nâng cao độ ổn định động của hệ thống máy phát điện gió sử dụng svc

Vào đầu kỉ nguyên công nghiệp hiện đại, nguồn năng lượng gió được sử dụng để thay thế năng lượng hóa thạch hay hệ thống điện nhằm cung cấp nguồn năng lượng thích hợp hơn.. Trên cơ sở nhữ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM VĂN HIỆP

NÂNG CAO ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG SVC

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 4 5 8 7

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

NÂNG CAO ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG SVC

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 06-11-1990 Nơi sinh: Phú Yên

I TÊN ĐỀ TÀI:

NÂNG CAO ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG SVC

II NHIỆM VỤ:

 Tìm hiểu các loại máy phát điện gió

 Tìm hiểu máy phát điện không đồng bộ nguồn đôi DFIG Fed Induction Generator)

III NGÀY GIAO ĐỀ TÀI:

IV NGÀY HOÀN THÀNH ĐỀ TÀI:

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được hội đồng chuyên ngành thông

qua

Ngày tháng năm 2015

CÔNG TRÌNH ĐÃ HOÀN THÀNH TẠI

Ngàytháng năm 2015

LỜI CẢM ƠN

Qua quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, học trò kính gửi lời cảm

ơn chân thành và sâu sắc đến:

 TS TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN và các thầy đã tận tình chỉ dạy, tạo điều kiện

và động viên học trò trong suốt quá trình thực hiện

 Quý thầy, cô giáo đã tham gia công tác giảng dạy, hướng dẫn học tròvà các thành viên trong lớp Cao học chuyên ngành Kỹ Thuật Điện 2013A trong toàn bộ khoá học

 Quý thầy, cô giảng dạy tại khoa Điện-Điện Tử, phòng Đào tạo – bộ phận sau đại học – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh đã giúp đỡ người thực hiện trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường

 Kính gửi lời cảm tạ tới BGH Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho cho các học viên tại trường được học tập

và nghiên cứu

Kính chúc Quý thầy, cô thật nhiều sức khỏe

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015

Học viên

PHẠM VĂN HIỆP

TÓM TẮT

Đề tài “NÂNG CAO ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG MÁY PHÁT

ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG SVC” được tiến hành trong khoảng thời gian 1 năm tại

trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM Sau thời gian nghiên cứu đề tài được triển khai và tập trung giải quyết các vấn đề sau:

 Tìm hiểu các loại máy phát điện gió

 Tìm hiểu máy phát điện không đồng bộ nguồn đôi DFIG (Doubly-Fed Induction Generator)

ABSTRACT

Thesis “ENHANCED STABILITY OF A WIND GENERATOR SYSTEM

USING A SVC” has been done for a year at Ho Chi Minh University Of

Technology And Education The thesis’s content focused on:

 Learning the wind energy

 Learning DFIG (Doubly-Fed Induction Generator)

 Learning SVC (Static var compensator)

 Application of SVC to enhance stability of wind generator system

 Learning neural network

 Designing neural network controller for SVC to enhance stability of Ninh Thuan power grid

Author

PHẠM VĂN HIỆP

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015

Học viên

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

PHẠM VĂN HIỆP

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Quê quán: Ân Niên, Hòa An, Phú Hòa, Phú Yên Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 12/6/1L Đường Số 9, KP.3, P.Linh Trung, Q.TĐ, TP HCM

Ngành học: Điện Công Nghiệp

Tên đồ án tốt nghiệp: HỆ THỐNG SYNCO LIVING

Ngày & nơi bảo vệ đồ án tốt nghiệp: 7/2012, ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Người hướng dẫn: ThS Vũ Thị Ngọc

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

10/2014- nay Trường CĐ Kỹ Thuật Cao Thắng Giảng viên khoa Điện-Điện

Lạnh

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT v

ABSTRACT vi

LỜI CAM ĐOAN vii

LÝ LỊCH KHOA HỌC viii

MỤC LỤC x

DANH SÁCH CÁC BẢNG xiv

DANH SÁCH CÁC HÌNH xv

Chương 1TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước 3

1.3 Các vấn đề nghiên cứu của đề tài 5

1.3.2 Ý nghĩa luận văn 6

1.3.3 Tính thực tiễn của đề tài 6

1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ 7

1.5 Phương pháp giải quyết 7

1.6 Giới hạn đề tài 7

1.7 Điểm mới của luận văn 7

1.8 Phạm vi ứng dụng 8

1.9 Bố cục của luận văn 8

Chương 2CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Bối cảnh lịch sử phát triển : 9

