Đánh giá chất lượng điện trên lưới theo mức độ thâm nhập của máy phát điện gió

Chất lượng điện năng trên lưới điện khi chưa có và có sự kết nối của turbine gió tốc độ thay đổi DFIG và FRC-PMSG trong điều kiện vận hành bình thường cũng như khi có sự cố trên lưới điệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN HỮU KHA

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN TRÊN LƯỚI THEO MỨC ĐỘ THÂM NHẬP CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

Mã số: 605251

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2012

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận Văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa, ĐHQG TPHCM, ngày … tháng … năm 2012 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: 1………

2………

3………

4………

5………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi Luận văn đã được sửa chữa ( nếu có )

Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn Khoa quản lý chuyên ngành

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

- -oOo -

Tp HCM, ngày tháng năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN HỮU KHA MSHV: 10180111

Ngày, tháng, năm sinh: 22/07/1986 Nơi sinh: Sóc Trăng

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện Mã số: 605251

Khoá: 2010

I- TÊN ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN TRÊN LƯỚI THEO

MỨC ĐỘ THÂM NHẬP CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ

II- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

Nhiệm vụ: Đánh giá chất lượng điện trên lưới theo mức độ thâm nhập của

máy phát điện gió

Nội dung:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Máy phát điện turbine gió

Chương 3: Chất lượng điện trên lưới khi có sự thâm nhập của máy phát gió

Chương 4: Các trường hợp mô phỏng và kết quả

Chương 5: Kết luận và hướng mở rộng

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : ……/ … / 2012

V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Nội dung và Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký)

PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Do sự cải tiến về kỹ thuật của turbine gió, cùng với tiềm năng của năng lượng gió và nhất là vấn đề bảo vệ môi trường Cho nên mức độ thâm nhập của năng lượng gió vào trong lưới điện có xu hướng ngày một gia tăng trong những năm gần đây Sự gia tăng mức độ thâm nhập của năng lượng gió có thể sẽ ảnh hưởng đến lưới điện Cho nên việc nghiên cứu, đánh giá chất lượng điện năng trên lưới khi có sự thâm nhập của năng lượng gió với mức độ gia tăng là cần thiết và được trình bày trong luận văn này

Chất lượng điện năng trên lưới điện khi chưa có và có sự kết nối của turbine gió tốc độ thay đổi DFIG và FRC-PMSG trong điều kiện vận hành bình thường cũng như khi có sự cố trên lưới điện sẽ được nghiên cứu, phân tích và mô phỏng sử dụng công cụ phần mềm PSCAD

Sự kết nối của turbine gió trong lưới điện dưới điều kiện hoạt động bình thường cũng như khi xảy ra sự cố sẽ ảnh hưởng khác nhau đến chất lượng điện tùy thuộc vào

kỹ thuật turbine gió được sử dụng Cho nên các mô hình toán học, đặc tính vận hành, đáp ứng của DFIG, FRC-PMSG trong điều kiện bình thường cũng như khi xảy ra sự cố cũng được phân tích và từ đó thấy được rằng trong điều kiện hoạt động bình thường cũng như trong khi diễn ra sự cố, sự kết nối của hai loại turbine gió này giúp cải thiện điện áp Tuy nhiên, ngay sau khi sự cố được loại trừ thì đáp ứng của hai loại turbine gió này là khác nhau, ngay sau khi sự cố được loại trừ thì DFIG tiêu thụ một lượng lớn công suất phản kháng từ lưới điện, trong khi FRC-PMSG thì phát lên lưới điện một lượng lớn công suất phản kháng giúp cho điện áp của hệ thống được cải thiện Nhìn chung, sự có mặt của turbine gió sẽ cải thiện chất lượng điện áp theo mức độ gia tăng của độ thâm nhập của turbine gió Trong khi đó, khi mức độ thâm nhập của hai loại turbine gió DFIG, FRC-PMSG tăng cao trong hệ thống điện thì làm giảm quán tính của

hệ thống, làm cho tần số hệ thống dao động hơn khi có sự biến động về tần số hay khi

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin kính gửi đến Thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc lòng biết ơn

sâu sắc Thầy đã giành nhiều thời gian quý báu để giúp đỡ, chỉ dẫn tận tình và luôn quan tâm, động viên tinh thần trong suốt thời gian em thực hiện Luận văn

Em xin chân thành cảm ơn đến quý Thầy, Cô Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Bách khoa TP.HCM đã nhiệt tình truyền đạt những kiến thức quý báu và quan

tâm, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian qua, đồng thời

em cũng xin cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Cần Thơ đã tạo mọi điều kiện

thuận lợi để em có thể hoàn thành chương trình học này

Em cũng nhận được sự giúp đỡ của các bạn cùng lớp, các bạn đã đóng góp những

ý kiến và những tài liệu giá trị Xin gửi đến các bạn lời cảm ơn chân thành

Cuối cùng, con xin kính gửi đến gia đình và người thân lòng biết ơn chân thành Nhất là đến Cha, Mẹ và các anh chị, em đã không ngừng động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong suốt thời gian học tập vừa qua

