Đặt vấn đề Với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế như hiện nay thì nhu cầu về sử dụng điện càng trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Do sự gia tăng phụ tải điện, đòi hỏi ngành điện phải đầu tư xây dựng các nhà máy điện cũng như phát triển và hoàn thiện hệ thống truyền tải và phân phối. Việc xây dựng những nhà máy phát điện công suất lớn đòi hỏi phải có thời gian dài và vốn đầu tư lớn đồng thời nảy sinh hàng loạt các vấn đề như: nhiên liệu cung cấp, diện tích đất đai, ảnh hưởng môi trường v. Mặt khác, để đưa được công suất phát đến nơi tiêu thụ lại cần đến hệ thống truyền tải và phân phối làm cho chi phí tăng cao.
Vì vậy việc sử dụng kết hợp máy phát phân tán trong hệ thống được xem là một giải pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề này. Máy phát phân tán là máy phát công suất nhỏ được đặt gần nơi tiêu thụ. Khi tham gia vào hệ thống điện, máy phát phân tán mang lại những ưu điểm như: - Không cần nâng cấp mạng truyền tải cũng như mạng phân phối bằng cách đặt nguồn phát tại nơi có nhu cầu. - Có khả năng nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và chất lượng điện năng đến khách hàng bằng cách giảm thiểu thời gian ngừng cung cấp điện đến khách hàng do sự cố về điện cũng như tăng khả năng đáp ứng công suất cho hệ thống do thiếu điện.
- Ít ảnh hưởng đến môi trường, một số dạng nguồn phát sử dụng năng lượng sạch, hoàn toàn không có khí thải. Bên cạnh những ưu điểm thì máy phát phân tán cũng tồn tại một số nhược điểm đó là: - Phụ thuộc vào yếu tố tự nhiên. HVTH: Nguyễn Đình Phú Trang 1 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS. Phan Thị Thanh Bình - Làm thay đổi cấu trúc, sự phân bố công suất trên hệ thống cũng như các vấn đề về điều khiển, bảo vệ.
Chính vì vậy, khi hệ thống có sự tham gia của nguồn phân tán thì một trong những vấn đề lớn cần phải quan tâm lớn đó là bài toán dự báo điện áp lưới điện khi có nguồn phân tán đưa vào. Chính bởi lý do này nên tôi đã chọn đề tài “Khảo sát điện áp lưới phân phối khi có máy phát điện gió” làm đề tài luận văn thạc sĩ.2 Mục đích của đề tài - Tính toán ước lượng các thông số của phân bố gió, ước lượng công suất máy phát điện gió và những ảnh hưởng của máy phát điện gió lên phổ điện áp của lưới phân phối. - Dùng làm tài liệu tham khảo cho lĩnh vực năng lượng gió.3 Nhiệm vụ, phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu về điện áp lưới điện trước và sau khi lắp đặt máy phát điện gió. - Nghiên cứu về phân bố gió.
- Nghiên cứu đặc tính hệ thống chuyển đổi năng lượng gió. - Ứng dụng phương pháp xác suất và phi xác suất để tính toán giá trị kỳ vọng điện áp tại phụ tải khi đưa máy điện gió vào vận hành. - Xét ảnh hưởng của công suất tác dụng WTG lên điện áp lưới phân phối, chưa xét đến ảnh hưởng của công suất phản kháng WTG lên điện áp lưới phân phối.4 Phƣơng pháp nghiên cứu - Thu thập và nghiên cứu các tài liệu liên quan từ cán bộ hướng dẫn, bạn bè, tài liệu sách vở, các bài báo và tài liệu từ internet. - Phân tích tổng hợp bài toán.
- Viết chương trình giải bài toán trên phần mềm MATLAB. - Mô phỏng điện áp lưới phân phối bằng phần mềm PsCad.5 Điểm mới của luận văn - Ứng dụng phương pháp xác suất và phi xác xuất để tính giá trị kỳ vọng công suất của máy phát điện gió, giá trị kỳ vọng của điện áp phụ tải lưới phân phối - Áp dụng tính toán, mô phỏng giá trị kỳ vọng điện áp phụ tải cho cấu hình lưới bất kỳ. HVTH: Nguyễn Đình Phú Trang 2 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS. Phan Thị Thanh Bình 1.6 Nội dung của luận văn Chƣơng 1: Tổng quan Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và nội dung nghiên cứu.
Chƣơng 2: Chuyển đổi năng lƣợng gió cơ bản Công suất trong phổ gió và phương pháp tính toán dữ liệu gió. Chƣơng 3: Mô hình xác suất để phân tích dữ liệu gió Phương pháp xác định dữ liệu gió bằng phân bố Weibull. Phương pháp xác định dữ liệu gió bằng phân bố Rayleigh. Trình bày đặc tuyến công suất của tuabin gió và hướng tiếp cận dựa trên phân bố Weibull.
Chƣơng 4: Khảo sát điện áp lƣới điện khi có máy phát điện gió Nghiên cứu ảnh hưởng của phân bố gió lên lưới phân phối. Tính xác suất điện áp lưới trong hệ thống trước và sau khi lắp đặt Máy phát điện gió. Phân tích điện áp theo cách tiếp cận phi xác suất. Chƣơng 5: Áp dụng tính toán giá trị kỳ vọng điện áp lƣới phân phối Tính giá trị kỳ vọng điện áp tại phụ tải cho sơ đồ lưới đặc trưng.
Mô phỏng giá trị kỳ vọng điện áp tại phụ tải cho sơ đồ lưới bất kỳ. Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển đề tài Nêu các kết quả đã thu được trong luận văn, đưa ra nhận xét và hướng phát triển của đề tài. HVTH: Nguyễn Đình Phú Trang 3 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS. Phan Thị Thanh Bình Chƣơng 2 CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG GIÓ CƠ BẢN Năng lượng có sẵn trong gió cơ bản là động năng của lượng lớn không khí dịch chuyển trên bề mặt trái đất.
Cánh của tuabin nhận được động năng này, cái mà sau đó được chuyển đổi sang dạng cơ hay dạng điện phụ thuộc vào người sử dụng. Hiệu suất của việc chuyển đổi gió để sử dụng hữu ích phụ thuộc vào hiệu suất tương tác giữa rotor với luồng gió [3].1 Công suất trong phổ gió Động năng của luồng không khí với lưu lượng m và vận tốc V là 1 E mV 2 2 (2.1) Xem như một tuabin gió có mặt cắt rotor A như trong hình 2. Động năng của luồng không khí cho tua bin được thể hiện.1: Luồng không khí dịch chuyển đến tuabin gió HVTH: Nguyễn Đình Phú Trang 4 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS. Phan Thị Thanh Bình Trong đó ρa là mật độ không khí, v là thể tích không khí sẵn có đến rotor.
Gió tương tác với rotor trên 1 đơn vị thời gian có mặt cắt bằng rotor (AT) và vận tốc gió V. Do đó năng lượng trên 1 đơn vị thời gian là công suất được thể hiện.3) Ta có thể thấy rằng những hệ số hảnh hưởng đến công suất sẵn có luồng gió là mật độ không khí, mặt cắt rotor tuabin gió và vận tốc gió. Ảnh hưởng của vận tốc gió với công suất là nổi bậc nhất.2 Phân tích dữ liệu gió Để thiết lập năng lượng gió, dữ liệu gió được thu thập từ địa phương nên được phân tích và diễn giải. Dữ liệu gió lâu dài tại các trạm khí tượng có thể được dùng để ước tính sơ bộ.
Dữ liệu này, có thể có sẵn cho khoảng thời gian dài, nên suy luận cẩn thận để trình bày thuộc tính gió. Sau bước điều tra đầu tiên này, những trường đo lường nói chung được làm tại vị trí tương lai cho khoảng thời gian ngắn. Ghi lại dữ liệu gió 1 năm đủ để trình bày cho những thay đổi trong khoảng thời gian dài. Hệ thống đo lường gió hiện cho ta tốc độ gió trung bình tại chổ, trung bình trong 1 khoảng thời gian.
Trung bình sau 10 phút là rất phổ biến cho chuẩn phần mềm phân tích gió. Dữ liệu gió trong khoảng thời gian ngắn này được tạo nhóm và phân tích với sự giúp đỡ của mô hình và phần mềm đánh giá dựa trên năng lượng có sẵn trong gió. Dữ liệu được nhóm trên khoảng thời gian ngắn. Ví dụ, nếu ta muốn thiết lập năng lượng sẵn có ở những giờ khác nhau, sau đó dữ liệu nên được nhóm theo hàng giờ.
Dữ liệu cũng có thể được phân loại hàng ngày, hàng tháng và hàng năm. HVTH: Nguyễn Đình Phú Trang 5 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS. Phan Thị Thanh Bình Hình 2.2: Biểu đồ hoa gió theo tần suất gió ở những hướng khác nhau.3: Biểu đồ hoa gió theo vận tốc gió ở những hướng khác nhau. HVTH: Nguyễn Đình Phú Trang 6 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.
Phan Thị Thanh Bình Hình 2.4: Biểu đồ hoa gió theo năng gió ở những hướng khác nhau.3 Vận tốc gió trung bình Một trong những thông tin quan trọng nhất trên quang phổ gió ở 1 vị trí là vận tốc gió trung bình. Vận tốc gió trung bình được tính Vm được cho bởi: 1 n Vm Vi n i 1 (2.4) Trong đó V là vận tốc gió n là số dữ liệu gió. Tuy nhiên, để tính toán công suất gió, vận tốc gió trung bình sử dụng phương trình (2.4) thường thiếu xót. Ví dụ, dữ liệu gió 1 giờ được thu thập khoảng 10 phút như trong bảng 2.
Theo phương trình (2.4), vận tốc gió hàng giờ là 6. Với mật độ không khí 1.24 kg/m3, công suất trung bình tương ứng là 166. Nếu ta tính công suất tương ứng với tất cả vận tốc gió và sau đó lấy giá trị trung bình cho công suất thì công suất đạt 207 W/m2. Điều này có nghĩa , vận tốc gió trung bình sử dụng theo phương trình (2.4) sẽ tính được công suất nhỏ hơn khoảng 20%.
HVTH: Nguyễn Đình Phú Trang 7 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS. Phan Thị Thanh Bình Bảng 2.1: Vận tốc gió trong khoảng 10 phút Số thứ tự Vận tốc gió Công suất trên một đơn vị diện tích V, m/s V3 P, W/m2 1 4.70 Để tính vận tốc gió, vận tốc gió nên được cân nhấc để tính công suất. Do đó, vận tốc gió trung bình là: 1 1 n 3 3 Vm Vi n i 1 (2.5) Nếu sử dụng phương trình (2.5), vận tốc trung bình trong ví dụ trước là 6.94m/s và công suất tương ứng là 207 W/m2. Do đó phương trình (2.5) được sử dụng để tính vận tốc gió trung bình.4 Phân bố vận tốc gió Ngoài tốc độ gió trung bình trong khoảng thời gian, phân bố của nó cũng là một yếu tố quan trọng trong đánh giá tài nguyên gió.
Xét tuabin gió được lắp đặt tại 2 vị trí với cùng một tốc độ gió trung bình có thể mang lại sản lượng năng lượng hoàn toàn khác nhau do sự khác biệt trong sự phân bố vận tốc gió. Ví dụ, xem xét 2 vị trí HVTH: Nguyễn Đình Phú Trang 8 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS. Phan Thị Thanh Bình lắp đặt với mẫu gió hàng ngày như trong hình 2. Đối với vị trí đầu tiên, vận tốc gió là 15 m/s trong suốt cả ngày.