Phân tích tính toán các chế độ vận hành khi kết nối nhà máy điện gió mũi dinh vào lưới điện phân phối tỉnh ninh thuận

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH KHI KẾT NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ MŨI DINH VÀO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TỈNH NINH THUẬH Học viên: Trần Minh Sơn Chuyên ngành: Kỹ t

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN MINH SƠN

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

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN MINH SƠN

PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH KHI

KẾT NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ MŨI DINH VÀO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TỈNH NINH THUẬN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đinh Thành Việt

Đà Nẵng - Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn của

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH KHI KẾT NỐI

NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ MŨI DINH VÀO LƯỚI ĐIỆN

PHÂN PHỐI TỈNH NINH THUẬH

Học viên: Trần Minh Sơn Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202 Khóa: K33.KTĐ.KH Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt - Ngày nay, nguồn năng lượng mới nói chung và năng lượng gió nói riêng

ngày càng thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu cũng như các đơn vị khai thác và sử dụng năng lượng gió vì những lợi ích to lớn mang lại từ nguồn năng lượng này đặc biệt là vấn đề về môi trường Việt Nam là nước có nhiều tiềm năng để phát triển điện gió Theo Quy hoạch Điện lực quốc gia đến năm 2020 Việt Nam sẽ phát triển lắp đặt 6.000 MW từ điện gió Vì vậy, nguồn điện từ các dạng năng lượng này sẽ được hòa lưới điện quốc gia Tuy nhiên, nguồn năng lượng này hoàn toàn phụ thuộc vào điều kiện thời tiết tự nhiên và có tính ổn định không cao Do đó, khi đấu nối vào

hệ thống điện quốc gia sẽ có những ảnh hưởng nhất định đến lưới điện tại địa phương Luận văn này trình bày việc sử dụng công cụ phần mềm Etap để mô phỏng, phân tích, tính toán các chế độ vận hành khi kết nối Nhà máy điện gió (NMĐG) Mũi Dinh vào lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận từ đó đề ra giải pháp vận hành hiệu quả lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận

Từ khóa – năng lượng gió; phân tích các chế độ vận hành lưới điện; trang trại năng

lượng gió; yêu cầu về kết nối lưới điện, kết nối lưới điện

ANALYSIS AND CALCULATION OF OPERATION REGULATIONS WHEN CONNECTING THE WIND POWER FACTORY TO ELECTRICITY

DISTRIBUTION NINH THUAN PROVINCE Abstract - Today, renewable energy sources, and wind energy in particular, are

increasingly attracting researchers as well as companies that exploit and use wind energy because of great benefits from this energy source, especially environmental benefits Vietnam has a lot of potential for developing wind power According to the National Power Plan up to 2020, Vietnam will develop and install 6,000 MW of wind power Therefore, electricity from these forms of energy will be connected to the national grid However, this source of energy completely depends on natural weather conditions and stability is not high Therefore, when connected to the national grid, there will be certain impacts on the local grid This thesis presents the use of the Etap software tool to simulate, analyze and calculate operating modes when connecting Mui Dinh wind power plant to the distribution grid of Ninh Thuan province Solutions for efficient operation of the distribution network of Ninh Thuan province

Key words - wind energy; Analysis of grid operating modes; wind farm energy, wind

grid code requirements , grid code

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN 4

MỤC LỤC 5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 8

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT 9

DANH MỤC CÁC BẢNG 10

DANH MỤC CÁC HÌNH 12

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài: 1

2 Mục đích nghiên cứu: 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 2

4 Phương pháp nghiên cứu: 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: 2

6 Cấu trúc của luận văn: 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN SẢN XUẤT TỪ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ TIỀM NĂNG PHÁT TRIỂN ĐIỆN GIÓ TỈNH NINH THUẬN 4

1.1 Tổng quan về điện gió 4

1.1.1 Mô hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió 4

1.1.2 Kỹ thuật và công nghệ khai thác năng lượng trong gió 4

1.1.3 Hệ số công suất của Turbine gió 6

1.1.4 Sự ảnh hưởng của cấu trúc hình học đến hế số công suất Cp 8

1.1.5 Thành phần cấu tạo của hệ máy phát điện sử dụng sức gió 9

1.1.5.1 Cấu tạo của một hệ máy phát điện sức gió 9

1.1.5.2 Các loại turbine gió 10

1.1.6 Máy phát trong hệ thống turbine gió 11

1.1.6.1 Máy phát đồng bộ 12

1.1.6.2 Máy phát không đồng bộ 12

1.1.7 Các thành phần khác 13

1.1.7.1 Bộ phận điện tử công suất 13

1.1.7.2 Bộ Soft-starter 13

1.1.7.3 Bộ Capacitor bank (Tụ điện) 13

1.1.8 Các phương pháp điều khiển máy phát tuabin gió 13

1.1.8.1 Điều khiển cực đại hóa công suất 13

1.1.8.2 Điều khiển tốc độ 16

1.1.8.3 Điều khiển Pitch 17

1.1.8.4 Điều khiển stall-control (điều khiển cố định) 17

1.1.8.5 Điều khiển active stall control 18

1.1.9 Các mô hình kết nối tổ máy turbine gió với lưới điện hiện nay 18

1.1.9.1 Mô hình kết nối trực tiếp máy phát với lưới điện (loại 1) 18

1.1.9.2 Mô hình máy phát kết nối lưới điện sử dụng phương thức thay đổi điện trở mạch rotor (loại 2) 19

1.1.9.3 Mô hình kết nối máy phát điện cảm ứng nguồn kép với lưới điện

(loại 3) 20

1.1.9.4 Mô hình máy phát kết nối lưới điện thông qua bộ biến đổi tỉ lệ đầy đủ (loại 4) 21

1.2 Khái quát tình hình sử dụng năng lượng gió để phát điện trên thế giới và Việt Nam 22

1.2.1 Tình hình phát triển điện gió trên thế giới 22

1.2.2 Hiện trạng phát triển điện gió tại Việt Nam 23

1.3 Tiềm năng phát triển điện Gió tại tỉnh Ninh Thuận 24

1.3.1 Đặc điểm khí hậu tỉnh Ninh Thuận 24

1.3.2 Tiềm năng phát triển điện Gió tại tỉnh Ninh Thuận 24

1.4 Giới thiệu nhà máy điện gió Mũi Dinh 26

1.4.1 Quy mô 26

1.4.2 Phân tích dữ liệu đo gió tại địa điểm đặt Nhà máy điện Gió 27

1.4.3 Quy trình công nghệ sản xuất của nhà máy điện gió 28

1.4.4 Thông số kỹ thuật của turbine E.92-2,35MW, hãng Enercon 29

1.4.5 Sơ đồ nguyên lý của tuabin gió tại Nhà máy điện gió Mũi Dinh 30

1.4.6 Kết nối với hệ thống điện quốc gia trạm 110kV 30

1.4.7 Hệ thống đường dây cáp 22 kV 30

1.5 Kết luận chương 1: 31

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG 32

2.1 Giới thiệu tổng quan phần mềm Etap 32

2.1.1 Giao diện ETAP 32

2.1.2 Tính toán trào lưu công suất trong Etap 33

2.1.3 Module tính toán trào lưu công suất trong Etap 34

2.1.4 Giới thiệu các chức năng cửa sổ Edit Study Case 34

2.1.4.1 Trang Infor 34

2.1.4.2 Trang loading : 35

2.1.4.3 Trang Alert 35

2.2 Ứng dụng phần mềm Etap để tính toán, phân tích các chế độ vận hành lưới điện mẫu khi có kết nối với nhà máy điện gió 36

