Ảnh hưởng của nguồn phân tán phong điện tới các thông số của lưới điện

Đó là sự kết nối phong điện vào lưới điện có thể làm thayđổi dòng công suất trên lưới, ảnh hưởng tới tổn thất điện áp và tổn thất công suấttrên lưới, ảnh hưởng tới dòng sự cố và độ tin c

để tôi hoàn thành luận văn này.

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, phòng Đào tạo sau đại học đã tạomọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong quá tình học tập và nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, những người đã luôn cổ vũ, động viên vàgiúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này

Sau cùng tôi xin dành tình cảm và lòng biết ơn vô hạn tới gia đình đã chia sẻnhững thuận lợi cũng như khó khăn trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 25 tháng 09 năm 2013

Học viên

Nguyễn Chí Công

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này lànhững nghiên cứu của riêng cá nhân tôi Các số liệu thống kê, báo cáo, các tài liệukhoa học trong luận văn được sử dụng của các công trình khác đã nghiên cứu, đượcchú thích đầy đủ, đúng quy định

Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 2013

Tác giả luận văn

Nguyễn Chí Công DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CC : Cầu chì

CSC : Chuyển đổi nguồn dòng

DC : Điện một chiều

DG : Nguồn điện phân tán

DFIG : Máy phát điện cảm ứng nguồn kép

FCL : Thiết bị hạn chế dòng sự cố

HVG : Máy phát điện cao áp

LPP : Lưới điện phân phối

MBA : Máy biến áp

OSIG : Máy phát điện cảm ứng optislip

PMSG : Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

PM : Nam châm vĩnh cửu

PMW : Điều chế độ rộng xung

SCIG : Máy phát điện cảm ứng roto lồng sóc

SRG : Máy phát điện chuyển đổi từ hóa

TĐL : Thiết bị tự động đóng lại

TF : Nguyên tắc ngang dòng

TFG : Máy phát điện ngang dòng

VSC : Chuyển đổi nguồn áp

WRIG : Máy phát điện cảm ứng roto dây quấn

WRSG : Máy phát điện đồng bộ roto dây quấn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Lịch sử nghiên cứu 2

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2

3.1 Mục đích nghiên cứu 2

3.2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 3

4 Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

5.1 Khái niệm các phương pháp nghiên cứu 4

5.1.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 4

5.1.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 4

5.1.3 Phương pháp nghiên cứu phi thực nghiệm 4

5.2 Lựa chọn phương pháp nghiên cứu 4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PHONG ĐIỆN VÀ LƯỚI ĐIỆN 5

1.1 TỔNG QUAN VỀ PHONG ĐIỆN 5

1.1.1 Gió và sự hình thành gió 5

1.1.2 Lịch sử phát triển phong điện 5

1.1.3 Tình hình ứng dụng phong điện trên thế giới 8

1.1.4 Tình hình ứng dụng phong điện ở Việt Nam 9

1.1.4.1 Tiềm năng năng lượng gió 9

1.1.4.2 Các dự án điện gió hiện nay 10

1.1.4.3 Các nhà cung cấp thiết bị điện gió ở Việt Nam 12

1.2 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN 13

1.2.1 Các khái niệm 13

1.2.2 Sơ đồ lưới điện phân phối 14

1.2.3 Các yêu cầu của lưới điện phân phối 15

1.3 KẾT LUẬN 16

CHƯƠNG II: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ17 2.1 TỔNG QUAN VỀ TUABIN GIÓ 17

2.1.1 Một số khái niệm về tuabin gió 17

2.1.2 Cấu tạo tuabin gió 19

2.1.3 Các dạng tuabin gió 21

2.2 CÁC LOẠI CẤU HÌNH TUABIN GIÓ VÀ PHƯƠNG PHÁP KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN .24

2.2.1 Tốc độ hoạt động của tuabin gió 24

2.2.1.1 Tuabin gió có tốc độ cố định (Fixed-speed wind turbines) 24

2.2.1.2 Tuabin gió tốc độ thay đổi (Variable-speed wind turbines ) 24

2.2.2 Tổng quan về các loại điều khiển điện năng 25

2.2.3 Các loại cấu hình tuabin gió và phương pháp kết nối lưới 26

2.2.3.1 Kết nối loại A: tốc độ cố định (fixed speed) 28

2.2.3.2 Kết nối theo loại B: thay đổi tốc độ hạn chế (limited variable speed) .30 2.2.3.3 Kết nối theo loại C: thay đổi tốc độ với bộ chuyển đổi tần số từng phần (variable speed with partial scale frequency converter ) 31

2.2.3.4 Kết nối theo loại D: thay đổi tốc độ với bộ chuyển đổi tần số đầy đủ tỉ lệ (variable speed with full-scale frequency converter ) 32

2.2.4 Xu thế thị trường của các cấu hình tuabin gió 32

2.3 MÁY PHÁT ĐIỆN VÀ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHO TUABIN GIÓ 33

2.3.1 Máy phát trong hệ thống tuabin gió 33

2.3.1.1 Máy phát điện không đồng bộ 34

2.3.2 Điện tử công suất hiện đại 42

2.4 KẾT LUẬN 46

CHƯƠNG III: ẢNH HƯỞNG CỦA PHONG ĐIỆN TỚI CÁC THÔNG SỐ CỦA LƯỚI ĐIỆN 47

3.1 TỔNG QUAN 47

3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA PHONG ĐIỆN TỚI CÁC THÔNG SỐ CỦA LƯỚI 48

3.2.1 Nhấp nháy hay dao động điện áp 48

3.2.2 Sóng hài 54

3.2.3 Sự suy giảm nhanh điện áp 58

3.2.4 Sự gia tăng điện áp 59

3.2.5 Công suất phản kháng 60

3.2.6 Các vấn đề về bảo vệ lưới điện 61

3.2.6.1 Mức dòng ngắn mạch 62

3.2.6.2 Thay đổi phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ 63

3.2.6.3 Máy cắt không mong muốn 65

3.2.6.4 Tác động đến sự làm việc của tự động đóng lại 65

3.2.6.5 Thay đổi vùng tác động của rơle bảo vệ 68

3.2.6.6 Các biện pháp hạn chế ảnh hưởng của tuabin gió trong chế độ sự cố điện 68

3.3 KẾT LUẬN 69

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ TỚI CÁC THÔNG SỐ CỦA LƯỚI BẰNG MATLAB/SIMULINK® 70

4.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ CÓ TRONG MATLAB/SIMULINK® 70

4.1.1 Tổng quan về matlab/simulink® 70

4.1.2 Các phương pháp mô phỏng tuabin gió trong Matlab/Simulink® 71

4.1.3 Các khối chức năng cơ bản 72

4.1.4 Các mô hình mô phỏng 74

4.1.4.1 Mô hình cánh đồng gió sử dụng cấu hình DFIG (Mô hình chi tiết) .74

4.1.4.2 Mô hình cánh đồng gió sử dụng cấu hình DFIG (Mô hình phasor) .75

4.2 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN PHÂN TÁN PHONG ĐIỆN TỚI CÁC THÔNG SỐ CỦA LƯỚI QUA KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 76

4.2.1 Nhấp nháy hay dao động điện áp 76

4.2.2 Sóng hài 79

4.2.3 Sự suy giảm nhanh điện áp 79

4.2.4 Sự gia tăng điện áp 81

4.2.5 Công suất phản kháng 83

4.2.6 Bảo vệ lưới điện 83

4.3 KẾT LUẬN 85

KẾT LUẬN 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 80 m so với bề mặt đất 10

Bảng 2.1 Các cấu hình tuabin gió khác nhau 28

Bảng 2.2 Ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng thiết bị điện tử công suất 43

Bảng 2.3 Thiết bị chuyển mạch: phạm vi hoạt động và đặc điểm 45

Bảng 3.1 Mức độ nhấp nháy quy hoạch và phát thải cho điện áp trung bình (MV) và điện áp cao (HV) 53

Bảng 3.2 Quy định về giới hạn méo sóng hài điện áp cho phép cho từng cấp điện áp theo IEC-61000-3-6 56

Bảng 4.1: Độ méo hài THD 79

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Tuabin gió đầu tiên của James Blyth 6

