Phân tích các mô hình hệ thống điện tuabin gió công suất nhỏ làm việc độc lập
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.76 MB, 95 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
---------------------------
LÊ HOÀNG HÀ
PHÂN TÍCH CÁC MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN
TUABIN GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ LÀM VIỆC
ĐỘC LẬP
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM
---------------------------
LÊ HOÀNG HÀ
PHÂN TÍCH CÁC MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN
TUABIN GIÓ CÔNG SUẤT NHỎ LÀM VIỆC
ĐỘC LẬP
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. BÙI XUÂN LÂM
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Bùi Xuân Lâm
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
TT
1
2
3
4
5
Họ và tên
Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp. HCM, ngày __ tháng __ năm 2018
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Lê Hoàng Hà
Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh:
Nơi sinh:
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
MSHV:
I- Tên đề tài:
Phân tích các mô hình hệ thống điện tuabin gió công suất nhỏ làm việc độc lập
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Tổng quan tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng gió;
- Tổng quan hệ thống điện tuabin gió;
- Nghiên cứu các mô hình hệ thống điện tuabin gió công suất nhỏ làm việc độc lập;
- Nghiên cứu và mô hình máy phát điện gió không đồng bộ rotor lồng sóc làm việc
độc lập;
- Mô phỏng các mô hình hệ thống điện tuabin gió công suất nhỏ làm việc độc lập sử
dụng máy phát điện gió không đồng bộ rotor lồng sóc.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Bùi Xuân Lâm
CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
LỜI CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và
kết quả đạt được trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn và các tài liệu tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy đủ
nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
Lê Hoàng Hà
LỜI CÁM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS. TS. Bùi Xuân Lâm đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đầy đủ và tốt các nhiệm vụ được giao của đề
tài luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức
quý báu của chuyên ngành Kỹ thuật điện mà là một nền tảng vững chắc cho tôi
hoàn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 16SMĐ12 đã động viên và giúp đỡ
tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM; Viện Khoa
học Kỹ thuật, Viện Đào tạo sau đại học và cơ quan nơi tôi đang công tác đã tạo mọi
điều kiện tốt nhất cho tôi có thể hoàn thành khóa học và đề tài luận văn tốt nghiệp
này.
Lê Hoàng Hà
i
Tóm tắt
Các nhà máy điện gió công suất nhỏ có thể linh hoạt đặt ở những địa
điểm khác nhau. Gần đây, các nhà máy điện gió có thể được đặt ở ven biển mà
theo các nghiên cho thấy rằng các nhà máy điện gió này cho sản lượng điện cao
hơn các nhà máy điện gió trong đất liền. Lý do chính là tốc độ gió ở ven biển
thông thường lớn hơn tốc độ gió trong đất liền. Điều này thật sự có giá trị đối
với Việt Nam với chiều dài bờ biển trên 3.000 km. Theo ước tính, công suất
tương ứng với điều kiện địa lý này là khoảng hàng tỉ kW.
Với tính chất linh hoạt, các tuabin gió của nhà máy điện gió cũng có thể
được lắp đặt trên mái nhà cao tầng nhằm cung cấp nhu cầu điện năng cho nội
bộ tòa nhà,...
Bên cạnh đó, để tăng độ tin cậy cung cấp điện liên tục cho phụ tải, một
mô hình kết hợp giữa một nhà máy điện gió công suất nhỏ, một máy phát điện
diesel và một hệ thống lưu trữ ắc-quy là một mô hình hoàn chỉnh và khả thi cho
một hệ thống phụ tải xa hoặc không có lưới điện quốc gia. Các mô hình này sẽ
được giới thiệu và phân tích trong luận văn này.
Từ các vấn đề cơ bản đã được trình bày, đề tài luận văn, "Phân tích các
mô hình hệ thống điện tuabin gió công suất nhỏ làm việc độc lập" được lựa
chọn thực hiện mà bao gồm các nội dung như sau:
- Chương 1: Giới thiệu chung
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống điện tuabin gió công suất nhỏ
- Chương 3: Mô hình toán máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc
của hệ thống điện gió làm việc độc lập
- Chương 4: Mô phỏng và phân tích các cấu hình hệ thống điện gió công
suất nhỏ làm việc độc lập sử dụng máy phát điện không đồng bộ rotor
lồng sóc
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai
ii
Abstract
Small-capacity wind farms can be flexibly located in different locations.
Wind power plants can now be located in coastal areas, according to studies
showing that off-shore wind farms produce more electricity than on-shore wind
farms. The main reason is that the wind speed in coastal areas is usually higher
than the inland wind speed. This is really valuable for Vietnam with a coastline
of over 3,000 km. It is estimated that the capacity corresponding to this
geographical condition is around billions of kilowatts.