2.2.1 Các kịch bản, trường hợp phân tích, đánh giá 36

2.2.1.1 Trường hợp 1: Khi chưa tích hợp WF 38

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

(max-max) 38

2.2.1.3 Trường hợp 3: Khi WF phát công suất là lớn nhất, phụ tải cực tiểu

(max-min) 39

2.2.1.4 Trường hợp 4: Khi WF phát công suất cực tiểu, phụ tải cực đại (min_max) 40

2.2.2 Phân tích, nhận xét các trường hợp mô phỏng nêu trên: 41

2.3 Kết luận chương 2 42

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH KHI KẾT NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ MŨI DINH VÀO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TỈNH NINH THUẬN 43

3.1 Các chế độ vận hành của lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận khi chưa có kết nối nhà máy điện gió Mũi Dinh 45

3.1.1 Đặc điểm phụ tải tỉnh Ninh Thuận 45

3.1.2 Chế độ vận hành tải bình thường 46

3.1.3 Chế độ vận hành tải cực tiểu 49

3.1.4 Chế độ vận hành tải cực đại 52

3.1.5 Phân tích, nhận xét ở các chế độ vận hành của lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận khi chưa có sự tham gia điện gió 54

3.2 Phân tích các chế độ phát của nhà máy điện gió Mũi Dinh đối với từng chế độ phụ tải của lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận 56

3.2.1 Phân tích, nhận xét các trường hợp 57

3.2.1.1 WF phát cực đại 57

3.2.1.2 WF phát cực tiểu: 59

3.2.1.3 Phân tích tổn thất công suất trên lưới điện, điện áp tại các nút 110 kV tương ứng với các kịch bản mô phỏng khi có sự tham gia của NMĐG Mũi Dinh 60

3.3 Phân tích các trường hợp bị sự cố 62

3.3.1 Yêu cầu về giới hạn điện áp và tần số 62

3.3.2 Sự cố tại thanh cái 110 kV trạm Ninh Thuận 1 63

3.4 Các giải pháp kỹ thuật đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện cho lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận khi có kết nối nhà máy điện gió Mũi Dinh 68

3.5 Kết luận chương 3 69

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 PHỤ LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN (BẢN SAO)

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

AC Alternating Curent Dòng điện xoay chiều

DFIG Doubly Feb Induction

HAWT Horizontal Axis Wind Turbine Tuabin gió trục ngang

DFIM Doubly-Fed Induction Machine Máy phát không đồng bộ nguồn kép

FSIG Fixed Speed Induction

WECS Wind Energy Conversion

VAWT Vertical Axis Wind Turbine Tuabin gió trục đứng

VSC Voltage Source Converter Bộ chuyển đổi nguồn áp

WRSG Wound Rotor Synchronous Máy phát đồng bộ rotor dây quấn

WRIG Wound Rotor Induction

Gennerrator Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tiềm năng năng lượng gió lý thuyết ở Ninh Thuận 24

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của turbine E.92-2,35MW, hãng Enercon 29

Bảng 2.3 Thông số nguồn lưới điện giả định 4 nút 37

Bảng 2.5 Kết quả phân tích tại các nút khi chưa có sự tham gia của trang

trại gió

38

Bảng 2.6 Kết quả phân tích tại các đường dây/trạm biến áp khi chưa có

sự tham gia của trang trại gió

38

Bảng 2.7 Kết quả phân tích khi có sự tham gia của trang trại gió (TH2) 39

Bảng 2.9 Kết quả phân tích tại các đường dây/trạm biến áp khi có sự

tham gia của trang trại gió (TH2)

39

Bảng 2.10 Kết quả phân tích khi có sự tham gia của trang trại gió (TH3) 40

Bảng 2.12 Kết quả phân tích tại các đường dây/trạm biến áp khi có sự

tham gia của trang trại gió (TH3)

40

Bảng 2.13 Kết quả phân tích khi có sự tham gia của trang trại gió (TH4) 40

Bảng 2.15 Kết quả phân tích tại các đường dây/trạm biến áp khi có sự

tham gia của trang trại gió (TH4)

Bảng 3.4 Kết quả số liệu trên đường dây và trạm biến áp 47

Bảng 3.6 Kết quả số liệu trên các nút ở chế độ phụ tải bình thường khi

chưa có kết nối nhà máy điện gió

48

Bảng 3.7 Thông số phụ tải ở chế độ vận hành bình thường khi chưa kết

nối điện gió

48

Bảng 3.8 Số liệu tổng quan ở chế độ phụ tải bình thường khi chưa có kết

nối nhà máy điện gió

48

Bảng 3.9 Kết quả số liệu trên các nút ở chế độ phụ tải cực tiểu khi chưa

có kết nối nhà máy điện gió

50

Bảng 3.10 Kết quả số liệu trên đường dây/trạm biến áp ở chế độ phụ tải

cực tiểu khi chưa có kết nối nhà máy điện gió

50

Bảng 3.11 Thông số phụ tải ở chế độ vận hành cực tiểu khi chưa có kết

nối nhà máy điện gió

51

Bảng 3.12 Số liệu tổng quan ở chế độ phụ tải cực tiểu khi chưa có kết nối

nhà máy điện gió

51

Bảng 3.13 Kết quả số liệu trên đường dây/trạm biến áp ở chế độ phụ tải

cực đại khi chưa có kết nối nhà máy điện gió

53

Bảng 3.14 Thông số phụ tải ở chế độ vận hành cực đại khi chưa có kết

nối nhà máy điện gió

53

Bảng 3.15 Kết quả số liệu trên các nút ở chế độ phụ tải cực đại khi chưa

có kết nối nhà máy điện gió

53

Bảng 3.16 Số liệu tổng quan ở chế độ phụ tải cực đại khi chưa có kết nối

nhà máy điện gió

số

63

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Mô hình chuyển đổi năng lượng gió bằng năng lượng điện bằng

Hình 1.4 Minh hoạ một vài khái niệm của turbine gió 7

Hình 1.6 Đặc tính Cp có sẵn với từng Turbine gió chế tạo trên thực tế 9

Hình 1.15 Phương pháp điều khiển bám đỉnh công suất 14 Hình 1.16 Đặc tính điều chỉnh tốc độ của turbine gió 16 Hình 1.17 Tổng quan về điều khiển hệ máy phát sử dụng sức gió 16 Hình 1.18 Điều khiển pitch với vận tốc thay đổi dùng máy phát không

Hình 1.19 Mô hình máy phát nối trực tiếp với lưới (loại 1) 18 Hình 1.20 Mô hình máy phát nối lưới có tốc độ thay đổi một phần nhờ

việc thay đổi điện trở mạch rotor (loại 2) 19 Hình 1.21 Mô hình nối lưới của máy phát cảm ứng nguồn kép (loại 3) 20 Hình 1.22 Mô hình Máy phát nối lưới thông qua bộ biến đổi điện tử công

Hình 1.23 Tình hình phát triển điện gió trên thế giới 22 Hình 1.24 Bản đồ ATLAS Gió khu vực tỉnh Ninh Thuận ở độ cao 65m 25

Hình 1.26 Phối cảnh bố trí khu vực 2 (10 tuabin) 27 Hình 1.27 Mô hình phát điện tại Nhà máy điện gió Mũi Dinh 28 Hình 1.28 Đặc tính làm việc của turbine gió tại NMĐG Mũi Dinh 29