Hình 1.2: Tổng công suất điện gió trên thế giới từ 1996-2012 8

Hình 1.3: Giá điện gió của một số nước từ 1993-2007 8

Hình 1.4 Lưới điện phân phối hình tia không phân đoạn 14

Hình 1.5 Lưới điện phân phối hình tia có phân đoạn 15

Hình 1.6 Lưới điện phân phối kín vận hành hở 15

Hình 2.1 Minh họa định luật Betz 17

Hình 2.2 Đường cong công suất lý tưởng của tuabin gió 19

Hình 2.3 Cấu tạo của tuabin gió 20

Hình 2.4 Cấu tạo một cánh đón gió của tuabin gió 20

Hình 2.5 Tuabin gió trục đứng 22

Hình 2.6 Tuabin gió trục ngang 23

Hình 2.7 Cấu hình gió tuabin tiêu biểu 27

Hình 2.8 Kết nối lưới của máy máy phát điện lồng sóc cảm ứng (SCIG = squirrel cage induction generator) 28

Hình 2.9 Kết nối lưới của máy phát điện cảm ứng roto dây quấn có thể thay đổi điện trở roto (WRIG = wound roto induction generator) 30

Hình 2.10 Kết nối lưới của máy máy phát điện cảm ứng roto dây quấn (WRIG = wound roto induction generator) 31

Hình 2.11 Kết nối lưới của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

(PMSG = permanent magnet synchronous generator) 32

Hình 2.12 Tỷ lệ công suất lắp đặt của các loại cấu hình tuabin gió từ 2000-2009.33 Hình 2.13 Các loại chuyển đổi năng lượng tự chuyển mạch cho tuabin gió: (a) bộ chuyển đổi nguồn dòng và (b) bộ chuyển đổi nguồn áp Sao chép từ S Heier năm 1998, mạng lưới tích hợp hệ thống chuyển đổi năng lượng gió, bởi John Wiley & Sons Ltd 46

Hình 3.1 Đường tỉ lệ thay đổi điện áp và số lần thay đổi điện áp một trong phút.

48

Hình 3.2 Dao động công suất đầu ra của tuabin gió tốc độ cố định (loại A)… 50

Hình 3.3 Nhấp nháy của tuabin gió tốc độ cố định (loại A) theo công suất tác dụng 50

Hình 3.4 Công suất đầu ra của một tuabin gió tốc độ thay đổi 51

Hình 3.5 Cắt trong (a) một tuabin gió tốc độ cố định (loại A) và(b) một tuabin gió tốc độ thay đổi(loại C và D) 52

Hình 3.6 Phát hiện sóng hài của một tuabin gió tốc độ thay đổi mà biến tần có

(a) một tần số đồng hồ cố định và (b) một tần số đồng hồ thay đổi 55

Hình 3.7 Điện áp nút tăng lên tại nút có đấu nối tuabin gió 59

Hình 3.8 Mạch tương đương 63

Hình 3.9 Ảnh hưởng của DG tới sự phối hợp giữa các bảo vệ 64

Hình 3.10 Sự phối hợp giữa TĐL và CC trên lưới điện hình tia 66

Hình 4.1 : Mô phỏng trong simulink 71

Hình 4.2 Mô hình khối tuabin gió và hộp số 72

Hình 4.3 Mô hình khối tính toán độ méo hài 72

Hình 4.4 Mô hình khối điều khiển 73

Hình 4.5 Mô hình khối máy phát DFIG nối lưới 73

Hình 4.6 Mô hình khối máy biến áp 3 pha 2 cuộn dây và mô hình khối đường dây truyền tải 73

Hình 4.7 Mô hình chi tiết cánh đồng gió sử dụng cấu hình DFIG 74

Hình 4.8 Mô hình phasor cánh đồng gió sử dụng cấu hình DFIG 75

Hình 4.9 Các cửa sổ mô tả chất lượng điện áp phát 77

Hình 4.10 Các cửa sổ mô tả chất lượng điện áp tại các thanh cái 77

Hình 4.11 Giản đồ mô tả ảnh hưởng khi tuabin gió hoạt động ở chế độ ổn định công suất phản kháng 78

Hình 4.12 Sự gia tăng điện áp khi tốc độ gió tăng 78

Hình 4.13 Giản đồ kết quả mô phỏng với một võng điện áp ở chế độ ổn định công suất phản kháng 80

Hình 4.14 Giản đồ kết quả mô phỏng với một võng điện áp ở chế độ ổn định điện áp 81Hình 4.15 Giản đồ kết quả mô phỏng ảnh hưởng của tuabin gió tới điện áp trong

chế độ ổn định điện áp 82Hình 4.16 Giản đồ kết quả mô phỏng với lỗi ngắn mạch một pha trên lưới 22 kV ở

chế độ ổn định điện áp 84Hình 4.17 Giản đồ kết quả mô phỏng với lỗi ngắn mạch một pha trên lưới 22 kV ở

chế độ ổn định công suất phản kháng 84

áp với khoảng cách truyền lên tới hàng trăm kilomet Hệ thống này của các nhà máyđiện tập trung có nhiều bất lợi Ngoài các vấn đề khoảng cách truyền dẫn, các hệthống này còn đóng góp vào việc phát thải khí nhà kính, sản xuất chất thải hạt nhân,kém hiệu quả và gây tổn thất điện năng trên đường dây truyền tải dài, ảnh hưởng tớimôi trường nơi các đường dây điện được xây dựng, và các vấn đề liên quan đến bảomật Để giải quyết vấn đề này các nguồn điện phân tán - các nguồn điện được đặt gầnhoặc kết nối trực tiếp với lưới phân phối [1] – ngày càng được sử dụng nhiều.

Mặt khác nhu cầu về năng lượng của con người trong xã hội hiện đại ngàycàng tăng Các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và cảthủy điện đều có hạn khiến cho con người đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng.Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng địa nhiệt,năng lượng gió và năng lượng mặt trời… là hướng đi quan trọng để giải quyết vàđẩy lùi nguy cơ này

Ở các nước phát triển tỉ trọng của các nguồn điện phân tán là nguồn nănglượng mới, các nguồn năng lượng tái tạo có công suất nhỏ kết nối vào lưới ngàycàng tăng Lưới điện Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế đó Trong Quy hoạchPhát triển Điện lực Quốc gia (Tổng Sơ đồ Điện VII) giai đoạn 2011 – 2020 có xétđến 2030 Chính phủ đã đặt ra ưu tiên phát triển nguồn năng lượng tái tạo cho sảnxuất điện nhằm giải quyết triệt để bài toán thiếu điện vẫn đang tồn tại hiện nay Mụctiêu đề ra là tăng tỷ lệ điện năng sản xuất từ nguồn năng lượng này từ mức 3,5%năm 2010 lên 4,5% tổng điện sản xuất vào năm 2020 và đạt 6% vào năm 2030 Đặc

biệt, đưa nguồn điện gió chiếm tỷ trọng từ 0,7% (1.000 MW) năm 2020 lên 2,4%(khoảng 6.200 MW) vào năm 2030 [11].

Cùng với sự xuất hiện của của phong điện trong các lưới điện ở Việt Namcũng kéo theo một số vấn đề phát sinh do bản thân các lưới chưa đáp ứng được sựgia tăng của nguồn và tải Đó là sự kết nối phong điện vào lưới điện có thể làm thayđổi dòng công suất trên lưới, ảnh hưởng tới tổn thất điện áp và tổn thất công suấttrên lưới, ảnh hưởng tới dòng sự cố và độ tin cậy cung cấp điện của lưới…

Vì vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn phân tán phong điện đến cácthông số của lưới điện là rất quan trọng, đặc biệt trong hoàn cảnh hàng loạt dự án vềphong điện đã, đang và sắp được triển khai như: điện gió đảo Phú Quý, điện gió ởBình Thuận, điện gió Bạc Liêu…

và nguồn điện phân tán Điều này sẽ hạn chế tính thực tế và toàn diện của các đề tàinày Đó là chưa kể đến việc có nhiều loại tuabin gió khác nhau với những đặc trưngriêng Để tránh điều này đề tài “Ảnh hưởng của nguồn phân tán phong điện tới cácthông số của lưới điện” sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của phong điện tới lưới điện chủyếu dựa trên đặc điểm cấu tạo của các loại tuabin gió và việc mô phỏng kết nối lướicủa chúng

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

3.1 Mục đích nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài “Ảnh hưởng của nguồn phân tán phong điện tới các thông

số của lưới điện” là tập trung đánh giá các ảnh hưởng của điện gió - một trongnhững loại nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng phát triển nhất ở Việt Nam, hiện