2.2 Tổng quan về năng lượng gió 12

2.2.1 Thực trạng năng lượng và môi trường 12

2.2.2 Thực tại phát triển của năng lượng gió trên thế giới 12

2.2.3 Tình hình phát triển năng lượng gió trong nước 20

2.3 Kỹ thuật hiện tại của tuabin gió 25

Chương 3HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ 27

3.1 Giới thiệu 27

3.2 Cấu tạo của hệ thống phát điện gió 27

3.2.1 Tháp đỡ 28

3.2.2 Cánh quạt tuabin 28

3.2.3 Bộ phận điều hướng 28

3.2.4 Bộ phận điều khiển tốc độ 29

3.3 Các loại máy phát trong hệ thống năng lượng gió 29

3.3.1 Máy phát điện đồng bộ 29

3.3.2 Máy phát điện cảm ứng 30

3.3.3 Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc 31

3.3.4 Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn 31

3.4 Các hệ thống tuabin gió 31

3.4.1 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi 31

3.4.2 Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi 32

3.5 Máy phát điện không đồng bộ nguồn đôi DFIG 34

3.5.1 Nguyên lý làm việc của DFIG: 35

3.5.2 Lưu lượng công suất của DFIG: 36

3.5.3 Hệ thống điều khiển bộ chuyển đổi phía rotor 37

3.5.4 Hệ thống điều khiển bộ chuyển đổi phía lưới 40

3.5.5 Hệ thống điều khiển góc xoay của cánh quạt gió 41

Chương 4THIẾT BỊ BÙ TĨNH SVC (Static VAR Compensator) 42

4.1 Thiết bị bù tĩnh SVC (Static Var Compensator) 42

4.1.1 Nguyên tắc hoạt động 42

4.1.2 Kết nối 43

4.1.3 Ưu điểm 43

4.2 Nâng cao độ ổn định động của hệ thống máy phát điện gió sử dụng SVC 43 4.2.2 Mô hình SVC 44

4.2.3 Kết quả mô phỏng 45

Chương 5THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MẠNG NƠRON CHO SVC ĐỂ NÂNG CAO ĐỘỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦAHỆ THỐNG LƯỚI ĐIỆN NINH THUẬN 48

5.1 Giới thiệu mạng nơron 48

5.1.1 Mạng nơron nhân tạo 48

5.1.2 Các chế độ học trong mạng nơron nhân tạo 50

5.1.3 Mạng nơron truyền thẳng 51

5.1.4 Mạng nơron hồi quy 53

5.1.5 Bộ điều khiển tuyến tính hoá phản hồi NARMA-L2 53

5.2 Ứng dụng bộ điều khiển NARMA-L2 vào bộ điều khiển SVC 57

5.2.1 Sơ đồ điều khiển SVC với bộ điều khiển PI 57

5.2.2 Sơ đồ điều khiển SVC với bộ điều khiển NARMA-L2 58

5.3 Ứng dụng SVC với bộ điều khiển NARMA-L2 để nâng cao độ ổn định động của hệ thống điện Ninh Thuận 60

5.4 Kết quả mô phỏng 60

Chương 6 66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

6.1 Kết luận 66

6.2 Kiến nghị 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1 1: Sự phát triển của tuabin gió trong 1985-2004 2 Bảng 2.1: Lịch sử tuabin gió……… 9 Bảng 2.2: Hoạt động của các tuabin gió loại công suất lớn 11 Bảng 2.3: Tổng công suất lắp đặt Bắc Mĩ (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm2006

– cuối năm 2006 16

Bảng 2.4: Tổng công suất lắp đặt Nam và Trung Mĩ (MW) vào cuối năm 2005 –

đầu năm 2006 – cuối năm 2006 18

Bảng 2.5: Tổng công suất lắp đặt Châu Á (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm

2006 – cuối năm 2006 19

Bảng 2.6: Tổng công suất lắp đặt Trung Đông và Châu Phi (MW) vào cuối năm

2005 – đầu năm 2006 – cuối năm 2006 20

Bảng 2.7: Tiềm năng năng lƣợng gió ở Đông Nam Á [8] 21

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Top 10 nước có công suất lắp đặt tích lũy 13

