GIỚI THIỆU
Chương này nhấn mạnh tầm quan trọng ngày càng gia tăng của năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió, trong bối cảnh nguồn năng lượng truyền thống đang cạn kiệt và chi phí ngày càng cao Nó cũng đề cập đến tình hình nghiên cứu, ứng dụng và phát triển năng lượng gió trên toàn cầu và tại Việt Nam, cùng với sự phát triển điện gió ở một số quốc gia tiêu biểu.
Việc phát triển năng lượng tái tạo hiện nay là vô cùng quan trọng do nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên đang cạn kiệt, dẫn đến giá cả tăng cao, ảnh hưởng tiêu cực đến kinh tế và xã hội Sử dụng năng lượng hóa thạch không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra hiệu ứng nhà kính và nóng lên toàn cầu, góp phần vào các thảm họa sinh thái như lũ lụt và hạn hán Trong bối cảnh kinh tế và xã hội phát triển mạnh mẽ, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng gia tăng, vì vậy việc chuyển sang nguồn năng lượng tái tạo là cần thiết để đảm bảo sự bền vững cho tương lai.
Các quốc gia trên thế giới đang tăng cường nghiên cứu và ứng dụng năng lượng tái tạo nhằm thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống Việc này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của nền kinh tế và xã hội đang phát triển.
Nguồn năng lượng tái tạo có những ưu điểm sau:
- Nguồn năng lượng tái tạo có sẵn trong thiên nhiên như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng biển …
Việc sử dụng năng lượng tái tạo giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và khí thải đáng kể so với nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá, các sản phẩm từ dầu mỏ và khí thiên nhiên.
Sử dụng năng lượng tái tạo không chỉ thân thiện với môi trường mà còn giúp giảm hiệu ứng nhà kính và hạn chế sự nóng lên toàn cầu bằng cách cắt giảm đáng kể lượng khí CO2 thải ra.
Nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng tái tạo đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết tình trạng thiếu hụt năng lượng và giảm sự phụ thuộc vào năng lượng truyền thống.
Năng lượng tái tạo đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng toàn cầu Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng năng lượng tái tạo là cần thiết để giải quyết các vấn đề năng lượng mà các quốc gia đang đối mặt Hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới đã và đang tập trung vào việc phát triển nguồn năng lượng này nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường.
1.2 Tầm quan trọng của việc phát triển năng lượng gió
Năng lượng gió đang thu hút sự quan tâm và đầu tư của nhiều quốc gia, bên cạnh các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng mặt trời, sóng biển và địa nhiệt Hệ thống năng lượng điện gió được phát triển mạnh mẽ nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó.
- Nguồn năng lượng gió có sẵn trong thiên nhiên và rất ít gây ô nhiễm môi trường
Sử dụng năng lượng điện gió tạo ra ô nhiễm môi trường và khí thải thấp hơn nhiều so với các nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá, sản phẩm từ dầu mỏ và khí thiên nhiên.
Sử dụng năng lượng điện gió là một giải pháp thân thiện với môi trường, giúp giảm hiệu ứng nhà kính và hạn chế sự nóng lên toàn cầu Nhờ vào việc giảm thiểu lượng khí thải CO2 trong quá trình sản xuất, năng lượng gió đóng góp tích cực vào việc bảo vệ hành tinh.
Nghiên cứu và phát triển năng lượng điện gió đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết tình trạng thiếu hụt năng lượng, đồng thời giúp giảm bớt sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch.
Việc phát triển và vận hành hệ thống năng lượng điện gió không chỉ tạo ra việc làm cho ngành điện gió mà còn thúc đẩy các ngành phụ trợ cung cấp thiết bị và dịch vụ liên quan, góp phần vào sự phát triển kinh tế xã hội.