đang được nhà nước ưu tiên phát triển – tới các thông số của lưới Việc đánh giá nàydựa trên việc phân tích các đặc điểm của các loại cấu hình hệ máy phát điện gió và

mô phỏng kết nối lưới Từ đó đề xuất lựa chọn loại cấu hình máy phát điện gió vàđưa ra được một số giải pháp, kiến nghị nhằm phát huy được những ưu điểm vàkhắc phục các nhược điểm của loại nguồn phân tán này

3.2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nguồn phân tán phong điện

Phạm vi nghiên cứu:

 Lịch sử phát triển phong điện, tình hình phát triển phong điện hiện nay

ở Việt Nam và trên thế giới

 Tổng quan về lưới điện

 Các đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động cơ bản của các loại tuabingió Ưu nhược điểm của từng loại

 Ảnh hưởng của phong điện đến các thông số của lưới

 Mô phỏng trang trại gió kết nối lưới

4 Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

 Chỉ ra việc phát triển nguồn điện phân tán phong điện là xu thế tất yếutrên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng

 Trình bày những nguyên lý và đặc điểm cấu tạo của các loại tuabin gió

 Đưa ra và phân tích 6 ảnh hưởng chính của phong điện đến các thông

số của lưới điện và các biện pháp khắc phục

 Mô phỏng được ảnh hưởng của phong điện tới lưới điện

 Kiến nghị lựa chọn cấu hình DFIG (loại C) cho các dự án trong tươnglai gần và xem xét việc sử dụng cấu hình loại D cho các dự án trongtương lai xa để vừa hạn chế các ảnh hưởng xấu của phong điện tớilưới vừa đảm bảo hiệu quả kinh tế

5.Phương pháp nghiên cứu

Trong nghiên cứu khoa học người ta thường sử dụng các phương pháp nghiêncứu sau:

 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

 Phương pháp nghiên cứu phi thực nghiệm

Để lựa chọn phương pháp nghiên cứu “ Ảnh hưởng của nguồn phân tán phongđiện tới các thông số của lưới điện” ta sẽ đi tìm hiểu về các phương pháp này

5.1 Khái niệm các phương pháp nghiên cứu

5.1.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Đây là phương pháp nghiên cứu khoa học được áp dụng trong cả khoa học tựnhiên và khoa học xã hội, bao gồm nhiều nội dung khác nhau như nghiên cứu tưliệu, xây dựng khái niệm, phạm trù, thực hiện các phán đoán, suy luận…và không

có bất cứ quan sát hoặc thực nghiệm nào được tiến hành

5.1.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm là những nghiên cứu được thực hiện bởi những quansát hoặc hiện tượng diễn ra trong những điều kiện có gây biến đổi đối tượng nghiêncứu một cách có chủ định Nghiên cứu thực hiện có thể được thực hiện trên đốitượng thực hoặc trên các mô hình do người nghiên cứu tạo ra với những tham số dongười nghiên cứu khống chế

5.1.3 Phương pháp nghiên cứu phi thực nghiệm

Là một phương pháp nghiên cứu dựa trên sự quan sát, quan trắc những sự kiện

đã hoặc đang tồn tại, hoặc thu thập những số liệu thống kê đã tích lũy Trên cơ sở đóphát hiện quy luật của sự vật hoặc hiện tượng Trong phương pháp này ngườinghiên cứu chỉ quan sát những gì đã và đang tồn tại, không có bất cứ sự can thiệpnào gây biến đổi trạng thái của đối tượng nghiên cứu

5.2 Lựa chọn phương pháp nghiên cứu

Để nghiên cứu có được kết quả chính xác thì việc áp dụng đồng thời nhiềuphương pháp nghiên cứu khác nhau là rất cần thiết Thông qua việc so sánh, đối chiếu

các kết quả nghiên cứu bằng các phương pháp khác nhau ta sẽ rút ra được kết quảnghiên cứu cần tìm Do đó trong đề tài này ta sẽ áp dụng cả ba phương pháp trên.

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHONG ĐIỆN VÀ LƯỚI ĐIỆN

1.1 TỔNG QUAN VỀ PHONG ĐIỆN

1.1.1 Gió và sự hình thành gió

Gió là sự di chuyển của không khí trong bầu khí quyển trái đất Năng lượnggió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển trái đất Đây là mộthình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời

Bức xạ mặt trời chiếu xuống các nơi trên bề mặt trái đất là không đồng đều.Một nửa bề mặt trái đất, mặt ban đêm bị che khuất không nhận được ánh sáng mặttrời và các khu vực gần xích đạo nhận được nhiều hơn các cực Địa hình các nơikhác nhau cũng ảnh hưởng đến khả năng hấp thu bức xạ mặt trời của các địaphương Do đó có sự chênh lệch về nhiệt độ, áp suất không khí giữa các địa phương

và tạo thành gió Trái đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí vàtrục quay của trái đất nghiêng đi so với mặt phẳng do quỹ đạo trái đất tạo thành khiquay quanh mặt trời nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa

1.1.2 Lịch sử phát triển phong điện

Các tuabin gió đầu tiên được sử dụng để chuyển đổi năng lượng khác như cốixay gió, được sử dụng để bơm nước, xay ngũ cốc… được xây dựng vào năm 1887bởi Giáo sư James Blyth của trường Đại học Anderson College, Glassgow (nay làStrathclyde University) Thí nghiệm của Blyth có ba thiết kế tuabin khác nhau vớitrụ cao 10 mét (33 foot), cánh bằng khung gỗ bọc vải, được ông thử nghiệm lắp đặttại khu vườn trong trang trại riêng của ông tại Marykirk - một làng nhỏ thuộc QuậnKincardineshire (một quận nằm trên bờ biển phía đông bắc Scotland) Tuabin gióđầu tiên này đã hoạt động trong suốt 25 năm sau đó Phát minh Blyth đã đánh dấu

buổi bình minh của sự phát triển tuabin gió với đặc trưng là thiết kế cánh quạt gồm

144 cánh đơn làm từ gỗ tùng tuyết, cánh quạt có đường kính quay 17m và tạo racông suất 12kW (hình 1.1)

Hình 1.1: Tuabin gió đầu tiên của James Blyth

Năm 1890 Poul la Cour nhà khoa học người Đan Mạch hoàn chỉnh các thiết kếcủa mình và tuabin gió lần đầu tiên được lắp đại trà tại Đan Mạch với 2.500 chiếc, tổngcông suất ước tính tối đa đạt khoảng 30 MW Các tuabin gió của Poul la Cour khôngnhững chỉ dùng vào sản xuất điện mà còn được sử dụng trong việc sản xuất hydro

Kể từ đó, tuabin gió đã được lắp đặt bởi hàng triệu người trên thế giới, đặc biệt

là ở vùng Trung tây Hoa Kỳ, nơi mà những nông trại đã sử dụng các máy bơm điện

để phục vụ thủy lợi và tưới tiêu Năm 1931, tuabin gió hiện đại đầu tiên có trụcquay nằm ngang đã được đưa vào sử dụng tại Yalta, Liên Xô cũ Đó là một máyphát điện công suất lớn 100 kW được lắp đặt trên một tháp cao 30m, máy phát điệnnày cũng lập kỷ lục về hệ số công suất (tỷ lệ giữa công suất thực tế và công suất tối

đa thiết kế) cho tuabin gió là 32% vào thời điểm đó Năm 1941 lần đầu tiên trên thếgiới một tuabin gió công suất 1.25 MW đã hòa lưới điện tại Grandpa’s Knob thuộcvùng Castleton bang Virgina Hoa Kỳ

Tuabin gió hiện đại đầu tiên được xây dựng ở Đan Mạch khoảng giữa nhữngnăm 1950 Theo Hiệp hội Công nghiệp Gió Đan Mạch (DWIA), 200 tuabin gió hiệuGedser công suất 200 kW được xây dựng vào năm 1956 bởi kỹ sư Johannes Juulcủa công ty Điện lực SEASS trên bờ biển Gedser ở phía nam Đan Mạch Thiết kế

ba cánh gió với cơ cấu tự động điều khiển góc đón gió của tuabin cùng máy phátđiện không đồng bộ của tuabin Gedser theo một cơ quan chức năng nhận xét là một