Hình 2.2: Top 10 nước có công suất lắp đặt mới 13

Hình 2.3: Tổng công suất năng lượng gió lắp đặt trên toàn thế giới 13

Hình 2.4: Tổng công suất năng lượng gió lắp đặt ở Châu Âu 14

Hình 2.5: Tổng công suất năng lượng gió lắp đặt ở Châu Âu 15

Hình 2.6: Tổng công suất lắp đặt ở Canada 17

Hình 2.7: Tổng công suất lắp đặt ở Mĩ 17

Hình 2.8: Dự án điện gió Tuy Phong, Bình Thuận của công ty REVN 23

Hình 3.1: Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ không đổi ……… 32

Hình 3.2: Hệ thống tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi 33

Hình 3.3: Máy phát không đồng bộ nguồn đôi DFIG 34

Hình 3.4: Hướng công suất của DFIG 34

Hình 3.5:Lưu lượng công suất DFIG 37

Hình 3.6: Đường đặc tính công suất-tốc độ [11] 38

Hình 3.7: Sơ đồ điều khiển bộ chuyển đổi phía rotor 38

Hình 3.8: Đường đặc trưng V-I [11] 39

Hình 3.9: Sơ đồ điều khiển bộ chuyển đổi phía lưới 40

Hình 3.10: Sơ đồ điều khiển góc xoay cánh quạt gió 41

Hình 4.1: Cấu trúc của hệ thống nghiên cứu………44

Hình 4.2: Sơđồ khối của SVC 45

Hình 4.3: Sơ đồ điều khiển của SVC 45

Hình 4.4: Đáp ứng quá độ của hệ thống nghiên cứu khi xảy ra ngắn mạch3 pha 47

Hình 5.1:Mạng nơron nhân tạo dạng tổng quát……… 48

Hình 5.2: Mô hình mạng nơron biểu diễn ở dạng khác 49

Hình 5.3: Học có giám sát 50

Hình 5.4: Học không giám sát 51

Hình 5.5: Mạng nơron đơn lớp với S nơron 51

Hình 5.6: Mạng nơron đơn lớp với S nơron dưới dạng ma trận 52

Hình 5.7: Mạng nơron đa lớp 53

Hình 5.8: Mạng nơron hồi quy 53

Hình 5.9: Mô hình NARMA – L2 56

Hình 5.10: Sơ đồ khối bộ điều khiển 56

Hình 5.11: Cấu trúc mô hình NARMA – L2 57

Hình 5.12: Sơ đồ điều khiển SVC với bộ điều khiển PI 57

Hình 5.13: Sơ đồ điều khiển SVC với bộ điều khiển NARMA-L2 58

Hình 5.14: Thông số nhận dạng cho bộ điều khiển NARMA-L2 58

Hình 5.15: Dữ liệu ngõ vào-ngõ ra cho NARMA-L2 59

Hình 5.16: Dữ liệu huấn luyện cho bộ điều khiển NARMA-L2 59

Hình 5.17: Sơ đồ lưới điện Ninh Thuận 2015 61

Hình 5.18: Đặc tính công suất của máy phát DFIG (VESTAS) - 2 MW 61 Hình 5.19: Đáp ứng quá độ của hệ thống nghiên cứu khi xảy ra ngắn mạch 3 pha 65

mũi nhọn phục vụ sự nghiệp Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa đất nước

Xu hướng chuyển dịch từ hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc sang thị trường điện cạnh tranh đã và đang diễn ra mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới Thị trường điện với cơ chế mở đã đem lại hiệu quả ở các nước và cho thấy những ưu điểm vượt trội hơn hẳn hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc truyền thống Hệ thống điện không ngừng phát triển cả về số lượng, chất lượng và độ tin cậy Các nguồn năng lượng điện được sử dụng ngày càng nhiều và phong phú: gió, năng lượng mặt trời, sóng biển

Năng lượng gió được sử dụng cách đây 3000 năm Đến đầu thế kỉ 20, năng lượng gió được dùng để cung cấp năng lượng cơ học như bơm nước hay xay ngũ cốc Vào đầu kỉ nguyên công nghiệp hiện đại, nguồn năng lượng gió được sử dụng để thay thế năng lượng hóa thạch hay hệ thống điện nhằm cung cấp nguồn năng lượng thích hợp hơn

Đầu những năm 1970, do khủng hoảng giá dầu, việc nghiên cứu năng lượng gió được quan tâm Vào thời điểm này, mục tiêu chính là dùng năng lượng gió cung cấp năng lượng điện thay thế cho năng lượng cơ học Việc này đã làm cho năng lượng gió trở thành nguồn năng lượng đáng tin cậy và thích hợp nhờ sử dụng nhiều kĩ thuật năng lượng khác – thông qua mạng lưới điện dùng như nguồn năng lượng dự phòng

Tuabin gió đầu tiên dùng để phát điện được phát triển vào đầu thế kỉ 20 Kĩ thuật này được phát triển từng bước một từ đầu những năm 1970 Cuối những năm 1990, năng lượng gió trở thành một trong những nguồn năng lượng quan trọng nhất Trong những thập kỉ cuối của thế kỉ 20, tổng năng lượng gió trên toàn thế giới tăng xấp xỉ gấp đôi sau mỗi 3 năm Chi phí điện từ năng lượng gió giảm xuống còn 1/6

so với chi phí của đầu những năm 1980, và xu hướng giảm này vẫn tiếp tục Các chuyên gia dự đoán rằng tổng năng lượng tích lũy trên toàn thế giới hằng năm sẽ tăng khoảng 25% một năm và chi phí sẽ giảm khoảng 20% - 40%

Kĩ thuật năng lượng gió phát triển rất nhanh về mọi mặt Cuối năm 1989, việc chế tạo một tuabin gió công suất 300 kW có đường kính rotor 30 m đòi hỏi kĩ thuật tối tân Nhưng chỉ trong 10 năm sau đó, một tuabin gió công suất 2000 kW có đường kính rotor vào khoảng 80 m đã được sản xuất đại trà Tiếp theo đó dự án dùng tuabin gió công suất 3 MW có đường kính rotor 90 m được lắp đặt vào cuối thế kỉ

20 Hiện tại, tuabin gió công suất 3 – 3.6 MW đã được thương mại hóa Bên cạnh

đó, tuabin gió công suất 4 – 5 MW đã được phát triển hay chuẩn bị kiểm tra trong một số dự án, và tuabin gió công suất 6 – 7 MW đang được phát triển trong tương lai gần Bảng 1.1 cho ta cái nhìn về sự phát triển của tuabin gió từ năm 1985 đến năm 2004

Bảng 1.1: Sự phát triển của tuabin gió trong 1985-2004 Năm Công suất

Trên cơ sở những kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây về sự phát triển

của năng lượng gió đã đạt được, đề tài đề xuất tên “Nâng cao độ ổn định động của

hệ thống máy phát điện gió sử dụng SVC” nhằm đảm bảo sự hoạt động bình

thường, nâng cao độ ổn định của hệ thống khi đưa máy phát điện gió vào hệ thống lưới điện, nâng cao hiệu quả truyền tải và hạn chế nhược điểm của các công trình nghiên cứu trước đây