TP Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2012

Học viên

Nguyễn Hữu Kha

LỜI CAM KẾT

Tôi tên: NGUYẾN HỮU KHA

Học viên lớp: Cao học thiết bị, mạng và nhà máy điện K2010

Mã số học viên: 10180111

Theo quyết định giao đề tài luận văn cao học của phòng Đào tạo Sau đại học,

Đại học Bách khoa TP.HCM, tôi đã thực hiện luận văn cao học với đề tài “ Đánh giá

chất lượng điện trên lưới theo mức độ thâm nhập của máy phát điện gió” dưới sự

hướng dẫn của thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

Tôi xin cam kết đây là luận văn tốt nghiệp cao học do tôi thực hiện Tôi đã thực

hiện luận văn đúng theo quy định của phòng Đào tạo Sau đại học, Đại học Bách khoa

TP HCM và theo sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam kết trên đây Nếu có sai

phạm trong quá trình thực hiện luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu các hình thức xử lý của

phòng Đào tạo Sau đại học và Ban giám hiệu trường Đại học Bách khoa TP.Hồ Chí

Minh

Học viên

Nguyễn Hữu Kha

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

LỜI CẢM ƠN iv

LỜI CAM KẾT v

Danh mục hình ix

Danh mục bảng xiv

CHƯƠNG 1TỔNG QUAN 1

1.1 Lịch sử phát triển turbine gió 1

1.2 Sơ lược tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới những năm gần đây 4

1.3 Tiềm năng phát triển năng lượng gió ở Việt Nam 7

1.4 Chính sách phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam 11

1.5 Hiện trạng khai thác năng lượng gió ở Việt Nam 11

1.6 Các nghiên cứu liên quan 13

1.7 Mục tiêu và bố cục luận văn 14

CHƯƠNG 2 MÁY PHÁT ĐIỆN TURBINE GIÓ 16

2.1 Turbine gió 16

2.1.1 Turbine gió tốc độ cố định 18

2.1.2 Turbine gió tốc độ thay đổi 18

2.1.3 So sánh các loại turbine gió 19

2.2 Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát nguồn kép DFIG 21

2.2.1 Mô hình DFIG 22

2.2.1.1 Mối quan hệ giữa công suất cơ và các công suất điện trong DFIG 22

2.2.1.2 Mạch điện DFIG ở chế độ xác lập 24

2.2.1.3 Mô hình DFIG trong trục tọa độ dq 25

2.2.2 Bộ biến đổi phía Rotor (Rotor Side Converter) 26

2.2.3 Bộ biến đổi phía lưới (Grid Side Converter) 29

2.2.4 Đáp ứng của DFIG 33

2.3 Turbine gió tốc độ thay đổi FRC-PMSG 39

2.3.1 Mô hình PMSG 39

2.3.2 Generator side converter 41

2.3.3 Grid side converter 42

2.3.4 Đáp ứng của FRC-PMSG 42

CHƯƠNG 3 CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRÊN LƯỚI KHI CÓ SỰ THÂM NHẬP CỦA MÁY PHÁT GIÓ 45

3.1 Giới thiệu 45

3.2 Yêu cầu về mức độ tăng giảm điện áp 45

3.3 Yêu cầu về mức độ thay đổi tần số 49

CHƯƠNG 4 CÁC TRƯỜNG HỢP MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 51

4.1 Mô hình trong PSCAD 51

4.1.1 Mô hình lưới điện 51

4.1.2 Mô hình turbine gió tốc độ thay đổi DFIG trong PSCAD 53

4.1.3 Mô hình FR-PMSG trong PSCAD 54

4.2.1 Trong điều kiện hoạt động bình thường 55

4.2.1.1 Điện áp 55

4.2.1.2 Tần số 69

4.2.2 Khi có sự cố ngắn mạch ba pha trên lưới điện 70

4.2.2.1 Điện áp 70

4.2.2.2 Tần số 82

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG MỞ RỘNG 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

Phụ lục A: Danh sách các dự án điện gió ở Việt Nam 91

Phụ lục B Mô hình DFIG và FRC-PMSG trong PSCAD 95

B.1 Mô hình turbine gió DFIG trong PSCAD 95

B.2 Mô hình turbine gió PMSG trong PSCAD 102

Danh mục hình

Hình 2.1 Turbine gió trục ngang (HAWT) upwwind(a), downwind(b) và turbine gió

trục dọc(VAWT) loại Darrieus(c) 16

Hình 2 2 Đường cong công suất theo vận tốc gió và điều chỉnh công suất của turbine gió 17

Hình 2.3 Turbine gió tốc độ cố định 18

Hình 2.4 Turbine gió tốc độ thay đổi 19

Hình 2.5 So sánh hiệu suất giữa các loại máy phát turbine gió 20

Hình 2.6 Sơ đồ khối turbine gió DFIG nối lưới 22

Hình 2.7 Mối quan hệ công suất trong DFIG 22

Hình 2.8 Dòng công suất DFIG khi hoạt động trên (a) và dưới tốc độ đồng bộ(b) 23

Hình 2.9 Sơ đồ mạch điện DFIG ở chế độ xác lập 24

Hình 2.10 Mối quan hệ giữa trục abc và trục dq 25

Hình 2.11 Sơ đồ mạch điện DFIG trong trục d(a) và q (b) 26

Hình 2.12 Sơ đồ vector trong trục dq cho rotor side converter 27

Hình 2.13 Sơ đồ điều khiển vector cho bộ converter phía rotor 29

Hình 2.14 Grid side converter 30

Hình 2.15 Sơ đồ vector trong trục dq cho grid side converter 31

Hình 2.16 Sơ đồ điều khiển vector grid side converter 33

Hình 2.17 Sự thay đổi của vận tốc gió 34

Hình 2.18 Đáp ứng của công suất tác dụng, phản kháng và vận tốc của máy phát DFIG

khi vận tốc gió thay đổi 34

Hình 2.19 Dòng điện irq, ird và Ecap khi vận tốc gió thay đổi 35

Hình 2.20 Công suất phía stator và rotor của DFIG 35

Hình 2.21 Công suất tác dụng, dòng điều khiển irq, ird, Ecap khi thay đổi công suất phản kháng yêu cầu 37

