Phân tích, tính toán các chế độ vận hành khi kết nối nhà máy điện gió Mũi Dinh vào lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận

Cụ thể sẽ liên quan đến nhiều vần đề, trong đó có: Trào lưu công suất trên lưới điện Lượng công suất dự phòng để đảm bảo ổn định hệ thống Ngắn mạch trên lưới điện Ổn định của hệ thống

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

, TRẦN MINH SƠN

PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH KHI KẾT NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ MŨI DINH VÀO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐINH THÀNH VIỆT

Phản biện 1: PGS.TS NGÔ VĂN DƯỠNG

Phản biện 2: PGS.TS VÕ NGỌC ĐIỀU

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành kỹ thuật điện họp tại Trường

Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 10 năm 2017

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Tiềm năng về năng lượng tái tạo là vô tận, nhằm giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch và bảo vệ môi trường nên các Quốc gia trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng năng lượng tái tạo vào phục vụ đời sống, phát triển kinh tế xã hội, trong đó có năng lượng Gió dùng để phát điện

Đối với nước ta việc Quy hoạch điện lực Quốc gia giai đoạn

2011 – 2020 có xét đến năm 2030 đã nêu rõ về việc ưu tiên phát triển nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo Theo đó, đưa tổng công suất nguồn điện gió từ mức 140 MW như hiện nay lên 800 MW vào năm

2020 và 6000 MW vào năm 2030 Đây là chủ trương lớn của chính phủ Việt Nam về phát triển các nguồn năng lượng tái tạo và có tính khả thi cao

Theo Viện năng lượng, Việt Nam được đánh giá là Quốc gia

có tiềm năng phát triển năng lượng gió Số liệu đánh giá về tiềm năng năng lượng gió có sự dao động khá lớn, từ 1.800MW đến trên 9.000MW, thậm chí trên 100.000MW và tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam tập trung nhiều nhất tại vùng duyên hải miền Trung, miền Nam, Tây Nguyên và các đảo (trong đó có tỉnh Ninh Thuận) Hiện nay, Tỉnh Ninh Thuận: có 13 dự án xây dựng nhà máy điện gió qui mô công nghiệp đang được nghiên cứu triển khai, trong

đó có Nhà máy điện gió Mũi Dinh (37,6 MW) đã được khởi công xây dựng tháng 8/2016 Tổng công suất giai đoạn 1 đến năm 2020 của 13 dự án trên là 277 MW

Từ chủ trương lớn của Chính phủ đã tạo sự phát triển nguồn năng lượng tái tạo và cụ thể là điện gió đã góp phần hình thành các nhà máy điện gió tại Bạc Liêu, Bình Thuận và Ninh Thuận,…Vì vậy,

nguồn điện từ các dạng năng lượng này sẽ được hòa lưới điện quốc gia Tuy nhiên, nguồn năng lượng này hoàn toàn phụ thuộc vào điều kiện thời tiết tự nhiên và có tính ổn định không cao Do đó, khi đấu nối vào hệ thống điện quốc gia sẽ có những ảnh hưởng nhất định đến lưới điện tại địa phương Cụ thể sẽ liên quan đến nhiều vần đề, trong

đó có:

Trào lưu công suất trên lưới điện

Lượng công suất dự phòng để đảm bảo ổn định hệ thống Ngắn mạch trên lưới điện

Ổn định của hệ thống điện

Hệ thống bảo vệ về cơ và điện

Chất lượng điện năng

Chính vì vậy, Đề tài nghiên cứu “Phân tích, tính toán các chế

độ vận hành khi kết nối nhà máy điện gió Mũi Dinh vào lưới điện

2 Mục đích nghiên cứu:

- Phân tích và đánh giá tác động của nhà máy điện gió đến các thông số vận hành của lưới điện trong các chế độ xác lập đặc trưng được lựa chọn

- Đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo chất lượng

điện năng, tổn thất điện năng, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, khi có kết nối với nguồn điện gió

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

3.1 Đối tượng nghiên cứu:

Năng lượng gió dùng để phát điện

Nhà máy điện gió Mũi Dinh 37,6 MW

Lưới 110 KV tỉnh Ninh Thuận và 2 xuất tuyến 22 kV (471 NT1 và 473 NT1) thuộc lộ ra trạm 110 kV Ninh Thuận 1

3.2 Phạm vi nghiên cứu:

Phân bổ công suất trong lưới điện, chất lượng điện năng, độ tin cậy,… các ảnh hưởng của nhà máy điện gió Mũi Dinh đến lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận

4 Phương pháp nghiên cứu:

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình thực tế của lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận và nhà máy điện gió Mũi Dinh

để phục vụ các tính toán minh họa Sử dụng phần mềm Etap để mô phỏng khoanh vùng phạm vi ảnh hưởng của nhà máy điện gió đến lưới điện và tính toán các thông số vận hành của lưới điện trong các chế độ xác lập đặc trưng Các số liệu được thu thập và cập nhật liên tục từ các nghiên cứu, các dự án điện gió đã và đang thực hiện tại Việt Nam có đấu nối với lưới điện

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

Ý nghĩa khoa học: Phân tích tính toán từng chế độ vận hành

của hệ thống lưới điện ứng với các kịch bản phát khác nhau của turbine gió từ đó lựa chọn chế độ phát đặc trưng trong năm để đánh giá tác động của nhà máy điện gió đến lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận Đề xuất giải pháp để đảm bảo chất lượng điện năng, tổn thất điện năng và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi hệ thống Nhà máy điện gió bị sự cố

Ý Nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu, đề xuất các yêu cầu kỹ thuật

đấu nối nhà máy điện gió vào lưới điện Việt Nam nhằm đảm bảo các điều kiện vận hành Phân vùng và đánh giá tác động của nhà máy điện gió đến các thông số vận hành của lưới điện thực tế

6 Cấu trúc của luận văn:

Ngoại trừ phần mở đầu và kết luận, cấu trúc của đề tài gồm 3 chương, cụ thể như sau:

- Chương 1- Tổng Quan về điện sản xuất từ năng lượng gió và

lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận

- Chương 2- Giới thiệu phần mềm mô phỏng

- Chương 3- Tính toán, phân tích ảnh hưởng đến chế độ vận

hành khi kết nối nhà máy điện gió vào lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN SẢN XUẤT TỪ NĂNG LƯỢNG GIÓ

VÀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TỈNH NINH THUẬN

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN GIÓ

1.1.1 Mô hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

1.1.2 Kỹ thuật và công nghệ khai thác năng lượng trong gió

1.1.3 Hệ số công suất của Turbine gió

1.1.4 Sự ảnh hưởng của cấu trúc hình học đến hế số công suất C p

1.1.5 Thành phần cấu tạo của hệ máy phát điện sử dụng sức gió

1.1.5.1 Cấu tạo của một hệ máy phát điện sức gió

1.1.5.2 Các loại turbine gió

1.1.6 Máy phát trong hệ thống turbine gió

1.1.7.3 Bộ Capacitor bank (Tụ điện)

1.1.8 Các phương pháp điều khiển máy phát tuabin gió

1.1.8.1 Điều khiển cực đại hóa công suất

Để tối ưu các hệ số làm việc của turbine gió, tốc độ của rotor

phải được điều khiển phù hợp với mỗi vận tốc gió đầu vào nhằm đạt

được mối quan hệ Pb – Cp:

1.1.8.2 Điều khiển tốc độ

Có 2 cách để điều khiển tốc độ như sau:

 Thay đổi số cặp cực của máy phát cảm ứng:

 Điều khiển tốc độ thông qua hộp số (gear box):

1.1.8.3 Điều khiển Pitch

1.1.8.4 Điều khiển stall-control (điều khiển cố định)

1.1.8.5 Điều khiển active stall control

1.1.9 Các mô hình kết nối tổ máy turbine gió với lưới điện hiện nay

1.1.9.1 Mô hình kết nối trực tiếp máy phát với lưới điện (loại 1) 1.1.9.2 Mô hình máy phát kết nối lưới điện sử dụng phương thức thay đổi điện trở mạch rotor (loại 2)