1.2 Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước

Hệ thống lưới điện truyền tải quốc gia cơ bản đáp ứng được các yêu cầu truyền tải điện năng từ các nhà máy điện cho các phụ tải, đảm bảo cung cấp điện phục vụ cho nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội và nhằm giảm tổn thất điện năng do truyền tải Tuy nhiên, hệ thống vẫn chưa có khả năng cung ứng dự phòng, việc nghiên cứu đưa vào sử dụng các nguồn năng lượng mới là vấn đề cấp thiết đáp ứng nhu cầu điện cũng như năng lượng quốc gia Chính vì điều đó, việc nghiên cứu tính toán và thiết

kế hệ thống nhà máy điện gió đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển hệ thống điện quốc gia Hiện nay, nhà nước ta có nhiều công trình ủng hộ nghiên cứu phát triển điện gió, cụ thể là:

 Chương trình dự án năng lượng gió GIZ “Tình hình phát triển điện gió và khả năng cung ứng tài chính cho các dự án ở Việt Nam”, Phan Thanh Tùng,

Vũ Chi Mai , Angelika Wasielke 2012 [1]

 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước, đề tài mã số: 59A.01.12 “Máy điện dị bộ nguồn kép dùng làm máy phát trong hệ thống phát điện chạy sức gió: Các thuật toán điều chỉnh bảo đảm phân ly giữa mômen và hệ số công suất”, Nguyễn Phùng Quang, 1998[2]

 Dự án hợp tác Quỹ bảo vệ môi trường Việt Nam và Hội đồng kỹ thuật điện quốc tế ( IEC ) “European Wind Energy Association – EWEA”, Viện KHCN Môi Trường, 02/2012 [3]

Hiện tại, tại các quốc gia phát triển và các trường Đại học lớn trên thế giới cũng bắt tay vào nghiên cứu đấu nối vận hành các nhà máy phát gió lên lưới điện truyền tải, tối ưu hóa các luồn phân bố công suất nâng cao hiệu quả truyền tải, giảm chi phí, sử dụng như nguồn năng lượng dự phòng sạch Cụ thể là:

 Transient Analysis of Grid-Connected Wind Turbines with DFIG After an External Short-Circuit Fault, Tao Sun, Z Chen, Frede Blaabjerg, NORDIC WIND POWER CONFERENCE, 1-2 March, 2004, CHALMERS Chalmers

 Novel Power Electronics Systems for Wind Energy Application: Final Report; Erickson, Al-Naseem, University of Colorado[7]

Bằng phương pháp đo đạc, chúng ta đã lập được biểu đồ quang khí hậu tại nhiều vùng của Việt Nam Bản đồ quang khí hậu mà cụ thể là tốc độ gió sẽ cho cái nhìn chính xác hơn về điều kiện phát điện bằng năng lượng gió

Với sự trợ giúp ngày càng nhiều và càng mạnh của máy tính, các chương trình tính toán được viết để mô hình hóa và mô phỏng công trình với các điều kiện địa lý, tự nhiên, khí hậu, vật liệu và kỹ thuật thiết bị Nhờ đó, càng có thể đưa thêm nhiều ràng buộc đầu vào trong bài toán năng lượng gió, nhờ đó có thể đưa ra được những

dự báo chính xác hơn

1.3 Các vấn đề nghiên cứu của đề tài

1.3.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong thực tiễn, hệ thống điện gió của Việt Nam được thiết kế và xây dựng

dựa trên Quy định tiêu chuẩn Việt Nam về hệ thống điện gió như sau:

 Quyết định 1208/2011/QĐ-TTg ban hành ngày 21 tháng 7 năm 2011 về phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030

 Quyết định của Thủ tướng Chính phủ số 26/2006/QĐ-TTg3 ban hành 26 tháng 01 năm 2006, phê duyệt lộ trình, các điều kiện hình thành và phát triển các cấp độ thị trường điện lực

 Quyết định 24/2011/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về điều chỉnh giá bán điện theo cơ chế thị trường

 Quyết định 37/2011/QĐ-TTg về cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện gió tại Việt Nam

 Quyết định 18/2008/QĐ-BCT về biểu giá chi phí tránh được và hợp đồng mua bán điện mẫu áp dụng cho các nhà máy điện nhỏ sử dụng năng lượng tái tạo

Do đặc thù tính không ổn định của gió tự nhiên nên khi tính toán thiết kế hệ thống điện gió, người ta phải tận dụng một số thiết bị điện tử công suất trong hệ thống Tuy nhiên, gió tự nhiên có những ưu điểm như tính kinh tế cao nên thường được yêu cầu xem xét trong thiết kế hệ thống cung cấp điện cho khu vực nhỏ không nối lưới

Mặc dù cơ cấu điện năng sản xuất từ gió cung cấp cho hệ thống điện chỉ chiếm từ 2% đến 5% tổng nhu cầu điện năng của hệ thống điện Tuy nhiên, việc tận dụng năng lượng điện gió được dự tính có thể thay thế lưới điện quốc gia để cung cấp điện cho các khu vực như đảo, vùng đồng bằng cửa sông hoặc gần biển Điều này sẽ đem lại một tiềm năng tiết kiệm năng lượng lớn trong hệ thống điện so với giải pháp sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch

Việc dự đoán một mạng điện gió tối ưu đem lại kết quả thực tiễn cho các giải pháp

về cung cấp điện cũng như hệ thống truyền tải và phân phối điện năng Kết quả của việc nghiên cứu này giúp thiết kế những hệ thống điện gió nối lưới phù hợp thực tế

dễ vận hành mang lại hiệu quả về cả tính kĩthuật và kinh tế

1.3.2 Ý nghĩa luận văn

Việc đưa thêm vào sử dụng nguồn năng lượng điện gió giúp ta từng bước cân bằng lại nguồn năng lượng cung ứng cho hệ thống điện Rõ ràng năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên và vô tận việc tận dụng một cách hiệu quả nguồn năng lượng này vào hệ thống điện quốc gia sẽ mang lại rất nhiếu lợi ích kinh tế đi kèm là các giải pháp tiết kiệm năng lượng Khi đưa nguồn gió vào hệ thống sẽ có những dao động, hoặc khi sự cố xảy ra thì chúng ta cần có những biện pháp để khắc phục nhanh và giúp hệ thống trở lại hoạt động bình thường Đề tài đưa ra giải pháp nâng cao độ ổn định động của hệ thống bằng cách sử dụng SVC (Static Var Compensator) để vửa đảm bảo sự hoạt động bình thường của hệ thống và đảm bảo chất lượng điện năng cũng như hiệu quả kinh tế

1.3.3 Tính thực tiễn của đề tài

Hiện nay, nguồn năng lượng chính cung cấp cho hệ thống điện vẫn là thủy điện, nhiệt điện và phải nhập khẩu từ nước ngoài, cho nên việc nghiên cứu đưa vào sử dụng nguồn năng lượng điện gió là hết sức cần thiết và thực tế

Ngoài ra, nước ta có tiềm năng lớn về nguồn năng lượng gió, đồng thời được sự hỗ trợ giúp đỡ từ chính phủ, các tổ chức năng lượng điện gió, sẽ giúp ta có cơ sở để

quy hoạch phát triển, đầu tư xây dựng các hệ thống điện gió ở các vùng có tiềm năng về gió tại Việt Nam

Do đó, việc nâng cao độ ổn định động của hệ thống máy phát điện gió sử dụng SVC

sẽ giúp hệ thống hoạt động ổn định

1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ

 Tìm hiểu các loại máy phát điện gió

 Tìm hiểu máy phát điện không đồng bộ nguồn đôi DFIG (Doubly-Fed Induction Generator)

1.5 Phương pháp giải quyết

Tham khảo các mô hình trên các bài báo uy tín, tác giả dùng phần mềm Matlab để

mô phỏng các thông số của hệ thống

1.6 Giới hạn đề tài

Chỉ xét đến hướng vận hành hệ thống máy phát điện gió trên lưới truyền tải, không xét đến cấu tạo và nguyên lý điều khiển của máy phát điện không đồng bộ nguồn đôi DFIG

1.7 Điểm mới của luận văn

Xây dựng mô hình nghiên cứu các ảnh hưởng của máy phát điện không đồng bộ nguồn đôi DFIG lên lưới điện có thông số thực tế

Sử dụng mạng nơron để thiết kế bộ điều khiển cho SVC

1.8 Phạm vi ứng dụng

 Ứng dụng cho các mô hình hay lưới điện bất kỳ

 Ứng dụng cho các lưới điện IEEE mẫu

 Ứng dụng cho lưới điện 500KV, 200KV Việt Nam tính đến năm 2012

 Làm tài liệu tham khảo khi vận hành lưới điện cóđấu nối các nhà máy phát gió

1.9 Bố cục của luận văn

Chương 1: TỔNG QUAN

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 3: HỆ THỐNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

Chương 4: THIẾT BỊ BÙ TĨNH SVC (STATIC VAR COMPENSATOR) Chương 5: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MẠNG NƠRON CHO SVC ĐỂ NÂNG CAO ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN NINH THUẬN

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Bối cảnh lịch sử phát triển :

Trong năm 1891, Dane Poul LaCour đã chế tạo tuabin gió đầu tiên phát ra điện Các

kĩ sư Đan Mạch đã phát triển kĩ thuật để bổ sung năng lượng thiếu trong chiến tranh thế giới thứ nhất và thứ hai Tuabin gió của công ty Đan Mạch F L Smidth chế tạo trong năm 1941 – 1942 có thể được xem là nguyên mẫu đầu tiên của tuabin gió phát điện ngày nay Tuabin gió Smidth đầu tiên sử dụng cánh máy bay dựa trên kĩ thuật tiên tiến của ngành máy bay cùng thời Vào cùng thời điểm đó, một người Mĩ Palmer Putnam đã chế tạo tuabin gió khổng lồ cho công ty Mĩ Morgan Smith Co.,

có đường kính 53 m Tuabin gió này không chỉ khác ở kích thước to lớn mà kĩ thuật chế tạo cũng khác biệt Kĩ thuật của người Đan Mạch cơ bản dựa trên cánh quạt theo chiều gió đang thổi với sự điều khiển ngừng quay, hoạt động ở tốc độ chậm Kĩ thuật của Putnam cơ bản dựa trên cánh quạt theo hướng gió thổi với bộ điều chỉnh tốc độ Tuy nhiên tuabin gió của Putnam vẫn chưa thành công Nó được dỡ bỏ vào năm 1945 Bảng 2.1 sẽ cho ta cái nhìn tổng quát về lịch sử của tuabin gió

