Tài liệu Nghiên cứu giải quyết vấn đề kỹ thuật khi nối nguồn điện gió vào đường dây truyền tải

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP HOÀNG BẢO AN NGHIÊN CỨU GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ KỸ THUẬT KHI NỐI NGUỒN ĐIỆN GIÓ VÀO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN Thái Nguyên - 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP HOÀNG BẢO AN NGHIÊN CỨU GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ KỸ THUẬT KHI NỐI NGUỒN ĐIỆN GIÓ VÀO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN KHOA CHUYÊN MÔN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA PGS.TS. VÕ QUANG LẠP PHÒNG ĐÀO TẠO Thái Nguyên - 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Hoàng Bảo An. Sinh ngày 10 tháng 04 năm 1993. Học viên lớp cao học khóa 20 – Kỹ thuật điện – Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Công ty THHH SamSung Display Việt Nam. Sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự chỉ dậy giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo và đặc biệt là thầy giáo hướng trực tiếp dẫn thực hiện luận văn tốt nghiệp PGS. TS. Võ Quang Lạp. Tôi đã hoàn thành chương trình học tập và đề tài luận văn tốt nghiệp: “Nghiên cứu giải quyết vẫn đề kỹ thuật khi nối nguồn điện gió vào đường dây truyền tải”. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Ngoài các tài liệu tham khảo đã được trích dẫn, các số liệu và kết quả mô phỏng, thực nghiệm được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Võ Quang Lạp là trung thực. Thái Nguyên, ngày tháng năm 2019. Học viên HOÀNG BẢO AN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Sau một khoảng thời gian nghiên cứu và làm việc, được sự động viên giúp đỡ và hướng dẫn rất tận tình của thầy giáo PGS. TS. Võ Quang Lạp, luận văn với đề tài: “Nghiên cứu giải quyết vẫn đề kỹ thuật khi nối nguồn điện gió vào đường dây truyền tải” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn: PGS. TS. Võ Quang Lạp đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành được bản luận văn này. Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy cô giáo Khoa Điện – Trường đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu khoa học thực hiện luận văn. Toàn thể các học viên lớp Cao học Kỹ Thuật Điện khóa 20, đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn. Mặc dù đã rất cố gắng, tuy nhiên do trình độ và kinh nghiệm còn nhiều hạn chế nên có thể luận văn vẫn còn gặp phải một vài thiếu sót. Tác giả rất mong rằng sẽ nhận được những đóng góp ý kiến từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày năm 2019. tháng Học viên HOÀNG BẢO AN Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii\ MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................ vix LỜI GIỚI THIỆU ................................................................................................... - 1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................ - 1 2. Mục tiêu nghiên cứu........................................................................................... - 1 3. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài .................................................... - 2 5. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................... - 2 6. Các công cụ, thiết bị cần thiết cho nghiên cứu .................................................. - 2 CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ NỐI VÀO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ............................................................................. - 3 I.1. GIỚI THIỆU VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ ........................................................... - 3 I.1.1. Đặt vấn đề ..................................................................................................... - 3 I.1.2. Năng lượng gió ............................................................................................. - 4 I.1.3. Năng lượng gió trên thế giới ......................................................................... - 4 I.1.4. Năng lượng gió ở Việt Nam ......................................................................... - 6 I.2. MỘT SỐ SƠ ĐỒ VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ ..................................................... - 9 I.2.1. Sơ đồ khối ..................................................................................................... - 9 I.2.2. Một số sơ đồ hệ điều khiển máy điện chạy bằng sức gió ........................... - 23 I.3. GIỚI THIỆU VỀ ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI TRUNG ÁP .................... - 27 * Đường dây trung áp ........................................................................................... - 27 I.4. MỘT SỐ VẤN ĐỀ KHI NỐI ĐIỆN GIÓ VỚI ĐƯỜNG DÂY .................... - 29 I.4.1. Tiêu chuẩn kết nối DG với đường dây ....................................................... - 29 I.4.2. Phương pháp nối kết nối DG với đường dây .............................................. - 30 I.4.3. Kỹ thuật nối kết nối DG với đường dây ..................................................... - 31 I.4.4. Các yêu cầu khi k ết nối DG với đường dây............................................... - 32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn iv * Kết luận chương I .............................................................................................. - 36 CHƯƠNG II. ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN GIÓ ĐẾN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ..................................................................................................... - 37 II.1. GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................. - 37 II.2. ẢNH HƯỞNG VỀ CHỈ TIÊU CÔNG SUẤT.............................................. - 37 II.3. ẢNH HƯỞNG CÁC VẤN ĐỀ VỀ ĐIỆN ÁP ............................................. - 41 II.3.1. Sự gia tăng điện áp .................................................................................... - 42 II.3.2. Sự suy giảm nhanh điện áp ........................................................................ - 43 II.3.3. Sự dao động điện áp .................................................................................. - 44 II.3.4. Độ không sin sóng điện áp (xuất hiện sóng hài bậc cao) .......................... - 45 II.4. ẢNH HƯỞNG VỀ DÒNG ĐIỆN SỰ CỐ VÀ CÁCH BẢO VỆ................. - 51 II.4.1. Dòng điện tăng cao trong các trường hợp sự cố ........................................ - 51 II.4.2. Thay đổi sự phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ........................................... - 52 II.4.3. Máy cắt cắt không mong muốn ................................................................. - 53 II.4.4. Tác động đến sự làm việc của tự động đóng lại ........................................ - 53 II.5. ẢNH HƯỞNG VỀ ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN ................................ - 56 II.5.1. Độ tin cậy cung cấp điện ........................................................................... - 56 II.5.2. Đánh giá độ tin cậy cung cấp điện khi nối nguồn điện gió với lưới ......... - 59 * Kết luận chương II ............................................................................................ - 60 CHƯƠNG III. THIẾT KẾ HỆ ĐIỂU KHIỂN MÁY PHÁT NỐI LƯỚI KHI DÙNG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR DÂY QUẤN .................. - 61 III.1. ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................................. - 61 III.2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÁY ĐIỆN KĐB 3 PHA ROTOR DÂY QUẤN- 62 III.3. MÔ HÌNH MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ROTOR DÂY QUẤN DƯỚI DẠNG CÁC ĐẠI LƯỢNG VECTOR KHÔNG GIAN ........................... - 66 III.3.1. Vector không gian .................................................................................... - 66 III.3.2. Quy đổi các đại lượng điện của MĐ KĐB 3 pha Rotor dây quấn từ hệ Vector 3 pha (Ar , Br , Cr) về hệ tọa độ cố định trên trục Rotor (α, β) ............................. - 67 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn v III.3.3. Quy đổi các đại lượng điện từ của MĐ KĐB 3 pha Rotor dây quấn từ 2 trục cố định hệ tọa độ (α, β) trên Rotor về 2 trục hệ tọa độ (d, q) trên mạch Stator ... - 70 III.4. XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VECTOR KHÔNG GIAN CỦA MFĐ DÙNG ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA ROTOR DÂY QUẤN ĐIỀU KHIỂN PHÍA ROTOR - 71 III.4.1. Xây dựng mạch vòng dòng điện Rotor .................................................... - 71 III.4.2. Xây dựng mạch vòng công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q ............- 72 III.4.3. Xây dựng Vector hệ điều khiển máy phát điện sức gió dùng MĐ KĐB 3 pha Rotor dây quấn điều khiển từ phía máy phát ....................................................... - 73 III.5. XÁC ĐỊNH MỘT SỐ ĐẠI LƯỢNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN .................. - 74 III.5.1. Hàm số truyền của MFĐ KĐB 3 pha Rotor dây quấn ............................. - 74 III.5.2. Giá trị đặt của bộ điều chỉnh .................................................................... - 76 III.5.3. Tính thông số của bộ điều chỉnh .............................................................. - 77 III.6. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............................................................................. - 78 III.6.1. Giới thiệu phần mềm MATLAB – SIMULINK – PLECS ...................... - 78 III.6.2. Sơ đồ mô phỏng ....................................................................................... - 79 III.6.3. Kết quả mô phỏng - khi máy phát hòa vào lưới điện ............................... - 82 * Kết luận ............................................................................................................. - 84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... - 85 1. Kết luận ............................................................................................................ - 85 2. Kiến nghị .......................................................................................................... - 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... - 87 - Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị P Mật độ năng lượng Ar Điện tích quét của cánh Turbine [m2] Vo Vận tốc gió ban đầu – Mật độ năng lượng trên một đơn vị thể tích dòng chảy không khí [m/s] Cd Hệ số cản Cl Hệ số nâng ρ Mật độ không khí V Vận tốc dòng không khí (gió) không bị nhiễu loạn [m/s] A Diện tích hình chiếu của cánh quạt (diện tích hứng gió) [m2] L Lực nâng [N] D Lực cản [N] α Góc định vị ở tâm θ Góc cánh (đại lượng cần điều khiển) γ Góc tới V Vận tốc góc → Tốc độ theo phương tiếp tuyến → Tốc độ theo phương hướng tâm 𝑈ℎ𝑑 𝑈ℎ𝑡 ρ [N/ m2] [kg/m3] Mật độ không khí [kg/m3] Vận tốc của gió theo phương tiếp tuyến [m/s] A Diện tích cánh gió [m2] Chd Hệ số lực hiệu dụng ρtb Mật độ không khí Rcg Bán kính của cánh gió vgm Tốc độ gió ở một khoảng cách đủ xa trước cánh gió Uhd Ctb Ký hiệu [kg/m3] [m] [m/s] Hệ số phụ thuộc vào cấu trúc khí động học của Turbine gió Ý nghĩa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN Đơn vị http://lrc.tnu.edu.vn vii θp λtb LLDG LLKDG Góc xoay của cánh gió so với mặt cắt ngang đi qua trung tâm của cánh gió và được gọi là góc pitch Hệ số phụ thuộc vào tốc độ góc quay của Turbine ωtb và tốc độ gió vgm Tổng tổn thất công suất trên đường dây trong hệ thống có DG và ngược lại Khi không kết nối DG với lưới điện Sinj Công suất biểu kiến của DG bơm vào lưới PDG Công suất tác dụng của DG QDG Công suất phản kháng của DG PLj Công suất tác dụng của phụ tải QLj Công suất phản kháng của phụ tải Ψk Góc của tổng trở ngắn mạch trên lưới Sn Công suất toàn phần định mức của Turbine gió Sk Công suất ngắn mạch của lưới điện Wd Giá trị đặt của tần số tác động URa , URb , URc Giá trị tức thời của điện áp pha Rotor USa , USb , USc Giá trị tức thời của điện áp pha Stator IRa , IRb , IRc Giá trị tức thời của dòng điện pha Rotor ISa , ISb , ISc Giá trị tức thời của dòng điện pha Stator ΨRa , ΨRb , ΨRc Chuỗi từ các nhóm cuộn dây pha Rotor ΨSa , ΨSb , ΨSc Chuỗi từ các nhóm cuộn dây pha Stator R1 Điện trở nhóm cuộn dây Rotor R2 Điện trở nhóm cuộn dây Stator L Ma trận điện cảm LAA , LBB , LCC Tự cảm , Laa , Lbb , Lcc ls Điện cảm của cuộn dây Stator Lh Điện cảm giữa cuộn Stator và Rotor is Dòng Stator Ký hiệu Ý nghĩa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN Đơn vị http://lrc.tnu.edu.vn viii ir Dòng Rotor Rs Điện trở của cuộn dây Stator LM Điện cảm từ hóa Lσ Điện cảm của Stator và Rotor được quy đổi về Stator RR Điện trở của Rotor quy đổi về Stator Us Stator voltage: Điện áp Stator Ψs Stator flux: Trường của Stator UR Rotor voltage: Điện áp Rotor ΨR Rotor flux:Từ trường của Rotor is Stator current: Dòng điện Stator Rs Stator resistance: Điện trở Stator iR Rotor current: Dòng điện Rotor RR Rotor resistance: Điện trở Rotor LM Điện cảm từ hóa Lσ Điện cảm quy đổi Lsl Điện cảm của Stator Lrl Điện cảm của Rotor Zp Số đôi cực từ của máy phát Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ix Các chữ viết tắt Ký hiệu Ý nghĩa DG Máy phát điện sức gió WG Wind Generator WT Wind Turbine WTG Wind-Turbine Generator WECS Wind Energy Conversion System DC Dòng điện 1 chiều DFIG Doubly Fed Induction Generator NLPL Nghịch lưu phía lưới NLMP Nghịch lưu phía máy phát MĐN Máy đóng ngắt HS Hộp số MP Máy phát IE Thiết bị đo tốc độ MBA Máy biến áp DSP Thiết bị điều khiển số GTD Khối giá trị đặt GTT Khối giá trị tính toán DCMM Bộ điều khiển Momen DCQ Bộ điều khiển Công suất BDKD Bộ điều khiển dọc DCVTKG Bộ điều khiển vector không gian NL Khối nghịch lưu LV Low voltage - Đường dây hạ áp MV Medium voltage - Đường dây trung áp HV High voltage - Đường dây cao áp EHV Extra high voltage - Đường dây siêu cao áp UHV Ultra high voltage - Đường dây cực cao áp SCADA Hệ thống giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu TĐL Tự đóng lại FCL Thiết bị hạn chế dòng sự cố Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình Hình 1.1 Hình 1.2 Số trang Tên hình Dự báo tăng trưởng điện gió trên biển và đất liền đến năm 2030 Tỷ trọng Công suất điện gió toàn cầu tính đến hết năm 2015 5 6 Hình 1.3 Cấu tạo của Turbine gió trục ngang 10 Hình 1.4 Cấu tạo bên trong của một Turbine gió 11 Hình 1.5 Phân tích động lực học cánh gió 13 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 1.11 Góc điều khiển của một cánh gió ở 10 vị trí khác nhau Các đường cong sử dụng trong giải pháp điều khiển Turbine Một số loại máy phát dùng trong hệ phát điện Turbine gió Mô hình máy phát đồng bộ 3 pha và Turbine sức gió Nguyên lý cấu tạo Stator và Rotor của máy điện không đồng bộ Dòng chảy năng lượng ở chế độ trên đồng bộ và dưới đồng bộ 16 17 18 19 20 21 Cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện chạy sức Hình 1.12 gió sử dụng máy điện không đồng bộ Rotor dây 22 quấn Hình 1.13 Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu. 24 Hai loại hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng Hình 1.14 máy phát không đồng bộ: Cụm ắc-quy kích từ chỉ 25 cần thiết khi vận hành ở chế độ đảo Hình 1.15 Điều khiển máy điện dùng máy điện không đồng bộ Rotor dây quấn với bộ điều khiển PID Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 26 http://lrc.tnu.edu.vn xi Hình Tên hình Số trang Hình 1.16 Giá trị điện áp phục hồi sau sự cố của tuabin gió. 29 Hình 2.1 DG làm giảm công suất trên đoạn từ lưới đến hệ thống 38 Hình 2.2 Phân bố các DG trên lưới hợp lý làm giảm tổn thất 40 Hình 2.3 Điện áp nút tăng lên tại nút có nối DG 42 Hình 2.4 Giải thích nguyên lý làm việc của rơle tần số kiểu cảm ứng 47 Hình 2.5 Giá trị mômen quay ứng với các tần số khác nhau 48 Hình 2.6 Đồ thị momen ứng với các tần số và hệ số trượt 50 Hình 2.7 Đồ thị momen ứng với các tần số và hệ số trượt 52 Hình 2.8 Ảnh hưởng của DG đến sự phối hợp bảo vệ 54 Hình 2.9 Sự phối hợp giữa TĐL và CC trên lưới điện hình tia 58 Hình 3.1 Hệ thống phát điện sức gió 61 Hình 3.2 Mô hình vật lý động cơ KĐB 3 pha 63 Hình 3.3 Vector không gian 67 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hệ trục Vector không gian (Ar , Br , Cr) về hệ tọa độ cố định trên trục Rotor (α, β) Mạch vòng dòng điện Rotor 68 72 Sơ đồ xây dựng công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q 73 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển Vector MFĐ sức gió Hình 3.7 dùng máy điện KĐB Roto dây quấn điều khiển 73 phía máy phát Hình 3.8 Hình Hình 3.9 Sơ đồ thay thế và quy đổi trong hệ tọa độ không gian vector Tên hình Đáp ứng bậc thang hệ hở có dạng chữ S Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 74 Số trang 77 http://lrc.tnu.edu.vn xii Hình 3.10 Khối bộ biến đổi nghịch lưu phía lưới và phía máy phát 79 Hình 3.11 Khối tính toán các dòng đặt Rotor 79 Hình 3.12 Khối tính giá trị 𝑖𝑟𝑑 và 𝑖𝑟𝑞 80 Hình 3.13 Khối điều khiển dòng Rotor 80 Hình 3.14 Khối điều khiển dòng Rotor với bộ điều khiển PID 81 Hình 3.15 Khối điều khiển phía lưới 81 Hình 3.16 Sơ đồ mô phỏng hệ thống 82 Hình 3.17 Đáp ứng dòng điện áp pha Stator máy phát và lưới 82 Hình 3.18 Hình 3.19 Hình 3.20 Đáp ứng điện áp lưới và Stator máy phát trước và sau khi hòa đồng bộ (tại 0,35s) Đáp ứng công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng Q Đáp ứng dòng điện Rotor máy phát khi đã hòa vào lưới Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN 83 83 83 http://lrc.tnu.edu.vn -1- LỜI GIỚI THIỆU 1. Lý do chọn đề tài Một trong những tiêu chuẩn được quan tâm hàng đầu cho sự phát triển bền vững hệ thống năng lượng là bảo vệ môi trường. Trước đây con người sử dụng các dạng năng lượng truyền thống đã để lại nhiều hậu quả tác động xấu đến môi trường. Từ khâu khai thác, vận chuyển đến sử dụng. Đứng trước tình hình này, cần thiết phải có những nguồn năng lượng khác thay thế cho các nhà máy điện truyền thống. Hiện nay ở nước ta các nguồn điện phân tán đang phát triển mạnh mẽ như nguồn điện gió, pin mặt trời, thủy điện nhỏ,… trong đó đã có số lượng lớn các nguồn đã đi vào vận hành. Tuy nhiên qua thực tế việc giải quyết các vấn đề kỹ thuật liên quan đến ghép nối nguồn điện gió với đường dây truyền tải gặp nhiều khó khăn: Còn thiếu các tiêu chí về kỹ thuật phù hợp để đánh giá một cách đầy đủ vai trò và ảnh hưởng của nguồn điện gió đến đường dây truyền tải. Khi nguồn điện gió vận hành cùng đường dây truyền tải sẽ làm ảnh hưởng đến cấu trúc truyền thống của đường dây truyền tải. Nếu không có biện pháp phù hợp thì có thể sẽ làm gia tăng tổn thất công suất trong đường dây truyền tải, vì vậy việc khai thác tối đa công suất của nguồn cũng là một vấn đề cần xét đến. Vấn đề nối nguồn điện gió với đường dây truyền tải một cách an toàn cũng cần phải xét đến. Với sự đa dạng của công nghệ và sự phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên của chúng, cần đặt ra nhiều vấn đề kỹ thuật phải quan tâm nghiên cứu như: ảnh hưởng của nguồn điện gió đến các chỉ tiêu công suất, các vấn đề về điện áp, các dòng điện sự cố và cách bảo vệ, độ tin cậy cung cấp điện cũng như là những vấn đề liên quan đến việc khai thác tối đa công suất của nguồn và điều khiển nguồn điện gió khi ghép nối với đường dây truyền tải. Đề tài: “Nghiên cứu giải quyết vấn đề kỹ thuật khi nối nguồn điện gió vào đường dây truyền tải” được chọn nhằm nghiên cứu giải quyết các vấn đề nói trên. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chung: Như chúng ta đã biết, nguồn điện gió có rất nhiều ưu điểm nhưng việc nối với đường dây truyền tải thì có nhiều vấn đề kỹ thuật cần quan tâm giải quyết. Vì vậy, mục tiêu của luận văn sẽ nghiên cứu giải quyết những vấn đề về kỹ thuật nhằm cho nguồn điện nối lưới vận hành an toàn và khai thác hết công suất của nó. -2- Mục tiêu cụ thể: Giải quyết vấn đề kỹ thuật để mạng điện nối lưới vận hành an toàn tin cậy. Điểu khiển công suất của nguồn điện gió để khai thác hết công suất của nó trong đường dây truyền tải truyền tải. 3. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Luận văn đề xuất các phương pháp kỹ thuật để khi nguồn điện gió nối lưới vận hành an toàn tin cậy. Nêu ra các phương án điều khiển nhằm khai thác hết công suất của nguồn điện gió đồng thời điều khiển để phát hết công suất lên lưới. Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tế, nguồn điện gió đang được sử dụng rất nhiều nhưng khi nối với lưới gặp nhiều khó khăn. Vì vậy việc thành công của để tài giúp chúng ta nối nguồn điện gió với lưới vận hành an toàn và hiệu quả. 4. Dự kiến các kết quả đạt được Phân tích đánh giá được các vấn đề về kỹ thuật cần quan tâm giải quyết khi nối nguồn điện gió với đường dây truyền tải truyền tải năng lượng. Đánh giá được các vấn đề về điện áp, dòng điện sự cố, cách bảo vệ, độ tin cậy cung cấp điện của nguồn điện gió. Đánh giá được những ảnh hưởng của việc ghép nối nguồn điện gió với đường dây truyền tải truyền tải . Nêu ra phương pháp khai thác tối đa công suất của nguồn điện gió. Nêu ra cách điều khiển công suất của nguồn điện gió trong đường dây truyền tải. 5. Phương pháp nghiên cứu Luận văn được sử dụng kết hợp hai phương pháp: nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên máy tính. Dựa trên các tính chất, định luật vật lý nguồn điện gió. Lý thuyết: Sử dụng lý thuyết về nguồn điện gió và lý thuyết về ghép nối, điều khiển công suất của nguồn điện gió trong đường dây truyền tải truyền tải. Thực nghiệm trên máy tính (mô phỏng): Sử dụng một phần mềm mô phỏng chuyên dụng để thực hiện mô phỏng hệ thống nhằm kiểm chứng lại kết quả lý thuyết. 6. Các công cụ, thiết bị cần thiết cho nghiên cứu Máy tính, phần mềm mô phỏng. Các tài liệu có liên quan đến nguồn điện gió. -3- CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ NỐI VÀO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI I.1. GIỚI THIỆU VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ I.1.1. Đặt vấn đề Xuất phát từ thực tiễn nước ta là nước có chiều dài bờ biển lớn dài khoảng 3.260 km, có nhiều hải đảo, lưu lượng gió thổi từ biển vào đất liền lớn, do đó tiềm năng về năng lượng gió ở nước ta là rất lớn, vì vậy phải tiến hành các nghiên cứu ứng dụng nhằm khai thác triệt để nguồn năng lượng tái tạo từ gió. Một trong những tiêu chuẩn được quan tâm hàng đầu cho sự phát triển bền vững hệ thống năng lượng là bảo vệ môi trường. Trước đây con người sử dụng các dạng năng lượng truyền thống đã để lại nhiều hậu quả tác động xấu đến môi trường từ khâu khai thác, vận chuyển đến sử dụng. Đứng trước tình hình này, cần thiết phải có những nguồn năng lượng khác thay thế cho các nhà máy điện truyền thống. Hiện nay ở nước ta các nguồn điện phân tán đang phát triển mạnh mẽ như nguồn điện gió (DG), pin mặt trời, thủy điện nhỏ,… trong đó đã có số lượng lớn các nguồn đã đi vào vận hành. Tuy nhiên qua thực tế việc giải quyết các vấn đề kỹ thuật liên quan đến ghép nối DG với đường dây truyền tải gặp nhiều khó khăn: - Còn thiếu các tiêu chí về kỹ thuật phù hợp để đánh giá một cách đầy đủ vai trò và ảnh hưởng của DG đến đường dây truyền tải - Khi DG vận hành cùng đường dây truyền tải sẽ làm ảnh hưởng đến cấu trúc truyền thống của đường dây truyền tải. Nếu không có biện pháp phù hợp thì có thể sẽ làm gia tăng tổn thất công suất trong đường dây truyền tải, vì vậy việc khai thác tối đa công suất của nguồn cũng là một vấn đề cần xét đến. - Vấn đề nối DG với đường dây truyền tải một cách an toàn cũng cần phải xét đến. - Với sự đa dạng của công nghệ và sự phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên của chúng, cần đặt ra nhiều vấn đề kỹ thuật phải quan tâm nghiên cứu như: ảnh hưởng của DG đến các chỉ tiêu công suất, các vấn đề về điện áp, các dòng điện sự cố và cách -4- bảo vệ, độ tin cậy cung cấp điện cũng như là những vấn đề liên quan đến việc khai thác tối đa công suất của nguồn và điều khiển DG khi ghép nối với đường dây truyền tải. Đề tài: “Nghiên cứu giải quyết vấn đề kỹ thuật khi nối DG vào đường dây truyền tải” được chọn nhằm nghiên cứu giải quyết các vấn đề trên. I.1.2. Năng lượng gió Để tồn tại và phát triển từ xa xưa loài người đã biết sử dụng các dạng năng lượng khác nhau. Theo sự phát triển của lịch sử, con người đã phát hiện và sử dụng nhiều năng lượng. Năng lượng là động lực cho mọi hoạt động vật chất và tinh thần của loài người. Trình độ sản xuất càng cao thì càng tiêu tốn nhiều năng lượng và tạo ra thách thức vô cùng to lớn đối với môi trường sống. Một trong những tiêu chuẩn được quan tâm hàng đầu cho sự phát triển bền vững hệ thống năng lượng là bảo vệ môi trường. Trước đây con người sử dụng các dạng năng lượng truyền thống đã để lại nhiều hậu quả tác động xấu đến môi trường. Từ khâu khai thác, vận chuyển đến sử dụng. Đứng trước tình hình này, cần thiết phải có những nguồn năng lượng khác thay thế cho các nhà máy điện truyền thống. Năng lượng tái tạo đã trở thành một trong những nguồn năng lượng độc lập trong đời sống của con người và nó sẽ là nguồn phát điện chính trong tương lai. Hiện nay ở nước ta các nguồn điện phân tán đang phát triển mạnh mẽ như DG, pin mặt trời, thủy điện nhỏ,… trong đó đã có số lượng lớn các nguồn đã đi vào vận hành. Gió là một dạng năng lượng của mặt trời, nguyên nhân sinh ra gió là do mặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất quay quanh mặt trời và do sự không đồng đều trên bề mặt trái đất. Luồng gió thay đổi tùy thuộc vào địa hình trái đất, luồng nước, cây cối, con người sử dụng luồng gió hoặc sự chuyển động năng lượng cho nhiều mục đích khác nhau như: di chuyển, thả diều, phát điện. Năng lượng gió được mô tả như một quá trình, nó được sử dụng để phát ra năng lượng cơ hoặc điện. I.1.3. Năng lượng gió trên thế giới Việc nghiên cứu sử dụng các dạng năng lượng tái tạo của thiên nhiên trong đó có năng lượng gió được nhiều nước trên thế giới kể cả những nước có nền công nghiệp -5- năng lượng phát triển nhất như: Nga, Mỹ, Pháp, CHLB Đức, Hà Lan, Anh, Đan Mạch, Tây Ba Nha, Thụy Điển,... đặc biệt quan tâm. Trên cơ sở áp dụng các thành tựu mới của nhiều ngành khoa học tiên tiến như thủy khí động lực học, tự động điều khiển, cơ học kết cấu, truyền động thủy lực, vật liệu mới,... Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng gió đã đạt được những tiến bộ rất lớn về cả chất lượng các thiết bị cũng như quy mô ứng dụng. Từ các cối xay gió với các cánh gió đơn giản hiệu suất sử dụng thấp chỉ khoảng 20%, đến nay các động cơ gió phát điện với cánh quạt có biên dạng khí động học ngày một hoàn thiện hơn và có thể đạt được hiệu suất sử dụng cao lên đến 42%. Nhiều phương pháp và hệ thống tự động điều khiển hiện đại đã được sử dụng để ổn đinh số vòng quay của động cơ gió. Những động cơ gió phát điện lớn còn dùng cả hệ thống tự động điện thủy lực và máy tính điện tử điều khiển. Nhiều vật liệu mới đã được sử dụng để chế tạo cánh như hợp kim nhôm, polime cốt sợi thủy tinh với độ bền cao trong mọi điều kiện thời tiết, chịu được sức gió của bão. Tại những nơi có gió tốt, người ta ghép nhiều động cơ gió với nhau tạo thành “rừng máy phát điện gió”. Người ta có thể chế tạo những động cơ gió phát điện rất lớn đường kính lên đến 80m, công suất tới 3000kW. Tuy nhiên đối với mỗi được quy mô phát triển của việc ứng dụng năng lượng gió còn phụ thuộc vào vị trí địa lý, đặc điểm tiềm năng gió và trình độ phát triển của công nghiệp. Dung lượng lắp đặt turbine gió trên toàn cầu tăng khoảng 25% mỗi năm. Hình 1.1: Dự báo tăng trưởng điện gió trên biển và đất liền đến năm 2030 -6- Tỷ trọng công suất điện gió mới nhất toàn cầu hiện chiếm 9% trong tổng các nguồn điện hiện có. Theo dự báo của Hội đồng điện gió toàn cầu (GWEC), đến 2030 điện gió có thể đạt mốc 2.110 GW tương ứng với 20% nguồn cung điện của thế giới. Trong bối cảnh đó, các quốc gia đều có tham vọng tham gia phát triển sản xuất turbine gió nội địa. Trước hết vì đây là ngành công nghệ cao có giá trị gia tăng lớn. Bên cạnh đó, đây còn là ngành công nghiệp tạo nhiều việc làm, vì một chiếc tua bin gió thông thường bao gồm 8.000 chi tiết có liên quan đến rất nhiều ngành sản xuất phụ trợ khác nhau. Top các quốc gia dẫn đầu về điện gió đã chiếm khoảng 80% công suất điện gió toàn cầu. Tại các quốc gia thì tỷ trọng năng lượng gió đứng đầu là Trung Quốc (chiếm 34%), Mỹ (17%), Đức (10%), sau đó đến Ấn Độ (6%), Tây Ban Nha (5%), Vương quốc Anh, Canada (3%), còn Pháp, Italia, Brazil (2%), Thụy điển, Đan Mạch, Thổ Nhĩ kỳ, Ba Lan (1%). Hình 1.2: Tỷ trọng Công suất điện gió toàn cầu tính đến hết năm 2015 I.1.4. Năng lượng gió ở Việt Nam Trong các nguồn năng lượng thay thế, năng lượng gió có thể đại diện cho cơ hội tăng trưởng mạnh nhất của Việt Nam. Các cuộc khảo sát cho thấy rằng khoảng 85% đất đai Việt Nam có độ cao và tốc độ gió trung bình phù hợp để phát ra năng lượng gió. Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có