1.1.9.3 Mô hình kết nối máy phát điện cảm ứng nguồn kép với lưới điện (loại 3)

1.1.9.4 Mô hình máy phát kết nối lưới điện thông qua bộ biến đổi

tỉ lệ đầy đủ (loại 4)

1.2 KHÁI QUÁT TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ

ĐỂ PHÁT ĐIỆN TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

1.2.1 Tình hình phát triển điện gió trên thế giới

1.2.2 Hiện trạng phát triển điện gió tại Việt Nam

1.3 TIỀM NĂNG PHÁT TRIỂN ĐIỆN GIÓ TẠI TỈNH NINH THUẬN

1.3.1 Đặc điểm khí hậu tỉnh Ninh Thuận

1.3.2 Tiềm năng phát triển điện Gió tại tỉnh Ninh Thuận

Tính đến tháng 6/2017, đã có 13 dự án điện gió với tổng công suất đăng ký đầu tư, đề nghị lắp đặt là 1.068 MW (giai đoạn đầu 277 MW) được UBND tỉnh chấp thuận chủ trương khảo sát nghiên cứu Đến 2020, dự kiến công suất lắp đặt đạt khoảng 220 MW với sản lượng điện gió tương ứng là 482 triệu kWh Theo tài liệu của Ngân hàng Thế giới, tiềm năng gió tỉnh Ninh Thuận, nhiều nhất ở các huyện Ninh Phước, Thuận Nam, kế đó là Phan Rang – Tháp Chàm, Thuận Bắc, Ninh Hải

Tổng công suất phong điện tiềm năng có thể lắp đặt trên địa bàn Ninh Thuận ước khoảng 10.447 MW

1.4 GIỚI THIỆU NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ MŨI DINH

1.4.2 Phân tích dữ liệu đo gió tại điểm đặt Nhà máy điện Gió

Tốc độ gió bình quân tại độ cao 60m đạt mức 6,7 m/giây Tốc

độ gió tối đa đạt 9.43m/giây (tháng 1), và thấp nhất vào tháng 9 với vận tốc 4.53 m/giây

1.4.3 Quy trình công nghệ sản xuất của nhà máy điện gió 1.4.4 Thông số kỹ thuật của turbine E.92-2,35MW- Enercon

Bảng 1.1 số kỹ thuật của turbine E.92-2,35MW, hãng Enercon

1.4.5 Sơ đồ nguyên lý của tuabin gió tại Nhà máy điện gió Mũi Dinh

1.4.6 Kết nối với hệ thống điện quốc gia trạm 110kV

1.4.7 Hệ thống đường dây cáp 22 kV

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Năng lượng gió đã và đang dần trở thành nguồn năng lượng sạch vô cùng quan trọng trên thế giới Với các tiến bộ vượt bậc trong công nghệ, hiện nay các nhà sản xuất đã chế tạo được loại turbine gió

có công suất ngày càng lớn với giá thành giảm dần, đặc tính kinh tế

kỹ thuật ngày càng tốt hơn có thể cạnh tranh được với nguồn năng lượng truyền thống, hứa hẹn đem lại sự phát triển nhanh hơn cho ngành công nghiệp này trong tương lai

Ninh Thuận là tỉnh có tiềm năng năng lượng gió lớn, có khả năng phát triển phong điện với qui mô công nghiệp tại hầu hết các huyện/thành phố Trong đó huyện Ninh Phước, Thuận Nam có nhiều tiềm năng để phát triển điện gió với quy mô công nghiệp, kế đó là huyện Thuận Bắc, Ninh Hải