Diện tích quét (m 2 )

Công suất (kW)

Công suất riêng (kW/m 2 )

Số cánh quạt

Chiều cao tháp (m)

Ngày

ra đời

Trái lại sự thành công của tuabin gió Juul và Huuter, việc nghiên cứu tuabin gió công suất lớn bị ngưng sau chiến tranh thế giới thứ hai Chỉ có loại tuabin gió công suất nhỏ cho hệ thống công suất ở vùng sâu vùng xa hay sạc pin là còn được quan tâm Việc khủng hoảng giá dầu đầu những năm 1970, năng lượng gió mới được quan tâm trở lại Kết quả là tài chính hỗ trợ cho nghiên cứu và phát triển năng lượng gió đã được đầu tư Các nước như Đức, Mĩ và Thụy Điển đã nghiên cứu phiên bản tuabin gió công suất lớn (vào khoảng Megawatt) Tuy nhiên, nhiều phiên bản này (Bảng 2.2) đã không đáp ứng được mong đợi vì nhiều vấn đề kĩ thuật

Bảng 2.2: Hoạt động của các tuabin gió loại công suất lớn

Tuabin và

nước sản xuất

Đường kính (m)

Diện tich quét (m 2 )

Công suất (MW)

Giờ hoạt động

Công suất đã phát (GWh)

Thời gian hoạt động

2.2.2 Thực tại phát triển của năng lượng gió trên thế giới

Năng lượng gió là nguồn năng lượng có kĩ thuật phát triển nhanh nhất vào những năm 1990 khi xét về tỉ lệ phần trăm sự phát triển công suất lắp đặt so với nguồn kĩ thuật Tuy nhiên, sự phát triển của nguồn năng lượng gió không phân phối đều trên toàn thế giới (Hình 2.1, Hình 2.2)

 Châu Âu

Giữa cuối năm 1995 và cuối năm 2003, khoảng 76% trạm phát năng lượng gió mới kết nối vào mạng lưới điện trên thế giới được lắp đặt ở Châu Âu (Hình 2.3) Đất nước có công suất gió lắp đặt lớn nhất ở Châu Âu là Đức, Đan Mạch, Tây Ban Nha (Hình2.4)

Hình 2.1: Top 10 nước có công suất lắp đặt tích lũy

Hình 2.2: Top 10 nước có công suất lắp đặt mới

Hình 2.3: Tổng công suất năng lượng gió lắp đặt trên toàn thế giới

Hình 2.4: Tổng công suất năng lượng gió lắp đặt ở Châu Âu

Ở những nước có tổng công suất gió lớn, yếu tố chính trong sự phát triển của năng lượng gió được gọi là thuế nuôi cố định cho năng lượng gió Loại thuế nuôi cố định như vậy được định nghĩa bởi chính phủ như là giá mua năng lượng mà sự phân phối địa phương hay công ty truyền tải phải trả cho sự sản sinh năng lượng tái tạo được đưa vào hệ thống mạng Thuế nuôi cố định điều chỉnh gây nguy hiểm tài chính cho nhà đầu tư năng lượng gió khi giá mua năng lượng là một giá cơ bản cố định trong khoảng tối thiểu 10 đến 15 năm Ở Đức, cơ quan năng lượng mới (EEG – Renewable Energy Sources Act) xác định giá mua (thuế nuôi cố định) cho năng lượng gió lắp đặt trong năm 2004 như sau: 8.8 eurocents cho 1 kWh trong 5 năm đầu tiên và 5.9 eurocents cho 1 kWh trong những năm tiếp theo Hiện tại chính phủ Đức đang làm việc để thay đổi EEG và giá mua năng lượng

Hình 2.5: Tổng công suất năng lượng gió lắp đặt ở Châu Âu

 Bắc Mĩ

Năm 1998 bước ngoặc thứ hai được bắt đầu ở Mĩ Thời điểm này, các nhà phát triển

dự án gió đã lắp đặt các dự án truớc khi Quỹ thuế sản phẩm liên bang (PTC – Production Tax Credit) hết hiệu lực trong ngày 30 – 5 – 1999 PTC đã thêm 0.016 - 0.017 $ cho 1 kWh vào các dự án năng lượng gió trong 10 năm đầu tiên của tuổi thọ nhà máy năng lượng gió Trong khoảng giữa năm 1998 và ngày 30 – 5 – 1990, thêm hơn 800 MW nhà máy năng lượng gió mới được lắp đặt ở Mĩ Điều này bao gồm khoảng 120 cho đến 250 MW của sự phát triển năng lượng tái tạo ở vài nông trại gió California Một sự phát triển tương tự xảy ra vào cuối năm 2001, đó là thêm

1600 MW vào khoảng giữa năm 2001 và tháng 11 – 2001 cũng như vào cuối năm

2003, với việc thêm 1600 MW Đầu năm 2004, PTC đã giữ lại lần nữa và sự

pháttriển của năng lượng gió ở Mĩ giảm xuống Tuy nhiên, 9 – 2004 PTC đã hồi phục lại cho đến cuối năm 2006 Ngoài California và Texas, còn có những dự án lớn ở các bang Iowa, Minnesota, Oregon, Washington, Wyoming và Kansas Nông trại gió cỡ lớn đầu tiên cũng vừa mới lắp đặt ở Canada

