Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các loại công nghệ turbine gió đến dòng ngắn mạch trên lưới điện

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

DƢƠNG VĂN SƠN

C
C

R
L
T.

ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ẢNH HƢỞNG CỦA
CÁC LOẠI CÔNG NGHỆ TURBINE GIĨ ĐẾN
DỊNG NGẮN MẠCH TRÊN LƢỚI ĐIỆN

DU

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng - Năm 2020


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

DƢƠNG VĂN SƠN

ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ẢNH HƢỞNG CỦA
CÁC LOẠI CÔNG NGHỆ TURBINE GIĨ ĐẾN

DỊNG NGẮN MẠCH TRÊN LƢỚI ĐIỆN

C
C

R
L
T.

DU

Chun ngành : Kỹ thuật điện
Mã số
: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. PHAN ĐÌNH CHUNG

Đà Nẵng - Năm 2020


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn
của TS. Phan Đình Chung. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng
công bố trong bất kỳ một cơng trình nào.

Tác giả luận văn

Dƣơng Văn Sơn

C
C

DU

R
L
T.


ii
ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC LOẠI CÔNG NGHỆ
TURBINE GIĨ ĐẾN DỊNG NGẮN MẠCH TRÊN LƢỚI ĐIỆN
Học viên: Dương Văn Sơn. Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 8520201 Khóa: 36. Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt: Hiện nay, điện gió đã và đang được khai thác rất nhanh ở nhiều nơi trên thế giới vì
nó là nguồn năng lượng tái tạo và vô tận. Việc kết nối các nhà máy điện gió vào hệ thống điện nhằm
góp phần đáp ứng nhu cầu phát triển của phụ tải. Tuy nhiên, một trong những vấn đề phát sinh khi
kết nối các nhà máy điện gió vào hệ thống điện, đó là làm cho dịng ngắn mạch của lưới điện tăng
cao, ảnh hưởng đến việc đóng góp dịng ngắn mạch của từng loại máy phát-turbine gió đến lưới, hư
hỏng các khí cụ điện trên lưới.
Nhưng do các loại máy phát-turbine gió có cấu tạo khác nhau nên dịng ngắn mạch đối với
từng loại máy phát-turbine gió đến dịng ngắn mạch trên lưới sẽ khác nhau. Vì vậy, tác giả đã nghiên
cứu mức độ ảnh hưởng của các loại công nghệ turbine gió, từ đó đề nghị nên chọn loại máy phátturbine gió nào để giảm chi phí thay thế các khí cụ điện. Kết quả nghiên cứu cho thấy, với máy phát
turbine gió loại 4 sẽ đóng góp dịng ngắn mạch đến lưới là nhỏ nhất. Vì vậy, luận văn khuyến cáo nên

sử dụng máy phát turbine gió loại 4 nhằm hạn chế việc thay thế thiết bị đóng cắt trên lưới.
Từ khóa : Máy phát turbine gió - Dòng ngắn mạch - Mức độ ảnh hưởng

C
C

R
L
T.

DU

ASSESSMENT OF THE INFLUENCE OF THE TYPES OF WIND TURBINE
TECHNOLOGIES ON THE SHORT-CIRCUIT CURRENT ON THE GRID
Student: Duong Van Son - Specialized:Electrical Engineering
Code: 8520201, Course: 36. The University of Danang–University of Scienceand Technology
Abstract: Currently, wind power has been exploited in many countries in the world because it
is a plentiful and renewable energy source. The integration of large wind power plants into the power
system contributes to meet the increasing demand of the load. However, one of the arising problems
when connecting a wind power plant to the power system is that the short-circuit current of the grid
increases, affecting the contribution of short-circuit current of each wind turbine to the grid,
damaging the electric equipments on the grid.
Practically, the difference in the structure of wind turbine makes short-circuit current of each
wind turbine to the grid different. Therefore, the author researched theimpact of the type of wind
turbine technologies, on the short-circuit current contribution to the connected grid and then, author
will suggest the kind of wind turbine should be used to reduce the replacement cost of electric
equippent on the connected grid. The research results show that, the type 4 wind tubine short-circuit
current contribution is the smallest. Therefore, the thesis recommends the type 4 wind turbine should
be used to restrict the replacement of switchgear on the connected grid.
Keyword:the windturbine, the short-circuitcurrent, the influencedegree

iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... i
TÓM TẮT .................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ....................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................. v
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................... vii
MỞ ĐẦU........................................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 1
4. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 1
5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn ...................................................................... 2
6. Bố cục đề tài......................................................................................................... 2

C
C

R
L
T.

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ VÀ PHẦN MỀM
ETAP.............................................................................................................................. 3
1.1. Khái quát chung ....................................................................................................... 3
1.2. Lợi ích của năng lượng điện gió .............................................................................. 3

1.3. Tình hình năng lượng điện gió trên thế giới. ........................................................... 4
1.4. Tiềm năng gió ở Việt Nam. ..................................................................................... 4
1.5. Giới thiệu chung về máy phát-turbine gió ............................................................... 5
1.5.1. Các dạng máy phát-turbine gió ...................................................................... 5
1.5.2. Các loại máy phát-turbine gió ........................................................................ 5
1.5.3. Cấu tạo của máy phát-turbine gió .................................................................. 6
1.5.4. Nguyên lý hoạt động của các máy phát-turbine gió ...................................... 7
1.5.5 Các kiểu máy phát-turbine gió hiện nay: ........................................................ 8
1.5.6. Cơng suất các loại tuabin gió ......................................................................... 8
1.6. Giới thiệu về các loại máy phát-turbine gió ............................................................ 8
1.6.1. Giới thiệu về máy phát-turbine gió sử dụng SCIG: ....................................... 8
1.6.2. Giới thiệu về máy phát-turbine gió sử dụng DFIG:....................................... 9
1.6.3. Giới thiệu về turbine gió sử dụng PMSG .................................................... 10
1.7. Tổng quan về chương trình ETAP ........................................................................ 11
1.7.1. Sơ lược về ETAP ......................................................................................... 11
1.7.2. Ứng dụng của phần mềm ETAP .................................................................. 12
1.7.3. Giao diện phần mềm ETAP ......................................................................... 12

DU


iv
1.7.4. Các phần tử chính của ETAP ....................................................................... 14
1.8. Kết luận chương 1 ................................................................................................. 22
CHƢƠNG 2. MƠ HÌNH TÍNH TỐN NGẮN MẠCH CHO CÁC LOẠI MÁY
PHÁT TURBINE GIÓ ............................................................................................... 24
2.1. Máy phát turbine gió loại 1 (SCIG)....................................................................... 24
2.2. Máy phát turbine gió loại 3 (DFIG) ...................................................................... 27
2.3. Máy phát turbine gió loại 4 (PMSG) ..................................................................... 30
2.4. Kết luận chương 2 ................................................................................................. 31

CHƢƠNG 3. ĐÁNH GIÁ DÕNG ĐIỆN SỰ CỐ Ở LƢỚI ĐIỆN MẪU ................ 32
3.1. Giới thiệu về lưới điện mẫu ................................................................................... 32
3.1.1. Lưới hệ thống ............................................................................................... 32
3.1.2. Các máy phát điện ........................................................................................ 32
3.1.3. Thông số máy biến áp của lưới hệ thống ..................................................... 33
3.1.4. Thơng số thanh góp của lưới hệ thống......................................................... 33
3.1.5. Thông số chiều dài của lưới hệ thống .......................................................... 34
3.1.6. Thông số phụ tải của lưới hệ thống.............................................................. 34
3.2. Hệ thống điện gió kết nối với lưới......................................................................... 34
3.3. Dịng ngắn mạch khi có nhà máy điện gió kết nối vào lưới .................................. 35
3.3.1. Sự cố ngắn mạch 3 pha trên lưới điện mẫu.................................................. 36
3.3.2. Sự cố ngắn mạch 1 pha trên lưới điện thực tế ............................................. 45
3.4. So sánh và đánh giá mức độ ảnh hưởng. ............................................................... 51
3.4.1. So sánh chênh lệch dòng ngắn mạch 3 pha khi khơng kết nối với nhà
máy điện gió và khi kết nối nhà máy điện gió, nhà máy điện truyền thống................. 51
3.4.2. So sánh chênh lệch dòng ngắn mạch 1 pha khi khơng kết nối với nhà
máy điện gió và khi kết nối nhà máy điện gió, nhà máy điện truyền thống................. 52
3.4.3. Đánh giá mức độ ảnh hưởng ........................................................................ 52
3.5. Kết luận Chương 3................................................................................................. 53
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 54

C
C

R
L
T.

DU

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AC

Dòng điện xoay chiều

ACSR

Dây nhơm lõi thép

Bus

Thanh góp

Cable

Dây cáp điện

CB

Máy cắt điện

CS

Cơng suất

CSPK

Cơng suất phản kháng

DC

Dịng điện một chiều

DFIG

Máy phát điện cảm ứng ro to dây quấn - loại 3

Gen

Máy phát điện

Isc

Dòng điện sự cố

MPĐĐB

Máy phát điện đồng bộ

NLTT

Năng lượng tái taọ

NM3P

Ngắn mạch 3 pha

NM1P

Ngắn mạch 1 pha

NMĐG

Nhà máy điện gió

PMSG

máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu

SCIG

Máy phát điện cảm ứng roto lồng sóc - loại 1

T

Máy biến áp

TG

Thanh góp

Turbine

Tua bin

VSC

Bộ chuyển đổi nguồn điện áp

WRIG

Máy phát điện cảm ứng rôto dây quấn

WRSG

Máy phát đồng bộ rotor dây quấn

WTG

Máy phát turbine gió

C
C

R
L
T.

DU


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

1.1.

So sánh đặc tính 2 loại tua bin

5

3.1.

Công suất phát và điện áp định mức của máy phát điện

33

3.2.

Thông số máy biến áp

33

3.3.

Thông số của thanh góp

33

3.4.

Thơng số chiều dài của đường dây

34

3.5.

Thơng số phụ tải của lưới điện mẫu

34

3.6.

Dòng ngắn mạch 3 pha trên thanh góp khi có kết nối và khơng
kết nối với nhà máy điện gió, nhà máy điện truyền thống

36

3.7.

Dịng ngắn mạch 3 pha của NMĐG DFIG khi Qmax = 0, Qmin=0,
% V = 100%và Qmax = +5MVAr, Qmin= - 5 MVAr, % V =
110%

44

3.8.

Dòng ngắn mạch 3 pha của NMĐG PMSG khi Qmax = 0,
Qmin=0, %
V = 100% và Qmax = +5MVAr, Qmin= - 5
MVAr, % V = 110%

45

3.9.

Dòng ngắn mạch 1 pha trên thanh góp khi có kết nối và khơng
kết nối với nhà máy điện gió, máy phát điện đồng bộ

45

3.10.

Dòng ngắn mạch 1 pha của NMĐG DFIG khi Qmax = 0, Qmin=0,
% V = 100% và Qmax = +5MVAr, Qmin= - 5 MVAr, % V =
110%

50

3.11.

Dòng ngắn mạch 1 pha của NMĐG PMSG khi Qmax = 0,
Qmin=0, % V = 100% và Qmax = +5MVAr, Qmin= - 5 MVAr, %
V = 110%

50

3.12.

So sánh chênh lệch dòng ngắn mạch 3 pha khi không kết nối
NMĐG và khi kết nối NMĐG.

51

3.13.

So sánh chênh lệch dòng ngắn mạch 1 pha khi không kết nối
NMĐG và khi kết nối NMĐG.

52

C
C

R
L
T.

DU


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

1.1.

Hình dạng các máy phát-turbine gió

5

1.2.

Cấu tạo của máy phát-turbine gió

6

1.3.

Tuabin gió 2 MW có chiều dài cánh quạt 40 m

8

1.4.

Tuabin 10 MW có chiều dài cánh quạt 210 m

8

1.5.

Máy phát nối trực tiếp với lưới

9

1.6.

Máy phát cảm ứng nguồn kép

9

1.7.

Máy phát nối lưới thông qua bộ biến đổi điện tử công suất đầy đủ

10

1.8.

Giao diện phần mềm ETAP

13

1.9.

Các chức năng tính tốn

13

1.10.

Các thiết bị AC

1.11.

Trang info của nguồn

1.12.

Trang Rating của nguồn

1.13.

Trang Rating của máy phát

17

1.14.

Trang info của máy phát

18

1.15.

Trang info đường dây

18

1.16.

Trang parameter của máy phát

19

1.17.

Trang infor của máy biến áp

20

1.18.

Trang Rating của máy biến áp

21

2.1.

Sơ đồ đơn tuyến của máy phát turbine gió loại 1- SCIG

24

2.2.

Mạch tương đương của máy phát turbine gió loại 1- SCIG

25

2.3.

Sơ đồ thay thế của máy phát turbine gió loại 1- SCIG

26

2.4.

Sơ đồ thay thế của máy phát turbine gió loại 3- DFIG

27

3.1.

Lưới điện 230kV-9 thanh góp

32

3.2.

Mơ phỏng kết nối các máy phát turbine gió trong hệ thống điện
gió

35

3.3.

Biểu đồ so sánh dịng ngắn mạch 3 pha tại TG1 (Isc từ TG4TG1)

37

3.4.

Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch 3 pha tại TG2 (Isc từ TG7TG2)

38

3.5.

Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch 3 pha tại TG3 (Isc từ TG9TG3)

38

C
C

R
L
T.

DU

14
15
16


viii
Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

3.6.

Biểu đồ so sánh dịng ngắn mạch 3 pha tại TG5(Isc từ NM10TG5)

39

3.7.

Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch 3 pha tại TG6 (Isc từ NM11TG6)

40

3.8.

Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch 3 pha tại TG7 (Isc từ TG5TG7)

40

3.9.

Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch 3 pha tại TG8 (Isc từ TG7TG8)

41

3.10.

Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch 3 pha tại TG9 (Isc từ TG6TG9)

41

3.11.

Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch 3 pha tại TG10 (Isc từ TG4NM10):

3.12.

C
C

42

Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch 3 pha tại NM11 (Isc từ TG4NM11)

42

3.13.

Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch 3 pha tại các thanh góp

43

3.14.

Biểu đồ so sánh dịng ngắn mạch 1 pha tại TG1 (Isc từ TG4TG1)

46

3.15.

Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch 1 pha tại TG2 (Isc từ TG7TG2)

47

3.16.

Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch 1 pha tại TG3 (Isc từ TG9TG3)

47

3.17.

Biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch 1 pha tại TG6 (Isc từ NM11TG6)

48

3.18.

Biểu đồ so sánh dịng ngắn mạch 1 pha tại các thanh góp

48

T
U

R
L
.

D


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, nước ta đang khuyến khích sản xuất điện năng từ nguồn năng lượng
sạch như gió, mặt trời… Nhiều nhà máy/dự án điện gió và điện mặt trời kết nối lưới đã
và đang thực hiện.
Khi kết nối nhà máy điện gió vào lưới điện hiện hữu chắc chắn sẽ thay đổi dòng
ngắn mạch đi qua thiết bị hiện hữu và ảnh hưởng đến cài đặt hệ thống bảo vệ rơ le.
Tuy nhiên, khác so với các máy phát đồng bộ trong các nhà máy điện truyền thống,
Các máy phát trong tuabin gió thường được kết nối với lưới thông qua bộ biến tần
(hoặc có thể kết nối trực tiếp với lưới khi sử dụng máy phát điện cảm ứng). Khả năng
cung cấp dòng điện ngắn mạch trên lưới của các máy phát này sẽ phụ thuộc vào bộ
chuyển đổi DC/AC. Vấn đề đặt ra là mức độ ảnh hưởng của nhà máy điện gió đến
dịng ngắn mạch trên lưới hiện hữu sẽ nhiều hơn hay ít hơn so với nhà máy điện truyền
thống. Hơn nữa, do cấu trúc của các nhà máy điện gió khác nhau nên mức độ ảnh
hưởng của từng loại máy phát-turbine gió đến dịng ngắn mạch sẽ khác nhau. Để có cơ
sở xác định điều kiện cho phép 1 nhà máy điện sử dụng năng lượng gió kết nối vào
lưới hiện hữu hoặc khuyến khích loại nhà máy nào được nối vào lưới hiện hữu thì việc
so sánh và đánh giá mức độ ảnh hưởng của các nhà máy điện gió đến dịng ngắn mạch
trên lưới điện hiện hữu là cần thiết.

C
C

R

L
T.

