MỤC LỤC
Tóm tắt
Nhiệm vụ đồ án
Lời nói đầu và cảm ơn
Lời cam đoan liêm chính học thuật Mục lục
Danh sách bản biểu, hình vẽ và sơ đồ Danh sách cụm từ viết tắt
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ HIỆN NAY...1
1.1. Tầm quan trọng của việc phát triển năng lượng tái tạo hiện nay...1
1.2. Tầm quan trọng của việc phát triển năng lượng gió...2
1.3. Hiện trạng phát triển năng lượng gió trên thế giới và Việt Nam...3
1.3.1. Hiện trạng phát triển năng lượng gió trên thế giới...3
1.3.2. Điện gió tại Việt Nam...5
Chương 2 ĐẤU NỐI ĐIỆN GIÓ VÀO LƯỚI...10
2.1. Giới thiệu...10
2.2. Cấu tạo tuabin gió...11
2.3. Phân loại tuabin gió...12
2.3.1. Turbin loại 1: FSIG - Fixed Speed Induction Generator, kết nối trực tiếp máy phát với lưới điện...12
2.3.2. Tuabin loại 2: kết nối lưới điện sử dụng phương thức thay đổi điện trở mạch rotor...13
2.3.3. Tuabin loại 3: DFIG - Double Fed Induction Generator, kết nối máy phát cảm ứng nguồn kép với lưới điện...14
2.3.4. Tuabin loại 4: kết nối lưới điện thông qua bộ biến đổi tỉ lệ đầy đủ...15
2.4. Chế độ làm việc của máy phát cảm ứng nguồn kép nối lưới...16
2.4.1. Sơ đồ thay thế và công suất phát...16
2.4.2. Các chế độ làm việc...21
Chương 3 TÌM HIỂU VỀ PHẦM MỀM ETAP...23
2.1. Giới thiệu tổng quát:...23
3.2. Giới thiệu về thanh công cụ...24
3.2.1. Thanh công cụ File...24
3.2.2. Thanh công cụ Edit...24
3.2.3. Thanh công cụ View...25
3.2.4. Thanh công cụ Project...25
3.3. Giới thiệu phần tử AC...26
3.3.1. Tuabin gió...27
3.4. Giới thiệu các chức năng tính toán...32
3.4.1. Load flow analysis: phân bố công suất...32
3.4.2. Short circuit analysis: phân tích ngắn mạch...33
3.4.3. Motor Acceleration Analysis: Phân tích khởi động động cơ...33
3.4.4. Harmonic Analysis: phân tích sóng hài...34
3.4.5. Transient Stability Analysis: Phân tích ổn định...34
3.4.6. Unbalanced load flow analysis: Phân bố công suất tải không cân bằng...35
3.4.7. Star Sequence-of-Operation: Phối hợp bảo vệ...35
3.4.8. Optimal Power Flow Analysis: tối ưu nguồn phát...36
3.5. Ví dụ mẫu...36
3.5.1. Dùng công thức tính toán ta được dòng phân bố công suất như sau...36
3.5.2. Dùng phần mềm Etap tính toán như sau...37
Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ ĐẾN LƯỚI ĐIỆN...43
4.1. Các thông số của lưới điện...43
4.1.1. Sơ đồ lưới điện được khảo sát...43
4.2. Ảnh hưởng đến thông số vận hành của lưới điện...45
4.2.1. Biểu đồ trao đổi công suất...45
4.2.2. Mô phỏng thông số vận hành của lưới điện trong các chế độ đắc trưng...47
4.3. Ảnh hưởng của nhà máy điện gió đến ổn định động của lưới điện...53
4.3.1. Khái niệm ổn định động...53
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ HIỆN NAY
Chương này giới thiệu về tầm quan trong của năng lượng tái tạo hiện nay khi nguồn năng lượng truyền thống ngày càng cạn hiện khan hiếm, giá cả đắt đỏ. Tầm quan trọng của năng lượng gió, tình hình nghiên cứu, sử dụng, phát triển năng lượng gió trên thế giới và Việt Nam hiện nay. Tình hình phát triển điện gió tại một số nước tiêu biểu.
1.1. Tầm quan trọng của việc phát triển năng lượng tái tạo hiện nay
Đứng trước thực tiễn nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ, các sản phẩm từ dầu mỏ, khí thiên nhiên ngày càng cạn kiệt dẫn đến giá cả của dạng năng lượng này ngày một tăng, điều này là điều không thuận lợi cho việc phát triển kinh tế, xã hội. Đồng thời việc sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch để lại nhiều hậu quả về ô nhiễm môi trường như gây ra hiệu ứng nhà kính, gây nóng lên toàn cầu, việc sử dụng các dạng năng lượng truyền thống gây ra những hiểm họa cho môi trường sinh thái như gây ra lũ lụt, hạn hán xảy ra trên toàn cầu. Ngày nay, kinh tế và xã hội ngày càng phát triển nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao.
Bên cạnh việc sử dụng tiết kiệm nguồn năng lượng truyền thống, các quốc gia trên thế giới đẩy mạnh nghiên cứu, ứng dụng các nguồn năng lượng mới- Năng lượng tái tạo để dần thay thế năng lượng truyền thống, cung cấp cho năng lượng cho nền kinh tế, xã hội đã và đang phát triển ngày càng khát năng lượng.
Nguồn năng lượng tái tạo có những ưu điểm sau:
- Nguồn năng lượng tái tạo có sẵn trong thiên nhiên như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng sóng biển …
- Việc sử dụng năng lượng tái tạo gây ô nhiễm môi trường và khí thải ít hơn rất nhiều so với việc sử dụng nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá, các sản phẩm từ dầu mỏ, khí thiên nhiên…
- Sử dụng năng lượng tái tạo thân thiệt với môi trường, làm giảm hiệu ứng nhà kính, giảm sự nóng lên của trái đất do giảm lượng lớn khí CO2.
- Việc nghiên cứu, sử dụng, phát triển nguồn năng lượng tái tại góp phần giải quyết những vấn đề về thiếu hụt năng lượng, giảm bớt sự phụ thuộc vào việc sử dụng năng lượng truyền thống.
Vì vậy, năng lượng tái tạo có tầm quan trọng rất lớn, việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển nguồn năng lượng tái tạo là hết sức cần thiết. Các quốc gia trên thế giới đã
và đang quan tâm, phát triển nguồn năng lượng này góp phần giải quyết những vấn đề, nhu cầu năng lượng ở mỗi quốc gia.
1.2. Tầm quan trọng của việc phát triển năng lượng gió
Bên cạnh phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng điện mặt trời, năng lượng điện sóng biển, năng lượng điện địa nhiệt…Năng lượng gió ngày càng được nhiều quốc gia quan tâm, nghiên cứu, ứng dụng, phát triển chủ yếu hệ thống năng lượng điện gió, do năng lượng điện gió có những ưu điểm:
- Nguồn năng lượng gió có sẵn trong thiên nhiên.
- Việc sử dụng năng lượng điện gió gây ra ô nhiễm môi trườngvà khí thải ít hơn rất nhiều so với việc sử dụng nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá, các sản phẩm từ đâu mỏ, khí thiên nhiên…
- Sử dụng năng lượng điện gió thân thiện với môi trường làm giảm hiệu ứng nhà kính, giảm sự nóng lên của trái đất do giảm lượng khí thải CO2 trong quá trình sản suất
rất là ít.
- Việc nghiên cứu, ứng dụng, phát triển nguồn năng lượng điện gió góp phần giải quyết những vấn đề về thiếu hụt năng lượng, giảm bớt sự phụ thuộc vào việc sử dụng năng lượng hóa thạch.
- Việc xây dựng, vận hành hệ thống năng lượng điện gió tạo tạo ra công ăn việc làm cho xã hội không chỉ các ngành liên quan trực tiếp tới điện gió mà còn các ngành phụ trợ cung cấp phụ kiện và dịch vụ cho điện gió.
- Việc xây dựng hệ thống năng lượng điện gió sử dụng ít tài nguyên đất còn tạo ra quang cảnh du lịch.
- Hệ thống năng lượng điện gió có thể xây dựng ở đất liền, trên biển và ngoài hải đảo.
Bên cạnh đó năng lượng điện gió có những khuyết điểm sau:
- Tính ổn định của năng lượng điện gió kém, do gió có vân tốc luôn thay đổi theo mùa trong năm nên cần nghiên cứu kỹ những vị trí xây dựng các nhà máy điện gió sao cho phù hợp.