- Việc xây dựng hệ thống năng lượng điện gió sử dụng ít tài nguyên đất còn tạo ra quang cảnh du lịch
- Hệ thống năng lượng điện gió có thể xây dựng ở đất liền, trên biển và ngoài hải đảo
Bên cạnh đó năng lượng điện gió có những khuyết điểm sau:
Năng lượng điện gió có tính ổn định kém do tốc độ gió thay đổi theo mùa Do đó, việc nghiên cứu kỹ lưỡng vị trí xây dựng các nhà máy điện gió là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả khai thác năng lượng.
Mật độ phân bố năng lượng điện gió có quy mô và diện tích chiếm đất lớn hơn nhiều so với các nguồn năng lượng truyền thống, mặc dù công suất đặt và công suất ổn định lại khá nhỏ.
- Kỹ thuật khai thác phức tạp, đòi hỏi công nghệ cao
Chi phí vận hành và bảo dưỡng của tổ máy cao do công suất đặt thấp và sản lượng điện không đạt yêu cầu, cùng với việc khu vực lắp đặt rộng rãi Những yếu tố này góp phần làm tăng đáng kể chi phí tổng thể cho việc duy trì và vận hành hệ thống.
TỔNG QUAN BÀI TOÁN KẾT NỐI HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ VỚI LƯỚI ĐIỆN
TỔNG QUAN BÀI TOÁN KẾT NỐI HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ VỚI LƯỚI ĐIỆN
Chương này giới thiệu tình hình nghiên cứu bài toán kết nối hệ thống điện gió với lưới điện ở nước ngoài và trong nước
2.1- Tình hình nghiên cứu bài toán kết nối hệ thống điện gió với lưới điện ở nước ngoài
Vào tháng 8 năm 2008, tại hội nghị triển lãm truyền tải và phân phối ở Mỹ Latinh, Molina, M.G đã giới thiệu một chiến lược kiểm soát mới cho máy phát điện tuabin gió biến tốc độ, nhằm tối ưu hóa việc kết nối với lưới điện ba pha Chiến lược này bao gồm một chương trình điều khiển mới cho lưới điện ba pha, giúp kiểm soát hiệu quả nguồn năng lượng gió và bù công suất phản kháng cho lưới điện, cho phép hoạt động đồng thời hoặc độc lập với các hệ thống điện hiện có Các tuabin gió được kiểm soát tối ưu thông qua bộ chuyển đổi DC-DC tăng và sử dụng ba cấp nguồn điện áp biến tần để kết nối với nguồn AC Mô hình và chương trình điều khiển đã được xác nhận trong môi trường Matlab/Simulink, với hơn 400 W năng lượng gió được sử dụng trong các thử nghiệm để chứng minh hiệu quả của thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking).
Tại hội nghị triển lãm hệ thống điện tháng 3 năm 2009, Hee-yeol Jung đã trình bày nghiên cứu về nâng cao chất lượng điện năng của lưới điện kết nối với hệ thống máy phát điện gió của SMES (Superconducting Magnet Energy System) Ông đã giới thiệu về các tiện ích năng lượng điện gió toàn cầu, nhấn mạnh rằng công suất đầu ra của hệ thống năng lượng điện gió thường dao động do tốc độ gió biến đổi, gây ra các vấn đề về chất lượng điện năng như điện áp và tần số Để khắc phục những vấn đề này, việc kiểm soát làm mịn đầu ra của máy phát điện gió là rất quan trọng Công nghệ SMES được coi là giải pháp hiệu quả để bù đắp các biến động, ngay cả những rối loạn nhỏ Bài báo cũng đề cập đến việc nâng cao chất lượng điện của lưới điện kết nối WPGS thông qua các bước điều khiển và ứng dụng SMES, với các mô phỏng EMTDC và RTD được thực hiện cho một hệ thống điện hòn đảo nhỏ bao gồm WPGS, và kết quả được thảo luận chi tiết trong báo cáo.
Tại hội nghị triển lãm ứng dụng điện năng Thái Bình Dương tháng 3 năm 2011, Amin, M.M, người Mỹ, đã trình bày nghiên cứu về bộ biến tần ba pha bán điều khiển tần số cao cho hệ thống lưới điện kết nối máy phát điện gió nam châm vĩnh cửu Cấu trúc liên kết này có hiệu suất cao nhờ giảm tổn thất điện năng và số lượng yếu tố chuyển đổi, đồng thời cho phép công suất đầu ra cao và mật độ thực hiện tốt Tuy nhiên, nó cũng chấp nhận được tổng méo hài hòa của dòng điện Điểm công suất tối đa theo dõi thuật toán (MPPT) được thực hiện qua điều khiển trễ, cùng với việc sử dụng xung hình sin điều chế độ rộng (SPWM) trong kết nối lưới điện Nghiên cứu trình bày các hoạt động của biến tần chỉnh lưu và phân tích lý thuyết, với kết quả thử nghiệm trên hệ thống phát điện gió 5 kW được thảo luận nhằm khẳng định hiệu quả của cấu trúc liên kết đề xuất cho các hệ thống nối lưới.
Tại hội nghị năng lượng điện và chuyển giao năng lượng điện trong thế kỉ 21 vào tháng 7 năm 2008, Wei Qiao từ Atlanta đã trình bày nghiên cứu về sự phát triển nhanh chóng của năng lượng gió trong các hệ thống điện, ảnh hưởng đến an toàn và ổn định của hệ thống Để đảm bảo sự ổn định trong thời gian sự cố lưới điện, cần thiết phải yêu cầu các máy phát điện tuabin gió (WTGs) hỗ trợ điện áp và tần số mạng Bài viết khảo sát hiệu quả của việc kết nối lưới của hệ thống máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIGs) đối với sự ổn định tạm thời của hệ thống điện Nghiên cứu cho thấy, với chương trình hoạt động không bị gián đoạn và kiểm soát nhanh chóng chuyển đổi DFIG, các tuabin gió DFIG có khả năng xử lý sự cố lưới điện mà không gặp vấn đề ổn định góc liên kết với các máy phát điện đồng bộ thông thường Sự tích hợp của DFIG tuabin gió không chỉ giúp cải thiện hiệu suất hệ thống điện mà còn tăng cường tính ổn định Nghiên cứu mô phỏng cho thấy hiệu suất thoáng qua của hệ thống điện kết nối năng lượng gió tốt hơn trong các sự cố nghiêm trọng của lưới điện, đạt được sự cân bằng hệ thống hiệu quả.
Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí IEEE tháng 9 năm 2010, ông Mohod, S.W đã đề xuất hệ thống STATCOM để cải thiện chất lượng điện cho các hệ thống năng lượng gió nối lưới Việc tích hợp điện gió vào lưới điện có ảnh hưởng đến chất lượng điện, với các chỉ tiêu được đánh giá theo tiêu chuẩn IEC-61.400 Nghiên cứu chỉ ra rằng các tuabin gió tác động đến các yếu tố như công suất tác dụng, công suất phản kháng, điện áp, tần số, và sóng hài Để giải quyết vấn đề chất lượng điện, đề án đã kết nối STATCOM với hệ thống pin lưu trữ năng lượng (BESS) nhằm duy trì nguồn năng lượng ổn định trong điều kiện dao động của năng lượng gió Kết quả mô phỏng bằng MATLAB/SIMULINK cho thấy STATCOM có khả năng bù lại công suất phản kháng, góp phần cải thiện tiêu chuẩn chất lượng điện theo quy định của IEC.
2.2- Tình hình nghiên cứu bài toán kết nối hệ thống điện gió với lưới điện ở trong nước
Trong tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ số 65(03): 123-133, Nguyễn Thị Mai Hương và cộng sự đã công bố nghiên cứu về khả năng trụ lưới không đối xứng của hệ thống máy phát điện gió Bài báo trình bày các biện pháp khắc phục lưới đối xứng và không đối xứng trong hệ thống này Khi xảy ra lỗi lưới, bộ biến đổi phía máy phát sẽ ngừng hoạt động, trong khi các dây quấn roto được nối tắt qua điện trở tiêu tán để duy trì quá trình vận hành đồng bộ với lưới phân phối Đồng thời, bộ biến đổi phía lưới được điều khiển để phát công suất kháng nhằm hỗ trợ lưới.
Các kết quả từ việc thực hiện trong môi trường Matlab/Simulink - Plecs cho thấy rằng việc áp dụng các biện pháp khắc phục lỗi lưới cải thiện đáng kể đáp ứng quá độ của hệ thống lưới khi gặp sự cố lỗi lưới đối xứng và không đối xứng.
Trong tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ/ Điện và đời sống, số 17, Trịnh Trọng Trưởng đã nghiên cứu về việc nâng cao chất lượng điện năng trong mạng lưới phân phối khi kết nối với máy phát điện gió thông qua việc sử dụng máy bù đồng bộ tĩnh (Statcom) Nghiên cứu cho thấy việc ứng dụng Statcom giúp cải thiện khả năng khắc phục sự cố và giảm thiểu các giá trị chập chờn của máy phát điện gió, từ đó nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống phân phối Tác giả đã sử dụng phần mềm PSCAD để mô phỏng hệ thống tuabin và máy phát điện gió, bao gồm một máy phát điện gió công suất 1.62 MW với điện áp đầu cực 0.69 kV, kết hợp với máy biến áp tăng áp 0.69 kV/ 11 kV để phù hợp với điện áp lưới phân phối Mô hình này còn tính đến tốc độ gió để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Dựa trên số liệu thống kê tốc độ gió tại Phước Ninh, Ninh Thuận, mô phỏng cho thấy sự cố một pha ở lưới điện 10 kV trong 30 ms gây ra mất mát lớn trong hệ thống Cụ thể, nếu không áp dụng công nghệ Statcom, hệ thống cần 1.8 giây để phục hồi trạng thái ban đầu, với giá trị chập trờn lên tới 6.8%, vượt quá tiêu chuẩn IEC 64100-21 và quy định đấu nối hệ thống điện của Việt Nam Ngược lại, khi ứng dụng công nghệ Statcom, thời gian phục hồi giảm xuống còn 0.70 giây, và các nhiễu được kiểm soát ở mức rất nhỏ, nằm trong giới hạn cho phép.
Năm 2012, Trần Thị Kim Thoa đã thực hiện nghiên cứu về "Ứng dụng phương pháp mờ trượt điều khiển công suất trong bộ biến đổi điện năng kép gió-lưới điện" Nghiên cứu này tập trung vào việc điều khiển góc mở của các bộ biến đổi trong hai hệ thống nguồn để điều tiết công suất lưới điện, đảm bảo các thông số đầu ra ổn định và phản ứng nhanh với sự thay đổi của tốc độ gió Tác giả đã sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng kết quả, cho thấy phương pháp điều khiển mờ trượt giúp ổn định điện áp khi hòa lưới, giảm thiểu nhiễu và đảm bảo sai lệch tiến về 0 Mặc dù phương pháp này mang lại chất lượng tốt hơn so với điều khiển PI, nhưng vẫn chưa đạt được kết quả tối ưu do thời gian đáp ứng còn lớn.
Trong hơn 20 năm phát triển, nghiên cứu về hệ thống điện gió kết nối với lưới điện trên thế giới đã đạt được nhiều tiến bộ Mặc dù có nhiều hướng nghiên cứu khác nhau, tất cả đều hướng đến mục tiêu chung là đảm bảo sự ổn định của lưới điện và nâng cao chất lượng điện năng Các giải pháp công nghệ và phương pháp điều khiển đã được nghiên cứu kỹ lưỡng, đồng thời còn nhiều công trình nghiên cứu khác đang tiếp tục khám phá vấn đề kết nối này.
Việt Nam đang trong giai đoạn đầu phát triển năng lượng điện gió, tận dụng công nghệ tiên tiến toàn cầu để khai thác tiềm năng lớn của nguồn năng lượng sạch này Bên cạnh đó, nước ta cũng đã thực hiện nhiều nghiên cứu về việc kết nối lưới điện với các dự án điện gió, cùng với nhiều công trình nghiên cứu khác chưa được đề cập.
HỆ THỐNG ĐIỆN GIÓ
Chương này trình bày về quá trình hình thành năng lượng gió và cách sản xuất điện từ nguồn năng lượng này Nó cũng đề cập đến hệ thống điện gió và cách thức kết nối hệ thống điện gió với lưới điện.
3.1) Sự hình thành năng lượng gió
Năng lượng gió là động năng của không khí trong bầu khí quyển Trái Đất, và nó được xem là một hình thức gián tiếp của năng lượng mặt trời.
Bức xạ Mặt Trời không đồng đều chiếu xuống bề mặt Trái Đất, dẫn đến sự chênh lệch về nhiệt độ và áp suất không khí giữa các vùng, đặc biệt là giữa xích đạo và hai cực Mặt ban đêm không nhận được bức xạ Mặt Trời, trong khi các khu vực gần xích đạo nhận nhiều hơn, tạo ra sự di động của không khí và hình thành gió Sự xoay tròn của Trái Đất cũng góp phần vào việc hình thành các xoáy không khí, và do trục quay của Trái Đất nghiêng, các dòng không khí theo mùa được hình thành.
Do ảnh hưởng của hiệu ứng Coriolis từ sự quay của Trái Đất, không khí di chuyển từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không theo đường thẳng mà tạo thành các cơn gió xoáy với chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu Cụ thể, ở Bắc bán cầu, không khí di chuyển vào vùng áp thấp theo chiều ngược kim đồng hồ và ra khỏi vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ, trong khi ở Nam bán cầu, chiều di chuyển là ngược lại.
Hiệu ứng Coriolis ảnh hưởng đến gió toàn cầu, nhưng địa hình từng khu vực cũng đóng vai trò quan trọng Ban ngày, đất nóng lên nhanh hơn nước do có nhiệt dung khác nhau, tạo ra sự chênh lệch áp suất và gió thổi từ biển hoặc hồ vào đất liền Ngược lại, vào ban đêm, đất liền nguội nhanh hơn nước, dẫn đến hiện tượng gió thổi từ đất liền ra biển.
Năng lượng gió được xác định là động năng của không khí chuyển động với vận tốc Khối lượng không khí đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong khoảng thời gian t được tính bằng công thức: [3.1] vt r Avt.
V m . 2 (3.1) với ρ là tỷ trọng của không khí, V là thể tích khối lượng không khí đi qua mặt cắt ngang hình tròn diện tích A, bán kính r trong thời gian t
Vì thế động năng E (kin) và công suất P của gió là:
Công suất gió tỷ lệ với vận tốc gió mũ ba, cho thấy rằng vận tốc gió là yếu tố then chốt trong việc khai thác năng lượng gió.
3.3) Sự chuyển đổi giữa năng lượng gió và rotor của máy phát điện gió
Công suất cơ mà một tuabine gió nhận được từ gió chính bằng sự khác nhau giữa động năng tích trữ trong gió phía trước v và sau cánh quạt v d
Ta có biểu thức công suất của rotor tuabine gió P R là p
Trong đó C p là hiệu suất của tuabine
Và là tỉ số của tốc độ gió trước và sau cánh quạt v v d
(3.6) ta lấy đạo hàm Cp theo biến và cho đạo hàm này bằng 0 ta được hiệu suất lớn nhất của tuabine gió
Ta thấy với kết quả
ta hiệu suất lớn nhất của tuabine gió
Công suất gió có thể được khai thác thông qua tuabin gió để sản xuất điện, nhưng chỉ đạt tối đa 59,3% năng lượng có trong luồng gió Vận tốc gió ở phía sau tuabin không thể giảm xuống bằng không, do đó công suất gió thực tế thấp hơn nhiều so với năng lượng của gió Hiệu suất của năng lượng điện gió phụ thuộc vào dự báo gió, khả năng điều chỉnh của lưới điện và nhu cầu sử dụng điện của người tiêu dùng.
Do tốc độ gió biến đổi liên tục, năng lượng điện gió từ các tuabin có thể kết hợp với các nguồn năng lượng khác để đảm bảo cung cấp năng lượng ổn định Ví dụ, hệ thống năng lượng điện gió có thể kết hợp với năng lượng điện mặt trời hoặc máy phát điện Diesel, tạo ra giải pháp năng lượng bền vững và liên tục.
Hệ thống điện gió hiện nay bao gồm nhiều loại tuabine và được chia thành các mô hình như hệ thống điện gió trên đất liền, ngoài biển, ngoài đảo, cũng như các hệ thống kết hợp với năng lượng mặt trời và máy phát điện Diesel.
Hệ thống điện gió hoạt động thông qua hai quá trình chính: đầu tiên, động năng của gió được chuyển đổi thành cơ năng để quay cánh quạt, kết nối với roto của máy phát điện qua hộp số; thứ hai, cơ năng này được biến đổi thành điện năng.
Các máy phát điện phổ biến trong hệ thống điện gió gồm có:
- Máy phát điện không đồng bộ roto lồng sóc
- Máy phát điện không đồng bộ roto dây quấn
- Máy phát điện đồng bộ
3.3.1) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tuabine gió
Tuabine gió là thiết bị chuyển đổi năng lượng gió thành điện Một tuabin gió điển hình bao gồm các phần chính sau đây (xem hình 3.2): [3.2]
Cánh quạt là bộ phận quan trọng trong hệ thống năng lượng gió, nơi động năng của gió được chuyển đổi thành cơ năng quay của trục rotor Khi gió thổi, cánh quạt quay và tạo ra năng lượng, đóng vai trò then chốt trong quá trình khai thác năng lượng tái tạo từ gió.
2- Rotor bao gồm các cánh quạt và trục
Cánh quạt được thiết kế với bước răng có khả năng xoay và nghiêng một cách linh hoạt, giúp duy trì tốc độ quay của rotor ở mức tối ưu Điều này không chỉ đảm bảo hiệu suất sinh điện cao nhất mà còn bảo vệ cánh quạt và rotor trong điều kiện gió mạnh.
Hình 3.2: Cấu tạo của một tuabine gió 4- Brake (Bộ hãm) dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ
5- Low speed shaft (trục tốc độ thấp)
Hộp số (gear box) kết nối bánh răng với trục tốc độ thấp và trục tốc độ cao, giúp tăng tốc độ quay từ 30-60 vòng/phút lên 1200-1500 vòng/phút Tốc độ quay này là yêu cầu thiết yếu cho hầu hết các máy phát điện sản xuất điện Bộ bánh răng đóng vai trò quan trọng trong động cơ và tuabin gió.
7- Generator (máy phát điện) nhiệm vụ là phát ra điện
Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ khi tốc độ gió đạt từ 12 km/h đến 22 km/h, đồng thời tắt động cơ khi tốc độ gió khoảng 104 km/h để tránh tình trạng quá nhiệt cho máy phát.
9- Anenomater (Bộ đo lường) đo tốc độ gió và truyền dữ liệu về trung tâm điều khiển
10- Wind vane: để xử lý hướng gió và liên lạc với bộ Yaw drive để định hướng tuabine gió
