Nghiên cứu hệ thống điện gió kết nối lưới điện

Tình hình nghiên cứu, sử dụng, phát triển năng lượng gió trên thế giới và Việt Nam 2 Tổng quan bài toán nghiên cứu kết nối hệ thống điện gió với lưới điện Các nghiên cứu bài toán kết nối

-

ĐỖ TIẾN VĂN

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã số ngành: 60 52 02 02

ĐỖ TIẾN VĂN

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN

TP HCM, ngày tháng 07năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: ĐỖ TIẾN VĂN Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01- 04- 1984 Nơi sinh: Thái Thụy- Thái Bình- Việt Nam Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV:108 1031031

I- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU KẾT NỐI HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ VỚI LƯỚI ĐIỆN

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1) Giới thiệu: Năng lượng tái tạo, tầm quan trọng của năng lượng tái tạo Tình hình nghiên cứu, sử dụng, phát triển năng lượng gió trên thế giới và Việt Nam 2) Tổng quan bài toán nghiên cứu kết nối hệ thống điện gió với lưới điện (Các nghiên cứu bài toán kết nối hệ thống điện gió với lưới điện ở nước ngoài và ở Việt Nam

3) Hệ thống điện gió: Trình bày về hệ thống điện gió, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phân loại tuabine gió, bộ chuyển đổi công suất trong hệ thống điện gió, điều kiện vận hành hệ thống điện gió

4) Mô phỏng kết nối hệ thống điện gió với lưới điện

5) Kết luận và hướng phát triển của đề tài

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 5-2012

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07- 2013

V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HUỲNH CHÂU DUY

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

ĐỖ TIẾN VĂN

Xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Huỳnh Châu Duy đã nhiệt tình hướng dẫn tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này

Xin chân thành cảm ơn toàn thể quý thầy cô trường Đại học kỹ thuật công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy, truyền thụ , hướng dẫn và tạo điều kiện tốt cho tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này

Xin cảm các anh chị, các bạn lớp 10SMĐ, ngành thiết bị, mạng và nhà máy điện

đã chia sẻ, hỗ trợ tài liệu, giúp đỡ trong quá trình học tập vừa qua

Xin cảm ơn thành viên trong gia đình đã giúp đỡ, động viên, hỗ trợ cho công việc học tập của tôi

Xin chân thành cảm ơn Học viên thực hiện

ĐỖ TIẾN VĂN

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS HUỲNH CHÂU DUY

(Ghi rõ họ, tên¸ học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn được bảo vệ tại Trường Đại học kỹ thuật công nghệ TP- HCM ngày 28 tháng

09 năm 2013

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm Luận văn Thạc sĩ)

1 TS NGÔ CAO CƯỜNG Chủ tịch hội đồng

2 TS HUỲNH QUANG MINH Phản biện 1

3 TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG Phản biện 2

TP Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 10 năm 2013

BẢN CAM ĐOAN

Họ và tên học viên: ĐỖ TIẾN VĂN

Ngày sinh: 01- 04- 1984 Nơi sinh: Thái Thụy- Thái Bình- Việt Nam Trúng tuyển đầu vào năm: 06/ 2010

Là tác giả luận văn: NGHIÊN CỨU KẾT NỐI HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ VỚI LƯỚI ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 60520202

Bảo vệ ngày: 28 tháng 09 năm 2013

Điểm bảo vệ luận văn: 5.4

Tôi cam đoan chỉnh sửa nội dung luận văn thạc sĩ với đề tài trên theo góp ý của Hội đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ Các nội dung đã chỉnh sửa:

1) Chỉnh sửa lại cách trình bày

2) Thống nhất tần số mô phỏng 50 Hz

3) Bổ sung phần nhận xét đánh giá kết quả của hình mô phỏng

4) Điều chỉnh thông số mô phỏng ở cấp điện áp 22 kV, 110 kV, 50 Hz

Người cam đoan Cán bộ Hướng dẫn

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

TÓM TẮT

Trước tình hình các nguồn năng lượng truyền ngày càng khan hiếm, việc sử dụng các nguồn năng lượng này thường gây ô nhiễm môi trường rất là lớn do số lượng khí thải CO2 sau khi sản suất điện ra môi trường rất là lớn, điều này gây lên hiệu ứng nhà kính, sự nóng lên toàn cầu, sự biến đổi khí hậu gây ra lũ lụt, hạn hán ở rất nhiều nơi trên trái đất gây khó khăn cho cuộc sống của loài người và phát triển kinh tế- xã hội

Vì vây, loài người luôn nghiên cứu tìm ra những nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo, sử dụng lâu dài, ít gây ô nhiễm môi trường thay thế, giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống Trong các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng điện gió có tiềm năng rất lớn, đang được các quốc gia trên thế giới quan tâm, nghiên cứu, phát triển, sử dụng nguồn năng lượng này góp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng để phát triển kinh tế- xã hội Năng lượng điện gió sản suất ra không chỉ được sử dụng trong khu vực mà còn được kết nối lưới điện để truyền tải đi xa đến những nơi thiếu năng lượng điện để sản xuất, phát triển

Việc nghiên cứu, khảo sát hệ thống năng lượng điện gió kết nối lưới điện là đề tài, là bài toán đòi hỏi các nhà khoa học cần nghiên cứu, để khi kết nối hệ thống năng lượng điện gió với lưới điện phải đảm bảo sự ổn định, an toàn cho hệ thống lưới điện

và vận hành có hiệu quả Với những nước có ngành năng lượng điện gió phát triển thì

đề tài này không còn mới nhưng Việt Nam một nước mới, đang xây dựng và phát triển nguồn năng lượng hữu ích này thì đòi hỏi cần phải học hỏi, nghiên cứu, sử dụng phát triển năng lượng điện gió sao cho hiệu quả, an toàn và ổn định

Do đó, trong luận văn này sẽ trình bày, khảo sát về hệ thống năng lượng điện gió kết nối lưới điện, xét điều kiện hòa đồng bộ khi hòa lưới, những kết quả khi khảo sát điều kiện kết nối lưới

Facing the conventional energy sources increasingly scarce, the use of this energy source pollution often very large due to the amount of CO2 emissions after electricity production is a very large environment, this cause the greenhouse effect, global warming, climate change induced floods, droughts in many parts of the earth makes it difficult for human life and economic development of society

Thus, human studies are finding new energy sources are renewable, long-term use, less polluting alternative environment, reduce dependence on traditional energy sources In the renewable energy sources, wind power has great potential, being the world's national interest, research, development and use of energy sources contribute to solving energy shortages for the development of socio-economy Wind power production are used not only in the region but also connected to the transmission grid

to go away to places lacking electricity to energy production, development

The study surveyed wind energy systems connected to the grid is the subject, the problem requires scientists to study, so that when connected wind energy systems to the grid to ensure stability, safety and grid systems operate effectively With water wind energy development, the subject is not new, but Vietnam a new country, is building and developing this energy source is useful requires learning, research, use wind energy development so effective, safe and stable

Therefore, in this thesis will present, the survey electric wind energy systems connected to the grid, considering the conditions along the grid, the results of the survey grid connection conditions

MỤC LỤC

TÓM TẮT ĐỀ TÀI i

ABSTRACT ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

Chương 1: GIỚI THIỆU 1

1.1- Tầm quan trọng của việc phát triển năng lượng tái tại hiện nay 1

1.2- Tầm quan trọng của việc phát triển năng lượng gió 2

1.3- Tình hình nghiên cứu, sử dụng, phát triển năng lượng gió trên thế giới và Việt nam 4

1.3.1- Tình hình nghiên cứu, sử dụng, phát triển năng lượng trên thế giới 4

1.3.2- Tình hình nghiên cứu và sử dụng, phát triển năng lượng gió của Việt nam11 1.4- Tầm quan trọng của việc nghiên cứu kết nối hệ thống điện gió nối lưới điện 15

1.5- Bố cục của luận văn 16

1.6- Kết luận 16

Chương 2: TỔNG QUAN BÀI TOÁN KẾT NỐI HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ VỚI LƯỚI ĐIỆN 18