DU

2. Mục tiêu nghiên cứu
- Xác định được dòng ngắn mạch tại các điểm nút của lưới điện hiện hữu khi có
nhà máy điện gió kết nối vào.
- Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các nhà máy điện gió đến dịng ngắn mạch
trên lưới điện hiện hữu.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Lưới điện nơi mà có các nhà máy điện gió sẽ kết nối vào.
- Phạm vi nghiên cứu: Đánh giá mức độ ảnh hưởng của nhà máy điện gió đến
dịng ngắn mạch trên lưới hiện hữu.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Xây dựng được mơ hình tính tốn dịng ngắn mạch cung cấp từ các nhà máy
điện gió đến điểm ngắn mạch;
- Sử dụng phần mềm ETAP để đánh giá mơ hình trên;
- Áp dụng để tính tốn cho một lưới điện mẫu


2

5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn
5.1. Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu là 1 cơ sở ban đầu để xác định điều kiện cho phép 1 nhà
máy điện sử dụng năng lượng sạch kết nối vào lưới hiện hữu hoặc khuyến khích loại
nhà máy nào được nối vào lưới hiện hữu.
5.2. Tính thực tiễn
Áp dụng cho nhà máy năng lượng gió thực tế ở Việt Nam trong thời gian tới.

6. Bố cục đề tài
Ngoài các phần mở đầu và kết luận kiến nghị, nội dung đề tài có 3 chương bao gồm:
Chƣơng 1: Tổng quan về nhà máy điện gió
1.1. Khái qt chung
1.2. Lợi ích của năng lượng điện gió
1.3. Tình hình năng lượng điện gió trên thế giới.
1.4. Tiềm năng gió ở việt nam
1.5. Giới thiệu chung về máy phát turbine gió
1.6. Giới thiệu về các nhà máy điện gió
1.7. Nguyên lý hoạt động của các máy phát turbine gió
1.8. Kết luận chương 1

C
C

R
L
T.

DU

Chƣơng 2. Mơ hình tính tốn ngắn mạch cho các loại tuabin
2.1. Máy phát turbine gió loại 1 (SCIG)
2.2. Máy phát turbine gió loại 3 (DFIG)
2.3. Máy phát turbine gió loại 4 (PMSG)
2.4. Kết luận chương 2
Chƣơng III. Đánh giá dòng điện sự cố ở lƣới điện thực tế
3.1. Giới thiệu về lưới điện mẫu
3.2. Hệ thống điện gió kết nối với lưới
3.3. Dịng ngắn mạch khi có nhà máy điện gió kết nối vào lưới

3.4. So sánh và đánh giá mức độ ảnh hưởng
3.5. Kết luận chương 3


3

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ
VÀ PHẦN MỀM ETAP
1.1. Khái quát chung
Hiện nay cùng với sự phát triển cơng nghiệp và sự hiện đại hố thì nhu cầu
năng lượng cũng rất cần thiết cho sự phát triển của đất nước. Vấn đề đặt ra là phát
triển nguồn năng lượng sao cho phù hợp mà không ảnh hưởng tới mơi trường và
cảnh quang thiên nhiên. Trong khi đó, các nguồn năng lượng như than đá, dầu mỏ,
khí đốt ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường và là nguyên nhân gây ra hiệu
ứng nhà kính. Để giảm những vấn đề trên ta phải tìm nguồn năng lượng tái tạo, năng
lượng sạch để thay thế hiệu quả, giảm nhẹ tác động của năng lượng đến tình hình
kinh tế an ninh chính trị quốc gia. Nhận thấy được tầm quan trọng của vấn đề về
năng lượng để phát triển. Việt Nam có các quan điểm về chính sách sử dụng năng
lượng hiệu quả nguồn năng lượng tái sinh trong đó có năng lượng gió.
Năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên dồi dào và phong phú, được ưu
tiên được đầu tư và phát triển ở Việt Nam. Nhiều dự án cơng trình đã được khởi
cơng và xây dựng với quy mô vừa và nhỏ tiêu biểu là điện gió ở bán đảo Bạch Long
Vĩ có cơng suất khoảng 800kW và cơng trình phong điện Phương Mai III ở tỉnh
Bình Định
Năng lượng điện gió là nguồn năng lượng sạch và có tìm năng rất lớn.
Nhà máy điện gió được xây dựng đầu tiên ở vùng nông thôn Mỹ vào năm 1890.
Ngày nay cơng nghệ điện gió phát triển mạnh và có sự cạnh tranh lớn, với tốc độ phát
triển như hiện nay thì khơng bao lâu nữa năng lượng điện sẽ chiếm phần lớn trong thị
trường năng lượng của thế giới.

C
C

R
L
T.

DU

1.2. Lợi ích của năng lƣợng điện gió
- Dễ khai thác – khơng gây ơ nhiễm mơi trường :
Gió được tạo ra ở mọi nơi, từ vùng núi, đồng bằng, biển…với nhiều tốc độ khác
nhau vào từng thời điểm khác nhau, và đặc biệt đối với khí hậu Việt Nam thuộc khí
hậu nhiệt đới gió mùa. Hiện nay, các nhà máy điện truyền thống đều ảnh hưởng đến
môi trường, gây thiên tai lũ lụt…Nhưng đối với gió, đó là một nguồn năng lượng rất
sạch nên được khuyến khích khai thác và đưa vào sử dụng
- Có lợi về diện tích khai thác :
Tuy các tua bin gió có chiều dài cánh quạt đến vài trăm mét, nhưng vì trụ gió
rất cao và chiếm diện tích rất ít, nên xung quanh trụ gió, chúng ta có thể khai thác để


4

làm các công việc khác, như trồng trọt, chăn nuôi…Nếu so với hệ thống sử dụng năng
lượng mặt trời thì máy phát-turbin gió tiết kiệm được diện tích hơn rất nhiều
- Hiệu quả về mặt chi phí :
Vì năng lượng gió khơng gây ơ nhiễm mơi trường nên khơng cần tốn chi phí để
đầu tư máy móc xử lý ơ nhiễm. Công nghệ sản xuất càng ngày càng hiện đại, tự động
hóa nên việc sản xuất ra các tuabin gió ngày càng đơn giản và giá thành càng hạ

- Góp phần làm giảm sự phụ thuộc vào thủy điện :
Nguồn điện nước ta trước đây phụ thuộc rất nhiều vào nhà máy thủy điện.
Nhưng do điều kiện thời tiết nên mùa hè các hồ thủy điện có tình trạng thiếu nước,
mùa mưa thì dư nước nên phải xả đập, ảnh hưởng rát lớn đến sinh hoạt của người dân.
Do vậy, khi nhà máy điện gió càng phát triển, việc phụ thuộc vào các nhà máy thủy
điện cũng giảm đi nhiều hơn.
- Tạo công ăn việc làm :
Khi nhà máy điện gió ra đời và phát triển, cũng sẽ tạo cơ hội nghề nghiệp, công
ăn việc làm cho người dân địa phương. Năng lượng điện gió đóng vai trị hết sức quan
trọng trong đảm bảo Quốc phòng an ninh năng lượng.

C
C

R
L
T.

1.3. Tình hình năng lƣợng điện gió trên thế giới.
Nhiên liệu hố thạch như dầu và khí thiên nhiên chiếm hai phần ba năng lượng
sử dụng trên thế giới. Phần lớn những tài nguyên này đã được phát hiện, trữ lượng có
thể khai thác lâu dài các tài nguyên này là một dấu hỏi. Theo đánh giá của các chuyên
gia năng lượng, với mức độ sử dụng hiện nay, các nhiên liệu hố thạch sẽ cạn kiệt
trong vịng 100 năm nữa. Trong hồn cảnh đó, đương nhiên con người quan tâm đến
việc tìm kiếm phương án thay thế nhiên liệu hố thạch, đáp ứng nhu cầu năng lượng
của mình. Mặt khác trong nhiều thập niên qua, những lo ngại về nóng ấm và biến đổi
khí hậu tồn cầu đã bắt buộc các nhà lập chính sách tìm cách thốt khỏi việc dùng
nhiên liệu hoá thạch, nguồn gốc gây nên hiệu ứng nhà kính. Trong hồn cảnh này, địi
hỏi phát triển cơng nghệ khai thác nguồn NLTT. Trong NLTT, NLG thường là lựa
chọn hấp dẫn nhất cho phát triển nguồn điện mới nhìn từ góc độ kinh tế, an ninh năng

lượng và bảo vệ mơi trường.[5]

DU

1.4. Tiềm năng gió ở Việt Nam.
Việt Nam có cơ sở để hy vọng và phát triển mở rộng hơn nữa các nhà máy điện
gió để nâng cao sản lượng điện của Việt Nam trong những năm tới vì có địa hình
thuận lợi, đường bờ biển dài trên 3.000 km2. Dự kiến, Việt Nam sẽ đạt 2.000 MW điện
gió vào năm 2025 và 6.000 MW vào năm 2030.
Việt Nam là nước có tiềm năng gió lớn nhất trong 4 nước khu vực, với hơn
39% tổng diện tích của Việt Nam được ước tính là có tốc độ gió trung bình hàng năm


5

lớn hơn 6m/s, ở độ cao 65m, tương đương với tổng cơng suất 512 GW. Đặc biệt, hơn
8% diện tích Việt Nam được xếp hạng có tiềm năng gió rất tốt (tốc độ gió ở độ cao
65m là 7 - 8 m/giây), có thể tạo ra hơn 110 GW.[4]
1.5. Giới thiệu chung về máy phát-turbine gió
1.5.1. Các dạng máy phát-turbine gió
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều dạng máy phát-turbine gió khác nhau từ loại
chỉ có 1 cánh tới loại có rất nhiều cánh với hình dạng và kích thước cũng khác nhau
được thể hiện như hình 1.1[7]

C
C

R
L
T.

Hình 1.1. Hình dạng các máy phát-turbine gió
1.5.2. Các loại máy phát-turbine gió
Tuabin gió thường có 2 loại: Điều khiển được và không điều khiển được, so
sánh 2 tua bin như sau:

DU

Bảng 1.1. So sánh đặc tính 2 loại tua bin
Loại tuabin

Loại khơng điều khiển đƣợc

Loại điều khiển đƣợc

Cấu tạo

Phức tạp có cơ cấu điều chỉnh
Đơn giản khơng có cơ cấu điều
cánh và các thành phần liên
chỉnh cánh
quan

Tính năng

Cơng suất giảm khi quá Công suất không thay đổi khi
ngưỡng vận tốc đo của gió
vận tốc gió q ngưỡng

Điều khiển

cơng suất

Hình dáng của cánh điều khiển Điều khiển cơ bằng cách thay
công suất sau ngưỡng
đổi góc của cánh

Tính thích hợp

Phản ứng với thời gian trễ nhất
Phản ứng trực tiếp từ mọi thay
định sau khi có gió mạnh tác
đổi của chế độ gió
động lên bề mặt của cánh

Bảo trì máy
móc
Chi phí

Dễ dàng, số bộ phận cơ cấu ít

Phức tạp cần thiết bảo trì máy
điều tốc và các bộ phận áp dầu

Rẻ

Đắt


6

1.5.3. Cấu tạo của máy phát-turbine gió

C
C

R
L
T.

Hình 1.2. Cấu tạo của máy phát-turbine gió [6]
- Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điều
khiển.

DU

- Blades: Cánh quạt. Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các
cánh quạt chuyển động và quay. Nhiệm vụ chính của cánh turbine là để chuyển đổi
năng lượng gió (động năng) thành cơ năng trên trục turbine.
- Brake: Bộ hãm (phanh). Bộ hãm dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp
bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.
- Controller: Bộ điều khiển. Thông thường bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ
khi tốc độ gió khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và ngừng
động cơ khi tốc độ gió khoảng 65 dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy
phát này có thể phát nóng do bị q tải. Ngồi ra bộ điều khiển cịn có nhiệm vụ đưa
các xung đóng cắt các van (điện tử công suất ) trong bộ biến tần nhằm đạt được mục
tiêu đặt ra của bộ điều khiển.
- High - speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao-trục máy phát.
- Low - speed shaft: Trục quay tốc độ thấp-trục turbine.
- Gear box: Hộp số. Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc
độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc

độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện. Bộ bánh răng này
rất đắt tiền, nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió.
Hộp số được cấu tạo từ các bộ bánh răng có số răng khác nhau. Hộp số được


7

dùng để nối trục turbine ( trục có tốc độ thấp- tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút) với
trục máy phát (trục có tốc độ cao - 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc độ quay là yêu cầu
của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện. Thông qua hộp số, công suất cơ (mô
men cơ trên trục turbine) được truyền đến trục máy phát.
- Generator: Máy phát. Nhiệm vụ của máy phát là để chuyển công suất cơ trên
trục máy phát thành điện năng đầu ra cuộn dây của máy phát.
- Nacelle: vỏ bọc ngoài turbine, vỏ được đặt trên đỉnh trụ. Bên trong vỏ bao
gồm các phần: Hộp số, trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao và thấp, máy phát
điện, bộ điều khiển, và bộ hãm. Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong
vỏ. Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong khi làm việc.
- Pitch: Bước răng. Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho trục
của turbine không quá cao nhằm đảm bảo các thiết bị (turbine, máy phát…) trong máy
phát-turbine gió khơng bị q tải.
- Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.
- Tower: Trụ đỡ Nacelle. Trụ đỡ được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn
bằng thép. Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được
năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn.
- Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướng
tuabin gió.
- Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có
sự thay đổi hướng gió.
- Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định được hướng gió.
1.5.4. Nguyên lý hoạt động của các máy phát-turbine gió

- Gió là một dạng của năng lượng mặt trời. Gió được sinh ra là do nguyên nhân
mặt trời đốt nóng khí quyển, do trái đất xoay quanh mặt trời và do sự không đồng đều
trên bề mặt trái đất. Luồng gió thay đổi tuỳ thuộc vào địa hình trái đất, luồng nước, cây
cối, con người sử dụng luồng gió hoặc sự chuyển động năng lượng cho nhiều mục đích
như: đi thuyền, thả diều và phát điện.
- Năng lượng gió được mơ tả như một q trình, nó được sử dụng để phát ra
năng lượng cơ hoặc điện. Tuabin gió sẽ chuyển đổi từ động lực của gió thành năng
lượng cơ. Năng lượng cơ này có thể sử dụng cho những công việc cụ thể như là bơm
nước hoặc các máy nghiền lương thực hoặc cho một máy phát có thể chuyển đổi từ
năng lượng cơ thành năng lượng điện.
Hay nói cách khác, tuabin gió hoạt động theo một nguyên lý rất đơn giản. Năng
lượng của gió làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh 1 rotor. Mà rotor được nối với
trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục quay máy phát để tạo ra điện.

C
C

DU

R
L
T.


8

1.5.5 Các kiểu máy phát-turbine gió hiện nay:
Các máy phát-turbine gió hiện nay được chia thành hai loại:
- Một loại theo trục đứng giống như máy bay trực thăng.
- Một loại theo trục ngang.

Các loại tuabin gió trục ngang là loại phổ biến có 2 hay 3 cánh quạt. Máy phátturbin gió 3 cánh quạt hoạt động theo chiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều
gió đang thổi. Ngày nay, máy phát-turbine gió 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi. Sau
đây là một vài máy phát-turbine gió 3 cánh quạt điển hình như hình 1.3, hình 1.4[8]

Hình 1.3. Tuabin gió 2 MW
có chiều dài cánh quạt 40 m

C
C

DU

R
L
T.

Hình 1.4. Tuabin 10 MW
có chiều dài cánh quạt 210 m

1.5.6. Cơng suất các loại tuabin gió
Dãy cơng suất tuabin gió thuận lợi từ 50 kW tới cơng suất lớn hơn cỡ vài MW.
Để có dãy cơng suất máy phát-turbine gió lớn hơn thì tập hợp thành một nhóm những
tuabin với nhau trong một trại gió và nó sẽ cung cấp năng lượng lớn hơn cho lưới điện.
Các máy phát-turbine gió loại nhỏ có cơng suất dưới 50 kW được sử dụng cho
gia đình, viễn thơng hoặc bơm nước, sử dụng cho các vùng sâu vùng xa, những địa
phương chưa có lưới điện, những nơi mà mạng điện khơng thể nối tới các khu vực
này.
1.6. Giới thiệu về các loại máy phát-turbine gió
Ta chỉ tập trung nghiên cứu 3 loại máy phát turbine gió loại 1(SCIG), loại 3(DFIG) và
loại 4(PMSG). Cịn máy phát turbine gió loại 2 ở đây ta khơng nghiên cứu vì trong thực tế rất

ít sử dụng.

1.6.1. Giới thiệu về máy phát-turbine gió sử dụng SCIG:
Máy phát-turbine gió loại này có tốc độ quay turbine là cố định. Loại máy
phát được sử dụng trong loại turbine này là máy phát điện khơng đồng bộ rotor lồng
sóc (SCIG-squirrel cage induction generator) và được kết nối trực tiếp vào lưới điện
thông qua máy biến áp được mô tả theo hình 1.5[1]


9

Bộ khởi động

SCIG

Lưới
Hệ thống bù
Hình 1.5. Máy phát nối trực tiếp với lưới
Máy phát-turbine gió sử dụng SCIG địi hỏi phải lắp hệ thống bù một lượng
công suất phản kháng để giảm việc tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới điện. Để
giảm ảnh hưởng của dòng khởi động máy phát-turbine gió này đến lưới điện được kết
nối, hệ thống khởi động mềm được sử dụng. Đối với loại turbine này, do khơng có hệ
thống điều khiển nên sự biến động của tốc độ gió, gây nên các dao động công suất làm
cho điện áp tại đầu cực máy phát bị bị thay đổi và kết quả, các nút lân cận cũng bị dao
động điện áp(trường hợp công suất lưới là yếu).
Nhược điểm chính của loại máy phát-turbine gió sử dụng SCIG này là không
thể điều khiển tốc độ, yêu cầu phải có một hệ thống lưới có cơng suất vơ cùng lớn và
bộ phận cơ khí của turbine gió phải có khả năng chịu được ứng suất cơ học cao gây ra
bởi những cơn gió giật. Máy phát-turbine gió sử dụng SCIG có kết cấu rất đơn giản và
tin cậy nhưng khơng cho phép điều khiển tích cực để thu năng lượng tối đa và tốc độ

của máy phát phụ thuộc hồn tồn vào tần số và cơng suất của lưới điện. Ngoài hiệu
suất chuyển đổi thấp, chất lượng điều khiển kém cịn có sự biến động của cơng suất tác
dụng và phản kháng.

C
C

R
L
T.

DU

1.6.2. Giới thiệu về máy phát-turbine gió sử dụng DFIG:
DFIG bao gồm một WRIG với cuộn dây stato kết nối trực tiếp với lưới ba pha,
tần số không đổi và cuộn dây rotor kết nối với lưới thông qua một bộ chuyển đổi tần
số, sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung PWM, được mô tả trên hình 1.6[1]
DFIG
Lưới
RSC

GSC

Hình 1.6. Máy phát cảm ứng nguồn kép


10

Máy phát-turbine gió loại này cho phép hoạt động khi tốc độ thay đổi trên một
phạm vi rộng. Bộ biến tần bao gồm hai bộ chuyển đổi: chuyển đổi phía rotor và

chuyển đổi phía lưới điện, chúng được điều khiển độc lập với nhau. Bộ chuyển đổi
phía rotor thường là điều khiển công suất phản kháng và công suất tác dụng bằng cách
điều khiển các thành phần dòng điện rotor, trong khi bộ chuyển đổi phía đường dây
điều khiển điện áp một chiều DC.
Máy phát-turbine gió loại này sử dụng chiến lược điều khiển tốc độ thay đổi –
góc nghiêng thay đổi (Variable Speed – Variable Pitch). Chiến lược này đang ngày
càng trở nên thông dụng trong các máy phát-turbine gió hiện đại. Trong chiến lược
này, máy phát-turbine gió được lập trình vận hành với tốc độ thay đổi, góc nghiêng
khơng đổi ở tốc độ gió dưới tốc độ định mức, và thay đổi góc nghiêng khi tốc độ gió
lớn hơn tốc độ định mức.
Thay đổi tốc độ (Variable Speed) làm tăng năng lượng thu được khi tốc độ gió
thấp trong khi thay đổi góc nghiêng (Variable Pitch) sẽ điều chỉnh được hiệu suất cơng
suất khi tốc độ gió cao hơn tốc độ định mức. Chất lượng điện năng rất tốt ở tốc độ gió
thấp cũng như ở tốc độ gió cao. Turbine gió loại này điều khiển hồn tồn dịng cơng
suất phản kháng và cơng suất tác dụng đưa vào lưới điện.

C
C

R
L
T.

DU

1.6.3. Giới thiệu về turbine gió sử dụng PMSG
Turbine gió loại này được sử dụng với mục tiêu đáp ứng với mọi dạng biến đổi
tốc độ của gió. Máy phát được kết nối với lưới điện thông qua bộ biến tần sử dụng
nguồn điện áp (VSC) [1]
SCIG

SG/PMSG
Lưới
RSC

GSC

Hình 1.7. Máy phát nối lưới thông qua bộ biến đổi điện tử công suất đầy đủ
Ưu điểm của bộ biến đổi (VSC) là bộ chuyển đổi bên phía máy phát có thể
kiểm soát tốc độ của máy phát điện trong khi bộ chuyển đổi bên phía đường dây có thể
điều chỉnh công suất phản kháng và ổn định hệ thống điện trên toàn dải tốc độ hoạt
động. Nhà máy này dùng máy phát điện sử dụng nam châm vĩnh cửu để tạo kích từ
(máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG).
Sự phát triển mạnh mẽ của ngành điện tử công suất đã cho ra đời các bộ chuyển
đổi điều khiển được nguồn công suất lớn với giá cả hợp lý. Các bộ chuyển đổi điện


11

này thật sự có ích cho việc cải thiện chất lượng điện năng. Ngồi ra có thể điều khiển
để thu được cơng suất tối đa của gió. Nhược điểm của nhà máy này là công suất của bộ
chuyển đổi lên đến 120% cơng suất định mức của máy phát.
Turbine gió này sử dụng chiến lược điều khiển tốc độ thay đổi – góc nghiêng
khơng đổi (Variable Speed – Fixed Pitch).
Phương pháp tốc độ thay đổi đã trở nên thông dụng với các turbine gió hiện đại,
đặc biệt làm việc ở dải tốc độ gió thấp. Sự tiện lợi của phương pháp này là năng lượng
thu về lớn, làm giảm tải khí động học và cải thiện chất lượng điện năng. Ngày nay, với
sự phổ biến sâu rộng của năng lượng gió, việc yêu cầu cải thiện chất lượng điện năng
đã trở thành yếu tố thúc đẩy có tính quyết định đối với chiến lược điều khiển tốc độ
thay đổi (Variable Speed).
Ở tốc độ gió thấp, turbine được điều khiển thay đổi tốc độ để bắt được điểm cực

đại . Ở tốc độ gió cao hơn tốc độ gió định mức, góc nghiêng cánh turbine sẽ được điều
khiển nhằm duy trì cơng suất phát định mức cho turbine gió. Mơ hình này điều khiển
được lượng công suất tác dụng và công suất phản kháng đưa vào lưới điện.

C
C

R
L
T.

1.7. Tổng quan về chƣơng trình ETAP
1.7.1. Sơ lược về ETAP
- ETAP là sản phẩm của công ty operation technology, Inc (OTI). ETAP được
ra đời ngay từ những buổi đầu tiên khi máy tính điện tốn bắt đầu sử dụng để hỗ trợ
cơng việc. Ban đầu ETAP là phần mềm chuyên về thiết kế lưới điện, tính tốn các
thơng số của lưới điện tĩnh (off-line). Năm 1992 ETAP giới thiệu mảng thứ 2 toàn
diện và thiết thực hơn, đó là quản lý lưới điện trong thời gian thực (Real-time) với khả
năng điều khiển, khiểm soát dự báo lưới điện ngay trong vận hành thực tế. Kể từ đó
ETAP phát triển nhanh với việc độc quyền trên nền tảng thời gian thực, ETAP thu hút
số lượng người dùng đông đảo và ngày càng được tin dùng. [3]
- Phần mềm ETAP được chia thành hai mảng chính là ETAP off-line và ETAP
Real - time. ETAP Off-line cung cấp cái nhìn đầu tiên, mơ phỏng hệ thống điện cần
quy hoạch trên mơ hình và kiểm tra trước khi thi công dự án. ETAP Real-time hướng
đến một hệ thống điện tự hành bao gồm thu nhập dữ liệu, giám sát và dự báo những
biến cố có thể xảy ra quy hoạch động cũng như thao tác tập tung hệ thống đang vận
hành. Bên cạnh đó chức năng ETAP can thiệp được trong tất cả các giai đoạn của q
trình tính tốn giúp cho q trình chuyển giao giai đoạn, ghép nối các khâu hay bảo trì
vận hành dễ dàng do sử dụng 1 nền tảng.
- Phần mềm ETAP phân tích đánh giá lưới điện rất mạnh với quy mơ số lượng

nút khơng giới hạn và hồn tồn có thể áp dụng rộng rãi trong quản lý và vận hành
lưới điện Việt Nam.[3]

DU


12

1.7.2. Ứng dụng của phần mềm ETAP
- ETAP là một phần mềm có khả năng mơ phỏng phân tích và tính tốn các hệ
thống điện cơng nghiệp, phân phối và truyền tải. Phần mềm cho ta biết rất nhiều thông
số của hệ thống điện, nhờ đó mà ta có thể kiểm soát, điều chỉnh hay sửa chữa hệ thống
kịp thời khi có sự cố để tránh những thiệt hại đáng tiếc xảy ra.
Một số ứng dụng của phần mềm:
 Phân bố cơng suất
 Phân tích ngắn mạch
 Phân tích ổn định động
 Phân tích sóng hài
 Phân tích đánh giá độ tin cậy
 Phối hợp bảo vệ
 Tính lưới nối đất

C
C

 Bù tối ưu công suất phản kháng

R
L
T.

 Quản lý lưới điện trên sơ đồ địa lý GIS
1.7.3. Giao diện phần mềm ETAP
Cửa sổ thiết kế của phần mềm:

DU


13

C
C

R
L
T.

Hình 1.8. Giao diện phần mềm ETAP
Các chức năng tính tốn:

DU

Hình 1.9. Các chức năng tính tốn


14

Các phần tử AC:

Thanh góp

Máy biến áp 3
cuộn dây

Máy biến áp 2
cuộn dây

Đường dây
Nguồn

Máy phát

Động cơ

Phụ tải

C
C

Tụ bù

R
L
T.

DU

Cầu chì

Contacter

Máy cắt

Lưới nối đất

Hình 1.10. Các thiết bị AC
1.7.4. Các phần tử chính của ETAP
1.7.4.1. Nguồn (hệ thống)
Nguồn được xem là thay thế cho 1 hệ thống phức tạp vô cùng lớn được đặc
trưng bởi các thông số sau:


15

Trang info của nguồn:

C
C

R
L
T.

DU

Hình 1.11. Trang info của nguồn
- IP: tên của nguồn (hệ thống)
- Bus: kết nối với bus nào (kèm điện áp định mức)
- Mode: chọn chức năng của nguồn
+ Swing: nút cân bằng
+ Voltage Control: điều chỉnh điện áp

+ Mvar Control: điều chỉnh công suất kháng
+ PF control: điều chỉnh hệ số công suất