- Mật độ phân bố năng lượng điện gió thấp về quy mô, diện tích chiếm đất, phạm vi ảnh hưởng của các dự án năng lượng gió bao giờ cũng lớn hơn nhiều so với các nguồn năng lượng truyền thống, trong khi đó công suất đặt và công suất ổn định lại nhỏ.
- Kỹ thuật khai thác phức tạp, đòi hỏi công nghệ cao.
- Chi phí vận hành, bảo dưỡng cao vì công suất đặt của tổ máy không cao, sản lượng điện thấp, khu vực lắp đặt rộng...
Vì thế năng lượng điện gió có giá thành đắt hơn giá thành của các nguồn năng lượng truyền thống. Tuy nhiên, khi mà các nguồn năng lượng truyền thống ngày càng kiệt, giá cả tăng, xem xét lại nguồn năng lượng gió, nó có ưu điểm mà nguồn năng lượng truyền thống không có được đó là khả năng tái tạo, sử dụng lâu dài, bền vững, thân thiện với môi trường.
Qua những khuyết điểm và ưu điểm trên ta thấy nguồn năng lượng gió là nguồn năng lượng tái tạo có tầm quan trọng rất lớn, nếu được khai thác tốt sẽ cung cấp một nguồn năng lượng không nhỏ cho nhu cầu năng lượng hiện nay, dần thay thế các nguồn năng lượng truyền thống, thân thiện với môi trường, tiềm năng còn rất lớn.
1.3. Hiện trạng phát triển năng lượng gió trên thế giới và Việt Nam
Việc sử dụng nguồn năng lượng điện gió mới phát triển vào những năm đầu thế kỷ 21, vẫn chưa được khai thác nhiều, tiềm năng và sản lượng còn rất lớn.
1.3.1. Hiện trạng phát triển năng lượng gió trên thế giới
Thị trường điện gió toàn cầu đã và đang được phát triển nhanh chóng hơn tất cả các dạng năng lượng khác dùng để phát điện. Tổng công suất đặt của điện gió toàn thế giới vào năm 2005 khoảng 59063MW và cho đến cuối năm 2012 đã tăng gấp hơn 4 lần đạt 282410MW, điều này cho thấy rằng các nước trên thế đang chú trọng nghiên cứu phát triển dạng năng lượng này. Quá trình phát triển này được mô tả trên Hình 1.1.
Hình 1.1: Biểu đồ tăng trưởng công suất điện gió trên thế giới
Năng lượng gió hiện tại được sử dụng để phát điện ở hơn 50 nước trên thế giới. Trong số này quốc gia có tổng công suất lắp đặt điện gió trong năm 2011 lớn nhất là
Trung Quốc (75324MW), xếp sau là Mỹ (60007MW), Đức (31307MW), Tây Ban Nha (22796MW), Ấn Độ (18421MW), Vương quốc Anh (8445MW), Ý (8124MW), Pháp (7473MW)...Một số quốc gia khác bao gồm, Bồ Đào Nha, Đan Mạch cũng đạt ngưỡng trên 4000MW công suất điện gió đã được lắp đặt.
Hình 1.2 Xếp hạng 10 quốc gia có công suất lắp đặt điện gió cao nhất thế giới năm 2012
Hình 1.3: Tổng sản lượng điện gió trên thế giới năm 2012
Qua hình 1.2, tổng sản lượng điện gió trên thế giới năm 2011 khoảng hơn 239.000 MW, trong đó nước Trung Quốc chiếm 26% sản lượng, Hoa Kỳ chiếm 20%, Đức chiếm 12%, Tây Ban Nha chiếm 9%, Ấn Độ chiếm 7%, Pháp chiếm 3%, nước Ý chiếm 3%, Canada 2%, tất cả các nước còn lại chiếm 15%.
Hình 1.4 Thị phần của các công ty về năng lượng gió, 2012
Thống kê năm 2012 cho thấy nhà chế tạo GE Wind (Mỹ) dẫn đầu trong việc cung cấp thiết bị sử dụng năng lượng gió trên toàn thế giới, chiếm 15,5% thị trường. Tuy nhiên theo quốc gia thì các nhà sản xuất Trung Quốc bao gồm các hãng như: Sinovel; Goldwind; Mingyang; United Power cộng lại có số lượng bán ra đứng đầu thế giới với 16,6% thị trường thế giới.
1.3.2. Điện gió tại Việt Nam
Việt Nam nằm ở khu vực gần xích đạo trong khoảng 80 đến 230 vĩ Bắc thuộc khu vực nhiệt đới gió mùa. Gió ở Việt Nam có hai mùa rõ rệt: Gió Đông Bắc và gió Tây Nam với tốc độ trung bình ở vùng ven biển từ 4,5 đến 6m/s (ở độ cao 10 đến 12m). Tại các vùng đảo xa, tốc độ gió đạt tới 6 đến 8m/s.
Đặc điểm và chế độ gió của Việt Nam phụ thuộc rất nhiều vào vùng miền, địa hình và chu kỳ gió mùa. Gió thường tập trung và có tốc độ lớn tại nơi có địa hình cao, hướng gió thổi theo mùa và theo ngày do sự chênh lệch nhiệt độ giữa không khí, đất và nước. Chẳng hạn, đối với mùa hè (ẩm ướt, từ tháng 5 đến tháng 10) chu kỳ áp thấp, gió xoáy và theo hướng Tây Nam, còn mùa đông (khô, tháng 11 đến tháng 4) áp cao, lưu thông theo chiều kim đồng hồ và theo hướng Đông Bắc. Gió thường đạt đỉnh vào mùa hè ở khoảng giữa buổi chiều, buổi tối và trong suốt mùa đông.
Theo khảo sát gần đây nhất của Ngân hàng Thế giới (World Bank), Việt Nam có khoảng 31.000km2 đất có thể đưa vào khai thác năng lượng gió, kết quả khảo sát được thực hiện ở độ cao 80m thể hiện ở Hình 1.5
Hình 1.5 Tiềm năng năng lượng gió do ngân hàng thế giới khảo sát
Ngày 19/09/2014 tại Hà Nội, Cục Điều tiết Điện lực tổ chức Hội thảo về vấn đề “Xây dựng quy định đấu nối điện gió và nghiên cứu tích hợp năng lượng tái tạo tại Việt Nam”, đơn vị AWS Truepower – Hoa Kỳ đã công bố kết quả khảo sát tiềm năng năng lượng gió ở Việt Nam bằng cách sử dụng Hệ thống thông tin địa lý (GIS) và đã sàn lọc những vị trí để xác định các địa điểm có tiềm năng dựa trên các yếu tố sau:
- Các khu vực tiềm năng được xác định bởi nguồn tài nguyên, độ dốc và các yếu tố khác.
- Khoảng cách đến lưới điện hiện tại và đường giao thông. - Các vị trí được đánh giá dựa trên chi phí sản xuất điện. - Tiềm năng sản xuất năng lượng đánh giá thei hiệu suất .
Kết quả khảo sát cho thấy 142 vị trí có thể xây dựng nhà máy điện gió quy mô công nghiệp với tổng công suất vào khoảng 9000MW. Cụ thể ở 3 khu vực Miền Bắc, Miền Trung và Miền Nam được giới thiệu trên hình 1.6
Hình 1.6 Các vị trí có thể xây dựng NMĐG qui mô công nghiệp tại Việt Nam - Miền Bắc: vận tốc gió trung bình 6,24 m/s. Tổng công suất 500MW. Hiệu suất
trung bình 31%
- Miền Trung: vận tốc gió trung bình 6,95m/s. Tổng công suất 4000MW. Hiệu suất trung bình 38%
- Miền Nam: vận tốc gió trung bình 5,74m/s. Tổng công suất 1500MW. Hiệu suất trung bình 27%
Từ kết quả khảo sát cho thấy Miền Trung có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng gió.
Trong vòng 10 năm (2001-2010), Việt Nam đã đạt được những bước phát triển kinh tế nhanh chóng, với sự phát triển trung bình 7,2%/ năm, cùng với đó nhu cầu sử dụng điện trong các ngành kinh tế và sinh hoạt liên tục gia tăng với tốc độ trung bình 14,5%/năm. Tổng sản lượng điện thương phẩm tăng từ 31,1 tỷ kWh (2001) lên tới 99,1 tỷ kWh (2010), điều đó có nghĩa là sản lượng điện tiêu thụ tăng gấp 3 lần trong 10 năm. So với năm 2009, sản lượng điện thương phẩm năm 2010 tăng 14,3%, gấp 2,5
lần so với tăng trưởng GDP. Tổng công suất lắp đặt tất cả các nguồn điện của Việt Nam năm 2010 là 21.542 MW, trong đó sản lượng điện thuộc EVN là 11.848 MW (chiếm 55% công suất lắp đặt), sản lượng các nguồn khác ngoài EVN là 9.694 MW (chiếm 45% công suất lắp đặt).