NMĐG Mũi Dinh lựa chọn turbine của hãng Enercon (Đức) là một trong những hãng sản xuất turbine gió lớn nhất thế giới với nhiều năm liền thống trị thị trường Châu Âu và Thế Giới, cung cấp rất nhiều loại và kích cỡ turbine khác nhau, dòng sản phẩm E.92 với công suất 2,35 MW được đánh giá là phù hợp nhất với điều kiện Gió

và khí hậu tỉnh Ninh Thuận

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG

2.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN PHẦN MỀM ETAP

2.1.1 Giao diện ETAP

2.1.2 Tính toán trào lưu công suất trong Etap

2.1.3 Module tính toán trào lưu công suất trong Etap

2.1.4 Giới thiệu các chức năng cửa sổ Edit Study Case

2.1.4.1 Trang Infor

2.1.4.2 Trang loading

2.1.4.3 Trang Alert

2.2 ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ETAP ĐỂ TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH LƯỚI ĐIỆN MẪU KHI CÓ KẾT NỐI VỚI NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ

2.2.1 Các kịch bản, trường hợp phân tích, đánh giá

2.2.1.1 Trường hợp 1: Khi chưa tích hợp WF

2.2.1.2 Trường hợp 2: Khi WF phát công suất lớn nhất, phụ tải cực đại (max-max)

2.2.1.3 Trường hợp 3: Khi WF phát công suất là lớn nhất, phụ tải cực tiểu (max-min)

2.2.1.4 Trường hợp 4: Khi WF phát công suất cực tiểu, phụ tải cực đại (min_max)

2.2.2 Phân tích, nhận xét các trường hợp mô phỏng nêu trên: 2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Phần mềm Etap là phần mềm chuyên dụng trong việc mô phỏng phân tích hệ thống điện, đặc biệt có nhiều ưu điểm trong việc tích hợp sẵn các công cụ để mô phỏng phân tích lưới điện khi có sự kết nối với nhà máy điện gió

Áp dụng phần mềm Etap để mô phỏng phân tích lưới điện mẫu đơn giản gồm 4 nút có kết nối với nhà máy điện gió, từ đó có những phân tích, đánh giá nhận xét rút ra kết luận, nhằm mục đích có cơ sở

để áp dụng phân tích lưới điện thực tế phức tạp hơn nhiều

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH KHI KẾT NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ MŨI DINH VÀO

LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TỈNH NINH THUẬN

Trong chương này sẽ khảo sát ảnh hưởng của NMĐG đến các thông số vận hành của lưới điện được kết nối trong các chế độ ngày đặc trưng Các chế độ đặc trưng được lựa chọn để khảo sát là: chế độ NMĐG phát công suất cực đại, chế độ NMĐG phát công suất cực tiểu và chế độ khi NMĐG ngừng hoạt động Để mô phỏng tương ứng với các chế độ phát của NMĐG là các chế độ vận hành của lưới điện

ở ba chế độ đặc trưng của phụ tải là: cực đại, bình thường và cực tiểu

3.1 CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH CỦA LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TỈNH NINH THUẬN KHI CHƯA CÓ KẾT NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ MŨI DINH

3.1.1 Đặc điểm phụ tải tỉnh Ninh Thuận

Bảng 3.17 So sánh tổn thất công suất giữa các chế độ trên các phần

Tổn thất công suất (kW)

Công suất (kW)

Tổn thất công suất (kW)

Công suất (kW)

Tổn thất công suất (kW)

Khi chưa có sự tham gia nhà máy điện gió Mũi Dinh thì tổn thất công suất trên đường dây 110 kV tỉnh Ninh Thuận và 02 xuất tuyến lộ ra 22 kV thuộc trạm 110 kV Ninh Thuận 1 là ở chế độ vận hành phụ tải cực đại ∆P =781 kW, chiếm tỷ lệ 0,77%; chế độ vận hành phụ tải cực tiểu ∆P =779 kW, chiếm tỷ lệ 1,22% và chế độ vận hành phụ tải trung bình ∆P =699 kW, chiếm tỷ lệ 0,81% Như vậy trong chế độ vận hành phụ tải cực tiểu tỷ lệ tổn thất công suất lớn hơn các chế độ còn lại là vì ở chế độ vận hành này phần lớn công suất phát được của hai nguồn phát ở khu vực Ninh Sơn và Ninh Phước cấp dư cho phụ tải địa phương nên phải chuyển phần lớn công suất dư ấy đến các khu vực phụ tải ở xa hơn nên trào lưu công suất được phân bổ lại theo hướng bất lợi về tổn thất công suất.

