Nghiên cứu ứng dụng bộ lưu trữ năng lượng để nâng cao chất lượng điện năng và hiệu quả khai thác cho các hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo

Trước đây, mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ chưa được quan tâm khai thác và phát triển nên các ứng dụng khoa học kỹ thuật vào điều khiển nguồn phát cũng như trong toàn mạng còn chưa được đ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

BÙI NGUYỄN HIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG VÀ HIỆU QUẢ KHAI THÁC CHO

CÁC HỆ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

THÁI NGUYÊN - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình do chính tác thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Ngô Đức Minh Nội dung luận văn có nghiên cứu

sử dụng các tài liệu tham khảo như đã nêu trong phần tài liệu tham khảo

Tác giả

Bùi Nguyễn Hiệp

MỞ ĐẦUĐịnh hướng của đề tài

Từ cuối thế kỷ 20 và đặc biệt trong 10 năm trở lại đây tình hình năng lượng đang thay đổi - có một số lượng lớn các nguồn cung cấp năng lượng không phải là dạng truyền thống đang được thúc đẩy phát triển mạch mẽ không những riêng ở nước ta, mà trên phạm vi toàn cầu Đó là các dạng nguồn năng lượng mới và tái tạo (NLM&TT) Ví dụ như: phong điện, thủy điện nhỏ, điện mặt trời, điện thủy triều V.V Chúng có thể được khai thác dưới các loại hình mạng điện khác nhau: có thể là mạng điện cục bộ, mạng phân tán hay được kết nối với lưới quốc gia Tuy nhiên, đối với các dạng nguồn này đều có chung một số nhược điểm là:

- Đặc tính làm việc thuộc dạng mềm hoặc siêu mềm

- Tiềm năng phụ thuộc các yếu tố tự nhiên luôn thay đổi như thời gian, thời tiết, khí hậu…

- Khả năng dự trữ công suất thấp

Qua phân tích tổng quan về các dạng năng lượng NLM&TT, Tác giả lựa chọn hướng nghiên cứu cho một dạng điển hình, đó là thủy điện nhỏ Trong đó, một số thủy điện nhỏ ở các vùng núi, cách xa các trung tâm kinh tế phát triển chỉ có thể được khai thác theo hình thức mạng điện cục bộ Trước đây, mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ chưa được quan tâm khai thác và phát triển nên các ứng dụng khoa học kỹ thuật vào điều khiển nguồn phát cũng như trong toàn mạng còn chưa được đề cập đến Chính vì thế, làm cho tính kinh tế của hệ thống còn thấp, chất lượng điện năng cung cấp chưa đảm bảo Ngày nay, đứng trước sự phát triển về mọi mặt của xã hội, các hoạt động sản xuất ngày càng phong phú, đời sống văn hóa tinh thần của con người ngày một nâng cao dẫn đến đòi hỏi các lưới điện vận hành phải đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng điện năng

Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ (MĐCBTĐN) mà đề tài quan tâm cụ thể là một mạng điện độc lập, không kết nối với lưới điện quốc gia Một số nhược điểm của MĐCBTĐN có thể được phân tích nguyên nhân xuất phát từ hoạt động của hệ turbine-máy phát Đương nhiên là, sự hoạt động bình thường của một máy phát đồng bộ xoay chiều ba pha được đảm bảo thông qua chất lượng điều khiển của hai hệ thống:

1- Hệ thống điều chỉnh kích từ để ổn định điện áp và huy động công suất phản kháng

2- Hệ thống turbine để ổn định tần số và huy động công suất tác dụng Với thủy điện nhỏ thì các nhược điểm phát sinh hầu như đều có nguyên nhân từ hệ thống turbine (hệ thống kích từ không bàn đến) Thực tế các thủy điện nhỏ thường được xây dựng theo kiểu thủy điện có kênh dẫn, đặc tính điều chỉnh công suất và điều chỉnh tốc độ có thời gian trễ lớn, khả năng quá tải thấp, không có khả năng huy động công suất đỉnh nên không đáp ứng được nhu cầu đòi hỏi của phụ tải thực tế Ví dụ: Khi có động cơ khởi động:

- Quá trình khởi động của động cơ bị kéo dài do đặc điểm của thủy điện nhỏ không đáp ứng được tốc độ huy động công suất cho khởi động

- Chất lượng điện năng thấp, không ổn định

Như vậy, để khắc phục tình trạng trên cần thiết phải có một nguồn dự trữ năng lượng khác ngoài máy phát Một số biện pháp truyền thống đã được áp dụng cho các hoạt động tương tự, ví dụ như:

- Dự trữ năng lượng bằng hệ bánh đà

- Dự trữ năng lượng bằng buồng áp lực

Đối với một số thủy điện nhỏ thì cả hai biện pháp trên đều không thể áp dụng Vì vậy, nhiệm vụ của đề tài là nghiên cứu tìm được một giải pháp thích hợp để khắc phục những vấn đề tồn tại trên

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Xác định tên đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng bộ lưu trữ năng lượng

để nâng cao chất lượng điện năng và hiệu quả khai thác cho các hệ nguồn năng lượng mới và tái tạo” Cụ thể là:

- Nghiên cứu ứng dụng hệ thống tích trữ năng lượng trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ, nhằm mục đích nâng cao hiệu quả khai thác công suất nguồn phát và đảm bảo chất lượng điện năng cung cấp

Phạm vi nghiên cứu

- Xây dựng cấu trúc điều khiển của hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ nhằm thực hiện các chức năng chính là:

- Huy động công suất đỉnh cho chế độ khởi động của động cơ,

- Bù công suất phản kháng để cải thiện chất lượng điện áp tại điểm kết nối

Cấu trúc luận án

Luận văn gồm 4 chương, 99 trang, 32 tài liệu tham khảo

Thái Nguyên,ngày 03 tháng12năm 2013

Tác giả

Bùi Nguyễn Hiệp

MỤC LỤC CHƯƠNG 1

1.4.2 Tiềm năng và tình hình khai thác ở Việt Nam 22

1.6.1 Sự hình thành năng lượng thủy triều và sóng biển 27

1.6.2 Tiềm năng năng lượng thủy triều và sóng biển 27

2.1 Giới thiệu chung 32

2.1.1.3 Giải pháp ứng dụng BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện

2.2.1.1 Khái niệm vector không gian của các đại lượng xoay chiều

2.2.1.2 Mô tả máy phát đồng bộ xoay chiều 3 pha trong các hệ tọa

2.3 Mô tả toán học bộ biến đổi BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện

2.5 Vận hành MĐCBTĐN và giới hạn mang tải của máy phát 67

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN HỆ BESS

3.2 Nguyên lý xác định góc pha vector điện áp 71

3.3 Điều chế vector không gian SVM cho hệ BESS 73

3.4 Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện cho hệ BESS 80

3.5 Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp tại điểm kết nối chung PCC 83

CHƯƠNG 4

MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM HỆ BESS

4.1 Mô phỏng hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 88

4.1.1 Mô phỏng tác dụng của BESS trong MĐCBTĐN công suất 2

PL2 Tính toán tụ một chiều một chiều trung gian 98

b) Sơ đồ nối lưới của máy phát nối lưới không đồng bộ nguồn kép 21

Hình 1 5 Nhà máy điện thủy triều Rance, CH Pháp 30

Hình 1 6 Trạm phát điện sử dụng dòng hải lưu SeaGen, Bắc Ailen 30

Hình 2 1 Mô tả mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 32

Hình 2 2 Sơ đồ thay thế của mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 33