“thiết kế tiên phong cho các tuabin gió hiện đại, mặc dù cánh quạt với dây chằngtrông có vẻ hơi cổ điển” Hệ thống phanh điều tốc (stall - controlled) của tuabin màJuul phát minh là hệ thống phanh khí động lực được lắp ở đầu chóp tâm cánh quạt

nó được kích hoạt bởi lực ly tâm trong trường hợp tuabin quay quá tốc độ Về cơbản hệ thống của Juul giống như hệ thống điều tốc của các tuabin gió hiện đại ngàynay Tuabin của Juul đã chạy liên tục 11 năm mà không cần bảo dưỡng

Việc sử dụng năng lượng điện gió được thổi một luồng sinh khí mới sau cuộckhủng hoảng dầu lửa thế giới đầu tiên vào năm 1973 Các nước như Đan Mạch,Đức, Thụy Điển, Anh và Mỹ đua nhau thiết kế các tuabin lớn hơn Năm 1979, các

kỹ sư Đan Mạch đã lắp đặt thành công 2 tuabin gió với công suất 630 kW một chiếcvới hệ thống tự động điều khiển góc nghiêng cánh quạt (Pitch - controlled) và hệthống phanh điều tốc (Stall - controlled) hiện đại [13]

Trước những thách thức về tình trạng thiếu điện và ứng phó hiệu quả với biếnđổi khí hậu trong những năm tiếp theo thì kế hoạch phát triển “điện xanh” từ cácnguồn năng lượng tái tạo là một giải pháp khả thi nhằm đảm bảo an ninh nănglượng và bảo vệ môi trường Gần đây, Chính phủ Việt Nam đã xác định rõ các mụctiêu trong định hướng phát triển dạng “điện xanh” này Trong đó, năng lượng gióđược xem như là một lĩnh vực trọng tâm, do Việt Nam được xem là nước có giàutiềm năng nhất trong khu vực Đông Nam Á

1.1.3 Tình hình ứng dụng phong điện trên thế giới

Với các ưu thế của mình, điện gió đang ngày càng được các quốc gia trên thếgiới quan tâm phát triển Điều đó đã được thể hiện rõ qua việc tổng công suất điệngió trên thế giới ngày càng tăng và giá thành sản suất điện gió đang ngày càng giảm

do được đầu tư phát triển công nghệ và quy mô sản suất Cụ thể như hình 1.2 [8]dưới đây cho thấy từ năm 1996 tới năm 2012 tổng công suất điện gió trên thế giới

đã tăng từ 6100 MW lên mức 282430 MW, tức là tăng lên gấp 46,3 lần

Hình 1.2 :Tổng công suất điện gió trên thế giới từ 1996-2012

Hình 1.3:Giá điện giócủa một số nước từ 1993-2007 [14]

Tỷ lệ sản lượng điện từ điện gió tại nhiều nước trên thế giới đang mỗi ngàymột tăng, điển hình là tại Mỹ, kế hoạch phát triển điện gió của Bộ năng lượng Mỹnăm 2030 là 300.000MW tương đương 20% lượng điện tiêu dùng của nước Mỹ

Tại Đức, năm 2010 tỷ lệ điện gió chiếm 7,7% nhưng đến cuối năm 2012 là9,8%, Đức đã có kế hoạch đến năm 2020 lắp đặt 1.200 tuabin điện gió trên biển vớicông suất dự tính là 10.000MW và tăng lên 25.000MW vào năm 2030.

Trong khi đó tại Đan Mạch tỷ lệ điện gió hiện nay là 26% và theo Nhà nướcĐan Mạch thì tỷ lệ này sẽ là 50% vào năm 2020 [5]

1.1.4 Tình hình ứng dụng phong điện ở Việt Nam

Trước những thách thức về tình trạng thiếu điện và ứng phó hiệu quả với biếnđổi khí hậu trong những năm tiếp theo thì kế hoạch phát triển “điện xanh” từ cácnguồn năng lượng tái tạo là một giải pháp khả thi nhằm đảm bảo an ninh nănglượng và bảo vệ môi trường Gần đây, Chính phủ Việt Nam đã xác định rõ các mụctiêu trong định hướng phát triển dạng “điện xanh” này Trong đó, năng lượng gióđược xem như là một lĩnh vực trọng tâm, do Việt Nam được xem là nước có giàutiềm năng nhất trong khu vực Đông Nam Á

1.1.4.1 Tiềm năng năng lượng gió [12]

Một số nghiên cứu đánh giá cho thấy Việt Nam có tiềm năng gió để phát triểncác dự án điện gió với quy mô lớn là rất khả thi Bản đồ tiềm năng gió của Ngânhàng Thế giới (Worldbank, 2001) được xây dựng cho bốn nước trong khu vực ĐôngNam Á (gồm: Việt Nam, Cam-pu-chia, Lào, và Thái Lan) dựa trên phương pháp môphỏng bằng mô hình số trị khí quyển Theo kết quả từ bản đồ năng lượng gió này,tiềm năng năng lượng gió ở độ cao 65 m của Việt Nam là lớn nhất so với các nướckhác trong khu vực, với tiềm năng năng lượng gió lý thuyết lên đến 513.360 MW.Những khu vực được hứa hẹn có tiềm năng lớn trên toàn lãnh thổ là khu vực venbiển 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 liệuquan trắc của EVN, sự khác biệt này có thể là do sai số tính toán mô phỏng

Năm 2007, EVN cũng đã tiến hành nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió, xácđịnh các vùng thích hợp cho phát triển điện gió trên toàn lãnh thổ với công suất kỹthuật 1.785 MW Trong đó miền Trung Bộ được xem là có tiềm năng gió lớn nhất cảnước 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 cậpnhật 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 vớimặt đất là trên 2.400 MW (tốc độ gió trung bình năm trên 7 m/s)

Bảng 1.1: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 80 m so với bề mặt đất

Tốc độ gió

trung bình <4 m/s 4-5 m/s 5-6 m/s 6-7 m/s

7-8m/s

8-9m/s >9 m/sDiện tích (km2) 95.916 70.868 40.473 2.435 220 20 1Diện tích chiếm

Tiềm năng

(MW)

956.161

708.678

404.73

Cho đến nay chưa có một nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió cho riêng ViệtNam một cách sâu rộng do thiếu số liệu quan trắc phục vụ phát triển điện gió Gầnđây, trong khuôn khổ hợp tác giữa Bộ Công thương (MoIT) và Dự án Năng lượngGió GIZ (Hợp tác Phát triển Đức GIZ) (gọi tắt Dự án Năng lượng Gió GIZ/MoIT),một chương trình đo gió tại 10 điểm trên độ cao 80m đang được tiến hành tại cáctỉnh cao nguyên và duyên hải Trung Bộ (đo ở 3 độ cao 80, 60, và 40 m so với bềmặt đất) Áp dụng các tiêu chuẩn IEC 61400-12 trong suốt quá trình đo gió, dự ánnày được mong đợi sẽ cung cấp dữ liệu gió có tính đại diện cho các vùng có tiềmnăng 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 hoànthiện và sẽ là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhà phát triển điện gió nói chung

1.1.4.2 Các dự án điện gió hiện nay

Cho đến nay, có khoảng 48 dự án điện gió đã đăng ký trên toàn bộ lãnh thổViệt Nam, tập trung chủ yếu ở các tỉnh miền Trung và Nam bộ, với tổng công suấtđăng ký gần 5.000 MW, quy mô công suất của các dự án từ 6 MW đến 250 MW

Tuy nhiên, hiện nay do chi phí đầu tư của dự án điện gió vẫn còn khá cao, trong khigiá mua điện gió là khá thấp 1.614 đồng/ kWh (tương đương khoảng 7,8 UScents/kWh) theo Quyết định số 37/2011/QĐ-TTg, cao hơn 310 đồng/ kWh so với mức giáđiện 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 ánđiện gió ở Xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận là hoàn thiện giaiđoạn 1 (dự kiến nâng tổng công suất lên 120 MW trong giai đoạn 2 từ 2011 đến2015), với công suất lắp đặt 30 MW (20 tuabin gió x 1,5 MW mỗi tua bin) Chủ đầu

tư dự án là Công ty Cổ phần Năng lượng Tái tạo Việt Nam (Vietnam RenewableEnergy Joint Stock Company - REVN) Tổng mức đầu tư của dự án lên đến 1.500

tỷ đồng (tương đương khoảng 75 triệu USD), các thiết bị tuabin gió sử dụng củaCông ty Fuhrlaender Đức Dự án chính thức được nối lên lưới điện quốc gia vàotháng 3 năm 2011 Theo nguồn tin nội bộ, sản lượng điện gió năm 2011 đạt khoảng79.000 MWh