Hình 1.30 Sơ đồ đấu nối cáp 22kV các nhóm Turbine 31

Hình 2.1 Cửa sổ giao diện chính 32

Hình 2.8 Lưới điện giả định 4 nút có tích hợp điện gió 37 Hình 2.9 Kết quả mô phỏng tính toán phân bố công suất khi chưa có sự

Hình 2.10 Kết quả mô phỏng tính toán phân bố công suất khi có sự tham

Hình 2.11 Đồ thị điện áp nút so sánh giữa 4 trường hợp 41 Hình 2.12 Đồ thị tổn thất công suất so sánh giữa 4 trường hợp mô phỏng 41 Hình 3.1 Sơ đồ lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận 44 Hình 3.2 Biều đồ phụ tải ngày đặc trưng điển hình tỉnh Ninh Thuận 45 Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏng chế độ phụ tải bình thường khi chưa có kết nối

Hình 3.4 Sơ đồ mô phỏng chế độ vận hành phụ tải cực tiểu khi chưa có

Hình 3.5 Sơ đồ mô phỏng chế độ phụ tải cực đại khi chưa có kết nối nhà

Hình 3.6 Đồ thị so sánh điện áp giữa các nút ở các chế độ vận hành 56 Hình 3.7 Sơ đồ mô phỏng LĐPP tỉnh Ninh Thuận khi có kết nối NMĐG

Hình 3.8 Biểu đồ so sánh điện áp giữa các nút 110 kV 60 Hình 3.9 Đồ thị so sánh TTCS trên lưới điện khi có kết nối NMĐG 61 Hình 3.10 Giới hạn điện áp và tần số trong vận hành lưới điện có kết nối

Hình 3.11 Điện áp tại đầu cực NMĐG khi mô phỏng sự cố 64 Hình 3.12 NMĐG phát công suất phản kháng khi mô phỏng sự cố 64 Hình 3.13 NMĐG phát công suất tác dụng khi mô phỏng sự cố 65

Hình 3.15 Điện áp tại các nút 110 kV khi mô phỏng sự cố 66 Hình 3.16 Điện áp tại các nút 22 kV lộ ra khi mô phỏng sự cố 66 Hình 3.17 Tần số tại các nút 110 kV tỉnh Ninh Thuận khi mô phỏng sự cố 67 Hình 3.18 Tần số tại các nút 22 kV khi mô phỏng sự cố 67 Hình 3.19 Dòng điện xung kích khi ngắn mạch tại điểm kết nối NMĐG 68

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

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

Đối với nước ta việc Quy hoạch điện lực Quốc gia giai đoạn 2011 – 2020 có xét đến năm 2030 đã nêu rõ về việc ưu tiên phát triển nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo Theo đó, đưa tổng công suất nguồn điện gió từ mức 140 MW như hiện nay lên

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

Theo Viện năng lượng, Việt Nam được đánh giá là Quốc gia có tiềm năng phát triển năng lượng gió Số liệu đánh giá về tiềm năng năng lượng gió có sự dao động khá lớn, từ 1.800MW đến trên 9.000MW, thậm chí trên 100.000MW và tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam tập trung nhiều nhất tại vùng duyên hải miền Trung, miền Nam, Tây Nguyên và các đảo (trong đó có tỉnh Ninh Thuận)

Hiện nay, Tỉnh Ninh Thuận: có 13 dự án xây dựng nhà máy điện gió qui mô công nghiệp đang được nghiên cứu triển khai, trong đó có Nhà máy điện gió Mũi Dinh (37,6 MW) đã được khởi công xây dựng tháng 8/2016 Tổng công suất giai đoạn 1 đến năm

2020 của 13 dự án trên là 277 MW (số liệu cập nhật đến tháng 3 năm 2017)

Từ chủ trương lớn của Chính phủ đã tạo sự phát triển nguồn năng lượng tái tạo

và cụ thể là điện gió đã góp phần hình thành các nhà máy điện gió tại Bạc Liêu, Bình Thuận và Ninh Thuận,…Vì vậy, nguồn điện từ các dạng năng lượng này sẽ được hòa lưới điện quốc gia Tuy nhiên, nguồn năng lượng này hoàn toàn phụ thuộc vào điều kiện thời tiết tự nhiên và có tính ổn định không cao Do đó, khi đấu nối vào hệ thống điện quốc gia sẽ có những ảnh hưởng nhất định đến lưới điện tại địa phương Cụ thể sẽ liên quan đến nhiều vần đề, trong đó có:

Trào lưu công suất trên lưới điện

Lượng công suất dự phòng để đảm bảo ổn định hệ thống

Ngắn mạch trên lưới điện

Ổn định của hệ thống điện

Hệ thống bảo vệ về cơ và điện

Chất lượng điện năng

Chính vì vậy, Đề tài nghiên cứu “Phân tích, tính toán các chế độ vận hành khi

kết nối nhà máy điện gió Mũi Dinh vào lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận”là rất cần thiết

2 Mục đích nghiên cứu:

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

- Đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo chất lượng điện năng, tổn thất

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

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

3.1 Đối tượng nghiên cứu:

Năng lượng gió dùng để phát điện

Nhà máy điện gió Mũi Dinh 37,6 MW

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

3.2 Phạm vi nghiên cứu:

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

4 Phương pháp nghiên cứu:

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình thực tế của lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận và nhà máy điện gió Mũi Dinh để phục vụ các tính toán minh họa Sử dụng phần mềm Etap để mô phỏng khoanh vùng phạm vi ảnh hưởng của nhà máy điện gió đến lưới điện và tính toán các thông số vận hành của lưới điện trong các chế độ xác lập đặc trưng Các số liệu được thu thập và cập nhật liên tục từ các nghiên cứu, các dự

án điện gió đã và đang thực hiện tại Việt Nam có đấu nối với lưới điện

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

Ý nghĩa khoa học: Phân tích tính toán từng chế độ vận hành của hệ thống lưới

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

Ý Nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu, đề xuất các yêu cầu kỹ thuật đấu nối nhà máy

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

6 Cấu trúc của luận văn:

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

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

phát triển điện gió tỉnh Ninh Thuận

1.1 Tổng quan về điện gió

1.2 Khái quát tình hình sử dụng năng lượng gió để phát điện trên thế giới và Việt Nam

1.3 Tiềm năng phát triển điện Gió tại tỉnh Ninh Thuận

1.4 Giới thiệu nhà máy điện gió Mũi Dinh

1.5 Kết luận chương 1

- Chương 2- Giới thiệu phần mềm mô phỏng

2.1 Giới thiệu tổng quan phần mềm Etap

2.2 Ứng dụng phần mềm Etap để tính toán, phân tích các chế độ vận hành lưới điện mẫu khi có kết nối với nhà máy điện gió

2.3 Kết luận chương 2

- Chương 3- Tính toán, phân tích ảnh hưởng đến chế độ vận hành khi kết nối

nhà máy điện gió vào lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận

3.1 Các chế độ vận hành của lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận khi chưa

có kết nối nhà máy điện gió Mũi Dinh 3.2 Phân tích các chế độ phát của nhà máy điện gió Mũi Dinh đối với từng chế độ phụ tải của lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận

3.3 Phân tích các trường hợp bị sự cố

3.4 Các giải pháp kỹ thuật đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện cho lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận khi có kết nối nhà máy điện gió Mũi Dinh

3.5 Kết luận chương 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN SẢN XUẤT TỪ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ TIỀM NĂNG PHÁT TRIỂN ĐIỆN GIÓ TỈNH NINH THUẬN