Hình 2.22 Công suất của DFIG khi xảy ra sự cố 38

Hình 2.23 Sơ đồ turbine gió tốc độ thay đổi FRC-PMSG 39

Hình 2.24 Mạch điện và sơ đồ pha của PMSG 39

Hình 2 25 Sơ đồ FRC-PMSG sử dụng diode retifier 41

Hình 2.26 Công suất ngõ ra của FRC-PMSG khi vận tốc gió thay đổi 43

Hình 2 27 Công suất ngõ ra của FRC-PMSG khi có sự cố ngắn mạch xảy ra 43

Hình 3 1 Sơ đồ đơn tuyến minh họa tổn thất điện áp trong lưới phân phối 46

Hình 3 2 Sơ đồ minh họa tổn thất điện áp trong lưới phân phối khi có turbine gió kết nối 46

Hình 4 1 Mô hình lưới điện 52

Hình 4 2 Mô hình turbine gió DFIG trong PSCAD 53

Hình 4 3 Khối FRC-PMSG trong PSCAD 54

Hình 4.4 Điện áp tại các nút 4, 6, 8 trong điều kiện bình thường khi chưa có turbine gió 56

Hình 4.5 Công suất và điện áp tại các nút khi độ thâm nhập của DFIG 10% 58Hình 4.6 Công suất và điện áp tại các nút khi mức độ thâm nhập là 20% DFIG 59Hình 4.7 Công suất và điện áp tại các nút khi mức độ thâm nhập của DFIG là 30% 60Hình 4.8 Điện áp tại điểm kết nối theo mức độ thâm nhập của DFIG 61

Hình 4.9 Điện áp tại các nút theo mức độ thâm nhập của DFIG 61Hình 4.10 Công suất và điện áp tại các nút khi độ thâm nhập của FRC-PMSG là 10% 63

Hình 4.11 Công suất và điện áp tại các nút khi độ thâm nhập của FRC-PMSG là 20% 64

Hình 4.12 Công suất và điện áp tại các nút khi độ thâm nhập của FRC-PMSG là 30% 65

Hình 4.13 Điện áp tại điểm kết nối theo mức độ thâm nhập của FRC-PMSG 66Hình 4.14 Điện áp tại các nút theo mức độ thâm nhập của FRC-PMSG 67Hình 4.15 So sánh điện áp tại điểm kết nối theo mức độ thâm nhập của DFIG và FRC-PMSG 67

Hình 4.16 So sánh điện áp tại các nút giữa các loại máy phát gió trong nghiên cứu

“Dispersed generation interconnection and its impact on power loss and projection system” 68

Hình 4.17 Tần số tại điểm kết nối theo mức độ thâm nhập DFIG 0% (fig a), 10% (fig

b), 20% (fig c), 30% (fig d) 69

Hình 4.18 Tần số tại nút 8 khi có sự kết nối của FRC-PMSG 70

Hình 4.19 Điện áp tại các nút khi xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha tại nút 1 70

Hình 4.20 Công suất tác dụng và phản kháng của DFIG khi có sự cố xảy ra 71

Hình 4.21 Điện áp tại các nút khi có sự cố ngắn mạch ba pha với độ thâm nhập DFIG 10% 72

Hình 4.22 Công suất và điện áp tại các nút khi có sự cố ngắn mạch ba pha xảy ra với độ thâm nhập của DFIG là 20% 73

Hình 4.23 Công suất và điện áp tại các nút khi xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha với độ thâm nhập của DFIG là 30% 74

Hình 4.24 Voltage dip tại các nút theo mức độ thâm nhập DFIG trong thời gian diễn ra sự cố ngắn mạch ba pha 75

Hình 4.25 Công suất của máy phát FRC-PMSG khi xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha 76

Hình 4.26 Điện áp tại các nút khi xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha với độ thâm nhập FRC-PMSG 10% 77

Hình 4.27 Công suất và điện áp tại các nút khi xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha với độ thâm nhập FRC-PMSG 20% 78

Hình 4.28 Công suất và điện áp tại các nút khi xảy ra sự cố với độ thâm nhập của FRC-PMSG 30% 79

Hình 4.29 Voltage dip tại các nút trong thời gian xảy ra sự cố theo mức độ thâm nhập của FRC-PMSG 80Hình 4.30 Điện áp tại các nút sau khi sự cố được loại trừ theo mức độ thâm nhập của FRC-PMSG 81

Hình 4 31 Voltage swell sau khi sự cố được loại trừ trong nghiên cứu của Chin Guan

và Tan 81

Hình 4 32 Tần số khi có sự cố xảy ra trường hợp không có wind turbine kết nối 82Hình 4 33 Tần số tại điểm kết nối DFIG khi xảy ra sự cố với mức thâm nhập 10%(fig b), 20%(fig c), 30%(fig d) 83

Hình 4 34 Tần số tại điểm kết nối khi xảy ra sự cố theo mức độ thâm nhập PMSG 10% (fig a), 20% (fig b), 30% (fig c) 84

FRC-Danh mục bảng

Bảng 1.1 Lịch sử phát triển kỹ thuật turbine gió trong thời kỳ đầu 1891-1958 2

Bảng 1 2 Tiềm năng gió Việt Nam ở độ cao 65m 9

Bảng 1 3 Tiềm năng gió Việt Nam tại độ cao 80m 10

Bảng 1.4 Hiện trạng khai thác năng lƣợng gió tại Việt Nam 12

Bảng 1.5 Một số dự án gió đang đƣợc triển khai tại Việt Nam 13

Bảng 2.1 So sánh thị phần của các loại turbine gió từ năm 1998 đến 2002 21

Bảng 3 1 voltage disturbances level and duration 48

Bảng 4 1 Thông số của hệ thống 53

Bảng 4.2 Thông số máy phát DFIG 54

Bảng 4.3 Thông số PMSG 55

Bảng B 1Thông số máy phát DFIG 96

Bảng B.2 Thông số của PMSG 103

Bảng B.3 Khối turbine gió và thông số của turbine gió 104

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Ngày nay, do nhu cầu sử dụng điện năng không ngừng gia tăng, cùng với sự gia tăng của các chi phí nhiên liệu cũng như sự cạn kiệt của nó Đặc biệt là vấn đề bảo vệ môi trường, hạn chế sự nóng lên của trái đất Cho nên để giải quyết các vấn đề này, nhất là trong những năm gần đây việc khai thác và đưa vào sử dụng các nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, gió, sinh khối luôn được chú trọng và không ngừng gia tăng, trong đó có năng lượng gió Đặc biệt sự gia tăng năng lượng gió trong lưới điện sẽ ảnh hưởng nhiều đến lưới điện Để có cái nhìn tổng quan

về lịch sử năng lượng gió cũng như tình hình sử dụng, khai thác năng lượng gió trên thế giới và tại Việt Nam trong những năm gần đây cũng như các công trình nghiên cứu liên quan sẽ được giới thiệu trong chương này

1.1 Lịch sử phát triển turbine gió

Gió là một nguồn năng lượng sạch, miễn phí và vô tận Năng lượng gió đã được con người sử dụng cách đây hàng ngàn năm [1, 2] Nó đã được sử dụng chủ yếu trong các thuyền buồm, xay thóc, bơm nước và một số công việc khác để thay cho sức người Turbine gió đầu tiên trên thế giới dùng để phát ra điện được xây dựng bởi một người Đan Mạch, Poul La Cour, năm 1891 Đan Mạch cũng là quốc gia đầu tiên sử dụng năng lượng gió để phát điện năm 1891 với turbine có đường kính 23 m Trước năm

1910 hàng trăm turbine gió với công suất từ 5 đến 25 kW đã hoạt động ở Đan Mạch [1, 2]

Bảng 1.1 Lịch sử phát triển kỹ thuật turbine gió trong thời kỳ đầu 1891-1958

Turbine and

country

Diamet

er (m)

Swept Area (m2)

Power (kW)

Specific power (kW/m2)

Number

of blades

Tower height (m)

Date in service

Poul Lacour,

Smith–

Putnam, USA 53 2231 1250 0.56 2 34 1941 F.L Smidth,

1989 xuống khoảng $800/kW năm 2000 cho turbine loại 1650 kW

Hình 1.1 Chi phí lắp đặt trên một kW của WT từ năm 1989 đến năm 2000

Nhìn chung công nghệ turbine gió trong những năm gần đây đã phát triển đáng

kể Những sự phát triển kỹ thuật turbine gió như giảm chi phí sản xuất, tăng công suất cũng như hiệu suất, tăng độ tin cậy đã làm tăng tiềm năng mở rộng và sử dụng của năng lượng gió hiện nay, vì khi tốc độ gió tăng thì công suất cũng tăng, thường khi tốc

độ gió tăng 10% thì công suất tăng 33% [3] Đặc biệt trong những năm đầu của thế kỷ

21 thì năng lượng gió càng được sử dụng rộng rãi với những kỹ thuật công nghệ tiên tiến, tăng về công suất, độ tin cậy và giảm già thành

Hình 1.2 Sự phát triển công nghệ turbine gió

1.2 Sơ lược tình hình sử dụng năng lượng gió trên thế giới những năm gần đây

Điện gió là nguồn năng lượng tăng trưởng nhanh nhất trên thế giới Công suất lắp đặt trong những năm gần đây không ngừng gia tăng với tốc độ rất nhanh Chẳng hạn, năm 2009 công suất lắp đặt là 158908 MW, đầu năm 2010 lắp đặt thêm là 38265 MW, tính đến cuối năm 2010 là 197039 MW [4] Theo dự báo của các tổ chức năng lượng trên thế giới thì năng lượng gió toàn cầu sẽ vẫn còn tiếp tục gia tăng trong những năm tới đây

Hình 1.3 Công suất gió trên thế giới được lắp đặt và công suất lắp đặt hàng năm từ

năm 1996 đến 2010

Biểu đồ dưới đây cho thấy top mười quốc gia lắp đặt mới turbine gió nhiều nhất trên thế giới trong năm 2010 Theo dự báo của tổ chức năng lượng thế giới (GWEC) thì năng lượng gió toàn cầu sẽ vẫn còn tiếp tục gia tăng trong những năm tới đây như hình 1.6

Hình 1.4 Top 10 Quốc gia dẫn đầu trong việc lắp đặt điện gió tính đến năm 2010 và

lắp đặt mới trong năm 2010

Hình 1.5 Dự báo thị trường điện gió năm 2010-2015 một số khu vực trên thế giới

1.3 Tiềm năng phát triển năng lượng gió ở Việt Nam

Với bờ biển dài hơn 3000 km và nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, Việt Nam được cho là có tiềm năng rất lớn về gió Nguồn dữ liệu tiềm năng gió của Việt Nam được thu thập từ 150 trạm khí tượng thủy văn Tốc độ gió hàng năm đo được tại các trạm này là tương đối thấp, trong khoảng từ 2-3 m/s trong đất liền và 3 – 5 m/s tại khu vực ven biển, còn ở khu vực đảo thì tốc độ gió trung bình lên đến 5 – 8 m/s [5] Tuy nhiên, dữ liệu gió do các trạm khí tượng thủy văn cung cấp, mặc dù có tính dài hạn, nhưng được cho là không đáng tin cậy để đánh giá tiềm năng năng lượng gió trên diện rộng: vì các trạm khí tượng thủy văn này được đặt ở trong thành phố hoặc thị trấn, việc đo gió được tiến hành ở độ cao 10m và dữ liệu chỉ được đọc 4 lần/ ngày [5] Trong hình 1.7 bản đồ tài nguyên gió Việt Nam do trung tâm khí tượng thủy văn đo được ở

độ cao 10m

Hình 1.6 Tài nguyên gió Việt Nam do trung tâm khí tượng thủy văn thực hiện

Trong năm 2001 Ngân hàng Thế giới (WB) tài trợ xây dựng bản đồ gió cho 4 nước: Campuchia, Lào, Thái Lan và Việt Nam, nhằm hỗ trợ phát triển năng lượng gió trong khu vực Bản nghiên cứu này, với dữ liệu gió lấy từ trạm khí tượng thủy văn cùng với dữ liệu lấy từ mô hình mô phỏng MesoMap, đưa ra ước tính sơ bộ về tiềm năng gió ở Việt Nam tại độ cao 65m và 30m cách mặt đất, tương ứng với độ cao của các turbine gió Nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới chỉ ra rằng Việt Nam là nước có tiềm năng gió lớn nhất trong bốn nước trong khu vực: hơn 39% tổng diện tích của Việt Nam được ước tính là có tốc độ gió trung bình hàng năm lớn hơn 6 m/s ở độ cao 65m

tương đương với tổng công suất 512 GW Đặc biệt, hơn 8% diện tích Việt Nam được

xếp hạng có tiềm năng gió rất tốt (bảng 1.2 và hình 1.8 ) Tuy nhiên số liệu này có sự

chênh lệch hơn so với số liệu quan trắc của EVN [4] Trong năm 2007 Bộ công thương với sự hỗ trợ của Ngân hàng Thế giới đã tiến hành đo gió trong thời gian hai năm Số liệu đo đạc này được Bộ Công thương sử dụng cho bản đồ atlat gió cho Việt Nam Kết quả tiềm năng gió ở độ cao 80m cho Việt Nam như trong bảng 1.2 [5]

Bảng 1 2 Tiềm năng gió Việt Nam ở độ cao 65m

Tương đối cao 7-8 m/s

Cao 8-9 m/s

Rất cao

> 9m/s Diện tích (km2

) 197242 100367 25679 2178 111 Diện tích (%) 60.60% 30.80% 7.90% 0.70% >0%

Tiềm năng (MW) 401.444 102.716 8.748 452

Hình 1.7 Tài nguyên gió Việt Nam và Khu vực

Bảng 1 3 Tiềm năng gió Việt Nam tại độ cao 80m

Tốc độ gió

trung bình < 4 m/s 4-5 m/s 5-6m/s 6-7m/s 7-8m/s 8-9m/s >9 m/s Diện tích

(km2) 95.916 70.868 40.473 2.435 220 20 1 Diện tích

(%) 45.7 33.8 19.3 1.2 0.1 0.01 <0.01 Tiềm năng

(MW) 956.161 708.678 404.732 24.351 2.202 200 10

1.4 Chính sách phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam

Trước yêu cầu về phát triển điện gió, Chính phủ đã ban hành nhiều chính sách nhằm thúc đẩy sự phát triển đầu tư vào năng lượng gió, cụ thể như sau:

a Giai đoạn phát triển dự án

 Thuế nhập khẩu: hàng hóa dùng để hình thành tài sản cố định cho các dự

án NLTT sẽ được miễn thuế nhập khẩu

 Ưu đãi về vồn đầu tư: chủ đầu tư dự án NLTT có thể vay đến 70% tổng mức vốn đầu tư từ Ngân hàng Phát triển Việt Nam (VDB) với lãi suất cho vay bằng lãi suất trái phiếu Chính phủ kỳ hạn 5 năm cộng thêm 1%/năm

b Giai đoạn vận hành

 Thuế thu nhập doanh nghiệp:10% trong thời hạn 15 năm, có thể kéo dài đến 30 năm, và miễn thuế 4 năm đầu tiên, giảm 50% trong 9 năm tiếp theo

 Mức khấu hao nhanh

 Giá mua điện: áp dụng biểu giá chi phí tránh được

 Phí sử dụng, thuê đất miễn phí

 Phí bảo vệ môi trường miễn phí.[4]

Theo mục tiêu phát triển năng lượng tái tạo được đề ra trong chiến lược phát triển năng lượng quốc gia tính theo tỷ lệ phần trăm của tổng lượng tiêu thụ đến năm 2020 là 5% và 2050 là 11% Công suất các nguồn năng lượng tái tạo giai đoạn 2009 - 2020 có xét đến 2030 ( Tổng sơ đồ 7) mục tiêu 2030 điện gió là 2100MW Tuy nhiên, mức độ phát triển của nó vượt xa so với quy hoạch trên, tổng công suất của các dự án điện gió đang được triển khai đã vượt mức 3000 MW [5]