Hình 2 3 Cấu trúc cơ bản của trạm thủy điện nhỏ 34

Hình 2 6 Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ có BESS 41

Hình 2 8 Đồ thị vector và các phép chuyển đổi hệ tọa độ 42

Hình 2 9 Sơ đồ bố trí các cuộn dây stator và rotor máy điện đồng bộ 44

Hình 2 10 Mạch điện tương đương của máy điện đồng bộ 45

Hình 2 11 Sơ đồ khối chức năng bộ điều tốc turbine thủy điện 52

Hình 2 15 Họ các đặc tính khi điều chỉnh turbine 57

Hình 2 17 Cấu trúc điều tốc turbine thủy điện 58

Hình 2 18 : a)Thay thế BESS như một nguồn áp tại PCCi,

Hình 2 20 Mô hình tín hiệu trung bình bộ biến đổi BESS trong tọa độ abc 61

Hình 2 21 Mô hình bộ biến đổi BESS trong hệ tọa độ quay dq tựa điện áp

Hình 2 22 Mô hình bộ biến đổi BESS trong miền toán tử Laplace 63

Hình 2 26 Mô hình thay thế kiểu Thevenin của ăcquy 66

Hình 2 27 Đồ thị phụ tải ngày và các phụ tải đỉnh do động cơ khởi động 68

Hình 3 1 Cấu trúc điều khiển hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện

Hình 3 2 Biểu diễn các đại lượng vector trên tọa độ dq tựa điện áp 72

Hình 3 3 Cấu trúc khối đồng bộ tựa điện áp lưới PLL 73

Hình 3 4 Dạng tín hiệu tựa đồng bộ điện áp lưới có được bằng kết quả mô

Hình 3 5 Tám khả năng chuyển mạch trong bộ biến biến đổi van 76

Hình 3 6 Vị trí các vector chuẩn trên hệ toạ độ αβ 77

Hình 3 7 Tổng hợp vector chuẩn trong sector 1 78

Hình 3 8 Thời gian đóng/cắt mỗi van trong sector 1 79

Hình 3 9 Dạng sóng biến điệu vector SVM có được bằng kết quả mô phỏng

80 Hình 3 10 Cấu trúc khử tương tác 2 thành phần dòng iBd và iBq 81

Hình 3 11 Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu PI cho bộ biến đổi BESS 82 Hình 3 12 Cấu trúc điều khiển công suất tác dụng 86

Hình 4 1 Mô hình mô phỏng hệ BESS trong MĐCBTĐN công suất 2MVA

89 Hình 4 2 Các thành phần công suất và dòng điện động cơ khi khởi động 89 Hình 4 3 Máy phát lý tưởng khi khởi động động cơ 160 kW với tải tĩnh 1,6

Hình 4 4 Các thành phần công suất máy phát thủy điện nhỏ có bảo vệ rơle khi khởi động động cơ 160 KW, với các tải tĩnh là 1,6 MW và 1,3 MW90 Hình 4 5 Hệ turbine-máy phát thủy điện nhỏ không đáp ứng phụ tải đỉnh 91 Hình 4 6 Các thành phần công suất đỉnh và điện áp (tần số) máy phát 92 Hình 4 7 BESS huy động công suất tác dụng cho động cơ khởi động 93 Hình 4 8 Các thành phần công suất SPQ của máy phát 93 Hình 4 9 Điện áp tại điểm kết nối chung Upcc2 93

Hình 4 12 BESS đóng vai trò thay thế khi mất nguồn máy phát 94

Bảng 1 1 : Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời 16 Bảng 1 2: Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam 17 Bảng 1 3: Sự phát triển của turbine gió từ 1985 đến 2004 20 Bảng 1 4: Quan hệ công suất theo lưu lượng, chiều cao cột nước 23 Bảng 1 5: Nhiệt độ địa nhiệt của một số địa điểm ở Việt Nam 25

Bảng 2 1: Các số liệu và kết quả tính toán mạng điện 37

Bảng 2 2: Các số liệu và kết quả tính toán mạng điện 39

Bảng PL6 1 Các thông số mô phỏng mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ 2

Bảng PL6 2 Các thông số mô phỏng mạng điệc cục bộ thủy điện nhỏ 85 kVA

102

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO

1.1 Các dạng năng lượng mới và tái tạo

Năng lượng tái tạo (NLTT) hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ

những nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn Nguyên

tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng

từ các quy trình diễn biến liên tục trong môi trường tự nhiên và đưa vào trong

các sử dụng kỹ thuật cho một mục đích nào đó của con người Các quy trình

này luôn tuân theo quy luật được thúc đẩy từ Mặt trời Vô hạn có hai nghĩa:

hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể cạn kiệt (ví dụ như

năng lượng Mặt trời) hoặc là NLTT tự tái tạo theo quy luật của tự nhiên trong

thời gian (vòng đời) ngắn và liên tục (ví dụ như năng lượng sinh khối, phong

năng, thủy điện nhỏ từ sóng biển, thủy triều hay các dòng suối…) trong các

quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái đất

Tình hình NLTT trên toàn cầu được thống kê năm 2006 qua biểu đồ sau:

Hình 1 1 Các nguồn NLTT trên Thế giới năm 2006

Trong đó:

770 GW Thủy điện lớn 235 GWh Sinh khối nhiệt 105 GWh Mặt trời điện nhiệt

74 GW NL Gió 73 GW Thủy điện nhỏ 45 GW NL Sinh khối điện

39 Tỷ lít etanol/năm 33 GWh NL Địa nhiệt 0,3, 0,4 GW Pin Mặt trời Các nguồn năng lượng hóa thạch đã được khai thác và sử dụng từ rất lâu

và đang dần cạn kiệt Cùng với sự tăng trưởng về kinh tế, nhu cầu về năng lượng cho sản xuất và đời sống ngày càng gia tăng do đó việc tìm kiếm các công nghệ sử dụng NLTT như thủy điện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt… có ý nghĩa sống còn đối với nhân loại và được sự quan tâm rộng rãi trên quy mô toàn thế giới Trong những năm cuối của thế kỷ XX và những năm gần đây, Thế giới trong giai đoạn khủng hoảng năng lượng, cho nên công tác nghiên cứu, thăm

dò, khai thác và sử dụng NLTT được nhiều quốc gia chú ý và đạt được thành tựu đáng kể Đặc điểm chung của các nguồn NLTT là mặc dù chúng có mặt khắp nơi trên Trái đất dưới dạng nước, gió, ánh sáng Mặt trời, rác thải… nhưng chúng đều có chung một đặc điểm là phân tán, và không liên tục Việc khai thác trên quy mô công nghiệp đòi hỏi công nghệ cao và vốn đầu tư lớn Trước mắt, khai thác trên quy mô nhỏ, cục bộ cũng là rất thiết thực và đem lại hiệu quả to lớn Tiếp theo là hình thành mạng phân tán kết nối lưới – Đó là

mô hình tất yếu của một tương lai gần

Cho đến nay với sự nỗ lực vượt bậc của các Nhà khoa học trên toàn Thế giới và sự phát triển đồng bộ của các lĩnh vực khoa học, các nghiên cứu về tự nhiên môi trường,… rất nhiều dạng năng lượng mới và tái tạo đã được đưa vào khai thác sử dụng một cách khá hiệu quả Ví dụ như: năng lượng gió, năng lượng Mặt trời, thủy điện nhỏ, năng lượng từ đại dương, dầu thực vật phế thải dùng để chạy xe, năng lượng từ tuyết, nguồn năng lượng địa nhiệt, khí Mêtan hydrate, năng lượng từ sự lên men sinh học Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay với đặc điểm và điều kiện tự nhiên chúng ta chỉ quan tâm đến các dạng năng lượng chính là điện Mặt trời, phong điện, thủy điện nhỏ, địa nhiệt và năng thủy triều sóng biển