2.1- Tình hình nghiên cứu bài toán kết nối hệ thống điện gió nối lưới điện ở nước ngoài 18

2.2- Tình hình nghiên cứu bài toán kết nối hệ thống điện gió nối lưới ở Việt Nam 21

2.3- Kết luận 22

Chương 3: HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ 24

3.1- Sự hình thành năng lượng gió 24

3.2- Năng lượng gió 25

3.3- Sự chuyển đổi giữa năng lượng gió và rotor máy phát điện gió 26

3.4- Hệ thống điện gió 28

3.4.1- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tuabine điện gió 28

3.4.2- Phân loại tuabine điện gió 30

3.4.3- Bộ chuyển đổi công suất trong hệ thống điện gió 33

3.4.4- Điều kiện vận hành khi kết nối hệ thống điện gió với lưới điện 46

3.5- Kết luận 46

Chương 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN 47

4.1- Điều kiện hòa đồng bộ kết nối hệ thống điện gió với lưới điện 47

4.2- Mô hình hệ thống tuabine điện gió kết nối lưới điện 47

4.3- Các phần tử trong mô hình hệ thống tuabine điện gió kết nối lưới điện 48

4.4- Mô phỏng và kết quả, phân tích 55

4.4.1- Trường hợp khi tốc độ gió thay đổi 56

4.4.2- Trường hợp khi ngắn mạch ở cấp điện áp 25kV 60

4.4.3- Trường hợp khi điện áp đều hệ thống tuabine gió thay đổi 64

4.4.4- Trường hợp khi tần số đầu ra của hệ thống tuabine điện gió thay đổi 68

4.4.5- Trường hợp khi thay đổi thứ tự pha đầu ra hệ thống tuabine điện gió nối lưới 72

4.5- Kết luận 74

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

WB: Ngân hàng thế giới

IEA: Cơ quan năng lượng quốc tế

MoIT: Bộ công thương

GIZ: Dự án phát triển năng lượng gió

REVN: Cơ quan phát triển năng lượng gió Việt Nam

MPPT (Maximum Power Point Track): Thuật toán MPPT

SMES (Superconducting Magnet Energy System)

WPGS (Wind Power Generation System): Hệ thống năng lượng điện gió WTGs (wind turbine generators): Tuabine điện gió

DFIGs (Doubly-Fed Induction Generators): Máy phát điện gió nguồn kép IEEE: Tạp chí hệ thống IEEE

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Tiềm năng năng lượng gió của bốn nước Đông Nam Á theo khảo sát cửa

WB và IEA Bảng 1.2: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 80 m so với bề mặt đất

Bảng 1.3- Danh sách các dự án điện gió (trong các giai đoạn phát triển khác nhau) tại Việt Nam

Bảng 3.1 Trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu áp 3 pha và giá trị điện áp dây

Bảng 3.2 Trạng thái đóng ngắt của bộ nghịch lưu áp 3 pha và giá trị điện áp pha

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Tổng công suất lắp đặt điện gió trên thế giới

Hình 1.2: Tổng sản lượng điện gió trên thế giới năm 2011

Hình 1.3: Biểu đồ sản lượng các nguồn điện tại Việt Nam

Hình 1.4: Năm tổ máy của nhà máy điện gió tầm cỡ MW đầu tiên ở Việt Nam ở xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận Chiều cao của mỗi cái tháp là 103.75

m và đường kính của cánh quạt là 37.5 m

Hình 3.1: Hiệu ứng Coriolis

Hình 3.2: Cấu tạo của một tuabine gió

Hình 3.3: Tuabine gió tốc độ không đổi với máy phát điện không đồng

Hình 3.4: Tuabine gió có tốc độ thay đổi với máy phát đồng bộ

Hình 3.5: Tuabine gió tốc độ thay đổi với máy phát điện không đồng nguồn kép

Hình 3.6: Hướng công suất của máy phát điện không đồng bộ nguồn kép

Hình 3.7: Sơ đồ hệ thống điện gió khi kết nối với lưới điện

Hình 3.8: Thay thế của máy phát điện gió nguồn kép DFIG ở chế độ xác lập

Hình 3.9: Mô hình thay thế mô hình động của DFIG trong hệ trục tọa độ tham chiếu d-

q

Hình 3.10: Sơ đồ chức năng của bộ chỉnh lưu

Hình 3.11 Sơ đồ chức năng của bộ nghịch lưu

Hình 3.12 Bộ nghịch lưu áp 3 pha

Hình 3.13 Giản đồ điện áp với khoảng dẫn 1800

Hình 3.14 Giản đồ điện áp pha tải với khoảng dẫn 1800

Hình 4.1a: Sơ đồ đơn tuyến hệ thống tuabine điện gió kết nối lưới

Hình 4.1b Mô hình hệ thống tuabine điện gió kết nối điện

Hình 4.2a Mô hình hệ thống điện gió

Hình 4.3a Hệ máy biến áp trong hệ thống điện gió

Hình 4.3b Cài đặt thông số máy biến áp

Hình 4.4a Đường dây truyền tải điện áp 25KV

Hình 4.4b Cài đặt thông số đường dây truyền tải

Hình 4.5a Mô hình đường dây truyền tải dài 20km, điện áp 25 KV

Hình 4.5b Cài đặt thông số đường dây dài 20 km

Hình 4.6a Mô hình lưới điện 120 KV

Hình 4.6b Cài đặt thông số của lưới điện

Hình 4.7 Kết quả khảo sát đầu ra của máy phát điện gió DFIG

Hình 4.8 các đáp ứng đầu ra của hệ thống điện gió ứng với vận tốc gió 5 m/s Hình 4.9 các đáp ứng đầu ra của hệ thống điện gió ứng với vận tốc gió 8 m/ Hình 4.10 các đáp ứng đầu ra của hệ thống điện gió ứng với vận tốc gió 12 m Hình 4.11 các đáp ứng đầu ra của hệ thống điện gió ứng với vận tốc gió 12 m/s Hình 4.12a Mô hình mô phỏng ngắn mạch

Hình 4.12b Cài đặt thông số khi ngắn mạch

Hình 4.12c Kết quả mô phỏng ngắn mạch 1 pha chạm đất

Hình 4.13 Kết quả mô phỏng khi ngắn mạch 2 pha

Hình 4.14 Kết quả mô phỏng khi ngắn mạch 3 pha

Hình 4.15 Kết quả khi điện áp hệ thống điện gió ở chế độ hoạt động bình thường Hình 4.16 Khi điện áp đầu ra của hệ thống điện gió là ≤ 500V

Hình 4.17 Khi điện áp đầu ra của hệ thống điện gió ≥ 637 V

Hình 4.18: khi tần số đầu ra của hệ thống điện gió bằng tần số lưới điện

Hình 4.19 khi tần số đầu ra của hệ thống điện gió lớn hơn tần số lưới điện

Hình 4.20: Khi tần số đầu ra của hệ thống điện gió nhỏ hơn tần số lưới điện Hình 4.21 khi hệ thống điện gió cùng thứ tự pha với lưới điện

Hình 4.22 khi hệ thống điện gió khác thứ tự pha với lưới điện

Chương 1

GIỚI THIỆU

Chương này giới thiệu về tầm quan trong của năng lượng tái tạo hiện nay khi nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn hiện khan hiếm, giá cả đắt đỏ Tầm quan trọng của năng lượng gió, tình hình nghiên cứu, sử dụng, phát triển năng lượng gió trên thế giới và Việt Nam hiện nay Tình hình phát triển điện gió tại một số nước tiêu biểu

1.1 Tầm quan trọng của việc phát triển năng lượng tái tạo hiện nay

Đứng trước thực tiễn nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ, các sản phẩm từ dầu mỏ, khí thiên nhiên ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá cả của dạng năng lượng này ngày một tăng, điều này là điều không thuận lợi cho việc phát triển kinh tế,

xã hội Đồng thời việc sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch để lại nhiều hậu quả về ô nhiễm môi trường như gây ra hiệu ứng nhà kính, gây nóng lên toàn cầu, việc sử dụng các dạng năng lượng truyền thống gây ra những hiểm họa cho môi trường sinh thái như gây ra lũ lụt, hạn hán xảy ra trên toàn cầu Ngày nay, kinh tế và xã hội ngày càng phát triển nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao

Bên cạnh việc sử dụng tiết kiệm nguồn năng lượng truyền thống, các quốc gia trên thế giới đẩy mạnh nghiên cứu, ứng dụng các nguồn năng lượng mới- Năng lượng tái tạo để dần thay thế năng lượng truyền thống, cung cấp cho năng lượng cho nền kinh

tế, xã hội đã và đang phát triển ngày càng khát năng lượng

Nguồn năng lượng tái tạo có những ưu điểm sau:

- Nguồn năng lượng tái tạo có sẵn trong thiên nhiên như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng biển …

- Việc sử dụng năng lượng tái tạo gây ô nhiễm môi trường và khí thải ít hơn rất nhiều so với việc sử dụng nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá, các sản phẩm từ dầu mỏ, khí thiên nhiên…

- Sử dụng năng lượng tái tạo thân thiệt với môi trường, làm giảm hiệu ứng nhà kính, giảm sự nóng lên của trái đất do giảm lượng lớn khí CO2

- Việc nghiên cứu, sử dụng, phát triển nguồn năng lượng tái tại góp phần giải quyết những vấn đề về thiếu hụt năng lượng, giảm bớt sự phụ thuộc vào việc sử dụng năng lượng truyền thống

Vì vậy, năng lượng tái tạo có tầm quan trọng rất lớn, việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển nguồn năng lượng tái tạo là hết sức cần thiết Các quốc gia trên thế giới đã và đang quan tâm, phát triển nguồn năng lượng này góp phần giải quyết những vấn đề, nhu cầu năng lượng ở mỗi quốc gia

1.2 Tầm quan trọng của việc phát triển năng lượng gió

Bên cạnh phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng điện mặt trời, năng lượng điện sóng biển, năng lượng điện địa nhiệt…Năng lượng gió ngày càng được nhiều quốc gia quan tâm, nghiên cứu, ứng dụng, phát triển chủ yếu hệ thống năng lượng điện gió, do năng lượng điện gió có những ưu điểm:

- Nguồn năng lượng gió có sẵn trong thiên nhiên và rất ít gây ô nhiễm môi trường

- Việc sử dụng năng lượng điện gió gây ra ô nhiễm môi trườngvà khí thải ít hơn rất nhiều so với việc sử dụng nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá, các sản phẩm từ đâu mỏ, khí thiên nhiên…

- Sử dụng năng lượng điện gió thân thiệt với môi trường làm giảm hiệu ứng nhà kính, giảm sự nóng lên của trái đất do giảm lượng khí thải CO2 trong quá trình sản suất rất là ít

- Việc nghiên cứu, ứng dụng, phát triển nguồn năng lượng điện gió góp phần giải quyết những vấn đề về thiếu hụt năng lượng, giảm bớt sự phụ thuộc vào việc sử dụng năng lượng hóa thạch

- Việc xây dựng, vận hành hệ thống năng lượng điện gió tạo tạo ra công ăn việc làm cho xã hội không chỉ các ngành liên quan trực tiếp tới điện gió mà còn các ngành phụ trợ cung cấp phụ kiện và dịch vụ cho điện gió

- Việc xây dựng hệ thống năng lượng điện gió sử dụng ít tài nguyên đất còn tạo ra quang cảnh du lịch

- Hệ thống năng lượng điện gió có thể xây dựng ở đất liền, trên biển và ngoài hải đảo

Bên cạnh đó năng lượng điện gió có những khuyết điểm sau:

- Tính ổn định của năng lượng điện gió kém, do gió có vân tốc luôn thay đổi theo mùa trong năm nên cần nghiên cứu kỹ những vị trí xây dựng các nhà máy điện gió sao cho phù hợp

- Mật độ phân bố năng lượng điện gió thấp về quy mô, diện tích chiếm đất, phạm

vi ảnh hưởng của các dự án năng lượng gió bao giờ cũng lớn hơn nhiều so với các nguồn năng lượng truyền thống, trong khi đó công suất đặt và công suất ổn định lại nhỏ

- Kỹ thuật khai thác phức tạp, đòi hỏi công nghệ cao

- Chi phí vận hành, bảo dưỡng cao vì công suất đặt của tổ máy không cao, sản lượng điện thấp, khu vực lắp đặt rộng…dẫn đến chi phí vận hành, bảo dưỡng cao

Vì thế năng lượng điện gió có giá thành đắt hơn giá thành của các nguồn năng lượng truyền thống Tuy nhiên, khi mà các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng kiệt, giá cả tăng, xem xét lại nguồn năng lượng gió, nó có ưu điểm mà nguồn năng lượng truyền thống không có được đó là khả năng tái tạo, sử dụng lâu dài, bền vững, thân thiện với môi trường

Qua những khuyết điểm và ưu điểm trên ta thấy nguồn năng lượng gió là nguồn năng lượng tái tạo có tầm quan trọng rất lớn, nếu được khai thác tốt sẽ cung cấp một nguồn năng lượng không nhỏ cho nhu cầu năng lượng hiện nay, dần thay thế các nguồn năng lượng truyền thống, thân thiện với môi trường, tiềm năng còn rất lớn

1.3 Tình hình nghiên cứu, sử dụng, phát triển năng lượng gió trên thế giới

và Việt Nam

Việc sử dụng nguồn năng lượng điện gió mới phát triển vào những năm đầu thế kỷ

21, vẫn chưa được khai thác nhiều, tiềm năng và sản lượng còn rất lớn

1.3.1 - Tình hình nghiên cứu, sử dụng, phát triển năng lượng điện gió trên thế giới

Từ xa xưa con người trên thế giới đã biết sử dụng năng lượng gió phục vụ cho lợi ích của con người như dựa vào sức gió để chạy thuyền buồm, tàu thuyền, các cối xay gió được sử dụng ở thế kỷ 7 với mục đích bơm nước phục vụ cho nông nghiệp ở các nước Trung Đông, Trung Á dần lan tới Trung Quốc, Ấn Độ Ngoài lợi dụng sức gió để chạy cói xay gió để say bột mì…

Cho đến cuối thế kỷ 19 con người phát minh tua bin máy phát điện nhưng đến đầu thế kỷ 20 máy phát điện gió phát triển với những tua bin công suất 1- 3kW, đến những năm 1930 phát triển tua bin có công suất 100kW, tiền thân của máy phát điện gió ngang trục được sử dụng tại Yalta- Liên Xô Năm 1956 một cựu sinh viên tên là Johannes Juul, xây dựng 200 kW điện gió tại Gedser ở Đan Mạch

Năm 1975, Bộ năng lượng Hoa Kỳ đã tài trợ một dự án để phát triển các tua bin gió tiện ích quy mô Các tua-bin gió NASA dự án xây dựng các tua-bin, 13 thử nghiệm đã mở đường cho nhiều công nghệ ngày nay được sử dụng Kể từ đó, tua bin

đã tăng lên rất nhiều kích thước với Enercon E-126 có khả năng cung cấp lên đến 7

MW Sản xuất tua bin gió đã được mở rộng sang nhiều nước và năng lượng gió được

dự kiến sẽ tăng trưởng trên toàn thế giới trong thế kỷ 21.[1.1]

Ngày nay, nhà máy điện gió ngày càng được nghiên cứu, sử dụng và phát triển ở nhiều quốc gia trên thế giới, với sản lượng điện sản xuất được ngày càng tăng

Tổng công suất lắp đạt điện gió trên thế giới (MW)

24.332 31.181

39.295 47.693

59.024 74.122

93.927 120.903

Hình 1.1: Tổng công suất lắp đặt điện gió trên thế giới

Qua hình 1.1, ta thấy sản lượng gió trên thế giới ngày một tăng qua các năm, từ

năm 2001 đến năm 2011, năm 2001 sẳn lượng năng lượng điện gió mới chỉ 24.322

MW, năm 2002 hơn 3.100 MW…và đến năm 2011 tổng sản lượng điện gió trên thế giới đạt hơn 239.000 MW Điều này cho thấy rằng các nước trên thế đang chú trọng nghiên cứu phát triển dạng năng lượng này