Bảng 2.3: Tổng công suất lắp đặt Bắc Mĩ(MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm2006

Công suất đặc trưng của tuabin gió ở Bắc Mĩ vào cuối những năm 1990 vào khoảng

500 đến 1000 kW Năm 1999, tuabin megawatt đầu tiên được dựng lên và từ năm

2001, nhiều dự án đã sử dụng tuabin megawatt Tuy nhiên khi so sánh với Châu Âu, nói chung kích thước của nông trại gió thường lớn hơn Thông thường, ở Bắc Mĩ, nông trại gió thường lớn hơn 50 MW, trong đó cũng có một vài dự án lên tới 200

MW Ở Châu Âu, các dự án thường vào khoảng 20 đến 50 MW Nguyên nhân là mật độ dân số cao ở Trung tâm Châu Âu và kế tiếp là diện tích giới hạn Những hạn chế này đã dẫn đến sự phát triển năng lượng gió ngoài khơi Ở Mĩ, các dự án ngoài khơi vẫn chưa được quan tâm

 Nam và Trung Mĩ

Trái với nguồn tài nguyên gió dồi dào ở nhiều vùng Nam và Trung Mĩ, sự phát triển năng lượng gió ở đây rất chậm, bởi vì thiếu những chính sách năng lượng gió phù hợp cũng như giá điện thấp Nhiều dự án gió ở Nam Mĩ có nguồn tài chính hỗ trợ bởi các chương trình trợ giúp quốc tế Tuy nhiên, Argentina đã giới thiệu chính sách mới vào cuối năm 1998 qua đó cung cấp tài chính hỗ trợ nhà máy năng lượng gió,

nhưng thành công rất ít Ở Brazil, thực tiễn chính quyền một vài vùng đã bắt đầu cung cấp thuế nuôi ưu đãi cho năng lượng gió Công suất đặc trưng của tuabin gió ở vùng này vào khoảng 300 kW Kích thước gió lớn hơn rất khó lắp đặt do hạn chế của cơ sở hạ tầng cho những thiết bị lớn (ví dụ như cần trục) Năng lượng gió ngoài khơi chưa có kế hoạch, nhưng xa hơn nữa dự án nhỏ và trung bình (≤ 100 MW) đang được phát triển trong bờ, đặc biệt ở Brazil

Hình 2.6: Tổng công suất lắp đặt ở Canada

Hình 2.7: Tổng công suất lắp đặt ở Mĩ

Bảng 2.4: Tổng công suất lắp đặt Nam và Trung Mĩ (MW) vào cuối năm 2005 –

đầu năm 2006 – cuối năm 2006

Nam và Trung Mĩ Cuối năm 2005 Đầu năm 2006 Cuối năm 2006

 Châu Á và Thái Bình Dương

Ấn Độ đã đạt được sự tăng trưởng ấn tượng trong việc lắp đặt tuabin gió vào giữa những năm 1990, tạo nên “Sự kiện Ấn Độ” Năm 1992/93, chính phủ Ấn Độ đã bắt đầu cung cấp những sự khuyến khích đặc biệt cho đầu tư năng lượng tái tạo (ví dụ như định mức mua tối thiểu được đảm bảo, và 100% giảm thuế được phép trong năm đầu tiên của dự án) Ở Trung Quốc, sự phát triển năng lượng gió được hướng trội hơn bởi các chương trình hỗ trợ quốc tế, mặc dù một vài chương trình chính phủ xúc tiến năng lượng gió (ví dụ như chương trình cưỡi trên gió của ủy ban kế hoạch) Ở Nhật, sự phát triển nổi trội bởi các dự án minh chứng kiểm tra với nhiều

kĩ thuật tuabin gió khác nhau Vào cuối những năm 1990 dự án năng lượng gió thương mại đầu tiên bắt đâu hoạt động trên hòn đảo Hokkaido và Okinawa, nghiên cứu năng lượng gió liên tục phát triển ở Nhật Cũng vào cuối những năm 1990, dự

án năng lượng gió đầu tiên được triển khai ở New Zealand và Úc Hướng hỗ trợ chính cho sự phát triển năng lượng gió ở Úc là mô hình chứng nhận xanh Ở Trung Quốc và Ấn Độ, công suất đặc trưng của tuabin gió vào khoảng 300 – 600 kw; tuy nhiên, vài tuabin megawatt cũng được lắp đặt Ở Úc, Nhật và New Zealand, chủ yếu dùng loại 1 – 1.5 MW

 Trung Đông và Châu Phi

Sự phát triển năng lượng gió ở Châu Phi rất chậm Hầu hết các dự án yêu cầu hỗ trợ tài chính từ Quốc tế và các tổ chức, và có giới hạn vùng hỗ trợ Dự án được lên kế hoạch ở Ai Cập, nơi cơ quan nhà nước cho năng lượng mới và tái tạo (NREA – New and Renewable Energy Authority) muốn xây dựng dự án 600 kW gần thành phố Zafarana Một dự án cũng đang được lên kế hoạch ở Morocco cũng như ở Jordan (25 MW) Công suất đặc trưng của tuabin gió dùng trong những vùng này vào khoảng 300 kW, nhưng cũng có kế hoạch dùng tuabin 500 – 600 kW cho những

