại Việt Nam một phần nguồn năng lượng điện rất lớn được khai thác từ thủy điện, tuy nhiên theo báo cáo từ các hội thảo khoa học gần đây cho thấy, tiềm năng này sẽ không còn trong vòng vài mươi năm nữa Bên cạnh đó, trong những năm gần đây bài toán về môi trường toàn cầu được đưa vào trong tất cả các ngành công nghiệp, chúng ta phải tìm mọi cách để hạn thế đến mức thấp nhất những yếu tố có ảnh hưởng xấu tới môi trường Trong khi đó, các nhà máy điện kiểu nhiệt điện truyền thống xưa nay thì không thể tránh được việc thải ra môi trường một lượng lớn các chất ảnh hưởng đến môi trường như oxít cácbon, oxít nitơ, ôxít lưu huỳnh, trong quá trình vận hành

Mặt khác trong tình hình hiện nay và tương lai có nhiều biến động cạnh tranh giữa các nước về các nguồn năng lượng, đặt biệt là nguồn nhiên liệu khí đốt Trong khi nguồn năng lượng này ngày càng cạn kiệt và sự thống trị của một số quốc gia sẽ đẩy giá lên cao, làm cho chi phí sản xuất điện năng và vận hành nhà máy điện kiểu truyền thống gia tăng Trong khi đó chi phí sản xuất và xây dựng nhà máy điện turbine gió ngày càng giảm, do đó việc khai thác sử dụng nguồn năng lượng gió là cần thiết và phù hợp với xu hướng phát triển tương lai

1.2 Tình hình năng lượng gió và nhu cầu phát triển

1.2.1 Bản đồ phân bố năng lượng gió

Để có được bản đồ hình 1.1 các nhà khoa học đã kết hợp dữ liệu về tốc độ gió từ hơn 8.000 điểm trên hành tinh – gồm 7.500 trạm mặt đất và 500 trạm trên kinh khí cầu Họ đo tốc độ gió ở độ cao 80 mét so với mặt đất, tương ứng với độ cao của một cánh quạt trong turbine gió hiện đại

Trang 11

2

Họ phát hiện thấy 13% trong tổng số 8000 điểm có tốc độ gió vượt cấp 3

quanh năm Cấp 3 tương ứng với 6.9m/s, được xem là đủ mạnh để có khả thi về

mặt kinh tế

Cristina Archer, thuộc đại học Stanford và cộng sự trong nghiên cứu nhận định “ nếu bạn chọn ngẫu nhiên 10 điểm trên trái đất, thì có 1 đến 2 điểm có thể xây dựng nhà máy điện gió “ Nếu được khai thác, 3 khu vực với tốc độ gió lớn

hơn hoặc bằng cấp 3 này thì có thể cung cấp 72 Tw điện Theo Archer, khoảng

2.5 triệu turbine gió – khai thác khoảng 20% tiềm năng trên cơ sở bản đồ này là

đủ để phát điện cho nhu cầu toàn thế giới

Bản đồ này được xem như là một bước tiến hướng tới mục tiêu sử dụng

năng lượng gió Nó công bố các địa điểm mà những nhà máy điện có thể có hiệu quả nhất, hầu hết nằm gần bờ biển [3]

1.2.2 Nhu cầu phát triển năng lượng gió

Trước những thực trạng như vậy, một mặt ngành điện đã đưa ra các cơ chế, chính sách nhằm khuyến khích các hộ tiêu thụ sử dụng năng lượng điện hiệu quả, đầu tư nâng cấp, qui hoạch lại hệ thống truyền tải, phân phối nhằm mục đích tiết kiệm điện năng, mặt khác đầu tư một phần kinh phí cho việc nghiên cứu các dạng năng lượng mới vừa để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng của sự phát triển xã hội, tránh nguy cơ xảy ra các cuộc khủng hoảng về năng lượng, vừa hạn chế gây ô nhiễm môi trường sinh thái trong quá trình vận hành góp phần vào sự phát triển bền vững của xã hội Với tiêu chí như vậy, năng lượng gió là một phần trong các dạng năng lượng mới đang được nghiên cứu ứng dụng ở nước ta Với các thuộc tính ưu việt, so với các dạng năng lượng khác đang tìm kiếm về trữ lượng, kỹ thuật sản xuất, độ bền, chi phí vận hành và đặc biệt là vấn đề môi trường, năng lượng gió là một trong những hướng phát

Hình 1.1 Bản đồ phân bố năng lượng gió trên thế giới

Trang 12

3

triển mạnh của ngành điện trong tương lai khi mà sự phát triển của công nghệ chất bán dẫn đã đủ để đáp ứng các yêu cầu về điện áp và công suất cao

1.3 Tổng quan tình hình trong và ngoài nước

1.3.1 Tình hình điện năng dùng năng lượng gió của một số quốc gia

Năng lượng gió dùng làm máy phát điện đã có từ những năm 1976 với công suất tương đối nhỏ Tuy nhiên, cách đây khoảng 5 năm việc xây dựng nhà máy khoảng 20MW là một vấn đề lớn Với sự phát triển của khoa học và công nghệ như hiện nay thì việc xây dựng nhà máy turbine gió thường có công suất 300MW, đặc biệt ở Tây Ban Nha có thể lên đến 1200MW

Cuối năm 2003, dẫn đầu là các nước Châu âu ( khoảng 50 nước) khai thác nguồn năng lượng gió với tổng công suất 40.000MW Biểu đồ thống kê năng lượng điện dùng năng lượng gió đến năm 2003 như hình 1.2