1.2 Năng lượng Mặt trời

1.2.1 Sự hình thành năng lượng Mặt trời

Năng lượng Mặt trời thu được trên Trái đất là năng lượng của dòng bức

xạ điện từ xuất phát từ Mặt trời đến Trái đất Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ, trong lòng nó diễn ra phản ứng nhiệt hạch với nhiệt độ rất cao lên tới hàng triệu 0C Trái đất sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt trời cạn kiệt, ước chừng của các Nhà khoan học là khoảng 5 tỷ năm nữa Như vậy năng lượng Mặt trời được coi là như vô tận so với chuẩn mực của đời sống con người Mặt trời liên tục bức xạ ra không gian xung quanh với mật độ công suất khoảng 1353 W/m2

, đó chính là là nguồn gốc của mọi sự sống trên Trái đất Khi xuyên qua khí quyển của Trái đất một phần năng lượng Mặt trời bị hấp thụ Kết quả tính toán cho thấy năng lượng Mặt trời phân bố trên bề mặt Trái đất với mật độ năng lượng trung bình, cứ mỗi mét vuông hàng năm nhận được năng lượng từ Mặt trời tương đương với khoảng 1,5 thùng dầu

Các nghiên cứu của con người đem lại có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng của bức xạ Mặt trời (BXMT) thành điện năng, như pin Mặt trời Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, ứng dụng cho bình đun nước Mặt trời, các nhà máy nhiệt điện Mặt trời, các hệ thống máy điều hòa Mặt trời, V.V Trường hợp khác, năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa, V.V

1.2.2 Tiềm năng năng lượng Mặt trời

- Tiềm năng trên Thế giới:

Tiềm năng về năng lượng Mặt trời của các nước trên Thế giới là rất lớn Tuy nhiên, phân bố không đều, mạnh nhất ở vùng xích đạo và những khu vực khô hạn, giảm dần về phía hai địa cực Tiềm năng kinh tế của việc sử

dụng năng lượng Mặt trời phụ thuộc vào vị trí địa điểm trên Trái đất, phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, thời tiết cụ thể của vùng miền Theo số liệu thống kê bức xạ trung bình của một địa điểm trên Thế giới vào khoảng 2000 kWh/m2/năm, bảng 1.1

Bảng 1 1 : Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời

Khu vực Bức xạ Mặt trời

[1000 TWh]

Chỉ số chất lượng trung bình DNI [kWh/tháng/năm]

Công suất có thể khai thác [1000 TWh/năm]

- Tiềm năng ở Việt Nam:

Về mặt vị trí địa lý, Việt Nam được hưởng một nguồn NLTT vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng Mặt trời Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ Mặt trời tương đối cao Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)…

Năng lượng Mặt trời có nhiều ưu điểm như: Có tự nhiên, sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, thân thiện với con người nói riêng cũng như vạn vật xung quanh… Phát triển ngành công nghiệp sản xuất năng lượng từ pin Mặt trời (PV) sẽ góp phần thay thế một phần các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế dần những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt

Vì vậy, sử dụng năng lượng Mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ và tiến đến kết nối lưới có ý nghĩa rất lớn về khoa học và thực tiễn Góp phần đảm bảo cho cân băng năng lượng bền vững Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng Mặt trời ở Việt Nam cho đến nay chưa phát triển xứng với kỳ vọng

Bảng 1 2: Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam

1.2.3 Công nghệ sử dụng năng lượng Mặt trời

Bức xạ Mặt trời gửi tới Trái đất dưới dạng sóng bức xạ, năng lượng sóng phụ thuộc bước sóng (phổ sóng), không phải là truyền nhiệt đến Trái đất Muốn khai thác năng lượng Mặt trời (NLMT) phải có thiết bị hấp thụ năng lượng của các sóng bức xạ, từ đó hình thành nhiều công nghệ khai thác khác nhau dựa trên các nguyên tắc chủ yếu sau:

- BXMT - điện năng – phụ tải điện

- BXMT - nhiệt năng – phụ tải nhiệt

- BXMT - nhiệt năng – điện năng – phụ tải điện

Năng lượng Mặt trời có thể sử dụng trong nhiều mục đích khác nhau tùy theo mục đích người sử dụng Đối với ngành hệ thống điện, chỉ tập trung nghiên cứu đến khả năng chuyển hóa BXMT- điện năng- phụ tải điện dựa trên

nguyên tắc của hiệu ứng quang điện trong thiết bị pin quang điện hay thường gọi là pin Mặt trời, tiếng anh là Photo Voltaics (viết tắt là PV )

1.3 Năng lượng gió

1.3.1 Sự hình thành năng lượng gió

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 và thêm vào đó là bức xạ Mặt trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn ở các cực

Do đó, hình thành sự chênh lệch về nhiệt độ và áp suất dẫn đến sự dịch chuyển của các khối không khí tạo thành gió Mặt khác, Trái đất tự quay tròn theo một trục nghiêng 2305 so với mặt phẳng quỹ đạo Trái đất quay xung quanh Mặt trời Điều này là nguyên nhân hình thành các quy luật thay đổi về thời tiết, khí hậu theo mùa Hình 1.2 minh họa cho sự hình thành gió

Hình 1 2 Sự hình thành gió

Ngoài ra, gió còn chịu ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương, do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại Như vậy, năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái đất

1.3.2 Tiềm năng gió

- Tiềm năng về năng lượng gió của một số nước trên Thế giới:

Năng lượng gió được nghiên cứu và triển khai với tốc độ rất nhanh trong khoảng 10 năm gần đây Biểu đồ trên hình 1.3 cho thấy tốc độ triển khai năng lượng gió giai đoạn 1997-2010 trên thế giới

Hình 1 3 Tốc độ triển khai năng lượng gió giai đoạn 1997-2010 trên thế giới

Các turbine gió hiện đại bắt đầu được sản xuất từ năm 1979 ở Đan Mạch với công suất từ 200-300 kW Từ năm 2000 đến 2006 công suất các turbine gió tăng nhiều lần, thông dụng là các turbine từ 1 đến 2 MW, lớn có thể đến 5 MW Ngày nay, tổng công suất turbine gió trên Thế giới ước tính đạt 93.849 MW, trong đó châu Âu chiếm tới 65% Đan Mạch là nước sử dụng năng lượng gió rộng rãi nhất, chiếm 1/5 sản lượng điện quốc gia

