Tài liệu Mô phỏng nhà máy điện gió công nghệ máy điện không đồng bộ nguồn kép (dfig) và đánh giá ảnh hưởng của nhà máy đối với hệ thống rơle bảo vệ

LỜI MỞ ĐẦU Trong bối cảnh các nguồn nhiên liệu hoá thạch dần cạn kiệt, nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng, việc nghiên cứu và ứng dụng nguồn năng lƣợng tái tạo, đặc biệt là năng lƣợng gió đang đƣợc rất nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm. Ƣu điểm của nguồn năng lƣợng gió là năng lƣợng vô tận với chi phí sản xuất rẻ và đặc biệt là không gây ô nhiễm môi trƣờng. Tuy nhiên, việc kết nối các nhà máy điện gió với hệ thống điện cũng đặt ra một số vấn đề mới về mặt vận hành, điều khiển và bảo vệ. Đáp ứng của nhà máy điện gió khi có các sự cố có sự khác biệt rất lớn với các máy điện đồng bộ truyền thống, đặc biệt là tác động đến dòng ngắn mạch và rơle bảo vệ. Để đảm bảo cho hệ thống rơle bảo vệ vẫn hoạt động đúng và tin cậy, việc phân tích và đánh giá ảnh hƣởng của nhà máy điện gió với hệ thống rơle bảo vệ là rất cần thiết. Trên cơ sở đó, bằng những kiến thức đã học cùng với sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Nguyễn Đức Huy, chúng em đã lựa chọn đề tài: “Mô phỏng nhà máy điện gió công nghệ máy điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) và đánh giá ảnh hƣởng của nhà máy đối với hệ thống rơle bảo vệ” trong học phần đồ án tốt nghiệp. Đồ án gồm 2 phần lớn: Phần I: Máy phát điện gió công nghệ máy điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG ). Phần II: Bảo vệ máy phát điện gió DFIG khi đấu nối với lƣới và các ảnh hƣởng của DFIG đến hệ thống rơle bảo vệ. Do kiến thức bản thân còn hạn chế nên bản đồ án của chúng em không thể tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận đƣợc sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô để bản đồ án đƣợc hoàn thiện hơn. Qua đây, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới các thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện và đặc biệt là thầy giáo TS. Nguyễn Đức Huy, ngƣời đã tận tình chỉ bảo và truyền thụ cho chúng em những kiến thức quý báu trong suốt quá trình thực hiện bản đồ án. Hà Nội, ngày 1 tháng 06 năm 2015 Sinh viên thực hiện Đặng Văn Hƣng 1 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................... 5 DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................... 6 DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................... 10 PHẦN I ............................................................................................................. 11 MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ CÔNG NGHỆ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP (DFIG) ....................................................................................... 11 CHƢƠNG 1 ...................................................................................................... 12 GIỚI THIỆU CHUNG....................................................................................... 12 1. Tổng quan về năng lƣợng gió..................................................................... 12 1.1.Tình hình năng lƣợng gió trên thế giới và Việt Nam ............................ 12 1.2. Khái quát về máy phát điện gió ........................................................... 16 1.3. Lựa chọn đối tƣợng nghiên cứu của đề tài ........................................... 23 1.4. Máy phát không đồng bộ nguồn kép DFIG ......................................... 24 CHƢƠNG 2 ...................................................................................................... 26 MÁY ĐIỆN GIÓ LOẠI DFIG ........................................................................... 26 1. Máy điện không đồng bộ nguồn kép .......................................................... 26 1.1. Nguyên lý làm việc của máy điện không đồng bộ ............................... 26 1.2. Sơ đồ thay thế DFIM .......................................................................... 28 1.3. Các phƣơng trình cơ bản của DFIM trong chế độ xác lập .................... 30 1.4. Đƣờng cong đặc tính làm việc của DFIM ............................................ 32 2. Bộ biến đổi AC-DC-AC (Back-to-Back coverter) ...................................... 34 2.1. Nghịch lƣu nguồn áp ba pha................................................................ 35 2.2. Hệ thống liên kết bộ biến đổi với lƣới, mạch lọc cảm kháng ............... 41 2.3. Hệ thống liên kết bộ biến đổi với mạch rotor của DFIM...................... 43 2.4. Hệ thống liên kết một chiều ................................................................ 