Trên đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận, dự án điện gió lai tạo với máy phát điệndiesel của Tổng Công ty Điện lực Dầu khí, thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam(Petro Vietnam), có tổng công suất là 9 MW (gồm 3 tuabin gió x 2 MW mỗi tuabin+ 6 máy phát diesel x 0,5 MW mỗi máy phát) đã lắp đặt xong và đang trong giaiđoạn nối lưới Các tuabin gió sử dụng của hãng Vestas, Đan Mạch Giá bán điệnđang đề xuất thông qua hợp đồng mua bán điện với giá 13 US cents/ kWh Giá muađiện này được đánh giá là hấp dẫn do đặc thù dự án ở ngoài đảo Tương tự, một dự

án điện gió ở Côn Đảo, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu do Công ty EAB CHLB Đức làmchủ đầu tư, giá bán điện thoả thuận là 25 UScents/ kWh Dự án đang chuẩn bị tiếnhành xây dựng

Tại tỉnh Bạc Liêu, vùng đồng bằng Sông Cửu Long một dự án điện gió khácthuộc công ty TNHH Thương mại và Dịch vụ Công Lý cũng đang trong giai đoạnlắp đặt các tuabin gió (1 tuabin gió đã được lắp đặt) với công suất 16 MW trong giaiđoạn đầu (10 tuabin gió x 1.6 MW mỗi tuabin của hãng GE Mỹ) Dự kiến trong giai

đoạn 2 của dự án công suất sẽ nâng lên 120 MW (từ năm 2012 đến đầu năm 2014).Ngoài ra, các dự án khác đang trong các giai đoạn tiến độ khác nhau.

1.1.4.3 Các nhà cung cấp thiết bị điện gió ở Việt Nam

Thị trường cung cấp tuabin gió ở Việt Nam: ngoài một số các nhà cung cấp đãgóp mặt trong các dự án như Fuhrlaender (CHLB Đức), Vestas (Đan Mạch), và GE(Mỹ), còn có các nhà cung cấp khác cũng đang thể hiện sự quan tâm đến thị trườngViệt Nam như Gamesa (Tây Ban Nha), Nordex (CHLB Đức), IMPSA (Agentina),Sany, Shanghai Electric và GoldWind (Trung Quốc)…

Một tín hiệu đáng mừng cho thị trường điện gió Việt Nam là sự góp mặt củamột số nhà máy sản xuất tuabin gió và cột tháp cho tuabin gió (wind tower) như:

 Tập đoàn GE Mỹ có nhà máy sản xuất máy phát cho tuabin gió đặt tạikhu công nghiệp Nomura, thành phố Hải Phòng (vốn đầu tư lên tới 61triệu USD);

 Công ty Fuhrlaender Đức cũng đang dự định xây dựng nhà máy sảnxuất tuabin gió ở Bình Thuận (vốn đầu tư là 25 triệu USD);

 Công ty TNHH CS Wind Tower (100% vốn đầu tư của Hàn Quốc) ởkhu công nghiệp Phú Mỹ 1, huyện Tân Thành, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu,đang sản xuất và xuất khẩu cột tháp gió

 Công ty TNHH Công nghiệp Nặng VINA HALLA (100% vốn đầu tưcủa Hàn Quốc) ở khu công nghiệp Mỹ Xuân B1, huyện Tân Thành, tỉnh

Bà Rịa – Vũng Tàu Năng lực sản xuất hàng năm của công ty là khoảng

400 cột tháp tuabin gió và được xuất khẩu đi các thị trường như HànQuốc, Nhật Bản, Ý, Bỉ, Brazil, Hoa Kỳ, cung cấp cho các dự án ở HànQuốc, Ả Rập Saudi, Ai Cập, Indonesia, Philippines, Hoa Kỳ, và ViệtNam;

 Công ty TNHH một thành viên tháp UBI (UBI Tower Sole Membe Co.,Ltd.; 100% vốn của Việt Nam) đặt ở xã Kim Xuyên, huyện Kim Thành,tỉnh Hải Dương Năng lực sản xuất hàng năm của công ty là 300 cộttháp và được xuất khẩu ra các thị trường Đức (15 cột tháp năm 2011),

Ấn Độ (35 cột tháp năm 2010 và 125 cột tháp năm 2011) và các nướckhác.

1.2 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN

1.2.1 Các khái niệm

Lưới điện là tập hợp toàn bộ các đường dây và trạm biến áp kết nối với nhau theonhững nguyên tắc nhất định có chức năng truyền tải điện năng từ nơi sản xuất tới nơi tiêuthụ Mỗi loại lưới lại có các tính chất vật lý và quy luật hoạt động khác nhau

Trên hệ thống điện Việt Nam, lưới điện được chia ra thành 3 loại lưới chính:

 Lưới truyền tải 220kV÷500kV nối liền các trạm biến áp khu vực vớicác trạm biến áp trung gian, tạo ra hệ thống điện lớn

 Lưới khu vực 110kV÷220kV là phần lưới điện từ các trạm trung giankhu vực hoặc từ thanh cái cao áp các nhà máy điện cung cấp điện chocác trạm trung gian địa phương

 Lưới phân phối là phần lưới điện sau các trạm biến áp trung gian địaphương, kết nối trực tiếp với lưới truyền tải hoặc lưới khu vực để cấpđiện tới các phụ tải tiêu thụ điện Lưới phân phối được phân chia thànhlưới phân phối trung áp (6, 10, 15, 22,35 kV) và lưới phân phối hạ áp(0,4 kV)

Tuabin gióchuyển đổinăng lượng gióthành năng lượng điện, sau đó được đưavàohệ thốngcung cấp điện.Cáckết nốicủa tuabin gióvới hệ thống cung cấp điệncóthểvới điện ápthấp, điện áp trung bình, điện ápcaothậm chí là siêu cao áp Hiện nayhầu hếtcác tuabin gió đều kết nối vớihệ thốngđiện trung thế Trongtương laikhi pháttriểncác trang trạigió lớn ngoài khơithì sẽđược kết nối với hệ thống điện caovàsiêucao áp Vì vậy phần kế tiếp sau đây ta sẽ đi sâu hơn vào tìm hiểu về lưới phân phốitrung áp hơn

Lưới phân phối trung áp (sau đây gọi tắt là Lưới điện phân phối-LPP) làm

nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian cho các phụ tải Lưới phânphối có nhiệm vụ chính là đảm bảo chất lượng điện năng cho phụ tải bao gồm chấtlượng điện áp và độ tin cậy cung cấp điện

Các khối cơ bản của LPP là :

 Trạm biến áp trung gian, biến đổi điện năng sơ cấp máy biến áp (MBA)

ở cấp điện áp 110 và 35kV cấp cho các LPP địa phương

 Lưới phân phối trung áp, thường được thiết kế dưới dạng đường dâytrên không hoặc cáp ngầm, có cấp điện áp 6, 10, 15, 22kV và đôi khi là35kV được thiết kế phù hợp với địa hình từng khu vực và cấp điện chocác trạm biến áp phân phối hạ áp

 Trạm biến áp phân phối hạ áp, với mật độ dày đặc trên LPP, biến đổiđiện năng từ cấp điện áp trung áp xuống cấp điện áp 0,4kV cấp điệntrực tiếp cho phụ tải

1.2.2 Sơ đồ lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối có mật độ khá dày đặc, là lưới trung gian kết nối giữa cáctrạm biến áp trung gian và các khách hàng tiêu thụ điện năng Cấu trúc của LPPđược chia ra làm ba loại chính là: hình tia không phân đoạn (hình 1.4), hình tia cóphân đoạn ( hình 1.5) và mạch vòng kín vận hành hở (hình 1.6)

Ở các đô thị lớn, LPP thường là lưới cáp ngầm với mật độ phụ tải rất cao, độtin cậy cung cấp điện được yêu cầu cao nên cấu trúc thường gặp là cấu trúc mạchvòng kín vận hành hở