Trong những năm gần đây, số lượng turbine gió đã tăng lên khá lớn Tại Đan Mạch năng lượng điện gió chiếm từ 13-15% tổng công suất điện sản ra Tại Đức năng lượng điện gió chiếm khoảng 4,0% tổng năng lượng điện [9]

Tại Châu Âu, Hiệp hội năng lượng gió Châu Âu EWEA (European Wind Energy Association) đã đặt ra mục tiêu sẽ lắp đặt 60000MW đến năm 2010 Mục tiêu này đã được khẳng định trong năm 2000 khi các mục tiêu trước đó từ năm 1991 đến năm 1997 công suất lắp đặt từ 25000MW tăng lên 40000MW và đã vượt dự kiến Tổng công suất lắp đặt năm 2001 là 17000MW và đã sản xuất

Hình 1.2 Biểu đồ phát triển năng lượng gió đến năm 2003

Trang 13

Spain 25.3%

Hình 1.4: Biểu đồ công suất lắp đặt, và tỉ lệ phần trăm 10 quốc gia hàng đầu

Trang 14

5

Mục tiêu năng lượng gió theo dự báo của EWEA vào cuối thập niên có 75.000MW được xây dựng, trong đó khoảng 10.000MW cho những nhà máy ở ngoài biển Theo dự kiến năm 2010 có 69.900MW chiếm 5.1% năng lượng điện nói cung , năm 2020 có 180.000MW được lắp đặt chiếm 12.1%, Biểu đồ dự báo đến năm 2010 hình 1.5 [19]

1.3.2 Tình hình năng lượng gió và máy phát điện turbine gió tại Việt Nam

Theo kết quả khảo sát của một số tổ chức nước ngoài và các đài khí tượng thủy văn trong nước thì tốc độ gió trung bình ở Việt Nam ở độ cao 30m trong vùng đất liền là 4 đến 5m/s và ngoài các đảo cô lập là 9m/s Theo quyết định phê duyệt của Thủ tướng Chính phủ về qui hoạch phát triển nguồn năng lượng điện đến năm 2010 của Tổng Công Ty Điện Lực Việt Nam (EVN) đã đề cập và định hướng phát triển nguồn năng lượng mới này

Thực tế, Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa với hơn 3260km bờ biển và hàng trăm đảo lớn nhỏ là điều kiện thuận lợi cho việc khai thác nguồn năng lượng gió để phát điện phục vụ cho các công trình dân dụng khác Tuy nhiên, từ những thập niên 80 trở lại đây đã có nhiều nhà khoa học với các nghiên cứu của mình chỉ mới khai thác nguồn năng lượng gió trong các trường hợp công suất nhỏ( vài trăm đến 1000W) phục vụ cho các vùng sâu, vùng xa, hải đảo nơi mà lưới điện quốc gia chưa đến được

Trước đây, Việt Nam chỉ mới khai thác năng lượng gió vào các công việc như: máy bơm nước, máy phát công suất rất nhỏ, cụ thể như sau:

 Năm 1976 20 bộ turbine gió được lắp tại vùng muối ở Nam Hà với mục đích sản xuất muối Vận hành sau 4 năm thì ngưng vì bị ăn mòn trầm trọng bởi muối

Hình 1.5 Biểu đồ thống kê, dự báo công suất đến năm 2010

Trang 15

Một số chương trình, đề tài nghiên cứu và dự án về năng lượng gió đã được triển khai tại Việt Nam như:

 Chương trình nghiên cứu năng lượng gió trong giai đoạn 1980 đến 1985 đã tổng kết số liệu gió ở độ cao 10m và xây dựng bản đồ phân bố tốc độ gió trên toàn lãnh thổ

 Năm 1995-1996 các dự án khảo sát, lập qui hoạch sử dụng các nguồn năng lượng gió, mặt trời cho vùng miền núi, hải đảo của hai huyện Hà Quảng (Cao Bằng) và Sông Cầu (Phú Yên) và các tỉnh Quảng Ngãi, Bình Định

Với các máy phát gió công suất lớn vị trí của nó phải được lắp đặt cách mặt đất khoảng 100m Tuy nhiên, ở độ cao này chúng ta chưa đầy đủ các thông tin về gió một cách chính xác

1.4 Một số công cụ mô phỏng máy phát điện turbine gió

Trong những năm gần đây, việc mô phỏng hệ thống turbine gió được quan tâm với nhiều công cụ khác nhau Hệ thống điện dùng turbine gió ngoài khơi với công suất hàng trăm MW được quan tâm đến sự tương tác giữa hệ thống cơ của turbine gió và hệ thống điện Khả năng mô phỏng động của turbine gió và sự tương tác của lưới điện với bốn công cụ như: Matlab, Saber, DigSILENT và HAWC [14]

Mặt khác, kích cỡ của turbine gió ngày càng lớn và kết nối trực tiếp với hệ thống cao áp Hiện nay, những turbine gió được kết nối đến hệ thống phân phối 10/20KV hoặc 50/60 KV Vì thế mục đích chính là sự ảnh hưởng của turbine gió đến chất lượng điện năng trong hệ thống Hơn nữa tiêu chuẩn quốc tế về chất lượng năng của turbine gió đã được đánh giá theo một tiêu chuẩn mới có tên là IEC 61400-21/2001

Sự phát triển mô hình cơ sở dữ liệu trong những công cụ mô phỏng khác nhau để hỗ trợ, phân tích sự tương tác giữa kết cấu cơ khí của turbine và lưới điện trong hai chế độ vận hành bình thường và quá độ Mục đích chính của cơ sở mô phỏng có thể được tóm tắt như sau:

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	4,83 MB