Theo Hội Năng lượng gió Hoa Kỳ năm 2008 sản lượng điện gió chiếm 1% tổng điện năng Ấn Độ đứng thứ tư trên Thế giới về năng lượng gió với 8.000 MW, công suất đặt năm 2007 chiếm 3% sản lượng điện

- Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam:

Việt Nam nằm ở khu vực gần xích đạo trong khoảng 80

đến 230 vĩ Bắc thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa Gió ở Việt Nam có hai mùa rõ rệt: Gió Đông Bắc và gió Tây Nam với tốc độ trung bình ở vùng ven biển từ 4,5- 6 m/s (ở độ cao 10-12m) Tại các vùng đảo xa, tốc độ gió đạt tới 6- 8 m/s Như vậy tuy không cao bằng tốc độ gió ở các nước Bắc Âu ở cùng độ cao nhưng cũng đủ lớn để sử dụng động cơ gió có hiệu quả

Trên thực tế vận tốc gió được đo ở độ cao 10-12m Các động cơ gió công suất lớn đến 1000 kW thường được lắp trên độ cao 50- 60m Các dữ liệu vận tốc gió ở độ cao này chưa có, một số đơn vị đã tiến hành đo gió ở độ cao 50-60 m tại một số điểm Các số liệu đo gió ở độ cao trên đã xác định được vận tốc gió thông qua công thức gần đúng sau:

V= V1

1 h

h

Trong đó: + V: Vận tốc gió cần tìm trên độ cao h

+ V1: Vận tốc gió đo được ở độ cao h1 Tiềm năng gió của Việt Nam có thể đánh giá thông qua số liệu về gió của Tổng Cục Khí tượng Thủy văn theo bảng 1.3

Bảng 1 3: Sự phát triển của turbine gió từ 1985 đến 2004 Năm Công suất (kW) Đường kính rotor (m)

1.3.3 Công nghệ sử dụng năng lượng gió

Như vậy gió là dòng chuyển dời của khối không khí mang năng lượng

mà các thiết bị thu chủ yếu nhận được dưới dạng động năng Từ cổ xưa đến

nay đã hình thành nhiều công nghệ khai thác năng lượng gió (NLG):

- NLG – chuyển động tịnh tiến – thuyền buồm, xe buồm, tàu lượn

- NLG – chuyển động quay – Máy xay gió

- NLG – chuyển động quay – Máy phát điện

Đối với ngành Mạng, thiết bị và nhà mát điện, chủ yếu quan tâm về công

nghệ khai thác năng lượng gió như sau: NLG – chuyển động quay – Máy phát

điện Đặc của công nghệ này gồm:

- Turbine gió: Công suất P của turbine gió phụ thuộc vào sải cánh của

rôto, vào tỷ trọng không khí và tốc độ gió và cho bằng công thức:

3 2

2

1

v r

(1.2)

- Máy phát điện sức gió: Máy phát làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng

cơ học thành năng lượng điện Có nhiều thiết kế hệ thống máy phát điện chạy

bằng sức gió đã được ứng dụng phổ biến như: Máy phát điện một chiều, máy

phát điện xoay chiều đồng bộ nam châm vĩnh cửu, máy phát điện dị bộ nguồn

kép, V.V…Ví dụ, các máy phát được áp dụng trong một số mô hình khai thác

trên hình 1.4a,b

Hình 1 4 : a) Sơ đồ máy phát điện sức gió;

b) Sơ đồ nối lưới của máy phát nối lưới không đồng bộ nguồn kép

a) b)

1.4 Thủy điện nhỏ

1.4.1 Khái niệm chung về thủy điện nhỏ

Thủy điện nhỏ được hiểu một cách không thống nhất Đa số các nước phân loại thủy điện nhỏ có công suất dưới 10 MW, tuy nhiên Canađa phân loại thủy điện nhỏ có công suất dưới 20 MW, Hoa Kỳ dưới 30 MW Trong loại thủy điện nhỏ, thủy điện mini có công suất dưới 500 kW, micro dưới 100

kW, trạm pico có công suất dưới 5 kW Trung Quốc là nước đứng đầu Thế giới về khai thác thủy điện nhỏ

Thủy điện nhỏ là nguồn năng lượng có hiệu quả kinh tế rất cao, được chú ý rộng rãi trên toàn thế giới, đóng góp quan trọng cho cân bằng năng lượng của mỗi quốc gia và đặc biệt có ý nghĩa cho bảo vệ môi trường

1.4.2 Tiềm năng và tình hình khai thác ở Việt Nam

Ở Việt Nam, với đặc điểm địa lý của đất nước có nhiều đồi núi, cao nguyên và sông hồ, lại có mưa nhiều Hàng năm mạng lưới sông suối vận chuyển ra biển hơn 870 tỷ m3

nước, tương ứng với lưu lượng trung bình khoảng 37.500 m3/giây Đó là tiềm năng lớn cho việc phát triển các nhà máy thủy điện nói chung và thủy điện nhỏ nói riêng

Vì vậy, cùng với việc tiếp tục triển khai xây dựng các nhà máy thủy điện có công suất lớn do Tập đoàn Ðiện lực Việt Nam làm chủ đầu tư, như Sơn La công suất 2.400MW, Tuyên Quang 342 MW, Bản Vẽ 320MW, Ðại Ninh 300MW, nhiều doanh nghiệp trong và ngoài ngành điện cũng mạnh dạn tự đầu tư xây dựng các nhà máy thủy điện công suất vừa và nhỏ, với gần

300 dự án có tổng công suất lắp máy khoảng 2.500 MW đến 3.000 MW, tương ứng với lượng điện hàng năm khoảng 10 tỷ kWh

Ði đầu trong việc phát triển thủy điện vừa và nhỏ là Tổng công ty Sông

Ðà Với thế mạnh của một tổng công ty đã tham gia xây dựng nhiều công trình thủy điện trọng điểm của quốc gia như: Thác Bà, Hòa Bình, Trị An, YaLy Bằng kinh nghiệm của mình, Tổng công ty đang từng bước tự khẳng

định là nhà đầu tư lớn các dự án năng lượng điện, với việc tự đầu tư nhiều công trình thủy điện có công suất từ vài MW đến hàng trăm MW Bên cạnh các dự án thủy điện đã hoàn thành như thủy điện Sê San 3A (108 MW), Cần Ðơn (77,6 MW), Nậm Mu (12 MW), Nà Lơi (9,3 MW) Tổng công ty đang thực hiện nhiều dự án thủy điện vừa và nhỏ ở miền trung và Tây Nguyên với tổng công suất hơn 40 MW

1.4.3 Công nghệ thủy điện nhỏ

Đối với các nhà máy thủy điện lớn, thủy năng (TN) được tập trung trên những dòng chảy (sông) lớn Trong khi đó, thủy điện nhỏ lại khai thác từ nhiều dạng thái thủy năng khác nhau từ các dòng chảy nhỏ, suối

- TN – Cơ năng – Máy xay, bơm nước

- TN – Cơ năng – Máy phát điện

Các trạm thủy điện nhỏ không có yêu cầu cao về công trình thủy công như đập chắn, hồ chứa, bể xả, khả năng điều tiết mức nước Nước từ thượng lưu qua kênh dẫn hoặc đường ống tới hệ thống turbine-máy phát điện, biến đổi thủy năng thành điện năng Các trạm thủy điện công suất nhỏ (loại mini)

có thể không có đập chắn mà lợi dụng những dòng kênh thủy lợi

Đối với một dòng chảy có lưu lượng Q (m3

/s), độ chênh cột nước H (m), tỷ trọng của nước ρ (kg/m3

), η là hiệu suất truyền động, tao nên công suất P tính bằng kW:

1.5 Năng lượng địa nhiệt

1.5.1 Sự hình thành năng lượng địa nhiệt

Nhiệt năng của Trái đất hay còn gọi là địa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà Trái đất có được từ các phản ứng hạt nhân âm ỉ dưới lòng đất Nhiệt năng này làm nóng chảy các lớp đất đá trong lòng Trái đất, gây ra hiện tượng di dời thềm lục địa và sinh ra núi lửa Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái đất sẽ tắt dần và nhiệt độ lòng Trái đất trong quá trình nguội dần hình thành các vùng nhiệt dư phân tán ở nhiều nơi trong kiến tạo của vỏ Trái đất, Mỗi vùng

có đặc điểm về cấu trúc vật chất và quá trình nhiệt có hầu như không giống nhau

Địa nhiệt có thể được xem là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa và lớn trong các lĩnh vực như:

- Nhà máy điện địa nhiệt

- Trung tâm địa nhiệt

1.5.2 Tiềm năng của năng lượng địa nhiệt

- Tiềm năng địa nhiệt trên Thế giới:

Nhà máy điện địa nhiệt đầu tiên trên Thế giới được xây dựng từ năm

1904 ở Italia Nhà máy địa nhiệt đầu tiên ở Hoa Kỳ được xây dựng từ năm

1922 cung cấp nhiệt và điện cho khu nghỉ mát Nhà máy điện địa nhiệt lớn nhất Thế giới The Geysers của Hoa Kỳ có công suất 1360 MW được xây

dựng từ năm 1960 Điện lực Bắc California có các nhà máy điện địa nhiệt có tổng công suất 740 MW Hoa Kỳ là nước khai thác địa nhiệt hàng đầu Thế giới Năm 2005 Hoa Kỳ đã hợp đồng xây dựng các nhà máy địa nhiệt tổng công suất 500 MW cho 11 nước Mehicô là nước khai thác địa nhiệt thứ ba trên Thế giới, năm 2007 đã lắp đặt 959 MW Chiếm 3,24% điện năng toàn quốc Iceland cũng là nước có tiềm năng địa nhiệt lớn, điện địa nhiệt chiếm 19,1% và 87% nhiệt năng Nguồn địa nhiệt của Philipin đảm bảo 17,5% điện năng Tiềm năng địa nhiệt Thế giới khoảng 100 GW và đã được sử dụng vì mục đích thương mại trên 70 nước Năng lượng địa nhiệt đã cung cấp 1% nhu cầu năng lượng của Thế giới

- Tiềm năng địa nhiệt ở Việt Nam

Việt Nam có nguồn địa nhiệt phong phú, cả nước có hơn 300 nguồn nước khoáng nóng có nhiệt độ bề mặt lên tới 1050C Miền Bắc đã phát hiện

và đăng ký 119 nguồn hầu hết là nguồn nước nóng Theo tính toán sơ bộ năng lượng địa nhiệt của các tỉnh phía Bắc có thể dùng để phát điện bước đầu với công suất 100 MW Bắc Trung Bộ cũng là vùng có nhiều triển vọng địa nhiệt

có thể khai thác công nghiệp phát điện từ 40 MW đến 60 MW tương đương với Nam Trung Bộ Gần đây với sự hợp tác của công ty ORMAT Hoa Kỳ các chuyên gia địa chất đã đánh giá địa hóa học trên 60 nguồn nước nóng và đã chọn 6 địa điểm thuộc các tỉnh Quảng Ngãi, Bình Định, Khánh Hòa và Bà Rịa-Vũng Tàu có khả năng phát triển các nhà máy điện địa nhiệt với tổng công suất 200 MW Đặc điểm về nhiệt độ địa nhiệt của các địa điểm được cho trong bảng 1.5

Bảng 1 5: Nhiệt độ địa nhiệt của một số địa điểm ở Việt Nam

)

3 Hội Vân, Bình Định 142

Các nghiên cứu địa chất, địa hóa cho thấy các nguồn địa nhiệt này đều

có chất lượng cao, phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế và mỗi địa điểm có thể đặt nhà máy địa nhiệt quy mô thương mại khoảng 40-50 MW

1.5.3 Công nghệ khai thác địa nhiệt

Có hai loại nguồn địa nhiệt:

- Các nguồn thủy nhiệt (nước nóng) là nguồn tương đối nông từ vài trăm mét tới 3000 m Chúng chứa nước nóng, hơi nước hoặc hỗn hợp, được khai thác cho mục đích địa nhiệt thương mại du lịch và sấy sưởi,V.V Các nguồn thủy nhiệt có thể cung cấp năng lượng trong khoảng 10-50 năm

- Các nguồn nhiệt trong đá nóng nằm khá sâu trong lòng đất vào khoảng 4000 m và sâu hơn, hiện đang được tập trung nghiên cứu nhưng chưa được khai thác thương mại Các nguồn nhiệt trong đá nóng có thể cung cấp năng lượng lâu dài Năng lượng địa nhiệt có nhiều ưu điểm so với các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống, là nguồn năng lượng sạch, có giá thành khai thác thấp, làm việc liên tục nên có thể làm việc ở đáy đồ thị phụ tải Tuy nhiên là hơi nước trong lòng đất có chứa nhiều tạp hóa học chất dễ ăn mòn (có thể độc hại) và có nhiệt độ tương đối thấp nên hiệu suất nhiệt động của các nhà máy điện địa nhiệt bị hạn chế Các vùng (bồn chứa) thủy nhiệt bao gồm nguồn đá nóng có tính thẩm thấu lớn và chứa nước với nhiệt độ khoảng

từ 100- 4000C Chất lỏng này còn chứa một lượng đáng kể các chất rắn không hòa tan và chất khí không ngưng tụ Các giếng khoan dùng để lấy chất lỏng địa nhiệt sâu khoảng 200-3500m Từ giếng khoa có hệ thống đường ống vận chuyển chất lỏng địa nhiệt tới các thiết bị trong nhà máy điện Thông thường,

Các nguồn thủy nhiệt có nhiệt độ cao trên 2000C mới có thể áp dụng cho nhà máy điện địa nhiệt phát điện thương mại

1.6 Năng lượng thủy triều và sóng biển

1.6.1 Sự hình thành năng lượng thủy triều và sóng biển

Trường hấp dẫn không đều trên bề mặt Trái đất gây ra bởi Mặt trăng, cộng với trường lực quán tính ly tâm không đều tạo nên bề mặt hình elipsoit của thủy quyển Trái đất (và ở mức độ yếu hơn, của khí quyển Trái đất và thạch quyển Trái đất) Hình elipsoit này cố định so với đường nối Mặt trăng

và Trái đất, trong khi Trái đất tự quay quanh nó, dẫn đến mực nước biển trên một điểm của bề mặt Trái đất dâng lên hạ xuống trong ngày, tạo ra hiện tượng thủy triều

Sự nâng hạ của mực nước biển tác động lên các tổ hợp Cơ-Điện làm máy phát điện Đó là nguyên lý họa động cơ bản của các nhà máy điện thủy triều

1.6.2 Tiềm năng năng lượng thủy triều và sóng biển

- Tiềm năng trên thế giới:

Công ty Minesto, Thụy Điển đã phát triển một thiết bị để khai thác nguồn năng lượng từ các Đại dương Đó là diều turbine dưới nước với phần trên là một chiếc diều, mang theo ở phía dưới một tổ hợp turbine-máy phát (TF) vận hành nhờ thuỷ triều Các chuyên gia của công ty đã thử nghiệm tại biển Strangford Lough, Bắc Ireland trong những năm gần đây Diều có sải cánh 8-14 m, mang theo một TF phía dưới Chúng được neo bởi một dây cáp

ở đáy biển Diều "bay" trong dòng thuỷ triều để tăng tốc độ dòng chảy qua turbine lên 10 lần

Thiết bị phát điện diều TF phát ra năng lượng điện nhờ các dòng thủy triều là thế hệ đầu tiên có quy mô thương mại lớn, mạnh hơn 4 lần các máy phát điện dung năng lượng thủy triều khác Diều lơ lửng trong nước biển và miệng turbine được bảo vệ không cho các vật cứng hay cá lọt qua

Ander Jansson, giám đốc điều hành của Minesto nói: “Diều làm việc trong dòng chảy có tốc độ 1 - 2,5 m/giây, tùy thuộc vào vị trí và kích thước của diều, mỗi TFcó công suất từ 150 đến 800 kW, và hoạt động ở các vùng nước sâu 50-300m Các nhà khoa học rất kỳ vọng về diều TF và cho rằng đó

là một nguồn năng lượng tuyệt vời cho Trái đất

- Tiềm năng ở Việt Nam

Kết quả đánh giá của Viện Khoa học Năng lượng Việt Nam, Việt Nam

có tiềm năng khai thác nguồn năng lượng thủy triều khá cao bởi có rất nhiều vũng, vịnh, cửa sông, đầm phá và đặc biệt là có đường bờ biển dài trên 3.200km Khu vực Quảng Ninh, mật độ năng lượng thủy triều đạt khoảng 3,7 GWh/km2, Nghệ An khoảng 2,5 GWh/km2

và giảm dần đến khu vực Thừa Thiên Huế với 0,3 GWh/ km2 Về phía Nam, Phan Thiết là 2,1 GWh/km2

, Bà Rịa - Vũng Tàu với 5,2 GWh/km2

ra hồ chứa đều có khả năng quay turbine và phát ra điện Năng lượng thủy triều E được tính bằng công thức:

1

Ah

(1.4) Trong đó A là diện tích bể chứa, ρ là khối lượng riêng của nước biển bằng 1025 kg/m3

, h là chiều cao thủy tĩnh

Nhà máy điện thủy triều quy mô công nghiệp đầu tiên nằm trên cửa sông Rance, thuộc miền Bretagne phía đông nước Pháp và đổ vào biển Manche, hình 1.5 Eo biển này tạo nên hồ chứa rộng 22 km2 độ chênh nước thủy triều cực đại 10 m Ngày 28-10-1968 đã khánh thành nhà máy điện thủy triều gồm 24 tổ máy với công suất tổ máy 10 MW, tốc độ quay 93,75 v/ph Máy phát đồng bộ kích từ tĩnh, điện áp định mức 3500 V Phần đập cố định dài 160m và đập di dộng dài 115m, rộng 53m Khối lượng bê tông 35.000 m3

, 16.000 tấn thép Nhà máy làm việc hoàn toàn tự động do máy tính PDP 8 điều khiển, có tính đến chu trình nước biển, sự sẵn sàng hoạt động của thiết bị Vào giờ thấp điểm của hệ thống người ta sử dụng bơm để hỗ trợ tích nước trong hồ chứa Sản lượng điện bình quân một năm là 600 GWh tương đương công suất trung bình 68 MW Nhà máy điện thủy triều Annapolis Royal, vịnh Fundy Canađa công suất 18 MW, độ chênh mức nước thủy triều 17 m Nga có nhà máy điện thủy triều Vislaya Guba 12 MW Do giá đầu tư lớn nên nhà máy điện thủy triều ít được phát triển

- Nhà máy thủy điện sóng biển sử dụng động năng sóng biển và dòng hải lưu để quay turbine và máy phát điện

Trong nhà máy sử dụng động năng sóng biển và dòng hải lưu, công suất P (kW) được tính bằng:

Năm 2008 nhà máy thủy điện sử dụng dòng hải lưu SeaGen ở Bắc Ailen có công suất 1,2 MW đưa vào vận hành (hình 1.6)

Hình 1.5 Nhà máy điện thủy triều Rance,

CH Pháp

Hình 1.6 Trạm phát điện sử dụng dòng hải lưu SeaGen, Bắc Ailen

1.7 Đề xuất hướng nghiên cứu

Thông qua nội dung tổng quan về các dạng năng lượng mới và tái tạo, tác giả luận văn đề xuất hướng nghiên cứu của đề tài vào dạng năng lượng thủy điện nhỏ áp dụng cho mạng điện cục bộ Nhằm đưa ra một mô hình mạng điện cục bộ nguồn điện khai thác từ NLTT có chất lượng cao nhờ thực hiện một số giải pháp kỹ thuật khắc phục một một số nhược điểm căn bản của thủy điện nhỏ Nội dung nghiên cứu gồm những phần chính sau đây:

- Khai niệm về mạng điện cục bộ

- Phân tích đặc điểm của thủy điện nhỏ

- Mô hình và đặc điểm hoạt động mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ

- Giải pháp nâng cao chất lượng của mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ

- Mô phỏng kết quả nghiên cứu trong Matlab

- Kết luận và kiến nghị

1.8 Kết luận chương 1

Nội dung chương 1 đã làm rõ khái niệm Năng lượng tái tạo và nêu được tổng quan về một số dạng năng lượng mới và tái tạo cơ bản, hiện đang

được quan tâm trên Thế giới, trong đó có Việt Nam Trên cơ sở đó, định

hướng nghiên cứu cho đề tài, những nội dung chính của luận văn

CHƯƠNG 2 MẠNG ĐIỆN CỤC BỘ THUỶ ĐIỆN NHỎ

2.1 Giới thiệu chung

Mạng điện cục bộ là một hệ thống điện riêng rẽ, ví dụ như: hệ thống điện

tự dùng của các xí nghiệp công nghiệp, một tòa nhà cao tầng, một khách sạn

hay các hệ thống điện nhỏ của một địa phương ở các vùng sâu vùng xa hẻo

lánh V.V Trong đó, mạng điện cục bộ công suất nhỏ là một dạng đơn giản

nhất, chỉ có một nguồn cung cấp (công suất từ một vài trăm đến một vài ngàn

kW), hoạt động có tính chất độc lập không kết nối vào hệ thống điện quốc gia

Đại diện cho loại này là các mạng điện của nguồn phát thủy điện nhỏ, sơ đồ

có dạng cơ bản như hình 2.1

PC 1 Máy phát

T m Q

Hình 2 1 Mô tả mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ

Để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện ngày càng gia tăng đòi hỏi phải xây

dựng thêm các nhà máy điện mới Trong đó, khuyến khích phát triển các

nguồn điện công suất nhỏ được sản xuất theo công nghệ sạch như: thủy điện,

điện sức gió, điện mặt trời, điện thủy triều V.V Đặc biệt, đối với các khu vực

miền núi xa xôi hẻo lánh mà việc đưa điện lưới quốc gia đến không thực hiện

được bởi lý do về tính kinh tế hoặc về điều kiện địa hình địa lý không cho

phép, mạng điện cục bộ trên cơ sở khai thác tiềm năng sẵn có trong điều kiện

tự nhiên để cấp điện tại chỗ cho những cụm kinh tế địa phương, những công

trường khai thác khoáng sản, phục vụ dân sinh V.V sẽ mạng lại ý nghĩa to lớn cả về kinh tế và chính trị xã hội và hơn nữa là vấn đề bảo vệ môi trường

Từ sơ đồ hình 2.1 là cũng như các sơ đồ khác tương tự đều có thể biến đổi về cùng một dạng sơ đồ thay thế như hình 2.2 để thuận tiện cho việc nghiên cứu

và áp đặt một cách tính toán chung

Pti+jQtiĐC

L i (km)

PCCiTurbine

MF 50Hz

+ và một phụ tải tính toán Sti=Pti+jQti

 Các phụ tải còn lại của mạng được quy đổi về đầu cực máy phát tại điểm PCC1, đặc trưng bằng một phụ tải tính toán tổng S1=P1 +jQ1 

2.1.1 Phân tích hoạt động của MĐCBTĐN

2.1.1.1 Ưu điểm của thủy điện nhỏ

- Tận dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên là các dòng chảy nhỏ sẵn có ở các vùng núi Đặc biệt, thủy điện nhỏ càng có ý nghĩa hơn đối với những khu vực xa trung tâm phát triển, không có điện lưới quốc gia

- Bán kính truyền tải ngắn (không quá 10 km), tổn thất năng lượng trên mạng nhỏ nên hệ thống có tính kinh tế cao

- Sản xuất điện theo công nghệ sạch, không phải di dân, xây dựng lòng

hồ nên không xâm hại nhiều đến môi trường tự nhiên, không làm thay đổi tập

quán sản xuất và bản sắc văn hóa địa phương trong khu vực

- Phát triển thủy điện nhỏ đang được khuyến khích trên phạm vi toàn cầu

2.1.1.2 Những vấn đề còn tồn tại

Xuất phát từ các điều kiện địa hình trên các địa bàn khu vực miền núi và đặc điểm của các dòng chảy đầu nguồn có lưu lượng nhỏ, các trạm thủy điện thường được xây dựng kiểu kênh dẫn, hình 2.3

Kênh dẫn nước

(chiều dài L 1 )

Ốn

g dẫn áp

lực

(ch iều dà

i L 2 ) Trạm thủy điện nhỏ

Bể kỹ thuật

ZHL Tiết diện ống áp lực

q 2lưu tốc trong ống áp lực

Tiết diện kênh dẫn

q 1lưu tốc trong kênh dẫn

ZTL

Hình 2 3 Cấu trúc cơ bản của trạm thủy điện nhỏ

Công suất của một máy phát thủy điện được tính qua biểu thức:

- P đm là công suất định mức của máy phát điện [kW],

-  là hiệu suất tổng cộng của các khâu biến đổi năng lượng: turbine, máy phát,

- q là lưu tốc của dòng nước qua turbine [m3/s],

- h là cột nước làm vệc của turbine [m],

- T m là mô men cơ của turbine [Nm],

-  là tốc độ quay của turbine [rad/s]

-  = g = 9810

Vấn đề điều chỉnh tăng hay giảm công suất vận hành được thực hiện

thông qua điều chỉnh đại lượng q Trong khi đó, đại lượng h được xem như có

giá trị hằng (ít thay đổi theo từng giờ) Đối với các thủy điện vừa và lớn, vấn

đề điều chỉnh lưu lượng q để đáp ứng nhanh công suất chỉ phụ thuộc vào chất

lượng của bộ điều khiển, nhưng với thủy điện nhỏ lại còn phụ thuộc cả vào điều kiện tự nhiên có cho phép hay không? Đặc biệt với thủy điện công suất nhỏ không có bể dự trữ áp lực, kênh dẫn dài, trong quá trình điều chỉnh lưu

 Đặc tính điều chỉnh q để cân bằng công suất và ổn định tần số có thời

gian trễ lớn Xem hình 2.4, tại thời điểm 4s tăng công suất tiêu thụ, tốc độ máy phát giảm đột ngột tương ứng tần số lưới suy giảm nghiêm trọng và thời gian trễ kéo dài đến thời điểm 6s (sau 100 chu kỳ lưới) mới khôi phục được tần số định mức (Vấn đề điều chỉnh điện áp máy phát không cần thiết đề cập

ở đây Bởi vì, cho đến nay thì các nghiên cứu cho điều chỉnh điện áp máy phát đồng bộ có thể coi như đã hoàn hảo, xem hình 2.5)

Hình 2 5 Đặc tính ổn định điện áp theo tải

Điều này dẫn đến hạn chế khả năng điều chỉnh công suất của máy phát

cả về hai yếu tố là:

- Khả năng quá tải

- Tốc độ huy động công suất đỉnh

Trong khi đó, phụ tải luôn có những đòi hỏi về vấn đề này: Giả thiết, một xí nghiệp khai thác đá hay khai thác chế biến khoáng sản có động cơ không đồng bộ công suất lớn hoạt động, chế độ khởi động của động cơ đòi hỏi công suất lớn từ 5 đến 7 lần công suất định mức Khi đó, mạng điện cục

bộ thủy điện nhỏ bộc lộ một số vấn đề nhược điểm:

1) Nhược điểm thứ nhất: Máy phát không thể huy động kịp thời công

suất cho động cơ khởi động và nhất là khi hệ số mang tải của máy phát đang vận hành ở mức cao (Kpt0,7)

2) Nhược điểm thứ hai: Quá trình khởi động động cơ bị kéo dài làm

giảm chất lượng điện năng cả về chỉ tiêu tần số và chỉ tiêu điện áp, thậm chí khởi động có thể không thành công, hoặc gây rã lưới

Đứng trước vấn đề này, một số giải pháp thông thường có thể được nêu

ra, nhưng để áp dụng với mạng cục bộ thủy điện nhỏ là không phù hợp Ví dụ:

Biện pháp giảm thấp công suất vận hành máy phát ở mức Kpt = (0,6 

0,7): Làm giảm tính kinh tế của hệ thống, không khai thác hiệu quả tiềm năng của thiên nhiên

Sử dụng các thiết bị khởi động mềm riêng cho mỗi động cơ: Không kinh tế, hệ số tận dụng động cơ thấp

Điều hành san tải: Quá trình sản xuất sẽ thụ động, không đáp ứng đòi hỏi của tải khách hàng

Để nghiên cứu mang tính tổng quát về các tác động của phụ tải, dù là phụ tải đó kết nối với mạng điện tại một điểm bất kỳ PCCi nào đó (PCC1, PCC2, hay PCC3) và khả năng đáp ứng của nguồn thủy điện nhỏ, các lượng

tổn thất điện áp và tổn thất công suất trong mạng ta khảo sát hoạt động của mạng điện thông qua một số trường hợp cụ thể sau

Trường hợp thứ nhất: Máy phát vận hành đầy tải, Kpt1 với các thông

số tính toán như sau:

 Các thông số suất định mức của máy phát:

SđmMF = 85kVA; Uđm = 400V; fđm =50Hz; IđmMF = 122,69A; cosđm =0,85 Các giá trị phụ tải được chọn theo giả thiết cho một trường hợp tiêu biểu:

 Xét một xưởng cơ khí cuối đường dây Li có phụ tải tính toán là Spcc i,

trong đó gồm:

- Một phụ tải tĩnh: St= (30+j10) kVA

- Một phụ tải động: Động cơ 7,5 kW; cosđm =0,85; coskđ =0,85

 Các phụ tải khác trong mạng được quy đổi về đầu cực máy phát:

S1 = (40+j15) kVA

Áp dụng lý thuyết tính toán mạng điện, tính trong phần mềm Excel cho các kết quả trong bảng 2.1

Bảng 2 1 Các số liệu và kết quả tính toán mạng điện

Công suất định mức 85 kVA Gồm cả ĐC Không có ĐC Điện áp định mức 0,4 kV Ppc2 37,50 30,00 KW Dòng định mức 122,69 A Qpc2 14,65 10,00 KVAr

Quy ra công suất Skd 72,08 KVA Phu tải tại PC1 kể cả tổn thất trên đường dây

Quy ra công suất Pkd 59,11 KW Ppc1 81,69 74,19 KW Năng lượng cho ĐC 0,0033 KWh Qpc1 32,18 27,53 KVAr khởi động ( t kđ = 0,2s ) 3,85E-05 Ah Spc1 87,80 79,14 KVA

Điện trở 1km 0,414  /km Dòng điện Ipc1 126,73 114,23 A Điện kháng 1km 0,25  /km Dòng đỉnh nhọn tại PC1 190,64 A

Điện áp định mức U 0,40 kV Dòng khởi động vượt quá dòng định mức MF

Điện kháng X 0,25   55,39 %

 U 47,97 V Công suất khởi động vượt quá công suất định mức MF

- Tổn thất điện áp trên đường dây Li lớn quá mức cho phép, U=11,99%

- Tổn thất công suất công suất trên đường dây Li lớn, P=11,18% làm cho các phụ tải cuối đường dây không nhận đủ công suất danh định

- Khi động cơ khởi động:

+ Máy phát chịu dòng khởi động vượt quá định mức 55,39% điều này

hệ turbine–máy thủy điện nhỏ không có khả năng thực hiện được

+ Sụt áp trên đường dây Li lớn, U=102,24V gây dao động điện áp ảnh hưởng chất lượng điện năng

Trường hợp thứ hai: Hạ thấp công suất vận hành của máy phát, Kpt 

0,66 với các thông số tính toán như sau:

 Các thông số suất định mức của máy phát:

SđmMF = 85kVA; Uđm = 400V; fđm =50Hz; IđmMF = 122,69A; cosđm =0,85 Các giá trị phụ tải được chọn theo giả thiết cho một trường hợp tiêu biểu:

 Xét một xưởng cơ khí cuối đường dây Li có phụ tải tính toán là Spcc i,

trong đó gồm:

- Một phụ tải tĩnh: St= (30+j10) kVA

- Một phụ tải động: Động cơ 7,5 kW; cosđm =0,85; coskđ =0,85

 Các phụ tải khác trong mạng được quy đổi về đầu cực máy phát:

S1 = (10+j5) kVA

Tính toán tương tự cho ta kết quả trong bảng 2.2

Bảng 2 2 Các số liệu và kết quả tính toán mạng điện

Công suất định mức 85 kVA Gồm cả ĐC Không có ĐC Điện áp định mức 0,4 kV Ppc2 37,50 30,00 KW Dòng định mức 122,69 A Qpc2 14,65 10,00 KVAr

cos 0,85 Spc2 40,26 31,62 KVA

P 7,50 kW Dòng điện Ipc2 58,11 45,64 A

cos đm 0,85 Dòng đỉnh nhọn tại PC2 122,06 A

cos kđ 0,82 Sụt áp do dòng đỉnh nhọn gây nên 102,24 V

S 8,82 KVA Phu tải S1 (quy đổi các phụ tải khác về đầ cực MF)

Dòng định mức I đm 12,74 A Q1 5 KVAr

Dòng khởi động I kđ 76,41 A S1 11,2 KVA Sụt áp khi ĐC khởi động 59,03 V So với S đmMF 13,15 %

Quy ra công suất Skd 72,08 KVA Phu tải tại PC1 kể cả tổn thất trên đường dây

Quy ra công suất Pkd 59,11 KW Ppc1 51,69 44,19 KW Năng lượng cho ĐC 0,0033 KWh Qpc1 22,18 17,53 KVAr khởi động ( t kđ = 0,2s ) 3,85E-05 Ah Spc1 56,25 47,54 KVA

Điện trở 1km 0,414  /km Dòng điện Ipc1 81,19 68,62 A Điện kháng 1km 0,25  /km Dòng đỉnh nhọn tại PC1 145,04 A

Điện áp định mức U 0,40 kV Dòng khởi động vượt quá dòng định mức MF

 U 47,97 V Công suất khởi động vượt quá công suất định mức MF

Như vậy, biện pháp này tuy không gây áp lực quá tải cho máy phát, nhưng xét về tính kinh tế vận hành thì không chấp nhận được bởi hệ số mang tải quá thấp không khai thác hiệu quả công suất đặt của máy phát và lãng phí tài nguyên ứng dụng (nguồn thủy năng)

Như vậy, trong MĐCBTĐN cần phải tìm được một giải pháp kỹ thuật thích hợp Giải pháp được đề tài lựa chọn là ứng dụng hệ thống tích trữ năng

lượng ăcquy, tiếng Anh là Battery Energy Storage System (viết tắt là BESS)

2.1.1.3 Giải pháp ứng dụng BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ

Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ có nhiều nét tương đồng với hệ phát năng lượng gió hay pin Mặt trời chế độ ốc đảo Năng lượng đầu vào của thủy điện nhỏ có thể coi là một nguồn ổn định, vô tận khi hồ chứa đủ nước Tuy nhiên, đối với các thủy điện nhỏ sử dụng kênh dẫn (hình 2.3) thì không có được như vậy, khả năng huy động công suất tức thời chính là vấn đề đáng bàn Khi có biến động tải tăng đột biến, thủy điện nhỏ kênh dẫn cũng không

có khả năng huy động công suất lập tức mà phải chấp nhận độ trễ về thời gian của dòng chảy Mặt khác, nếu tải có công suất đỉnh vượt công suất máy phát hay dòng chảy đỉnh của kênh dẫn, chất lượng điện áp sẽ rơi vào trạng thái xấu nghiêm trọng Lúc này, về bản chất, hệ thống mất cân bằng năng lượng vào-

ra Chính vì vậy, việc kết với hợp thiết bị bù (BEES) trong trường hợp này được đề xuất là một giải pháp của đề tài Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần hiện