Hình 1.4 Lưới điện phân phối hình tia không phân đoạn

Hình 1.5 Lưới điện phân phối hình tia có phân đoạn

Hình 1.6 Lưới điện phân phối kín vận hành hở

Ở các vùng nông thôn thì LPP lại là lưới trên không với mật độ phụ tải khôngcao, không đòi hỏi về độ tin cậy cung cấp điện cao như lưới thành phố nên cấu trúclưới được lựa chọn là cấu trúc hình tia Các trục chính được yêu cầu có các thiết bịphân đoạn để tăng độ tin cậy Các thiết bị phân đoạn có thể là dao cách ly, cầu daophụ tải, thiết bị tự động đóng lại (TĐL) hoặc cao hơn có thể là máy cắt phân đoạn

1.2.3 Các yêu cầu của lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối có mật độ dày đặc, cung cấp điện năng cho phụ tải vớichất lượng điện năng đảm bảo, độ tin cậy cao, an toàn và đem lại cho doanh nghiệpkinh doanh điện lợi nhuận cao nhất trong toàn bộ thời gian vận hành:

 Chất lượng điện năng bao gồm chất lượng điện áp và chất lượng tần

số , phải đảm bảo chúng phải thỏa mãn các tiêu chuẩn về độ lệch và độdao động Riêng với điện áp, nó còn phải đảm bảo độ không đối xứng

và độ không sin nằm trong giới hạn cho phép

 An toàn điện gồm có an toàn cho thiết bị phân phối điện, cho hệ thốngđiện, cho người vận hành và người dùng điện

 Độ tin cậy cung cấp điện cần được xem xét để chọn mức tin cậy hợp lý

về kinh tế, thể hiện trong việc lựa chọn phương án lưới điện

 Tổn thất điện năng trên lưới là nhỏ nhất

 Khả năng tải của lưới điện cũng cần được đảm bảo, đó là dòng điệnhoặc dòng công suất mà đường dây hoặc MBA tải được mà không viphạm các tiêu chuẩn kỹ thuật Trên LPP, khả năng tải được tính theophát nóng và tổn thất điện áp: Dòng điện lớn nhất và tổn thất điện áptrên đường dây phải nhỏ hơn giá trị cho phép trong điều kiện bìnhthường và sự cố để đảm bảo chất lượng điện năng ở phụ tải

1.3 KẾT LUẬN

Việc phát triển nguồn điện phân tán phong điện là xu thế tất yếu trên thế giớinói chung và Việt Nam nói riêng Với sự gia tăng của các trang trại gió thì các ảnhhưởng của chúng tới lưới điện cũng tăng theo Để đảm bảo các yêu cầu, các tiêuchuẩn kỹ thuật cho lưới điện có tuabin gió kết nối thì việc nghiên cứu “Ảnh hưởngcủa nguồn phân tán phong điện tới các thông số của lưới” là vô cùng cần thiết

CHƯƠNG II CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ CỦA HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG GIÓ

Chương này sẽ đi sâu vào việc tìm hiểu đặc điểm cấu tạo, nguyên lý của hệ thống máy phát điện gió Đồng thời cũng giới thiệu về các loại tuabin gió, từ đó đề xuất lựa chọn loại tuabin gió phù hợp cho điều kiện Việt Nam.

2.1 TỔNG QUAN VỀ TUABIN GIÓ

2.1.1 Một số khái niệm về tuabin gió

Tuabin gió là thiết bị chuyển đổi động năng của gió thành điện năng Nguyên

lý làm việc của tuabin gió là chuyển đổi động năng của dòng không khí thành cơnăng trên trục của roto Năng lượng của gió làm cho các cánh quạt quay quanh mộtroto Mà roto được nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trụcquay máy phát để tạo ra điện

Hình 2.1 Minh họa định luật Betz.

Khả năng tạo ra điện từ gió của một tuabin gió phụ thuộc 3 yếu tố chính sau[9]:

 Năng lượng gió có sẵn

 Đường cong công suất của tuabin

 Khả năng đáp ứng nhiễu loạn gió của tuabin

Công suất cơ một tuabin gió tạo ra được cho bởi công thức:

Hình 2.2 Đường cong công suất lý tưởng của tuabin gió

Qua đồ thị cho thấy, tốc độ gió mà hệ thống vận hành được giới hạn trongkhoảng tốc độ từ 3m/s đến 25m/s Khi tốc độ gió quá nhỏ thì năng lượng gió đượctạo ra là không đủ cho vận hành và tổn hao Khi tốc độ gió quá lớn tuabin gió sẽphải dừng hoạt động để tránh quá tải Hơn nữa việc thiết kế một tuabin gió phải đủbền vững để đáp ứng được các tiêu chuẩn cơ khí cơ bản

2.1.2 Cấu tạo tuabin gió

Bao gồm các phần chính sau đây (xem hình 2.3):

 Cánh quạt (Blades): Gió thổi qua các cánh quạt là nguyên nhân làm chocác cánh quạt chuyển động và quay

 Roto: Bao gồm các cánh quạt và trục.

 Bộ xoay cánh (Pitch): Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữcho roto quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện

 Phanh(Brake): Dùng để dừng roto trong tình trạng khẩn cấp bằng điện,bằng sức nước hoặc bằng động cơ

 Trục quay tốc độ thấp (Low - speed shaft)

Hình 2.3 Cấu tạo của tuabin gió

Hình 2.4 Cấu tạo một cánh đón gió của tuabin gió

 Hộp số(Gear box): Bánh răng nối trục có tốc độ thấp với trục có tốc độcao và tăng tốc độ quay từ 30 - 60 vòng/ phút lên 1200 - 1500 vòng/phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất rađiện Bộ bánh răng này rất đắt tiền nó là một phần của bộ động cơ vàtuabin gió

 Máy phát (Generator): Phát điện.

 Bộ điều khiển(Controller): Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc

độ gió khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h

và tắt động cơ ở tốc độ khoảng khoảng 65 dặm/giờ tương đương với

104 km/h để các máy phát có được tốc độ làm việc phù hợp, tránh bịphát nóng

 Bộ đo vận tốc gió (Anemometer): Đo lường tốc độ gió và truyền dữliệu tốc độ gió tới bộ điều khiển

 Bộ đo hướng gió (Wind vane): Để xử lý hướng gió và liên lạc với bộchuyển hướng để định hướng tuabin gió

 Vỏ (Nacelle): Bao gồm roto và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được đặt trênđỉnhcột tháp và bao gồm các phần: hộp số, trục truyền tốc độ cao vàthấp, máy phát, bộ điều khiển, and phanh Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệcác thành phần bên trong vỏ Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuậtviên có thể đứng bên trong trong khi làm việc

 Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao (High - speed shaft)

 Bộ chuyển hướng (Yaw drive): Dùng để giữ cho roto luôn luôn hướng

về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió

 Mô tơ chuyển hướng (Yaw motor): Động cơ cung cấp cho bộ chuyểnhướng định được hướng gió

 Cột tháp (Tower): Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằng bằngthép Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu cột càng cao, cột tháp cao hơn thuđược năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn

2.1.3.Các dạng tuabin gió

Về cơ bản có thể chia loại tuabin gió theo nhiều hình thức khác nhau: theo cấutạo hoạt động, theo công suất hay theo số cánh quạt Tuy nhiên có thể chia tuabin giótheo 2 loại cơ bản sau đây: tuabin gió trục đứng và tuabin gió trục ngang

a/Tuabin gió trục đứng (đây là loại tuabin mới phát triển trong thời gian gần đây):

cấu tạo giống như máy bay trực thăng, cánh quay của tuabin theo trục hướng lên

theo hình dưới đây, trục quay vuông góc với dòng gió và mặt đất, dải vận tốc gióhoạt động 3-40m/s, chiều cao tubin dưới 30m, số cánh quạt 2 - 4 cánh, bán kínhcánh quạt dưới 10m.

Hình 2.5 Tuabin gió trục đứng

Ưu điểm:

- Các máy phát điện, hộp số vv có thể đặt dưới mặt đất

- Dải vận tốc gió hoạt động là khá rộng

- Không cần thiết có cơ chế chuyển hướng như tuabin trục ngang

- Tuabin hoạt động không phụ thuộc vào hướng của vận tốc dòng khí nên

có thể lắp đặt ở vị trí có vận tốc gió cao với dòng chảy không ổn định

Vì vậy nó phù hợp hơn cho đô thị, nơi có nhiều gió xoáy và hướng gióthay đổi, với một cánh quạt mà quay quanh một trục thẳng đứng, gióđến từ bất kỳ hướng nào cũng có thể làm quay cánh và cung cấp điện

- Tuabin loại này thường êm hơn tuabin trục ngang, ngoài ra đối vớituabin cánh quạt dạng hình trụ đỡ tốn diện tích không gian lắp đặt, kếtcấu tương đối vững chắc

Nhược điểm:

- Tốc độ gió rất thấp ở gần mặt đất, do đó tốc độ gió rất thấp ở phần dướicánh quạt

- Hiệu quả tổng thể của máy trục đứng không cao Hiệu suất của tuabin chỉbằng 50% so với tubin trục ngang khi hoạt động ở cùng 1 vận tốc gió.