Hình 1.7 Biểu đồ sản lượng các nguồn điện tại Việt Nam
Nhìn vào Hình 1.7 ta thấy thủy điện chiếm 38% với sản lượng lớn nhất 7.633 MW, tua bin khí chiếm 32% với công suất 3.179 MW, nhiệt điện than chiếm 18% với công suất 2.758 MW, điện nhập khẩu từ nước ngoài chiếm 5% với 1000 MW, nhiệt điện dầu 3% với công suất 537 MW, nhiệt điện chạy bằng khí chiếm 2% với công suất 500 MW, điện từ nguồn năng lượng tái tạo 2%.
Hệ thống điện quốc gia về cơ bản đáp ứng nhu cầu truyền tải điện năng từ các nhà máy điện tới phụ tải tiêu thụ, đảm bảo cung cấp điện phục vụ cho nhu cầu phát triển kinh tế- xã hội và nhằm giảm tổn thất điện năng trong quá trình truyền tải. Tuy nhiên hệ thống chưa có khả năng cung ứng dự phòng.
Trước những thách thức về tình trạng thiếu điện và ứng phó với hậu quả biến đổi khí hậu trong những năm tiếp theo thì kế hoạch phát triển “điện xanh” từ các nguồn năng lượng tái tạo là một giải pháp khả thi nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường. Hiện nay, Chính phủ Việt Nam đã xác định, chỉ rõ các mục tiêu định hướng phát triển dạng “điện xanh” này. Trong đó nguồn năng lượng điện gió được xem như là một lĩnh vực trọng tâm, do Việt Nam được xem như là nước có tiềm năng năng lượng gió lớn nhất trong khu vực Đông Nam Á.
Các nhà máy năng lượng điện gió ở Việt Nam hiện nay:
- Nhà máy phát điện bằng sức gió đầu tiên ở Việt Nam được lắp đặt tại huyện đảo Bạch Long Vỹ, thành phố Hải Phòng, công suất 800kW với vốn đầu tư 14 tỉ đồng.
- NMĐG Phương Mai 3, tại hai xã Cát Tiến và Cát Chánh thuộc khu kinh tế Nhơn Hội, tỉnh Bình Định với tổng vốn đầu tư hơn 35,7 triệu USD. Theo thiết kế, nhà máy có 14 tuabin, tổng công suất là 21MW, sản lượng điện hằng năm khoảng 55 triệu kWh, do Công ty Đầu tư và Phát triển Phong điện miền Trung làm chủ đầu tư.
- Nhà máy điện gió kết hợp Diezel tại đảo Phú Quý với 3 tuabin có tổng công suất 6MW đã được hoàn thành và đang vận hành.
- Nhà máy điện gió Bạc Liêu do Công ty TNHH Xây dựng Thương mại Du lịch Công Lý làm chủ đầu tư, tổng công suất 99MW được xây dựng tại khu vực ven biển thuộc ấp Biển Đông A, xã Vĩnh Trạch Đông, thị xã Bạc Liêu, tỉnh Bạc Liêu. Dự án đã hoàn thành giai đoạn 1 với 10 tuabin gió, tổng công suất 16MW đã được nối lưới.
- Điển hình nhất là công ty Cổ phần năng lượng tái tạo Việt Nam – REVN, đã hoàn thành và đấu nối với lưới điện 110kV giai đoạn 1 với 20 tuabin gió tổng công suất 30MW trong dự án tổng thể 120MW tại Tuy Phong – Bình Thuận.
Hình 1.8 Năm tổ máy của nhà máy điện gió tầm cỡ MW đầu tiên ở Việt Nam ở xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận. Chiều cao của mỗi cái tháp là
103.75 m và đường kính của cánh quạt là 37.5 m
- Dự án xây dựng nhà máy sản xuất tuabin gió đầu tiên hợp tác với nhà sản xuất Fuhlander AG tại Vĩnh Hảo, tỉnh Bình Thuận với công suất 40MW.
Chương 2 ĐẤU NỐI ĐIỆN GIÓ VÀO LƯỚI
2.1. Giới thiệu
Năng lượng gió đã được sử dụng trong nhiều thế kỷ. Ban đầu, các tuabin gió (cối xay gió) được sử dụng để bơm nước, tưới tiêu và các hoạt động nông nghiệp tương tự khác. Năm 1888, Charles F. Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy sức gió đầu tiên, và đặt tại Cleveland (Mỹ) với công suất định mức 12kW.
Trong những năm tiếp sau, một số mẫu thiết kế khác đã được thực hiện tuy nhiên vẫn không đem lại bước đột phát đáng kể. Thị trường ứng dụng cho các máy phát điện sức gió chỉ thật sự phát triển vào những năm cuối thập kỷ 70 thuộc thế kỷ 20, khi mà cuộc khủng hoảng dầu mỏ nổ ra. Thời gian sau đó, California nổi lên như một địa điểm thu hút các dự án lắp đặt các máy phát điện sức gió của rất nhiều các nhà sản xuất Mỹ, Đan Mạch, Anh, Đức, Nhật Bản, Hà Lan...
Trong 6 năm, 15.000 máy phát điện sức gió được lắp đặt trong đó một nửa là của các nhà sản xuất châu Âu với công suất máy phát nằm trong phạm vi từ 55kw -100kW. Việc cài đặt số lượng lớn các máy phát điện sức gió ở California là một bước tiến trong nghiên cứu, phát triển và ứng dụng máy phát điện sức gió. Trong thời kỳ này, máy phát điện sức gió được lắp đặt thành từng vườn sức gió và được vận hành độc lập bởi các nhà phát triển. Có thể nói đây là thời kỳ hoàng kim của máy phát điện chạy bằng sức gió nhưng nó không kéo dài được bao lâu khi mà sự bão hoà của trường California xuất hiện, thể hiện qua sự sụt giảm về số lượng máy phát điện sức gió được lắp đặt. Điều này dẫn đến những thay đổi lớn trong lĩnh vực nghiên cứu năng lượng gió. Đầu tiên là sự phá sản hoặc sát nhập của các công ty hoạt động trong lĩnh vực năng lượng gió, và sau đó không còn nhiều mô hình máy phát điện sức gió mới được đưa ra như trong thời kỳ 1980- 1986. Nhưng những thiết kế thời kỳ hậu California vẫn có được kết quả đáng chú ý, điển hình là mô hình tua-bin gió của Đan Mạch: có 3 cánh, điều khiển ổn định tối ưu tốc độ, công suất 250kW, hoặc máy phát điện sức gió có thể điều chỉnh góc đón gió của cánh tua-bin.
Ước tính từ năm 1980 đến năm 1995, toàn thế giới đã lắp đặt được số máy phát điện sức gió với công suất khoảng 1700MW.
Sau năm 1990, Đức, Anh, Hà Lan, Tây Ban Nha, Thụy Điển nổi lên như là những thị trường đầy tiềm năng. Sự phát triển của việc ứng dụng năng lượng gió ở đây không phải xuất phát từ cuộc khủng hoảng dầu mỏ mà từ những yêu cầu phải bảo vệ
môi trường tại các nước đó. Các chính phủ xúc tiến việc tài trợ cho các dự án nghiên cứu năng lượng mới gồm cả năng lượng gió, cộng thêm sự phát triển của thị trường California trước đó đã tạo cú hích mới. Nhiều máy phát tiếp tục được áp đặt với dải công suất ngày càng lớn, lên đến hàng chục MW. Năm 1990, công suất máy phát lắp đặt chỉ ở mức 200kW nhưng đến năm 2003 đã 5MW. Kéo theo công suất của một vườn phát điện sức gió tăng vọt, năm 2000 công suất chỉ vào khoảng vài chục MW nhưng đến năm 2003 đã lên đến vài trăm MW.
Thống kê cho đến hết năm 2003, tổng công suất lắp đặt đạt 39400kW, tại 50 quốc gia trong đó châu Âu đóng góp 28000kW chiếm 215% nhu cầu năng lượng của liên minh châu Âu. Nếu so sánh giữa năm 1992 và năm 2002, công suất lắp đặt đã tăng thêm gấp 27 lần. Và riêng bản thân năm 2002, tổng công suất lắp đặt đã đạt 5800MW. 2.2. Cấu tạo tuabin gió
Hình 2.1 Cấu tạo của một tuabin gió
1. Blades: Cánh quạt. Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động và quay.
3. Pitch: Bước răng. Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện.
4. Brake: Bộ hãm (phanh). Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.
5. Low - speed shaft: Trục quay tốc độ thấp.
6. Gear box: Hộp số. Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp và trục có tốc độ cao, để tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện. Bộ bánh răng này rất đắt tiền, nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió.
