Đánh giá chất lượng điện năng của máy phát điện gió
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.06 MB, 110 trang )
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
- MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ....................................................................................................3
1.1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI .................................................................................3
1.2 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN GIÓ........................................................3
1.2.1 Ưu và nhược điểm của hệ thống năng lượng điện gió ....................................3
1.2.2 Tình hình phát triển hệ thống năng lượng điện gió trên thế giới ...................4
1.2.3 Tình hình phát triển hệ thống năng lượng gió tại Việt Nam ...........................5
1.2.4 Tình hình phát triển phong điện nước ta 20 năm tới.......................................5
1.3 NHỮNG ĐỀ TÀI ĐÃ THỰC HIỆN TRÊN THẾ GIỚI ............................................6
1.4 NHIỆM VỤ VÀ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI..............................................................7
1.5 ĐỊNH HƯỚNG CỦA ĐỀ TÀI...................................................................................7
1.6 KÉT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC.............................................................................................9
CHƯƠNG 2: MÁY PHÁT ĐIỆN TUA BIN GIÓ........................................................10
2.1 QÚA TRÌNH HÌNH THÀNH GIĨ TRONG TỰ NHIÊN .......................................10
2.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN GIĨ................................................................10
2.2.1 Những ảnh hưởng mang tính chất khu vực ...................................................10
2.2.2 Ảnh hưởng của địa hình ................................................................................11
2.2.3 Sự thay đổi theo thời gian .............................................................................13
2.3 QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG CỦA TUA BIN GIÓ ...........................15
2.3.1 Động năng của gió.........................................................................................15
2.3.2 Cơng suất đầu ra từ một tua bin gió lý tưởng................................................15
2.4 KẾT CẤU CHUNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TUA BIN GIĨ ..............................17
2.4.1 Trụ tháp .........................................................................................................18
2.4.2 Tua bin gió.....................................................................................................20
2.4.3 Hộp số............................................................................................................22
2.4.4 Bộ hãm tốc độ................................................................................................22
2.4.5 Máy phát điện................................................................................................23
2.4.6 Bộ chỉnh lưu và nghịch lưu ...........................................................................24
2.5 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN TUA BIN GIÓ ....26
2.5.1 Hệ thống máy phát tua bin gió tốc độ cố định ..............................................27
2.5.2 Hệ thống máy phát tua bin gió thay đổi ........................................................27
2.6 HỊA ĐỒNG BỘ MÁY PHÁT ĐIỆN TUA BIN GIĨ VÀO LƯỚI ĐIỆN..............29
CHƯƠNG 3: CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG MÁY PHÁT TUA BIN GIĨ KHI LIÊN
KẾT VÀO LƯỚI VƠ CÙNG LỚN ......................................................30
3.1 TỔNG QUÁT...........................................................................................................30
Trang 1
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
3.2 MƠ HÌNH MÁY PHÁT TUA BIN GIĨ KHI LIÊN KẾT VÀO LƯỚI VƠ CÙNG
LỚN ..........................................................................................................................30
3.2.1 Mơ hình máy phát tua bin gió tốc độ cố định - Fixed speed wind turbine ...30
3.2.2 Mơ hình máy phát tua bin gió tốc độ thay đổi-Variable speed wind turbine.49
3.3 PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG...........................................................54
3.3.1 Biến thiên điện áp..........................................................................................54
3.3.2 Sự sụt áp ........................................................................................................62
3.3.3 Sự chập chờn - Flicker ..................................................................................66
3.3.4 Sóng hài.........................................................................................................76
3.3.5 Qúa độ ...........................................................................................................86
CHƯƠNG 4: CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG MÁY PHÁT TUA BIN GIÓ KHI LIÊN
KẾT VÀO LƯỚI ĐỘC LẬP.................................................................88
4.1 TỔNG QT...........................................................................................................88
4.2 MƠ HÌNH LƯỚI ĐỘC LẬP....................................................................................88
4.2.1 Mơ hình khối .................................................................................................88
4.2.2 Mơ hình lưới độc lập .....................................................................................89
4.2.3 Thơng số lưới độc lập....................................................................................89
4.2.4 Mơ hình mơ phỏng ........................................................................................90
4.3 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG ............................................................98
4.3.1 Cơng suất gió biến thiên................................................................................98
4.3.2 Ngắn mạch tại đầu cực máy phát tua bin gió ..............................................106
CHƯƠNG 5: NHỮNG HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO...............................108
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................109
----------------------------WX--------------------------------
Trang 2
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU
1.1
SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Năng lượng là một trong những nhu cầu thiết yếu của con người và là một yếu tố
đầu vào không thể thiếu của hoạt động kinh tế. Khi mức sống của người dân càng
cao, trình độ sản xuất của nền kinh tế càng hiện đại thì nhu cầu về năng lượng cũng
ngày càng lớn và việc thỏa mãn nhu cầu này thực sự là một thách thức đối với hầu
hết mọi quốc gia.
Năng lượng hóa thạch và năng lượng hạt nhân được sử dụng từ thế kỷ 20. Một số
nhà khoa học dự đốn trữ lượng than, dầu khí sẽ cạn kiệt trong vịng 30 năm tới. Do
đó, ngay từ đầu thế kỷ 21 Tổ chức Năng lượng gió châu Âu (EWEA) đề xuất ưu
tiên phát triển điện gió trên thế giới trong giai đoạn đầu thế kỷ 21.
Ở Việt Nam, sự khởi sắc của nền kinh tế làm cho nhu cầu về điện gia tăng đột biến
trong khi năng lực cung ứng chưa phát triển kịp thời. Nếu tiếp tục đà này, nguy cơ
thiếu điện vẫn sẽ còn là nỗi lo thường trực của ngành điện Việt Nam cũng như các
doanh nghiệp và người dân cả nước.
Trên thế giới năng lượng điện gió (cụ thể là các máy phát điện gió) đã được nghiên
cứu và ứng dụng từ rất sớm, tuy nhiên ở nước ta năng lượng điện gió chỉ mới ở
bước khởi đầu. Do đó việc nghiên cứu năng lượng điện gió sẽ đáp ứng được những
địi hỏi phát triển trong tương lai của ngành năng lượng nước ta.
1.2
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG ĐIỆN GIÓ
1.2.1 Ưu và nhược điểm của hệ thống năng lượng điện gió
1- Ưư điểm
• So với nhiệt điện và thủy điện thì điện gió (phong điện) tận dụng được nguồn năng
lượng vô tận là gió, khơng bị khống chế quy mơ diện tích đầu tư.
• Gío là nguồn ngun liệu sạch khơng gây ơ nhiễm khơng khí và nước khi tạo ra
điện, có khả năng giảm đáng kể lượng khí CO2 thải ra mơi trường.
• Các tua bin gió khơng tạo ra mưa axít do khí thải SO2 hay các khí nhà kín.
• Với đặc trưng phân tán và nằm sát khu dân cư nên năng lượng gió giúp tiết kiệm
chi phí truyền tải.
• Giúp đa dạng hóa các nguồn năng lượng là một điều kiện quan trọng để tránh phụ
thuộc vào một hay một số ít nguồn năng lượng chủ yếu và chính điều này giúp phân
tán rủi ro và tăng cường an ninh năng lượng.
Trang 3
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
2- Nhược điểm
• Nhược điểm lớn nhất của điện gió là phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và chế độ
gió. Vì vậy cần nghiên cứu hết sức chi tiết về địa hình và tính chất của gió để tránh
những ảnh hưởng khơng tốt đến máy phát.
• Các trạm điện gió thường gây ra tiếng ồn trong khi vận hành, nếu các yếu tố kỹ
thuật không đảm bảo có thể phá vỡ cảnh qn tự nhiên và làm ảnh hưởng đến tín hiệu
của các sóng vơ tuyến. Do đó khi xây dựng các khu điện gió cần tính tốn khoảng
cách hợp lý đến các khu dân cư, khu du lịch để không gây những tác động tiêu cực.
1.2.2 Tình hình phát triển hệ thống năng lượng điện gió trên thế giới
Theo Hội đồng Năng lượng Gió Tồn cầu (Global Wind Energy Council-GWEC)
thì năm 2006 tổng cơng suất lắp đặt trên toàn thế giới tăng 25% đạt mức 74 GW.
Dự đoán vào cuối thập niên này (2010) tổng cơng suất lắp đặt năng lượng gió đạt
149,5 GW và công suất phân bố cụ thể tại các khu vực như sau:
• Châu Âu (EU)
EU vẫn là thị trường hàng đầu về năng lượng gió. Năm 2004 châu Âu chiếm 72%
thị trường toàn cầu hàng năm nhưng sang năm 2005 giảm xuống còn 55% và năm
2006 chỉ còn 51%. Xu hướng này vẫn duy trì và đến năm 2010 châu Âu sẽ chỉ cịn
giữ 44% thị trường tồn cầu hàng năm (9,3 GW) nhưng giữ 55% tổng công suất lắp
đặt trên thế giới (82 GW).
• Bắc Mỹ
Bắc Mỹ theo dự đoán vẫn tiếp tục là thị trường khu vực lớn thứ hai về tổng công
suất lắp đặt với mức tăng trưởng trung bình hàng năm là 24,6%, từ mức 9,8 GW
vào năm 2006 tăng lên 31,6 GW vào năm 2010 và Mỹ sẽ là thị trường quan trọng
nhất trong khu vực náy với cơng suất lắp đặt dự đốn trung bình 3,5 GW/năm.
• Châu Á
Thị trường Châu Á đã vượt quá mọi dự đoán trước đây do sự tăng trưởng mạnh mẽ
ngoài dự kiến ở Trung Quốc và châu lục này sẽ có tốc độ tăng trưởng trung bình
hàng năm cao nhất (28,3%) trong suốt giai đoạn này. Tới năm 2010 tổng công suất
sẽ đạt 29 GW so với 10,7 GW vào năm 2006.
• Châu Mỹ La tinh và vùng Caribê
Tới năm 2010 thị trường này sẽ cất cánh với 296 MW công suất lắp đặt mới, bắt
đầu từ Braxin sau đó là Mêhico. Những dự án phát triển nhỏ hơn cũng sẽ được thực
hiện ở một số nước Trung Mỹ cũng như ở Áchentina và Chilê. Mặc dù có tiềm
năng lớn nhưng cho tới cuối thập kỷ này châu Mỹ La tinh vẫn chỉ là thị trường nhỏ.
• Khu vực Thái Bình Dương
Sự phát triển của phong điện được dự đốn là sẽ tiếp tục ở Ơxtraylia với 1 GW
được lắp đặt trong giai đoạn 2007-2010.
Trang 4
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
• Châu Phi
Châu Phi vẫn là lục địa có mức phát triển phong điện thấp nhất, mặc dù hai quốc
gia là Ai Cập và Marốc đã nổi lên như những quốc gia đi đầu trong sự phát triển
ngành này. Tới năm 2010 Bắc Phi và Trung Đông sẽ bổ sung thêm 900 MW cho
toàn bộ châu lục.
1.2.3 Tình hình phát triển hệ thống năng lượng gió tại Việt Nam
1- Điều kiện thuận lợi
• Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với trên 3000 km bờ biển Việt Nam có
một thuận lợi cơ bản để phát triển điện gió.
• Tốc độ gió trung bình trong vùng biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân cận
cho thấy gió tại biển Đơng khá mạnh và thay đổi theo mùa.
2- Những vị trí lý tưởng lắp đặt các máy phát điện gió ở nước ta
Ở Việt Nam, các khu vực có thể phát triển điện gió trải đều trên toàn bộ lãnh thổ
với ảnh hưởng của chế độ gió khác nhau.
-
Ở phía Bắc đèo Hải Vân thì mùa gió mạnh chủ yếu trùng với mùa gió đơng
bắc, trong đó các khu vực giàu tiềm năng nhất là Quảng Ninh, Quảng Bình và
Quảng Trị.
-
Ở phần phía nam đèo Hải Vân mùa gió mạnh trùng với mùa gió tây nam và
các vùng tiềm năng nhất thuộc cao nguyên Tây Nguyên, các tỉnh đồng bằng
sông Cửu Long và đặc biệt là khu vực hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận.
Theo nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới, trên lãnh thổ Việt Nam hai vùng giàu
tiềm năng nhất để phát triển điện gió là Sơn Hải (Ninh Thuận) và vùng đồi cát ở độ
cao 60-100 m phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận). Gío vùng này khơng
những có vận tốc trung bình lớn mà cịn có một thuận lợi là số lượng các cơn bão
khu vực ít và gió có xu thế ổn định là những điều kiện rất thuận lợi để phát triển
điện gió. Trong những tháng có gió mùa tỷ lệ gió nam và đơng nam lên đến 98%
với vận tốc trung bình 6-7 m/s tức là vận tốc có thể xây dựng các trạm điện gió
cơng suất 3 - 3,5 MW.
1.2.4 Tình hình phát triển phong điện nước ta 20 năm tới
Theo “Quy hoạch phát triển Điện lực Quốc gia giai đoạn 2006-2015 có xét triển
vọng đến 2025” năng lượng tái tạo là một trong những nguồn cơng suất đóng góp
vào tổng cơng suất của tồn bộ hệ thống. So với thủy điện và nhiệt điện tuy năng
lượng tái tạo có quy mơ nhỏ nhưng từng giai đoạn tổng công suất luôn tăng lên, dự
kiến Việt Nam sẽ phấn đấu để tỷ lệ năng lượng tái tạo chiếm khoảng 3% tổng công
suất điện năng tới năm 2010 và 6% vào năm 2030. Trong đó tiềm năng xây dựng
điện gió Việt Nam từ nay tới năm 2030 là khoảng 400 MW.
Hiện nay, một số cơng trình về điện gió đã bước đầu được triển khai như:
Trang 5
Luận văn Cao học
1.3
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
-
Cột gió ở Bạch Long Vĩ với công suất 850 KW.
-
Nhà máy phong điện Phương Mai 3 được xây dựng tại huyện Phù Cát tỉnh
Bình Định với công suất 21 MW.
-
Nhà máy phong điện Nhơn Hội được xây dựng tại huyện Phù Cát tỉnh Bình
Định với cơng suất 27 MW.
-
Trang trại điện gió 20 MW ở Khánh Hòa.
NHỮNG ĐỀ TÀI ĐÃ THỰC HIỆN TRÊN THẾ GIỚI
-
Năm 1995 tác giả AKE LARSSON có bài báo “Electrical generating systems in
wind turbine applications”. Kết quả thu được là đưa ra cái nhin tổng quát về các
thiết bị sử dụng trong máy phát tua bin gió, các vấn đề về chất lượng điện năng
khi liên kết máy phát tua bin gió vào lưới.
-
Năm 1996 các tác giả M.P.Papadopoulos, S.A.Papathanassion, S.T.Tentzerakis,
N.G.Boulasis có bài báo “Investigation of the flicker emission by grid connected
wind turbine” Kết quả thu được là đánh giá hiện tượng chập chờn do máy phát
tua bin gió gây ra khi liên kết với lưới điện.
-
Năm 1996 tác giả AKE LARSSON có bài báo “Voltage and frequency
variations on autonomous grids: A comparison of two different wind-diesel
systems” Kết quả thu được là so sánh chất lượng điện năng (điện áp và tần số)
của 2 kiểu hệ thống máy phát tua bin gió-máy phát diesel của lưới độc lập hoạt
động dưới các chế độ gió và phụ tải khác nhau.
-
Năm 1996 tác giả AKE LARSSON có bài báo “Flicker and slow variations from
wind turbines”. Kết quả thu được là đánh giá mức độ ảnh hưởng về sự chập
chờn và biến thiên điện áp do máy phát tua bin gió gây ra cho các hộ tiêu thụ khi
liên kết vào lưới điện.
-
Năm 1997 tác giả AKE LARSSON có bài báo “Power quality of wind turbine
generating systems and their interaction with the grid”. Kết quả thu được là đưa
ra được kết cấu chính của máy phát tua bin gió tốc độ cố định và máy phát tua
bin gió tốc độ thay đổi, những ảnh hưởng về chất lượng điện năng gây ra bởi hai
loại máy phát này.
-
Năm 1999 tác giả AKE LARSSON có bài báo “Grid impact of variable-speed
wind turbines”. Kết quả thu được là đo đạc và đánh giá ảnh hưởng của các bộ
chuyển đổi công suất trang bị trong máy phát tua bin gió tốc độ thay đổi đối với
lưới điện. Qúa trình đánh giá có so sánh với tiêu chuẩn IEC 61400-21 “Power
quality requirement for grid connected wind turbines”.
-
Năm 2000 tác giả AKE LARSSON có bài báo “Flicker emission of wind
turbines during continuous operation”. Kết quả thu được là đo đạc và đánh giá
sự chập chờn gây ra bởi máy phát tua bin gió trong q trình hoạt động liên tục
có so sánh với tiêu chuẩn IEC 61400-21.
Trang 6
Luận văn Cao học
1.4
1.5
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
-
Năm 2000 tác giả AKE LARSSON có bài báo “Flicker emission of wind
turbines caused by switching operations”. Kết quả thu được là đo đạc và đánh
giá sự chập chờn gây ra bởi máy phát tua bin gió trong q trình hoạt động đóng
ngắt có so sánh với tiêu chuẩn IEC 61400-21.
-
Năm 2002 các tác giả J.Morren, S.W.H.de.Haan, P.Bauer, J.T.G.Pierik có bài
báo “Comparison of complete and reduced models of a wind turbine using
Douby-Fed Induction generator (DFIG)”. Kết quả thu được là đưa ra các mơ
hình máy phát DFIG đã tinh giãm các thiết bị chuyển đổi công suất và máy điện
để q trình tính tốn và mơ phỏng nhanh và chính xác hơn.
-
Năm 2004 các tác giả FlorinIov, Anca Daniela Hansen, Poul Sorensen, Frede
Blaabjerg thuộc Đại học University có bài “Wind turbine blockset in
Matlab/Simulink”. Kết quả thu được là các tác giả đã đưa ra một cách khá tồn
diện mơ hình tốn hoc, mơ hình mơ phỏng của các phần tử hệ thống máy phát
tua bin gió.
-
Năm 2004 các tác giả Anca d.Hansen, Nicolaos A. Cutuluis, Poul Sorensen
thuộc Đại học Đan Mạch có bài “Simulation of a flexible wind turbine response
to a grid fault”. Kết quả thu được là đánh giá ảnh hưởng của hiện tượng ngắn
mạch của lưới điện đối với máy phát tua bin gió, đồng thời đưa ra mơ hình máy
phát điện gió có cấu trúc linh hoạt để tác động của hiện tượng ngắn mạch.
-
Năm 2006 các tác giả Dr. Greg Buckner, Dr. Herbert Eckerlin, Dr. Alex Hobbs,
Dr. James Leach có bài viết “Performance optimization of a hybird wind
turbine-diesel microgrid power system” Kết quả thu được là sử dụng công cụ
Matlab/Simulink đưa ra các mơ hình mơ phỏng hệ thống máy phát điện gió và
máy phát diesel hoạt động ở chế độ hỗn hợp, đo đạc và đánh giá chât lượng điện
năng ở các chế độ hoạt động khác nhau.
NHIỆM VỤ VÀ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
-
Xây dựng các mơ hình tốn học và mơ hình mơ phỏng của tất cả các phần tử của
máy phát tua bin gió và lưới điện.
-
Sử dụng các mơ hình mơ phỏng đánh giá chất lượng điện năng của lưới điện khi
liên kết máy phát tua bin gió vào lưới điện vô cùng lớn và lưới điện độc lập.
-
Đánh giá các kết quả thu được và đưa ra nhận xét.
ĐỊNH HƯỚNG CỦA ĐỀ TÀI
Với những phân tích như trên có thể thấy điện gió có tiềm năng phát triển rất lớn và
việc đánh giá đúng đắng những tác động đối với hệ thống điện nhằm đảm bảo tính
ổn định là hết sức cần thiết. Để thức hiện việc đánh giá, một số vấn đề được đặt ra
như sau:
• Vấn đề thứ nhất
Trang 7
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
Để khai thác nguồn điện gió cần kết nối các máy phát điện tua bin gió vào lưới
điện. Có hai kiểu kết nối chính:
-
Kết nối vào lưới điện vô cùng lớn
-
Kết nối vào lưới điện độc lập nhằm cung cấp công suất cho những phụ tải ở
những vùng xa xơi.
• Vấn đề thứ hai
Sau khi đã kết nối cần đánh giá được những ảnh hưởng của nguồn điện gió (mà cụ
thể là các máy phát điện tua bin gió) đối với lưới điện cũng như những ảnh hưởng
của lưới điện đối với máy phát tua bin gió. Những ành hưởng này sẽ được thể hiện
thông qua các chỉ tiêu về chất lượng điện năng.
Chất lượng điện năng được xem là lý tưởng khi điện áp liên tục và có dạng hình sin
với biên độ và tần số không đổi.
Chất lượng điện năng thường được xem xét thông qua:
-
Điện áp
-
Tần số
-
Sự gián đoạn cung cấp điện.
Trong đó chất lượng điện áp được chia thành bốn dạng chính
-
Sự biến thiên điện áp
-
Chập chờn
-
Hoạ tần
-
Qúa độ
Các trạng thái khác nhau của chất lượng điện năng được thể hiện ở Hình 1.1.
Hình 1.1 : Các trạng thái khác nhau của chất lượng điện năng
• Vấn đề thứ ba
Xây dựng được các mơ hình máy phát điện tua bin gió và các phần tử của lưới điện.
Trang 8
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
• Vấn đề thứ tư
Sử dụng cơng cụ mô phỏng để đánh giá chất lượng điện năng.
Từ lâu mô phỏng đã trở thành công cụ hiệu quả để nghiên cứu và phân tích các thiết
bị thực tế. Trong báo cáo này sử dụng công cụ “Wind Turbine Blockset” phát triển
trong môi trường Matlab/Simulink được thực hiện bởi sự hợp tác giữa Aalborg
University và RIS∅ National Larboratory.
1.6
KÉT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Xây dựng được hai mơ hình máy phát tua bin gió kết nối vào lưới điện
-
Máy phát tua bin gió tốc độ cố định - Fixed speed wind turbine.
-
Máy phát tua bin gió tốc độ thay đổi - Variable speed wind turbine.
Đánh giá các chỉ tiêu về chất lượng điện năng của lưới điện khi liên kết máy phát tua
bin gió vào lưới trong 2 chế độ.
-
Liên kết máy phát tua bin gió vào lưới điện vơ cùng lớn.
-
Liên kết máy phát tua bin gió vào lưới điện độc lập.
Trang 9
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
CHƯƠNG 2
MÁY PHÁT ĐIỆN TUA BIN GIĨ
2.1
QÚA TRÌNH HÌNH THÀNH GIĨ TRONG TỰ NHIÊN
Trái đất nhận khoảng 1,7x1014 kW năng lượng từ mặt trời dưới dạng bức xạ nhiệt,
bức xạ này đốt nóng khơng khí của khí quyển. Cường độ đốt nóng sẽ cao hơn tại
xích đạo và giảm dần cho đến hai cực (cực Bắc và cực Nam) của trái đất
Hình 2.1 : Cường độ đốt nóng của mặt trời đối với trái đất
Những khu vực nóng được thể hiện bằng những màu ấm hơn như: màu đỏ, màu
cam, màu vàng trên Hình 2.1.
Mật độ khơng khí càng giảm khi nhiệt độ càng cao do đó khơng khí nhẹ hơn từ xích
đạo bay vào khí quyển đến một cực nhất định và sau đó lan rộng ra xung quanh.
Qúa trình này làm giảm áp suất tại các cực và khơng khí lạnh từ các cực có áp suất
thấp hơn sẽ bị hút về xích đạo có áp suất cao hơn, sự di chuyển khơng khí này sinh
ra gió.
Kết luận: Gío được sinh ra ứng với sự chênh lệch áp suất do sự đốt nóng khơng
đồng đều bề mặt trái đất của mặt trời. Do đó gió là hình thức gián tiếp của năng
lượng mặt trời, 1÷2% bức xạ mặt trời đến bề mặt trái đất được chuyển hóa thành
năng lượng gió.
2.2
CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN GIĨ
2.2.1 Những ảnh hưởng mang tính chất khu vực
Sự thay đổi vận tốc và hướng gió gần bề mặt trái đất (cách 100m so với mặt đất) là
đáng quan tâm bởi tính chất của gió bị ảnh hưởng bởi các hệ số khu vực.
Trang 10
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
Một ví dụ điển hình là những cơn gió từ đất liền và biển giữa ngày và đêm có tính
chất khác nhau.
- Ban ngày, đất liền hấp thu nhiệt nhanh hơn bề mặt biển dẫn đến không khí ở đất
liền cao hơn và tiếp tục là áp suất ở đất liền thấp hơn áp suất ở biển kết quả là
khơng khí lạnh từ biển sẽ thổi vào đất liền.
- Ban đêm quá trình diễn ra ngược lại và gió từ đất liền sẽ thổi ra biển.
2.2.2 Ảnh hưởng của địa hình
1- Thay đổi tốc độ gió
Luồng khơng khí trên mặt đất được quyết định bởi lực cản ma sát, lực cản này sinh
ra bởi: độ nhấp nhô của bề mặt đất, cây cối, thực vật, nhà cửa và các kết cấu khác
trên mặt đất.
Kết luận: vận tốc của gió tăng theo độ cao và phụ thuộc vào độ nhấp nhơ của địa
hình.
Hình 2.2 : Đồ thị vận tốc gió tăng theo độ cao với hệ số nhấp nhơ là 0,1
2- Hiện tượng chảy rối của gió
Vận tốc và hướng của gió thay đổi nhanh chóng khi di chuyển qua bề mặt nhấp nhô
hay chướng ngại vật, điều này đồng nghĩa với việc sinh ra hiện tượng chảy rối của
gió.
Trang 11
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
Phạm vi chảy rối của gió khi di chuyển qua một chướng ngại vật được thể hiện ở
Hình 2.3.
Hình 2.3 : Hiện tượng chảy rối tạo ra bởi một chướng ngại vật
Cường độ chảy rối phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của chướng ngại vật,
nhìn vào Hình 2.3 ta thấy:
-
Vùng chảy rối có thể trải rộng đến 2 lần chiều cao của chướng ngại vật ở phía
ngược chiều với hướng gió.
-
Vùng chảy rối có thể trải rộng từ 10 đến 20 lần chiều cao của chướng ngại vật
ở phía cùng chiều với hướng gió.
-
Khi hướng gió vng gốc với chướng ngại vật thì vùng chảy rối có thể vượt 2
đến 3 lần chiều cao chướng ngại vật.
Kết luận: Sự có mặt của hiện tượng chảy rối không chỉ làm giảm công suất khả
dụng của luồng khơng khí mà nó cịn làm giảm khả năng đáp ứng phụ tải của tua
bin gió. Vì vậy trước khi lắp đặt các tua bin gió cần xem xét tất cả các chướng ngại
vật và lựa chọn vị trí sau cho không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng chảy rối của gió.
3- Hiện tượng gia tốc ở gió
Hiện tượng gia tốc ở gió gây ra bởi sức ép của những lớp khơng khí khi di chuyển
qua một ngọn đồi như Hình 2.4.
Mức độ gia tốc phụ thuộc vào hình dạng của ngọn đồi. Hiện tượng gia tốc ở gió có
thể được lợi dụng để tạo ra năng lượng nếu độ dốc của ngọn đồi từ 6o đến 16o, gốc
lớn hơn 27o và nhỏ hơn 3o thì khơng thuận lợi.
Trang 12
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
Hình 2.4 : Hiện tượng gia tốc khi qua một ngọn đồi
2.2.3 Sự thay đổi theo thời gian
Vận tốc và hướng của gió thay đổi nhanh chóng theo thời gian, cùng với những
thay đổi này thì cơng suất và năng lượng khả dụng sinh ra từ gió cũng khác nhau.
Sự thay đổi vận tốc và hướng gió có thể diễn ra trong một khoảng biến thiên nhỏ,
biến thiên một ngày đêm hoặc biến thiên theo mùa thể hiện như Hình 2.5.
Hình 2.5a : Vận tốc gió thay đổi trong khoảng biến thiên nhỏ (30 giây)
Trang 13
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
Hình 2.5b : Vận tốc gió thay đổi trong một ngày đêm
Hình 2.5c : Vận tốc gió thay đổi trong một tháng
Trang 14
Luận văn Cao học
2.3
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
Q TRÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG CỦA TUA BIN GIĨ
Tua bin gió tạo ra năng lượng bằng việc chuyển đổi động năng trong khơng khí
thành cơ năng quay.
2.3.1 Động năng của gió
Động năng trong một khối khơng khí có khối lượng m, di chuyển ở tốc độ u và
hướng x được cho bởi công thức:
U=
1
1
m u 2 = ( ρ A x )u 2
2
2
(2.3.1)
Trong đó:
-
U : động năng của gió
(J).
-
A : diện tích mặt cắt ngang của gió
(m2).
-
ρ : mật độ khơng khí
(kg/m3).
-
x : độ dày của khối khơng khí
(m)
Chúng ta thể hiện khối khơng khí trong khơng gian như Hình 2.6 với mặt phẳng A
di chuyển theo phương x với vận tốc u và mặt đối diện cố định ở gốc tọa độ. Nhận
thấy động năng tăng đều so với x bởi khối lượng khối không khí tăng đều.
Hình 2.6 : Khối khơng khí di chuyển với tốc độ u
2.3.2 Công suất đầu ra từ một tua bin gió lý tưởng
Cơng suất Pw của gió là đạo hàm theo thời gian của động năng.
dU 1
dx 1
Pw =
= ρ A u2
= ρ A u3
dt
2
dt 2
(W)
(2.3.2)
Về mặt vật lý, một luồng khơng khí lớn di chuyển qua một tua bin gió được thể
hiện qua hai thơng số chính là vận tốc u và áp suất p như Hình 2.7.
Trang 15
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
Hình 2.7 : Luồng khơng khí khi đi qua một tua bin gió lý tưởng
Trên Hình 2.7 ta thấy luồng khơng khí khi đi qua một tua bin gió lý tưởng có 4 vị
trí cần được xem xét:
- Vị trí 1
Tại vị trí 1 luồng khơng khí có đường kính d1 di chuyển với vận tốc u1 và có áp
suất p1 (áp suất khí quyển).
- Vị trí 2 và 3
Tại vị trí 2 (phía trước của tua bin gió) luồng khơng khí có vận tốc u2 sẽ giảm
xuống (u2 < u1) làm cho đường kính luồng khơng khí tăng lên bằng đường kính
d2 của tua bin và một phần động năng sẽ chuyển hóa thành thế năng để tăng áp
suất p2 đến giá trị cực đại.
Tại vị trí 3 (phía sau của tua bin gió) áp suất p3 của luồng khơng khí sẽ giãm
dưới áp suất khí quyển (p3 < p1).
Phần lớn động năng chuyển qua cánh tua bin sẽ chuyển hóa thành thế năng để
nâng áp suất luồng khơng khí bằng áp suất khí quyển, song song với quá trình
tăng áp suất thì vận tốc luồng khơng khí giảm xuống.
Trang 16
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
- Vị trí 4
Khi áp suất của luồng khơng khí bằng với áp suất khí quyển (p4 = p1) thì vận tốc
u4 cũng đạt giá trị cực tiểu. Qúa trình tiếp theo, vận tốc luồng khơng khí sẽ tăng
dần do nhận động năng từ khơng khí xung quanh.
Trong điều kiện tối ưu, khi công suất chuyển từ luồng khơng khí đến tua bin là cực
đại thì mối quan hệ giữa các đại lượng được thể hiện như sau:
⎧
⎪
⎪
⎪
⎨
⎪
⎪
⎪
⎩
2
u =u = u
2
3 3 1
1
u = u
4 3 1
2
A =A = A
2
3 3 1
A = 3A
4
1
(2.3.3)
Công suất cơ học một tua bin gió lý tưởng Pm,ideal nhận được là sự chênh lệch cơng
suất gió ở đầu vào và đầu ra.
1 8
1
Pm,ideal = P − P = ρ ( A u 3 - A u 3 ) = ρ ( A u 3 ) (W)
1
4 2
1 1
4 4
2 9 1 1
(2.4.4)
Thơng thường Pm,ideal được tính từ vận tốc khơng bị nhiễu loạn u1 và diện tích A2
của tua bin.
Pm,ideal =
1 ⎡8 2
1 16
ρ ⎢ ( A2 u13 )⎤⎥ = ρ ( A2 u13 )
2 ⎣9 3
⎦ 2 27
(W)
(2.4.5)
Hệ số 16/27= 0,593 đơi khi được gọi là hệ số Betz, nó có ý nghĩa là một tua bin gió
lý tưởng khơng thể nhận quá 59,3% công suất từ một luồng không khí khơng bị
nhiễu loạn. Trong thực tế một tua bin gió hồn thiện chỉ có thể nhận được 30% ÷
40% cơng suất gió trong điều kiện tối ưu.
2.4
KẾT CẤU CHUNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN TUA BIN GIĨ
Các thành phần chính của máy phát điện tua bin gió bao gồm:
A- Phần cơ khí
1- Trụ tháp
2- Tua bin gió
3- Trục truyền động tốc độ cao và tốc độ thấp
4- Hộp số
5- Thiết bị dừng an toàn-Bộ hãm tốc độ
6- Cảm biến và bộ điều chỉnh tốc độ tua bin theo vận tốc gió
Trang 17
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
B- Phần điện
1- Máy phát điện
2- Bộ chỉnh lưu
3- Bộ nghịch lưu
Các thành phần chính của máy phát điện tua bin gió thể hiện ở Hình 2.8.
Hình2.8 : Thành phần chính của một máy phát điện tua bin gió
A-
PHẦN CƠ KHÍ
2.4.1 Trụ tháp
Trụ tháp dùng để đỡ tồn bộ kết cấu chính của máy phát điện tua bin gió tại vị trí
mong muốn. Có 3 loại trụ tháp thường được sử dụng:
-
Trụ tháp giàn
-
Trụ tháp hình ống
-
Trụ tháp kiểu dây chằng
Trang 18
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
Hình dạng tổng qt ba loại trụ tháp này được thể hiện ở Hình 3.4.
Hình 2.9 : Các kiểu trụ tháp
1- Trụ tháp giàn
Trụ tháp giàn có kết cấu gồm nhiều thanh thép liên kết lại với nhau tương tự như
kết cấu của cột thép khung đường dây truyền tải điện.
• Ưu điểm
-
Vật liệu dùng cho trụ tháp giàn chỉ bằng một nửa so với trụ tháp hình ống do đó
nó nhẹ và rẻ hơn so với trụ tháp hình ống.
-
Lực tác dụng lên móng trụ tháp giàn phân bố đều do đó móng trụ tháp nhỏ hơn
móng trụ tháp hình ống do đó làm giảm chi phí đầu tư.
• Nhược điểm
-
Thiếu thẩm mỹ.
-
Là nơi lý tưởng để chim đậu và làm tổ, làm tăng khả năng gây nguy hiểm cho
cánh tua bin khi hoạt động.
-
Gây khó khăn cho cơng tác bảo trì đặc biệt là trong điều kiện thời tiết khắc
nghiệt.
2- Trụ tháp hình ống
Trụ tháp hình ống có kết cấu gồm nhiều ống có kích thước từ 10 đến 20 m ghép lại
với nhau.
Trang 19
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
• Ưu điểm
-
Thời gian ráp nối hồn chỉnh nhanh từ 2 đến 3 ngày.
-
Có thể chịu được lực uốn từ mọi hướng do có kết cấu dạng trịn.
-
Thẩm mỹ cao
• Nhược điểm
-
Chi phí vật liệu cao
3- Trụ tháp kiểu dây chằng
Trụ tháp kiểu dây chằng ln có bốn sợi cáp đặt đều nhau với độ dốc khoảng 450 để
đỡ trụ tháp. Trụ tháp kiểu dây chằng được dùng với các máy phát điện tua bin gió
có cơng suất nhỏ.
2.4.2 Tua bin gió
Tua bin gió là phần quan trọng nhất của máy phát điện tua bin gió. Tua bin gió nhận
động năng từ gió và chuyển thành cơng suất cơ của trục quay. Kích thước của tua
bin gió phụ thuộc vào công suất định mức của máy phát điện tua bin gió.
1- Kết cấu chính
Thành phần chính của một tua bin gió gồm: cánh quạt, nắp trục quay, rô to, bạc đạn
và các thiết bị bên trong khác. Trong đó cánh quạt là phần tử quan trọng nhất của
tua bin gió. Một số kết cấu cánh quạt tua bin gió được thể hiện ở Hình 2.10.
Hình 2.10 : Một số kết cấu cánh quạt tua bin gió
Với tua bin gió một và hai cánh có một số vấn đề cần quan tâm:
-
Vấn đề cân bằng là hết sức khó khăn.
-
Tốc độ quay nhanh do đó tạo ra nhiều dao động bất thường và tiếng ồn.
-
Thẩm mỹ thấp.
Do đó đối với các thiết kế mang tính chất kinh tế đều chọn tua bin gió ba cánh.
Trang 20
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
Ngồi ra có thể sử dụng loại tua bin gió nhiều cánh để có thể tự khởi động tua bin
gió ngay cả khi tốc độ gió thấp.
2- Điều chỉnh tốc độ tua bin gió
Khả năng làm việc của tua bin gió bị khống chế bởi độ bền về mặt cơ khí. Vận tốc
gió lớn tại bất kỳ nơi nào chỉ xảy ra khoảng vài giờ trong một năm, do đó xét về
mặt kinh tế việc thiết kế tua bin gió theo cơng suất cực đại là khơng cần thiết mà chỉ
cần điều chỉnh công suất cho phù hợp.
Điều chỉnh cơng suất tua bin gió được thực hiện thơng qua việc điều chỉnh về mặt
khí động học cánh tua bin, có hai cách điều chỉnh:
-
Điều chỉnh giảm tốc (Stall regulation)
-
Điều chỉnh theo độ nghiêng cánh tua bin (Pitch regulation)
a- Điều chỉnh giảm tốc
Trong chế độ điều chỉnh giảm tốc thì tốc độ quay của tua bin gió sẽ được giới hạn ở
một tốc độ cực đại thông qua bộ thắng (brake) nhằm đảm bảo độ bền về mặt cơ khí
cho tua bin gió.
Ưu điểm của điều chỉnh giảm tốc là nguyên lý hoạt động đơn giản và giá thành đầu
tư cho việc điều chỉnh thấp tuy nhiên nó có nhược điểm là tạo ra tiếng ồn.
Kết cấu chính của máy phát tua bin gió sử dụng chế độ điều chỉnh giảm tốc được
thể hiện ở Hình 2.11.
Hình 2.11 : Máy phát tua bin gió sử dụng chế độ điều chỉnh giảm tốc
Trang 21
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
b- Điều chỉnh theo độ nghiêng cánh tua bin
Trong chế độ điều chỉnh này thì tốc độ quay của tua bin gió sẽ được điều chỉnh
thơng qua độ nghiêng của cánh tua bin.
Kết cấu chính của máy phát tua bin gió điều chỉnh theo độ nghiêng của cánh tua bin
được thể hiện ở Hình 2.12.
Hình 2.12 : Máy phát tua bin gió sử dụng chế độ điều chỉnh theo độ nghiêng
2.4.3 Hộp số
Hộp số là một thành phần quan trọng trong bộ phận truyền động của máy phát điện
tua bin gió. Tốc độ quay của tua bin gió một máy phát điện tua bin gió điển hình từ
30÷50 vịng/phút trong khi đó tốc độ quay tối ưu của máy phát từ 1000÷1500
vịng/phút, do đó bộ truyền động bánh răng cần được sử dụng để điều khiển tốc độ
theo yêu cầu của máy phát.
Kết luận: Sự có mặt của hộp số sẽ điều khiển tốc độ tua bin gió theo yêu cầu của
máy phát từ đó giúp máy phát điện tua bin gió hoạt động êm hơn ngay cả khi gió và
phụ tải thay đổi đột ngột.
2.4.4 Bộ hãm tốc độ
Trong suốt giai đoạn tốc độ gió quá cao, tua bin gió sẽ ngưng hoạt động để đảm bảo
an toàn. Tương tự, trong trường hợp lưới điện bị sự cố hoặc máy phát không liên
kết được với phụ tải thì tua bin gió sẽ tăng tốc nhanh chóng, việc này dẫn đến tua
bin sẽ quay quá tốc độ cho phép trong vài giậy.
Trang 22
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
Xét ví dụ như Hình 2.13, tốc độ định mức của tua bin là 34 vòng/phút nhưng dưới
điều kiện quá tốc tua bin gió quay với tốc độ 90 vịng/phút trong khoảng thời gian 5
giây.
Hình 2.13 : Rơ to quay q tốc độ
Các tua bin gió khơng được thiết kế chịu đựng tốc độ quá cao như vậy do đó cần có
các thiết bị hãm tốc độ để đảm bảo an tồn cho tua bin. Có hai loại hãm tốc độ
thường được sử dụng:
-
Hãm khí động học bằng việc điều chỉnh cánh quạt tua bin.
-
Hãm cơ khí.
Thơng thường tua bin gió sử dụng kết hợp cả hai loại hãm tốc độ trong đó hãm khí
động học đóng vai trị hãm sơ cấp và hãm cơ khí đóng vai trò thứ cấp.
B-
PHẦN ĐIỆN
2.4.5 Máy phát điện
Máy phát điện là một trong những thành phần quan trọng nhất của một hệ thống
chuyển đổi năng lượng gió. Khác với các máy phát điện thường được sử dụng, máy
phát điện của một tua bin gió phải hoạt động dưới điều kiện cơng suất thay đổi liên
tục do vận tốc gió ln thay đổi. Việc lựa chọn kiểu máy phát điện được dựa vào
quy mơ tua bin gió:
Trang 23
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
-
Với những máy phát điện tua bin gió có cơng suất nhỏ từ vài W đến vài kW
thì sử dụng máy phát điện DC.
-
Với những máy phát điện tua bin gió có cơng suất lớn hơn sử dụng máy phát
điện AC một pha hoặc ba pha.
-
Với những dự án năng lượng gió lớn kết nối vào lưới điện thì sử dụng máy
phát điện AC ba pha.
Có hai loại máy phát điện được sử dung:
-
Máy phát điện không đồng bộ.
-
Máy phát điện đồng bộ.
1- Máy phát điện không đồng bộ
Máy phát điện không đồng bộ là loại máy phát thơng dụng cho các tua bin gió.
• Ưu điểm
-
Mạnh, có vỏ kín nên ít phải bảo trì.
-
Có thể sản xuất hàng loạt nên giá thành thấp.
-
Có khả năng chịu được quá tải.
• Nhược điểm
-
Trong việc điều chỉnh tốc độ cần một dịng từ hóa phản kháng, dịng này phải
lấy từ bộ chỉnh lưu.
2- Máy phát điện đồng bộ
• Ưu điểm
-
Trong việc điều chỉnh tốc độ máy phát điện đồng bộ.có thể nối trực tiếp với bộ
chỉnh lưu điốt.
• Nhược điểm
-
Làm mát bên trong bằng khơng khí bên ngồi nên các thiết bị điện bên trong
không được bảo vệ tốt.
2.4.6 Bộ chỉnh lưu và nghịch lưu
Các máy phát điện tua bin gió ln hoạt động dưới điều kiện tốc độ tua bin thay đổi
do đó khi liên kết vào lưới điện cần phải có các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu nhằm
điều khiển điện áp, dòng điện, tần số, hệ số cơng suất…của máy phát điện tua bin
gió đồng bộ với hệ thống góp phần đảm bảo sự làm việc ổn định của hệ thống.
1- Bộ chỉnh lưu
Có hai loại được sử dụng:
Trang 24
Luận văn Cao học
Đánh giá Chất lượng điện năng của Máy phát điện gió
a- Bộ chỉnh lưu sử dụng điốt
Bộ chỉnh lưu sử dụng điốt đơn giản, giá thành thấp, ít tổn hao nhưng có hạn chế là
khơng điều khiển được điện áp và dịng điện máy phát. Do đó máy phát phải điều
khiển điện áp và bộ nghịch lưu điều khiển dòng điện. Sơ đồ bộ chỉnh lưu sử dụng
điốt thể hiện ở Hình 2.14.
Hình 2.14 : Bộ chỉnh lưu sử dụng điốt
4- Bộ chỉnh lưu cưỡng bức
Có khả năng điều khiển được điện áp và dòng điện máy phát.. Sơ đồ bộ chỉnh lưu
cưỡng bức thể hiện ở Hình 2.15.
Hình 2.15 : Bộ chỉnh lưu cưỡng bức
2- Bộ nghịch lưu
Có hai loại được sử dụng:
a- Bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên
Bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên sử dụng linh kiện bán dẫn thyristor. Ưu điểm
là chắc chắn và các cổng thyristor có khả năng chịu được quá tải.
Trang 25