- Loại này cần bố trí dây guy để giữ

b/Tuabin gió trục ngang (đây loại tuabin gió phổ biến trên thị trường - xem hình

2.6) là loại phổ biến có 2 hay 3 cánh quạt Tuabin gió 3 cánh quạt hoạt động theochiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi Ngày nay tuabin gió 3cánh quạt được sử dụng rộng rãi, công suất phát điện từ vài trăm W đến vài MW,dải vận tốc gió hoạt động từ 4m/s-25m/s, chiều cao cột chống tuabin 6m ( loại côngsuất nhỏ) – 120m (loại công suất lớn), bán kính cánh quạt từ 3m – 45m, số vòngquay cánh quạt 20 – 40vòng/phút

Ưu điểm:

- Đây là loại tuabin gió có hiệu suất cao nhất.

- Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau.

- Hình dạng và kích thước lớn nên đòi hỏi chỉ số an toàn cao.

Nhược điểm:

- Tuy có hệ thống điều chỉnh hướng để đón gió nhưng vẫn giới hạn ở 1 góc

quay nhất định nên chỉ thích hợp cho những nơi có vận tốc gió ổn định

Hình 2.6 Tuabin gió trục ngang

2.2 CÁC LOẠI CẤU HÌNH TUABIN GIÓ VÀ PHƯƠNG PHÁP KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN

Cấu hình tuabin gió được phân chia dựa trên hai yếu tố là tốc độ hoạt động (là

cố định hay thay đổi) và phương pháp điều khiển điện năng

2.2.1 Tốc độ hoạt động của tuabin gió

2.2.1.1 Tuabin gió có tốc độ cố định (Fixed-speed wind turbines)

Trong đầu những năm 1990 tiêu chuẩn cài đặt các tuabin gió là hoạt động ởtốc độ cố định Điều đó có nghĩa là bất kì tốc độ gió nào, tốc độ cánh quạt củatuabin gió là cố định và xác định bởi tần số của lưới điện cung cấp, tỷ số truyền vàthiết kế máy phát điện

Đặc trưng của tuabin gió tốc độ cố định là chúng được trang bị máy phát điệncảm ứng (roto lồng sóc hoặc roto dây quấn) kết nối trực tiếp với lưới điện, với một

bộ khởi động mềm và bộ tụ để giảm mức tiêu hao công suất phản kháng Chúngđược thiết kế để đạt được hiệu suất tối đa tại một tốc độ gió cụ thể Để tăng cườngsản xuất điện, máy phát điện của một số tuabin gió có tốc độ cố định có hai cuộndây: một là sử dụng tốc độ gió thấp (thường là 8 điện cực) và tốc độ gió trung bình,cao (thường 4 - 6 điện cực)

Tuabin gió có tốc độ cố định có các lợi thế đã được kiểm chứng là đơn giản,mạnh mẽ, đáng tin cậy Tổn thất điện năng của nó cũng thấp Nhược điểm của loạituabin này là không kiểm soát được việc tiêu thụ công suất phản kháng, ứng suất cơhọc và chất lượng điện năng bị giới hạn Do hoạt động ở tốc độ cố định , tất cả cácbiến động của tốc độ gió sẽ gây lên các biến động trong mô men xoắn cơ khí và sau

đó là sự biến động của điện năng trên lưới điện Trong trường hợp lưới yếu, daođộng năng lượng cũng có thể dẫn đến các biến động điện áp lớn làm rã lưới

2.2.1.2 Tuabin gió tốc độ thay đổi (Variable-speed wind turbines )

Trong những năm qua tuabin gió có tốc độ thay đổi đã trở thành loại chiếm ưuthế nhất trong số các tuabin gió được cài đặt

Tuabin gió biến tốc được thiết kế để đạt được hiệu quả khí động học tối đatrên một phạm vi rộng của tốc độ gió Với hoạt động biến tốc nó có thể liên tục

thích ứng (tăng tốc hay giảm tốc) tốc độ quay của tuabin gió với tốc độ gió Bằngcách này, tốc độ được giữ không đổi ở một giá trị được xác định tương ứng với hệ

số công suất tối đa Trái ngược với một hệ thống tốc độ cố định, một hệ thống biếntốc giữ mô men xoắn máy phát điện tương đối ổn định và các thay đổi gió được hấpthu bởi những thay đổi trong tốc độ máy phát điện

Hệ thống điện của một tuabin gió có tốc độ thay đổi phức tạp hơn một tuabingió tốc độ cố định Nó thường được trang bị với máy phát điện cảm ứng hoặc máyphát điện đồng bộ và kết nối với lưới điện thông qua một bộ chuyển đổi điện năng

Bộ chuyển đổi điện năng kiểm soát tốc độ máy phát điện, dao động năng lượng gây

ra bởi sự thay đổi gió được hấp thu chủ yếu bởi những thay đổi tốc độ trong rotomáy phát điện và cực từ trong roto tuabin gió

Những lợi thế của tuabin gió có tốc độ thay đổi là nắm bắt được sự tăng nănglượng, cải thiện chất lượng điện và giảm áp lực cơ khí trên các tuabin gió.Nhượcđiểm là gây tổn thất trong phần điện tử công suất, sử dụng nhiều bộ phận hơn vàtăng chi phí thiết bị vì các thiết bị điện tử công suất

Việc sử dụng các loại tuabin gió có tốc độ thay đổi làm tăng số lượng ứngdụng của các loại máy phát điện và cũng tạo ra một vài sự kết hợp giữa các loạimáy phát điện và các loại chuyển đổi điện năng

2.2.2 Tổng quan về các loại điều khiển điện năng

Tất cả các tuabin gió được thiết kế với một số loại điều khiển điện năng Cónhiều cách khác nhau để kiểm soát lực động lực học trên các roto tuabin gió và do

đó hạn chế sức phá hoại của gió khi gió lớn để tránh hỏng hóc cho tuabin gió

Phương pháp điều khiển hiệu quả nhất và rẻ tiền nhất là điều khiển trạng tháithất tốc- the stall control (điều khiển thụ động), nơi mà các cánh quạt được bắt vítvào trung tâm ở một góc cố định Thiết kế khí động lực học roto làm cho roto thấttốc (mất điện) khi tốc độ gió vượt quá một mức nhất định Như vậy,lực khí độnghọc trên các cánh quạt bị hạn chế Kiểm soát lực khí động học chậm gây ra nhữngbiến động năng lượng ít hơn so với việc điều chỉnh góc nghiêng cánh quạt Một sốhạn chế của phương pháp này là hiệu quả thấp hơn ở tốc độ gió thấp, không có hỗ

trợ khởi động và sự thay đổi lớn trong ổn định điện do sự thay đổi trong tỷ trọngkhông khí và tần số lưới điện.