Philippines 25 0 25

Bảng 2.6: Tổng công suất lắp đặt Trung Đông và Châu Phi (MW) vào cuối năm

2005 – đầu năm 2006 – cuối năm 2006

2.2.3 Tình hình phát triển năng lượng gió trong nước

Trước những thách thức về tình trạng thiếu điện và ứng phó hiệu quả với biến đổi khí hậu trong những năm tiếp theo thì kế hoạch phát triển “Điện Xanh” từ các nguồn năng lượng tái tạo là một giải pháp khả thi nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường Gần đây, chính phủ Việt Nam đã xác định rõ các mục tiêu trong định hướng phát triển dạng “Điện Xanh” này Trong đó, năng lượng gió

được xem như là một lĩnh vực trọng tâm, do Việt Nam được xem là nước có giàu tiềm năng nhất trong khu vực Đông Nam Á

2.2.3.1 Tiềm năng năng lượng gió

Một số nghiên cứu đánh giá cho thấy Việt Nam có tiềm năng gió để phát triển các

dự án điện gió với quy mô lớn là rất khả thi Bản đồ tiềm năng gió của Ngân hàng Thế giới (Worldbank, 2001) được xây dựng cho bốn nước trong khu vực Đông Nam

Á (gồm: Việt Nam, Cam-pu-chia, Lào, và Thái Lan) dựa trên phương pháp mô phỏng bằng mô hình số trị khí quyển(Bảng 2.7) Theo kết quả từ bản đồ năng lượng gió này, tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam là lớn nhất so với các nước khác trong khu vực, với tiềm năng năng lượng gió lý thuyết lên đến 513.360 MW[8].Những khu vực được hứa hẹn có tiềm năng lớn trên toàn lãnh thổ là khu vực ven biển và cao nguyên miền nam Trung Bộ và Nam Bộ Tuy nhiên, các kết quả môphỏng này được đánh giá là khá khác biệt so với kết quả tính toán dựa trên

số liệu quan trắc của EVN, sự khác biệt này có thể là do sai số tính toán mô phỏng

Bảng 2.7: Tiềm năng năng lượng gió ở Đông Nam Á[8]

Năm 2007, EVN cũng đã tiến hành nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió, xác định các vùng thích hợp cho phát triển điện gió trên toàn lãnh thổ với công suất kỹ thuật

1.785 MW Trong đó miền Trung Bộ được xem là có tiềm năng gió lớn nhất cả nước với khoảng 880 MW tập trung ở hai tỉnh Quảng Bình và Bình Định, tiếp đến vùng có tiềm năng thứ hai là miền Nam Trung Bộ với công suất khoảng 855 MW, tập trung ở hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận Ngoài ra, Bộ Công thương và Ngân hàng Thế giới (2010) đã tiến hành cập nhật thêm số liệu quan trắc (đo gió ở 3 điểm) vào bản đồ tiềm năng gió ở độ cao 80 m cho Việt Nam Kết quả cho thấy tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 80 m so với bề mặt đất là trên 2.400 MW (tốc độ gió trung bình năm trên 7 m/s) Cho đến nay chưa có một nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió cho riêng Việt Nam một cách sâu rộng do thiếu số liệu quan trắc phục vụ phát triển điện gió Gần đây, trong khuôn khổ hợp tác giữa Bộ Công thương (MoIT) và Dự án Năng lượng Gió GIZ (Hợp tác Phát triển Đức GIZ) (gọi tắt, Dự án Năng lượng Gió GIZ/MoIT)[9], một chương trình đo gió tại 10 điểm trên độ cao 80m đang được tiến hành tại các tỉnh cao nguyên và duyên hải Trung Bộ (đo ở 3 độ cao 80, 60, và 40 m

so với bề mặt đất) Áp dụng các tiêu chuẩn IEC 61400-12 trong suốt quá trình đo gió, dự án này được mong đợi sẽ cung cấp dữ liệu gió có tính đại diện cho các vùng

có tiềm năng gió của Việt Nam để phục vụ cho phát triển điện gió trong thời gian tới Ngoài ra, các báo cáo về quy trình và tiêu chuẩn lắp đặt cột đo gió cũng đang được hoàn thiện và sẽ là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhà phát triển điện gió nói chung

2.2.3.2 Các dự án điện gió hiện nay

Cho đến nay, có khoảng 48 dự án điện gió đã đăng ký trên toàn bộ lãnh thổ Việt Nam, tập trung chủ yếu ở các tỉnh miền Trung và Nam bộ, với tổng công suất đăng

ký gần 5.000 MW, quy mô công suất của các dự án từ 6 MW đến 250 MW Tuy nhiên, hiện nay do suất đầu tư của dự án điện gió vẫn còn khá cao, trong khi giá mua điện gió là khá thấp 1.614 đồng/ kWh (tương đương khoảng 7,8 UScents/ kWh) theo Quyết định số 37/2011/QĐ-TTg12, cao hơn 310 đồng/ kWh so với mức giá điện bình quân hiện nay là 1.304 đồng/ kWh, được xem là chưa hấp dẫn các nhà đầu tư điện gió trong và ngoài nước Do vậy, cho đến nay mới chỉ duy nhất một dự

án điện gió ở Xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận là hoàn thiện giai