1.1 Tổng quan về điện gió

1.1.1 Mô hình hệ thống chuyển đổi năng lượng gió

Trên cơ sở các phương pháp khí động học, turbine gió được thiết kế dưới dạng cánh quạt, nhận năng lượng gió và chuyển đổi thành năng lượng cơ quay máy phát Đối với máy phát turbine gió có công suất lớn (cỡ MW) tốc độ quay thường là 10÷15 vòng/phút Để chuyển đổi mô – men quay có tốc độ thấp sang mô – men quay có tốc

độ cao thường sử dụng hộp số, tốc độ sau khi chuyển đổi được đưa vào máy phát điện khoảng 1000 đến 1500 vòng/phút thông qua trục truyền động được trình bày trên Hình 1.1 [7]

Hình 1.1 Mô hình chuyển đổi năng lượng gió bằng năng lượng điện bằng sức gió [14]

Ngoài việc lựa chọn hộp số, cũng có thể lựa chọn máy phát điện có nhiều cặp cực

để đáp ứng yêu cầu về tốc độ Tuy nhiên, để kết nối với lưới điện tốt nhất là sử dụng các bộ chuyển đổi điện tử công suất

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

Năng lượng gió là một hàm của tốc độ và khối lượng không khí Khi tốc độ gió cao năng lượng gió lớn Mối quan hệ giữa khối lượng, tốc độ không khí và năng lượng gió được thể hiện bởi phương trình động năng của một khối khí có khối lượng m (Kg)

di chuyển với vận tốc v (m/s) trong hệ SI :

1 2

Công suất là động năng trên một đơn vị thời gian, Công suất nhận được của một khối khí di chuyển với vận tốc v qua một diện tích A vuông góc với chiều vận tốc

2 w

.2

12

Trong đó: Pw là công suất trong gió (W)

ρ là mật độ không khí (Kg/m3)

ở 150C và 1 atm thì ρ = 1.225 Kg/m3

v: vận tốc gió qua diện tích A( m/s)

Hình 1.2 Đường cong công suất gió

Với turbine gió trục đứng thì A=2DH/3 trong đó D là bề ngang lớn nhất H là

chiều cao của vùng cánh quạt, với turbine trục ngang thì 𝐴 = 𝜋𝑅2 với R bán kính cánh quạt Vì năng lượng tỷ lệ bậc 3 với tốc độ gió nên cần phải đặc biệt quan tâm đến

vị trí đặt turbine để thu được gió có tốc độ lớn.[8]

1.1.3 Hệ số công suất của Turbine gió

Một vài khái niệm:

Hình 1.3 Minh hoạ định luật BEZT [8]

Tốc độ gió: là tốc độ gió tự do tại vị trí khảo sát

Tốc độ gió mặt (UpWind) : v1= v tốc độ gió ở khoảng cách đủ lớn đối với cánh quạt

Tốc độ gió lưng (DownWind) : v2 tốc độ gió đủ lớn sau khi ra khỏi cánh quạt Trục rotor: trục quay của rotor

Bán kính rotor : chiếu dài của cánh gió Rb

Bán kính mặt cắt ngang của cánh gió: Khoảng cách từ mặt cắt ngang của cánh gió đến trục của roto rb

Đường cung (chord line): Đường thẳng nối đỉnh và đuôi của mặt cắt ngang của cánh gió

Mặt xoay (plane of rotation): Mặt phẳng được tạo ra bởi rìa của các cánh gió khi cánh gió quay

Góc Pitch (pitch angle): Góc giữa đường cung và mặt xoay

Hình 1.4 Minh hoạ một vài khái niệm của turbine gió [8]

Với v1,v2 là các hàm phụ thuộc thời gian v, v2 ≥0

Turbine gió lấy động năng của khối khí đi vào nên v>v2

Hệ số công suất turbine gió:(theo định luật Bezt)

Tìm hệ số công suất lớn nhất lấy đạo hàm Cp theo biến λ và cho đạo hà này bằng

Hình 1.5 Đặc tính của C p theo hệ số λ được vẽ [8]

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

Nếu roto quay rất chậm thì gió có thể dễ dàng đi xuyên qua khe hở giữa các cánh gió Khi đó, v≈v2 Ngược lại, khi rotor quay rất nhanh nó sẽ như một bức tường chắn gió, khi đó v2≈0 Vì vậy, đối với một tốc độ gió mặt cho trước v, tốc độ của roto sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị v2 Nói cách khác, nó ảnh hưởng đến giá trị Cp Vậy nên, giá trị của Cp phụ thuộc vào quan hệ giữa tốc độ gió và tốc độ của rotor (Turbine) Mối quan hệ này được biểu diễn bằng một tỉ số giữa tốc độ tiếp tuyến ở rìa của cánh gió với tốc độ gió mặt được gọi là TSR (Tip-Speed Ratio) Đó là một hệ số

vô hướng được định nghĩa như sau:

r

v SR=

60

D T

của máy phát có thể được giới hạn bằng cách thay đổi góc θPitch của cánh gió và giá

trị của hệ số công suất Cp cũng thay đổi (phụ thuộc vào cấu trúc hình học của cánh

gió) Vì vậy, ta có thể viết:

( , )

p

Quan hệ Cp(λ,θpitch ) có thể được xây dựng hoặc tính toán dựa trên việc mô

hình turbine gió như Hình 1.6

Hình 1.6 Đặc tính C p có sẵn với từng Tuabin gió chế tạo trên thực tế [8]

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

1.1.5.1 Cấu tạo của một hệ máy phát điện sức gió

Cánh gió : các tuarbine hiện nay thường có một , hai, 3 cánh gió

Pitch: Thiết bị này nhằm làm cho cánh gió có thể lật ,xoay…để điều chỉnh tốc độ

Thiết bị Yaw:có chức năng khi tốc độ gió nhỏ hơn tốc độ giới hạn khi thiết kế

thì nó giữ cho rotor đối điện với nguồn gió khi gió thay đổi.Ngược lại khi tốc độ gió

vượt quá giới hạn cho phép thì nó sẽ dịch chuyển rotor ra khỏi hướng gió

Chong chóng gió : nhằm phát hiện hướng gió và kết hợp với thiết bị Yaw để giữ

cho turbine thay đổi với vận tốc gió phù hợp (Hình 1.7)

Hình 1.7 Cấu tạo một Turbine gió [8]

Bộ đo tốc độ gió :đo tốc độ gió và chuyển dữ liệu đến bộ điều khiển

Phanh hãm : dùng để hãm tốc độ và dừng trong trường hợp bảo trì hay khẩn cấp Hộp số (gear box) : dùng để biến đổi vận tốc turbine gió từ 20-60v/p lên 1500-1800v/p … để các máy phát có thể phát ra điện

Máy phát : chuyển hóa cơ năng thành điện năng

Tháp (Tower) : dùng để đỡ

1.1.5.2 Các loại turbine gió

Hình 1.8 Turbine gió kiểu trục đứng

Hình 1.9 Turbine gió kiểu lưng Hình 1.10 Turbine gió ngang

Loại turbine gió kiểu trục đứng VAWT : là loại có trục rotor cánh quạt nằm

vuông góc với hướng gió loại này ít phổ biến [8]

Loại turbine gió kiểu trục ngang HAWT: là loại có trục rotor song song với

hướng gió [8]

Kiểu turbine gió trục ngang được chia làm hai loại :[8]