7. Generator: Máy phát. Phát ra điện.
8. Controller: Bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắt động cơ khoảng 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát nóng.
9. Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển. 10. Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướng tuabin gió. 11. Nacelle: Vỏ. Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được dặt trên đỉnh trụ và bao
gồm các phần: gear box, low and high – speed shafts, generator, controller, and brake. Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ. Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc.
12. High - speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao.
13. Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió.
14. Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định được hướng gió.
15. Tower: Trụ đỡ Nacelle. Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép. Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn.
2.3. Phân loại tuabin gió
Tuabin gió được phân làm 4 loại như sau
2.3.1. Turbin loại 1: FSIG - Fixed Speed Induction Generator, kết nối trực tiếp máy phát với lưới điện
Hình 2.2 Mô hình tuabin loại 1.
Mô hình này được ứng dụng phổ biến trong thập niên 80. Tuabin gió loại này có tốc độ trục truyền động là cố định, sử dụng loại máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc và được kết nối trực tiếp vào lưới điện thông qua máy biến áp.
Mô hình này đòi hỏi phải lắp hệ thống bù một lượng công suất phản kháng để giảm việc tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới điện. Lưới điện được kết nối có được sự ổn định nhờ hệ thống khởi động mềm. Mặc dù có những cách thức điều khiển công suất trong tuabin gió tốc độ cố định, nhưng sự biến động của gió gây nên các dao động công suất dẫn đến hệ thống điện cũng dao động theo. Dao động đó có thể làm cho điện áp tại các điểm kết nối sẽ bị thay đổi (trường hợp công suất lưới là yếu). Do có những dao động điện áp nên tuabin gió tốc độ cố định sẽ thay đổi lượng công suất phản kháng nhận từ lưới điện (trong trường hợp không thực hiện việc bù công suất phản kháng tại đầu cực máy phát), điều này làm dao động điện áp càng tăng và có thể gây rã lưới.
Nhược điểm chính của mô hình này là không thể điều khiển tốc độ, yêu cầu phải có một hệ thống lưới có công suất vô cùng lớn và bộ phận cơ khí của tuabin gió phải có khả năng chịu được ứng suất cơ học cao gây ra bởi những cơn gió giật.
Mô hình này có kết cấu rất đơn giản và tin cậy nhưng không cho phép điều khiển tích cực để thu năng lượng tối đa và tốc độ của máy phát phụ thuộc hoàn toàn vào tần số và công suất của lưới điện.
Ngoài hiệu suất chuyển đổi thấp, chất lượng điều khiển kém còn có sự biến động của công suất tác dụng và phản kháng. Loại tuabin gió sử dụng mô hình này có thị phần ngày càng giảm chủ yếu là do chất lượng điện năng thấp và hiệu suất năng lượng thu về không cao.
2.3.2. Tuabin loại 2: kết nối lưới điện sử dụng phương thức thay đổi điện trở mạch rotor
Hình 2.3 Tubine gió loại 2
Mô hình này sử dụng phương pháp thay đổi thông số mạch rotor của tuabin gió để đáp ứng với sự thay đổi của tốc độ gió, việc điều khiển này chỉ phụ thuộc vào sự thay đổi giá trị điện trở mạch rotor. Máy phát điện là loại không đồng bộ rotor dây quấn đã được sử dụng trong hệ thống điện từ giữa những năm 1990.
Mô hình bao gồm: một bộ tụ điện thực hiện việc bù công suất phản kháng, một bộ khởi động mềm để kết nối lưới điện tốt hơn. Đặc biệt trong mô hình này có thể thay đổi điện trở mạch rotor bởi một bộ phận chuyển đổi quang học gắn trên trục cánh quạt, điện trở rotor có thể được kiểm soát. Do vậy, độ trượt của máy phát được điều khiển nhờ việc điều chỉnh giá trị điện trở tổng của mạch rotor, có nghĩa là điều chỉnh được công suất phát của máy phát. Vì vậy, sản lượng điện của tuabin phát vào hệ thống được kiểm soát. Phạm vi điều khiển tốc độ phụ thuộc vào dải biến đổi điện trở mạch rotor. Thông thường, phạm vi biến đổi tốc độ rotor trong khoảng từ 0÷10% so với tốc độ đồng bộ.
Mô hình này sử dụng chiến lược điều khiển tốc độ thay đổi – góc nghiêng không đổi (Variable Speed – Fixed Pitch). Loại tuabin này gây tổn hao nhiệt lớn trên các bộ phận phụ như điện trở của mạch rotor, hiệu suất chuyển đổi và chất lượng điện năng thấp.
2.3.3. Tuabin loại 3: DFIG - Double Fed Induction Generator, kết nối máy phát cảm ứng nguồn kép với lưới điện
Hình 2.4 Tuabin loại 3
DFIG bao gồm một rotor dây quấn với cuộn dây stato kết nối trực tiếp với lưới ba pha tần số không đổi và cuộn dây rotor kết nối với lưới thông qua một công cụ chuyển đổi tần số tỉ lệ sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM.
Hệ thống này cho phép hoạt động khi tốc độ thay đổi trên một phạm vi rộng. Bộ chuyển đổi năng lượng bao gồm hai bộ chuyển đổi: chuyển đổi phía rotor và chuyển đổi phía lưới điện, chúng được điều khiển độc lập với nhau. Bộ chuyển đổi phía rotor là điều khiển công suất phản kháng và tác dụng bằng cách điều khiển các thành phần dòng điện rotor, trong khi bộ chuyển đối phía đường dây điều khiển điện áp một chiều DC.
Mô hình này sử dụng chiến lược điều khiển tốc độ thay đổi – góc nghiêng thay đổi (Variable Speed – Variable Pitch). Chiến lược này đang ngày càng trở nên thông dụng trong các tuabin gió hiện đại. Trong chiến lược này, tuabin gió được lập trình vận hành với tốc độ thay đổi, góc nghiêng không đổi ở tốc độ gió dưới danh định, và góc nghiêng thay đổi ở tốc độ gió trên danh định.
Thay đổi tốc độ (Variable Speed) làm tăng năng lượng thu được tại những tốc độ gió thấp trong khi thay đổi góc nghiêng (Variable Pitch) sẽ điều chỉnh được hiệu suất công suất tại những tốc độ gió cao hơn. Chất lượng điện năng rất tốt ở tốc độ gió thấp cũng như ở tốc độ gió cao. Mô hình này kiểm soát và điều khiển hoàn toàn dòng công suất phản kháng và công suất tác dụng đưa vào lưới điện.
Hình 2.5 Tuabin loại 4
Mô hình này được sử dụng với mục tiêu đáp ứng với mọi dạng biến đổi tốc độ của gió. Máy phát được kết nối với lưới điện thông qua công cụ chuyển đổi nguồn điện áp (VSC) có cấu trúc liên kết back – to – back để đưa ra nguồn điện có tần số mong muốn.
Ưu điểm của bộ biến đổi (VSC) có cấu trúc liên kết back – to – back là bộ chuyển đổi bên phía máy phát có thể kiểm soát tốc độ của máy phát điện trong khi bộ chuyển đổi bên phía đường dây có thể điều chỉnh công suất phản kháng cung cấp và ổn định hệ thống điện trên toàn dải tốc độ hoạt động. Mô hình này dùng máy phát điện có thể tự kích từ (nhờ sự chênh lệch giữa tốc độ rotor với tốc độ đồng bộ của WRSG) hoặc sử dụng nam châm vĩnh cửu để tạo kích từ (máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG).
Sự phát triển mạnh mẽ của ngành điện tử công suất đã cho ra đời các bộ chuyển đổi điều khiển được nguồn công suất lớn với giá cả hợp lý. Các bộ chuyển đổi điện này thật sự có ích cho việc cải thiện chất lượng điện năng. Ngoài ra có thể điều khiển để thu được công suất tối đa của gió. Nhược điểm của mô hình này là công suất của bộ chuyển đổi lên đến 120% công suất danh định của máy phát.
Mô hình này sử dụng chiến lược điều khiển tốc độ thay đổi – góc nghiêng không đổi (Variable Speed – Fixed Pitch).
Phương pháp tốc độ thay đổi đã trở nên thông dụng với các tuabin gió hiện đại, đặc biệt làm việc ở dải tốc độ gió thấp. Sự tiện lợi của phương pháp này là năng lượng thu về lớn, làm giảm tải khí động học và cải thiện chất lượng điện năng. Ngày nay, với sự phổ biến sâu rộng của năng lượng gió, việc yêu cầu cải thiện chất lượng điện năng đã trở thành yếu tố thúc đẩy có tính quyết định đối với chiến lược điều khiển tốc độ thay đổi (Variable Speed).
Đối với chiến lược VS – FP, ở tốc độ gió thấp, các tuabin thay đổi tốc độ (VS) được điều khiển để bám theo vị trí CPmax, nhưng vì góc nghiêng không đổi (FP) cho nên bị hạn chế ở tốc độ gió trên danh định. Mô hình này kiểm soát và điều khiển được lượng công suất tác dụng và công suất phản kháng đưa vào lưới điện.
2.4. Chế độ làm việc của máy phát cảm ứng nguồn kép nối lưới 2.4.1. Sơ đồ thay thế và công suất phát
Hình 2.6 Sơ đồ mạch điện thay thế của DFIG
Theo định luật Kirchoff, phương trình điện áp theo dòng điện được viêt như sau: ´
us = rs . ´Is + jxs . ´Is - ´Er
´ ur
s = rr
s . ´Ir + jxr . ´Ir - ´Er ´Er = -( rm+jxm ). ´I0
´I0 = ( ´Is + ´Ir )
Trong đó: rs , rr là điện trở stator và rotor của máy phát
xs , xr là đinẹ kháng của stator và rotor
Er là suất điện động stator
Is , Ir là dòng điện stator và rotor
s là hệ số trượt
Phương trình điện áp của máy phát điện cảm ứng trên hệ tọa độ d-q được mô tả như sau: Uds = rsids + d dt λds - ωsλqs Uqs = rsiqs + d dt λqs - ωsλds Udr = rridr + d dt λdr – ( ωs−ωr¿λqr Uqr = rriqr + d dt λqr – ( ωs−ωr¿λdr
Với: λds = Lsids + Lmidr
λqs = Lsids + Lmiqr
λdr = Lridr + Lmids
λqr = Lriqr + Lmiqs
Trong đó: Uqs , Uqs – Điện áp trên mạch stator trong hệ tọa độ d-q
Uqr , Udr – Điện áp trên mạch rotor trong hệ tọa độ d-q
iqs , ids – Dòng điện mạch stator trong hệ tọa độ d-q
iqr , idr – Dòng điện mạch rotor trong hệ tọa độ d-q
λqs , λds – Từ thông mạch stator trong hệ tọa độ d-q
λqr , λdr – Từ thông mạch rotor trong hệ tọa độ d-q
Ls, Lr – Điện cảm mạch stator và rotor Lm – Điện cảm tưởng hỗ
Công suất tác dụng và phản kháng của stator và rotor được xác định theo công thức sau: Ps = 3 2 ( Udsids + Uqsiqs ) Qs = 3 2 ( Uqsids + Udsiqs ) Pr = 3 2 ( Udridr + Uqriqr ) Qr = 3 2 ( Uqridr + Udriqr )
Trong đó: Ps , Qs – Công suất tác dụng và phản kháng của stator
Pr , Qr – Công suất tác dụng và phản kháng của rotor
Dòng công suất của máy phát cảm ứng nguồn kép được xác định qua biểu thức sau: Pr = Pm - Ps = Tmωr - Temωs = - Tm (
ωs−ωr
ωs
) ωs = -s
Tmωs = - s Ps
Trong đó: Tm – Momen cơ trên trục rotor Tem – Momen điện từ
ωs – Tốc độ từ trường quay của stator ωr – Tốc độ từ trường quay của rotor s = ωs−ωr
Hình 2.7 Sơ đồ mô tả dòng công suất của máy phát cảm ứng nguồn kép nối lưới Như vậy, khi tuabin gió cho phép vận hành trong phạm vi thay đổi tốc độ khoảng ±30% quanh tốc độ đồng bộ, ứng với hệ số trượt thay đổi trong phạm vi s = ±0,3 thì công suất danh định của bộ chuyển đổi công suất chỉ cần được thiết kế trong khoảng 20%÷30% so với công suất danh định của máy phát. Các đại lượng danh định của bộ chuyển đổi công suất có quan hệ với phạm vi thay đổi tốc độ đã được chọn. Vì thế, chi phí cho bộ chuyển đổi công suất tăng hay giảm phụ thuộc vào phạm vi thay đổi tốc độ cho phép.
Công suất đầu ra của tuabin gió được tính theo công thức sau: P = 12C
p .π.ρ. Rb 2
. v3
Trong đó: P – Công suất đầu ra của tuabin (W) ρ – Mật độ không khí (kg/ m3 )
v – Tốc độ gió mặt (m/s)
Rb – Chiều dài của cánh tuabin (m)
Cp – Hệ số công suất của tuabin gió, phụ thuộc vào tỉ lệ tốc độ gió mặt v và tốc độ gió lưng v0 Cp = v0 v ¿ 2 1−¿ ¿
(
1+v0 v)
.¿ ¿Đặt c = v0
v và chú ý rằng v = 0 thì sẽ không biến đổi năng lượng, khi đó ta có thể viết:
Cp =
{
0 n uế v=0 (1+c)(1−c2)
2 , c ≥0 n uế v >0 Lấy đạo hàm theo c thì giá trị lớn nhất của Cp được tính
d Cp dc =
1−2 c−3 c2 2 = 0 Phương trình có hai nghiệm: c = -1 (loại) và c = 1/3
Thay c = v0 v = 1 3 vào biểu thức Cp ta có: Cpmax = 16 27 = 0.593
Giá trị lỹ thuyết Cp = 0.593 chỉ ra rằng tuabin gió không thể lấy nhiều hơn 59.3%
công suất gió hiện hữu (còn được biết đến như giới hạn Betz). Trong thực tế, giá trị Cp nằm giữa 0.2 đến 0.5. Giá trị Cp trên 0.4 là chấp nhận được.
Có thể dễ nhận thấy rằng nếu rotor nếu rotor quay rất chậm thì gió có thể dễ dàng xuyên qua khe hở giữa có cánh gió. Khi đó, v0 gần bằng v. Ngược lại, khi rotor
quay rất nhanh nó sẽ như một bức tường chắn gió, khi đó v0 gần bằng 0. Vì vậy, đối
với một tốc độ gió mặt trước cho trước v, tốc độ của rotor sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị v0 . Nói cách khác, nó ảnh hưởng đến giá trị Cp . Vậy nên, giá trị Cp
còn phụ thuộc vào quan hệ giữa tốc độ gió và tốc độ của rotor. Mối quan hệ này được biểu diễn bằng một hệ số vô hướng được định nghĩa như sau:
λ(t ) = ω(t) Rb
v (t)
Trong đó � là tốc độ góc của rotor(phía tốc độ thấp của hộp số).
Khi tốc độ gió cao, công suất đầu ra của máy phát có thể giới hạn bằng cách thay đổi góc pich β của cánh gió và giá trị của hệ số công suất Cp củng thay đổi (phụ thuộc
vào cấu trúc hình học của cánh gió). Vì vậy, ta có thể viết: Cp = f( λ , β )
Quan hệ này có thể xây dựng hoặc tính toán dựa trên việc mô hình hóa tuabin gió và có thể được biểu diễn như sau:
Cp ( λ , β ) = c1
(
c2λ−c3β−c4
)
e −c5λi +c
Trong đó 1λ i = 1 λ+0.08 β− 0.035 1+β3 c1, c2, c3, c4, c5,c6 là các hệ số
Vậy, đối với một tốc độ gió cho trước, nếu tốc độ rotor thay đổi, công suất đầu ra củng thay đổi tương ứng với sự thay đổi giá trị của hệ số công suất Cp .
Hình 2.8 Công suất của tuabin gió theo tốc độ rotor ở các tốc độ gió khác nhau Đối với một tuabin gió, khả năng phát điện thể hiện ở lượng công suất thu được có tính đến các giới hạn về kỹ thuật và kinh tế. Nó thường được mô tả dưới dạng một đồ thị công suất phát – vận tốc gió, được gọi là đồ thị công suất lý tưởng(Hình 2.9).
Hình 2.9 Đồ thị công suất lý tưởng của tuabin gió
Thông thường, tuabin gió bắt đầu hoạt động khi tốc độ gió vượt quá 3 – 4m/s. Tốc độ gió này được gọi là tốc độ khởi động tuabin vkđ . Như có thể thấy trong Hình
2.9, một tuabin gió được bắt đầu khởi động từ vkđ và tăng công suất theo lập phương
của tốc độ gió cho đến khi tốc độ gió đạt đến tốc độ danh định vdđ . Với tốc độ gió
kiểm soát không gian cánh quạt. Với tốc độ gió trên 25m/s tuabin gió thường ngừng hoạt động để tránh bị quá tải cơ. Tốc độ gió này gọi là tốc độ ngừng hoạt động vng
của máy phát điện gió.
