Tài liệu 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

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 Mã số: 60 52 02 02 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 PGS.TS Đinh Thành Việt. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ một công trình nào khác. Tác giả luận văn Trần Minh Sơn 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 Mã số: 60520202 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện 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 KÝ HIỆU f Tần số của dòng điện và điện áp (Hz) U điện áp (V) I Dòng điện (A) P Công suất tác dụng (W) Q Công suất phản kháng (VAr) DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT AC Alternating Curent Dòng điện xoay chiều DC Direct Curent Dòng điện một chiều DFIG Doubly Feb Induction Gennerrator Máy phát cảm ứng nguồn kép 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 Generator Máy phát cảm ứng vận tốc cố định pu Per unit Đơn vị tương đối WECS Wind Energy Conversion Systems Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió WTG Wind Turbine Generator Máy phát tuabin gió 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 WF Wind Farms Trang trại gió CĐPT Chế độ phụ tải TTCS Tổn thất công suất NMĐG Nhà máy điện gió DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Bảng 1.1 Bảng 1.2 Bảng 1.3 Bảng 2.1 Bảng 2.2 Bảng 2.3 Bảng 2.4 Bảng 2.5 Bảng 2.6 Bảng 2.7 Bảng 2.8 Bảng 2.9 Bảng 2.10 Bảng 2.11 Bảng 2.12 Bảng 2.13 Bảng 2.14 Bảng 2.15 Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Bảng 3.4 Bảng 3.5 Bảng 3.6 Bảng 3.7 Bảng 3.8 Tên bảng Trang Tiềm năng năng lượng gió lý thuyết ở Ninh Thuận 24 Vận tốc gió trung bình, đơn vị m/s 27 Thông số kỹ thuật của turbine E.92-2,35MW, hãng Enercon 29 Các trường hợp để phân tích 36 Thông số tải lưới điện giả định 4 nút 37 Thông số nguồn lưới điện giả định 4 nút 37 Thông số hệ thống điện 37 Kết quả phân tích tại các nút khi chưa có sự tham gia của trang 38 trại gió Kết quả phân tích tại các đường dây/trạm biến áp khi chưa có 38 sự tham gia của trang trại gió Kết quả phân tích khi có sự tham gia của trang trại gió (TH2) 39 Công suất nguồn phát (TH2) 39 Kết quả phân tích tại các đường dây/trạm biến áp khi có sự 39 tham gia của trang trại gió (TH2) Kết quả phân tích khi có sự tham gia của trang trại gió (TH3) 40 Công suất nguồn phát (TH3) 40 Kết quả phân tích tại các đường dây/trạm biến áp khi có sự 40 tham gia của trang trại gió (TH3) Kết quả phân tích khi có sự tham gia của trang trại gió (TH4) 40 Công suất nguồn phát (TH4) 40 Kết quả phân tích tại các đường dây/trạm biến áp khi có sự 41 tham gia của trang trại gió (TH4) Thông số đường dây và trạm 44 Thông số nguồn 45 Bảng số liệu phụ tải ngày đặc trưng điển hình tỉnh Ninh Thuận 46 ngày 19/6/2017 Kết quả số liệu trên đường dây và trạm biến áp 47 Kết quả số liệu thu được tại các nút 47 Kết quả số liệu trên các nút ở chế độ phụ tải bình thường khi 48 chưa có kết nối nhà máy điện gió Thông số phụ tải ở chế độ vận hành bình thường khi chưa kết 48 nối điện gió Số liệu tổng quan ở chế độ phụ tải bình thường khi chưa có kết 48 nối nhà máy điện gió Bảng 3.9 Bảng 3.10 Bảng 3.11 Bảng 3.12 Bảng 3.13 Bảng 3.14 Bảng 3.15 Bảng 3.16 Bảng 3.17 Bảng 3.18 Bảng 3.19 Bảng 3.20 Bảng 3.21 Bảng 3.22 Bảng 3.23 Bảng 3.24 Bảng 3.25 Kết quả số liệu trên các nút ở chế độ phụ tải cực tiểu khi chưa có kết nối nhà máy điện gió 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 Thông số phụ tải ở chế độ vận hành cực tiểu khi chưa có kết nối nhà máy điện gió Số liệu tổng quan ở chế độ phụ tải cực tiểu khi chưa có kết nối nhà máy điện gió 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 Thông số phụ tải ở chế độ vận hành cực đại khi chưa có kết nối nhà máy điện gió Kết quả số liệu trên các nút ở chế độ phụ tải cực đại khi chưa có kết nối nhà máy điện gió Số liệu tổng quan ở chế độ phụ tải cực đại khi chưa có kết nối nhà máy điện gió So sánh tổn thất công suất giữa các chế độ trên các phần tử lưới điện So sánh điện áp của các nút trong các chế độ vận hành lưới điện Các kịch bản mô phỏng tương ứng với các chế độ vận hành Phân bổ công suất khi NMĐG Mũi Dinh phát công suất cực đại Số liệu tổng quan mô phỏng khi NMĐG Mũi Dinh phát công suất cực đại Phân bổ công suất khi NMĐG Mũi Dinh phát công suất cực tiểu Số liệu tổng quan mô phỏng khi NMĐG Mũi Dinh phát cực tiểu So sánh tổn thất công suất và điện áp tại các nút 110 kV Khả năng vận hành của turbine gió ứng với dải điện áp và tần số 50 50 51 51 53 53 53 54 55 55 57 58 58 59 59 60 63 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 1.11 Hình 1.12 Hình 1.13 Hình 1.14 Hình 1.15 Hình 1.16 Hình 1.17 Hình 1.18 Hình 1.19 Hình 1.20 Hình 1.21 Hình 1.22 Hình 1.23 Hình 1.24 Hình 1.25 Hình 1.26 Hình 1.27 Hình 1.28 Hình 1.29 Hình 1.30 Tên hình Trang Mô hình chuyển đổi năng lượng gió bằng năng lượng điện bằng 4 sức gió Đường cong công suất gió 5 Minh hoạ định luật BEZT 6 Minh hoạ một vài khái niệm của turbine gió 7 Đặc tính của Cp theo hệ số λ được vẽ 8 Đặc tính Cp có sẵn với từng Turbine gió chế tạo trên thực tế 9 Cấu tạo một Turbine gió 10 Turbine gió kiểu trục đứng 11 Turbine gió kiểu lưng 11 Turbine gió ngang 11 Minh họa máy phát đồng bộ 12 Rotor dây quấn 12 Rotor lồng sóc 12 Phương pháp điều khiển tối ưu TSR 14 Phương pháp điều khiển bám đỉnh công suất 14 Đặc tính điều chỉnh tốc độ của turbine gió 16 Tổng quan về điều khiển hệ máy phát sử dụng sức gió 16 Điều khiển pitch với vận tốc thay đổi dùng máy phát không 17 đồng bộ rotor dây quấn Mô hình máy phát nối trực tiếp với lưới (loại 1) 18 Mô hình máy phát nối lưới có tốc độ thay đổi một phần nhờ 19 việc thay đổi điện trở mạch rotor (loại 2) Mô hình nối lưới của máy phát cảm ứng nguồn kép (loại 3) 20 Mô hình Máy phát nối lưới thông qua bộ biến đổi điện tử công 21 suất đầy đủ (loại 4) Tình hình phát triển điện gió trên thế giới 22 Bản đồ ATLAS Gió khu vực tỉnh Ninh Thuận ở độ cao 65m. 25 Phối cảnh bố trí khu vực 1(6 tuabin) 26 Phối cảnh bố trí khu vực 2 (10 tuabin) 27 Mô hình phát điện tại Nhà máy điện gió Mũi Dinh 28 Đặc tính làm việc của turbine gió tại NMĐG Mũi Dinh 29 Sơ đồ nguyên lý của tuabin gió 30 Sơ đồ đấu nối cáp 22kV các nhóm Turbine 31 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Cửa sổ giao diện chính Các chức năng tính toán Thanh công cụ Các tùy chỉnh trường hợp phân tích Trang info của Edit Study Case Trang loading Trang Alert Lưới điện giả định 4 nút có tích hợp điện gió Kết quả mô phỏng tính toán phân bố công suất khi chưa có sự tham gia của trang trại gió Kết quả mô phỏng tính toán phân bố công suất khi có sự tham gia của trang trại gió (TH2) Đồ thị điện áp nút so sánh giữa 4 trường hợp Đồ thị tổn thất công suất so sánh giữa 4 trường hợp mô phỏng Sơ đồ lưới điện phân phối tỉnh Ninh Thuận Biều đồ phụ tải ngày đặc trưng điển hình tỉnh Ninh Thuận Sơ đồ mô phỏng chế độ phụ tải bình thường khi chưa có kết nối nhà máy điện gió Mũi Dinh Sơ đồ mô phỏng chế độ vận hành phụ tải cực tiểu khi chưa có kết nối nhà máy điện gió Mũi Dinh Sơ đồ mô phỏng chế độ phụ tải cực đại khi chưa có kết nối nhà máy điện gió Mũi Dinh Đồ thị so sánh điện áp giữa các nút ở các chế độ vận hành Sơ đồ mô phỏng LĐPP tỉnh Ninh Thuận khi có kết nối NMĐG mũi Dinh Biểu đồ so sánh điện áp giữa các nút 110 kV Đồ thị so sánh TTCS trên lưới điện khi có kết nối NMĐG Giới hạn điện áp và tần số trong vận hành lưới điện có kết nối với nhà máy điện gió tại Việt Nam Điện áp tại đầu cực NMĐG khi mô phỏng sự cố NMĐG phát công suất phản kháng khi mô phỏng sự cố NMĐG phát công suất tác dụng khi mô phỏng sự cố Dòng điện của NMĐG khi mô phỏng sự cố Điện áp tại các nút 110 kV khi mô phỏng sự cố Điện áp tại các nút 22 kV lộ ra khi mô phỏng sự cố Tần số tại các nút 110 kV tỉnh Ninh Thuận khi mô phỏng sự cố Tần số tại các nút 22 kV khi mô phỏng sự cố Dòng điện xung kích khi ngắn mạch tại điểm kết nối NMĐG 32 33 34 34 34 35 36 37 38 39 41 41 44 45 46 49 52 56 57 60 61 63 64 64 65 65 66 66 67 67 68 1 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 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. 3 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 4 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 : 5 K .E 1 2 mv 2 (1.1) 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 Pw K .E t 1 M 2 . v (W) 2 t (1.2) Trong đó PW là công suất gió (W) , M là khối lượng của khối khí đi qua vùng diện tích A (kg) ,t thời gian (s) , v là vận tốc gió (m/s) Ta có: M t . A.v (1.3) 1 Av 3 2 (1.4) Từ các công thức trên ta có công suất của gió : Pw 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 6 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 7 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) Pb 1 2 v vb (v 2 v22 ) 2 (1.5) Gọi tỉ số giữa vận tốc gió lưng và mặt là v2 v (1.6) Kết hợp hai biểu thức trên: Pb 1 v v 2 A (v 2 2 2 2 v ) 1 1 Av3 (1 2 2 )(1 2 ) (1.7) Gọi hệ số công suất của turbine là: 1 (1 2 CP )(1 2 ) (1.8) Viết lại biểu thức tính công suất: Pb 1 Av 3 .CP 2 (1.9)