Trước gió (Upwind HAWT) : là kiểu phổ biến nhất, có cánh quạt hứng trực tiếp

nguồn gió sau đó mới đến bộ máy phát …

Sau gió (Downwind HAWT): là loại có máy phát và các bộ phận nằm trước sau

đó mới đến cánh gió

1.1.6 Máy phát trong hệ thống turbine gió

Đây là bộ phận chuyển đổi năng lượng cơ năng thành điện năng, các loại máy phát

có thể được sử dụng như: Máy điện một chiều, máy điện xoay chiều đồng bộ, máy điện xoay chiều không đông bộ, Do các đặc tính vượt trội nên hiện nay đa số sử dụng máy điện xoay chiều làm máy phát cho hệ biến đổi năng lượng gió thành điện năng.[8]

1.1.6.1 Máy phát đồng bộ

Máy đồng bộ đơn giản hóa gồm cuộn dây phần ứng nằm trên stator ,còn cuộn kích từ nằm trên rotor Dây quấn kích từ được cấp điện một chiều DC qua chổi than và vành trượt.Dây quấn cuộn phần ứng được nối ra ngoài lưới xoay chiều 3 pha Trục của rotor được nối với turbine gió thông qua một hộp số (gear box) để có thể đạt tốc độ

mà máy phát đồng bộ có thể phát điện –thông thường tốc độ của turbine gió vào khoảng 20-40 v/p [8]

Máy phát đồng bộ có thể dùng kích từ nam châm vĩnh cửu hay dùng cuộn dây kích từ

Hình 1.11 Minh họa máy phát đồng bộ [8]

1.1.6.2 Máy phát không đồng bộ

Do cấu tạo rotor người ta chia làm hai loại chính: loại rotor lồng sóc (Squirrel Cage Rotor ) và loại rotor dây quấn Về nguyên lí hoạt động thì hai loại này như nhau với tần số lưới là f ,số cặp cực của máy là p thì tốc độ đồng bộ là:Ns=60f/p vòng/phút Vận tốc hoạt động của máy không đồng bộ luôn khác với vận tốc đồng bộ Máy điện không đồng bộ rotor lồng sóc: dây quấn rotor gồm các thanh nhôm dẫn đúc nằm trong các rãnh Các thanh dẫn này được ngắn mạch hai đầu bằng các vòng ngắn mạch [8]

Hình 1.12 Rotor dây quấn Hình 1.13 Rotor lồng sóc

1.1.7 Các thành phần khác

1.1.7.1 Bộ phận điện tử công suất

Bộ biến đổi từ AC-DC(rectifier): đây là bộ chuyển đổi từ dòng điện AC sau máy phát –có tần số và điện áp thay đổi liên tục-thành dòng điện DC Đây có thể dùng các diode công suất hay các thyristor được kết nối phù hợp với chức năng của bộ biến đổi

Bộ biến đổi từ DC-AC (inverter) có tác dụng ngược lại bộ biến đổi AC-DC, Tức là chuyển dòng DC thành dòng AC có điện áp và tần số phù hợp để có thể cung cấp lên lưới.[8]

1.1.7.2 Bộ Soft-starter

Đây là thành phần điện tử công suất được dùng trong loại turbine gió có vận tốc

cố định Bộ phận này có tác dụng hạn chế dòng điện khởi động của turbine gió–dòng này có thể gấp 7-8 lần dòng khi bình thường-khi nối kết hệ thống với lưới

Bộ phận này chỉ đơn giản gồm hai thyristor kết nối với nhau trên mỗi pha Bộ phận này kết nối linh động giữa máy phát và lưới và được điều khiển góc kích trong mỗi chu kì nhằm hạn dòng.[8]

1.1.7.3 Bộ Capacitor bank (Tụ điện)

Được dùng trong hệ thống turbine gió có vận tốc cố định hay giới hạn vận tốc Đây là thành phần cung cấp công suất phản kháng cho các máy phát cảm ứng Bộ phận này có thể kết nối với lưới hoặc là không kết nối trong những điều kiện cụ thể.[8]

1.1.8 Các phương pháp điều khiển máy phát tuabin gió

1.1.8.1 Điều khiển cực đại hóa công suất

Trong thực tế, các hệ thống biến đổi năng lượng gió được thực hiện theo hai chế

độ vận hành Chế độ vận hành thứ nhất là giữ cho công suất đầu ra bằng hằng số và chế độ vận hành thứ hai là giữ cho công suất đầu ra lớn nhất Thuận lợi của chế độ vận hành thứ nhất là lưới được cung cấp một nguồn năng lượng không đổi Tuy nhiên, năng lượng gió lại được sử dụng một cách không hiệu quả Chế độ vận hành thứ hai là tối ưu hóa năng lượng biến đổi từ năng lượng gió sang điện năng trong một khoảng thay đổi tốc độ rộng Vì vậy chế độ này thường được sử dụng ở các hệ thống công suất lớn mặc dù điều này có thể tạo dòng năng lượng biến đổi đưa lên lưới.[8]

Có hai phương pháp được sử dụng để cực đại hóa công suất đầu ra của máy phát sức gió:

Điều khiển tối ưu TSR:

Hình 1.14 Phương pháp điều khiển tối ưu TSR

Với phương pháp này, tốc độ gió được đo bởi phong kế (anemometer) Trên cơ

sở dữ liệu này, bộ điều khiển sẽ điều chỉnh tốc độ của rotor để tối ưu hệ số TSR ở bất

kỳ tốc độ gió nào Vì vậy, có thể đạt được công suất đầu ra là lớn nhất

Điều khiển bám công suất đỉnh:

Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là tính đạo hàm của Pb theo ω nghĩa là:

0

b dP

Thuận lợi của phương pháp điều khiển bám công suất đỉnh (peak power tracking control) là một sự thay đổi nhỏ của tốc độ turbine sẽ không làm thay đổi công suất của đầu ra Hơn nữa, phương pháp này không yêu cầu đo tốc độ gió

Hình 1.15 Phương pháp điều khiển bám đỉnh công suất

Tóm lại để tối ưu các hệ số làm việc của turbine gió, tốc độ của rotor phải được điều khiển phù hợp với mỗi vận tốc gió đầu vào cả hai phương pháp trên đều nhằm đạt được mối quan hệ Pb – Cp:

 Khi tốc độ gió đầu vào nhỏ hơn một giá trị gọi là tốc độ cut-in, Turbine được

tắt để tránh hiện tượng quá dòng của máy phát

 Khi tốc độ gió đầu vào lớn hơn tốc độ cut-in và công suất ra nhỏ hơn công suất định mức, tốc độ của rotor được điều chỉnh tùy theo sự biến đổi của tốc độ gió để làm việc với giá trị TSR, λ là hằng số tương ứng với giá trị cực đại của Cp Vùng làm việc như vậy được gọi là miền Cpmax

 Khi tốc độ gió tiếp tục tăng, công suất đầu ra đạt đến công suất tới hạn của máy phát điện Khi đó tốc độ của rotor được điều chỉnh để làm việc với hệ số TSR ,λ tương ứng với giá trị Cp nhỏ hơn giá trị tối ưu Cp tối ưu Turbine gió được vận hành ở công suất định mức để tránh quá tải cho máy phát Vùng làm việc này được gọi là miền công suất ra bằng hằng số

 Khi tốc độ gió đầu vào quá cao, Turbine gió lại được tắt ra để bảo vệ cánh gió, máy phát và các thành phần khác trong hệ thống Tốc độ gió mà ở đó Turbine gió ngừng làm việc được gọi là tốc độ cut-out