Tất cả các nút ở tất cả các chế độ vận hành đều duy trì độ lệch điện áp trong phạm vi cho phép ±5% Uđm

3.2 PHÂN TÍCH CÁC CHẾ ĐỘ PHÁT CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ MŨI DINH ĐỐI VỚI TỪNG CHẾ ĐỘ PHỤ TẢI CỦA LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TỈNH NINH THUẬN

Bảng 3.19 Các kịch bản mô phỏng ứng với các chế độ vận hành

Trường

hợp

Kịch bản mô phỏng Các chế độ phát của WF Chế độ tải

Tóm tắt tổng hợp các kết quả phân bổ công suất, tổn thất công suất và điện áp tại các nút khi có kết nối với NMĐG Mũi Dinh trong các chế độ vận hành được cho ở Bảng 3.24

Bảng 3.24 So sánh tổn thất công suất và điện áp tại các nút 110 kV

Ninh Hai

Ninh Phuo

c

Nin

h Son

Ninh Thua

n 1

Thap Cham

Tha

p Cha

 Đường dây 110 kV ThapCham2–ThapCham chuyển tải công suất nặng nề nhất là 47,72 MW (tương ứng 54% Icp) theo chiều công suất phát ngược về hệ thống điện quốc gia ở chế độ NMĐG phát công suất cực đại và lưới điện vận hành ở chế độ phụ tải cực tiểu với lượng tổn thất công suất trên đường dây là 681 kW, trong

khi đường dây này chỉ chuyển tải 10,91 MW (tương ứng 12,2% Icp) theo chiều ngược lại nhận điện nguồn từ hệ thống xuống ở chế độ NMĐG Mũi Dinh phát công suất cực tiểu và lưới điện vận hành ở chế độ phụ tải cực đại với lượng tổn thất công suất trên đường dây là 34,01 kW

 Các đường dây còn lại không có sự ảnh hưởng biến động lớn về sự mang tải ứng với các chế độ phát khác nhau của NMĐG Mũi Dinh, hầu hết các đường dây đều dư khả năng tải, hoạt động dưới 50% khả năng tải của đường dây

 Trong các chế độ vận hành NMĐG Mũi Dinh thì khi NMĐG Mũi Dinh phát công suất cực đại thì điện áp tại các nút của lưới điện 110 kV tỉnh Ninh Thuận sẽ được cải thiện cao hơn trường hợp NMĐG Mũi Dinh phát công suất cực tiểu, tuy nhiên sự chênh lệch điện áp tại các nút giữa các chế độ là không đáng kể, tất cả các chế độ phụ tải khi có nhà máy điện gió tham gia phát công suất đều vận hành duy trì trong giới hạn cho phép từ 95% đến 105% Uđm, độ lệch điện áp giữa các nút 110 kV lưới điện tỉnh Ninh Thuận đều nằm trong phạm vi cho phép ±5% Uđm

 Trong các kịch bản mô phỏng thì khi NMĐG Mũi Dinh phát công suất cực đại và phụ tải của lưới điện ở chế độ cực tiểu thì tổn thất công suất trên lưới điện phân phối 110 kV tỉnh Ninh Thuận và lộ ra 22

kV thuộc trạm 110 kV Ninh Thuận 1 có ∆P =2.037,4 kW, chiếm tỷ lệ 3,13% công suất phát toàn lưới, cao hơn tất các trường hợp mô phỏng còn lại, lý do: phụ tải địa phương thuộc lộ ra 22 kV sau thanh cái C41_NinhThuan1 gần NMĐG Mũi Dinh sử dụng không hết lượng công suất phát của nhà máy điện gió nên phải chuyển phần lớn công suất còn lại về hệ thống điện quốc gia nên trào lưu công suất được phân bổ lại theo hướng bất lợi về tổn thất công suất