1.5 Hiện trạng khai thác năng lượng gió ở Việt Nam

Bảng 1.4 cho thấy hiện trạng khai thác và sử dụng năng lượng gió cho phát điện ở Việt Nam., tổng công suất lắp đặt tính đến tháng 2/2011 khoảng 19 MW Trong đó dự

án Công ty cổ phần năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) hiện có 12 turbine đã được nối lưới, với công suất 1.5 MW/turbine ở Bình Thuận đang được coi là dự án lớn nhất

Nha sản xuất, đưa vào vận hành năm 2004 nhưng hiện nay đang ngưng hoạt động do trục trặc về kỹ thuật

Bảng 1.4 Hiện trạng khai thác năng lượng gió tại Việt Nam

Ngoài ra còn rất nhiều dự án khác đang được triển khai ở những giai đoạn khác nhau, tại Ninh Thuận hiện đang có 9 nhà đầu tư, cả trong và ngoài nước, đã đăng ký phát triển hơn 1000 MW điện gió Tình hình phát triển các dự án điện gió Việt Nam tại thời điểm tháng 7/2010 được mô tả sơ lược trong bảng 1.5 [4] chi tiết danh sách các dự

án gió tại Việt Nam xem trong phụ lục A “Danh sách các dự án điện gió Việt Nam” [6]

Bảng 1.5 Một số dự án gió đang được triển khai tại Việt Nam

1.6 Các nghiên cứu liên quan

Trong [1-6] cho thấy được tình hình khai thác năng lượng gió trên thế giới và Việt Nam, trong [1, 7] đưa ra so sánh giữa các loại turbine gió tốc độ cố định và tốc độ thay đổi cho thấy hai loại turbine gió tốc độ thay đổi DFIG và FRC-PMSG có nhiều thuận lợi hơn, được ứng dụng nhiều và sẽ tiếp tục gia tăng trong những năm tới, trong khi đó theo [4] thì năng lượng gió sẽ tiếp tục được gia tăng trong những năm tới đây Sự gia tăng của năng lượng gió trong lưới điện sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của lưới điện như ảnh hưởng đến thiết bị bảo vệ, tính ổn định, tổn thất của hệ thống phân phối và chất lượng điện trên lưới phân phối [8], sự kết nối của wind turbine có thể nâng cao tính ổn định và chất lượng điện áp, giảm tổn thất trên đường dây được thể hiện trong [8, 9, 10] Tùy thuộc vào loại wind turbine và số lượng wind turbine mà nó có thể ảnh hưởng khác nhau đến điện áp, khi mà wind turbine cung cấp công suất phản kháng cho lưới thì có thể sẽ làm giảm tổn thất điện áp trên lưới, và ngược lại [8,9,11, 12,13 ], các đặc tính, điều khiển của turbine gió tốc độ thay đổi DFIG đề cập trong [7,14, 15, 16, 17] và

số của hệ thống, nó có thể làm giảm quán tính của hệ thống làm cho tần số hệ thống sẽ dao động hơn khi có sự biến động về tần số tùy thuộc vào loại turbine gió ứng dụng và mức độ thâm nhập trong hệ thống được đề cập trong [18-23].

1.7 Mục tiêu và bố cục luận văn

Mục tiêu chính của luận văn là đánh giá chất lượng điện trên lưới theo mức độ thâm nhập của máy phát gió Các kỹ thuật turbine gió sẽ được phân tích, so sánh từ đó

sẽ xây dựng mô hình cho turbine gió tốc độ thay đổi DFIG, FRC-PMSG và phân tích các đáp ứng của hai loại turbine gió này khi chúng được kết nối với lưới phân phối, trong điều kiện vận hành bình thường cũng như khi xảy ra sự cố, từ đó đánh giá được ảnh hưởng của từng loại turbine gió đối với chất lượng điện năng trên lưới với mức độ thâm nhập tăng dần trong lưới điện

Bố cục của luận văn:

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Máy phát điện turbine gió

- Chương 3: Chất lượng điện năng trên lưới khi có sự thâm nhập của máy phát gió

- Chương 4: Các trường hợp mô phỏng và kết quả

- Chương 5: Kết luận

- Phụ lục

 Chương 1: Trong chương này sẽ trình bày khái quát về lịch sử phát triển của turbine gió, tình hình khai thác và sử dụng năng lượng gió trên thế giới những năm gần đây, cũng như tiềm năng, hiện trạng khai thác và sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam,

cũng như các nghiên cứu liên quan

 Chương 2: Cho ta một cái nhìn tổng quát về các kỹ thuật turbine gió Từ đó đi phân tích, xây dựng mô hình, điều khiển cho hai loại turbine gió tốc độ thay đổi DFIG, FRC-PMSG và phân tích đáp ứng của từng loại trong điều kiện bình thường cũng như trong suốt thời gian diễn ra sự cố ngắn mạch ba pha trên lưới điện và ngay sau khi sự

cố được loại trừ

 Chương 3: Sẽ trình bày các vấn đề chất lượng điện năng, chủ yếu là hai thông số điện áp và tần số Tổn thất điện áp trên lưới điện khi không có và có sự kết nối của turbine gió với lưới điện, các ảnh hưởng của sự gia tăng năng lượng gió đến tần số hệ

thống

 Chương 4: Trong chương này giới thiệu về mô hình mô phỏng sử dụng phần mềm PSCAD, các kết quả mô phỏng trong các trường hợp khi chưa có sự kết nối của turbine gió, cho đến khi có sự kết nối của DFIG và FRC-PMSG lần lượt với các mức