Đồ thị công suất lý tưởng biểu thị trên Hình 2.9 có thể phân thành 3 vùng với mục đích phát điện khác nhau. Vùng I là vùng tốc độ thấp, công suất sinh ra thấp hơn công suất hoạt động. Bởi vậy mục tiêu phát điện của vùng I là thu nhận toàn bộ năng lượng sinh ra. Do đó đường cong công suất lý tưởng trong vùng I đi theo một đường parabol bậc 3. Mặt khác, mục tiêu phát điện trong vùng tốc độ gió cao (vùng III) là giới hạn công suất phát ra ở dưới công suất danh định để tránh hiện tượng quá tải cơ. Trong vùng này, công suất vượt quá công suất định mức, do đó tuabin gió phải làm việc với hiệu suất thấp hơn Cpmax . Cuối cùng vùng II là vùng chuyển tiếp giữa
đường cong công suất tối ưu của vùng I và đường công suất không đổi của vùng III. Trong vùng này tốc độ tuabin gió được giới hạn để duy trì mức độ tiếng ồn dưới mức cho phép và giữ cho lực li tâm ở dưới giá trị chịu đựng của rotor. Trong trường hợp một tốc độ giới hạn như vậy chưa đạt đến thì vùng II có thể không tồn tại và đường cong công suất tối ưu (vùng I) vẫn có thể tiếp tục cho đến khi đạt được đến công suất danh định.
2.4.2. Các chế độ làm việc
Tùy thuộc vào tốc độ gió và điều kiện vận hành của hệ thống mà công suất qua mạch rotor có thể đi theo hai chiều: từ lưới qua bộ chuyển đổi công suất đến rotor hoặc ngược lại từ mạch rotor qua bộ chuyển đổi công suất đến lưới điện.
2.4.2.1. Chế độ dưới đồng bộ
Khi tốc độ từ trường quay của rotor thấp hơn tốc độ đồng bộ ( ωr < ωs ), đó
là chế độ vận hành dưới đồng bộ ( Pr < 0), máy phát lấy năng lượng từ lưới qua
rotor
2.4.2.2. Chế độ trên đồng bộ
Khi tốc độ từ trường quay của rotor lớn hơn tốc độ đồng bộ ( ωr > ωs ), đó
là chế độ vận hành trên đồng bộ ( Pr > 0), máy phát hoàn năng lượng về lưới qua
mạch rotor.
Hình 2.11 Dòng công suất của DFIG làm việc ở chế độ trên đồng bộ 2.4.2.3. Chế độ đồng bộ
Khi tốc độ từ trường quay của rotor bằng tốc độ đồng bộ( ωr = ωs ), đó là
chế độ đồng bộ ( Pr = 0), máy phát nhận một phần công suất phản kháng từ lưới qua
mạch rotor với mục đích kích từ cho máy phát.
Chương 3 TÌM HIỂU VỀ PHẦM MỀM ETAP
2.1. Giới thiệu tổng quát:
Các chức năng tính toán của Etap:
- Tính trào lưu công suất tải cân bằng
- Tính trào lưu công suất tải không cân bằng - Tính ngắn mạch
- Đóng ngắt động cơ, máy điện quay - Phân tích sóng hài
- Khảo sát ổn định hệ thống - Phối hợp các thiết bị bảo vệ - Tối ưu trào lưu công suất - Tính độ tin cậy hệ thống
- Bù tối ưu công suất phản kháng - Tính lưới nối đất
- Tính toán cáp ngầm - Thiết kế mạch điều khiển.
- Quảng lý hệ thống theo thời gian thực (Real time) - Quảng lý lưới điện trên sơ đồ đia lý GIS
Màn hình giao diện chính:
Hình 3.1 Cửa sổ màn hình chính 3.2. Giới thiệu về thanh công cụ
3.2.1. Thanh công cụ File
Hình 3.2 Thanh công cụ File New Project: tạo một dự án mới.
Open Project: mở một file dự án có sẵn. Close project: đóng cửa sổ hiện hành trong Study View và có thể mở dự án trở lại. Log Off : rời khỏi chương trình hiện hành và mở một dự án mới.
Save Project: là lưu một dự án.
Copy Project to: sao chép một dự án có sẵn và nội dung giống với dự án gốc.
Save Library: lưu tập tin vào trong thư viện của phần mềm.
Batch Print: là cho phép bạn in tất cả sự liên kết với sự trình bày của sơ đồ. Data Exchange: là sự chuyển đổi đuôi định dạng của chương trình.
Phần tử DC Phần tử bảo vệ
Phần tử AC Các chức năng tính
3.2.2. Thanh công cụ Edit
Undo, Redo: quay lại trạng thái trước và sau đó. Cut (Dumpster): xóa một phần tử từ sơ đồ
và di chuyển phần tử đến Dumpster. Copy (Dumpster): sao chép một phần tử từ sơ đồ và di chuyển phần tử đến Dumpster Paste (Dumpster): dán một phần tử từ Dumpster vào bên trong sơ đồ.
Move From (Dumpster): di chuyển một phần tử từ Dumpster vào bên trong sơ đồ. DeSelect All: loại bỏ tất cả các phần tử trong sơ đồ.
Cut (OLE): là xóa đối tượng trong OLE từ sơ đồ đơn tuyến đến Clipboard (chương trình ứng dụng khác).
Copy (OLE): sao chép đối tượng trong OLE từ sơ đồ đơn tuyến đến Clipboard.
Clear (OLE): xóa một đối tượng được chọn từ sơ đồ đơn tuyến. Hình 3.3 thanh công cụ Edit
Paste (OLE): dán một đối tượng từ Clipboard vào bên trong sơ đồ đơn tuyến.
Hình 3.3 thanh công cụ Edit Paste Speccial (OLE): không giống lệnh Paste là khi chọn Paste Special thì hộp thoại xuất hiện để ta có thể chọn định dạng các kiểu như: Link, metafile, bitmap or iconic của đối tượng OLE đến việc dán đối tượng đó lên trên sơ đồ.
Insert New Object (OLE): chèn một số đối tượng vào sơ đồ đơn tuyến như: Bitmap, Microsoft Excel Chart, Microsoft Word document,... Ta không thể chèn một số chương trình mô phỏng vào bên trong PowerStation.
3.2.3. Thanh công cụ View
Zoom out: là thanh công cụ dùng để thu nhỏ tất cả các phần tử trong màn hình Study View. Zoom to fit: là thanh công cụ dùng để xem tất cả các phần tử trên cửa sổ Window ở chế độ tốt nhất trong Study View.
Toolbars: từ thanh View Menu cho phép ta lựa chọn các thanh công cụ. Time-Sliders, Frequency-Sliders thì được hiển thị và một số cái khác sẽ bị ẩn. Khi ta thấy dấu Check tại từng nhãn có nghĩa là một chế độ đang chạy và có giá trị khi ta phân tích. Nếu Short-Circuit Toolbar đang hoạt động thì các Toolbars khác không hoạt động và hiển thị màu xám.
Grid: khi chọn View Menu hoặc chọn Grid trên màn hình thì sẽ hiển thị các đường lưới
trên sơ đồ đơn tuyến.
Hình 3.4: thanh công cụ View 3.2.4. Thanh công cụ Project
Information: là hộp thoại chức các thông tin của dự án như: tên dự án, vị trí của dự án, mã số của hợp đồng,...
Standars: các tiêu chuẩn định dạng cho hệ thống dự án như: tần số, đơn vị chiều dài, ngày, tháng, năm,...
Setting: cài chế độ hoạt động của tải như:
hoạtđộng theo hiệu suất, theo động cơ hoặc tải ưu tiên. Hình 3.5: Thanh công cụ Project
Options: cài đặt chế độ tự động Save trong bao nhiêu phút, nhắc nhở trước khi Save,... 3.2.5. Thanh công cụ Tool:
Size: dùng để thay đổi kích cỡ từng phần tử hay thay đổi toàn bộ các phần tử trong vùng Study View. Symbols: là dòng lệnh sẽ làm thay đổi tất cả ký hiệu khi chọn các phần tử trên sơ đồ đơn tuyến với kí hiệu IEC hoặc kí hiệu ANSI.
Orientation: là lệnh dùng thay đổi góc quay của từng phần tử hay tất cả các phần tử trên sơ đồ đơn tuyến với các góc quay : 00 , 900 , 1800 , 2700 . Group và UnGroup: là lệnh dùng để nhóm các phần tử được chọn thành một nhóm, các phần tử chỉ phụ thuộc duy nhất chỉ một nhóm. Lệnh UnGroup thì tách một nhóm thành những phần tử riêng lẻ trên sơ đồ. Hình 3.6: Thanh công cụ Tool 3.3. Giới thiệu phần tử AC Hình 3.7: Phần tử AC 3.3.1. Tuabin gió
Hình 3.8: Trang Information a) Information: Thông tin phần tử
Information: mục thông tin phần tử: ID: đặt tên cho tuabin
Bus: kết nối với bus nào(kèm điện áp định mức). Operation Mode: các chế độ vận hành của tuabin: Voltage control: điều khiển điện áp.
Mvar control: phát công suất phản kháng. Induction generator: máy phát điện cảm ứng.
b) Rating: các đặc tính vật lý của tuabin:
Hình 3.9: Trang Rating MW: công suất P định mức.
kV: điện áp định mức. %PF: hệ số công suất. %EFF: hiệu suất làm việc. Poles: số cực.
MVA: công suất S định mức.
FLA: dòng pha ở công suất định mức.
Mvar Limits: giới hạn công suất kháng lúc cao điểm. Có thể cài đặt hoặc Etap tự tính theo PrimeMover Rating.
Avg Wind speed: tốc độ gió trung bình. Operating values: giá trị vận hành.
c) Impedance/Model: giá trị điện trở kháng/ mô hình.
Hình 3.10: Trang Impedance/Model ANSI short-circuit Z: giá trị tổng trở ngắn mạch.
Grounding: kiểu nối đất. d) Tuabin:
Aerodynamics: các thông số động lực học của tuabin như: V rated(điện áp), swept area(diện tích quét của cánh quạt), air density(mật độ không khí), diameter(đường kính cánh quạt), pitch angle(góc pitch)…
Power coefficient Cp: hệ số công suất
Wind power curve: đường cong năng lượng gió Power curve: đường cong năng lượng.
e) Wind: đặc tính gió
Hình 3.11: Trang đặc tính của Wind wind disturbance: nhiễu động của gió
ramp wind: độ dốc của gió: max ramp, ramp start, ramp stop
noise wind: tiếng ồn của gió
f) Pitch control: điều khiển góc pitch
Hình 3.12: Trang Pitch control
3.4. Giới thiệu các chức năng tính toán
Hình 3.13 Các chức năng tính toán 3.4.1. Load flow analysis: phân bố công suất
3.4.3. Motor Acceleration Analysis: Phân tích khởi động động cơ
3.4.5. Transient Stability Analysis: Phân tích ổn định
3.4.7. Star Sequence-of-Operation: Phối hợp bảo vệ
3.5. Ví dụ mẫu
Cho mạch điện với sơ đồ sau:
3.5.1. Dùng công thức tính toán ta được dòng phân bố công suất như sau
Tính tổn thất điện áp: ΔU = PR+Q XU
Δ U1 = 511∗0.6198+521.4∗0.815 = 48.92V Δ U2 = 406∗1.5495+414.4∗215 = 97.193V
Δ U3 = 294∗0.9297+300.4∗1.215 = 42.25V Δ U4 = 70∗2.4792+71.4∗3.215 = 26.8V
Suy ra: ΔU = Δ U1 + Δ U2 + Δ U3 + Δ U4
= 48.92 + 97.193 + 42.25 + 26.8 = 215.162V
% ΔU = 215.16215000 *100 = 1.43%
3.5.2. Dùng phần mềm Etap tính toán như sau
Từ thư viện các phần tử AC, ta vẽ được sơ đồ mạch theo ví dụ
Hình 3.14 Sơ đồ ví dụ mẫu Nhập dữ liệu vào sơ đồ:
Hình 3.15 Nhập dữ liệu cho hệ thống Giá trị điện áp Tỉ số tổng trở NM CS ngắn mạch HT
Hình 3.16 Nhập dữ liệu cho nút Tên nút
Giá trị điện áp
Chiều dài Tên DZ
Hình 3.17 Nhập dữ liệu cho đường dây
- Chạy chương trình phân bố dòng CS như sau: nhấp chuột vào biểu tượng
Sau đó nhấp vào . Etap tự động tính toán phân bố dòng CS, kết quả hiển thị như sau:
Hình 3.19 Hiển thị kết quả chạy chương trình
Hình 3.20 Thay đổi thông số hiển thị Tổn thất điện áp do phần mềm Etap tính toán là:
Δ Uetap = 15 – 14.787 = 0.213kV
= 213V
%Δ Uetap = 15−14.78715 ∗100 = 1.42%
- So sánh kết quả tính bằng tay với Etap:
Kết quả Bằng tay Bằng Etap
ΔU 215.162V 213V
%ΔU 1.43% 1.42%
Kết luận:
Hai kết quả tính được bằng tay và bằng phần mềm Etap là tương đương nhau. Từ đó cho thấy phần mềm Etap tính toán khá chính xác.
Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHÀ MÁY
ĐIỆN GIÓ ĐẾN LƯỚI ĐIỆN
4.1. Các thông số của lưới điện 4.1.1. Sơ đồ lưới điện được khảo sát
Hình 4.1 Sơ đồ lưới điện nguyên lý 110kV
Sơ đồ nguyên lý của lưới điện khảo sát được trình bày trên Hình 4.1, gồm có 11 đường dây, 11 nút chính trong đó có 7 nút phụ tải là phụ tải A,B,C,D,F,G,H; 3 nút nhà máy phát điện là NMĐ E, NMĐ F, NMĐG K; và 1 nút chính L được nối với hệ thống lưới điện 220kV. Thông số của lưới được cho ở các bảng sau
Bảng 4.1 Thông số đường dây Đường R (Ω) X (Ω) B (S) Đường dây R (Ω) X (Ω) B. 10−4 (S) L-D 3.691 8.879 0.616 L-E 8.621 20.742 1.44 L-A 0.235 0.566 0.157 L-F 4.706 11.321 0.786 A-B 2.125 5.112 0.355 B-C 2.704 4.99 0.346
dây E-H 0.51 1.227 0.085 H-I 5.27 12.679 0.88 K-G 3.379 8.131 0.565 G-H 2.176 5.235 0.363 F-G 11.441 27.526 1.911 Bảng 4.2 Thông số phụ tải Phụ tải P(MW) Q(MVAr) A 37.5 18.16 B 20 9.69 C 17.75 8.6 D 15.5 7.51 G 5.25 2.54 H 6.5 3.15 I 4.75 2.3 Bảng 4.2 Thông số máy phát Nhà máy điện Kí hiệu máy phát P(MW) Điện áp đầu cực(kV) Hệ số công suất Tốc độ (vòng/phút) NMĐ E G1 32 10.5 0.85-1 750 G2 32 10.5 0.85-1 750 NMĐ F H1 9 10.5 0.85-1 1500 H2 9 10.5 0.85-1 1500 Bảng 4.3 Thông số máy biến áp Máy biến áp Cấp điện áp
(kV) Công suất định mức (MVA) Tỷ lệ R X T1 220/110 125 0.001 T4 110/10.5 40 0.07 T6 110/10.5 40 0.07 T7 110/10.5 12 0.065 T8 110/10.5 12 0.065
Thông số của nhà máy điện gió:
NMĐG có công suất 30MW với 15 tổ máy, mỗi gồm 1 MBA và tuabin gió công suất 2MW, được chia thành 3 nhóm, mỗi nhóm gồm 5 tổ máy nối chung vào 1 thanh góp riêng. Vận tốc gió trung bình hằng năm ở điểm xây nhà máy từ 6-7 m/s. Sơ đồ nguyên lý một sợi và thông số các phần tử của NMĐG được cho như sau:
•
Các tuabin gió cùng 1 loại nên có thông số giống nhau theo Bảng 4.4 Bảng 4.4 Thông số tuabin giócực(kV) suất (vòng/phút)
2 0.69 0.9-1 1500
•
Các MBA của các tổ máy cùng 1 loại nên thông số giống nhau theo Bảng 4.5 Bảng 4.5 Thông số MBA của các tổ máy tuabin gióCấp điện áp (kV) Công suất định mức (MVA) Tỷ lệ R X 22/0.6 2.5 0.167
•
MBA T3 là máy biến áp tổng của NMĐG, giúp nâng điện áp lên 110kV bằng điện áp lưới. Bảng 4.6 Thông số MBA tổng của NMĐG Cấp điện áp (kV) Công suất định mức (MVA) Tỷ lệ R X 110/22 40 0.065Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý nhà máy điện gió 4.2. Ảnh hưởng đến thông số vận hành của lưới điện
Trong phần này, ảnh hưởng của NMĐG đến lưới điện phân phối địa phương được đánh giá theo 3 chế độ đặc trưng sau đây:
1. Chế độ trao đổi công suất với hệ thống là cực đại. 2. Chế độ trao đổi công suất với hệ thống là cực tiểu. 3. Chế độ khi NMĐG ngừng hoạt động.
Kết hợp biểu đồ phụ tải của khu vực với biểu đồ phát công suất của NMĐG trong cùng thời gian có thể xây dựng biểu đồ trao đổi công suất qua phần tử liên lạc giữa NMĐG với lưới điện phân phối địa phương.
4.2.1. Biểu đồ trao đổi công suất
Biểu đồ trao đổi công suất cần được xây dựng cho các chế độ đặc trưng theo khả năng phát của NMĐG (cực đại, cực tiểu hoặc ngừng phát) và theo biểu đồ tiêu thụ điện của khu vực có kết nối với NMĐG để từ đó có thể nghiên cứu chi tiết ảnh hưởng của NMĐG đến các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật của lưới điện.
Hình 4.1 Biểu đồ phụ tải tại các nút trong ngày 16/03/2017
Biểu đồ phụ tải địa phương tại các nút ngày 16/03/2017 ứng với ngày NMĐG phát công suất giả sử là lơn nhất được thể hiện trên hình 4.1
Hình 4.2 Biểu đồ công suất phát trong ngày 16/3 của NMĐG
Đối với một ngày được chọn, đồ thị phụ tải địa phương (màu cam), đồ thị phát công suất của nhà máy (màu đỏ) và đồ thị trao đổi công suất qua MBA T1 (màu xanh) được trình bày trên Hình 4.3
Hình 4.3 Biểu đồ công suất ngày 16/3
Công suất trao đổi qua MBA T1 giữa khu vực có NMĐG với hệ thống: Ptđ = PNMĐG + PE+ F - P∑ PT
Trong đó: Ptđ là công suất trao đổi với hệ thống của NMĐG
PNMĐG là công suất phát của NMĐG
PE + F là công suất phát của NMĐ E và NMĐ . Giả định rằng 2 NMĐ này
phát công suất định mức.
P∑ PT là tổng công suất phụ tải
Tùy theo tương quan giữa công suất phát của NMĐG và công suất tổng của phụ tải mà Ptđ qua MBA T1 có thể có dấu (+) hoặc dấu (–).
Nhận xét:
Từ hình 4.3 giới thiệu biểu đồ trao đổi công suất trong ngày 16/3 giữa lưới điện địa phương với hệ thống qua MBA T1. Từ biểu đồ này có thể nhận thấy công suất cực đạt phát lên hệ thống qua MBA T1 là +49.7MW lúc 13h và công suất cực tiểu là +5.6MW lúc 20h.
Kết quả này sẽ được sử dụng như các dữ liệu cơ sở để tính toán cho các phần sau. 4.2.2. Mô phỏng thông số vận hành của lưới điện trong các chế độ đắc trưng
Với biểu đồ trao đổi công suất có thể tính toán mô phỏng trào lưu công suất, trị số điện áp tại các nút, tổn thất công suất, điện năng của lưới điện phân phối khu vực kết nối với NMĐG.
Kết quả mô phỏng (bằng phần mềm ETAP) trào lưu công suất trên phần lưới điện kết nối với NMĐG ở chế độ phát và nhận công suất cực đại qua đường dây liên lạc được trình bày trên Hình 4.4
Hình 4.4 Trào lưu công suất của lưới điện địa phương khi có NMĐG a) Chế độ phát công suất cực đại lên hê thống
b) Chế độ phát công suất cực tiểu lên hệ thống
Kết quả mô phỏng trào lưu và tổn thất công suất trên các đường dây và điện áp ở các nút 110kV của lưới điện ở các chế độ đặc trưng giới thiệu trong Bảng 4.7, 4.8 Chú thích:
1) Chế độ truyền công suất cực đại lên hệ thống qua MBA T1(thời điểm 13h) 2) Chế độ NMĐG ngừng hoạt động(thời điểm 13h)
3) Chế độ truyền công suất cực tiểu lên hệ thống qua MBA T1(thời điểm 20h) 4) Chế độ NMĐG ngừng hoạt động(thời điểm 20h)
Bảng 4.7 Điện áp tại các nút ở các chế độ Chế độ đặc trưng Điện áp tại các nút (kV) NÚT D NÚT A NÚT B NÚT C NÚT H NÚT G NÚT I NÚT E NÚT F 107 107.6 106.7 106.1 111.4 111.4 111.3 111.4 109.3 107.2 107.8 106.9 106.3 110.3 109.9 110.2 110.4 109.1 106.7 107.5 106.2 105.6 110.7 110.6 110.6 110.8 109.1 106.5 107.3 106 105.4 109.8 109.4 109.7 109.9 108.7
Chế độ đặc trưng
Luồng công suất(MVA)/Tổn thất công suất (MVA) NÚT L-NÚT D NÚT A-NÚT B NÚT B-NÚT C NÚT E-NÚT L NÚT F-NÚT L NÚT E-NÚT H NÚT F-NÚT G NÚT G-NÚT H NÚT H-NÚT I NÚT K-NÚT G NÚT L-HỆ THỐNG 1 9.3+j4.5 0.034 22.2+j11 0.112 12.7+j6.2 0.037 60.6-j2.2 2.554 43.9-j2.3 0.762 3.2-j1 0.001 -26.6-j1.6 0.655 -2.5+j1.3 0.007 0.7+j0.3 ≈ 0 28.7+j2.4 0.222 44.8-j40.2 2 9.3+j4.5 0.034 22.2+j11 0.112 12.7+j6.2 0.037 43.8-j3.3 1.367 32.6-j1.6 0.42 19.9+j0.09 0.017 -14.8+j2.5 0.214 -19.2+j0.3 0.066 0.7+j0.3 ≈ 0 18.2-j37 3 12.4+j6.1 0.061 30.1+j15.1 0.208 15.6+j7.7 0.056 46.2-j0.5 1.499 34.6-j1.7 0.42 17.6-j2.7 0.013 -16.6+j0.6 0.257 -16.6+j3.2 0.05 1+j0.5 0.001 4.8+j15.1 0.013 3.3-j42.1 4 12.4+j6.1 0.061 30.1+j15.1 0.209 15.6+j7.7 0.056 43.4-j3.3 1.353 32.3-j0.7 0.416 20.4+j0.06 0.018 -14.6+j2.9 0.211 -19.3+j0.5 0.068 1+j0.5 0.001 -1.2-j45.4 Bảng 4.8 Phân bố dòng công suất ở các chế độ
Nhận xét:
Ở chế độ phát công suất cực đại lên hệ thống: khi có NMĐG thì lượng công suất phát lên cho hệ thống tăng 26,6MW (từ 18.2MW lên 44.8MW) làm tăng lượng công suất dự trữ cho Hệ thống. Đồng thời củng làm tăng công suất truyền trên đường dây Nút F-Nút G(từ 14.8MW lên 26.6MW), đường dây Nút F – Nút L(từ 32.6 MW lên 43.9MW) và đường dây Nút E – Nút L(từ 43.8MW lên 60.6MW) nên làm tăng tổn thất công suất trên các đường dây.
Từ bảng tổng hợp kết quả tính ta có thể thấy được điện áp tại các nút khi có NMĐG được tăng lên so với lúc không có NMĐG. Đặc biệt, các nút lân cận NMĐG điên áp tăng lên rất đáng kể như ở Nút G tăng từ 109,9kV lên 111,4kV tăng 1,36% (lúc 13h), và từ 109,4kV lên 110.6kV tăng 1,09% (lúc 20h). Đối với điện áp các nút ở xa như Nút B, Nút C, Nút D,ảnh hưởng đến sự biến thiên điện áp khi có và không có NMĐG là không nhiều, chỉ khoảng từ 0,09%-0,47%. Mặc dù có sự tăng điện áp tại các nút nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép.
Theo kết quả mô phỏng, khi có sự tham gia của NMĐG sự biến thiên điện áp trong ngày đặc trưng trên thanh cái 110kV của các trạm biến áp trong lưới được giới thiệu trên Hình 4.5
Hình 4.5 Điện áp tại các nút phụ tải ngày 16/3 Từ biểu đồ biến thiên điện áp trong ngày có thể nhận thấy:
