(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu giải quyết vấn đề kỹ thuật khi nối nguồn điện gió vào đường dây truyền tải

ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP

HỒNG BẢO AN

NGHIÊN CỨU GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ KỸ THUẬT KHI NỐI
NGUỒN ĐIỆN GIÓ VÀO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

Thái Nguyên - 2019

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CƠNG NGHIỆP

HỒNG BẢO AN

NGHIÊN CỨU GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ KỸ THUẬT KHI NỐI
NGUỒN ĐIỆN GIÓ VÀO ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
KHOA CHUYÊN MÔN

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TRƯỞNG KHOA

PGS.TS. VÕ QUANG LẠP
PHÒNG ĐÀO TẠO

Thái Nguyên - 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




i

LỜI CAM ĐOAN
Tên tơi là: Hồng Bảo An.
Sinh ngày 10 tháng 04 năm 1993.
Học viên lớp cao học khóa 20 – Kỹ thuật điện – Trường đại học Kỹ thuật Công
nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên.
Hiện đang công tác tại: Công ty THHH SamSung Display Việt Nam.
Sau hai năm học tập và nghiên cứu, được sự chỉ dậy giúp đỡ tận tình của các
thầy cơ giáo và đặc biệt là thầy giáo hướng trực tiếp dẫn thực hiện luận văn tốt nghiệp
PGS. TS. Võ Quang Lạp. Tôi đã hồn thành chương trình học tập và đề tài luận văn
tốt nghiệp: “Nghiên cứu giải quyết vẫn đề kỹ thuật khi nối nguồn điện gió vào đường
dây truyền tải”.
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Ngồi các tài liệu
tham khảo đã được trích dẫn, các số liệu và kết quả mô phỏng, thực nghiệm được
thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Võ Quang Lạp là trung thực.

Thái Nguyên, ngày

tháng

năm 2019.

Học viên

HOÀNG BẢO AN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN




ii

LỜI CẢM ƠN
Sau một khoảng thời gian nghiên cứu và làm việc, được sự động viên giúp đỡ
và hướng dẫn rất tận tình của thầy giáo PGS. TS. Võ Quang Lạp, luận văn với đề
tài: “Nghiên cứu giải quyết vẫn đề kỹ thuật khi nối nguồn điện gió vào đường dây
truyền tải” đã hồn thành.
Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn: PGS. TS. Võ Quang Lạp đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ
tác giả hoàn thành được bản luận văn này.
Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy cô giáo Khoa Điện – Trường đại học Kỹ
thuật Công nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt
quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu khoa học thực hiện luận văn.
Toàn thể các học viên lớp Cao học Kỹ Thuật Điện khóa 20, đồng nghiệp, bạn
bè, gia đình đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tác giả trong suốt q trình học tập và
hồn thành bản luận văn.

Mặc dù đã rất cố gắng, tuy nhiên do trình độ và kinh nghiệm cịn nhiều hạn
chế nên có thể luận văn vẫn cịn gặp phải một vài thiếu sót. Tác giả rất mong rằng sẽ
nhận được những đóng góp ý kiến từ các thầy cơ giáo và các bạn đồng nghiệp để luận
văn được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày

năm 2019.

tháng

Học viên

HOÀNG BẢO AN

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN




iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii\
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................ vix
LỜI GIỚI THIỆU ................................................................................................... - 1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................ - 1 2. Mục tiêu nghiên cứu........................................................................................... - 1 3. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài .................................................... - 2 5. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................... - 2 6. Các công cụ, thiết bị cần thiết cho nghiên cứu .................................................. - 2 CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ NỐI VÀO
ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ............................................................................. - 3 I.1. GIỚI THIỆU VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ ........................................................... - 3 I.1.1. Đặt vấn đề ..................................................................................................... - 3 I.1.2. Năng lượng gió ............................................................................................. - 4 I.1.3. Năng lượng gió trên thế giới ......................................................................... - 4 I.1.4. Năng lượng gió ở Việt Nam ......................................................................... - 6 I.2. MỘT SỐ SƠ ĐỒ VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ ..................................................... - 9 I.2.1. Sơ đồ khối ..................................................................................................... - 9 I.2.2. Một số sơ đồ hệ điều khiển máy điện chạy bằng sức gió ........................... - 23 I.3. GIỚI THIỆU VỀ ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI TRUNG ÁP .................... - 27 * Đường dây trung áp ........................................................................................... - 27 I.4. MỘT SỐ VẤN ĐỀ KHI NỐI ĐIỆN GIÓ VỚI ĐƯỜNG DÂY .................... - 29 I.4.1. Tiêu chuẩn kết nối DG với đường dây ....................................................... - 29 I.4.2. Phương pháp nối kết nối DG với đường dây .............................................. - 30 I.4.3. Kỹ thuật nối kết nối DG với đường dây ..................................................... - 31 I.4.4. Các yêu cầu khi k ết nối DG với đường dây............................................... - 32 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

iv

* Kết luận chương I .............................................................................................. - 36 CHƯƠNG II. ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN GIÓ ĐẾN ĐƯỜNG DÂY
TRUYỀN TẢI ..................................................................................................... - 37 II.1. GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................................. - 37 II.2. ẢNH HƯỞNG VỀ CHỈ TIÊU CÔNG SUẤT.............................................. - 37 II.3. ẢNH HƯỞNG CÁC VẤN ĐỀ VỀ ĐIỆN ÁP ............................................. - 41 II.3.1. Sự gia tăng điện áp .................................................................................... - 42 II.3.2. Sự suy giảm nhanh điện áp ........................................................................ - 43 II.3.3. Sự dao động điện áp .................................................................................. - 44 II.3.4. Độ khơng sin sóng điện áp (xuất hiện sóng hài bậc cao) .......................... - 45 II.4. ẢNH HƯỞNG VỀ DÒNG ĐIỆN SỰ CỐ VÀ CÁCH BẢO VỆ................. - 51 II.4.1. Dòng điện tăng cao trong các trường hợp sự cố ........................................ - 51 II.4.2. Thay đổi sự phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ........................................... - 52 II.4.3. Máy cắt cắt không mong muốn ................................................................. - 53 II.4.4. Tác động đến sự làm việc của tự động đóng lại ........................................ - 53 II.5. ẢNH HƯỞNG VỀ ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN ................................ - 56 II.5.1. Độ tin cậy cung cấp điện ........................................................................... - 56 II.5.2. Đánh giá độ tin cậy cung cấp điện khi nối nguồn điện gió với lưới ......... - 59 * Kết luận chương II ............................................................................................ - 60 CHƯƠNG III. THIẾT KẾ HỆ ĐIỂU KHIỂN MÁY PHÁT NỐI LƯỚI KHI
DÙNG MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTOR DÂY QUẤN .................. - 61 III.1. ĐẶT VẤN ĐỀ............................................................................................. - 61 III.2. MƠ HÌNH TỐN HỌC MÁY ĐIỆN KĐB 3 PHA ROTOR DÂY QUẤN- 62
III.3. MƠ HÌNH MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA ROTOR DÂY QUẤN
DƯỚI DẠNG CÁC ĐẠI LƯỢNG VECTOR KHÔNG GIAN ........................... - 66 III.3.1. Vector không gian .................................................................................... - 66 III.3.2. Quy đổi các đại lượng điện của MĐ KĐB 3 pha Rotor dây quấn từ hệ Vector
3 pha (Ar , Br , Cr) về hệ tọa độ cố định trên trục Rotor (α, β) ............................. - 67 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




v

III.3.3. Quy đổi các đại lượng điện từ của MĐ KĐB 3 pha Rotor dây quấn từ 2 trục
cố định hệ tọa độ (α, β) trên Rotor về 2 trục hệ tọa độ (d, q) trên mạch Stator ... - 70 III.4. XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN VECTOR KHÔNG GIAN CỦA MFĐ DÙNG
ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA ROTOR DÂY QUẤN ĐIỀU KHIỂN PHÍA ROTOR - 71 III.4.1. Xây dựng mạch vòng dòng điện Rotor .................................................... - 71 III.4.2. Xây dựng mạch vịng cơng suất tác dụng P và cơng suất phản kháng Q ............- 72 III.4.3. Xây dựng Vector hệ điều khiển máy phát điện sức gió dùng MĐ KĐB 3 pha
Rotor dây quấn điều khiển từ phía máy phát ....................................................... - 73 III.5. XÁC ĐỊNH MỘT SỐ ĐẠI LƯỢNG CỦA HỆ ĐIỀU KHIỂN .................. - 74 III.5.1. Hàm số truyền của MFĐ KĐB 3 pha Rotor dây quấn ............................. - 74 III.5.2. Giá trị đặt của bộ điều chỉnh .................................................................... - 76 III.5.3. Tính thơng số của bộ điều chỉnh .............................................................. - 77 III.6. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............................................................................. - 78 III.6.1. Giới thiệu phần mềm MATLAB – SIMULINK – PLECS ...................... - 78 III.6.2. Sơ đồ mô phỏng ....................................................................................... - 79 III.6.3. Kết quả mô phỏng - khi máy phát hòa vào lưới điện ............................... - 82 * Kết luận ............................................................................................................. - 84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... - 85 1. Kết luận ............................................................................................................ - 85 2. Kiến nghị .......................................................................................................... - 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... - 87 -

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu
Ký hiệu

Ý nghĩa

P

Mật độ năng lượng

Ar

Điện tích quét của cánh Turbine

Vo

Đơn vị
[N/ m2]
[m2]

Vận tốc gió ban đầu – Mật độ năng lượng trên một đơn
vị thể tích dịng chảy khơng khí

[m/s]

Cd

Hệ số cản

Cl

Hệ số nâng

ρ

Mật độ khơng khí

V

Vận tốc dịng khơng khí (gió) khơng bị nhiễu loạn

[m/s]

A

Diện tích hình chiếu của cánh quạt (diện tích hứng gió)

[m2]

L

Lực nâng

[N]

D

Lực cản

[N]

α

Góc định vị ở tâm

θ

Góc cánh (đại lượng cần điều khiển)

γ

Góc tới

V

Vận tốc góc

→

Tốc độ theo phương tiếp tuyến

𝑈ℎ𝑑

[kg/m3]

→

Tốc độ theo phương hướng tâm

Uhd

Vận tốc của gió theo phương tiếp tuyến

[m/s]

A

Diện tích cánh gió

[m2]

Chd

Hệ số lực hiệu dụng

ρtb

Mật độ khơng khí

Rcg

Bán kính của cánh gió

vgm

Tốc độ gió ở một khoảng cách đủ xa trước cánh gió

𝑈ℎ𝑡

ρ

Ctb

Ký hiệu

Mật độ khơng khí

[kg/m3]

[kg/m3]
[m]
[m/s]

Hệ số phụ thuộc vào cấu trúc khí động học của
Turbine gió

Ý nghĩa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN

Đơn vị




vii

θp

Góc xoay của cánh gió so với mặt cắt ngang đi qua
trung tâm của cánh gió và được gọi là góc pitch

λtb

Hệ số phụ thuộc vào tốc độ góc quay của Turbine ωtb
và tốc độ gió vgm

LLDG
LLKDG

Tổng tổn thất cơng suất trên đường dây trong hệ thống
có DG và ngược lại
Khi không kết nối DG với lưới điện

Sinj

Công suất biểu kiến của DG bơm vào lưới

PDG

Công suất tác dụng của DG

QDG

Công suất phản kháng của DG

PLj

Công suất tác dụng của phụ tải

QLj

Cơng suất phản kháng của phụ tải

Ψk

Góc của tổng trở ngắn mạch trên lưới

Sn

Cơng suất tồn phần định mức của Turbine gió

Sk

Cơng suất ngắn mạch của lưới điện

Wd

Giá trị đặt của tần số tác động

URa , URb , URc Giá trị tức thời của điện áp pha Rotor
USa , USb , USc

Giá trị tức thời của điện áp pha Stator

IRa , IRb , IRc

Giá trị tức thời của dòng điện pha Rotor

ISa , ISb , ISc

Giá trị tức thời của dòng điện pha Stator

ΨRa , ΨRb , ΨRc Chuỗi từ các nhóm cuộn dây pha Rotor
ΨSa , ΨSb , ΨSc

Chuỗi từ các nhóm cuộn dây pha Stator

R1

Điện trở nhóm cuộn dây Rotor

R2

Điện trở nhóm cuộn dây Stator

L

Ma trận điện cảm

LAA , LBB , LCC
Tự cảm
, Laa , Lbb , Lcc
ls

Điện cảm của cuộn dây Stator

Lh

Điện cảm giữa cuộn Stator và Rotor

is

Dịng Stator

Ký hiệu

Ý nghĩa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

Đơn vị




viii

ir

Dịng Rotor

Rs

Điện trở của cuộn dây Stator

LM

Điện cảm từ hóa

Lσ

Điện cảm của Stator và Rotor được quy đổi về
Stator

RR

Điện trở của Rotor quy đổi về Stator

Us

Stator voltage: Điện áp Stator

Ψs

Stator flux: Trường của Stator

UR

Rotor voltage: Điện áp Rotor

ΨR

Rotor flux:Từ trường của Rotor

is

Stator current: Dòng điện Stator

Rs

Stator resistance: Điện trở Stator

iR

Rotor current: Dòng điện Rotor

RR

Rotor resistance: Điện trở Rotor

LM

Điện cảm từ hóa

Lσ

Điện cảm quy đổi

Lsl

Điện cảm của Stator

Lrl

Điện cảm của Rotor

Zp

Số đơi cực từ của máy phát

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




ix

Các chữ viết tắt
Ký hiệu

Ý nghĩa

DG

Máy phát điện sức gió

WG

Wind Generator

WT

Wind Turbine

WTG

Wind-Turbine Generator

WECS

Wind Energy Conversion System

DC

Dòng điện 1 chiều

DFIG

Doubly Fed Induction Generator

NLPL

Nghịch lưu phía lưới

NLMP

Nghịch lưu phía máy phát

MĐN

Máy đóng ngắt

HS

Hộp số

MP

Máy phát

IE

Thiết bị đo tốc độ

MBA

Máy biến áp

DSP

Thiết bị điều khiển số

GTD

Khối giá trị đặt

GTT

Khối giá trị tính tốn

DCMM

Bộ điều khiển Momen

DCQ

Bộ điều khiển Công suất

BDKD

Bộ điều khiển dọc

DCVTKG

Bộ điều khiển vector không gian

NL

Khối nghịch lưu

LV

Low voltage - Đường dây hạ áp

MV

Medium voltage - Đường dây trung áp

HV

High voltage - Đường dây cao áp

EHV

Extra high voltage - Đường dây siêu cao áp

UHV

Ultra high voltage - Đường dây cực cao áp

SCADA

Hệ thống giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu

TĐL

Tự đóng lại

FCL

Thiết bị hạn chế dịng sự cố

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình
Hình 1.1
Hình 1.2

Số trang

Tên hình

Dự báo tăng trưởng điện gió trên biển và đất liền
đến năm 2030
Tỷ trọng Cơng suất điện gió tồn cầu tính đến hết
năm 2015

5
6

Hình 1.3

Cấu tạo của Turbine gió trục ngang

10

Hình 1.4

Cấu tạo bên trong của một Turbine gió

11

Hình 1.5

Phân tích động lực học cánh gió

13

Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9

Hình 1.10
Hình 1.11

Góc điều khiển của một cánh gió ở 10 vị trí khác
nhau
Các đường cong sử dụng trong giải pháp điều
khiển Turbine
Một số loại máy phát dùng trong hệ phát điện
Turbine gió
Mơ hình máy phát đồng bộ 3 pha và Turbine sức
gió
Nguyên lý cấu tạo Stator và Rotor của máy điện
khơng đồng bộ
Dịng chảy năng lượng ở chế độ trên đồng bộ và
dưới đồng bộ

16
17
18
19
20
21

Cấu trúc điều khiển hệ thống phát điện chạy sức
Hình 1.12

gió sử dụng máy điện khơng đồng bộ Rotor dây

22

quấn
Hình 1.13

Hệ thống phát điện sức gió sử dụng máy điện
đồng bộ kích thích nam châm vĩnh cửu.

24

Hai loại hệ thống phát điện chạy sức gió sử dụng
Hình 1.14

máy phát khơng đồng bộ: Cụm ắc-quy kích từ chỉ

25

cần thiết khi vận hành ở chế độ đảo
Hình 1.15

Điều khiển máy điện dùng máy điện không đồng
bộ Rotor dây quấn với bộ điều khiển PID

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

26




xi

Hình

Tên hình

Số trang

Hình 1.16

Giá trị điện áp phục hồi sau sự cố của tuabin gió.

29

Hình 2.1

DG làm giảm cơng suất trên đoạn từ lưới đến hệ
thống

38

Hình 2.2

Phân bố các DG trên lưới hợp lý làm giảm tổn thất

40

Hình 2.3

Điện áp nút tăng lên tại nút có nối DG

42

Hình 2.4

Giải thích nguyên lý làm việc của rơle tần số kiểu
cảm ứng

47

Hình 2.5

Giá trị mômen quay ứng với các tần số khác nhau

48

Hình 2.6

Đồ thị momen ứng với các tần số và hệ số trượt

50

Hình 2.7

Đồ thị momen ứng với các tần số và hệ số trượt

52

Hình 2.8

Ảnh hưởng của DG đến sự phối hợp bảo vệ

54

Hình 2.9

Sự phối hợp giữa TĐL và CC trên lưới điện hình
tia

58

Hình 3.1

Hệ thống phát điện sức gió

61

Hình 3.2

Mơ hình vật lý động cơ KĐB 3 pha

63

Hình 3.3

Vector khơng gian

67

Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6

Hệ trục Vector khơng gian (Ar , Br , Cr) về hệ tọa
độ cố định trên trục Rotor (α, β)
Mạch vòng dòng điện Rotor

68
72

Sơ đồ xây dựng công suất tác dụng P và công suất
phản kháng Q

73

Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển Vector MFĐ sức gió
Hình 3.7

dùng máy điện KĐB Roto dây quấn điều khiển

73

phía máy phát
Hình 3.8
Hình
Hình 3.9

Sơ đồ thay thế và quy đổi trong hệ tọa độ khơng
gian vector
Tên hình
Đáp ứng bậc thang hệ hở có dạng chữ S

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

74
Số trang
77




xii

Hình 3.10

Khối bộ biến đổi nghịch lưu phía lưới và phía máy
phát

79

Hình 3.11

Khối tính tốn các dịng đặt Rotor

79

Hình 3.12

80

Hình 3.13

Khối tính giá trị 𝑖𝑟𝑑 và 𝑖𝑟𝑞

Khối điều khiển dịng Rotor

80

Hình 3.14

Khối điều khiển dịng Rotor với bộ điều khiển PID

81

Hình 3.15

Khối điều khiển phía lưới

81

Hình 3.16

Sơ đồ mơ phỏng hệ thống

82

Hình 3.17

Đáp ứng dịng điện áp pha Stator máy phát và lưới

82

Hình 3.18
Hình 3.19
Hình 3.20

Đáp ứng điện áp lưới và Stator máy phát trước và
sau khi hòa đồng bộ (tại 0,35s)
Đáp ứng công suất tác dụng (P) và công suất phản
kháng Q
Đáp ứng dòng điện Rotor máy phát khi đã hịa vào
lưới

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

83
83
83




-1-

LỜI GIỚI THIỆU
1. Lý do chọn đề tài
Một trong những tiêu chuẩn được quan tâm hàng đầu cho sự phát triển bền
vững hệ thống năng lượng là bảo vệ môi trường. Trước đây con người sử dụng các
dạng năng lượng truyền thống đã để lại nhiều hậu quả tác động xấu đến môi trường.
Từ khâu khai thác, vận chuyển đến sử dụng. Đứng trước tình hình này, cần thiết phải
có những nguồn năng lượng khác thay thế cho các nhà máy điện truyền thống. Hiện
nay ở nước ta các nguồn điện phân tán đang phát triển mạnh mẽ như nguồn điện gió,

pin mặt trời, thủy điện nhỏ,… trong đó đã có số lượng lớn các nguồn đã đi vào vận
hành. Tuy nhiên qua thực tế việc giải quyết các vấn đề kỹ thuật liên quan đến ghép
nối nguồn điện gió với đường dây truyền tải gặp nhiều khó khăn:
Cịn thiếu các tiêu chí về kỹ thuật phù hợp để đánh giá một cách đầy đủ vai trò
và ảnh hưởng của nguồn điện gió đến đường dây truyền tải.
Khi nguồn điện gió vận hành cùng đường dây truyền tải sẽ làm ảnh hưởng đến
cấu trúc truyền thống của đường dây truyền tải. Nếu khơng có biện pháp phù hợp thì
có thể sẽ làm gia tăng tổn thất công suất trong đường dây truyền tải, vì vậy việc khai thác
tối đa cơng suất của nguồn cũng là một vấn đề cần xét đến. Vấn đề nối nguồn điện gió
với đường dây truyền tải một cách an toàn cũng cần phải xét đến.
Với sự đa dạng của công nghệ và sự phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên của
chúng, cần đặt ra nhiều vấn đề kỹ thuật phải quan tâm nghiên cứu như: ảnh hưởng
của nguồn điện gió đến các chỉ tiêu cơng suất, các vấn đề về điện áp, các dòng điện
sự cố và cách bảo vệ, độ tin cậy cung cấp điện cũng như là những vấn đề liên quan
đến việc khai thác tối đa công suất của nguồn và điều khiển nguồn điện gió khi ghép
nối với đường dây truyền tải.
Đề tài: “Nghiên cứu giải quyết vấn đề kỹ thuật khi nối nguồn điện gió vào
đường dây truyền tải” được chọn nhằm nghiên cứu giải quyết các vấn đề nói trên.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chung:
Như chúng ta đã biết, nguồn điện gió có rất nhiều ưu điểm nhưng việc nối với
đường dây truyền tải thì có nhiều vấn đề kỹ thuật cần quan tâm giải quyết. Vì vậy,
mục tiêu của luận văn sẽ nghiên cứu giải quyết những vấn đề về kỹ thuật nhằm cho
nguồn điện nối lưới vận hành an tồn và khai thác hết cơng suất của nó.


-2-

Mục tiêu cụ thể:
Giải quyết vấn đề kỹ thuật để mạng điện nối lưới vận hành an toàn tin cậy.

Điểu khiển cơng suất của nguồn điện gió để khai thác hết cơng suất của nó
trong đường dây truyền tải truyền tải.
3. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học:
Luận văn đề xuất các phương pháp kỹ thuật để khi nguồn điện gió nối lưới vận
hành an toàn tin cậy. Nêu ra các phương án điều khiển nhằm khai thác hết công suất
của nguồn điện gió đồng thời điều khiển để phát hết cơng suất lên lưới.
Ý nghĩa thực tiễn:
Đề tài nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tế, nguồn điện gió đang được sử
dụng rất nhiều nhưng khi nối với lưới gặp nhiều khó khăn. Vì vậy việc thành cơng
của để tài giúp chúng ta nối nguồn điện gió với lưới vận hành an toàn và hiệu quả.
4. Dự kiến các kết quả đạt được
Phân tích đánh giá được các vấn đề về kỹ thuật cần quan tâm giải quyết khi
nối nguồn điện gió với đường dây truyền tải truyền tải năng lượng.
Đánh giá được các vấn đề về điện áp, dòng điện sự cố, cách bảo vệ, độ tin cậy
cung cấp điện của nguồn điện gió.
Đánh giá được những ảnh hưởng của việc ghép nối nguồn điện gió với đường
dây truyền tải truyền tải .
Nêu ra phương pháp khai thác tối đa cơng suất của nguồn điện gió. Nêu ra
cách điều khiển cơng suất của nguồn điện gió trong đường dây truyền tải.
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn được sử dụng kết hợp hai phương pháp: nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm trên máy tính.
Dựa trên các tính chất, định luật vật lý nguồn điện gió.
Lý thuyết: Sử dụng lý thuyết về nguồn điện gió và lý thuyết về ghép nối, điều
khiển cơng suất của nguồn điện gió trong đường dây truyền tải truyền tải.
Thực nghiệm trên máy tính (mơ phỏng): Sử dụng một phần mềm mô phỏng chuyên
dụng để thực hiện mô phỏng hệ thống nhằm kiểm chứng lại kết quả lý thuyết.
6. Các công cụ, thiết bị cần thiết cho nghiên cứu
Máy tính, phần mềm mơ phỏng.

Các tài liệu có liên quan đến nguồn điện gió.


-3-

CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ NỐI VÀO
ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI
I.1. GIỚI THIỆU VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ
I.1.1. Đặt vấn đề
Xuất phát từ thực tiễn nước ta là nước có chiều dài bờ biển lớn dài khoảng
3.260 km, có nhiều hải đảo, lưu lượng gió thổi từ biển vào đất liền lớn, do đó tiềm
năng về năng lượng gió ở nước ta là rất lớn, vì vậy phải tiến hành các nghiên cứu ứng
dụng nhằm khai thác triệt để nguồn năng lượng tái tạo từ gió.
Một trong những tiêu chuẩn được quan tâm hàng đầu cho sự phát triển bền
vững hệ thống năng lượng là bảo vệ môi trường. Trước đây con người sử dụng các
dạng năng lượng truyền thống đã để lại nhiều hậu quả tác động xấu đến môi trường
từ khâu khai thác, vận chuyển đến sử dụng. Đứng trước tình hình này, cần thiết phải
có những nguồn năng lượng khác thay thế cho các nhà máy điện truyền thống.
Hiện nay ở nước ta các nguồn điện phân tán đang phát triển mạnh mẽ như
nguồn điện gió (DG), pin mặt trời, thủy điện nhỏ,… trong đó đã có số lượng lớn các
nguồn đã đi vào vận hành. Tuy nhiên qua thực tế việc giải quyết các vấn đề kỹ thuật
liên quan đến ghép nối DG với đường dây truyền tải gặp nhiều khó khăn:
- Cịn thiếu các tiêu chí về kỹ thuật phù hợp để đánh giá một cách đầy đủ vai
trò và ảnh hưởng của DG đến đường dây truyền tải
- Khi DG vận hành cùng đường dây truyền tải sẽ làm ảnh hưởng đến cấu trúc
truyền thống của đường dây truyền tải. Nếu không có biện pháp phù hợp thì có thể sẽ
làm gia tăng tổn thất công suất trong đường dây truyền tải, vì vậy việc khai thác tối
đa cơng suất của nguồn cũng là một vấn đề cần xét đến.
- Vấn đề nối DG với đường dây truyền tải một cách an toàn cũng cần phải xét

đến.
- Với sự đa dạng của công nghệ và sự phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên của
chúng, cần đặt ra nhiều vấn đề kỹ thuật phải quan tâm nghiên cứu như: ảnh hưởng
của DG đến các chỉ tiêu công suất, các vấn đề về điện áp, các dòng điện sự cố và cách


-4-

bảo vệ, độ tin cậy cung cấp điện cũng như là những vấn đề liên quan đến việc khai
thác tối đa công suất của nguồn và điều khiển DG khi ghép nối với đường dây truyền
tải.
Đề tài: “Nghiên cứu giải quyết vấn đề kỹ thuật khi nối DG vào đường dây
truyền tải” được chọn nhằm nghiên cứu giải quyết các vấn đề trên.
I.1.2. Năng lượng gió
Để tồn tại và phát triển từ xa xưa loài người đã biết sử dụng các dạng năng
lượng khác nhau. Theo sự phát triển của lịch sử, con người đã phát hiện và sử dụng
nhiều năng lượng. Năng lượng là động lực cho mọi hoạt động vật chất và tinh thần
của lồi người. Trình độ sản xuất càng cao thì càng tiêu tốn nhiều năng lượng và tạo
ra thách thức vô cùng to lớn đối với môi trường sống.
Một trong những tiêu chuẩn được quan tâm hàng đầu cho sự phát triển bền
vững hệ thống năng lượng là bảo vệ môi trường. Trước đây con người sử dụng các
dạng năng lượng truyền thống đã để lại nhiều hậu quả tác động xấu đến môi trường.
Từ khâu khai thác, vận chuyển đến sử dụng. Đứng trước tình hình này, cần thiết phải
có những nguồn năng lượng khác thay thế cho các nhà máy điện truyền thống.
Năng lượng tái tạo đã trở thành một trong những nguồn năng lượng độc lập trong
đời sống của con người và nó sẽ là nguồn phát điện chính trong tương lai. Hiện nay ở
nước ta các nguồn điện phân tán đang phát triển mạnh mẽ như DG, pin mặt trời, thủy
điện nhỏ,… trong đó đã có số lượng lớn các nguồn đã đi vào vận hành.
Gió là một dạng năng lượng của mặt trời, nguyên nhân sinh ra gió là do mặt
trời đốt nóng khí quyển, do trái đất quay quanh mặt trời và do sự không đồng đều trên

bề mặt trái đất. Luồng gió thay đổi tùy 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 khác nhau như: di chuyển, thả diều, phát điện. Năng lượng gió được mơ tả như
một q trình, nó được sử dụng để phát ra năng lượng cơ hoặc điện.
I.1.3. Năng lượng gió trên thế giới
Việc nghiên cứu sử dụng các dạng năng lượng tái tạo của thiên nhiên trong đó
có năng lượng gió được nhiều nước trên thế giới kể cả những nước có nền cơng nghiệp


-5-

năng lượng phát triển nhất như: Nga, Mỹ, Pháp, CHLB Đức, Hà Lan, Anh, Đan Mạch,
Tây Ba Nha, Thụy Điển,... đặc biệt quan tâm. Trên cơ sở áp dụng các thành tựu mới
của nhiều ngành khoa học tiên tiến như thủy khí động lực học, tự động điều khiển,
cơ học kết cấu, truyền động thủy lực, vật liệu mới,... Việc nghiên cứu sử dụng năng
lượng gió đã đạt được những tiến bộ rất lớn về cả chất lượng các thiết bị cũng như
quy mơ ứng dụng.
Từ các cối xay gió với các cánh gió đơn giản hiệu suất sử dụng thấp chỉ khoảng
20%, đến nay các động cơ gió phát điện với cánh quạt có biên dạng khí động học
ngày một hồn thiện hơn và có thể đạt được hiệu suất sử dụng cao lên đến 42%. Nhiều
phương pháp và hệ thống tự động điều khiển hiện đại đã được sử dụng để ổn đinh số
vòng quay của động cơ gió. Những động cơ gió phát điện lớn cịn dùng cả hệ thống
tự động điện thủy lực và máy tính điện tử điều khiển. Nhiều vật liệu mới đã được sử
dụng để chế tạo cánh như hợp kim nhôm, polime cốt sợi thủy tinh với độ bền cao
trong mọi điều kiện thời tiết, chịu được sức gió của bão.
Tại những nơi có gió tốt, người ta ghép nhiều động cơ gió với nhau tạo thành
“rừng máy phát điện gió”. Người ta có thể chế tạo những động cơ gió phát điện rất
lớn đường kính lên đến 80m, cơng suất tới 3000kW. Tuy nhiên đối với mỗi được quy
mô phát triển của việc ứng dụng năng lượng gió cịn phụ thuộc vào vị trí địa lý, đặc
điểm tiềm năng gió và trình độ phát triển của cơng nghiệp. Dung lượng lắp đặt turbine

gió trên tồn cầu tăng khoảng 25% mỗi năm.

Hình 1.1: Dự báo tăng trưởng điện gió trên biển và đất liền đến năm 2030


-6-

Tỷ trọng cơng suất điện gió mới nhất tồn cầu hiện chiếm 9% trong tổng các
nguồn điện hiện có. Theo dự báo của Hội đồng điện gió tồn cầu (GWEC), đến 2030
điện gió có thể đạt mốc 2.110 GW tương ứng với 20% nguồn cung điện của thế giới.
Trong bối cảnh đó, các quốc gia đều có tham vọng tham gia phát triển sản xuất turbine
gió nội địa. Trước hết vì đây là ngành cơng nghệ cao có giá trị gia tăng lớn. Bên cạnh
đó, đây cịn là ngành cơng nghiệp tạo nhiều việc làm, vì một chiếc tua bin gió thơng
thường bao gồm 8.000 chi tiết có liên quan đến rất nhiều ngành sản xuất phụ trợ khác
nhau.
Top các quốc gia dẫn đầu về điện gió đã chiếm khoảng 80% cơng suất điện
gió tồn cầu. Tại các quốc gia thì tỷ trọng năng lượng gió đứng đầu là Trung Quốc
(chiếm 34%), Mỹ (17%), Đức (10%), sau đó đến Ấn Độ (6%), Tây Ban Nha (5%),
Vương quốc Anh, Canada (3%), còn Pháp, Italia, Brazil (2%), Thụy điển, Đan Mạch,
Thổ Nhĩ kỳ, Ba Lan (1%).

Hình 1.2: Tỷ trọng Cơng suất điện gió tồn cầu tính đến hết năm 2015
I.1.4. Năng lượng gió ở Việt Nam
Trong các nguồn năng lượng thay thế, năng lượng gió có thể đại diện cho cơ
hội tăng trưởng mạnh nhất của Việt Nam. Các cuộc khảo sát cho thấy rằng khoảng
85% đất đai Việt Nam có độ cao và tốc độ gió trung bình phù hợp để phát ra năng
lượng gió. Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có


-7-

một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió. So sánh 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.
Trong chương trình đánh giá về năng lượng điện cho châu Á, Ngân hàng Thế
giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đơng Nam Á, trong đó
Việt Nam là nước có tiềm năng gió lớn nhất khu vực Đông Nam Á với tổng tiềm năng
điện gió ước đạt 513.360 MW tức bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La,
và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020.
Với tiềm năng như vậy, Việt Nam cũng theo đuổi mục tiêu phát triển điện gió
như một thành phần quan trọng trong cơ cấu năng lượng tương lai. mục tiêu đối với
điện gió là đạt mức 800 MW năm 2020; 2000 MW năm 2025 và khoảng 6000 MW
năm 2030. Theo đó, điện năng sản xuất từ DG sẽ chiếm tỷ trọng khoảng 0,8% năm
2020, 1% năm 2025 và 2,1% năm 2030. Trên thực tế, tổng công suất các dự án điện
gió trong nước đã đăng ký hiện lên đến 5.700 MW. Trong đó, có 7 dự án đã vận hành
với tổng cơng suất 190 MW.
Theo độ sâu, địa hình và tốc độ gió trung bình năm (3 mức cao, vừa, thấp) dựa
theo chuỗi 10 năm (đo đạc gió vệ tinh NOAA) khu vực biển ven bờ Việt Nam được
chia thành 5 khu vực như sau (theo đường bờ):
- Quảng Ninh - Quảng Trị (biển thoải, nông, mật độ năng lượng gió vừa)
- Quảng Bình - Quảng Ngãi (biển thoải, hẹp, mật độ năng lượng gió thấp)
- Bình Định - Ninh Thuận (biển nơng hẹp, mật độ năng lượng gió thấp)
- Bình Thuận - Mũi Cà Mau (biển thoải, nơng, mật độ năng lượng gió cao)
- Mũi Cà Mau - Kiên Giang (biển nơng, mật độ năng lượng gió vừa)
Vùng ven biển nước ta, đặc biệt vùng phía Nam có diện tích rộng khoảng
112.000 km2, khu vực có độ sâu từ 30 m đến 60 m có diện tích rộng khoảng 142.000
km2 có tiềm năng phát triển điện gió biển rất tốt. Đặc biệt khu vực biển có độ sâu 0
- 30 m từ Bình Thuận đến Cà Mau rộng khoảng 44.000 km2, vì theo số liệu gió Phú
Q, Cơn Đảo thì vùng này đạt tốc độ gió trung bình ở độ cao 100 m đạt hơn 5-8m/s.

-8-

Hiện nay, trang trại gió biển đầu tiên với cơng suất gần 100 MW đã hoạt động
và đang nghiên cứu triển khai các giai đoạn tới năm 2025 lên tới 1.000 MW tức gấp
10 lần.
Bảng 1. Công suất tiềm năng tài nguyên năng lượng gió biển khu vực độ sâu 0 - 30m
Khu vực

Diện tích (km2)

Mật độ năng lượng Cơng suất tiềm
gió (MW/Km2)

năng (GW)

Vịnh Bắc bộ

30.770

400

12.308

Quảng Bình - Quảng Ngãi

4.660

500

2.330

Bình Định - Ninh Thuận

2.483

500

1.242

Bình Thuận - Mũi Cà Mau

43.770

850

37.205

Mũi Cà Mau - Kiên Giang

29.390

400

11.756

Tổng

111.073

64.841

Bảng 2. Công suất tiềm năng tài nguyên năng lượng gió biển khu vực độ sâu 30-60m
Khu vực

Diện tích (km2)

Mật

độ

NLG Cơng suất tiềm

(MW/Km2)

năng (GW)

Vịnh Bắc bộ

29.240

550

16.082

Quảng Bình - Quảng Ngãi

7.100

500

3.550

Bình Định - Ninh Thuận

2.111

500

1.056

Bình Thuận - Mũi Cà Mau

67.980

1000

67.980

Mũi Cà Mau - Kiên Giang

35.980

500

17.990

Tổng

142.411

106.658

Tổng công suất tiềm năng tầng 100 m toàn thể 5 khu vực biển Việt Nam với
độ sâu 0 - 30 m đạt 64.841 GW, khu vực 30 - 60 m là 106.658 GW. Tổng diện tích
biển Việt Nam có độ sâu từ 0 - 60 m là (111.072+142 411=253.483 km2) và công
suất là 151.509 GW. Đặc biệt, khu vực Bình Thuận - Cà Mau (0m - 30m, 30m - 60
m) tầng 100m có công suất lần lượt là 26.262 GW và 67.980 GW (tổng bằng 94.242
GW) là vùng có tiềm năng gió cao nhất, và thực tế các turbine gió tại đảo Phú Quý
và Bạc Liêu đã hoạt động tốt và mang lại hiệu quả kinh tế cao.


-9-

Cần sớm xây dựng Chiến lược chính sách phát triển điện gió biển Việt Nam. Các
cơng trình năng lượng gió trên biển Việt Nam nếu được sủ dụng đồng thời các phương
án giải pháp kết hợp với các nguồn khác như mặt trời, sóng biển, năng lượng sinh khối,
ni trồng thủy sản, bảo tồn thủy sinh sẽ mang lại hiệu quả kinh tế hơn, giúp ngăn ngừa
xói sạt lở bờ biển và là những điểm tham quan, du lịch học tập tuyệt vời, là mắt thần
quan sát biển giúp tăng cường bảo vệ an ninh chủ quyền trên biển.
Qua các phân tích trên cho ta thấy tính thời sự và vai trị của nguồn điện sức
gió trong hệ thống năng lượng điện quốc gia.
I.2. MỘT SỐ SƠ ĐỒ VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ
I.2.1. Sơ đồ khối
Sơ đồ ghép nối DG vào đường dây truyền tải được chia ra làm ba khối chính:
- Turbine gió
- Máy phát điện gió
- Các thiết bị điều khiển kết nối lưới.
I.2.1.1. Turbine gió và đặc tuyến của Turbine gió
Có thể nói turbine gió là một trong những phát minh đầu tiên được gọi là

“Máy” đã thay thế sức lao động chủ yếu trong lĩnh vực nông nghiệp dùng cho xay
sát, nghiền và được đặt tên là “Máy chong chóng” hay cịn gọi là máy xay gió, cối
xay gió. Sau đó, khi cơng nghiệp phát triển, máy xay gió một mặt vẫn duy trì chức
năng truyền thống, mặt khác đã được thay đổi toàn diện về cả kết cấu, vật liệu và
chức năng tham gia vào hoạt động sản xuất điện năng, kèm đó là những tên gọi mới
mang tính khoa học: Wind Generator (WG), Wind Turbine (WT), Wind-Turbine
Generator (WTG), Wind Energy Conversion System (WECS).
Turbine gió trong hệ thống phát điện có rất nhiều thể loại khác nhau, trong đó
một cách phân biệt là theo trục cánh của Turbine. Hầu hết trục cánh của Turbine là
theo trục ngang nhưng cũng có một số cánh quay theo trục đứng. Ngày nay, kiểu dáng
của Turbine trục đứng cũng được phát triển rất phong phú nhằm tạo dáng và tăng
năng suất. Tuy nhiên Turbine gió trục đứng có một số nhược điểm: Cánh của chúng
khá gần mặt đất nên luôn nhận được tốc độ gió thấp hơn, gió gần mặt đất cũng hỗn


- 10 -

loạn hơn làm tăng nhiễu đối với Turbine trục đứng. Vì vậy hầu hết các Turbine gió
hiện nay đều là dạng có trục ngang.
* Cấu tạo của Turbine gió nối với nguồn điện:

Hình 1.3: Cấu tạo của Turbine gió trục ngang
Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điều
khiển.
Blades: Cánh quạt. Gió thổi qua các cánh quạt là nguyên nhân làm cho các
cánh quạt chuyển động quay.
Brake: Bộ hãm (phanh). Dùng để dừng Rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng
điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.
Controller: Bộ điều khiển. Điều khiển máy phát (chủ yếu là điều khiển dòng
điện Rotor của máy phát).

Gear box: Hộp số. Bánh răng được nối trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ
cao và tăng tốc độ quay từ 30 - 60 vòng/ phút lên đến 1200 - 5000 vòng/ phút, tốc độ
quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện.
Generator: Máy phát điện.
High – Speed Shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao.
Low – Speed Shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ thấp.


- 11 -

Nacelle: Vỏ - bọc ngoài dùng để bảo vệ các thành phần bên trong. Một số vỏ
phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng ở bên trong trong khi làm việc.
Pitch: Bước răng. Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho Rotor
quay trong gió khơng q cao hay q thấp để tạo ra điện.
Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.
Tower: Trụ đỡ vỏ. Được làm bằng thép hình trụ. Tốc độ gió tăng lên nếu trụ
càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn.
Wind Vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “Yaw Drive” để định hướng
Turbine gió.
Yaw Drive: Dùng để giữ cho Rotor ln ln 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.

Hình 1.4: Cấu tạo bên trong của một Turbine gió