With their versatility, wind turbines can also be installed on high-rise
roofs to provide electricity for the building.
In addition, to increase the reliability of uninterruptible power supply for
a load, a combined model of a small wind power plant, a diesel generator and a
battery storage system is one. A complete and feasible model for a grid system
with or without a national grid. These models will be introduced and analyzed
in this thesis.
From the basic issues presented, the thesis topic, "Analysis on isolated
wind power system models with a small power" is selected for
implementation, which includes the following contents:
- Chapter 1: Introduction
- Chapter 2: Background to wind power systems
- Chapter 3: Mathematic model of a squirrel rotor induction generator in
isolated wind power systems
- Chapter 4: Simulations and analysis
- Chapter 5: Conclusions and future works
iii
MỤC LỤC
Tóm tắt............................................................................................................ i
Mục lục ......................................................................................................... iii
Danh sách hình vẽ ........................................................................................ vi
Danh sách bảng.............................................................................................. x
Chương 1 - Giới thiệu chung ..................................................................... 1
1.1. Giới thiệu ............................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn ....................................................... 3
1.2.1. Mục tiêu của luận văn ........................................................................ 3
1.2.2. Nhiệm vụ của luận văn ....................................................................... 3
1.3. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................... 3
1.4. Phạm vi nghiên cứu của đề tài ............................................................... 3
1.5. Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến hệ thống điện gió công suất
nhỏ ................................................................................................................ 3
1.6. Bố cục dự kiến của luận văn .................................................................. 6
Chương 2 - Cơ sở lý thuyết hệ thống điện tuabin gió công suất nhỏ ..... 8
2.1. Giới thiệu ............................................................................................... 8
2.2. Tốc độ gió và cấp gió .......................................................................... 12
2.3. Hệ thống điện gió công suất nhỏ ......................................................... 13
2.3.1. Tuabin gió công suất nhỏ ................................................................. 13
2.3.2. Bộ điều khiển sạc .............................................................................. 16
2.3.3. Hệ thống ắc-quy ............................................................................... 16
2.3.4. Bộ nghịch lưu ................................................................................... 17
2.3.5. Máy phát điện dự phòng ................................................................... 18
2.4. Đặc tính công suất gió ......................................................................... 21
2.5. Mật độ không khí ................................................................................. 22
2.6. Các bộ biến đổi công suất .................................................................... 23
2.6.1. Bộ khởi động mềm ........................................................................... 24
iv
2.6.2. Bộ tụ bù ............................................................................................ 25
2.6.3. Bộ biến đổi áp DC/DC ..................................................................... 26
2.7. Năng lượng gió tại Việt Nam .............................................................. 36
Chương 3 - Mô hình toán máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc
của hệ thống điện gió làm việc độc lập ................................................... 41
3.1. Giới thiệu ............................................................................................. 41
3.2. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc ......................... 41
3.2.1. Phần tĩnh hay stator .......................................................................... 42
3.2.2. Phần quay hay rotor .......................................................................... 45
3.3. Mô tả toán học của máy phát điện không đồng bộ .............................. 46
3.4. Các cấu hình hệ thống điện gió độc lập ............................................... 51
3.4.1. Hệ thống điện gió độc lập ................................................................. 52
3.4.2. Hệ thống điện gió được ghép với máy phát điện dự phòng diesel ... 54
3.4.3. Hệ thống điện gió được ghép với bộ biến tần và ắc-quy .................. 57
Chương 4 - Mô phỏng và phân tích các cấu hình hệ thống điện gió
công suất nhỏ làm việc độc lập sử dụng máy phát điện không đồng
bộ rotor lồng sóc ....................................................................................... 58
4.1. Giới thiệu ............................................................................................. 58
4.2. Mô hình và mô phỏng các phần tử trong các cấu hình hệ thống điện gió
công suất nhỏ sử dụng máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc ........ 58
4.2.1. Mô hình và mô phỏng máy phát điện gió không đồng bộ rotor lồng
sóc ............................................................................................................... 58
4.2.2. Mô hình và mô phỏng bộ nghịch lưu trong hệ thống điện gió ......... 59
4.2.3. Máy phát điện diesel ......................................................................... 60
4.2.4. Ắc-quy .............................................................................................. 61
4.2.5. Phụ tải điện ....................................................................................... 62
4.3. Các cấu hình hệ thống điện gió công suất nhỏ làm việc độc lập ......... 63
4.3.1. Cấu hình 1 - Hệ thống điện gió độc lập ............................................ 64
4.3.2. Cấu hình 2 - Hệ thống điện gió, máy phát điện diesel và ắc-quy ..... 67
v
4.3.3. Cấu hình 3 - Hệ thống điện gió, bộ biến tần và ắc-quy .................... 71
4.4. Đánh giá các cấu hình .......................................................................... 75
Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ............................. 77
5.1. Kết luận ................................................................................................ 77
5.2. Hướng phát triển tương lai ................................................................... 77
Tài liệu tham khảo .................................................................................... 79
vi
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống điện gió công suất nhỏ được
nghiên cứu bởi Nguyễn Phùng Quang, Lê Anh Tuân, Trương Xuân Hùng,
Phí Kim Phúc ................................................................................................ 4
Hình 1.2. Sơ đồ phân cấp trong hệ thống điều khiển hệ thống điện gió được
nghiên cứu bởi Nguyễn Phùng Quang, Lê Anh Tuân, Trương Xuân Hùng,
Phí Kim Phúc ................................................................................................ 4
Hình 2.1. Một hệ thống điện gió công suất nhỏ ......................................... 13
Hình 2.2. Tuabin gió công suất nhỏ ........................................................... 14
Hình 2.3. Tháp đỡ tự đứng ......................................................................... 15
Hình 2.4. Tháp đỡ giăng cáp ...................................................................... 15
Hình 2.5. Tháp đỡ tuabin gió công suất nhỏ có thể được hạ xuống ........... 16
Hình 2.6. Bộ nghịch lưu áp cầu 1 pha ........................................................ 17
Hình 2.7. Bộ nghịch lưu áp 3 pha ............................................................... 17
Hình 2.8. Nguyên lý cấu tạo của động cơ diesel ........................................ 19
Hình 2.9. Sơ đồ hệ thống năng lượng điện gió sử dụng các bộ biến đổi công
suất để giữ cho tần số phát ra ổn định ........................................................ 23
Hình 2.10. Sơ đồ kết nối bộ khởi động mềm với máy phát điện không đồng
bộ ................................................................................................................ 25
Hình 2.11. Sơ đồ nối lưới máy phát điện không đồng bộ với bộ khởi động
mềm ............................................................................................................ 25
Hình 2.12. Cấu hình tụ bù trong hệ thống tuabin gió ................................. 25
Hình 2.13. Sơ đồ khối của bộ biến đổi DC/DC .......................................... 26
Hình 2.14. Sơ đồ cấu tạo bộ giảm áp và dạng sóng điện áp trên tải .......... 26
Hình 2.15. Sơ đồ cấu tạo bộ tăng áp và dạng sóng điện áp trên tải ........... 28
Hình 2.16. Bộ chỉnh lưu Diode ba pha chuyển đổi AC/DC ....................... 29
Hình 2.17 a) Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu tia ba pha không điều khiển
b) Đặc tuyến điện áp và dòng điện ............................................................. 30
Hình 2.18. a) Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu tia ba pha điều khiển b) Đồ thị các
vii
đại lượng điện áp và dòng điện .................................................................. 32
Hình 2.19. Bộ biến đổi AC/AC trong hệ thống năng lượng gió ................ 33
Hình 2.20. Cấu hình của bộ biến tần nguồn áp hai bậc .............................. 34
Hình 2.21. Điện áp tải trên các pha và các khóa bán dẫn ........................... 35
Hình 2.22. Cấu hình bộ nghịch lưu nguồn áp PWM back to back hai bậc với
máy phát không đồng bộ ............................................................................ 36
Hình 3.1. Kết cấu của máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc ....................41
Hình 3.2. Cấu tạo máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc ................ 42
Hình 3.3. Vỏ máy ....................................................................................... 43
Hình 3.4. Cấu tạo lõi thép stator ................................................................. 43
Hình 3.5. Dây quấn stator ........................................................................... 44
Hình 3.6. Sơ đồ khai triển dây quấn stator ................................................. 44
Hình 3.7. Lõi thép rotor .............................................................................. 45
Hình 3.8. Cấu tạo máy điện cảm ứng kiểu rotor dây quấn ......................... 45
Hình 3.9. Thanh dẫn của rotor lồng sóc ..................................................... 46
Hình 3.10. Đặc tuyến moment quay của máy phát điện không đồng bộ ... 48
Hình 3.11. Sơ đồ mạch tương đương trục d và q của máy phát điện không
đồng bộ ....................................................................................................... 49
Hình 3.12. Hệ thống gió độc lập với thiết bị lưu trữ .................................. 52
Hình 3.13. Hệ thống điện gió được ghép với máy phát điện dự phòng diesel
..................................................................................................................... 54
Hình 3.14. Hệ thống điện gió được ghép với bộ biến tần và ắc-quy .......... 57
Hình 4.1. Mô hình và mô phỏng máy phát điện gió không đồng bộ rotor
lồng sóc ....................................................................................................... 59
Hình 4.2. Mô hình và mô phỏng tuabin gió ............................................... 59
Hình 4.3. Mô hình và mô phỏng bộ nghịch lưu trong hệ thống điện gió ... 59
Hình 4.4. Mô hình và mô phỏng máy phát điện diesel .............................. 61
Hình 4.5. Mô hình và mô phỏng ắc-quy ..................................................... 62
Hình 4.6. Sơ đồ điều khiển công suất nạp vào ắc-quy ............................... 62
viii
Hình 4.7. Mô hình và mô phỏng phụ tải điện ............................................. 63
Hình 4.8. Sơ đồ khối hệ thống gió độc lập với thiết bị lưu trữ .................. 64
Hình 4.9. Mô phỏng hệ thống điện gió độc lập với thiết bị lưu trữ ........... 64
Hình 4.10. Công suất yêu cầu của phụ tải của hệ thống điện gió độc lập .. 65
Hình 4.11. Công suất khả phát cung cấp cho phụ tải của hệ thống điện gió
độc lập ........................................................................................................ 65
Hình 4.12. Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu của hệ thống điện gió độc lập
..................................................................................................................... 66
Hình 4.13. Tần số của hệ thống điện gió độc lập ....................................... 66
Hình 4.14. Hệ thống điện gió được ghép với máy phát điện dự phòng diesel
và ắc-quy .................................................................................................... 68
Hình 4.15. Mô phỏng hệ thống điện gió được ghép với máy phát điện dự
phòng diesel và ắc-quy ............................................................................... 68
Hình 4.16. Điện áp của hệ thống điện gió được ghép với máy phát điện dự
phòng diesel và ắc-quy ............................................................................... 69
Hình 4.17. Tần số của hệ thống điện gió được ghép với máy phát điện dự
phòng diesel và ắc-quy ............................................................................... 69
Hình 4.18. Công suất yêu cầu của phụ tải của hệ thống điện gió được ghép
với máy phát điện dự phòng diesel và ắc-quy ............................................ 70
Hình 4.19. Công suất khả phát của máy phát điện diesel cung cấp cho phụ
tải của hệ thống điện gió được ghép với máy phát điện dự phòng diesel và
ắc-quy ......................................................................................................... 70
Hình 4.20. Công suất điện nạp vào ắc-quy của hệ thống điện gió được ghép
với máy phát điện dự phòng diesel và ắc-quy ............................................ 71
Hình 4.21. Hệ thống điện gió được ghép với biến tần và ắc-quy ............... 72
Hình 4.22. Mô hình và mô phỏng hệ thống điện gió được ghép với biến tần
và ắc-quy .................................................................................................... 72
Hình 4.23. Điện áp hệ thống điện gió được ghép với biến tần và ắc-quy .. 73
Hình 4.24. Tần số hệ thống điện gió được ghép với biến tần và ắc-quy .... 73
Hình 4.25. Công suất máy phát điện gió của hệ thống điện gió được ghép
với biến tần và ắc-quy ................................................................................ 74
ix
Hình 4.26. Công suất yêu cầu của phụ tải của hệ thống điện gió được ghép
với biến tần và ắc-quy ................................................................................ 74
Hình 4.27. Công suất qua biến tần của hệ thống điện gió được ghép với biến
tần và ắc-quy ............................................................................................... 75
x
DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1. Tiềm năng gió của các nước Đông Nam Á tương ứng với độ cao
65m ............................................................................................................. 10
Bảng 2.2. Bảng cấp gió Beaufor ................................................................. 12
Bảng 2.3. Tiềm năng gió Việt Nam ............................................................ 37
Bảng 2.4 . Vận tốc gió tương ứng với độ cao 12 m, 50 m và 65 m ........... 39
1
Chương 1
Giới thiệu chung
1.1. Giới thiệu
Hiện nay, bài toán năng lượng cho mỗi quốc gia và trên toàn thế giới là
bài toán nan giải nhất. Đây cũng là một trong những nguyên nhân tiềm ẩn phát
sinh ra nhiều cuộc xung đột giữa các quốc gia. Các quốc gia trên thế giới sử
dụng khoảng 80% nguồn năng lượng hóa thạch như: than, dầu mỏ, các sản
phẩm từ dầu mỏ, khí thiên nhiên,... Tuy nhiên, việc lạm dụng các nguồn năng
lượng này sẽ dẫn đến các tác động tiêu cực cho môi trường, cho nền kinh tế,
chính trị và xã hội.
Vì thế, việc nghiên cứu ứng dụng các dạng năng lượng khác được quan
tâm nhiều trong thời gian gần đây. Các dạng năng lượng này có thể bao gồm
năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sóng biển,... Trong đó, năng
lượng gió là một dạng năng lượng có nhiều tiềm năng, đặc biệt là tại Việt Nam
theo đánh giá của các tổ chức trên thế giới, trong đó có ngân hàng thế giới.
Các nghiên cứu và ứng dụng của năng lượng gió đã được thực hiện
nhiều nhưng phần lớn là các nghiên cứu tương ứng với dãy công suất lớn và kết
nối với lưới điện quốc gia.
Tuy nhiên, rõ ràng rằng song song với các hoạch định chiến lược của
chính phủ về phát triển ngành điện trong tương lai, cần thấy rằng nghiên cứu về
một mô hình phát điện gió nhỏ có dãy công suất 1 - 50 kW có thể kết hợp với
năng lượng mặt trời hay máy phát điện diesel để hình thành một hệ thống phát
điện độc lập cho một hộ tiêu thụ, phục vụ nhu cầu của gia đình hoặc nạp
acquy,... ở vùng sâu vùng xa, hải đảo... là thật sự quan trọng và mang nhiều ý
nghĩa thực tiễn và xã hội.
Thêm vào đó, các nhà máy điện gió có thể đặt gần phụ tải. Điều này có
nghĩa là chi phí đầu tư lưới điện truyền tải, chi phí vận hành liên quan đến tổn
thất công suất trong lưới điện,... cũng được cực tiểu hóa.
2
Các nhà máy điện gió công suất nhỏ có thể linh hoạt đặt ở những địa
điểm khác nhau. Gần đây, các nhà máy điện gió có thể được đặt ở ven biển mà
theo các nghiên cho thấy rằng các nhà máy điện gió này cho sản lượng điện cao
hơn các nhà máy điện gió trong đất liền. Lý do chính là tốc độ gió ở ven biển
thông thường lớn hơn tốc độ gió trong đất liền. Điều này thật sự có giá trị đối
với Việt Nam với chiều dài bờ biển trên 3.000 km. Theo ước tính, công suất
tương ứng với điều kiện địa lý này là khoảng hàng tỉ kW.
Với tính chất linh hoạt, các tuabin gió của nhà máy điện gió cũng có thể
được lắp đặt trên mái nhà cao tầng nhằm cung cấp nhu cầu điện năng cho nội
bộ tòa nhà,...
Các phụ tải điện thực tiễn của hệ thống điện gió công suất nhỏ có thể kể
đến bao gồm:
+ Đặt một nhà máy điện gió công suất nhỏ tại các trạm bơm thủy lợi mà
xa lưới điện quốc gia. Việc cung cấp nguồn cho phụ tải này sẽ tránh được việc
đầu tư thiết kế và xây dựng một đường dây tải điện mà chi phí có thề lớn gấp
nhiều lần chi phí xây dựng một nhà máy điện gió. Việc bảo quản một nhà máy
điện gió công suất nhỏ cũng đơn giản hơn việc bảo vệ một đường dây tải điện.
+ Đặt một nhà máy điện gió công suất nhỏ tại một nhà máy lọc nước
ngọt đặt là mô hình tối ưu để giải quyết việc cung cấp nước ngọt cho vùng
đồng bằng sông Cửu Long với các hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu và chi phí đầu
tư thiết kế và xây dựng đường dây.
+ Đặt một nhà máy điện gió công suất nhỏ tại một nông trường cà phê
hay cao su trên cao nguyên có thể đủ để vừa phục vụ đời sống công nhân, vừa
cung cấp nước tưới và dùng cho xưởng chế biến sản phẩm,...
Bên cạnh đó, để tăng độ tin cậy cung cấp điện liên tục cho phụ tải, một
mô hình kết hợp giữa một nhà máy điện gió công suất nhỏ, một máy phát điện
diesel và một hệ thống lưu trữ ắc-quy là một mô hình hoàn chỉnh và khả thi cho
một hệ thống phụ tải xa hoặc không có lưới điện quốc gia.
Các mô hình này sẽ được giới thiệu và phân tích trong luận văn này.
3
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn
1.2.1. Mục tiêu của luận văn
Nghiên cứu mô hình, mô phỏng và phân tích các hệ thống điện gió độc
lập sử dụng máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc công suất nhỏ cung
cấp điện cho các hộ tiêu thụ điện nhỏ.
1.2.2. Nhiệm vụ của luận văn
+ Nghiên cứu và mô hình một hệ thống điện gió độc lập sử dụng máy
phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc công suất nhỏ.
+ Nghiên cứu và giới thiệu các mô hình kết nối hệ thống điện gió độc
lập sử dụng máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc công suất nhỏ với các
nguồn phát khác như máy phát điện diesel, ắc-quy,...
+ Mô phỏng và phân tích các mô hình kết nối hệ thống điện gió độc lập
sử dụng máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc công suất nhỏ với các
nguồn phát khác như máy phát điện diesel, ắc-quy,...
1.3. Phương pháp nghiên cứu
+ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết các mô hình hệ thống điện gió độc lập sử
dụng máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc công suất nhỏ.
+ Nghiên cứu mô hình, mô phỏng và phân tích các cấu hình hệ thống
điện gió độc lập sử dụng máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc công suất
nhỏ.
1.4. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
+ Phạm vi nghiên cứu là một hệ thống điện độc lập.
+ Phạm vi dãy công suất của máy phát điện gió là nhỏ từ 1 - 10 kW.
1.5. Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến hệ thống điện gió công suất
nhỏ
Các tác giả Nguyễn Phùng Quang, Lê Anh Tuân, Trương Xuân Hùng,
Phí Kim Phúc đã thực hiện nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống phát điện
4
sức gió công suất 20kW hoạt động ở chế độ ốc đảo [1]. Căn cứ theo những yêu
cầu vận hành và các bài toán kỹ thuật cần phải có, hệ thống điện gió trong
nghiên cứu này được thiết kế theo cầu như Hình 1.1.
Hình 1.1. Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống điện gió công suất nhỏ được
nghiên cứu bởi Nguyễn Phùng Quang, Lê Anh Tuân, Trương Xuân Hùng, Phí
Kim Phúc
Hình 1.2. Sơ đồ phân cấp trong hệ thống điều khiển hệ thống điện gió được
nghiên cứu bởi Nguyễn Phùng Quang, Lê Anh Tuân, Trương Xuân Hùng, Phí
Kim Phúc
Các tác giả Lê Duy Khánh và Dương Hoài Nghĩa, “Mô phỏng phương
pháp điều khiển mô hình nội điều khiển máy phát điện gió nguồn kép (DFIG)”,
5
đã giới thiệu phương pháp điều khiển mô hình nội (IMC) dựa trên nguyên tắc
mô hình nội bộ, được hình thành 1982 và đã được sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp ngày nay. Mô hình nội được sử dụng để thiết kế các thông số của bộ
điều khiển cho DFIG. Quá trình thiết kế chi tiết được mô tả và kết quả mô
phỏng được đưa ra cho thấy tính phù hợp của phương pháp điều khiển [2].
Nguyễn Tri Nhân đã nghiên cứu để mô hình hóa và mô phỏng máy phát
điện DFIG. Trên cơ sở nghiên cứu này, tác giả đã nghiên cứu và xây dựng giải
thuật điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng phía stator
máy phát. Qua đó, có thể điều khiển tiêu thụ hoặc phát công suất phản kháng
độc lập với mục tiêu điều khiển tối ưu công suất tác dụng nhận từ gió. Nghiên
cứu và ứng dụng kỹ thuật điều khiển trượt vào thiết kế luật điều khiển trong
vòng điều khiển các thành phần của vector dòng điện stator. Ðánh giá chất
lượng điều khiển, tính ổn định và bền vững của luật điều khiển theo thiết kế. Sự
định hướng hệ trục tọa độ xoay theo vector điện áp lưới là rất thích hợp cho
việc hình dung ra sự phân lập giữa điều khiển công suất tác dụng và điều khiển
công suất phản kháng. Sự lựa chọn vector điện áp lưới làm hướng tựa cũng
xuất phát từ nguyên nhân nó được cần đến trong giai đoạn đầu của kích từ và
hòa đồng bộ. Luật điều khiển trượt có tốc độ đáp ứng rất nhanh, quá trình quá
độ của dòng điện diễn ra không có vọt lố tại những thời điểm thay đổi giá trị
đặt. Bộ điều khiển có tính bền vững cao khi có sự thay đổi các thông số điện
trở, điện cảm của dây quấn stator và rotor. Hệ thống có tính bền vững cao đối
với sự thay đổi moment quán tính của rotor. Sự thay đổi các thông số chỉnh
định của bộ điều khiển trong phạm vi rộng không làm gia tăng đáng kể hiện
tượng chattering. Vì vậy, đối với hệ thống điều khiển này có thể chọn các
thông số hiệu chỉnh lớn để nâng cao tính bền vững dự trữ đối với sai số mô
hình lớn [3].
F. K. A. Lima, A. Luna, P. Rodríguez, E. H. Watanabe và M. Aredes với
công trình nghiên cứu, “Study of a simplified model for DFIG-based wind
turbines” mà đã giới thiệu một mô hình máy phát điện gió DFIG được đơn
giản hóa nhằm đảm bảo việc phân tích vận hành hệ thống điện gió được hiệu
quả. Trong nghiên cứu này, việc sử dụng các mô hình giảm bậc được đề xuất
6
sử dụng cho các thiết kế điều khiển, cũng như để giảm bớt các gánh nặng trong
quá trình tính toán mô phỏng tạo nhiều thuận tiện cho các phân tích, đặc biệt là
phân tích vận hành. Mô hình toán giảm bậc đề xuất vẫn đảm bảo tính chính xác
trong các phân tích ở cả chế độ xác lập và quá độ. Điều này được thể hiện qua
các kết quả mô phỏng trong trường có dao động điện áp trong hệ thống điện.
Bên cạnh đó, các tác giả cũng đã chứng minh tính khả thi của để qua các thực
nghiệm và kết quả thực nghiệm [4].
Các tác giả R. Jiang, J. Zhong, S. M. Malik và Y. Sun đã lập luận rằng
các hệ thống điện nhỏ độc lập thông thường được thiết kế và xây dựng ở các
khu vực vùng sâu và xa lưới điện trong nghiên cứu, "A small isolated power
system SCUC model with state-controllable wind power" [5]. Trong trường
hợp này, năng lượng tái tạo như năng lượng gió được đưa vào các hệ thống
điện nhỏ độc lập một cách trực tiếp để giảm chi phí phát điện và tăng hiệu quả
kinh tế. Tuy nhiên, ý tưởng này cũng mang lại những thách thức cho việc vận
hành và điều khiển một hệ thống điện nhỏ độc lập. Để bảo đảm tính kinh tế và
ổn định của các hệ thống điện nhỏ độc lập, các tác giả đã giới thiệu một mô
hình với một hệ thống điện gió có thể được điều khiển. Trong nghiên cứu này,
các tuabin gió được coi là nguồn năng lượng ngẫu nhiên có thể được điều khiển
và rời rạc trong mô hình giới thiệu để giảm các rủi ro vận hành của hệ thống
điện. Hơn nữa, dựa trên các phân tích kịch bản, mô hình được giải quyết bằng
thuật toán L-shaded mà tách rời các biến rời rạc và các biến liên tục trong khi
tách các biến xác định và ngẫu nhiên mà được sử dụng để giảm gánh nặng tính
toán của bài toán. Cuối cùng, phân tích cũng cho thấy tính khả thi và tính hợp
lệ của mô hình được đề xuất.
1.6. Bố cục dự kiến của luận văn
Luận văn nghiên cứu các vấn đề liên quan đến phân tích các mô hình hệ
thống điện tuabin gió công suất nhỏ làm việc độc lập bao gồm các nội dung cụ
thể như sau:
+ Chương 1: Giới thiệu chung
+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống điện tuabin gió công suất nhỏ
7
+ Chương 3: Mô hình toán máy phát điện không đồng bộ lồng sóc của hệ thống
điện gió làm việc độc lập
+ Chương 4: Mô phỏng và phân tích các cấu hình hệ thống điện gió công suất
nhỏ làm việc độc lập sử dụng máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc
+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai
8
Chương 2
Cơ sở lý thuyết hệ thống điện tuabin gió công suất
nhỏ
2.1. Giới thiệu
Trong những năm đầu của thế kỷ XXI cho đến nay, năng lượng gió đã
khẳng định được vị trí trên thị trường năng lượng thế giới, khi sản lượng điện
gió tăng trưởng một cách ngoạn mục với tốc độ 28%/năm. Đây là tốc độ cao
nhất trong tất cả các nguồn năng lượng hiện có. Sự phát triển thần tốc của điện
gió đã minh chứng rõ ràng nhất về sự ưu việt và tầm quan trọng của nó trong
bản đồ năng lượng toàn cầu.
Theo một nghiên cứu mới do Hội đồng Năng lượng gió toàn cầu (Global
Wind Energy Council, GWEC) và Tổ chức Hòa bình xanh (Greenpeace
International) công bố gần đây, năng lượng điện được sản xuất từ năng lượng
gió có thể chiếm 22% tổng sản lượng điện toàn cầu vào năm 2030. Năng lượng
gió sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu sản xuất điện năng
đang gia tăng trên thế giới và đồng thời giảm các chất khí thải gây hiệu ứng
nhà kính và tác động đến môi trường.
Hệ thống điện gió quy mô nhỏ có thể không đáp ứng đáng kể cho nhu
cầu năng lượng quốc gia nhưng các tuabin gió có thể cung cấp điện một phần
đáng kể cho nhu cầu của các hộ tiêu thụ gia đình bình thường. Hệ thống điện
gió quy mô nhỏ sẽ cấp điện cho hộ tiêu thụ sử dụng điện nếu như:
+ Có đủ gió ở nơi hộ tiêu thụ sử dụng điện. Thông thường, tốc độ gió
phải đạt tối thiểu từ 4 - 5 m/s.
+ Khu vực của hộ tiêu thụ sử dụng điện cho phép lắp đặt các tháp cao.
+ Khu vực của hộ tiêu thụ sử dụng điện có đủ khoảng trống.
+ Hộ tiêu thụ sử dụng điện có thể xác định được nhu cầu sử dụng điện.
+ Hệ thống điện gió hoạt động kinh tế và hiệu quả.
Có thể nhận thấy rằng hệ thống điện năng lượng gió là một trong những
hệ thống năng lượng tái tạo có thể được sử dụng trong hộ tiêu thụ sử dụng điện
9
mà mang lại hiệu quả kinh tế nhất. Tùy thuộc vào nguồn gió, một hệ thống điện
năng lượng gió quy mô nhỏ có thể làm giảm chi phí sử dụng điện từ 50 - 90%.
Ở một góc độ khác của nhà sản xuất và truyền tải năng lượng điện, việc
sử dụng nguồn năng lượng gió công suất nhỏ cung cấp trực tiếp cho hộ tiêu thụ
sử dụng điện sẽ giúp giảm được chi phí truyền tải, đặc biệt cho các đường dây
truyền tải điện dài đến những vùng hẻo lánh với các lợi ích của việc hạn chế
khả năng mất điện và ô nhiễm môi trường sinh thái.
Bên cạnh đó, theo tình hình thực tế của Việt Nam, một số khu vực đồng
bào dân tộc thiểu số ở Tây Nguyên, Việt Nam chưa có điện lưới quốc gia. Điều
này dẫn đến các khó khăn trong sinh hoạt và trong sản xuất của người dân bơm
nước tưới cây hay phục vụ nhu cầu cuộc sống,... Những đồn biên phòng xa xôi
trên những mõm núi chót vót trên vùng Tây bắc Tổ quốc, các chiến sĩ ngoài
đảo xa, nhà dàn DK1, ghe tàu đánh cá ngoài biển khơi cần có điện để phục vụ
tốt cho sinh hoạt và phục vụ cho công tác an ninh quốc phòng...
Như vậy, căn cứ vào tổng quan tình hình năng lượng và xu hướng phát
triển của năng lượng gió phân tán trên thế giới thì mô hình nhà máy điện gió
công suất nhỏ từ vài kW đến khoảng 100 kW rất phù hợp với điều kiện Việt
Nam. Các lý do cần phải phát triển mô hình máy phát điện công suất nhỏ tại
Việt Nam bao gồm:
+ Có thể giải quyết được ngay nhu cầu điện chiếu sáng cho một phần
đáng kể trong tổng số khoảng 4,5 triệu dân vùng sâu, vùng xa chưa có điện, đặc
biệt là các cụm dân cư độc lập mà việc hòa lưới điện sẽ rất tốn kém và lâu dài.
+ Việt Nam có cả hàng nghìn km bờ biển, tập trung nhiều khu đô thị,
cụm dân cư ven biển, có nguồn gió phù hợp với mô hình máy phát điện gió
công suất nhỏ tương ứng với vận tốc gió từ 2 - 6 m/s. Đối tượng này nếu được
khai thác tốt sẽ làm giảm áp lực đáng kể lên lưới điện quốc gia.
+ Các hộ dân cư trên hàng nghìn đảo nhỏ ngoài khơi Việt Nam, tàu
thuyền đánh cá nhỏ có thể tự chủ nguồn năng lượng cho chính mình với giá
thành thấp hơn việc dùng máy phát Diesel như hiện nay.
+ Chi phí đầu tư cho máy phát điện gió công suất nhỏ sẽ có giá thành rẻ
hơn loại dùng pin quang điện có cùng công suất.