độ thâm nhập tăng dần trong điều kiện vận hành bình thường cũng như khi xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha xảy ra trên lưới điện và sau khi sự cố được loại trừ, sau đó phân tích, nhận xét và so sánh chất lượng điện trên lưới khi không có kết nối turbine gió với khi

có kết nối, cũng như khi mức độ thâm nhập tăng dần và so sánh ảnh hưởng của DFIG

với FRC-PMSG

 Chương 5: Các kết luận chính của luận văn và hướng mở rộng

 Phụ lục: Trong phụ lục A sẽ trình bày hiện trạng khai thác và sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam Trong phụ lục B sẽ trình bày, giải thích các thông số, các khối trong phần mềm PSCAD của turbine gió tốc độ thay đổi DFIG như các khối wind source, các bộ converter, sơ đồ điều khiển bộ converter phía rotor và phía lưới, cũng như các khối chính trong FRC-PMSG và sơ đồ điều khiển

CHƯƠNG 2

MÁY PHÁT ĐIỆN TURBINE GIÓ

Trong chương này sẽ trình bày một cách khái quát về các loại turbine gió, từ đó

so sánh các ưu và khuyết điểm của từng loại và chọn ra loại turbine gió thích hợp, từ

đó đi tìm hiểu, xây dựng các mô hình toán học cho các turbine gió này, phương pháp điều khiển và phân tích đáp ứng của các turbine gió này sử dụng công cụ phần mềm PSCAD

2.1 Turbine gió

Turbine gió tạo ra công suất bằng việc chuyển đổi động năng trong gió thành cơ năng quay Turbine gió thông thường được sử dụng là loại turbine gió trục ngang (HAWT) với hai cánh hoặc ba cánh

Hình 2.1 Turbine gió trục ngang (HAWT) upwwind(a), downwind(b) và turbine gió

trục dọc(VAWT) loại Darrieus(c)

Công suất của một turbine gió được tính như sau: [1, 2, 10, 24]

Với PT là công suất của turbine gió (W), ρ là mật độ không khí (1.225 kg/m3ở 150

C, 1atm), A là tiết diện mà khối không khí di chuyển qua (m2), v là vận tốc gió (m/s), và

Cp là hiệu suất rotor, theo định luật Bezt thì hiệu suất rotor đạt cực đại là 59% Dưới những điều kiện hoạt động tốt thì một turbine gió cũng chỉ đạt ở mức 80% hiệu suất trên, tức là khoảng 40% công suất gió

Hình 2.2 cho thấy đường cong công suất theo vận tốc của gió và điều chỉnh công suất của turbine gió Ở vận tốc gió quá thấp, công suất sinh ra quá thấp, cho nên turbine gió không thể hoạt động được ở vận tốc này Thông thường một turbine gió có thể bắt đầu làm việc ở vận tốc gió từ 3-4m/s, vận tốc gió này gọi là cut in wind Vc, như trong hình

ta thấy khi vận tốc gió từ Vc đến vận tốc gió đạt giá trị định mức VR thì công suất tăng theo hàm bậc ba của vận tốc gió, khi vận tốc gió từ khoảng 12m/s đến 25m/s thì công suất turbine gió được điều chỉnh bằng giá trị định mức Khi vận tốc gió quá cao khoảng

từ 25 m/s trở đi thì turbine gió ngưng hoạt động để tránh nguy hại hệ turbine gió, vận tốc gió mà turbine gió ngừng hoạt động gọi là cut out wind speed Vcut out hayVF [10]

Hình 2 2 Đường cong công suất theo vận tốc gió và điều chỉnh công suất của turbine

Hình 2.3 Turbine gió tốc độ cố định Loại này có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, vững chắc, chi phí thấp Tuy nhiên loại này

có nhược điểm là không thu được công suất tối đa khi vận tốc gió tăng, khi có sự biến đổi lớn về vận tốc gió nó sẽ ảnh hưởng lên hệ thống cơ của turbine và chất lượng điện năng không cao [1,10, 25, 26]

2.1.2 Turbine gió tốc độ thay đổi

Turbine gió tốc độ thay đổi là loại turbine gió mà tốc độ của nó có thể được thay đổi theo tốc độ của gió Turbine gió có tốc độ thay đổi được thiết kế để đạt được hiệu suất khí động lực lớn nhất trong phạm vi rộng của tốc độ gió Với tốc độ thay đổi, nó

có thể đáp ứng liên tục (tăng tốc hoặc giảm tốc) tốc độ quay  của turbine gió ứng với tốc độ của gió Máy phát turbine gió tốc độ thay đổi được ứng dụng rộng rãi hơn hệ thống turbine gió tốc độ cố định Nó có thể được sử dụng với máy phát không đồng bộ (máy phát cảm ứng) hoặc máy phát đồng bộ (kích từ hoặc nam châm vĩnh cửu) Máy

phát đồng bộ hoặc máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG) có thể được thiết kế với đa cực nhằm không cần hộp số

Hình 2.4 Turbine gió tốc độ thay đổi Lợi ích của turbine gió tốc độ thay đổi là gia tăng năng lượng thu được từ gió, cải thiện chất lượng điện năng và giảm dao động cơ khí trong turbine gió Bất lợi là tổn thất trong bộ biến đổi công suất, sử dụng nhiều thiết bị hơn và tăng giá thành đầu tư

2.1.3 So sánh các loại turbine gió

Turbine gió đang được sử dụng hiện nay thường có bốn loại sau: Type A là turbine gió tốc độ cố định SCIG, type B là turbine gió tốc độ thay đổi loại máy phát cảm ứng rotor dây quấn có thể thay đổi điện trở rotor, ( thay đổi tốc độ trong dải hẹp 0-10% trên tốc độ đồng bộ), type C là turbine gió tốc độ thay đổi DFIG, type D turbine gió tốc độ thay đổi full rate converter (PMSG/WRSG/WRIG)

Theo nghiên cứu của Petersons [7] như hình bên dưới ta thấy turbine gió tốc độ cố định loại máy phát cảm ứng có hiệu suất thấp, còn loại turbine gió tốc độ thay đổi với DFIG

và PMSG (full rate converter) có hiệu suất khá cao

Hình 2.5 So sánh hiệu suất giữa các loại máy phát turbine gió

Với FSIG1, 2 lần lượt là turbine gió tốc độ cố định máy phát cảm ứng một và hai tốc

độ, VSIG là turbine gió tốc độ thay đổi máy phát cảm ứng, DFIG turbine gió tốc độ thay đổi partly converter dùng máy phát cảm ứng rotor dây quấn và PMSG turbine gió tốc độ thay đổi full rate converter dùng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu

Ngoài ra, theo [1] so sánh thị phần của các loại turbine gió từ năm 1998 đến 2002 ta thấy turbine gió type C, D có chiều hướng gia tăng trong khi các loại type A, B có chiều hướng giảm

Bảng 2.1 So sánh thị phần của các loại turbine gió từ năm 1998 đến 2002

Từ những so sánh trên ta thấy hai loại tua bin gió có nhiều ưu điểm nhất cũng như chiếm thị phần cao hiện nay là turbine gió tốc độ thay đổi DFIG và FRC-PMSG Cho nên trong luận văn này sẽ tập trung tìm hiểu, phân tích hai loại turbine gió này và mô phỏng chúng trên công cụ phần mềm PSCAD

2.2 Turbine gió tốc độ thay đổi với máy phát nguồn kép DFIG

Turbine gió tốc độ thay đổi dùng máy phát cảm ứng nguồn kép DFIG có cấu trúc đặc biệt là cả stator và rotor đều được nối vào lưới điện, stator được nối trực tiếp với lưới điện, còn rotor thì thông qua các bộ convertor (AC/DC/AC) nối với lưới như hình 2.6

Hình 2.6 Sơ đồ khối turbine gió DFIG nối lưới Rotor của DFIG có thể phát ra hoặc tiêu thụ công suất của lưới điện, tùy thuộc vào điều kiện làm việc ở vận tốc trên hoặc dưới đồng bộ Công suất của loại máy này có thể được truyền qua cả stator và rotor, thường thì công suất truyền qua phía rotor qua các

bộ chuyển đổi là khoảng 20-30% công suất của máy, do đó giảm tổn thất qua các bộ chuyển đổi và giá thành hạ

2.2.1 Mô hình DFIG

2.2.1.1 Mối quan hệ giữa công suất cơ và các công suất điện trong DFIG

Hình 2.7 cho thấy mối quan hệ giữa công suất cơ và công suất điện của rotor và stator trong DFIG, với Pm là công suất cơ đưa vào từ turbine gió, Pr là công suất phát ra bởi rotor đến các bộ chuyển đổi, Ps là công suất sinh ra bởi stator và Pg là tổng công suất được sinh ra phía stator cộng với bộ chuyển đổi truyền tới lưới điện [14]

Hình 2.7 Mối quan hệ công suất trong DFIG

Khi s dương (ωs > ωr) công suất cơ thấp hơn công suất stator, chế độ dưới đồng bộ, Pr

< 0, tức là công suất truyền từ lưới điện qua các bộ converter đến rotor

Tương tự, khi s <0, chế độ trên đồng bộ, Pr >0 công suất truyền từ rotor đến lưới

Dải điều khiển của s quyết định kích cỡ của các bộ converter của DFIG và do một số giới hạn về mặt cơ khí cũng như một số giới hạn khác, dải tốc độ thực tế nó khoảng 0.7 đến 1.2 pu [14]

2.2.1.2 Mạch điện DFIG ở chế độ xác lập

Hình 2.9 cho thấy sơ đồ mạch điện ở chế độ xác lập của DFIG [14,1 ]

Hình 2.9 Sơ đồ mạch điện DFIG ở chế độ xác lập

từ hóa [Ω], xm cảm kháng từ hóa [Ω], s là hệ số trượt

Sơ đồ mạch điện này cơ bản tính toán với giá trị rms của dòng điện và điện áp, có thể được áp dụng duy nhất cho chế độ xác lập của DFIG, việc điều khiển và phân tích máy điện thường được sử dụng trong hệ tọa độ dq sẽ được trình bày dưới đây

2.2.1.3 Mô hình DFIG trong trục tọa độ dq

Với hệ thống điện ba pha, sẽ có nhiều thuận lợi hơn trong việc điều khiển khi chúng ta chuyển từ ba thành phần a, b, c sang hai thành phần còn thành phần còn lại bằng không

mà thông tin về các giá trị vẫn không đổi Việc chuyển đổi từ hệ trục tọa độ a, b, c sang