nghiên cứu ổn định điện áp trong lưới điện phân phối có kết nối nguồn điện gió
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.95 MB, 85 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRỊNH QUỐC TOẢN
NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
CÓ KẾT NỐI NGUỒN ĐIỆN GiÓ
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250
S K C0 0 4 1 6 7
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRỊNH QUỐC TOẢN
NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN
PHÂN PHỐI CÓ KẾT NỐI NGUỒN ĐIỆN GIÓ
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRỊNH QUỐC TOẢN
NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG LƯỚI ĐIỆN
PHÂN PHỐI CÓ KẾT NỐI NGUỒN ĐIỆN GIÓ
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250
Hướng dẫn khoa học:
TS VÕ VIẾT CƯỜNG
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2014
LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Trịnh Quốc Toản
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 14 – 08 – 1984
Nơi sinh: Cà Mau
Quê quán: Cà Mau
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 146 Nguyễn Việt Khái, khóm 3 thị trấn Cái Nước
huyện Cái Nước, tỉnh Cà Mau.
Điện thoại : 0918868477
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học phổ thông:
Hệ đào tạo: chính quy
Thời gian đào tạo từ 2000 đến 2002
Nơi học (trường, thành phố): Trường THPT Cái Nước huyện Cái Nước tỉnh Cà Mau
2. Đại học:
Hệ đào tạo: không chính quy
Thời gian đào tạo từ 10/2003 đến 10/2008.
Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Bách Khoa Tp. HCM
Ngành học: Điện công nghiệp
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế cung cấp điện cho nhà máy
thuốc lá VINASA
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 7/2008 tại Trường Đại
học Bách Khoa Tp. HCM.
Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Hữu Phúc.
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian
2010 - nay
Nơi công tác
Công ty TNHH xây dựng tổng
hợp Năm Quân Cà Mau
Công việc đảm nhiệm
Nhân viên kỹ thuật
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 07 năm 2014
Trịnh Quốc Toản
LỜI CẢM TẠ
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và tốt đẹp nhất đến:
Thầy Võ Viết Cường, người đã tận tâm, nhiệt tình hướng dẫn và cung cấp tài liệu
cho em trong suốt thời gian làm luận văn.
Quý Thầy Cô khoa Điện – Điện tử trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM đã
tận tình chỉ bảo và truyền thụ cho em những kiến thức và kinh nghiệm quý báu trong suốt
thời gian 2 năm theo học tại Trường.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 07 năm 2014
Trịnh Quốc Toản
TÓM TẮT
Hiện nay có rất nhiều nguồn điện gió (WP) sử dụng máy điện không đồng bộ (KĐB)
đang kết nối vào lưới điện phân phối (LĐPP). Các máy điện này thường không phát công
suất phản kháng (thậm chí tiêu thụ công suất phản kháng), cho nên chúng gây ảnh hưởng
chung đến ổn định điện áp toàn lưới, đồng thời có thể gây mất ổn định tại chính bản thân
nó bởi không còn cân bằng mômen làm việc. Luận văn này trình bày một phương pháp
nghiên cứu quan hệ giữa công suất tác dụng và điện áp tại điểm kết nối nguồn điện gió, từ
đó xác định được giới hạn điện áp. Trước hết, luận văn sẽ xây dựng mô hình máy điện
KĐB, sau đó xây dựng công cụ phân tích ổn định điện áp tại nút kết nối.
ABSTRACT
Currently there are a lot of wind power using asynchronous machine are connected to
the distribution grid. This machines is usually not found interest by reactive power (even
reactive power consumption), so they generally affect to the entire grid voltage stability,
and can cause instability in itself it is no longer balanced by the torque to work. This
thesis presents a method to study the relationship between the active power and voltage at
the connection point of wind power to determines the voltage limit. First, the thesis will
build asynchronous machine model, then build voltage stability analysis tool at the
connection point.
DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ CÁC HÌNH
Danh mục các bảng
- Bảng 3.1. Thông số máy phát và máy biến áp
- Bảng 3.2. Kết quả tính toán PBCS và trị số giới hạn ổn định điện áp khi UTH = 1 pu
- Bảng 3.3. Kết quả tính toán PBCS và trị số giới hạn ổn định điện áp khi UTH = 0.95 pu
-
Bảng 3.4. Thông số giới hạn nút kết nối WT trong chế độ cơ bản, vận tốc gió 15 m/s
Bảng 3.5. Giá trị công suất, điện áp của nút kết nối khi vận tốc gió 15 m/s
-
Bảng 3.6 .Thông số giới hạn nút kết nối WT trong chế độ cơ bản, vận tốc gió 10 m/s
-
Bảng 3.7. Giá trị công suất, điện áp của nút kết nối khi vận tốc gió 10 m/s
Bảng 3.8 .Thông số giới hạn tại nút kết nối khi điện áp suy giảm
-
Bảng 3.9. Giá trị công suất, điện áp tại nút kết nối khi điện áp suy giảm
Bảng 3.10. Thông số giới hạn tại nút kết nối khi có tụ bù
Bảng 3.11.Giá trị công suất, điện áp tại nút kết nối khi có tụ bù
Bảng 3.12. Thông số giới hạn tại nút kết nối khi có OLTC
Bảng 3.13. Giá trị công suất, điện áp tại nút kết nối khi có OLTC
Bảng 4.1. Thông số máy phát, đường dây 22 kV khu vực kết nối WP Ninh Thuận
Bảng 4.2. Thông số giới hạn tại nút kết nối trong trường hợp cơ bản với IM
Bảng 4.3. Kết quả xác định đặc tính PU trong trường hợp cơ bản với IM
-
Bảng 4.4. Thông số giới hạn tại nút kết nối IM khi đặt thiết bị bù
Bảng 4.5. Kết quả xác định đặc tính PU với IM khi có thiết bị bù
Bảng 4.6. Thông số giới hạn tại nút kết nối DFIM
Bảng 4.7. Kết quả xác định đặc tính PU với DFIM
Bảng 4.8 .Thông số giới hạn tại nút kết nối với DFIM khi điện áp nút kết nối suy giảm
Bảng 4.9. Kết quả xác định đặc tính PU với DFIM khi điện áp nút kết nối suy giảm
Danh mục các hình
- Hình 1.1. Sơ đồ khối của tuabin gió
- Hình 1.2. Cấu tạo cơ bản của tuabin gió trục đứng và trục ngang
- Hình 1.3. Sơ đồ lưới điện phân phối có kết nối nguồn điện phân tán
- Hình 2.1. Sơ đồ thay thế động cơ và quan hệ Pm(s)
- Hình 2.2 đặc điểm sơ đồ lưới điện trung áp
-
Hình 2.3. Hệ thống điện có các máy phát đồng bộ công suất nhỏ
-
Hình 2.4a. Máy điện KĐB rôto lồng sóc
-
Hình 2.4b. Máy điện KĐB rôto dây quấn
-
Hình 2.5 Mạch điện thay thế máy điện roto lồng sóc
-
hình 2.6 quan hệ momen và hệ số trược của máy điện KĐB
-
Hình 2.7. Mạch điện tương đương máy điện không đồng bộ
-
Hình 2.8. Mô hình và mạch điện tương đương máy điện
-
Hình 2.9. Đặc tính mômen - tốc độ và phân bố công suất trong máy điện DFIM
-
Hình 2.10. Sơ đồ tương đương hình T và sơ đồ đơn giản của DFIM
Hình 2.11. Mô hình mạng 2 cửa tương đương của DFIM
-
Hình 2.12. Sơ đồ lưới điện phân phối kết nối tuabin gió KĐB
-
Hình 3.1. Mô hình xây dựng tiêu chuẩn ổn định cho máy điện KĐB kết nối LĐPP.
-
Hình 3.2. Đặc tính mômen theo hệ số trượt của máy điện KĐB tuabin gió
-
Hình 3.3. Tiêu chuẩn thực dụng phân tích ổn định
-
Hình 3.4. Quan hệ điện áp theo hệ số trượt của WP
-
Hình 3.5 đặc tính công suất của tuabin gió 1.3 MW
-
Hình 3.6. Quan hệ công suất tác dụng và phản kháng của tuabin gió trong CĐXL
-
Hình 3.7. Sơ đồ hệ thống điện đơn giản
-
Hình 3.8 đặc tính PU nút tải khi cos2 = 1
-
Hình 3.9. Đồ thị quan hệ PTUT với cosφ2
-
Hình 3.10. Sơ đồ LĐPP kết nối máy điện KĐB (a) và mô hình tương đương (b)
-
Hình 3.11 biểu đồ pha điện áp
-
Hình 3.12 biểu đồ vectơ mặt phẳng công suất
-
Hình 3.13. Mô hình khảo sát giới hạn ổn định điện áp nút có WP trong LĐPP
-
Hình 3.14. Mô hình nghiên cứu ổn định điện áp có xét đến OLTC và thiết bị bù
-
Hình 3.15. Đặc tính PU nút kết nối trong khi tốc độ gió thay đổi
-
Hình 3.16. Đặc tính PU nút kết nối khi điện áp suy giảm
-
Hình 3.17. Đặc tính PU nút kết nối khi có tụ bù
-
Hình 3.18 đặt tính PU nút kết nối có OLTC
-
Hình 4.1. Sơ đồ lưới điện Ninh Thuận năm 2015 kết nối WP
-
Hình 4.2. Cấu trúc nguồn điện gió Phước Ninh 20 MW và đặc tính công suất máy điện
KĐB rôto lồng sóc công suất 2MW
-
Hình 4.3. Sơ đồ tương đương lưới điện Ninh Thuận
-
Hình 4.4. Đặc tính PU nút kết nối WP trong trường hợp cơ bản
-
Hình 4.5. Đặc tính PU nút kết nối WP khi có thiết bị bù
-
Hình 4.6 tổng hợp các phương án tính toán ổn định tại nút kết nối WP Ninh Thuận
-
Hình 4.7. Đặc tính PU tại nút kết nối với DFIM
-
Hình 4.8. So sánh đặc tính PU giữa IM và DFIM
-
Hình 4.9. Đặc tính PU nút kết nối DFIM và IM khi điện áp suy giảm
MỤC LỤC
Trang
Chương 0: Mở Đầu.......................................................................................................... i
1. Mục đích và lý do chọn đề tài................................................................................. i
2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu .................................................................... i
3. Mục đích của luận văn .......................................................................................... ii
4. Cấu trúc của luận văn .......................................................................................... iii
Chương 1: Tổng Quan Về Nguồn Điện Gió Và Ảnh Hưởng Của Nó Đến Chế Độ Vận
Hành Lưới Điện Phân Phối ........................................................................................... 1
1.1 Đặt vấn đề.............................................................................................................. 1
1.2 Các kiểu tuabin gió ................................................................................................ 3
1.2.1 Cấu tạo chung ................................................................................................ 3
1.2.2 Tuabin gió trục đứng và trục ngang ................................................................ 4
1.3 Các loại máy phát điện dùng trong tuabin gió ....................................................... 5
1.4 Ảnh hưởng của WP đến chế độ vận hành LĐPP .................................................... 6
1.4.1 Bài toán đánh giá ảnh hưởng của WP đến chất lượng điện năng LĐPP ......... 6
1.4.2. Bài toán đảm bảo chất lượng điện áp và ổn định điện áp của LĐPP có WP .. 7
1.5 Nội dung nghiên cứu của luận văn ......................................................................... 9
Chương 2: Nghiên Cứu Ổn Định Điện Áp Trong LĐPP Có Kết Nối WP .................... 11
2.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................... 11
2.2 Các bài toán phân tích ổn định điện áp khi có kết nối WP ................................... 11
2.2.1 Ổn định điện áp nút có động cơ không đồng bộ ............................................ 11
2.2.2. Ổn định điện áp nút phụ tải tổng hợp........................................................... 13
2.2.3. Ổn định điện áp nút có các máy phát đồng bộ công suất nhỏ ....................... 13
2.2.4. Ổn định điện áp nút có các máy điện không đồng bộ (KĐB) ........................ 15
2.2.5. Nhận xét chung ............................................................................................ 16
2.3 Mô hình máy điện không đồng bộ tuabin gió ....................................................... 16
2.3.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 16
2.3.2. Mô hình máy điện không đồng bộ tuabin gió loại rôto lồng sóc ................... 16
2.3.3. Mô hình máy điện không đồng bộ tuabin gió loại nguồn kép (DFIM) .......... 19
2.3.4. Nhận xét ...................................................................................................... 22
2.3.5. Bài toán tìm điều kiện đầu và PBCS trong LĐPP có WP sử dụng máy điện
không đồng bộ ............................................................................................................... 22
Chương 3: Nghiên Cứu Các Tiêu Chuẩn, Phương Pháp Đánh Giá Giới Hạn Ổn Định
Điện Áp Nút Kết Nối WP Không Đồng Bộ ................................................................... 26
3.1 Quá trình vật lý hiện tượng mất ổn định điện áp của máy điện KĐB.................... 26
3.1.1 Tiêu chuẩn ổn định ....................................................................................... 26
3.1.2. Xác định giới hạn ổn định điện áp của máy điện KĐB theo tiêu chuẩn thực
dụng .............................................................................................................................. 30
3.1.3. Hiện tượng sụp đổ điện áp ........................................................................... 31
3.2. Ví dụ minh họa ............................................................................................... 32
3.3. Các phương pháp đánh giá ổn định điện áp nút theo những kịch bản khác nhau khi
có WP. ........................................................................................................................... 36
3.3.1. Các phương pháp phân tích ổn định điện áp nút .......................................... 36
3.3.2. Phương pháp phân tích giá trị riêng ............................................................ 36
3.3.3. Phương pháp phân tích ổn định điện áp theo đặc tính công suất - điện áp
(đặc tính PU) ................................................................................................................. 38
3.3.4. Nhận xét về khả năng ứng dụng ................................................................... 41
3.4. phương pháp xác định giới hạn ổn định điện áp tại nút kết nối WP không đồng bộ
trong LĐPP theo đặc tính PU ........................................................................................ 42
3.4.1. Nội dung phương pháp ............................................................................... 42
3.4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng MBA điều chỉnh dưới tải (OLTC) và thiết bị bù công
suất phản kháng đến các giới hạn ổn định điện áp nút kết nối WP không đồng bộ ......... 46
3.4.3. Ứng dụng tính toán ...................................................................................... 48
3.4.4 Nhận xét chung ............................................................................................ 53
Chương 4: Phân Tích Ổn Định Điện Áp Lưới Điện Phân Phối Ở Việt Nam Có Kết Nối
Nguồn Điện Gió ............................................................................................................ 54
4.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................... 54
4.2. Phân tích ổn đinh điện áp lưới điện Ninh Thuận 2015 có kết nối nguồn điện gió
(WP) .............................................................................................................................. 54
4.2.1. Đặc điểm hiện trạng lưới điện Ninh Thuận .................................................. 54
4.2.2. Phân tích ổn định điện áp nút kết nối WP với máy điện IM ......................... 56
4.2.2.1. Xác định điều kiện đầu ......................................................................... 56
4.2.2.2. Kết quả phân tích ổn định nút kết nối bằng đặc tính PU ....................... 57
4.2.3. Phân tích ổn định điện áp nút kết nối WP với máy điện DFIM .................... 59
4.2.3.1. Đặc tính ổn định điện áp của WP khi điện áp đặt bằng điện áp
danh định ...................................................................................................................... 59
4.2.3.2. Đặc tính ổn định điện áp của WP khi điện áp đặt vào máy phát
suy giảm ........................................................................................................................ 60
4.2.3.3. Nhận xét chung ..................................................................................... 62
4.3. Kết luận chương 4 .............................................................................................. 62
Chương 5: Kết Luận ..................................................................................................... 64
Tài Liệu Tham Khảo..................................................................................................... 66
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CLDA: Chất lượng điện áp
CCĐ: Cung cấp điện
CĐXL: Chế độ xác lập
IM (Induction Machine): Máy điện không đồng bộ tốc độ cố định
DFIM (Doubly Fed Induction Machine): máy điện không đồng bộ nguồn kép
HTĐ: Hệ thống điện
KĐB: Không đồng bộ
Kdt: Hệ số dự trữ
LĐPP: Lưới điện phân phối
Mgh: Mômen giới hạn
Pgh: Công suất giới hạn
PU: Đường đặc tính ổn định điện áp công suất tác dụng - điện áp
QU: Đường đặc tính ổn định điện áp công suất phản kháng - điện áp
s: Hệ số trượt
sgh: Hệ số trượt giới hạn
Ugh: Điện áp giới hạn
WP (Wind power): nguồn điện gió
WT (Wind turbine): tuabin gió
XH: Điện kháng tính từ nút kết nối WP đến nút hệ thống
Chương 0: Mở đầu
GVHD: TS. Võ Viết Cường
CHƯƠNG 0
MỞ ĐẦU
1. MỤC ĐÍCH VÀ LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Các lưới điện phân phối (LĐPP) ở nước ta đang trong quá trình cải tạo, đầu tư và
phát triển mạnh mẽ. Khối lượng các đường dây tải điện, các trạm biến áp và các nguồn
điện công suất nhỏ kết nối với LĐPP đang gia tăng một cách nhanh chóng để đáp ứng nhu
cầu của phụ tải. Tuy nhiên trong quá trình phát triển, khả năng ổn định điện áp và độ dự
trữ ổn định của nhiều hệ thống cung cấp điện hiện còn ở mức thấp.
Vấn đề nêu trên phần nào đã làm giảm độ an toàn và chất lượng của các LĐPP,
nhất là một số khu vực nằm xa lưới điện. Để khắc phục các hiện tượng này, hệ thống điện
cần phải được tăng cường công suất nguồn và khả năng tải của đường dây. Do đó, hướng
giải quyết được đánh giá là có nhiều hiệu quả và cũng là xu thế hiện nay là phát triển các
nguồn điện phân tán (Distributed Generation - DG) như: điêzel, thuỷ điện nhỏ, điện mặt
trời, điện gió... để cung cấp điện tại chỗ cho phụ tải, góp phần giảm áp lực về nguồn cho
lưới điện Quốc gia.
Ở nước ta trong thời gian gần đây, wind power ( WP ) đã và đang phát triển mạnh
mẽ, một số lượng lớn các nguồn WP đã đi vào vận hành. Nhưng qua thực tế vận hành các
LĐPP với những WP này cũng đã đặt ra nhiều vấn đề cần giải quyết.
Với sự đa dạng của công nghệ máy phát điện phân tán, và sự phụ thuộc nhiều vào
điều kiện tự nhiên của chúng đã gây ra một số ảnh hưởng nhất định đến chất lượng điện
áp và mức ổn định điện áp ở khu vực có WP kết nối lưới điện. Bối cảnh này đặt ra nhiều
bài toán cần quan tâm nghiên cứu như: ảnh hưởng của nguồn phân tán đến chất lượng
điện áp, giới hạn ổn định điện áp của nguồn WP trong các LĐPP, giải pháp để nâng cao
ổn định điện áp ở các vị trí kết nối nguồn WP với lưới điện...
Đề tài luận văn đã chọn nhằm nghiên cứu giải quyết một số vấn đề liên quan đến
các nội dung nói trên.
i
Chương 0: Mở đầu
GVHD: TS. Võ Viết Cường
2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trong thực tế, công tác thiết kế và vận hành các LĐPP có kết nối nguồn WP đã đặt
ra hàng loạt các yêu cầu liên quan như: vấn đề đánh giá ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế
kỹ thuật khi WP tham gia vào quá trình cung cấp điện; về ảnh hưởng của WP đến mức độ
ổn định của các nút kết nối WP trong LĐPP... Bởi vì, khi lưới điện ngày càng phát triển
và sự tham gia ngày càng đa dạng của nguồn điện WP thì các yêu cầu về nâng cao chất
lượng điện năng, cải thiện độ tin cậy cung cấp điện và nâng cao mức ổn định chung của
lưới điện cũng luôn được quan tâm chú ý. Vì vậy bài toán nghiên cứu mức độ ổn định
điện áp của LĐPP khi có nguồn WP và các phương pháp đánh giá mức độ tin cậy trong
lưới điện có nguồn WP được đề xuất. Yêu cầu này được thiết lập do đặc tính công suất
của chúng phụ thuộc nhiều vào các yếu tố tự nhiên.
Liên quan đến nội dung đánh giá mức độ ổn định điện áp, luận văn sẽ đánh giá
mức độ ổn định của LĐPP khi có kết nối nguồn WP không đồng bộ (KĐB) tuabin gió. Ở
đây việc xem xét và đảm bảo ổn định điện áp tại nút kết nối WP sẽ được đề cập, bởi vì nút
kết nối ổn định sẽ mang ý nghĩa đảm bảo ổn định cho LĐPP, giúp người vận hành có thể
nhận biết được các tình huống "nguy hiểm" có thể xảy ra với LĐPP có WT không đồng
bộ.
Để thực hiện điều này, luận văn tiến hành xây dựng phương pháp xác định các giới
hạn ổn định điện áp dựa trên phép phân tích đặc tính ổn định PU trong LĐPP có kết nối
WP. Kết quả của điện áp và công suất giới hạn khi đó là một hàm số phụ thuộc thông số
phía lưới điện và WP (điện áp, hệ số trượt của WT không đồng bộ). Từ kết quả đó, áp
dụng phương pháp đánh giá ổn định điện áp nút đã xây dựng, luận văn đề xuất các giải
pháp nâng cao ổn định điện áp nút kết nối WT không đồng bộ dựa trên các kịch bản quan
tâm.
3. MỤC ĐÍCH CỦA LUẬN VĂN
Đề tài nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tế các lưới điện địa phương, cho các
dạng nguồn WP đang phát triển mạnh ở nước ta; do vậy nghiên cứu có nhiều ý nghĩa thực
tiễn khi ứng dụng trong thực tế. Nội dung ứng dụng bao gồm:
ii
Chương 0: Mở đầu
-
GVHD: TS. Võ Viết Cường
Luận văn xây dựng một công cụ tính toán giới hạn ổn định điện áp tại nút kết nối
DG không đồng bộ dựa trên đặc tính tĩnh của chúng. Kết hợp công cụ này với chỉ
tiêu phân tích sụt áp nút, luận văn đã đánh giá và xác định các nút yếu trong LĐPP
có WP không đồng bộ và đề xuất giải pháp nâng cao mức ổn định.
-
Tính toán độ dự trữ ổn định cho từng kịch bản vận hành.
Kết quả nội dung này được phân tích dựa trên lưới điện thực tế ở Ninh Thuận có kết nối
nguồn điện gió, trong đó luận văn đề cập với 2 loại máy phát điển hình của tuabin gió:
loại không đồng bộ rôto lồng sóc và loại không đồng bộ rôto dây quấn.
4. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Cấu trúc luận văn bao gồm phần mở đầu, nội dung các chương và kết luận chung:
Tóm tắt
Danh mục các bảng, các hình
Mục lục
Chương 0: Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về nguồn điện WP và các ảnh hưởng của chúng đến chế độ
vận hành lưới điện phân phối.
Chương 2: Nghiên cứu ổn định điện áp trong lưới điện phân phối có kết nối WP.
Chương 3: Nghiên cứu các tiêu chuẩn, phương pháp đánh giá giới hạn ổn định điện
áp nút kết nối WP không đồng bộ.
Chương 4: Phân tích ổn định điện áp lưới điện phân phối ở Việt Nam có kết nối
nguồn điện gió, kết luận, đề xuất và tài liệu tham khảo.
Chương 5: Kết luận
iii
Chương 1: Tổng quan
GVHD: TS. Võ Viết Cường
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA NÓ ĐẾN
CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Vấn đề giải quyết bài toán năng lượng cho mỗi quốc gia và trên toàn thế giới là bài
toán nan giải nhất toàn cầu hiện nay và cũng là một trong những nguyên nhân sâu xa để
xảy ra nhiều cuộc xung đột cấp quốc gia… Nguồn năng lượng được sử dụng chủ yếu các
nguồn năng lượng hóa thạch (khoảng 80%) như: than, dầu mỏ, các sản phẩm từ dầu mỏ,
khí thiên nhiên…
Tuy nhiên việc lạm dụng nguồn năng lượng này dẫn đến nhiều vấn đề:
- Trữ lượng nguồn năng lượng hóa thạch là hữu hạn và nếu lượng tiêu thụ năng
lượng hóa thạch của thế giới trong thời gian tới vẫn tăng thì dần dần chúng ta sẽ phải phụ
thuộc vào năng lượng hóa thạch giá cao. Khi giá cả thị trường tăng lên việc ứng dụng kỹ
thuật khai thác tiên tiến hơn để lấy được năng lượng hóa thạch từ những địa tầng sâu hơn
cũng được đẩy mạnh và như vậy trữ lượng năng lượng hóa thạch có khả năng khai thác
cũng sẽ tăng lên. Nhưng nếu khai thác đến một nửa trữ lượng của mỗi mỏ thì dù trữ lượng
còn đó cũng sẽ dẫn đến suy giảm năng suất và có thể chuyển sang sụt giảm sản lượng.
Tác hại của việc sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch:
- Nhiên liệu hóa thạch như dầu, than, khí tự nhiên khi đốt cháy sẽ thải ra CO2, sulfur
oxide (SOx), nitrogen oxide (NO x). Khi nồng độ của CO2 trong không khí tăng lên thì
nhiệt độ trái đất sẽ tăng lên. Người ta dự đoán rằng nếu nhân loại cứ tiếp tục đốt các nhiên
liệu hóa thạch như thế này và khí CO2 vẫn tiếp tục tăng lên thì sau 100 năm, nhiệt độ
trung bình của trái đất sẽ tăng lên hai độ làm ảnh hưởng rất lớn đối với trái đất.
- Ngoài ra, SOx, NOx là nguyên nhân tạo ra hiện tượng mưa acid gây ra những tác
hại to lớn đối với động thực vật trên trái đất.
Năng lượng đang sử dụng trên thế giới hiện nay nếu quy ra dầu thì gần 8,5 tỷ tấn,
trong đó 40% là dầu, than khoảng 26% và khí thiên nhiên khoảng 24%, 10% là năng
lượng khác. Lượng tiêu thụ năng lượng khác nhau tùy theo mỗi quốc gia. Ở các nước
đang phát triển, cũng có nhiều nước lượng tiêu thụ năng lượng bình quân trên đầu người
Trang 1
Chương 1: Tổng quan
GVHD: TS. Võ Viết Cường
thấp hơn 1/10 so với ở các nước phát triển. Nhưng sự gia tăng dân số và tăng trưởng kinh
tế của các nước đang phát triển làm người ta dự báo rằng trong thời gian tới nhu cầu năng
lượng của thế giới tăng lên sẽ tập trung chủ yếu ở các quốc gia đang phát triển.
- Tổng dân số thế giới năm 1996 vào khoảng 5,8 tỷ người, nhưng được dự báo đến
năm 2025 là 8 tỷ và sẽ đạt tới 9,8 tỷ vào năm 2050, trong đó dân số của các nước đang
phát triển sẽ chiếm khoảng 80%. Giả sử, mức tiêu thụ năng lượng của các nước đang phát
triển sẽ tăng gấp 2 lần so với hiện nay thì chúng ta sẽ phải đối mặt với một thời kỳ rất khó
khăn trong việc đáp ứng cung và cầu của năng lượng hóa thạch mà chủ yếu là dầu mỏ và
rồi nguồn tài nguyên hữu hạn này đến một ngày nào đó sẽ rơi vào tình trạng cạn kiệt.
- Dạng năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch là năng lượng mặt trời, năng
lượng từ sức gió, năng lượng sóng biển… Các dạng năng lượng mới này cần phải phát
triển, khai thác để sử dụng.
Có một giải pháp có thể nhanh chóng nâng cao sản lượng điện, đáp ứng nhu cầu điện
năng trong một thời gian không lâu đó là xây dựng các trạm điện bằng sức gió. Các máy
phát điện lợi dụng sức gió đã được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu, Mỹ và các nước
công nghiệp phát triển khác.
Việc nghiên cứu và ứng dụng về năng luợng gió cũng đã tiến hành rất nhiều nhưng
phần lớn là nghiên cứu ứng dụng phát điện công suất lớn, kết nối với lưới điện quốc gia
và mục tiêu là phục vụ thương mại.
Kết quả điều tra sơ bộ của Bộ Công Thương cho thấy, 8,6% diện tích đất của Việt
Nam được đánh giá là những vùng có tiềm năng lớn để phát triển năng lượng gió, nhất là
các tỉnh phía Nam, ước tính sản lượng vào khoảng trên 1.780 MW. Riêng tại Ninh Thuận,
Bình Thuận, Trà Vinh và Sóc Trăng, tổng công suất khai thác ước tính có thể lên tới
8.000 MW.
Theo đánh giá của các nhà khoa học, tiềm năng gió của Việt Nam (trên độ cao 65 m)
rất khả quan, ước đạt 513.360 MW, lớn hơn 200 lần công suất nhà máy thủy điện Sơn La
và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020.
Khi sử dụng năng lượng gió có những thuận lợi như sau:
- Giảm hoặc thay thế việc xây dựng các nhà máy điện truyền thống dùng năng lượng
Trang 2
Chương 1: Tổng quan
GVHD: TS. Võ Viết Cường
hóa thạch, năng lượng hạt nhân.
- Không gây ô nhiễm môi trường khi tuabin vận hành sản xuất điện năng.
- Là nguồn năng lượng gần như không bao giờ cạn kiệt.
- Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần thiết.
- Việc lắp đặt và xây dựng các tuabin gió tương đối nhanh.
- Mặc dù chi phí tổng của năng lượng gió hiện nay có giá đắt hơn nhiều so với
nguồn năng lượng truyền thống, nhưng nó không bị ảnh hưởng bởi giá nguyên liệu và sự
gián đoạn cung cấp.
- Tạo ra nhiều công ăn việc làm hơn so với các nhà máy năng lượng khác, khi cùng
sản xuất ra một đơn vị năng lượng. Một Megawatt điện gió cần từ 2,5 – 3,0 nhân công
làm việc.
- Các tuabin gió mang lại nhiều lợi ích kinh tế cho nông dân và các chủ đất từ nguồn
thu cho thuê đất nơi đặt các máy phát điện gió, mà không làm ảnh hưởng đến việc canh
tác ngay trên mảnh đất đó.
Công nghệ năng lượng gió có thể thay đổi cho nhiều ứng dụng có công suất từ nhỏ
đến lớn. Thời gian từ khi khảo sát đến lắp đặt và vận hành ngắn và có những thuận lợi
khác mà các nhà máy điện kiểu truyền thống không làm được.
Do vậy, với năng lượng gió ở Việt Nam sẽ thuận lợi khi dùng các loại máy phát điện
gió công suất nhỏ sẽ phù hợp với tiềm năng gió của Việt Nam. Những loại máy phát điện
gió công suất nhỏ phù hợp với các vùng ở nông thôn, các vùng hải đảo và những vùng có
tốc độ gió trung bình thay đổi nhiều. Khi đi vào sản xuất các loại máy phát điện gió công
suất nhỏ có hiệu suất cao thì thường chi phí sản xuất khá cao và khó khăn trong việc sản
xuất hàng loạt. Vấn đề đặt ra là cần tìm được loại máy phát điện có giá thành thấp, hiệu
suất cao, điều khiển và vận hành dễ dàng.
1.2 CÁC KIỂU TUABIN GIÓ
1.2.1 Cấu tạo chung
Tuabin gió sẽ chuyển đổi động lực của gió thành năng lượng cơ. Năng lượng cơ
này có thể sử dụng cho những công việc như là bơm nước, truyền động cho các máy
nghiền lương thực hoặc cho một máy phát để có thể chuyển đổi từ năng lượng cơ thành
Trang 3
Chương 1: Tổng quan
GVHD: TS. Võ Viết Cường
năng lượng điện.
Thành phần chính của tuabin gió phục vụ cho việc chuyển từ năng lượng cơ thành
năng lượng điện như hình 1.1.
Hình 1.1: Sơ đồ khối của tuabin gió.
Trong thực tế có hai loại tuabin gió, đó là tuabin gió trục đứng và tuabin gió trục
ngang.
1.2.2 Tuabin gió trục đứng và trục ngang
Có nhiều kiểu thiết kế khác nhau cho tuabin gió và được phân ra làm hai loại cơ
bản: Tuabin gió trục ngang và tuabin gió trục đứng. Các cánh quạt gió thường có các dạng
hình dáng: cánh buồm, mái chèo, hình chén đều được dùng để “bắt” năng lượng gió và
tạo ra moment quay trục tuabin.
Tuabin gió trục ngang có rotor kiểu chong chóng với trục chính nằm ngang. Số
lượng cánh quạt có thể thay đổi, tuy nhiên thực tế cho thấy loại 3 cánh là có hiệu suất cao
nhất. Loại tuabin này có các thành phần cấu tạo nằm thẳng hàng với hướng gió, cánh quạt
quay sẽ truyền chuyển thông qua bộ truyền động tăng tốc và đến máy phát. Loại tuabin
trục ngang không bị ảnh hưởng bởi sự xáo trộn luồng khí, nhưng yêu cầu phải có một hệ
thống điều chỉnh hướng gió bằng cơ khí để đảm bảo các cánh quạt luôn luôn hướng thẳng
góc với chiều gió, hình 1.2 a.
Tuabin gió trục đứng có cánh nằm dọc theo trục chính đứng. Loại này không cần
phải điều chỉnh cánh quạt theo hướng gió và có thể hoạt động ở bất kỳ hướng gió nào.
Việc duy tu bảo quản và duy trì vận hành dễ dàng vì các bộ phận chính như máy phát, hệ
thống truyền động đều được đặt ngay trên mặt đất. Tuy nhiên nó cần có không gian rộng
hơn cho các dây chằng chống đỡ hệ thống, hình 1.2 b.
Trang 4
Chương 1: Tổng quan
GVHD: TS. Võ Viết Cường
a)
b)
Hình 1.2: Cấu tạo cơ bản tuabin a) trục đứng và b) trục ngang.
1.3 CÁC LOẠI MÁY PHÁT ĐIỆN DÙNG TRONG TUABIN GIÓ
Máy phát là một trong những thành phần quan trọng nhất của hệ thống năng lượng
gió. Ngược lại với các máy phát điện sử dụng năng lượng thông thường, máy phát điện
của một tuabin gió làm việc theo mức năng lượng dao động với các biến thể của tốc độ
gió. Các loại máy phát điện khác nhau được sử dụng cho máy phát gió, những tuabin gió
nhỏ được trang bị một máy phát điện một chiều với công suất vài kW, những hệ thống lớn
hơn thì sử dụng máy phát điện xoay chiều 3 pha. Trong những quy mô lớn thì hệ thống
gió được tích hợp với lưới điện. Máy phát điện xoay chiều 3 pha là sự lựa chọn hợp lý
nhất trong việc lắp đặt những tuabin gió. Những máy phát này có thể là máy phát cảm
ứng (máy điện không đồng bộ) hay máy phát đồng bộ.
Hầu hết các tuabin gió được trang bị máy phát cảm ứng. Chúng thì đơn giản, xây
dựng dễ dàng và cung cấp những hiệu quả tốt ở những điều kiện vận hành khác nhau.
Máy phát cảm ứng tương đối rẻ tiền và ít yêu cầu về bảo dưỡng và bảo trì.
Trang 5
Chương 1: Tổng quan
GVHD: TS. Võ Viết Cường
1.4 ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN WP ĐẾN CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH LĐPP
Với các đặc tính công suất phát không ổn định và phụ thuộc điều kiện tự nhiên của
WP (tốc độ gió) nên trong quá trình vận hành chúng gây ra những tác động nhất định đến
chế độ vận hành LĐPP. Do vậy, cho đến nay các nghiên cứu cũng chủ yếu tập trung xem
xét các ảnh hưởng mang tính địa phương của WP, các ảnh hưởng này bao gồm:
- Ảnh hưởng đến chất lượng điện năng và ổn định điện áp đối với các LĐPP,
- Ảnh hưởng đến cấu hình lưới điện, đến phối hợp bảo vệ rơle,...
Các ảnh hưởng mang tính hệ thống (ảnh hưởng đến tần số) ít được xem xét do quy
mô công suất của WP thường nhỏ hơn nhiều so với công suất chung của hệ thống điện.
Cho đến nay hầu hết các nghiên cứu đều tập trung vào việc phân tích tính hợp lý trong
cung cấp điện và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng khi kết nối WP. Vì vậy, không
chỉ ở Việt Nam mà ở nhiều nước khác thì vấn đề nâng cao tính hợp lý, cải thiện hiệu quả
làm việc của LĐPP có WP luôn được đặt lên hàng đầu. Lý do dễ thấy là LĐPP luôn thay
đổi và mở rộng, trong khi số lượng WP tham gia ngày càng lớn và ngày càng đa dạng về
công nghệ và chủng loại.
1.4.1 Bài toán đánh giá ảnh hưởng của WP đến chất lượng điện năng LĐPP
Bài toán này thường được xem xét bằng cách phân tích các chỉ tiêu về chất lượng
điện áp, tổn thất công suất hay độ tin cậy cung cấp điện trước và sau khi kết nối WP. Do
đó để có những cảm nhận rõ ràng hơn về những ảnh hưởng đến chất lượng điện năng từ
các WP, rất cần thiết phải có những kết quả mô phỏng thực tế.
Với các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng nói chung, nếu gọi XWP và Xk_WP lần
lượt là các đại lượng đặc trưng cho chất lượng điện năng của LĐPP khi hệ thống có và
không có WP thì chỉ tiêu này được biểu diễn bởi:
%=
_
. 100
(1.1)
Dựa vào giá trị và dấu của X% cho phép đánh giá được ảnh hưởng của WP khi tham gia
vào lưới điện, nó đặc trưng cho việc đánh giá ảnh hưởng của WP đến chất lượng điện áp,
hiệu quả giảm tổn thất công suất hoặc độ tin cậy CCĐ. Công cụ này cho phép đánh giá
Trang 6
Chương 1: Tổng quan
GVHD: TS. Võ Viết Cường
chất lượng điện năng khá đơn giản và hiệu quả, tuy nhiên với từng trường hợp cụ thể khi
mô tả thực nghiệm ta cũng cần phải có những phương pháp xác định chỉ tiêu X một cách
phù hợp.
Chỉ tiêu đánh giá mức độ ổn định điện áp cũng thuộc nội dung bài toán này, tuy
nhiên do tính chất phức tạp của bài toán ổn định nên nó thường được nghiên cứu riêng
biệt với các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện năng thông thường. Ở đây các chỉ số dùng
để phân tích đều dựa trên việc thiết lập công cụ đánh giá mức độ ổn định tại nút trước và
sau khi kết nối WP. Cách tiếp cận để xây dựng các chỉ số này dựa trên việc giải bài toán
phân bố công suất, thiết lập ma trận Jacobi, xét dấu của ma trận để thành lập các chỉ số ổn
định hoặc phân tích dựa trên tiêu chuẩn ổn định thực dụng.
1.4.2. Bài toán đảm bảo chất lượng điện áp và ổn định điện áp của LĐPP có WP
Bài toán này được đặt ra với nhiệm vụ đảm bảo chất lượng điện áp cho các phụ tải
trong LĐPP khi có WP. Sự khác biệt cơ bản ở đây là bài toán phân tích ổn định điện áp
thường được đặt ra với các WP sử dụng máy điện KĐB, do khả năng phát công suất phản
kháng hạn chế của chúng. Thực chất của quá trình nghiên cứu này là nghiên cứu quá trình
dẫn đến mất ổn định nút kết nối WP trong LĐPP, các đánh giá này thường dựa trên các
tiêu chuẩn ổn định.
Với các hướng tiếp cận tĩnh và động, có thể mô tả bài toán phân tích ổn định điện
áp trong LĐPP có nguồn WP không đồng bộ như sau: Cho sơ đồ LĐPP có WP không
đồng bộ (hình 1.3). Ở hình này, T là nút kết nối chung các WP; HT là nút hệ thống; δ1 và
δ2 lần lượt là góc pha điện áp giữa nút HT và nút T. Mục đích ở đây là xác định giới hạn
ổn định điện áp tại nút T để tìm hướng cải thiện mức ổn định điện áp nút.
UHT∠ δ1
UT∠δ2
hệ thống
(HT)
phụ tải
Z = R + jX
T
Hình 1.3. Sơ đồ lưới điện phân phối có kết nối nguồn điện phân tán
Hiện có 2 hướng chính để giải quyết bài toán này:
Trang 7
Chương 1: Tổng quan
GVHD: TS. Võ Viết Cường
Thứ nhất: Sử dụng mô hình chi tiết: mô tả mối quan hệ công suất tác dụng, phản
kháng của WP theo điện áp và hệ số trượt (s). Mô hình này của WP được kết nối với
LĐPP và các phụ tải tổng hợp, cho biến thiên thông số phía hệ thống theo hướng mất ổn
định để tìm giới hạn làm việc của phụ tải và WP.
Theo hướng này thì các phép tiếp cận động, phân tích giá trị trị riêng, hay phương
pháp tính liên tục chế độ xác lập... thường được ứng dụng để phân tích. Các phép kết hợp
giữa mô phỏng tĩnh - động cũng được dùng rộng rãi để nghiên cứu các vấn đề ổn định
điện áp, có xét đến mô hình các thiết bị như: máy phát, thiết bị bù, kích từ...
Cách tiếp cận này thường gặp ở các nghiên cứu về lưới điện cao áp [6] có kết nối
nguồn WP công suất lớn. Kịch bản hay đặt ra ở đây là đảm bảo ổn định điện áp và ổn
định động cho WP khi xuất hiện các kích động lớn ngẫu nhiên xảy ra trong HTĐ. Hướng
nghiên cứu này cũng gặp một số khó khăn do mô hình bài toán phức tạp, xác định bởi
những hệ phương trình trạng thái xác lập hệ thống liên quan đến thông số của máy điện
và các phần tử trong HTĐ. Tuy nhiên do thường đem lại kết quả khá chính xác nên khá
nhiều nghiên cứu đề cập theo cách tiếp cận này.
Thứ hai: Đẳng trị các WP về một nút kết nối chung (nút T), coi nút này như một
nút PV hoặc PQ, sau đó sử dụng các công cụ giải tích hoặc chương trình mô phỏng để
xác định giới hạn ổn định điện áp ở nút quan tâm. Thực chất của phép biến đổi này là sử
dụng mô hình quan hệ công suất giữa nút T và nút HT, sau đó thành lập biểu thức xác
định điện áp và công suất giới hạn khi mô hình phụ tải thay đổi.....
Với các WP có công suất nhỏ kết nối LĐPP, mức giới hạn ổn định điện áp thường
được đánh giá qua hướng tiếp cận này [2], [4] nhằm tìm hiểu các đáp ứng của LĐPP và
giới hạn làm việc của các nút khi có sự thay đổi công suất phát từ WP. Thực tế, do WP là
nguồn phát thiếu tính ổn định, công suất thường khá nhỏ nên hầu hết các nghiên cứu về
WP trong các HTĐ đều coi chúng như một nút PQ. Điều này cho phép có thể làm đơn
giản hoá các sơ đồ LĐPP phức tạp. Ưu điểm của cách tiếp cận này là:
- Khối lượng tính toán giảm đáng kể;
Trang 8