Yêu cầu về điều chỉnh tốc độ có thể thực hiện dễ dàng bằng cách sử dụng các máy điện một chiều Tuy nhiên, các máy điện một chiều lại đòi hỏi các chuyển mạch

cơ khí, chổi than và dòng một chiều để kích thích máy phát Chính vì vậy mà chúng chỉ được sử dụng trong các hệ thống biến đổi năng lượng gió có công suất nhỏ

Các máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy thủy điện Trong trường hợp này, tần số của máy phát có liên quan trực tiếp đến tốc độ của nó và cũng cần phải có dòng điện một chiều để kích thích từ trường rotor Do đó, chúng không được phù hợp lắm cho các hệ thống máy phát mà tốc độ biến thiên trong một phạm vi rộng Các máy điện không đồng bộ có thể loại bỏ những nhược điểm của cả máy điện một chiều và máy điện đồng bộ Máy điện loại này không cần các cơ cấu chuyển mạch

cơ khí và dòng điện một chiều để kích thích máy phát Vì vậy, có thể làm việc một cách tin cậy với giá thành và chi phí bảo dưỡng thấp Hơn nữa, các máy điện không đồng bộ rotor dây quấn có thể được điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh điện trở của rotor hoặc đưa thêm hay thu hồi công suất, được gọi là công suất trượt, ở rotor Các máy điện không đồng bộ rotor dây quấn như vậy được gọi là máy điện không đồng bộ nguồn kép (doubly-fed induction machine - DFIM) Chính vì những lý do này, việc nghiên cứu các máy điện không đồng bộ làm việc với các hệ thống biến đổi năng lượng gió công suất lớn thường là các máy điện không đồng bộ trong các hệ thống biến đổi năng lượng gió với dạng đặc biệt của chúng - các máy phát không đồng

bộ nguồn kép (doubly-fed induction generator - DFIG).[8]

Hình 1.16 Đặc tính điều chỉnh tốc độ của turbine gió

Hiện nay các máy điện không đồng bộ nguồn kép DFIM đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống máy phát gió Tuy nhiên khi mà công suất do các máy phát cung cấp cho hệ thống điện ngày càng tăng chúng cũng bắt đầu bộc lộ một

số nhược điểm, chẳng hạn như khả năng làm việc song song với lưới khi lưới có sự cố Mục đích của phần điều khiển Turbine gió là để tính toán mômen điện từ chuẩn cho bộ điều khiển máy phát gió và điều khiển góc pitch của các cánh gió Các phương pháp để cực đại hóa năng lượng ra cho hệ thống biến đổi năng lượng gió đã được đề cập ở trên Điều này làm sáng tỏ việc tính toán và điều khiển mômen, Cosφ của máy phát và điện áp DC của nguồn một chiều

Hình 1.17 Tổng quan về điều khiển hệ máy phát sử dụng sức gió

1.1.8.2 Điều khiển tốc độ

Có 2 cách để điều khiển tốc độ như sau:

 Thay đổi số cặp cực của máy phát cảm ứng: vận tốc thay đổi khi thay đổi số đôi cực Ví dụ máy phát có 2 cực, ở tần số 60 Hz thì tốc độ đồng bộ là 3600 v/p, 4 cực khi vận hành ở tần số 60 Hz thì vận tốc đồng bộ là 1800 v/p Chính vì thế, khi thay đổi

số cặp cực thì cũng đồng nghĩa với việc thay đổi vận tốc của máy phát

 Điều khiển tốc độ thông qua hộp số (gear box): trục của turbine gió được nối với trục máy phát thông qua một hộp số Hộp số này làm cho vận tốc của turbine –thường nhỏ- đạt giá trị đáp ứng phù hợp để máy phát có thể phát ra điện Hộp số có thể điều chỉnh cho vận tốc ra ở dạng tương đối ổn định khi vận tốc gió thay đổi

1.1.8.3 Điều khiển Pitch

Đây là dạng điều khiển khí động học turbine nhằm làm thay đổi vận tốc turbine gió trước khi nối với máy phát

Khi vận tốc gió nhỏ thì nó sẽ thay đổi góc quay của cánh gió nhằm chuyển hóa vận tốc gió thành vận tốc của turbine cao nhất Ngược lại khi vận tốc gió lớn thì góc pitch lại thay đổi để hạn chế vận tốc turbine Điều này có nghĩa là thay đổi hiệu suất chuyển hóa năng lượng từ năng lượng gió thành cơ năng Kiểu điều khiển này là kiểu điều khiển linh động

Hình 1.18 Điều khiển pitch với vận tốc thay đổi dùng máy phát không đồng bộ rotor

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

Kiểu điều khiển này sử dụng những vị trí cánh gió cố định Khi vận tốc nhỏ thì turbine gió sẽ ở vào một vị trí đã đặt trước khi thiết kế nhằm làm tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng gió thành cơ năng Mặt khác, khi vận tốc gió lớn đến một giá trị nào đó thì turbine gió lại được cố định ở một góc quay khác nhằm hạn chế hiệu suất chuyển

hóa để bảo vệ các thành phần trong hệ thống

1.1.8.5 Điều khiển active stall control

Đây là kiểu điều khiển linh động cả cánh gió và trục turbine Khi vận tốc gió nhỏ thì cánh gió được điều khiển như điều khiển pitch control để đạt được hệ số chuyển hóa lớn nhất.Điều khiển loại này cho giới hạn công suất phẳng hơn không có những dao động công suất lớn

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

1.1.9.1 Mô hình kết nối trực tiếp máy phát với lưới điện (loại 1)

Turbine gió loại này có tốc độ trục truyền động là cố định, sử dụng loại máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG) và được kết nối trực tiếp vào lưới điện thông qua máy biến áp được mô tả theo Hình 1.19 [3,7,18,19,20]

Hình 1.19 Mô hình máy phát nối trực tiếp với lưới (loại 1)

Mô hình này đòi hỏi phải lắp hệ thống bù một lượng công suất phản kháng để giảm việc tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới điện Lưới điện được kết nối có được

sự ổn định nhờ hệ thống khởi động mềm Mặc dù có những cách thức điều khiển công suất trong turbine gió tốc độ cố định, nhưng sự biến động của gió gây nên các dao động công suất dẫn đến hệ thống điện cũng dao động theo Dao động đó có thể làm cho điện áp tại các điểm kết nối sẽ bị thay đổi (trường hợp công suất lưới là yếu) Do

có những dao động điện áp nên turbine gió tốc độ cố định sẽ thay đổi lượng công suất phản kháng nhận từ lưới điện (trong trường hợp không thực hiện việc bù công suất phản kháng tại đầu cực máy phát), điều này làm dao động điện áp càng tăng và có thể gây rã lưới

Nhược điểm chính của mô hình này là không thể điều khiển tốc độ, yêu cầu phải

có một hệ thống lưới có công suất vô cùng lớn và bộ phận cơ khí của turbine gió phải

có khả năng chịu được ứng suất cơ học cao gây ra bởi những cơn gió dật Mô hình này

có kết cấu rất đơn giản và tin cậy nhưng không cho phép điều khiển tích cực để thu năng lượng tối đa và tốc độ của máy phát phụ thuộc hoàn toàn vào tần số và công suất của lưới điện Ngoài hiệu suất chuyển đổi thấp, chất lượng điều khiển kém còn có sự biến động của công suất tác dụng và phản kháng Loại turbine gió sử dụng mô hình này có thị phần ngày càng giảm chủ yếu là do chất lượng điện năng thấp và hiệu suất năng lượng thu về không cao

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

Mô hình này sử dụng phương pháp thay đổi thông số mạch rotor của turbine gió

để đáp ứng với sự thay đổi của tốc độ gió, việc điều khiển này chỉ phụ thuộc vào sự thay đổi giá trị điện trở mạch rotor Máy phát điện là loại không đồng bộ rotor dây quấn (WRIG) được mô tả trên Hình 1.20 [3,7,18,19,20]

Hình 1.20 Mô hình máy phát nối lưới có tốc độ thay đổi một phần nhờ việc thay đổi

điện trở mạch rotor (loại 2)

Mô hình bao gồm: một bộ tụ điện thực hiện việc bù công suất phản kháng, một

bộ khởi động mềm để kết nối lưới điện tốt hơn Đặc biệt trong mô hình này có thể thay đổi điện trở mạch rotor bởi một bộ phận chuyển đổi quang học gắn trên trục cánh quạt, điện trở rotor có thể được kiểm soát Do vậy, độ trượt của máy phát được điều khiển nhờ việc điều chỉnh giá trị điện trở tổng của mạch rotor, có nghĩa là điều chỉnh được công suất phát của máy phát Vì vậy, sản lượng điện của turbine phát vào hệ thống được kiểm soát Phạm vi điều khiển tốc độ phụ thuộc vào dải biến đổi điện trở mạch rotor Thông thường, phạm vi biến đổi tốc độ rotor trong khoảng từ 0÷10% so với tốc

độ đồng bộ

Mô hình này sử dụng chiến lược điều khiển tốc độ thay đổi – góc nghiêng không đổi (Variable Speed – Fixed Pitch) Loại turbine này gây tổn hao nhiệt lớn trên các bộ phận phụ như điện trở của mạch rotor, hiệu suất chuyển đổi và chất lượng điện năng thấp

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

DFIG bao gồm một WRIG với cuộn dây stato kết nối trực tiếp với lưới ba pha tần số không đổi và cuộn dây rotor kết nối với lưới thông qua một công cụ chuyển đổi tần số tỉ lệ sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM, được mô tả trên Hình 1.21 [3,7,15,16,17,18,19,20]

Hình 1.21 Mô hình nối lưới của máy phát cảm ứng nguồn kép (loại 3)

Hệ thống này cho phép hoạt động khi tốc độ thay đổi trên một phạm vi rộng Bộ chuyển đổi năng lượng bao gồm hai bộ chuyển đổi: chuyển đổi phía rotor và chuyển đổi phía lưới điện, chúng được điều khiển độc lập với nhau Bộ chuyển đổi phía rotor là điều khiển công suất phản kháng và tác dụng bằng cách điều khiển các thành phần dòng điện rotor, trong khi bộ chuyển đối phía đường dây điều khiển điện áp một chiều DC

Mô hình này sử dụng chiến lược điều khiển tốc độ thay đổi – góc nghiêng thay đổi (Variable Speed – Variable Pitch) Chiến lược này đang ngày càng trở nên thông dụng trong các turbine gió hiện đại Trong chiến lược này, turbine gió được lập trình vận hành với tốc độ thay đổi, góc nghiêng không đổi ở tốc độ gió dưới danh định, và góc nghiêng thay đổi ở tốc độ gió trên danh định

Thay đổi tốc độ (Variable Speed) làm tăng năng lượng thu được tại những tốc độ gió thấp trong khi thay đổi góc nghiêng (Variable Pitch) sẽ điều chỉnh được hiệu suất công suất tại những tốc độ gió cao hơn Chất lượng điện năng rất tốt ở tốc độ gió thấp

cũng như ở tốc độ gió cao Mô hình này kiểm soát và điều khiển hoàn toàn dòng công suất phản kháng và công suất tác dụng đưa vào lưới điện

1.1.9.4 Mô hình máy phát kết nối lưới điện thông qua bộ biến đổi tỉ lệ đầy đủ (loại 4)

Mô hình này được sử dụng với mục tiêu đáp ứng với mọi dạng biến đổi tốc độ của gió Máy phát được kết nối với lưới điện thông qua công cụ chuyển đổi nguồn điện

áp (VSC) có cấu trúc liên kết back – to – back để đưa ra nguồn điện có tần số mong muốn, được mô tả trên Hình 1.22 [3,7,15,17,18,19,20]

Hình 1.22 Mô hình Máy phát nối lưới thông qua bộ biến đổi điện tử công suất đầy đủ

(loại 4)

Ưu điểm của bộ biến đổi (VSC) có cấu trúc liên kết back – to – back là bộ chuyển đổi bên phía máy phát có thể kiểm soát tốc độ của máy phát điện trong khi bộ chuyển đổi bên phía đường dây có thể điều chỉnh công suất phản kháng cung cấp và

ổn định hệ thống điện trên toàn dải tốc độ hoạt động Mô hình này dùng máy phát điện

có thể tự kích từ (nhờ sự chênh lệch giữa tốc độ rotor với tốc độ đồng bộ của WRSG) hoặc sử dụng nam châm vĩnh cửu để tạo kích từ (máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG)

Sự phát triển mạnh mẽ của ngành điện tử công suất đã cho ra đời các bộ chuyển đổi điều khiển được nguồn công suất lớn với giá cả hợp lý Các bộ chuyển đổi điện này thật sự có ích cho việc cải thiện chất lượng điện năng Ngoài ra có thể điều khiển

để thu được công suất tối đa của gió Nhược điểm của mô hình này là công suất của bộ chuyển đổi lên đến 120% công suất danh định của máy phát

Mô hình này sử dụng chiến lược điều khiển tốc độ thay đổi – góc nghiêng không đổi (Variable Speed – Fixed Pitch)

Phương pháp tốc độ thay đổi đã trở nên thông dụng với các turbine gió hiện đại, đặc biệt làm việc ở dải tốc độ gió thấp Sự tiện lợi của phương pháp này là năng lượng thu về lớn, làm giảm tải khí động học và cải thiện chất lượng điện năng Ngày nay, với

sự phổ biến sâu rộng của năng lượng gió, việc yêu cầu cải thiện chất lượng điện năng

đã trở thành yếu tố thúc đẩy có tính quyết định đối với chiến lược điều khiển tốc độ thay đổi (Variable Speed)

Đối với chiến lược VS – FP, ở tốc độ gió thấp, các turbine thay đổi tốc độ (VS) được điều khiển để bám theo vị trí CPmax, nhưng vì góc nghiêng không đổi (FP) cho nên bị hạn chế ở tốc độ gió trên danh định Mô hình này kiểm soát và điều khiển được lượng công suất tác dụng và công suất phản kháng đưa vào lưới điện

1.2 Khái quát tình hình sử dụng năng lượng gió để phát điện trên thế giới và Việt Nam

1.2.1 Tình hình phát triển điện gió trên thế giới

Năm 2015, ngành điện gió tiếp tục lập kỷ lục, với tổng công suất lắp đặt trong năm đạt trên 63 GW (RE: 140 GW) Tổng công suất điện gió lắp đặt toàn cầu là 432,9

GW, với mức tăng trưởng 17%.Năm 2015, sản lượng điện gió đạt 186,3 TWh, chiếm 3,3% tổng sản lượng điện xem Hình 1.23

Hình 1.23 Tình hình phát triển điện gió trên thế giới

Đến cuối năm 2015, số quốc gia lắp đặt trên 1.000MW là 26 nước, trong đó khu vực châu á –thái bình dương có 4 nước là TQ, Ấn Độ, Úc và Nhật; số quốc gia có công suất lắp đặt trên 10.000MW có 8 nước gồm TQ, Mỹ, Đức, TBN, Ấn Độ , Anh, Canada và Pháp

 Châu Á: Trung Quốc lập kỷ lục mới với 30,8 GW (145 GW tích lũy); Ấn Độ vượt Tây Bang Nha trong bảng tổng sắp; Pakistan, Philippin, Việt Nam, Thái Lan, Mông Cổ và Indonesia là các thị trường rất có tiềm năng phát triển trong tương lai

 Châu Âu lắp đặt thêm 6GW, trong đó có 2GW điện gió ngoài khơi của Đức;

Mỹ lắp đặt 8,6 GW cao hơn so với dự kiến

 Braxin, Canada, Mexico và Nam Phi cũng phát triển mạnh trong những năm qua, các trại gió thương mại đầu tiên cũng được ghi nhận tại Jordan, Guatemala và Serbia Có lẽ dấu hiệu đáng khuyến khích nhất là sự gia tăng liên tục của các thị trường mới ở châu Á, châu Phi và Mỹ Latin, được thúc đẩy bởi các nguồn năng lượng sạch cạnh tranh

1.2.2 Hiện trạng phát triển điện gió tại Việt Nam

Với hơn 3000 km bờ biển và thuộc khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa Việt Nam được đánh giá là quốc gia có tiềm năng năng lượng gió tốt Hơn 39% lãnh thổ của Việt Nam có tốc độ gió lớn hơn 6m/s tại độ cao 65m, tương đương với 513 GW công suất Đặc biệt, hơn 8% lãnh thổ, tương đương 112 GW được đánh giá là có tiềm năng năng lượng gió rất tốt

Các dự án đang vận hành: Bình Thạnh (REVN): 30MW, Phú Quý (PVP): 6MW, Bạc Liêu (Công Lý): 99MW, Phú Lạc 1 (TBW): 24MW, Đầm Nại (6MW),…

Các dự án đang thi công: Thuận Nhiên Phong: 32MW, Tây Nguyên (HBRE): 28MW, Điện gió Mũi Dinh: 37,6 MW

Các dự án đang triển khai các bước chuẩn bị đầu tư: Trung Nam (TNWP): 34

MW, Trà Vinh (Woojin): 48 MW, Cầu Đất (ORE): 28,8 MW, Vĩnh Châu (EAB): 28,8

MW, Công Lý giai đoạn 3 (142 MW), Khai Long (150 MW), Hòa Thắng 1 (PVP): 49,5 MW, Công Hải (GENCO2): 30 MW, Hanbaram (Landville Energy): 48,3 MW, Sóc Trăng (Phú Cường) và còn nhiều dự án nữa …

Theo chiến lược phát triển NLTT VN (2068/Q Đ-TTg, 25/11/2015) Định hướng

phát triển theo lĩnh vực Điện gió: Đưa tổng công suất nguồn điện gió lên 800MW năm

2020; 2.000 MW năm 2025 và 6.000 MW năm 2030; Điện năng sản xuất chiếm 1,0% năm 2020; 2,7% năm 2030 và 5,0% năm 2050

1.3 Tiềm năng phát triển điện Gió tại tỉnh Ninh Thuận

1.3.1 Đặc điểm khí hậu tỉnh Ninh Thuận

Ninh Thuận nằm trong khu vực có vùng khô hạn nhất cả nước, nền khí hậu nhiệt đới gió mùa, nhiều gió, nhiều nắng Nhiệt độ trung bình 270C, có 2 mùa rõ rệt, mùa mưa từ tháng 9 đến tháng 11, mùa khô từ tháng 12 đến tháng 8 năm sau Lượng mưa trung bình 700-800 mm/năm ở Phan Rang và tăng dần theo độ cao trên 1.100 mm/năm

ở vùng miền núi (thấp hơn trung bình cả nước 1900 mm/năm).[2]

Số giờ nắng trung bình trong năm từ 2.542-3.090 giờ

Độ ẩm không khí trung bình từ 74-78%

Gió: Hướng gió chủ yếu là Bắc Đông Bắc và Tây Tây Nam Tốc độ gió trung bình tháng và năm từ 3,3 đến 8,9 m/s Tốc độ gió mạnh nhất tháng và năm từ 18 đến

28 m/s

1.3.2 Tiềm năng phát triển điện Gió tại tỉnh Ninh Thuận

Tính đến tháng 6/2017, đã có 13 dự án điện gió với tổng công suất đăng ký đầu

tư, đề nghị lắp đặt là 1.068 MW (giai đoạn đầu 277 MW) được UBND tỉnh chấp thuận chủ trương khảo sát nghiên cứu Đến 2020, dự kiến công suất lắp đặt đạt khoảng 220

MW với sản lượng điện gió tương ứng là 482 triệu kWh Theo tài liệu của Ngân hàng Thế giới, tiềm năng gió tỉnh Ninh Thuận, nhiều nhất ở các huyện Ninh Phước, Thuận Nam, kế đó là Phan Rang – Tháp Chàm, Thuận Bắc, Ninh Hải (Hình 1.24).[2]

Bảng 1.1 Tiềm năng năng lượng gió lý thuyết ở Ninh Thuận

Tốc độ gió trung bình

ở 65m

Khá (6,5-7,0m/s)

Tương đối tốt (7,0-7,5m/s)

Tốt (7,5-8,0m/s)

Rất tốt (>8,0m/s)

Hình 1.24 Bản đồ ATLAS Gió khu vực tỉnh Ninh Thuận ở độ cao 65m.[2]

1.4 Giới thiệu nhà máy điện gió Mũi Dinh

1.4.1 Quy mô

Việc đầu tư nhà máy điện gió Mũi Dinh nhằm cung cấp bổ sung nguồn điện cho lưới điện quốc gia với tổng công suất lắp đặt là 70 MW, dự án được chia làm hai giai đoạn: giai đoạn 1-37,6 MW và giai đoạn 2- mở rộng lên 32,4 MW Quy mô đầu tư sau khi phân tích chọn cho giai đoạn 1 là 37,6 MW bao gồm 16 tổ turbine gió của hãng Enercon, loại E.92, mỗi tổ máy có công suất danh định là 2,35 MW.[5]

Trong giai đoạn 1 lắp đặt là 37.6 MW gồm có 02 khu vực được lắp đặt tổng cộng

16 turbine gió Enercon (E.92-2,35 MW) và phần mương cáp nối giữa 02 khu vực, trong đó

 Khu vực 1 có diện tích 57, 7 ha gồm 6 turbine gió

 Khu vực 2 có diện tích 206,46 ha gồm 10 turbine gió, 1 khu nhà điều hành, trạm biến áp và 1 bãi tập kết Congtainer

 Hệ thống mương cáp 22kV kết nối từ khu 1 đến khu 2 với tổng diện tích 0,63

ha

Hình 1.25 Phối cảnh bố trí khu vực 1(6 tuabin)[5]

Hình 1.26 Phối cảnh bố trí khu vực 2 (10 tuabin)[5]

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

Theo tài liệu “Wind Energy Resource At as of Southeast Asia” của ngân hàng Thế giới tháng 9 năm 2001 Theo tài liệu này, khu vực huyện Thuận Nam có vận tốc gió bình quân ở độ cao 65m từ 7,0 -8,0m/s

Tốc độ gió bình quân tại độ cao 60m đạt mức 6,7 m/giây Tốc độ gió tối đa đạt 9.43m/giây (tháng 1), và thấp nhất vào tháng 9 với vận tốc 4.53 giây [5]

Theo biểu đồ phân bố Weibu , có các hướng gió sau: