nghiên cứu ảnh hưởng đấu nối các nhà máy phát điện gió lên lưới điện bình thuận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN BẢO QUỐC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐẤU NỐI CÁC NHÀ MÁY
PHÁT ĐIỆN GIÓ LÊN LƯỚI ĐIỆN BÌNH THUẬN

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 4 1 2 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN BẢO QUỐC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐẤU NỐI CÁC NHÀ MÁY
PHÁT ĐIỆN GIÓ LÊN LƯỚI ĐIỆN BÌNH THUẬN

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250
GVHD : TS. NGUYỄN HOÀNG VIỆT

TP. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013

TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
Họ và tên

:

NGUYỄN BẢO QUỐC.

Ngày sinh

:

09/01/1981.

Nơi Sinh

:

Bến Tre.

Địa chỉ liên lạc

:

76/01 Dƣơng Văn Cam - Phƣờng Linh Tây –
Quận Thủ Đức – TP.HCM.

Điện thoại

:

0972246635.

Email

:



Quá trình học tập:
-

Từ năm 2005 - 2010: học đại học ngành Điện Khí Hoá & Cung Cấp Điện tại
trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh.

-

Từ năm 2011-2013: học cao học ngành Thiết Bị Mạng & Nhà Máy Điện tại
trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh.

Quá trình công tác:
-

Từ tháng 04 / 2010 đến nay: Công tác tại trƣờng Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao
Thắng – 65 Huỳnh Thúc Kháng – Phƣờng Bến Nghé – Quận 1 – Tp. Hồ
Chí Minh.


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố
trong các công trình nghiên cứu khác.

TP. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2013
(ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Bảo Quốc.


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................
...........................................................................................................................................

...........................................................................................................................................

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày …. Tháng ….. năm 2013

PGS. TS. Nguyễn Hoàng Việt


MỤC LỤC
CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU LUẬN VĂN.......................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề: ............................................................................................................. 1
1.2. Các kết quả trong và ngoài nƣớc đã công bố: ..................................................... 2
1.3. Các vấn đề nghiên cứu của đề tài : ....................................................................... 4
1.4. Mục tiêu và nhiệm vụ ............................................................................................. 6
1.5. Phƣơng pháp giải quyết ......................................................................................... 6
1.6. Giới hạn đề tài ........................................................................................................ 6
1.7. Điểm mới của luận văn .......................................................................................... 6
1.8. Phạm vi ứng dụng .................................................................................................. 6
1.9. Bố cục của luận văn................................................................................................ 7
CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN ............................................................................................. 8
2.1 Bối cảnh lịch sử phát triển : ................................................................................... 8
2.2 Hiện tại phát triển của năng lƣợng gió trên thế giới........................................ 100
2.2.1) Cái nhìn tổng quát về trạm phát năng lượng gió kết nối vào lưới điện. 100
2.2.2) Châu Âu 11
2.2.3) Bắc Mĩ 12
2.2.4) Nam và Trung Mĩ.
14
2.2.5) Châu Á và Thái Bình Dương 15
2.2.6 ) Trung Đông và Châu Phi
16
2.3 Kĩ thuật hiện tại của turbine gió ......................................................................... 16

CHƢƠNG 3 NĂNG LƢỢNG GIÓ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .............................. 19
3.1 Đặc tính của gió: .................................................................................................. 19
3.2 Tình hình phát triển điện gió ở Việt Nam: ....................................................... 22
3.2.1 ) Tìm năng năng lượng gió : 22
3.2.2 ) Các dự án gió hiện nay :
23
CHƢƠNG 4 KHẢO SÁT CÁC LOẠI MÁY PHÁT GIÓ VÀ CÁC THIẾT BỊ
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG TURBINES GIÓ .................................................... 25
4.1 Các loại Tuabin gió: ............................................................................................ 25
4.1.1 ) Máy phát gió loại fixed-speed :
25
4.1.2 ) Máy pháy gió loại variable-speed : 26
4.1.3 )Tuabin gió vận tốc thay đổi dùng máy phát cảm ứng nguồn đôi……….......
27
CHƢƠNG 5 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG PSCAD VÀ NGHIÊN CỨU
ẢNH HƢỞNG CÁC ĐẦU NỐI PHÁT GIÓ. ................................................................ 29
5.1 Giới thiệu về mô hình DFIG trong PSCAD : ...................................................... 29
5.2 Giới thiệu về mô hình máy phát không đồng bộ rotor lòng sóc trong
PSCAD : ............................................................................................................................ 31
5.3 Nghiên cứu ảnh hƣởng đấu nối các nhà máy phát gió trên lƣới điện : ........... 33
5.3.1 ) Mô hình đấu nối các nhà máy phát gió trên lưới điện Bình Thuận:
33
5.3.2 ) Sơ đồ mô tả đấu nối lưới của các máy phát gió và các trạm biến áp trên
lưới điện Bình Thuận 37


5.3.3 ) Nghiên cứu ảnh hưởng đấu nối các nhà máy phát gió lên lưới điện Bình
Thuận : 38
CHƢƠNG 6 KẾT LUẬN ................................................................................................ 117
6.1.Kết luận ................................................................................................................. 117

6.2.Hƣớng phát triển đề tài...................................................................................... 117
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 117


MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Bảng 1.1: Sự phát triển của turbine gió trong 1985 – 2004. ...................................... 2
Bảng 2.1 : Lịch sử turbine gió ..................................................................................... 8
Bảng 2.2: Hoạt động của các turbine gió loại công suất lớn. .................................... 9
Bảng2.3: Top 10 nước có công suất lắp đặt tích lũy................................................. 10
Bảng 2.4: Top 10 nước có công suất lắp đặt mới. .................................................... 10
Bảng 2.5: Tổng công suất năng lượng gió lắp đặt trên toàn thế giới. ...................... 11
Bảng 2.6: Tổng công suất năng lượng gió lắp đặt ở Châu Âu. ................................ 11
Bảng 2.7: Tổng công suất năng lượng gió lắp đặt ở Châu Âu. ................................ 12
Bảng 2.8: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 –
cuối năm 2006 ........................................................................................................... 13
Bảng 2.9: Tổng công suất lắp đặt ở Canada............................................................. 13
Bảng 2.10: Tổng công suất lắp đặt ở Mỹ .................................................................. 14
Bảng 2.11: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 –
cuối năm 2006 ........................................................................................................... 15
Bảng 2.12: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 –
cuối năm 2006 ........................................................................................................... 15
Bảng 2.13: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 –
cuối năm 2006 ........................................................................................................... 16
Bảng 2.14: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 –
cuối năm 2006 ........................................................................................................... 16
Bảng 2.15 : Giá thành sản xuất ra 1 kWh của các nguồn năng lượng khác nhau.... 18
Hình 3.1 : Vận tốc gió khi qua cánh tuabin .............................................................. 20
Hình 3.2 : Hình vẽ thể hiện

opt

ứng với từng góc pitch-angle khác nhau. ........... 21

Hình 3.3 : Biểu đồ thể hiện góc quay tối ưu với các hệ số λ khác nhau .................. 22
Hình 4.1 : Dao động điện áp đầu ra khi đầu vào là vận tốc gió thay đổi với lạo
máy phát fixed-speed ................................................................................................. 26
Hình 4.2 Cấu tạo cơ bản của loại fixed-speed .......................................................... 26


Hình 4.3 Điện áp đầu ra của máy phát khi đầu vào là vận tốc gió thay đổi khi sử
dụng máy phát loại variable-speed ........................................................................... 27
Hình 4.4 Tuabin gió vận tốc thay đồi với máy phát DFIG ..................................... 28
Bảng 4.5 So sánh giữa các hệ thống tuabin gió ....................................................... 28
Hình 5.1 Sơ đồ máy phát mô phỏng trong PSCAD ................................................ 29
Hình 5.2 : mô hình tuabin gió ................................................................................... 29
Hình 5.3 : Xác định dòng điều khiển bên rotor ......................................................... 30
Hình 5.4 : Xác định vị trí của vector từ thông .......................................................... 30
Hình 5.5 : Vị trí của rotor ......................................................................................... 30
Hình 5.6 : Xác định góc slip-angle ............................................................................ 30
Hình 5.7: Sơ đồ đóng cắt các khóa IGBT của phương pháp điều khiển Hyteresis .. 31
Bảng 5.8 : Quy hoạch điện gió Bình Thuận 2015 ..................................................... 34
Bảng 5.9 : Công suất lắp đặt tại các khu vực ........................................................... 35
Hình 5.10 : Sơ đồ lưới điện Bình Thuận và các nút đấu nối nhà máy phát gió ........ 36
Hình 5.11 : Sơ đố đấu nối trạm biến áp 37
Hình 5.12 : Sơ đồ đấu nối một nút wind farm ........................................................... 37
Bảng 5.13 : Công suất từng cụm turbine ............................................................... 114
Hình 5.14 : Điện áp tại các nút .............................................................................. 115
Hình 5.15 : Dòng phân bố công suất ..................................................................... 116

CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
1.1. Đặt vấn đề:
Điện năng đóng vai trò rất quan trọng đối với sản xuất sản phẩm hàng hóa và
cải thiện đời sống của con ngƣời. Chính vì vậy, nhà nƣớc luôn quan tâm tới sự phát
triển của ngành điện, tạo điều kiện cho ngành điện trở thành một ngành công nghiệp
mũi nhọn phục vụ sự nghiệp Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa đất nƣớc.
Xu hƣớng chuyển dịch từ hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc sang
thị trƣờng điện cạnh tranh đã và đang diễn ra mạnh mẽ ở nhiều nƣớc trên thế giới. Thị
trƣờng điện với cơ chế mở đã đem lại hiệu quả ở các nƣớc và cho thấy những ƣu điểm
vƣợt trội hơn hẳn hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc truyền thống. Hệ
thống điện không ngừng phát triển cả về số lƣợng, chất lƣợng và độ tin cậy. Các nguồn
năng lƣợng điện đƣợc sử dụng ngày càng nhiều và phong phú : gió, năng lƣợng mặt
trời, sóng biển.....
Năng lƣợng gió đƣợc sử dụng cách đây 3000 năm. Đến đầu thế kỉ 20, năng
lƣợng gió đƣợc dùng để cung cấp năng lƣợng cơ học nhƣ bơm nƣớc hay xay ngũ cốc.
Vào đầu kỉ nguyên công nghiệp hiện đại, nguồn năng lƣợng gió đƣợc sử dụng để thay
thế năng lƣợng hóa thạch hay hệ thống điện nhằm cung cấp nguồn năng lƣợng thích
hợp hơn.
Đầu những năm 1970, do khủng hoảng giá dầu, việc nghiên cứu năng lƣợng gió
đƣợc quan tâm. Vào thời điểm này, mục tiêu chính là dùng năng lƣợng gió cung cấp
năng lƣợng điện thay thế cho năng lƣợng cơ học. Việc này đã làm cho năng lƣợng gió
trở thành nguồn năng lƣợng đáng tin cậy và thích hợp nhờ sử dụng nhiều kĩ thuật năng
lƣợng khác – thông qua mạng lƣới điện dùng nhƣ nguồn năng lƣợng dự phòng.
Turbine gió đầu tiên dùng để phát điện đƣợc phát triển vào đầu thế kỉ 20. Kĩ
thuật này đƣợc phát triển từng bƣớc một từ đầu những năm 1970. Cuối những năm
1990, năng lƣợng gió trở thành một trong những nguồn năng lƣợng quan trọng nhất.
Trong những thập kỉ cuối của thế kỉ 20, tổng năng lƣợng gió trên toàn thế giới tăng
xấp xỉ gấp đôi sau mỗi 3 năm. Chi phí điện từ năng lƣợng gió giảm xuống còn 1/6 so

với chi phí của đầu những năm 1980. Và xu hƣớng giảm này vẫn tiếp tục. Các chuyên

NGUYỄN BẢO QUỐC

Trang 1


gia dự đoán rằng tổng năng lƣợng tích lũy trên toàn thế giới hằng năm sẽ tăng khoảng
25% một năm và chi phí sẽ giảm khoảng 20% - 40%.
Kĩ thuật năng lƣợng gió phát triển rất nhanh vể mọi mặt. Cuối năm 1989, việc
chế tạo một turbine gió công suất 300 kW có đƣờng kính rotor 30 m đòi hỏi kĩ thuật
tối tân. Nhƣng chỉ trong 10 năm sau đó, một turbine gió công suất 2000 kW có đƣờng
kính rotor vào khoảng 80 m đã đƣợc sản xuất đại trà. Tiếp theo đó dự án dùng turbine
gió công suất 3 MW có đƣờng kính rotor 90 m đƣợc lắp đặt vào cuối thế kỉ 20. Hiện
tại, turbine gió công suất 3 – 3.6 MW đã đƣợc thƣơng mại hóa. Bên cạnh đó, turbine
gió công suất 4 – 5 MW đã đƣợc phát triển hay chuẩn bị kiểm tra trong một số dự án,
và turbine gió công suất 6 – 7 MW đang đƣợc phát triển trong tƣơng lai gần. Bảng 1
cho ta cái nhìn về sự phát triển của turbine gió từ năm 1985 đến năm 2004.
Năm
Công suất (kW)
Đƣờng kính rotor (m)
1985
50
15
1989
300
30
1992
500
37

1994
600
46
1998
1500
70
2003
3000 – 3600
90 – 104
2004
4500 – 5000
112 – 128
Bảng 1.1: Sự phát triển của turbine gió trong 1985 – 2004.
Trên cơ sở những kết quả của các công trình nghiên cứu trƣớc đây về sự phát
triển của năng lƣợng gió đã đạt đƣợc, đề tài đề xuất tên “Nghiên cứu ảnh hưởng đấu
nối các nhà máy phát gió trên lưới điện Bình Thuận” nhằm nghiên cứu các ảnh
hƣởng khi đấu nối các nhà máy phát gió đến lƣới điện truyền tải về công suất tác dụng,
công suất phản kháng, điện áp nút khi vận hành ở chế độ bình thƣờng và chế độ sự cố
để đánh giá khả năng và hiệu quả của việc đấu nối các nhà máy phát gió từ đó giảm
đƣợc chi phí sản xuất điện năng , nâng cao hiệu quả truyền tải và hạn chế nhƣợc điểm
của các công trình nghiên cứu trƣớc đây.
1.2. Các kết quả trong và ngoài nƣớc đã công bố:
Hệ thống lƣới điện truyền tải quốc gia cơ bản đáp ứng đƣợc các yêu cầu truyền
tải điện năng từ các nhà máy điện cho các phụ tải, đảm bảo cung cấp điện phục vụ cho
nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội và nhằm giảm tổn thất điện năng do truyền tải. Tuy

NGUYỄN BẢO QUỐC

Trang 2

nhiên, hệ thống vẫn chƣa có khả năng cung ứng dự phòng, việc nghiên cứu đƣa vào sử
dụng các nguồn năng lƣợng mới là vấn đề cấp thiết đáp ứng nhu cầu điện cũng nhƣ
năng lƣợng quốc gia. Chính vì điều đó, việc nghiên cứu tính toán và thiết kế hệ thống
nhà máy điện gió đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển hệ thống điện quốc gia.
Hiện nay, nhà nƣớc ta có nhiều công trình ủng hộ nghiên cứu phát triển điện gió, cụ
thể là :
 Chƣơng trình dự án năng lƣợng gió GIZ “Tình hình phát triển điện gió
và khả năng cung ứng tài chính cho các dự án ở Việt Nam”, Phan Thanh
Tùng, Vũ Chi Mai , Angelika Wasielke 2012
 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nƣớc , đề tài mã số : 59A.01.12
“Máy điện dị bộ nguồn kép dùng làm máy phát trong hệ thống phát điện
chạy sức gió: Các thuật toán điều chỉnh bảo đảm phân ly giữa mômen và
hệ số công suất “ , Nguyễn Phùng Quang , 1998
 Dự án hợp tác Quỹ bảo vệ môi trƣờng Việt Nam và Hội đồng kỹ thuật
điện quốc tế ( IEC ) “European Wind Energy Association – EWEA “,
Viện KHCN Môi Trƣờng , 02 / 2012
Hiện tại, tại các quốc gia phát triển và các trƣờng Đại học lớn trên thế giới cũng
bắt tay vào nghiên cứu đấu nối vận hành các nhà máy phát gió lên lƣới điện truyền tải,
tối ƣu hóa các luồn phân bố công suất nâng cao hiệu quả truyền tải, giảm chi phí, sử
dụng nhƣ nguồn năng lƣợng dự phòng sạch. Cụ thể là:
 Transient Analysis of Grid-Connected Wind Turbines with DFIG After
an External Short-Circuit Fault, Tao Sun, Z Chen, Frede Blaabjerg,
NORDIC WIND POWER CONFERENCE, 1-2 MARCH, 2004,
CHALMERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY.
 . Renewable and Efficient Electric Power Systems, Gilbert M. Masters,
Stanford University; Wiley.
 Control and Stability Analysis of a Doubly Fed Induction Generator
Toufik Bouaouiche, Mohamed Machmoum IREENA-LARGE, Saint
Nazaire cedex, France

 Novel Power Electronics Systems for Wind Energy Application : Final
Report; Erickson, Al-Naseem, University of Colorado

NGUYỄN BẢO QUỐC

Trang 3


Bằng phƣơng pháp đo đạc, chúng ta đã lập đƣợc biểu đồ quang khí hậu tại
nhiều vùng của Việt Nam. Bản đồ quang khí hậu mà cụ thể là tốc độ gió sẽ cho cái
nhìn chính xác hơn về điều kiện phát điện bằng năng lƣợng gió.
Với sự trợ giúp ngày càng nhiều và càng mạnh của máy tính, các chƣơng trình
tính toán đƣợc viết để mô hình hóa và mô phỏng công trình với các điều kiện địa lý, tự
nhiên, khí hậu, vật liệu và kỹ thuật thiết bị. Nhờ đó, càng có thể đƣa thêm nhiều ràng
buộc đầu vào trong bài toán năng lƣợng gió, nhờ đó có thể đƣa ra đƣợc những dự báo
chính xác hơn.
1.3. Các vấn đề nghiên cứu của đề tài :
Tính cấp thiết của đề tài
Trong thực tiễn, hệ thống điện gió của Việt Nam đƣợc thiết kế và xây dựng dựa
trên Quy định tiêu chuẩn Việt Nam về hệ thống điện gió nhƣ sau:
 Quyết định 1208/2011/QĐ-TTg ban hành ngày 21 tháng 7 năm 2011 về
phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020
có xét đến năm 2030.
 Quyết định của Thủ tƣớng Chính phủ số 26/2006/QĐ-TTg3 ban hành 26
tháng 01 năm 2006, phê duyệt lộ trình, các điều kiện hình thành và phát
triển các cấp độ thị trƣờng điện lực
 Quyết định 24/2011/QĐ-TTg của Thủ tƣớng Chính phủ về điều chỉnh
giá bán điện theo cơ chế thị trƣờng..
 Quyết định 37/2011/QĐ-TTg về cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện
gió tại Việt Nam.

 Quyết định 18/2008/QĐ-BCT về biểu giá chi phí tránh đƣợc và Hợp
đồng mua bán điện mẫu áp dụng cho các nhà máy điện nhỏ sử dụng năng
lƣợng tái tạo
Do đặc thù tính không ổn định của gió tự nhiên nên khi tính toán thiết kế hệ
thống điện gió, ngƣời ta phải tận dụng một số thiết bị điện tử công suất trong hệ thống

NGUYỄN BẢO QUỐC

Trang 4


. Tuy nhiên, gió tự nhiên có những ƣu điểm nhƣ tính kinh tế cao nên thƣờng đƣợc yêu
cầu xem xét trong thiết kế hệ thống cung cấp điện cho khu vực nhỏ không nối lƣới..
Mặc dù cơ cấu điện năng sản xuất từ gió cung cấp cho hệ thống điện chỉ chiếm
từ 2% đến 5% tổng nhu cầu điện năng của hệ thống điện. Tuy nhiên, việc tận dụng
năng lƣợng điện gió đƣợc dự tính có thể thay thế lƣới điện quốc gia để cung cấp điện
cho các khu vực nhƣ đảo, vung đồng bằng cửa sông hoặc gần biển. Điều này sẽ đem
lại một tiềm năng tiết kiệm năng lƣợng lớn trong hệ thống điện so với giải pháp sử
dụng các nguồn năng lƣợng hóa thạch.
Việc dự đoán một mạng điện gió tối ƣu đem lại kết quả thực tiễn cho các giải
pháp về cung cấp điện cũng nhƣ hệ thống truyền tải và phân phối điện năng. Kết quả
của việc nghiên cứu này giúp thiết kế những hệ thống điện gió nối lƣới phù hợp thực tế
dễ vận hành mang lai hiệu quả về cả tính kỹ thuật và kinh tế.
Ý nghĩa luận
Việc đƣa thêm vào sủ dụng nguồn năng lƣợng điện gió giúp ta từng bƣớc cân
bằng lại nguồn năng lƣợng cung ứng cho hệ thống điện. Rõ ràng năng lƣợng gió là
nguồn năng lƣợng tự nhiên và vô tận việc tận dụng một cách hiệu quả nguồn năng
lƣợng này vào hệ thống điện quốc gia sẽ mang lai rất nhiếu lợi ích kinh tế đi kém là
các giải pháp tiết kiệm năng lƣợng. Nếu biết rõ đặc tính của năng lƣợng gió và các
thiết bị phát điện bằng năng lƣợng gió khi đƣa vào đấu nối các nhà máy điện gió sẽ

giúp việc vận hành dễ dàng hơn và hiệu quả sẽ tăng cao. Tuy nhiên, chúng ta cần có
những tính toán cụ thể, những thí nghiệm gần với thực tế để vửa đảm bảo chất lƣợng
điện năng cũng nhƣ hiệu quả kinh tế khi đấu nối các nhà máy phát gió.
Tính thực tiễn của đề tài
Hiện nay, nguồn năng lƣợng chính cung cấp cho hệ thống điện vẫn là thủy điện,
nhiệt điện và phải nhập khẩu từ nƣớc ngoài, cho nên việc nghiên cứu đƣa vào sử dụng
nguồn năng lƣợng điện gió là hết sức cần thiết và thực tế.
Ngoài ra, nƣớc ta có tiềm năng lơn về nguồn năng lƣợng gió, đồng thời đƣợc sự
hỗ trợ giúp đỡ từ chính phủ, các tổ chức năng lƣợng điện gió, sẽ giúp ta có cơ sở để
huy hoạch phát triển, đầu tƣ xây dựng các hệ thống điện gió ở các vùng có tiềm năng
về gió tại Việt Nam.

NGUYỄN BẢO QUỐC

Trang 5


Do đó, việc nghiên cứu ảnh hƣởng của việc đấu nối các nhà may phát gió tai
vung có tiềm năng lớn nhƣ Bình thuận sẽ giúp ta có cái nhien chính xác hơn và những
đành giá về khả năng đầu tƣ xây dƣng và hòa lƣới điện quốc gia với các dự án điện
gió.
1.4. Mục tiêu và nhiệm vụ
 Tìm hiểu các loại máy phát gió
 Trình bày nguyên lý hoạt động và điều khiển của máy phát gió rotor lòng
sóc và DFIG (Doubly-Fed Induction Generator)
 Giải quyết bài toán vận hành khi đấu nối các nhà máy phát gió lên lƣới điện
o Vận hành chế độ bình thƣờng
o Vận hành chế độ sự cố
 Đánh giá khả năng và hiệu quả các nhà máy phát gió khi đấu nối vận hành
1.5. Phƣơng pháp giải quyết

-

Giải tích và mô phỏng toán học.

-

Ứng dụng phần mềm PSCAD.

1.6. Giới hạn đề tài
 Chỉ xét đến hƣớng vận hành các nhà máy phát gió trên lƣới truyền tải,
không xét đến cấu tạo và nguyên lý điều khiển của các nhà máy phát gió.
1.7. Điểm mới của luận văn
-

Xây dựng mô hình nghiên cứu các ảnh hƣởng của các nhà máy phát gió lên
lƣới điện có thông số điện lực thực tế.

-

Xét đến các trƣờng hợp bình thƣờng và sự cố để đánh giá khả năng đấu nối
các nhà máy phát gió.

1.8. Phạm vi ứng dụng
-

Ứng dụng cho các mô hình hay lƣới điện bất kỳ.

-

Ứng dụng cho các lƣới điện IEEE mẫu.

-

Ứng dụng cho lƣới điện 500KV , 200KV Việt Nam tính đến năm 2012.

NGUYỄN BẢO QUỐC

Trang 6


-

Làm tài liệu tham khảo khi vận hành lƣới điện có đấu nối các nhà máy phát
gió.

-

Làm tài liệu tham khảo cho bài giảng môn học cung cấp điện.

1.9. Bố cục của luận văn
Chƣơng 1: Giới thiệu luận văn.
Chƣơng 2: Tổng quan.
Chƣơng 3: Năng lƣợng gió trong hệ thống điện.
Chƣơng 4: Khảo sát các loại máy phát gió và các bộ điện tử công suất trong
turbines gió.
Chƣơng 5: Xây dƣng mô hình mô phỏng PSCAD và nghiên cứu các ảnh hƣởng
đấu nối các nhà máy phát gió
Chƣơng 6: Kết luận.

NGUYỄN BẢO QUỐC

Trang 7


CHƢƠNG 2
TỔNG QUAN
2.1 Bối cảnh lịch sử phát triển :
Trong năm 1891, Dane Poul LaCour đã chế tạo turbine gió đầu tiên phát ra
điện. Các kĩ sƣ Đan Mạch đã phát triển kĩ thuật để bổ sung năng lƣợng thiếu trong
chiến tranh thế giới thứ nhất và thứ hai. Turbine gió của công ty Đan Mạch F. L.
Smidth chế tạo trong năm 1941 – 1942 có thể đƣợc xem là nguyên mẫu đầu tiên của
turbine gió phát điện ngày nay. Turbine gió Smidth đầu tiên sử dụng cánh máy bay
dựa trên kĩ thuật tiên tiến của ngành máy bay cùng thời. Vào cùng thời điểm đó, một
ngƣời Mĩ Palmer Putnam đã chế tạo turbine gió khổng lồ cho công ty Mĩ Morgan
Smith Co., có đƣờng kính 53 m. Turbine gió này không chỉ khác ở kích thƣớc to lớn
mà kĩ thuật chế tạo cũng khác biệt. Kĩ thuật của ngƣời Đan Mạch cơ bản dựa trên cánh
quạt theo chiều gió đang thổi với sự điều khiển ngừng quay, hoạt động ở tốc độ chậm.
Kĩ thuật của Putnam cơ bản dựa trên cánh quạt theo hƣớng gió thổi với bộ điều chỉnh
tốc độ. Tuy nhiên turbine gió của Putnam vẫn chƣa thành công. Nó đƣợc dỡ bỏ vào
năm 1945. Bảng 2 sẽ cho ta cái nhìn tổng quát về lịch sử của turbine gió.
Turbine và
nƣớc sản xuất

Poul LaCour,
Đan Mạch
Smith –
Putnam, USA
F. L. Smidth,
Đan Mạch
F. L. Smidth,

Đan Mạch
Gedser, Đan
Mạch
Hutter, Đức

Đƣờng Diện tich Công
kính quét (m2) suất
(m)
(kW)

Số
cánh
quạt

Ngày
ra
đời

4

Chiều
cao
tháp
(m)
¾

23

408

18

Công
suất
riêng
(kW/m2)
0.04

53

2231

1250

0.56

2

34

1941

17

237

50

0.21

3

24

1941

24

456

70

0.15

3

24

1942

24

452

200

0.44

3

25

1957

34

908

100

0.11

2

22

1958

1891

Bảng 2.1 : Lịch sử turbine gió
Sau chiến tranh thế giới thứ hai, ở Đan Mạch Johannes Juul cải tiến kĩ thuật
thiết kế của ngƣời Đan Mạch. Turbine gió của anh ta, đƣợc đặt ở Gedser – Đan Mạch,

NGUYỄN BẢO QUỐC

Trang 8


phát 2.2 triệu kWh từ năm 1956 và 1967. Vào cùng thời điểm đó, gia đình German

Hutter đã phát triển một kĩ thuật thiết kế mới. Turbine gió gồm 2 cánh mỏng bằng
nhựa đón theo hƣớng gió thổi của tháp trên trục quay. Turbine gió này nổi tiếng về
hiệu suất cao.
Trái lại sự thành công của turbine gió Juul và Huuter, việc nghiên cứu turbine
gió công suất lớn bị ngƣng sau chiến tranh thế giới thứ hai. Chỉ có loại turbine gió
công suất nhỏ cho hệ thống công suất ở vùng sâu vùng xa hay sạc pin là còn đƣợc
quan tâm. Việc khủng hoảng giá dầu đầu những năm 1970, năng lƣợng gió mới đƣợc
quan tâm trở lại. Kết quả là tài chính hỗ trợ cho nghiên cứu và phát triển năng lƣợng
gió đã đƣợc đầu tƣ. Các nƣớc nhƣ Đức, Mĩ và Thụy Điển đã nghiên cứu phiên bản
turbine gió công suất lớn (vào khoảng megawatt). Tuy nhiên, nhiều phiên bản này
(xem bảng 1.3) đã không đáp ứng đƣợc mong đợi vì nhiều vấn đề kĩ thuật.
Turbine và nƣớc
sản xuất
Mod – 1, USA

Đƣờng
kính
(m)
60

Diện tich
quét (m2)
2827

Công
suất
(MW)
2

Giờ

hoạt
động
¾

Công suất Thời gian
đã phát
hoạt động
(GWh)
¾
1979 – 83
¾
1981 – 87

Growian, Đức
100
7854
3
420
Smith – Putnam,
53
2236
1.25
695
0.2
USA
WTS – 4, USA
78
4778
4
7200

16
Nibe A, Đan Mạch
40
1257
0.63
8414
2
WEG LS – 1, GB
60
2827
3
8441
6
Mod – 2, USA
91
6504
2.5
8658
15
Nasudden I, Thụy
75
4418
2
11400
13
Điển
Mod – OA, USA
38
1141
0.2

13045
1
Tjæreborg, Đan
61
2922
2
14175
10
Mạch
École, Canada
64
4000
3.6
19000
12
Mod – 5B, USA
98
7466
3.2
20561
27
Maglarp WTS – 3,
78
4778
3
26159
34
Thụy Điển
Nibe B, Đan Mạch
40

1257
0.63
29400
8
Tvind, Đan Mạch
54
2290
2
50000
14
Bảng 2.2: Hoạt động của các turbine gió loại công suất lớn.

NGUYỄN BẢO QUỐC

1941 – 45
1982 – 94
1979 – 93
1987 – 82
1982 – 88
1983 – 88
1977 – 82
1988 – 93
1987 – 93
1987 – 92
1982 – 92
1980 – 93
1978 – 93

Trang 9

2.2 Thực tại phát triển của năng lƣợng gió trên thế giới.
Mục tiếp theo sẽ giới thiệu cái nhìn tổng quát về hiện tại phát triển của năng
lƣợng gió trên toàn thế giới vào cuối thế kỉ 20. Xa hơn chúng ta sẽ tìm hiểu những mô
hình hỗ trợ năng lƣợng gió. Cái nhìn tổng quát đƣợc chia thành hai phần:
 Máy phát năng lƣợng gió kết nối vào lƣới điện.
 Hệ thống độc lập.
2.2.1) Cái nhìn tổng quát về trạm phát năng lượng gió kết nối vào lưới điện.
Năng lƣợng gió là nguồn năng lƣợng có kĩ thuật phát triển nhanh nhất vào
những năm 1990 khi xét về tỉ lệ phần trăm sự phát triển công suất lắp đặt so với nguồn
kĩ thuật. Tuy nhiên, sự phát triển của nguồn năng lƣợng gió không phân phối đều trên
toàn thế giới (dựa theo bảng để thấy rõ sự chênh lệch).

Bảng2.3: Top 10 nước có công suất lắp đặt tích lũy

Bảng 2.4: Top 10 nước có công suất lắp đặt mới.

NGUYỄN BẢO QUỐC

Trang 10


2.2.2) Châu Âu
Giữa cuối năm 1995 và cuối năm 2003, khoảng 76% trạm phát năng lƣợng gió
mới kết nối vào mạng lƣới điện trên thế giới đƣợc lắp đặt ở Châu Âu (theo bảng 6).
Đất nƣớc có công suất gió lắp đặt lớn nhất ở Châu Âu là Đức, Đan Mạch, Tây Ban
Nha (theo bảng 7).

Bảng 2.5: Tổng công suất năng lượng gió lắp đặt trên toàn thế giới.

Bảng 2.6: Tổng công suất năng lượng gió lắp đặt ở Châu Âu.

NGUYỄN BẢO QUỐC

Trang 11


Bảng 2.7: Tổng công suất năng lượng gió lắp đặt ở Châu Âu.
Ở những nƣớc có tổng công suất gió lớn, yếu tố chính trong sự phát triển cùa
năng lƣợng gió đƣợc gọi là thuế nuôi cố định cho năng lƣợng gió. Loại thuế nuôi cố
định nhƣ vậy đƣợc định nghĩa bởi chính phủ nhƣ là giá mua năng lƣợng mà sự phân
phối địa phƣơng hay công ty truyền tải phải trả cho sự sản sinh năng lƣợng tái tạo
đƣợc đƣa vào hệ thống mạng. Thuế nuôi cố định điều chỉnh gây nguy hiểm tài chính
cho nhà đầu tƣ năng lƣợng gió khi giá mua năng lƣợng là một giá cơ bản cố định trong
khoảng tối thiểu 10 đến 15 năm.
Ví dụ, ở Đức, cơ quan năng lƣợng mới (EEG – Renewable Energy Sources Act)
xác định giá mua (thuế nuôi cố định) cho năng lƣợng gió lắp đặt trong năm 2004 nhƣ
sau: 8.8 eurocents cho 1 kWh trong 5 năm đầu tiên và 5.9 eurocents cho 1 kWh trong
những năm tiếp theo. Hiện tại chính phủ Đức đang làm việc để thay đổi EEG và giá
mua năng lƣợng
2.2.3) Bắc Mĩ
Năm 1998 bƣớc ngoặt thứ hai đƣợc bắt đầu ở Mĩ. Thời điểm này, các nhà phát
triển dự án gió đã lắp đặt các dự án truớc khi Quỹ thuế sản phẩm liên bang (PTC –
Production Tax Credit) hết hiệu lực trong ngày 30 – 5 – 1999. PTC đã thêm 0.016 0.017 $ cho 1 kWh vào các dự án năng lƣợng gió trong 10 năm đầu tiên của tuổi thọ

NGUYỄN BẢO QUỐC

Trang 12

nhà máy năng lƣợng gió. Trong khoảng giữa năm 1998 và ngày 30 – 5 – 1990, thêm
hơn 800 MW nhà máy năng lƣợng gió mới đƣợc lắp đặt ở Mĩ. Điều này bao gồm
khoảng 120 cho đến 250 MW của sự phát triển năng lƣợng tái tạo ở vài nông trại gió
California. Một sự phát triển tƣơng tự xảy ra vào cuối năm 2001, đó là thêm 1600 MW
vào khoảng giữa năm 2001 và tháng 11 – 2001 cũng nhƣ vào cuối năm 2003, với việc
thêm 1600 MW. Đầu năm 2004, PTC đã giữ lại lần nữa và sự phát triển của năng
lƣợng gió ở Mĩ giảm xuống. Tuy nhiên, 9 – 2004 PTC đã hồi phục lại cho đến cuối
năm 2006. Ngoài California và Texas, còn có những dự án lớn ở các bang Iowa,
Minnesota, Oregon, Washington, Wyoming và Kansas. Nông trại gió cỡ lớn đầu tiên
cũng vừa mới lắp đặt ở Canada.

Bảng 2.8: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006
– cuối năm 2006

Bảng 2.9: Tổng công suất lắp đặt ở Canada

NGUYỄN BẢO QUỐC

Trang 13


Bảng 2.10: Tổng công suất lắp đặt ở Mĩ.
Công suất đặc trƣng của turbine gió ở Bắc Mĩ vào cuối những năm 1990 vào
khoảng 500 đến 1000 kW. Năm 1999, turbine megawatt đầu tiên đƣợc dựng lên và từ
năm 2001, nhiều dự án đã sử dụng turbine megawatt. Tuy nhiên khi so sánh với Châu
Âu, nói chung kích thƣớc của nông trại gió thƣờng lớn hơn. Thông thƣờng, ở Bắc Mĩ,
nông trại gió thƣờng lớn hơn 50 MW, trong đó cũng có một vài dự án lên tới 200 MW.
Ở Châu Âu, các dự án thƣờng vào khoảng 20 đến 50 MW. Nguyên nhân là mật độ dân
số cao ở Trung tâm Âu và kế tiếp là diện tích giới hạn. Những hạn chế này đã dẫn đến
sự phát triển năng lƣợng gió ngoài khơi. Ở Mĩ, các dự án ngoải khơi vẫn chƣa đƣợc

quan tâm.
2.2.4) Nam và Trung Mĩ.
Trái với nguồn tài nguyên gió dồi dào ở nhiều vùng Nam và Trung Mĩ, sự phát
triển năng lƣợng gió ở đây rất chậm, bởi vì thiếu những chính sách năng lƣợng gió phù
hợp cũng nhƣ giá điện thấp. Nhiều dự án gió ở Nam Mĩ có nguồn tài chính hỗ trợ bởi
các chƣơng trình trợ giúp quốc tế. Tuy nhiên, Argentina đã giới thiệu chính sách mới
vào cuối năm 1998 qua đó cung cấp tài chính hỗ trợ nhà máy năng lƣợng gió, nhƣng
thành công rất ít. Ở Brazil, thực tiễn chính quyền một vài vùng đã bắt đầu cung cấp
thuế nuôi ƣu đãi cho năng lƣợng gió. Công suất đặc trƣng của turbine gió ở vùng này
vào khoảng 300 kW. Kích thƣớc gió lớn hơn rất khó lắp đặt do hạn chế của cơ sở hạ
tầng cho những thiết bị lớn (ví dụ nhƣ cần trục). Năng lƣợng gió ngoài khơi chƣa có kế
hoạch, nhƣng xa hơn nữa dự án nhỏ và trung bình (≤ 100 MW) đang đƣợc phát triển
trong bờ, đặc biệt ở Brazil.

NGUYỄN BẢO QUỐC

Trang 14


Bảng 2.11: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 – cuối
năm 2006
2.2.5) Châu Á và Thái Bình Dương
Ấn Độ đã đạt đƣợc sự tăng trƣởng ấn tƣợng trong việc lắp đặt turbine gió vào
giữa những năm 1990, tạo nên “Sự kiện Ấn Độ”. Năm 1992/93, chính phủ Ấn Độ đã
bắt đầu cung cấp những sự khuyến khích đặc biệt cho đầu tƣ năng lƣợng tái tạo (ví dụ
nhƣ định mức mua tối thiểu đƣợc đảm bảo, và 100% giảm thuế đƣợc phép trong năm
đầu tiên của dự án).
Ở Trung Quốc, sự phát triển năng lƣợng gió đƣợc hƣớng trội hơn bởi các
chƣơng trình hỗ trợ quốc tế, mặc dù một vài chƣơng trình chính phủ xúc tiến năng
lƣợng gió (ví dụ nhƣ chƣơng trình cƣỡi trên gió của ủy ban kế hoạch). Ở Nhật, sự phát

triển nổi trội bởi các dự án minh chứng kiểm tra với nhiều kĩ thuật turbine gió khác
nhau. Vào cuối những năm 1990 dự án năng lƣợng gió thƣơng mại đầu tiên bắt đâu
hoạt động trên hòn đảo Hokkaido và Okinawa, Nghiên cứu năng lƣợng gió liên tục
phát triển ở Nhật. Cũng vào cuối những năm 1990, dự án năng lƣợng gió đầu tiên đƣợc
triển khai ở New Zealand và Úc. Hƣớng hỗ trợ chính cho sự phát triển năng lƣợng gió
ở Úc là mô hình chứng nhận xanh.
Ở Trung Quốc và Ấn Độ, công suất đặc trƣng của turbine gió vào khoảng 300
– 600 kw; tuy nhiên, vài turbine megawatt cũng đƣợc lắp đặt. Ở Úc, Nhật và New
Zealand, chủ yếu dùng loại 1 – 1.5 MW.

Bảng 2.12: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 –
cuối năm 2006
NGUYỄN BẢO QUỐC

Trang 15


Bảng 2.13: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006 – cuối
năm 2006
2.2.6 ) Trung Đông và Châu Phi
Sự phát triển năng lƣợng gió ở Châu Phi rất chậm. Hầu hết các dự án yêu cầu
hỗ trợ tài chính từ Quốc tế và các tổ chức, và có giới hạn vùng hỗ trợ. Dự án đƣợc lên
kế hoạch ở Ai Cập, nơi cơ quan nhà nƣớc cho năng lƣợng mới và tái tạo (NREA –
New and Renewable Energy Authority) muốn xây dựng dự án 600 kW gần thành phố
Zafarana. Một dự án cũng đang đƣợc lên kế hoạch ở Morocco cũng nhƣ ở Jordan (25
MW). Công suất đặc trƣng của turbine gió dùng trong những vùng này vào khoảng
300 kW, nhƣng cũng có kế hoạch dùng turbine 500 – 600 kW cho những dự án tƣơng
lai.

Bảng 2.14: Tổng công suất lắp đặt (MW) vào cuối năm 2005 – đầu năm 2006

– cuối năm 2006
2.3 Kĩ thuật hiện tại của turbine gió
Hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió có thể chia thành loại phụ thuộc vào kéo
động lực và loại nâng động lực. Vùng Persian (hay Trung Quốc) sớm sử dụng cánh
quạt trục đứng theo quy tắc kéo. Tuy nhiên, thiết bị loại kéo có hệ số công suất rất
thấp, với giá trị max đạt khoảng 0.16.
Turbine gió hiện đại dựa trên ƣu thế của quy tắc nâng. Thiết bị loại nâng dùng
cánh máy bay (cánh) tƣơng tác với hƣớng gió đang tới. Lực là kết quả từ thân máy bay
tƣơng tác với dòng không khí lƣu chuyển bao gồm không chỉ có thành phần lực kéo
theo hƣớng trực tiếp dòng lƣu chuyển mà còn có thành phần lực vuông góc với hƣớng
kéo: lực nâng. Lực nâng là một bội số của lực kéo và do đó liên quan đến năng lƣợng
quay rotor. Theo định nghĩa, nó vuông góc với hƣớng dòng khí lƣu chuyển có nghĩa bị

NGUYỄN BẢO QUỐC

Trang 16