Tổng sản lượng điện gió trên thế giới năm 2011

Ấn Độ Pháp Ý Anh Canada Tất cả các nước còn lại

Hình 1.2: Tổng sản lượng điện gió trên thế giới năm 2011

Qua hình 1.2, tổng sản lượng điện gió trên thế giới năm 2011 khoảng hơn 239.000 MW, trong đó nước Trung Quốc chiếm 26% sản lượng, Hoa Kỳ chiếm 20%, Đức chiếm 12%, Tây Ban Nha chiếm 9%, Ấn Độ chiếm 7%, Pháp chiếm 3%, nước Ý chiếm 3%, Canada 2%, tất cả các nước còn lại chiếm 15%

Tình hình sản xuất năng lượng điện gió ở một số nước tiêu biểu:

- Đức: là nước dẫn đầu về phát triển điện gió Từ những năm 80 thế kỷ 20

Chính phủ Đức đã tài trợ một số kế hoạch nghiên cứu Năm 1991 Quốc hội Đức thông qua đạo luật bắt buộc mua điện gió khiến cho thị trường có bước đột phá Căn cứ của đạo luật đó là: năng lượng sạch cần có đầy đủ cơ chế khuyến khích để tạo lập được thị trường, như vậy mới có thể cạnh tranh bình đẳng với các loại điện năng dùng nhiên liệu truyền thống, vốn vẫn được trợ giá (như than và năng lượng hạt nhân) Luật năng lượng mới của Đức quy định, Chính phủ bù lỗ cho mỗi 1 KWh điện gió là 9,1 cent Euro, chính sách bù lỗ ít nhất là 5 năm Điện gió được ủng hộ mạnh mẽ về mặt chính trị nhờ công của các tổ chức bảo vệ môi trường, trong đó có các thành viên của Đảng

Xanh Đến cuối năm 2003, tổng công suất lắp đặt điện gió của nước Đức đã đạt đến 14.600 MW, chiếm hơn 1/3 công suất lắp đặt điện gió của toàn thế giới, chiếm hơn một nửa của toàn Châu Âu Lượng khí thải hiệu ứng nhà kính của Đức mấy năm gần đây đã giảm 17 triệu tấn, là một sự đóng góp rõ rệt của nước Đức trong việc thực hiện “Nghị định thư Kyoto”, tăng thêm lòng tin cho nước Đức về phát triển bền vững

- Mỹ: sau một thời kỳ ảm đạm về điện gió của thập kỷ 90 thế kỷ 20, đến nay

nước Mỹ đã trở thành một trong những thị trường lớn nhất về điện gió Hiện 27 Bang

đã có các công trình điện gió lớn Đến cuối năm 2003 tổng công suất lắp đặt điện gió

đã đạt 6.370 MW Chính phủ Liên bang Mỹ đã có chính sách ưu đãi đối với điện gió: mua thiết bị điện gió được miễn thuế hoàn toàn, đồng thời sau khi đưa vào hoạt động còn miễn giảm một phần thuế sản xuất, cứ phát ra 1 KWh được giảm thuế 1,5 cent USD Một số bang của Mỹ còn thông qua Luật yêu cầu các Công ty điện lực tăng tỷ lệ phát điện bằng năng lượng tái tạo Ví dụ năm 1999 bang Texat quy định hạn ngạch có tính chất cưỡng bức đối với nguồn điện năng lượng tái tạo, do đó tổng công suất lắp đặt nguồn điện gió của bang này đã vượt quá 1.000 MW

- Đan Mạch: Tổng diện tích toàn quốc chỉ có 4.300 km2 (không kể đảo Greenland và quần đảo Faro) Là một nước nhỏ nhất Bắc Âu nhưng trong vương quốc đồng thoại của 5 triệu dân này có đến 65.000 người tham gia làm nghề điện gió, tổng thu nhập đã đạt đến 3 tỷ Euro Nghề chế tạo máy phát điện gió của Đan Mạch đã trở thành một động lực lớn lao của nền kinh tế đó là một ví dụ thành công về thương mại hóa trong lĩnh vực này Thu nhập về xuất khẩu của các sản phẩm điện gió và năng lượng mặt trời của Đan Mạch hàng năm đã đạt đến 5-6 tỷ USD, sản phẩm máy phát điện gió của Đan Mạch chiếm 60 – 70% thị trường thế giới Năm 1981 Đan Mạch vạch

ra kế hoạch năng lượng lần thứ 1, dự định đến năm 2000 công suất lắp đặt điện gió đạt

900 MW, đáp ứng 10% nhu cầu điện năng Nhiều nhiệm kỳ Chính phủ kế tiếp nhau của Đan Mạch đều kiên định kế hoạch năng lượng quốc gia, nhằm giảm nhập khẩu nhiên liệu, xúc tiến phát triển bền vững Từ năm 1976 đến 1995, Đan Mạch đã đầu tư

100 triệu USD vào công việc nghiên cứu và phát triển năng lượng gió Chính phủ Đan Mạch bù lỗ cho mỗi chiếc máy phát điện gió bằng 30% giá thành của nó, áp dụng chế

độ ưu đãi về thuế cho những người sử dụng điện gió, đối với các hộ dùng nhiên liệu hóa thạch thì đánh thuế ô nhiễm không khí Kết quả là mục tiêu 10% năng lượng sạch của kế hoạch năng lượng được thực hiện sớm trước 3 năm Đan Mạch đã thành công trong việc thực hiện mục tiêu điện gió đáp ứng 20% yêu cầu về điện Năm 2003 lại đặt

kế hoạch đến năm 2030 điện gió sẽ đáp ứng một nửa yêu cầu về điện Năm 2000 và

2003 mỗi năm xây dựng một trang trại điện gió ở gần bờ biển Bắc, trang trại điện gió trên biển Middle Grunder là trang trại điện gió trên biển lớn nhất thế giới hiện nay, công suất lắp đặt 40 MW gồm 20 máy, mỗi máy 2 MW Đan Mạch còn có kế hoạch đến năm 2008 sẽ lắp đặt thêm 5 trang trại điện gió, tổng công suất lắp đặt là 750 MW Theo tin đã đưa chính phủ Đan Mạch đã cùng với các xí nghiệp ký kết hợp đồng xây dựng trên mặt biển Bantich một số nhà máy phát điện gió có tổng công suất 4000 MW

- Tây Ban Nha: Ngày 30/12/1999, Hội nghị Liên tịch Bộ trưởng Tây Ban Nha

đã thông qua kế hoạch phát triển năng lượng tái tạo 2000-2010, có quy hoạch tương đối cụ thể về phát triển năng lượng gió Mục tiêu là đến năm 2010 sản lượng phát điện của các loại năng lượng tái tạo phải đạt đến 12% tổng lượng phát điện toàn quốc Kế hoạch phát triển đó đã đưa ra phân tích kỹ lưỡng về các mặt kỹ thuật, ảnh hưởng đối với môi trường, tính toán giá thành đầu tư, những trở ngại, các biện pháp khuyến khích, dự báo về thị trường của việc phát triển năng lượng gió, có tính khả thi rất cao

- Anh: Năm 1991 xây dựng nhà máy phát điện gió đầu tiên, sau đó điện gió

không ngừng phát triển Năm 2003 tổng công suất lắp đặt điện gió đã đạt 649 MW, đáp ứng yêu cầu dùng điện của 441.000 gia đình Tháng 7/2003 Bộ Thương mại và Công nghiệp Anh tuyên bố kế hoạch quy mô lớn về sự nghiệp điện gió gần biển, theo đó sẽ lắp đặt 3.000 tổ máy điện gió cỡ lớn tại bờ biển phía đông và phía tây, chuẩn bị sử dụng năng lượng gió trên quy mô lớn, nhằm mục tiêu đến trước năm 2010 có thể cung cấp điện gió cho 1/6 tổng số hộ gia đình Dự tính, sau khi các máy phát điện gió nói

trên đưa vào vận hành, điện gió sẽ chiếm 15% tổng lượng điện phát ra của toàn nước Anh

- Pháp: Ngày 23/4/2004 nước Pháp đóng cửa mỏ than cuối cùng, từ đó kết thúc

việc khai thác than Đó là hình ảnh thu nhỏ và là mốc lịch sử quan trọng của việc phát triển nguồn năng lượng của thế giới Pháp là một nước chiếm vị trí hàng đầu trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân, nhưng đến nay đã đưa việc phát điện bằng sức gió lên vị trí chiến lược Pháp đã hoạch định một kế hoạch trung kỳ phát triển điện gió Theo kế hoạch đó, năm 2007 sẽ lắp thêm 1000 MW – 3000 MW thiết bị điện gió, đến năm 2010

sẽ có 3000 MW đến 5000 MW điện gió đưa vào vận hành Theo tính toán sau khi kế hoạch nói trên được thực thi mỗi năm sẽ giảm được 3 triệu đến 6 triệu tấn khí thải CO2 Điện gió hiện nay đang có tốc độ tăng trưởng mỗi năm hơn 60%

- Ấn Độ: là một nước đi tiên phong về điện gió trong các nước đang phát triển,

tuy bắt đầu hơi muộn nhưng có tốc độ phát triển rất nhanh, Ấn Độ thành lập Bộ nguồn năng lượng phi truyền thống, xây dựng mạng lưới đo đạc tốc độ gió trong toàn quốc, nắm vững tình hình tài nguyên nguồn năng lượng gió, tìm kiếm các địa điểm có lợi nhất cho các trang trại phát điện gió Chính phủ có nhiều ưu đãi đối với các nhà đầu tư điện gió, bao gồm việc bù lỗ 10% đến 15% tiền đầu tư thiết bị cho các xí nghiệp có liên quan, đẩy nhanh khấu hao 100% đối với các thiết bị điện gió… Năm 2002 đưa ra kế hoạch miễn thuế, quy định 10 năm đầu thu nhập của các trang trại phát điện gió được miễn thuế 100% Luật điện lực Ấn Độ còn quy định, việc phát điện bằng các nguồn năng lượng mới ít nhất phải đạt 10%, đồng thời thực hiện giá ữu đãi Ngoài ra, các Bang còn đưa ra các chính sách ưu đãi của mình Ấn Độ đã trở thành nước sản xuất điện gió chiếm vị trí thứ 5 trên thế giới, các hãng sản xuất máyđiện gió đã có quy mô tương đối lớn Máy phát điện gió cỡ lớn do Ấn Độ sản xuất không những tự cung cấp cho nhu cầu trong nước mà còn xuất khẩu sang Mỹ và các nước khác, được các giới năng lượng quốc tế đánh giá cao về chất lượng và giá cả

- Nhật Bản: Năm 2002 Nhật Bản đã lắp đặt 486 MW điện gió, năm 2003 đã có

730 MW, năm 2004 đã có 936 MW Dự kiến đến năm 2010 tổng công suất lắp đặt điện gió sẽ đạt 3.000 MW

+ Chính sách năng lượng mới của Nhật Bản quy định, các Công ty điện lực có nghĩa vụ mở rộng việc sử dụng điện gió, một là tự mình phải phát điện gió, mặt khác phải mua điện gió của các Công ty khác, mỗi năm đều có chỉ tiêu quy định

+ Nhật Bản phấn đấu tự sản xuất hoàn toàn thiết bị điện gió, đồng thời hướng đến xuất khẩu Máy phát điện gió của các Công ty Nhật Bản có nhiều tính năng ưu việt, tốc độ gió 1 m/s đã có thể bắt đầu phát điện, công suất điện phát ra thường cao hơn 15 - 20% so với các thiết bị của các nước khác

+ Nhật Bản đặt mục tiêu đến năm 2030 điện gió sẽ có công suất lắp đặt là 11.800 MW

- Trung Quốc: Năm 1986 tại Vinh Thành, Sơn Đông trang trại điện gió đầu tiên

của Trung Quốc gồm 3 tổ máy, 55 KW/1 máy, nhập từ Đan Mạch phát điện lên lưới Đến tháng 10 năm đó tại trang trại điện gió Bình Đàm - Phúc Kiến cũng đưa vào hoạt động 4 tổ máy, 200 KW/máy do chính phủ Bỉ tặng Sau đó dựa vào nguồn vốn chính phủ cũng như 1 số viện trợ của nước ngoài đã có một số cơ sở phát điện gió được xây dựng nhằm mục đích nghiên cứu và làm mẫu

+ Ủy ban kế hoạch nhà nước trước đây cũng đã từng đề ra 2 kế hoạch về phát triển điện gió gọi là một “Công trình ánh sáng” nhằm ủng hộ phát triển các máy điện gió cỡ nhỏ, giải quyết vấn đề cấp điện cho vùng sâu, vùng xa 2 “Kế hoạch cưỡi gió” ủng hộ việc xây dựng các trang trại điện gió cỡ lớn, hòa điện lên mạng và việc nội địa hóa chế tạo máy phát điện gió

+ Năm 1995 Bộ Điện lực đã đề ra mục tiêu đến cuối năm 2000 sẽ có tổng công suất điện gió đạt 1000 MW Nhưng mục tiêu đó không thực hiện được Đến cuối năm

2003 chỉ đạt 567 MW, gồm 1042 tổ máy phát

+ Về lĩnh vực cấp điện cho vùng sâu, vùng xa và ngư dân Trung Quốc đã thu được nhiều kết quả tốt Theo thống kê đến năm 2002, máy phát điện gió cỡ nhỏ trong toàn quốc đã có 250.000 chiếc Những năm gần đây đã có một lượng nhất định các loại máy phát điện gió cỡ nhỏ được bán ra nước ngoài

+ Từ năm 2004 Trung Quốc bước vào giai đoạn phát triển mạnh mẽ điện gió Theo kế hoạch, 30 dự án đầu tư quy mô tương đối lớn với công suất lắp đặt của mỗi dự

án trên dưới 100MW đã và đang khởi công xây dựng từ năm 2004 đến năm 2006

+ Theo quy hoạch phát triển trung dài hạn về điện gió toàn quốc, đến cuối năm

2005 tổng công suất lắp đặt phải là 1.000 MW, 2010 là 4.000 MW, 2015 là 10.000

MW, 2020 là 20.000 MW Như vậy trong những năm từ 2011 đến năm 2020 bình quân mỗi năm công suất lắp đặt điện gió của Trung Quốc phải đạt 1.600 MW.[3]

Qua tình hình phát triển điện gió ở một số nước ta thấy: - Nhận thức được tầm quan trọng của năng lượng tái sinh nói chung và năng lượng gió nói riêng, chính phủ của nhiều quốc gia trên thế giới đang dốc tiền của, nhân lực vào việc nghiên cứu và đưa vào sử dụng thực tiễn năng lượng gió, giúp giảm sự căng thẳng năng lượng ở các nước

- Đồng thời, do kinh tế phát triển nhanh chóng và cạnh tranh gay gắt, trước tình trạng các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn kiệt, các nguồn năng lượng mới được các nước quan tâm, nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong đó có năng lượng điện gió

1.3.2 Tình hình nghiên cứu, sử dụng, phát triển năng lượng điện gió ở Việt Nam

Trong vòng 10 năm (2001-2010), Việt Nam đã đạt được những bước phát triển kinh tế nhanh chóng, với sự phát triển trung bình 7,2%/ năm, cùng với đó nhu cầu sử dụng điện trong các ngành kinh tế và sinh hoạt liên tục gia tăng với tốc độ trung bình 14,5%/năm Tổng sản lượng điện thương phẩm tăng từ 31,1 tỷ kWh (2001) lên tới 99,1

tỷ kWh (2010), điều đó có nghĩa là sản lượng điện tiêu thụ tăng gấp 3 lần trong 10

năm So với năm 2009, sản lượng điện thương phẩm năm 2010 tăng 14,3%, gấp 2,5 lần

so với tăng trưởng GDP Tổng công suất lắp đặt tất cả các nguồn điện của Việt Nam năm 2010 là 21.542 MW, trong đó sản lượng điện thuộc EVN là 11.848 MW (chiếm 55% công suất lắp đặt), sản lượng các nguồn khác ngoài EVN là 9.694 MW (chiếm 45% công suất lắp đặt)

Biểu đồ sản lượng điện các nguồn điện tại Việt Nam

Hình 1.3: Biểu đồ sản lượng các nguồn điện tại Việt Nam

Nhìn vào hình 1.3 ta thấy thủy điện chiếm 38% với sản lượng lớn nhất 7.633

MW, tua bin khí chiếm 32% với công suất 3.179 MW, nhiệt điện than chiếm 18% với công suất 2.758 MW, điện nhập khẩu từ nước ngoài chiếm 5% với 1000 MW, nhiệt điện dầu 3% với công suất 537 MW, nhiệt điện chạy bằng khí chiếm 2% với công suất

500 MW, điện từ nguồn năng lượng tái tạo 2%.[1.4]

Hệ thống điện quốc gia về cơ bản đáp ứng nhu cầu truyền tải điện năng từ các nhà máy điện tới phụ tải tiêu thụ, đảm bảo cung cấp điện phục vụ cho nhu cầu phát triển kinh tế- xã hội và nhằm giảm tổn thất điện năng trong quá trình truyền tải Tuy nhiên hệ thống chưa có khả năng cung ứng dự phòng

Trước những thách thức về tình trạng thiếu điện và ứng phó với hậu quả biến đổi khí hậu trong những năm tiếp theo thì kế hoạch phát triển “điện xanh” từ các nguồn năng lượng tái tạo là một giải pháp khả thi nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và bảo

vệ môi trường Hiện nay, Chính phủ Việt Nam đã xác định, chỉ rõ các mục tiêu định hướng phát triển dạng “điện xanh” này Trong đó nguồn năng lượng điện gió được xem như là một lĩnh vực trọng tâm, do Việt Nam được xem như là nước có tiềm năng năng lượng gió lớn nhất trong khu vực Đông Nam Á

Qua khảo sát, nghiên cứu và đánh giá của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA) và Ngân hàng Thế giới (WB) về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong bốn nước được khảo sát thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và hơn hẳn các quốc gia lân cận

là Thái Lan, Lào và Campuchia (xem bảng 1.1- phụ lục) Trong khi Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm năng từ “tốt” đến “rất tốt” để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn thì diện tích này ở Campuchia và Thái Lan là 0,2%, ở Lào là 2,9% Còn theo đánh giá của Bộ Công Thương, điều kiện tự nhiên ở nước ta có thuận lợi cơ bản để phát triển điện gió với tổng công suất lên đến 513.360 MW (tức là hơn

200 lần công suất của Thủy điện Sơn La và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành Điện vào năm 2020).[1.5]

Năm 2007, EVN đã tiến hành nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió xác định các vùng thích hợp cho sự phát triển điện gió trên toàn lãnh thổ với công suất 1.785 MW Trong đó miền Trung Bộ được xem là vùng có tiềm năng gió lớn nhất cả nước với khoảng 880 MW,tập trung ở 2 miền Quảng Bình và Bình Định, tiếp đến là miền Nam Trung Bộ với công suất là 885 MW, tập trung ở 2 tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận Ngoài ra, Bộ công thương và Ngân hàng thế giới (năm 2010) đã tiến hành cập nhật thêm số liệu quan trắc (đo gió ở 3 điểm) vào bản đồ tiềm năng gió ở độ cao 80m cho Việt Nam, kết quả cho thấy ở độ cao 80m so với bề mặt đất ứng với tốc độ gió trung bình năm 7 m/s có tổng công suất là 2400 MW (xem bảng 1.2- phụ lục)

Cho đến nay chưa có một nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió cho Việt Nam một cách sâu rộng cho số liệu quan trắc phục vụ cho phát triển điện gió Hiện nay, trong khuôn khổ hợp tác giữa bộ công thương (MoIT) và dự án Năng lượng gió GIZ (Hợp tác phát triển Đức GIZ), một chương trình đo gió tại 10 điểm trên đọ cao 80m được tiến hành tại các tỉnh cao nguyên và duyên hải Trung Bộ (đo ở độ cao 80m, 60m, 40m

so với mặt đất), áp dụng các tiêu chuẩn IEC- 61400-12 trong suốt quá trình đo gió Dự

án này mong đợi cung cấp số liệu đại diện cho các vùng có tiềm năng gió cho Việt Nam để phục vụ cho việc phát triển điện gió trong thời gian tới Ngoài ra, các báo cáo

về quy trình và tiêu chuẩn lắp đặt cột đo gió cũng đang được hoàn thiện và sẽ là tài liệu cho các nhà phát triển điện gió.[1.4]

Các nhà máy năng lượng điện gió ở Việt Nam hiện nay:

Bạc Liêu: Nhà máy điện gió biển đầu tiên của Việt Nam được xây dựng ở Bạc Liêu

với 10 tuabin công suất 16 MW đã được nối vào lưới điện quốc gia vào tháng 9 năm

2012 Đây là tiền đề rằng Việt Nam có thể xây nhà máy điện gió trên biển, vốn đầu tư cho nhà máy điện gió biển rất lớn nhưng khi đi vào vận hành thì không mất chi phí nguyên liệu, chỉ mất chi phí vận hành bảo trì và trả lương cho công nhân, trong tương lai sẽ phát triển thêm nhà máy điện gió biển tại khu vực này

Bình thuận: Nhà máy điện gió đảo Phú Quý, Bình Thuận đã vận hành 2 tuabin trong

tổ hợp 3 tuabin với 6 MW, đây là hệ thống gồm phong điện –diesel đầu tiên của Việt Nam đang trong giai đoạn vận hành thử nghiệm.[7] Tháng 8-2008 Fuhrlaender AG, một tập đoàn sản xuất tuốc bin gió hàng đầu của Đức đã bàn giao 5 tổ máy sản xuất điện gió đầu tiên cho dự án điện gió tại Tuy Phong, Bình Thuận với mỗi tổ máy có công suất 1.5MW Tổ máy đầu tiên được lắp đặt vào tháng 11-2008 và chính thức hoàn thành kết nối vào điện lưới quốc gia vào tháng 8 năm 2009 (xem hình 1.4)

Hình 1.4: Năm tổ máy của nhà máy điện gió tầm cỡ MW đầu tiên ở Việt Nam ở xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận Chiều cao của mỗi cái tháp là 103.75 m và đường

kính của cánh quạt là 37.5 m

Toàn bộ thiết bị của 15 tổ máy còn lại của giai đọan 1 sẽ được hoàn thành trong thời gian sắp tới để hoàn tất việc lắp đặt toàn bộ 20 tổ máy cho giai đọan 1 Tổng công suất của nhà máy điện gió tại Bình Thuận trong giai đoạn này là 30 MW do Công Ty Cổ Phần Năng Lượng Tái tạo Việt Nam (REVN) làm chủ đầu tư, thời gian hoạt động của

dự án là 49 năm, nhà máy được xây dựng trên diện tích 328 ha, theo kế hoạch giai đoạn

2 sẽ mở rộng với công suất lên 120 MW

Ngoài ra, Việt Nam còn có rất nhiều dư án điện gió nữa nhưng chưa được khai thác, đa số còn nằm trên giấy tờ, báo cáo dự án (xem bảng 1.3- Phụ lục).[4]

1.4 Tầm quan trọng của việc nghiên cứu kết nối hệ thống điện gió với lưới điện

Đối với những nước có hệ thống điện gió phát triển, sản lượng điện gió sản xuất

ra không những tiêu dùng tại khu vực, nó còn được kết nối với lưới điện để truyền tải tới nơi có nhu cầu góp phần quan trọng giải quyết thiếu hụt năng lượng

Việc kết nối hệ thống điện gió với lưới điện phải tuân thủ theo nguyên tắc hòa lưới để đảm bảo cho hệ thống lưới điện vận hành an toàn ổn định

Việc nghiên cứu kết nối hệ thống điện gió với lưới điện đối với những nước có hệ thống điện gió phát triển không còn là đề tài mới mẻ nhưng đối Việt Nam, một nước

mới và đang xây dựng, phát triển hệ thống điện gió còn là đề tài khá mới Cho nên nghiên cứu kết nối hệ thống điện gió với hệ thống lưới điện rất quan trọng

1.5 Bố cục của luận văn

Bố cục của luận văn bao gồm:

 Chương 1: Giới thiệu

 Chương 2: Tổng quan về bài toán kết nối hệ thống điện gió với lưới điện

 Chương 3: Hệ thống năng lượng điện gió

 Chương 4: Hệ thống năng lượng điện gió kết nối lưới

 Chương 5: Mô phỏng và các kết quả

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

1.6 Kết luận

Trước tình hình các nguồn năng lượng truyền ngày càng khan hiếm, việc sử dụng các nguồn năng lượng này thường gây ô nhiễm môi trường rất là lớn do số lượng khí thải CO2 sau khi sản suất điện ra môi trường rất là lớn, điều này gây lên hiệu ứng nhà kính, sự nóng lên toàn cầu, sự biến đổi khí hậu gây ra lũ lụt, hạn hán ở rất nhiều nơi trên trái đất gây khó khăn cho cuộc sống của loài người và phát triển kinh tế- xã hội

Vì vây, loài người luôn nghiên cứu tìm ra những nguồn năng lượng mới có khả năng tái tạo, sử dụng lâu dài, ít gây ô nhiễm môi trường thay thế, giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống Trong các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng điện gió có tiềm năng rất lớn, đang được các quốc gia trên thế giới quan tâm, nghiên cứu, phát triển, sử dụng nguồn năng lượng này góp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng để phát triển kinh tế- xã hội Năng lượng điện gió sản suất ra không chỉ được sử dụng trong khu vực mà còn được kết nối lưới điện để truyền tải đi xa đến những nơi thiếu năng lượng điện để sản xuất, phát triển

Việc nghiên cứu, khảo sát hệ thống năng lượng điện gió kết nối lưới điện là đề tài, là bài toán đòi hỏi các nhà khoa học cần nghiên cứu, để khi kết nối hệ thống năng lượng điện gió với lưới điện phải đảm bảo sự ổn định, an toàn cho hệ thống lưới điện

và vận hành có hiệu quả Với những nước có ngành năng lượng điện gió phát triển thì

đề tài này không còn mới nhưng Việt Nam một nước mới, đang xây dựng và phát triển nguồn năng lượng hữu ích này thì đòi hỏi cần phải học hỏi, nghiên cứu, sử dụng phát triển năng lượng điện gió sao cho hiệu quả, an toàn và ổn định

Do đó trong luận văn này sẽ trình bày, khảo sát về hệ thống năng lượng điện gió kết nối lưới điện

ba pha [2.1], đạt được kết quả một chương trình điều khiển mới của lưới điện ba pha kết nối hệ thống chuyển đổi năng lượng gió, kiểm soát tối ưu nguồn năng lượng điện gió,

bù công suất kháng cho lưới điện, hoạt động đồng thời hoặc độc lập với các hệ điện đang hoạt động Các tuabin phát điện gió có tốc độ thay đổi và kiểm soát tối ưu thực hiện thông qua một bộ chuyển đổi DC-DC tăng, ba cấp nguồn điện áp biến tần được sử dụng như giao điện với nguồn AC Xác nhận các mô hình và chương trình điều khiển được sử dụng trong môi trường Matlab/ Simulink và hơn nữa đã sử dụng hơn 400 W năng lượng gió chuyển đổi thử nghiệm thiết lập được sử dụng để chứng minh kết quả của thuật toán MPPT (Maximum Power Point Track)

Tại hội nghị triển lãm hệ thống điện tháng 3 năm 2009, Hee- yeol Jung, người Hàn Quốc đã nghiên cứu và trình bày về nâng cao chất lượng điện năng của lưới điện kết nối với hệ thống máy phát điện gió của SMES (Superconducting Magnet Energy System) [2.2], giới thiệu các tiện ích năng lượng điện gió trên thế giới, công suất đầu ra của hệ thống năng lượng điện gió dao động do gió có tốc độ thay đổi, do đó một số lượng lớn các máy phát điện gió kết nối lưới điện, sản lượng của nó có thể gây ra các vấn đề về chất lượng điện năng như điện áp, tần số dao động có thể xảy ra Để giải

quyết các vấn đề này, việc kiểm soát làm mịn đầu ra của máy phát điện gió là rất quan trọng Ngoài ra, nam châm siêu dẫn Năng lượng lưu trữ (SMES) chắc chắn là một trong những công nghệ quan trọng để vượt qua những biến động, SMES có thể bù đắp các rối loạn thậm chí nhỏ Với những điểm này, bài báo nói về nâng cao chất lượng điện của lưới điện kết nối WPGS bởi những bước điều khiển và SMES EMTDC và RTD dựa trên mô phỏng được thực hiện cho một hệ thống điện hòn đảo nhỏ bao gồm WPGS và kết quả được thảo luận chi tiết trong báo cáo

Tại hội nghị triển lãm ứng dụng điện năng Thái Bình Dương tháng 3 năm 2011, Amin, M.M, người Mỹ đã trình bày nghiên cứu của mình về bộ biến tần ba pha bán điều khiển tần số cao chỉnh lưu hệ thống hệ thống được đề suất cho lưới điện kết nối máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu [2.3] Ưu điểm chính của cấu trúc liên kết là hiệu quả cao do tổn thất điện năng ít hơn và giảm số lượng các yếu tố chuyển đổi, công suất đầu ra cao, mật độ thực hiện và giảm xếp hạng thành phần thụ động tương ứng với tần

số, mạnh mẽ, ngắn mạch thông qua một chân là không thể, và các đường hình sin cao hơn và có thể dễ dàng lọc ra Bất lợi, chấp nhận được tổng méo hài hòa của các dòng máy phát điện được giới thiệu Điểm công suất tối đa theo dõi thuật toán (MPPT) được thực hiện thông qua một điều khiển trễ cho các hoạt động chỉnh lưu Ngoài ra, một xung hình sin điều chế độ rộng (SPWM) của dòng điện nguồn biến tần (CSI) cũng được sử dụng trong việc kết nối lưới điện Các hoạt động đầy đủ các biến tần chỉnh lưu

và phân tích lý thuyết được trình bày Kết quả thử nghiệm trên 5 kW-hệ thống phát điện gió được trình bày và thảo luận để khẳng định hiệu quả của cấu trúc liên kết được

đề xuất cho các hệ thống nối lưới

Tại hội nghị năng lượng điện và chuyển giao năng lượng điện trong thế kỉ 21, tháng 7 năm 2008 Wei Qiao, người Atlanta trình bày nghiên cứu của mình là trong một số hệ thống điện, sự phát triển của năng lượng điện gió đang tăng lên nhanh chóng

và bắt đầu ảnh hưởng đến an toàn và ổn định của hệ thống điện [2.4] Dưới điều kiện này, nó trở nên cần thiết để yêu cầu máy phát điện tuabin gió (WTGs) vẫn còn phục vụ

trong thời gian sự cố lưới điện để hỗ trợ điện áp và tần số mạng Bài viết này khảo sát hiệu quả của việc kết nối lưới của hệ thống máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIGs) về sự ổn định tạm thời của hệ thống điện Bằng cách sử dụng một chương trình hoạt động không bị gián đoạn và kiểm soát nhanh chóng chuyển đổi DFIG, các tuabin gió DFIG thành công có thể át chế những sự cố lưới điện và không có vấn đề ổn định góc liên kết với các máy phát điện đồng bộ thông thường Vì vậy, sự tích hợp của DFIG tua-bin gió thậm chí có thể mang lại một số lợi ích về hiệu suất hệ thống điện thoáng qua và ổn định Nghiên cứu mô phỏng được thực hiện để chứng minh và so sánh hiệu suất thoáng qua của IEEE 10 máy, 39 hệ thống thanh cái có và không có tích hợp năng lượng gió trong một sự cố nghiêm trọng của lưới điện Kết quả cho thấy một hiệu suất thoáng qua tốt hơn, đạt được cân bằng hệ thống điện kết nối năng lượng điện gió

Trên tạp chí hệ thống IEEE tháng 9 năm 2010, ông Mohod, S.W Người Ấn Độ đã nghiên cứu với đề án STATCOM điều khiển cho hệ thống năng lượng gió nối lưới để cải thiện chất lượng điện [2.5] Tiêm điện gió vào lưới điện ảnh hưởng đến chất lượng điện Hiệu suất của tuabin gió và chất lượng điện do đó được xác định trên cơ sở của các phép đo và các chỉ tiêu theo theo hướng dẫn quy định tại Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế tiêu chuẩn, IEC-61.400 Sự ảnh hưởng của các tuabin gió trong hệ thống lưới điện liên quan đến các phép đo chất lượng điện là công suất tác dụng, công suất phản kháng, sự thay đổi của điện áp, tần số, sóng hài, và các hoạt động chuyển đổi và được

đo theo chuẩn quốc gia hay chuẩn quốc tế Bài nghiên cứu chứng tỏ vấn đề chất lượng điện do lắp đặt các tuabin gió với lưới điện Trong bù đề xuất chương trình tĩnh (STATCOM) được kết nối tại một điểm kết nối với hệ thống pin lưu trữ năng lượng (Bess) để giảm thiểu các vấn đề chất lượng điện Lưu trữ năng lượng pin được tích hợp

để duy trì nguồn năng lượng đích thực trong dao động năng lượng gió Đề án kiểm soát STATCOM cho hệ thống lưới điện gió kết nối lưới điện để cải thiện chất lượng điện được mô phỏng bằng cách sử dụng MATLAB/ SIMULINK trong bộ khối hệ thống

điện Kết quả của đề án đề xuất bù lại công suất phản kháng từ nhu cầu công suất phản kháng của tải và máy phát điện cảm ứng Sự phát triển của các quy tắc phối hợp lưới điện và phương án đến cải thiện tiêu chuẩn chất lượng điện theo IEC-tiêu chuẩn trên lưới điện đã được trình bày.

2.2- Tình hình nghiên cứu bài toán kết nối hệ thống điện gió với lưới điện ở trong nước

Trên tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ số 65(03): 123-133, Nguyễn Thị Mai Hương và cộng sự đã có bài báo về “Nghiên cứu khả năng trụ lưới không đối xứng của

hệ thống máy phát điện chạy bằng sức gió” Trong bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu về các biện pháp khắc phục lối lưới đối xứng và không đối xứng trong các

hệ thống máy phát điện chạy bằng sức gió Khi xảy ra lỗi lưới thì bộ phận biến đổi phía máy phát được điều khiển ngừng làm việc, các dây quấn roto được nối tắt qua hệ thống điện trở tiêu tán để duy trì quá trình vận hành đồng bộ của máy điện với lưới phân phối Trong khi bộ biến đổi phía lưới được điều khiển phát công suất kháng để hỗ trợ lưới

Các kết quả thực hiện trong môi trường Matlab/ Simulink- Plecs cho thấy việc áp dụng các biện pháp khác phục lỗi lưới giúp cho hệ thống lưới có các đáp ứng quá độ tốt hơn khi xảy ra lỗi lưới đối xứng và không đối xứng [2.6]

Trên tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ/ Điện và đời sống, số 17 Trịnh Trọng Trưởng đã nghiên cứu “Nâng cao chất lượng điện năng của mạng lưới phân phối kết nối máy phát điện gió bằng việc sử dụng máy bù đồng bộ tĩnh”[2.7] Khi ứng dụng máy

bù đồng bộ tĩnh (Statcom) vào việc nâng cao chất lượng điện năng của mạng điện phân phối khi kết nối với máy phát điện gió thì khả năng khắc phục sự cố tốt hơn, các giá trị chập chờn của máy phát điện gió giảm đi rõ rệt, nâng cao chất lượng điện năng trong mạng lưới phân phối Ứng dụng mô phỏng tính toán, tác giả trình bày: hệ thống tuabin- máy phát điện gió được mô phỏng bằng phần mềm PSCAD, một bộ Statcom được đấu

nối vào điểm đấu nối Mô hình gồm một máy phát điện gió công suất 1.62 MW, điện

áp đầu cực 0.69 kV Do điện áp đầu cực khác với điện áp lưới phân phối lên được trong bị thêm máy biến áp tăng áp 0.69 kV/ 11 kV Trong mô hình này lấy tốc độ gió

11 m/s dựa trên số liệu thống kê tốc độ gió tại Phước Ninh- Ninh Thuận, điều kiện mô phỏng là xảy ra sự cố một pha ở lưới điện 10 kV trong 30 ms, mạch sự cố được tách ra sau khi sự cố được loại trừ, góc tổng trở bằng 63,40 Kết quả mô phỏng cho thấy trong trường hợp không áp dụng giải pháp công nghệ Statcom cho thấy sau khi bị sự cố, hệ thống mất 1.8 s để hồi phục lại trạng thái ban đầu, các giá trị chập trờn đạt tới 6.8% lớn hơn nhiều so với tiêu chuẩn IEC 64100- 21 và quy định đấu nối hệ thống điện của Việt Nam Trong trường hợp ứng dụng công nghệ Statcom kết quả cho thấy thời gian phục hồi là 0.70 s, các nhiễu rất nhỏ và nằm trong giới hạn cho phép

Năm 2012, Trần Thị Kim Thoa đã có công trình nghiên cứu “Ứng dụng phương pháp mờ trượt điều khiển công suất trong bộ biến đổi điện năng kép gió- lưới điện”[2.8] Ứng dụng phương pháp mờ trượt để điều khiển góc mở của các bộ biến đổi trong hai

hệ thống nguồn để điều tiết công suất chính là lưới Đảm bảo các thông số đầu ra cung cấp cho tải và bộ điều khiển đáp ứng nhanh khi tốc độ gió thay đổi Tác giả đã sử dụng phần mềm Matlab/ Simulink để mô phỏng kết quả tính toán, kết quả là giải quyết được vấn đề điện áp ổn định khi hòa lưới với vận tốc gió thay đổi, Sử dụng phương pháp điều khiển mờ trượt giải quyết được vấn đề ổn định điện áp khi hòa lưới, ít bị nhiễu, đảm bảo sai lệch tiến về 0, chất lượng tốt hơn phương pháp điều khiển PI nhưng chưa đạt được kết quả như mong muốn do thời gian đáp ứng còn lớn

2.3- Kết luận

Qua tình hình nghiên cứu bài toán kết nối hệ thống điện gió với lưới điện trên thế giới, ta thấy điện gió trên thế giới đã hơn 2 thập kỷ phát triển đã có nhiều sự nghiên cứu về hệ thống điện gió kết nối lưới điện, tuy hướng nghiên cứu co khác nhau nhưng đều đi đến vấn đề chung đó là hệ thống điện gió kết nối với lưới điện cần phải đảm bảo

sự ổn định của lưới điện, nâng cao chất lượng điện năng của hệ thống điện bằng các bài toán giải pháp công nghệ và các phương pháp điều khiển đã được nghiên cứu và còn nhiều công trình nghiên cứu khác về sự kết nối của hệ thống điện gió kết nối lưới

Bên cạnh đó, Việt Nam là nước mới bắt đầu phát triển nguồn năng lượng điện gió trong những năm gần đây, thừa hưởng những công nghệ kỹ thuật tiên tiến trên thế giới để phát triển nguồn năng lượng sạch này mà Việt Nam có tiềm năng rất lớn Tuy vậy, Việt Nam cũng có những công trình nghiên cứu về bài toán thống điện gió kết nối lưới như đã nêu ở trên và những công trình khác nữa chưa được nêu ở đây

Chương 3

HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ

Chương này giới thiệu về sự hình thành năng lượng gió, sản suất điện từ năng lượng gió, hệ thống điện gió, hệ thống điện gió kết nối lưới điện

3.1) Sự hình thành năng lượng gió

Năng lượng gió là động năng đi chuyển của không khí trong bầu khí quyển của trái đất, năng lượng gió là hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời [3.1]

Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời, bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ, khác nhau về áp suất không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa

Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thắng

mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại.(xem hình 3.1)