43 3. Các mạch vòng điều khiển trong máy phát điện gió loại DFIG .................. 44 3.1. Mục tiêu điều khiển của máy phát DFIG ............................................. 44 2 3.2. Vector không gian và các phép biến đổi .............................................. 46 3.3. Mô hình máy phát không đồng bộ nguồn kép DFIG ............................ 48 3.4. Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh αβ ........................... 49 3.5. Mô hình toán học DFIG trong hệ trục tọa độ dq trong chế độ quá độ .. 51 3.6. Nguyên lý điều khiển DFIG trong chế độ xác lập ................................ 53 3.7. Các vòng điều khiển ............................................................................ 54 CHƢƠNG III .................................................................................................... 58 MÔ PHỎNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ LOẠI DFIG TRÊN MATLAB/SIMULINK VÀ CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............................... 58 1. Mô hình máy phát điện gió trên Matlab/Simulink ...................................... 58 1.1. Máy điện không đồng bộ..................................................................... 58 1.2. Back-to-Back converter ...................................................................... 60 1.3. Mô hình các bộ điều khiển .................................................................. 61 2. Các kết quả mô phỏng ............................................................................... 63 2.1. Đáp ứng của DFIG trong chế độ xác lập ............................................. 63 2.2. Đáp ứng của DFIG trong chế độ sự cố ................................................ 64 PHẦN II ............................................................................................................ 71 BẢO VỆ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG KHI ĐẤU NỐI VỚI LƢỚI VÀ CÁC ẢNH HƢỞNG CỦA DFIG ĐẾN HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ ....................... 71 CHƢƠNG 4 ...................................................................................................... 72 YÊU CẦU LVRT ĐỐI VỚI NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ VÀ HỆ THỐNG CROWBAR BẢO VỆ MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG ...................................... 72 1. Yêu cầu LVRT đối với máy phát điện gió và mô hình DFIG với hệ thống bảo vệ crowbar .............................................................................................. 72 2. Tác động của crowbar đến DFIG trong chế độ sự cố .................................. 74 2.1. Tác động của crowbar đến DFIG trong sự cố ngắn mạch ba pha ......... 74 2.2. Tác động của crowbar đến DFIG trong sự cố ngắn mạch không đối xứng .......................................................................................................... 81 CHƢƠNG 5 ...................................................................................................... 86 ẢNH HƢỞNG CỦA DFIG VỚI CROWBAR ĐẾN HỆ THỐNG RƠLE BẢO VỆ ..................................................................................................................... 86 3 1. Hệ thống bảo vệ rơle đối với nhà máy điện gió loại DFIG ......................... 86 2. Nguyên lý bảo vệ khoảng cách .................................................................. 88 3. Rơle bảo vệ khoảng cách 7SA522 - Siemens ............................................. 90 3.1. Giới thiệu chung ................................................................................. 90 3.2. Cấu trúc phần cứng ............................................................................. 90 3.3. Tổng quan các chức năng của 7SA522 ................................................ 93 3.4. Chức năng bảo vệ khoảng cách của rơle 7SA522 ................................ 94 3.5. Giải thuật của rơle 7SA522 ................................................................. 95 4. Mô hình mô phỏng rơle khoảng cách ......................................................... 97 5. Đánh giá ảnh hƣởng của DFIG đến rơle khoảng cách ................................ 99 5.1. Sự cố ngắn mạch một pha ................................................................. 100 5.2. Sự cố ngắn mạch hai pha................................................................... 101 6. Tổng kết .................................................................................................. 102 6.1 Ảnh hƣởng của trang trại điện gió DFIG với hệ thống bảo vệ crowbar đến hoạt động của rơ le đƣờng dây .......................................................... 102 6.2 Hƣớng phát triển của đề tài ................................................................ 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 104 PHỤ LỤC........................................................................................................ 105 1. Thông số các phần tử trong mô hình mô phỏng........................................ 105 2. Chƣơng trình C mô phỏng rơle khoảng cách ............................................ 106 2.1. Chƣơng trình chính F21.c ................................................................. 106 2.2. Thƣ viện functionlib.h....................................................................... 115 4 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Từ tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt GWEC Global Wind Energy Council Hội đồng Năng lƣợng gió toàn cầu WWEA World Wind Energy Association Hiệp hội năng lƣợng gió thế giới EVN Vietnam Electricity Tập đoàn Điện lực Việt nam TNHH Trách nhiệm hữu hạn VNĐ Việt Nam đồng SCIG Squirrel Cage Induction Generator Máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc WRIG Wound Rotor Induction Generator Máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn DFIG Doubly Fed Induction Generator Máy phát điện cảm ứng nguồn kép DFIM Doubly Fed Induction Machine Máy điện cảm ứng nguồn kép MPMG Multipole Permanent Magnet Máy phát điện đồng bộ nam châm Generator vĩnh cửu nhiều cặp cực Multipole Wound Rotor Máy phát điện cảm ứng rotor dây Synchronous Generator quấn nhiều cặp cực GSC Grid Side Converter Bộ biến đổi phía lƣới RSC Rotor Side Converter Bộ biến đổi phía rotor PLL Phase Locked Loop Mạch khoá pha WRSG Tự động điều chỉnh kích từ TĐK LVRT Low Voltage Ride Through Khả năng chịu đƣợc sự cố giảm điện áp Federal Energy Regulatory Ủy ban điều tiết năng lƣợng Liên Commission bang STATCOM Static Synchronous Compensator Thiết bị bù tĩnh đồng bộ MI Measurement Input Đầu vào thiết bị đo I/O Input/Output Đầu vào và ra PC Personal computer Máy tính cá nhân SCADA Supervisory control and data Hệ thống điều khiển giám sát và acquisition thu thập dữ liệu FERC 5 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sản lƣợng điện gió trên thế giới (1996 - 2014) .................................... 13 Hình 1.2 Xếp hạng các quốc gia dùng năng lƣợng gió ....................................... 13 trên thế giới năm 2014 ....................................................................................... 13 Hình 1.3 Mô hình các bộ phận của một tuabin gió ............................................ 16 Hình 1.4 Tuabin gió kiểu trục đứng ................................................................... 18 Hình 1.5 Tuabin gió kiểu trục ngang.................................................................. 19 Hình 1.6 Các loại máy phát sử dụng trong hệ thống phát điện gió ..................... 19 Hình 1.7 Hệ thống phát điện gió có tốc độ cố định sử dụng SCIG .................... 20 Hình 1.8 Hệ thống phát điện gió tốc độ thay đổi giới hạn sử dụng WRIG ......... 21 Hình 1.9 Hệ thống tuabin gió thay đổi tốc độ sử dụng ....................................... 21 Hình 1.10 Hệ thống tuabin gió sử dụng MPMG không có hộp số ..................... 22 Hình 1.11 Cấu trúc của hệ thống máy phát không đồng bộ nguồn kép ............... 24 Hình 1.12 Chiều của dòng năng lƣợng qua máy phát DFIG ở hai chế độ .......... 25 Hình 2.1 Sơ đồ thay thế máy điện không đồng bộ .............................................. 28 Hình 2.2 Sơ đồ thay thế DFIM sau khi quy đổi về stator.................................... 30 Hình 2.3 Giản đồ năng lƣợng............................................................................. 31 Hình 2.4 Đặc tính công suất tác dụng stator - tốc độ trƣợt.................................. 33 Hình 2.5 Đặc tính công suất phản kháng stator - tốc độ trƣợt. ............................ 33 Hình 2.6 Đặc tính công suất tác dụng rotor - tốc độ trƣợt................................... 34 Hình 2.7 Đặc tính mômen điện - tốc độ trƣợt ..................................................... 34 Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống tua-bin gió sử dụng DFIM .......................................... 35 Hình 2.9 Sơ đồ mạch lực nghịch lƣu độc lập nguồn áp 3 pha ............................. 35 Hình 2.10 Mô hình nghịch lƣu nguồn áp ba pha đƣợc mô tả bởi các khóa chuyển mạch .................................................................................................................. 36 Hình 2.11 Tổ hợp 8 điện áp đầu ra của nghịch lƣu nguồn áp ba pha .................. 37 Hình 2.12 Dạng sóng điện áp ra của nghịch lƣu áp ba pha với nguồn phát 6 xung .......................................................................................................................... 38 Hình 2.13 Điện áp đầu ra của bộ nghịch lƣu điện áp ba pha bằng phƣơng pháp điều chế độ rộng xung PWM với mf = 20, ma = 0.9 ........................................... 40 6 Hình 2.14 Phổ sóng hài của điện áp đầu ra bộ nghịch lƣu van với mf = 20, ma = 0.9 ..................................................................................................................... 41 Hình 2.15 Sơ đồ thay thế hệ thống liên kết bộ biến đổi với lƣới ......................... 41 Hình 2.16 Mạch điện thay thế đơn giản một pha của hệ thống liên kết bộ biến đổi với lƣới .............................................................................................................. 42 Hình 2.17 Sơ đồ thay thế hệ thống liên kết bộ biến đổi ...................................... 43 Hình 2.18 Hệ thống liên kết một chiều .............................................................. 43 Hình 2.19 Mô hình máy phát điện gió loại DFIG ............................................... 45 Hình 2.20 Vector không gian điện áp stator Hình 2.21 Chuyển hệ toạ độ cho vector .................................................. 47 từ hệ toạ độ sang dq .................. 48 Hình 2.22 Mạch điện tƣơng đƣơng của DFIG .................................................... 49 Hình 2.23 Sơ đồ tƣơng đƣơng của máy phát DFIG trong hệ trục αβ .................. 50 Hình 2.24 Sơ đồ tƣơng đƣơng của DFIG trong hệ trục dq.................................. 52 Hình 2.25 Phƣơng chiều vector điện áp và từ thông ........................................... 53 Hình 2.26 Mạch vòng điều khiển khâu đo lƣờng ............................................... 55 Hình 2.27 Đƣờng đặc tính công suất phát tuabin ............................................... 55 Hình 2.28 Mạch vòng điều khiển công suất và tốc độ tuabin ............................. 56 Hình 2.29 Mạch vòng điều khiển phía rotor ....................................................... 56 Hình 2.30 Mạch vòng điều khiển phía lƣới ........................................................ 57 Hình 2.31 Bộ giới hạn dòng điện phía GSC ....................................................... 57 Hình 3.1 Thông số cho khối máy phát không đồng bộ ....................................... 58 Hình 3.2 Mô hình máy phát điện gió trên Matlab/Simulink ............................... 59 Hình 3.3 Mô hình bộ điều khiển công suất và tốc độ tua-bin ............................. 61 Hình 3.4 Mô hình bộ điều khiển bộ biến đổi phía rotor ...................................... 62 Hình 3.5 Mô hình bộ điều khiển bộ biến đổi phía lƣới ....................................... 62 Hình 3.6 Đáp ứng của DFIG khi thay đổi điện áp đặt đầu cực ........................... 63 Hình 3.7 Công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát trong quá trình thay đổi điện áp đặt đầu cực ...................................................................... 64 Hình 3.8 Sự cố ngắn mạch đầu cực máy phát DFIG .......................................... 64 Hình 3.9 Dòng sự cố DFIG khi ngắn mạch ba pha đầu cực ................................ 65 7 Hình 3.10 Dòng ngắn mạch ba pha của máy phát đồng bộ ................................. 66 Hình 3.11 Dòng sự cố rotor DFIG khi ngắn mạch.............................................. 66 Hình 3.12 Công suất tác dụng và phản kháng của DFIG .................................... 67 Hình 3.13 Điện áp đầu cực máy phát DFIG trong sự cố ..................................... 67 Hình 3.14 Điện áp trên tụ điện DC trong sự cố .................................................. 68 Hình 3.15 Tốc độ tua-bin máy phát DFIG trong sự cố ....................................... 68 Hình 3.16 Góc mở cánh quạt của tua-bin gió DFIG trong sự cố ......................... 69 Hình 3.17 Dòng ngắn mạch một pha của DFIG ................................................. 69 Hình 3.18 Dòng ngắn mạch hai pha của DFIG................................................... 70 Hình 4.1 Đặc tính LVRT điển hình (Tfin = 0.625 s) .......................................... 72 Hình 4.2 Mô hình máy phát điện gió loại DFIG có mạch bảo vệ crowbar .......... 73 Hình 4.3 Sơ đồ thay thế DFIG với mạch bảo vệ crowbar ................................... 73 Hình 4.4 Sơ đồ một sợi hệ thống trang trại điện gió kết nối với lƣới .................. 74 Hình 4.5 Dòng sự cố stator với các giá trị điện trở crowbar khác nhau .............. 75 Hình 4.6 Dòng ngắn mạch DFIG với sự cố ngắn mạch ba pha đầu cực trong các trƣờng hợp ......................................................................................................... 76 Hình 4.7 Dòng sự cố rotor với các giá trị điện trở crowbar khác nhau................ 78 Hình 4.8 Tốc độ rotor trong sự cố với các giá trị điện trở Rc khác nhau ............. 78 Hình 4.9 Công suất tác dụng của máy phát điện gió DFIG trong sự cố với các giá trị Rc khác nhau ................................................................................................. 79 Hình 4.10 Công suất phản kháng (a) và điện áp đầu cực (b) của máy phát điện gió DFIG trong sự cố với các giá trị .................................................................. 80 Hình 4.11 Điện áp trên tụ điện DC trong sự cố với các giá trị điện trở Rc khác nhau .................................................................................................................. 81 Hình 4.12 Dòng ngắn mạch của DFIG và dòng điện rotor với sự cố ngắn mạch 1 pha (AG) ........................................................................................................... 82 Hình 4.13 Dòng ngắn mạch của DFIG và dòng điện rotor với sự cố ngắn mạch 2 pha (AB) ........................................................................................................... 83 Hình 4.14 Dòng ngắn mạch của DFIG với sự cố ngắn mạch 2 pha khi không sử dụng mạch bảo vệ crowbar ................................................................................ 84 8 Hình 4.15 Dòng ngắn mạch của DFIG với sự cố ngắn mạch 2 pha khi sử dụng mạch bảo vệ crowbar ......................................................................................... 84 Hình 4.16 Dòng ngắn mạch của DFIG và dòng điện rotor với sự cố ngắn mạch 2 pha chạm đất (ABG) .......................................................................................... 85 Hình 5.1 Phƣơng thức đấu nối với hệ thống và bảo vệ cho nhà máy điện gió loại DFIG ................................................................................................................. 87 Hình 5.2 Đặc tính tác động kiểu đa giác của rơle khoảng cách........................... 89 Hình 5.3 Cấu trúc phần cứng rơle kỹ thuật số 7SA522 ...................................... 91 Hình 5.4 Thiết kế mặt trƣớc rơle 7SA522 .......................................................... 92 Hình 5.5 Các chức năng bảo vệ của rơle 7SA522 .............................................. 93 Hình 5.6 Đặc tính đa giác của rơle 7SA522 ....................................................... 94 Hình 5.7 Đặc tính MhO của rơle 7SA522 .......................................................... 95 Hình 5.8 Logic đo tổng trở pha-pha của rơle 7SA522 ........................................ 96 Hình 5.9 Logic đo tổng trở pha-đất của rơle 7SA522 ......................................... 96 Hình 5.10 Logic đo khối tác động máy cắt của rơle 7SA522 ............................. 97 Hình 5.11 Thuật toán mô phỏng rơle bảo vệ khoảng cách .................................. 98 Hình 5.12 Quỹ đạo tổng trở AG khi ngắn mạch một pha ................................. 100 Hình 5.13 Quỹ đạo tổng trở AG với sự cố thuộc Zone 2 .................................. 101 Hình 5.14 Quỹ đạo tổng trở AB trong trƣờng hợp sự cố ................................. 102 ngắn mạch hai pha ........................................................................................... 102 9 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các bộ phận của một tuabin gió. ......................................................... 16 Bảng 1.2 So sánh các loại máy phát trong hệ thống phát điện gió ...................... 22 Bảng 2.1 Thông số máy phát Vestas V80 .......................................................... 32 Bảng 2.2 Tổ hợp 8 điện áp đầu ra của nghịch lƣu nguồn áp ba pha .................... 37 Bảng 3.1 Thông số bộ điều khiển công suất và tốc độ tua-bin ............................ 61 Bảng 3.2 Thông số bộ điều khiển bộ biến đổi RSC ............................................ 62 Bảng 3.3 Thông số bộ điều khiển bộ biến đổi GSC ............................................ 63 Bảng 4.1 Điện trở crowbar trong các kịch bản ................................................... 74 điện trở Rc khác nhau......................................................................................... 80 Bảng 5.1 Các chức năng bảo vệ cho vùng bảo vệ máy phát ............................... 86 Bảng 5.2 Các thông số để rơle khoảng cách xác định tổng trở đoạn sự cố với từng loại sự cố ........................................................................................................... 89 Bảng 5.3 Cách xác định loại sự cố dựa vào các tín hiệu tác động của các vòng tổng trở .............................................................................................................. 99 10 PHẦN I MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ CÔNG NGHỆ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP (DFIG) 11 CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1. Tổng quan về năng lƣợng gió 1.1.Tình hình năng lƣợng gió trên thế giới và Việt Nam 1.1.1. Tình hình năng lượng gió trên thế giới Năng lƣợng gió là một nguồn năng lƣợng quan trọng và có tiềm năng rất lớn. Đây là dạng năng lƣợng sạch, phong phú và là nguồn cung cấp năng lƣợng gần nhƣ vô tận. Mặc dù điện gió bắt đầu đƣợc thế giới để ý đến từ 25 năm trƣớc, nhƣng chỉ trong 10 năm trở lại đây nó mới khẳng định vị trí trên thị trƣờng năng lƣợng thế giới nhờ công nghệ và kỹ thuật khai thác năng lƣợng gió phát triển vƣợt bậc trong hai thập kỷ qua. Sản lƣợng điện gió tăng trƣởng một cách ngoạn mục với tốc độ xấp xỉ 30%/năm, cao nhất trong tất cả nguồn năng lƣợng hiện có. Theo số liệu thống kê của Hội đồng Năng lƣợng gió toàn cầu GWEC ( Global Wind Energy Council), sản lƣợng điện năng sản xuất từ sức gió trên thế giới đang liên tục tăng (Hình 1.1): năm 1996 là 6.1 GW, năm 1997 là 7.6 GW và hiện nay là hơn 300 GW (số liệu tính đến thời điểm năm 2014). Sử dụng điện năng bằng năng lƣợng gió, sẽ có những lợi thế chính nhƣ sau: - Sạch, không gây ô nhiễm. - Đa dạng về hình thức và qui mô. - Ổn định giá năng lƣợng và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu. Nhận thức đƣợc vai trò và lợi ích to lớn từ việc sử dụng năng lƣợng gió. Các nƣớc trên thế giới bao gồm cả những nƣớc phát triển và đang phát triển đã ngày một quan tâm tới sự phát triển điện gió. Trên thế giới có khoảng 20 quốc gia mà dẫn đầu là Trung Quốc có công suất lắp đặt điện gió cao nhất, chiếm đến 31% tổng công suất lắp đặt (Hình 1.2). Xếp sau là Mỹ (65.879 MW, chiếm 17.8%), Đức (39,165, chiếm 10.6%), … Số liệu thống kê 10 quốc gia có tổng công suất lắp đặt đứng đầu trên thế giới đƣợc cho trong Hình 1.2 (theo số liệu thống kê của GWEC tháng 12 năm 2014). 12 Hình 1.1 Sản lượng điện gió trên thế giới (1996 - 2014) Hình 1.2 Xếp hạng các quốc gia dùng năng lượng gió trên thế giới năm 2014 Hiệp hội năng lƣợng gió thế giới WWEA (World Wind Energy Association) cũng đƣa ra những dự báo hết sức khả quan cho triển vọng phát triển năng lƣợng điện gió. Đến năm 2020 sản lƣợng điện gió sẽ chiếm tới 12% trong tổng sản lƣợng điện năng của thế giới. Để đạt đƣợc 13 mục tiêu này, thế giới sẽ đầu tƣ khoảng 100 tỷ USD/năm vào điện gió, đồng thời tạo ra 2,3 triệu việc làm và giảm đƣợc một lƣợng đáng kể khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính. Một thị trƣờng về năng lƣợng gió sẽ phát triển mạnh mẽ đẩy giá thành lắp đặt cũng nhƣ vận hành điện gió xuống mức rẻ nhất, với chi phí lắp đặt khoảng 600 USD/kW và giá điện thƣơng phẩm dƣới 3 cent (xu Mỹ)/kWh. Cũng theo dự đoán này thì năng lƣợng gió sẽ tăng dần và vƣợt qua nhiều nguồn năng lƣợng truyền thống nhƣng tiềm ẩn rủi ro cao nhƣ điện hạt nhân và thủy điện lớn. 1.1.2. Tình hình năng lượng gió ở Việt Nam Việt Nam đƣợc đánh giá là một quốc gia có tiềm năng phát triển điện gió rất lớn vì nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài hơn 3000 km. Trong chƣơng trình đánh giá về năng lƣợng của Châu Á, Ngân hàng Thế giới đã khảo sát chi tiết về năng lƣợng gió cho 4 nƣớc trong khu vực Đông Nam Á bao gồm: Việt Nam, Thái Lan, Lào, Campuchia. Theo kết quả của bản đồ năng lƣợng gió này thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất và có thể đạt hơn 500.000 MW tức là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La (2400 MW), và hơn 15 lần tổng công suất đặt của toàn hệ thống điện Việt Nam hiện nay, khoảng 30.000 MW (tính đến năm 2013). Nói cách khác nếu Việt Nam khai thác hết tiềm năng gió thì tổng công suất điện gió có thể lớn gấp 15 lần tổng công suất điện hiện tại của Việt Nam. Tất nhiên, để chuyển từ tiềm năng lý thuyết thành tiềm năng có thể khai thác đƣợc, đến tiềm năng kỹ thuật, và cuối cùng, thành tiềm năng kinh tế là cả một câu chuyện dài. Song điều đó không ngăn cản chúng ta xem xét một cách thấu đáo tiềm năng to lớn về năng lƣợng gió ở Việt Nam. Theo khảo sát của Tập đoàn Điện lực Việt nam (EVN), những vùng có thể tạo ra nguồn năng lƣợng điện gió với hiệu quả cao tập trung vào Trung trung bộ (Quảng Bình đến Khánh Hòa), Nam Trung bộ (Ninh Thuận, Bình Thuận) và các tỉnh Nam bộ (Bạc Liêu, Sóc Trăng..) trong đó hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận đƣơc coi là hai tỉnh có tiềm năng lớn nhất, là khu vực đầu tƣ cho điện gió khả thi nhất. Theo số liệu bản đồ năng lƣợng gió đƣợc lập, với tốc độ gió từ 6-7m/s ở độ cao từ 60-80 m 14 khu vực hai tỉnh Bình Thuận và Ninh Thuận có thể xây dựng lắp đặt nhiều trang trại gió với tổng công suất lên đến 9500 MW (gấp gần 4 lần nhà máy thủy điện Sơn La). Tính đến tháng 5/2013, hiện có hơn 50 dự án điện gió đã đăng ký xin đầu tƣ, phần lớn tập trung ở khu vực từ Trung Trung bộ vào các tỉnh phía Nam. Tuy nhiên, Việt Nam mới chỉ có 3 nhà máy điện gió đã phát điện thƣơng mại. Ngoài ra có một số dự án đang tiến hành thực hiện các bƣớc nhƣ thu xếp vốn, xin chủ tƣơng đầu tƣ, lập dự án đầu tƣ, xin giấy phép đầu tƣ (dự án điện gió Phú Lạc, Bình Thuận 30 MW, dự án trang trại gió Hòa Thắng 202 MW…) và hơn 40 dự án chỉ mới xin chủ trƣơng, chờ cơ chế phù hợp thì các nhà đầu tƣ mới thực hiện. Chính phủ đã phê duyệt quy hoạch phát triển năng lƣợng tái tạo. Theo đó, đến năm 2020 Việt Nam đặt mục tiêu đạt công suất điện gió 1.000 MW và đến năm 2030 đạt 6.200 MW. Hiện nay tổng công suất các dự án điện gió đang vận hành trên cả nƣớc mới chỉ đạt khoảng 54 MW với 3 dự án điện gió đã có điện bán vào hệ thống điện quốc gia. Tiên phong trong lĩnh vực đầu tƣ vào điện gió là dự án điện gió tại Tuy Phong (Bình Thuận) của Công ty cổ phần Năng lƣợng tái tạo Việt Nam đã hoàn thiện giai đoạn I với tổng công suất 30MW. Nhà máy thứ hai là nhà máy điện gió đảo Phú Quí, tại đảo Phú Quí, vận hành với lƣới diện độc lập trên đảo, Chủ đầu tƣ là Công ty TNHH Một Thành Viên “Năng lƣợng Tái tạo Điện lực Dầu khí” của Tập đoàn Dầu Khí Quốc gia Việt Nam, với tổng công suất 6MW và tổng mức đầu tƣ 335 tỷ VNĐ. Cuối cùng là trang trại điện gió trên biển tại tỉnh Bạc Liêu nối lƣới quốc gia, Chủ đầu tƣ là Công ty TNHH Thƣơng mại và Dịch vụ Công lý với tổng Công suất 16 MW và bán điện lên lƣới vào tháng 5/2013, công ty đang triển khai giai đoạn II có quy mô 52 trụ, với công suất 83 MW và có kế hoạch tiếp tục lắp thêm 150 trụ điện gió trên biển Bạc Liêu với tổng công suất 300 MW sau khi hoàn tất giai đoạn II. 15 1.2. Khái quát về máy phát điện gió 1.2.1. Cấu tạo của tuabin gió Cấu tạo của tuabin gió đƣợc cho trong Hình 1.3. Hình 1.3 Mô hình các bộ phận của một tuabin gió Bảng 1.1 Các bộ phận của một tuabin gió. STT Bộ phận 1 Cánh tuabin 2 Rotor 3 Pitch 4 Bộ phanh 5 Trục quay chậm 6 Hộp số 7 Máy phát 8 Bộ điều khiển 9 Bộ đo tốc độ gió 10 Thiết bị xác định hƣớng gió 11 Vỏ 12 13 Trục quay nhanh Yaw Driver Cấu tạo, mục đích, nhiệm vụ Gió thổi qua cánh quạt làm cánh quạt chuyển động và quay. Bao gồm cánh quạt và trục. Điều chỉnh độ nghiêng của cánh quạt để đón gió theo yêu cầu. Dừng rotor trong trƣờng hợp khẩn cấp bằng điện, sức nƣớc hoặc động cơ. Quay với tốc độ ban đầu khi gió tác dụng vào các cánh quạt Nối giữa trục quay chậm và trục quay nhanh của rotor làm tốc độ của trục quay nhanh gấp hàng chục lần so với quay chậm. Phát ra công suất điện xoay chiều với tần số thiết kế. Bộ điều khiển sẽ khởi động hệ thống khi tốc độ gió phù hợp và dừng lại khi gió có tốc độ vƣợt quá tốc độ cho phép. Thiết bị đo tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điều khiển. Chong chóng gió để xử lý hƣớng gió và liên lạc với Yaw drive để định hƣớng tuabin. Bao bọc và bảo vệ các thành phần của tuabin dƣới tác dụng cơ học từ bên ngoài. Trục truyền động tốc độ cao làm quay máy phát. Dùng để giữ rotor luôn luôn hƣớng về hƣớng gió 16 14 Yaw Motor 15 Trụ đỡ khi có sự thay đổi hƣớng gió. Động cơ cung cấp cho Yaw drive định hƣớng gió. Đƣợc làm từ thép hình trụ hoặc lƣới thép có tác dụng nâng toàn bộ hệ thống tuabin. 1.2.2. Nguyên lý hoạt động của tuabin gió Tuabin gió làm việc trái ngƣợc với một máy quạt điện, thay vì sử dụng điện để tạo ra gió nhƣ quạt điện thì ngƣợc lại tuabin gió lại sử dụng gió để tạo ra điện. Các tuabin gió hoạt động theo một nguyên lý rất đơn giản. Năng lƣợng của gió làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh 1 rotor. Rotor đƣợc nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục quay máy phát để tạo ra điện. Các tuabin gió đƣợc đặt trên trụ cao để thu hầu hết năng lƣợng gió. Ở độ cao 30m trên mặt đất, các tuabin gió có thuận lợi là tốc độ nhanh hơn và ít bị các luồng gió bất thƣờng. Các tuabin gió có thể sử dụng cung cấp điện cho nhà cửa hoặc xây dựng, chúng có thể nối tới một mạng điện để phân phối mạng điện ra rộng hơn. 1.2.3. Phân loại tuabin gió Có thể phân loại tuabin gió theo nhiều hình thức khác nhau: theo cấu tạo hoạt động, theo công suất hay theo số cánh quạt. Tuy nhiên có thể chia tuabin gió theo 2 loại cơ bản sau đây: tuabin gió trục đứng và tuabin gió trục ngang.  Tuabin gió trục đứng Tuabin gió trục đứng là loại tuabin mới phát triển trong thời gian gần đây, cánh quay của tuabin theo trục hƣớng lên (Hình 1.4a), trục quay vuông góc với dòng gió và mặt đất, dải vận tốc gió hoạt động từ 3 đên 40 m/s, chiều cao tuabin dƣới 30m, số cánh quạt từ 2 đến 4 cánh, bán kính cánh quạt dƣới 10m. Ưu điểm: - Dải vận tốc gió hoạt động khá rộng - Tuabin hoạt động không phụ thuộc vào hƣớng của vận tốc dòng khí. - Các máy phát điện, hộp số … có thể đặt dƣới mặt đất. - Phù hợp hơn cho khu vực đô thị, nơi có nhiều gió xoáy và hƣớng gió thay đổi, với một cánh quạt mà quay quanh một trục thẳng đứng, gió đến từ bất kỳ hƣớng nào cũng có thể làm quay cánh và cung cấp điện. 17 - Tuabin loại này thƣờng êm hơn tuabin trục ngang, đỡ tốn diện tích không gian lắp đặt, kết cấu tƣơng đối vững chắc. Hình 1.4 Tuabin gió kiểu trục đứng Nhược điểm: - Tốc độ gió rất thấp ở gần mặt đất. - Loại này cần bố trí dây guy để giữ. - Hiệu suất chỉ bằng 50% so với tuabin trục ngang ở cùng vận tốc gió.  Tuabin gió trục ngang Là loại phổ biến có 2 hay 3 cánh quạt, tuabin gió 3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hƣớng về chiều gió đang thổi. Ngày nay tuabin gió 3 cánh quạt đƣợc sử dụng rộng rãi, công suất phát điện từ vài trăm W đến vài MW, dải vận tốc gió hoạt động từ 4m/s đến 25m/s, chiều cao cột chống tuabin 6m ( loại công suất nhỏ) và 120m (loại công suất lớn), bán kính cánh quạt từ 3m đến 45m, số vòng quay cánh quạt từ 20 đến 40 vòng/phút. Ưu điểm: - Đây là loại tuabin gió có hiệu suất cao nhất. - Thích hợp với nhiều vận tốc gió khác nhau. - Hình dạng và kích thƣớc lớn nên đòi hỏi chỉ số an toàn cao. Nhược điểm: - Tuy có hệ thống điều chỉnh hƣớng để đón gió xong vẫn giới hạn ở 1 góc quay nhất định nên chỉ thích hợp cho những nơi có vận tốc gió ổn định. - Chi phí lắp đặt cao. 18 Hình 1.5 Tuabin gió kiểu trục ngang 1.2.3. Phân loại máy phát điện gió Hệ thống phát điện sức gió Máy phát điện xoay chiều Máy phát điện một chiều Máy phát xoay chiều một pha Máy phát xoay chiều ba pha Máy phát đồng bộ Máy phát đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu (PMSG) Máy phát đồng bộ rotor dây quấn (WRSG) Máy phát không đồng bộ Máy phát không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc (SCIG) Máy phát không đồng bộ ba pha nguồn kép (DFIG) Hình 1.6 Các loại máy phát sử dụng trong hệ thống phát điện gió Máy phát là bộ phận chuyển đổi năng lƣợng cơ năng thành điện năng. Hệ thống máy phát điện sức gió với cấu trúc rất đa dạng. Hình 1.6 khái quát các loại máy phát sử dụng trong hệ thống phát điện gió hiện nay. Máy phát có thể đƣợc kết nối với lƣới điện thông qua bộ biến đổi điện tử công suất hoặc trực tiếp với lƣới, tạo ra các cấu trúc phát điện gió khác nhau. Mỗi cấu trúc mang những ƣu nhƣợc điểm riêng và phù hợp với 19 từng yêu cầu, mục đích cụ thể. Hiện nay có bốn cấu hình thông dụng đƣợc sử dụng trong hệ thống phát điện gió.  Loại I Tuabin gió sau khi kết nối với hộp số và máy phát điện cảm ứng rotor lồng sóc (SCIG) thì hệ thống sẽ đƣợc nối trực tiếp với lƣới điện qua máy biến áp (Hình 1.7). Hình 1.7 Hệ thống phát điện gió có tốc độ cố định sử dụng SCIG SCIG lấy công suất phản kháng từ lƣới điện nên cấu hình này sử dụng một bộ tụ bù để bù công suất phản kháng. Và mặc dù đã có bộ điều khiển công suất, thì bất cứ dao động nào của gió cũng sẽ dẫn tới dao động công suất, thậm chí là dao động điện áp tại các nút trong lƣới điện. Vì vậy nó đòi hỏi một mạng lƣới cứng và kết cấu cơ khí của nó phải có khả năng chịu lực cơ học cao. Khi vận tốc nhỏ thì tuabin gió sẽ ở vào một vị trí đã đặt trƣớc khi thiết kế nhằm làm tăng hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng gió thành cơ năng. Khi vận tốc gió lớn đến một giá trị nào đó thì tuabin gió lại đƣợc cố định ở một góc quay khác. Tốc độ quay rotor đƣợc cải thiện so với tốc độ gió nhờ bộ hộp số.  Loại II Loại này sử dụng máy phát điện cảm ứng rotor dây quấn Wound Rotor Induction Generator (WRIG) có thể thay đổi giới hạn tốc độ bằng bộ thay đổi tổng trở rotor (bộ Optislip). Máy phát đƣợc nối trực tiếp vào lƣới điện, một bộ tụ để bù công suất phản kháng (Hình 1.8). Dải tốc độ 20