Một loại hình điều khiển khác là điều khiển góc nghiêng - pitch control (điềukhiển chủ động), ở đó những cánh quạt có thể tạo ra sản lượng điện đầu ra cao haythấp tương ứng Nói chung, những ưu điểm của loại hình điều khiển này là điềukhiển điện năng tốt, hỗ trợ khởi động và dừng khẩn cấp Từ sản lượng điện chothấy, kiểm soát năng lượng tốt có nghĩa là ở tốc độ gió cao, giá trị trung bình củasản lượng điện được giữ gần với công suất định mức của máy phát điện Một sốnhược điểm là sự phức tạp phát sinh từ cơ cấu truyền động ở các góc nghiêng vàdao động năng lượng cao hơn ở tốc độ gió cao Năng lượng chỉ là tức thời vì cáccơn gió giật và tốc độ hạn chế của cơ cấu truyền động góc nghiêng, làm năng lượngdao động xung quanh một giá trị trung bình

Cách điều khiển thứ ba là điều khiển trạng thái thất tốc chủ động - the activestall control Như tên ngụ ý, sự thất tốc của những cánh quạt được điều khiển mộtcách chủ động bằng góc nghiêng của cánh quạt Ở tốc độ gió thấp cánh quạtnghiêng giống như loại tuabin gió điều khiển góc nghiêng, để đạt được hiệu quả tối

đa Ở tốc độ gió cao,cánh quạt đi vào trạng thái thất tốc bằng cách xoay nhẹ vàohướng đối diện với tuabin điều khiển góc nghiêng Hoạt động của các trạng thái thấttốc tuabin gió làm hạn chế dao động năng lượng, không có dao động năng lượngcao như trong trường hợp của tuabin gió điều khiển góc nghiêng Loại điều khiểnnày có lợi thế là có thể bù đắp sự thay đổi về tỷ trọng không khí Sự kết hợp với cơchế thay đổi góc nghiêng làm choviệc dừng khẩn cấp và khởi động tuabin gió dễthực hiện

2.2.3 Các loại cấu hình tuabin gió và phương pháp kết nối lưới

Trong phần sau đây, các cấu hình tuabin gió phổ biến nhất được phân chia dựatrên phương pháp điều khiển tốc độ và điều khiển năng lượng Sử dụng điều khiểntốc độ như một tiêu chuẩn, tuabin gió có bốn loại khác nhau, như minh họa tronghình 2.7

Cấu hình tua bin gió có thể được tiếp tục phân loại theo các loại điều khiểnnăng lượng (hay cánh quạt): thất tốc, góc nghiêng, thất tốc chủ động Bảng 2.1 chothấy các loại cấu hình tuabin gió khác nhau theo cả hai tiêu chí (kiểm soát tốc độ vàkiểm soát năng lượng) Mỗi sự kết hợp của hai tiêu chí này nhận được một kí hiệu,

ví dụ loại A0 biểu thị tuabin gió tốc độ thất tốc cố định Các cấu hình bị gạch chântrong bảng 2.1 là sự kết hợp không được sử dụng trong ngành công nghiệp tuabingió hiện nay (ví dụ như loại B0)

Hình 2.7.Cấu hình tuabin gió tiêu biểu.

Lưu ý:

SCIG = squirrel cage induction generator (máy phát điện lồng sóc cảm ứng).WRIG = wound roto induction generator (máy phát điện cảm ứng roto dây quấn).PMSG = permanent magnet synchronous generator (máy phát điện đồng bộnam châm vĩnh cửu)

WRSG = wound roto synchronous generator (máy phát điện đồng bộ roto dâyquấn)

Bảng 2.1 Các cấu hình tuabin gió khác nhau

Điều khiển tốc độ

Điều khiển năng lượngThất tốc Góc nghiêng Thất tốc chủ

động

2.2.3.1.Kết nối loại A: tốc độ cố định ( fixed speed)

Hình 2.8 Kết nối lưới của máy phát điện cảm ứng roto lồng sóc (SCIG = squirrel

cage induction generator).

Cấu hình này biểu thị các tuabin gió tốc độ cố định với một máy phát điện cảmứng không đồng bộ roto lồng sóc (SCIG) kết nối trực tiếp với lưới điện thông quamột biến áp SCIG luôn lấy công suất phản kháng từ lưới điện nên cấu hình này sửdụng một bộ tụ để bù công suất phản kháng Để kết nối tốt với lưới điện cấu hìnhnày thường sử dụng một bộ khởi động mềm

Bất kì nguyên tắc điều khiển năng lượng trong một tuabin gió cố định nàocũng là tốc độ gió biến động được chuyển đổi thành các dao động cơ khí và sau đó

thành dao động năng lượng điện Trong trường hợp của một mạng lưới yếu, chúng

có thể tạo ra biến động điện áp tại các điểm kết nối Vì những dao động điện áp,tuabin gió tốc độ cố định sẽ lấy lượng công suất phản kháng khác nhau từ các lướiđiện (trừ khi có một bộ tụ điện), làm tăng các biến động điện áp và tổn hao dòng Vìvậy, những hạn chế chính của loại này là nó không hỗ trợ bất kỳ điều khiển tốc độnào, nó đòi hỏi một mạng lưới cứng và kết cấu cơ khí của nó phải có khả năng chịulực cơ học cao

Tất cả ba phiên bản (loại A0, loại A1,loại A2) của tuabin gió tốc độ cố địnhLoại A được sử dụng trong ngành công nghiệp tuabin gió, và nó có thể được mô tảnhư sau:

Loại A0: Điều khiển thất tốc

Đây là loại thông thường được áp dụng bởi nhiều nhà chế tạo tuabin gió củaĐan Mạch trong những năm 1980 và năm 1990 (tức là khi ngược gió điều chỉnh tốc

độ bởi ba cánh tua bin gió) Nó rất phổ biến vì giá tương đối thấp, đơn giản và hiệuquả Tuabin gió điều khiển thất tốc không thể thực hiện hỗ trợ khởi động, và ngụ ýrằng điện áp của tuabin không thể được kiểm soát trong mạng lưới

Loại A1: Điều khiển góc nghiêng ( pitch control )

Loại này cũng có mặt trên thị trường Các ưu điểm chính của một tuabin loạiA1 là nó tạo điều kiện thuận lợi điều khiển năng lượng, điều khiển khởi động vàdừng khẩn cấp Tuy nhiên mặt hạn chế chính của nó là ở tốc độ gió cao, thậm chíbiến đổi nhỏ trong tốc độ gió cũng dẫn đến thay đổi lớn trong sản lượng điện Cơchế góc nghiêng là không phù hợp để tránh những dao động năng lượng Bằng cáchnghiêng cánh quạt, các biến đổi chậm của gió có thể được bù lại, nhưng điều nàykhông có tác dụng trong những cơn gió giật

Loại A2: Điều khiển thất tốc chủ động ( active stall control )

Loại này gần đây đã trở nên phổ biến Cấu hình này về cơ bản duy trì tất cảcác đặc tính chất lượng điện của hệ thống điều khiển thất tốc quy định Những cảitiến làm cho loại A2 tốt hơn loại A0 một cách tổng thể Các khớp nối linh hoạt của

cánh quạt trung tâm cũng tạo điều kiện cho dừng khẩn cấp và khởi động Loại A2

có một nhược điểm là mức giá cao hơn phát sinh từ cơ chế lắp đặt và bộ điều khiển.Như minh họa trong hình 2.7 và bảng 2.1, loại tuabin gió tốc độ thay đổi được

sử dụng bởi cả ba cấu hình, loại B, loại C và D Do cân nhắc giới hạn năng lượng,các cấu hình tuabin gió tốc độ thay đổi được sử dụng trong thực tế hiện nay chỉdùng với cơ chế góc nghiêng nhanh Điều khiển thất tốc và thất tốc chủ động ítđược sử dụng vì khi các tuabin gió đang chạy ở tốc độ tối đa và có một cơn giómạnh, mô men xoắn khí động học đạt tới giới hạn cao thì có thể gây ra tình huốngmất ổn định Do đó, như minh họa trong bảng 2.1 loại B0, loại B2, loại C0, loại C2,loại D2, loại D0 không được sử dụng trong ngành công nghiệp tuabin gió hiện nay

2.2.3.2 Kết nối theo loại B: thay đổi tốc độ hạn chế (limited variable speed )

Hình 2.9 Kết nối lưới của máy phát điện cảm ứng roto dây quấn có thể thay đổi

điện trở roto (WRIG = wound roto induction generator)

Cấu hình này tương ứng với tuabin gió hạn chế biến đổi tốc độ bằng sự thayđổi điện trở roto máy phát điện, được gọi là OptiSlip Cấu hình này sử dụng mộtmáy phát điện cảm ứng roto dây quấn (WRIG) và đã được sử dụng bởi các nhà sảnxuất Đan Mạch Vestas kể từ giữa những năm 1990 Máy phát điện trực tiếp kết nốivới lưới điện Một bộ tụ điện thực hiện việc bù công suất phản kháng Kết nối lướiđiện tốt hơn có thể đạt được bằng cách sử dụng một bộ khởi động mềm Các tínhnăng độc đáo của loại này là chúng có thể thay đổi điện trở roto bởi một bộ chuyểnđổi quang học điều khiển gắn trên trục cánh quạt Vì vậy, điện trở roto được kiểmsoát hoàn toàn Khớp nối quang học này giúp loại bỏ vòng trượt tốn kém cần chổithan và bảo trì Điện trở roto có thể được thay đổi và do đó kiểm soát độ trượt Bằng