Luận Văn Tìm Hiểu Và Nghiên Cứu Chi Tiết Nhà Máy Điện Gió Phương Mai Tỉnh Bình Định

Nhà máy điện gió Phương Mai, tọa lạc tại tỉnh Bình Định, là một trong những dự án năng lượng tái tạo quan… 75 trang · Trường Đại học Dân lập Hải Phòng · 2017.

• Tác giả: Lê Đình Quý
• Người hướng dẫn: Th. Đỗ Hồng Lý
• Trường học: Trường Đại học Dân lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện Tự Động Công Nghiệp
• Đề tài: Tìm hiểu về nhà máy điện gió. Đi sâu nghiên cứu nhà máy điện gió Phương Mai – Tỉnh Bình Định
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ
• 1.1. Khái quát 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 turbine gió
• 1.5.1. Các dạng tuabin gió
• 1.5.2. Tính năng của các tuabin gió
• 1.5.3. Cấu tạo của một turbine gió
• 1.5.4. Thông số của một số tuabin
• 1.6. Tính toán năng lượng điện gió
• 2. CHƯƠNG 2: NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ PHƯƠNG MAI
• 2.1. Các bước tiến hành xây dựng nhà máy điện gió
• 2.2. Lắp đặt tuabin gió
• 2.3. Dự án đầu tư và phát triển
• 2.4. Quy trình lắp đặt và công suất của nhà máy
• 2.5. Điều khiển và giám sát hoạt động của nhà máy gió
• 2.6. Tính toán chọn dây dẫn, máy biến áp cho nhà máy
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT NỐI HỆ THỐNG ĐIỆN LƯỚI QUỐC GIA
• 3.1. Những yêu cầu chung khi kết nối lưới điện
• 3.2. Kết nối lưới
• 3.3. Điều khiển công suất
• 3.4. Sử dụng DG vào hệ thống lưới phân phối
• 3.4.1. Giới thiệu về DG (Distributed Generator)
• 3.4.2. Các ứng dụng của máy phát phân phối
• 3.4.3. Ảnh hưởng của DG đối với lưới phân phối
• 3.4.4. Các bài toán vận hành DG
• 3.4.4.1. Bài toán phối hợp bảo vệ trong lưới phân phối có DG
• 3.4.4.2. Bài toán đánh giá trạng thái của hệ thống lưới phân phối có DG
• 3.4.4.3. Dữ liệu lưới phân phối
• 3.4.4.4. Chức năng đánh giá trạng thái trong quá trình vận hành lưới phân phối
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nhà máy điện gió Phương Mai

Nhà máy điện gió Phương Mai, tọa lạc tại tỉnh Bình Định, là một trong những dự án năng lượng tái tạo quan trọng tại Việt Nam. Dự án này không chỉ góp phần vào việc cung cấp năng lượng tái tạo mà còn thúc đẩy phát triển kinh tế địa phương. Với công suất lắp đặt lớn, nhà máy này sử dụng các turbine gió hiện đại, giúp khai thác hiệu quả nguồn năng lượng gió dồi dào của khu vực. Theo các nghiên cứu, tốc độ gió tại Phương Mai đạt từ 8 đến 10 m/s, tạo điều kiện lý tưởng cho việc phát triển điện gió. Nhà máy không chỉ đáp ứng nhu cầu điện năng cho khu công nghiệp Nhơn Hội mà còn góp phần bảo vệ môi trường, giảm thiểu ô nhiễm từ các nguồn năng lượng truyền thống.

1.1. Tầm quan trọng của nhà máy điện gió

Nhà máy điện gió Phương Mai đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển năng lượng sạch tại Việt Nam. Dự án này không chỉ giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch mà còn tạo ra nhiều cơ hội việc làm cho người dân địa phương. Việc phát triển năng lượng gió còn giúp nâng cao nhận thức về bảo vệ môi trường và khuyến khích các dự án năng lượng tái tạo khác. Theo báo cáo, nhà máy có khả năng sản xuất hàng triệu kWh điện mỗi năm, góp phần đáng kể vào lưới điện quốc gia và thúc đẩy sự phát triển bền vững cho tỉnh Bình Định.

II. Quy trình xây dựng và lắp đặt nhà máy

Quy trình xây dựng nhà máy điện gió Phương Mai bao gồm nhiều bước quan trọng, từ khảo sát địa điểm đến lắp đặt turbine gió. Đầu tiên, việc khảo sát địa hình và khí hậu là rất cần thiết để đảm bảo rằng vị trí lắp đặt có đủ năng lượng gió. Sau khi xác định được vị trí, các bước tiếp theo bao gồm thiết kế kỹ thuật, lắp đặt các thiết bị và hệ thống điều khiển. Việc lắp đặt turbine gió được thực hiện theo quy trình nghiêm ngặt để đảm bảo an toàn và hiệu quả. Các thiết bị được kiểm tra kỹ lưỡng trước khi đưa vào vận hành. Điều này không chỉ đảm bảo hiệu suất hoạt động mà còn giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành.

2.1. Các bước tiến hành lắp đặt

Quy trình lắp đặt nhà máy điện gió Phương Mai bao gồm nhiều bước như lắp đặt turbine gió, hệ thống điện và các thiết bị phụ trợ. Đầu tiên, các turbine gió được vận chuyển đến địa điểm lắp đặt. Sau đó, các kỹ sư tiến hành lắp đặt các bộ phận của turbine, bao gồm cánh quạt, trục rotor và hệ thống điều khiển. Việc lắp đặt phải tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt để đảm bảo an toàn và hiệu suất. Sau khi lắp đặt hoàn tất, nhà máy sẽ được kiểm tra và thử nghiệm trước khi chính thức đưa vào vận hành. Điều này giúp đảm bảo rằng nhà máy hoạt động hiệu quả và đáp ứng được nhu cầu điện năng của khu vực.

III. Tác động môi trường và kinh tế

Nhà máy điện gió Phương Mai không chỉ mang lại lợi ích về mặt kinh tế mà còn có tác động tích cực đến môi trường. Việc sử dụng năng lượng gió giúp giảm thiểu ô nhiễm không khí và khí thải nhà kính, góp phần vào việc bảo vệ môi trường. Theo các nghiên cứu, nhà máy có khả năng giảm thiểu hàng triệu tấn CO2 mỗi năm, điều này rất quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay. Ngoài ra, nhà máy còn tạo ra nhiều việc làm cho người dân địa phương, từ đó nâng cao đời sống và phát triển kinh tế khu vực.

3.1. Lợi ích kinh tế

Nhà máy điện gió Phương Mai tạo ra nhiều lợi ích kinh tế cho tỉnh Bình Định. Việc cung cấp năng lượng sạch không chỉ đáp ứng nhu cầu điện năng cho khu công nghiệp mà còn thu hút đầu tư từ các doanh nghiệp khác. Điều này giúp tạo ra nhiều việc làm và tăng thu nhập cho người dân. Hơn nữa, việc phát triển năng lượng tái tạo còn giúp tỉnh Bình Định trở thành một trong những địa phương đi đầu trong lĩnh vực năng lượng sạch tại Việt Nam, từ đó nâng cao vị thế cạnh tranh trong khu vực.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Điện năng đóng vai trò then chốt trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, bảo đảm điều kiện vận hành liên tục cho các dây chuyền sản xuất và các ngành kinh tế. Tuy nhiên, việc phát triển các nguồn cung cấp điện truyền thống đang đối mặt với nhiều thách thức lớn. Các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí đốt ngày càng cạn kiệt, đồng thời quá trình đốt cháy phát thải lượng lớn khí gây hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm môi trường. Trong khi đó, các nhà máy thủy điện chịu ảnh hưởng nặng nề bởi tính mùa vụ, thường xuyên không phát huy được tối đa công suất trong mùa khô. Trước thực tế đó, việc nghiên cứu khai thác các nguồn năng lượng tái tạo sạch, vô tận và thân thiện với môi trường, đặc biệt là năng lượng gió, trở thành nhiệm vụ cấp thiết nhằm bảo đảm an ninh năng lượng quốc gia.

Nhà máy điện gió Phương Mai tại tỉnh Bình Định là một trong những dự án trọng điểm được quy hoạch nhằm cung cấp nguồn điện năng tại chỗ cho Khu công nghiệp Nhơn Hội, giảm tải cho hệ thống truyền tải, thúc đẩy phát triển công nghiệp và tạo cảnh quan cho hoạt động du lịch của địa phương. Trên cơ sở thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp đại học ngành Điện Tự động Công nghiệp tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu sau:

1. Nghiên cứu tổng quan về tiềm năng năng lượng gió, các nguyên lý chuyển đổi năng lượng và đặc tính kỹ thuật của các chủng loại tuabin gió hiện đại.
2. Khảo sát, tính toán các thông số kỹ thuật khí động học, công suất phát và quy trình xây dựng, lắp đặt cơ sở hạ tầng cho Nhà máy điện gió Phương Mai tại tỉnh Bình Định.
3. Phân tích các yêu cầu kỹ thuật và giải pháp tích hợp nguồn phát phân tán (Distributed Generator - DG) từ nhà máy điện gió vào hệ thống lưới điện phân phối quốc gia, bao gồm bài toán phối hợp bảo vệ và đánh giá trạng thái vận hành.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là công nghệ phát điện sức gió, cấu tạo cơ khí - điện tự động của tuabin gió và phương thức hòa lưới của hệ thống nguồn phát phân tán. Phạm vi không gian tập trung vào khu vực bán đảo Phương Mai, huyện Phù Cát - Tuy Phước và Khu kinh tế Nhơn Hội, thành phố Quy Nhơn, tỉnh Bình Định. Dữ liệu quan trắc và phân tích kỹ thuật được kế thừa từ các chuỗi số liệu đo gió giai đoạn 1998–2000 và các tiêu chuẩn kiểm định kỹ thuật quốc tế cập nhật đến thời điểm hoàn thành đồ án năm 2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết của đề tài dựa trên các nguyên lý khí động học và kỹ thuật điện công nghiệp. Khối lượng không khí $m$ chuyển động với vận tốc $V$ mang động năng $W = \frac{1}{2} m V^2$. Từ đó, công suất lý thuyết của dòng không khí đi qua diện tích quét $A$ của cánh rotor được biểu diễn qua phương trình:

$$P = \frac{1}{2} \rho A V^3$$

Trong đó $\rho$ là khối lượng riêng của không khí (thay đổi theo áp suất khí quyển $P$, nhiệt độ tuyệt đối $T$ và độ cao $H$), $A = \frac{\pi D^2}{4}$ là diện tích quét của rotor có đường kính $D$, và $V$ là vận tốc gió. Công suất cơ học thu nhận được tại trục rotor $P_0$ bị giới hạn bởi định luật Betz với hệ số công suất cực đại lý thuyết $C_{p,max} = 0,59$. Trong điều kiện làm việc thực tế của các tuabin gió trục ngang 2 đến 3 cánh tốc độ cao, hệ số $C_p$ thường dao động trong khoảng từ $0,35$ đến dưới $0,50$.

Để đánh giá chất lượng điện năng của các tổ máy phát gió, đồ án áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế:

• Tiêu chuẩn IEC 61000-4-15: Đánh giá hệ số nhấp nháy điện áp (Flicker).
• Tiêu chuẩn IEC 61000-4-7 và IEC 61000-21 / IEC 61400-21: Đo lường và đánh giá các chỉ tiêu méo dạng sóng hài toàn phần, công suất tác dụng, công suất phản kháng và dòng điện đỉnh trong quá trình chuyển đổi chế độ vận hành của máy phát không đồng bộ tích hợp bộ biến đổi bán dẫn IGBT.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Thu thập và hệ thống hóa các tài liệu chuyên ngành về công nghệ máy phát điện gió, trạm biến áp và lưới điện thông minh.
• Phương pháp thu thập và xử lý số liệu quan trắc khí tượng: Sử dụng dữ liệu đo đạc thực tế từ thiết bị đo gió chuyên dụng (anemometer) ở các độ cao tiêu chuẩn 30m, 40m và 65m; kết hợp bản đồ phân bố năng lượng gió của Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) và Tổ chức True Wind Solutions LLC.
• Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Tính toán lựa chọn công suất tổ máy, máy biến áp nâng áp, tiết diện dây dẫn và phân tích các bài toán phối hợp bảo vệ rơle, ước lượng trạng thái lưới điện phân phối khi có nguồn phân tán DG.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án gồm số liệu đo gió trạm bán đảo Phương Mai do Công ty IDECO, Viện Vật lý Địa cầu và Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia thẩm định năm 2000; số liệu báo cáo kiểm định vận hành của tổ máy tuabin Vestas V52-850kW do Viện Năng lượng Đức thực hiện; cùng các hồ sơ dự án phong điện Phương Mai I, II, III do Công ty Xây lắp điện 3 và Quỹ DANIDA (Đan Mạch) tài trợ.

Thiết kế kỹ thuật và giải pháp tích hợp

Trong cấu trúc kỹ thuật của hệ thống điện gió, tuabin gió bao gồm 20 cụm bộ phận chức năng chính:

• Hệ thống cánh rotor và trục chính: Cánh rotor được chế tạo từ vật liệu composite nhẹ, bền, định hình theo nguyên lý khí động học giảm thiểu hiện tượng xoáy rối, tích hợp dây dẫn chống sét bảo vệ cấu trúc tháp.
• Hộp tăng tốc (Gearbox): Chuyển đổi tốc độ quay thấp từ rotor chính (khoảng 14–24 vòng/phút) lên tốc độ quay định mức của máy phát điện (khoảng 1500 vòng/phút).
• Máy phát điện và biến đổi công suất: Sử dụng máy phát điện xoay chiều không đồng bộ kết hợp bộ biến đổi công suất bán dẫn IGBT, cho phép điều khiển linh hoạt công suất tác dụng và công suất phản kháng phát lên lưới.
• Hệ thống điều hướng YAW và phanh an toàn: Cơ cấu lệch góc YAW tự động định hướng rotor đón đúng chiều gió thông qua tín hiệu cảm biến từ chong chóng chỉ hướng và đo tốc độ gió (anemometer); hệ thống phanh thủy lực kết hợp phanh cơ khí hỗ trợ dừng máy an toàn khi sửa chữa hoặc khi vận tốc gió vượt ngưỡng cực đại (25 m/s).
• Hệ thống điều khiển tự động: Sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC giám sát và điều khiển từ xa toàn bộ quá trình vận hành, đồng bộ thông số và đóng cắt hòa lưới tự động.

Bộ phận kỹ thuật	Chức năng chính	Yêu cầu kỹ thuật / Công nghệ
Cánh rotor	Tiếp nhận động năng của gió tạo mô-men quay	Vật liệu composite, tích hợp hệ thống thu lôi chống sét
Hộp số tăng tốc	Nâng tốc độ góc từ trục rotor lên trục máy phát	Tỷ số truyền cao, chịu lực xoắn lớn, vận hành êm
Máy phát điện	Chuyển đổi cơ năng thành điện năng	Máy phát không đồng bộ, điện áp đầu cực 690 V
Bộ biến đổi điện tử	Điều chỉnh tần số, điện áp, góc pha	Sử dụng linh kiện bán dẫn công suất IGBT
Cơ cấu bám hướng YAW	Xoay góc buồng máy theo hướng gió	Động cơ điện truyền động vành răng bệ đỡ
Hệ thống bảo vệ & hãm	Dừng tuabin khi có sự cố hoặc bão lớn	Phanh đĩa thủy lực kết hợp phanh khí động góc cánh
Tủ điều khiển trung tâm	Tự động hóa giám sát, đo lường và giao tiếp SCADA	Bộ lập trình PLC, giao thức truyền thông điều khiển từ xa

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung về năng lượng gió

Chương 1 trình bày tổng quan về ngành năng lượng gió thế giới và Việt Nam, nguyên lý chuyển đổi năng lượng và đặc tính công nghệ tuabin gió. Trên phạm vi toàn cầu, công suất lắp đặt phong điện có sự tăng trưởng mạnh mẽ với sự tham gia của các quốc gia thành viên Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA/CEA).

Quốc gia	Công suất lắp đặt (MW)	Quốc gia	Công suất lắp đặt (MW)
Đức	16.628	Hy Lạp	466
Tây Ban Nha	8.078	Canada	444
Nhật Bản	940	Thụy Điển	442
Vương quốc Anh	897	Pháp	390
Trung Quốc	764	Úc	380
Áo	607	Ireland	353
Bồ Đào Nha	523	Na Uy	160

Tại Việt Nam, với đường bờ biển dài hơn 2000 km, địa hình đón hai luồng gió mùa chính (Đông Bắc từ tháng 10 đến tháng 5 và Tây Nam từ tháng 6 đến tháng 9). Nghiên cứu tổng hợp số liệu tiềm năng điện gió của Việt Nam ở độ cao 65m theo từng cấp tốc độ gió:

Dải tốc độ gió	Diện tích đất ($km^2$)	Tỷ lệ diện tích (%)	Tiềm năng công suất (MW)
$< 6\text{ m/s}$	197.342	60,1	398.172
$6 \div 7\text{ m/s}$	100.361	30,5	401.444
$7 \div 8\text{ m/s}$	25.679	7,8	102.716
$8 \div 9\text{ m/s}$	2.187	0,7	8.748
$> 9\text{ m/s}$	113	0,03	452

Chương này cũng phân loại chi tiết hai dòng tuabin chính: loại không điều khiển được góc cánh (Stall Control - kết cấu cơ khí đơn giản, chi phí thấp, công suất suy giảm khi vượt ngưỡng gió) và loại điều khiển được góc cánh (Pitch Control - cơ cấu điều chỉnh góc nghiêng linh hoạt, duy trì dải công suất ổn định, chi phí chế tạo và bảo dưỡng cao hơn).

Thông số kỹ thuật điển hình của các dòng tuabin gió công nghiệp:

• Dòng công suất 2300 kW: Đường kính rotor 94m, diện tích quét $6.940\text{ m}^2$, tốc độ khởi động 3,5 m/s, tốc độ cắt 25 m/s.
• Dòng công suất 2500 kW: Chiều cao tháp 85m, đường kính rotor 88m, diện tích quét $6.082\text{ m}^2$.
• Dòng công suất 3600 kW: Chiều cao tháp 100–120m, đường kính rotor 104m, diện tích quét $8.495\text{ m}^2$.

Đối với việc đánh giá chất lượng điện, chương phân tích số liệu kiểm nghiệm thực tế trên mẫu tuabin Vestas V52-850kW (Đan Mạch) gồm: điện áp định mức 690 V, dải tốc độ gió vận hành 4–25 m/s, tốc độ đạt công suất định mức 15 m/s, tốc độ quay rotor 14–24 vòng/phút kết nối máy phát không đồng bộ 900–1620 vòng/phút. Các kết quả đo đạc 337 chu kỳ trong dải gió 4–18 m/s cung cấp cơ sở xác định hệ số công suất và công suất phản kháng hòa lưới. Quy trình xây lắp được xác định rõ mối quan hệ giữa độ cao tháp và công suất tuabin (tháp 40m ứng với 750 kW, tháp 65m ứng với 1800 kW, tháp 120m ứng với 3600 kW).

Chương 2: Nhà máy điện gió Phương Mai

Chương 2 tập trung phân tích dự án thực địa tại bán đảo Phương Mai, huyện Phù Cát – Tuy Phước, tỉnh Bình Định. Bán đảo Phương Mai sở hữu vị trí địa lý đắc địa với địa hình cồn cát ven biển, phía trước giáp biển, phía sau là Đầm Thị Nại và cánh đồng rộng 500 $km^2$. Dữ liệu đo đạc khí tượng tại trạm quan trắc 40m (thiết lập từ năm 1998 bởi Công ty IDECO, Viện Vật lý Địa cầu và Trung tâm KHTN&CNQG, được Hội đồng Thẩm định Quốc gia nghiệm thu tháng 10/2000) kết hợp bản đồ True Wind Solutions LLC khẳng định tốc độ gió trung bình năm tại đây đạt từ 8 đến 9 m/s.

Quy hoạch phát triển phong điện tại khu vực Phương Mai được phân kỳ và phân chia thành các dự án thành phần:

• Dự án Phương Mai ban đầu: Giai đoạn 1 có quy mô công suất 15 MW, sản lượng điện dự kiến 39–49 triệu kWh/năm (GWh/năm), giá bán điện tính toán 0,04 USD/kWh với thời gian hoàn vốn từ 8 đến 9 năm; các giai đoạn mở rộng nâng công suất lên 25–50 MW.
• Dự án Phương Mai I (công suất 30 MW) và Phương Mai II (công suất 36 MW).
• Dự án trọng điểm Phương Mai III: Đặt tại Khu công nghiệp Nhơn Hội (TP. Quy Nhơn), tổng công suất thiết kế 50,4 MW gồm 28 tổ máy, tổng mức đầu tư khoảng 820 tỷ đồng do Quỹ Hỗ trợ Phát triển Quốc tế Chính phủ Đan Mạch (DANIDA) tài trợ 100%, chủ đầu tư là Công ty Cổ phần Năng lượng Tái tạo / Công ty Xây lắp điện 3. Sản lượng điện thiết kế đạt 150–170 triệu kWh/năm.

Chương cũng đối chiếu dự án Phương Mai với các mô hình thử nghiệm khác như hệ thống lai gió - Diesel tại đảo Bạch Long Vĩ (tuabin gió 800 kW kết hợp máy phát Diesel 414 kW) và dự án phong điện đảo Phú Quý (tổng vốn đầu tư 142 tỷ đồng). Qua đó, đồ án chỉ ra nguyên nhân thất bại của các dự án BOT điện gió trước đây tại Khánh Hòa (30 MW) và Bình Định (dự án 200 triệu USD của Grabowski) là do thiếu hụt chuỗi số liệu quan trắc gió trực tiếp ở độ cao tiêu chuẩn trên 60m.

Chương 3: Kết nối hệ thống điện lưới quốc gia

Chương 3 giải quyết các khía cạnh kỹ thuật khi tích hợp nhà máy điện gió dưới dạng nguồn phát phân tán (DG - Distributed Generator) vào hệ thống điện lưới quốc gia. Khi các máy phát DG công suất lớn được đấu nối vào lưới phân phối, cấu trúc lưới điện chuyển từ dạng hình tia cấp điện một chiều thụ động sang dạng mạng lưới đa nguồn cung cấp.

Đồ án phân tích các tác động kỹ thuật chính của DG đối với lưới phân phối:

• Làm thay đổi phân bố trào lưu công suất tác dụng và phản kháng, ảnh hưởng đến biểu đồ dao động điện áp và tổn thất công suất trên các đường dây trung áp.
• Tăng dòng ngắn mạch tại các điểm sự cố trên lưới, làm thay đổi chiều dòng điện ngắn mạch qua các thiết bị đóng cắt.

Hai bài toán kỹ thuật vận hành trọng tâm được giải quyết:

1. Bài toán phối hợp bảo vệ trong lưới phân phối có DG: Sự xuất hiện của nguồn phát gió làm giảm độ nhạy hoặc gây tác động nhầm cho các rơle quá dòng định hướng truyền thống. Đồ án đưa ra yêu cầu phải tính toán lại ngưỡng tác động, thời gian trễ và phối hợp lại đặc tính làm việc giữa rơle bảo vệ đường dây, máy cắt phân đoạn và thiết bị tự đóng lại (Recloser).
2. Bài toán đánh giá trạng thái hệ thống (State Estimation): Xây dựng thuật toán xử lý dữ liệu đo lường thu thập từ các trạm đo đạc phân tán và hệ thống SCADA. Chức năng đánh giá trạng thái cho phép loại bỏ các sai số đo lường thô, ước lượng chính xác điện áp nút, dòng điện nhánh và góc pha trong quá trình vận hành thời gian thực, bảo đảm khả năng giám sát và điều khiển công suất phát của nhà máy điện gió phù hợp với yêu cầu điều độ của hệ thống điện quốc gia.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành các nội dung tính toán và thiết kế kỹ thuật phục vụ công tác xây dựng nhà máy điện gió:

• Tổng hợp và hệ thống hóa bức tranh toàn diện về tiềm năng phong điện Việt Nam; làm rõ dữ liệu khí động học và địa hình tại bán đảo Phương Mai với tốc độ gió trung bình 8–9 m/s, chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế cho dự án công suất 50,4 MW.
• Chi tiết hóa cấu hình kỹ thuật của 28 tổ máy tuabin, phương án xây lắp móng trụ tháp trên nền cồn cát, lắp ráp buồng máy nacelle, cánh composite và hệ thống chống sét.
• Phân tích và chỉ rõ các tác động vận hành của nguồn phát phân tán DG lên lưới phân phối trung áp, đưa ra giải pháp kỹ thuật cho bài toán phối hợp bảo vệ rơle và cấu trúc chức năng đánh giá trạng thái vận hành thời gian thực.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án nằm ở việc các số liệu quan trắc thực địa tại khu vực Phương Mai chủ yếu được thu thập tại độ cao 40m, trong khi các dòng tuabin gió hiện đại có chiều cao tháp từ 85m đến 120m đòi hỏi chuỗi số liệu đo đạc liên tục ở độ cao 65m–100m để nâng cao độ chính xác khi dự báo sản lượng điện hàng năm. Ngoài ra, phần tính toán giải tích lưới điện chưa đi sâu vào mô phỏng các chế độ quá độ điện từ tức thời khi xảy ra sự cố đứt mạch hoặc sụt giảm điện áp sâu trên hệ thống truyền tải (Low Voltage Ride Through - LVRT).

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là ứng dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng (như Matlab/Simulink, PSS/E hoặc DigSILENT PowerFactory) để mô hình hóa chi tiết hệ thống điều khiển điện áp - tần số của bộ nghịch lưu IGBT, nghiên cứu tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS) nhằm ổn định công suất phát của nhà máy điện gió khi kết nối vào lưới điện thông minh.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật hữu ích cho sinh viên, học viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Điện Tự động Công nghiệp, Hệ thống Điện và Năng lượng Tái tạo. Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao gồm:

• Bảng phân loại, công thức tính toán khí động học và bảng thông số kỹ thuật của các chủng loại tuabin gió công nghiệp.
• Quy trình khảo sát đo gió, tiêu chuẩn xây lắp móng và lắp đặt thiết bị cơ - điện tháp gió.
• Phương pháp luận phân tích ảnh hưởng của nguồn điện phân tán DG lên lưới phân phối và nguyên lý bài toán phối hợp bảo vệ rơle trong hệ thống điện hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

1. Dự án Nhà máy điện gió Phương Mai III có quy mô công suất và thông số kinh tế - kỹ thuật như thế nào?
Dự án Phương Mai III được thiết kế với tổng công suất 50,4 MW gồm 28 tổ máy tuabin đặt tại cồn cát ven biển Khu công nghiệp Nhơn Hội, TP. Quy Nhơn. Tổng mức đầu tư dự án khoảng 820 tỷ đồng do Quỹ DANIDA (Đan Mạch) tài trợ 100%, sản lượng điện năng ước tính đạt từ 150 đến 170 triệu kWh mỗi năm.

2. Giới hạn Betz trong tính toán công suất rotor tuabin gió có giá trị bao nhiêu và hệ số công suất thực tế đạt mức nào?
Theo định luật Betz, giới hạn cực đại lý thuyết của hệ số công suất rotor $C_{p,max}$ là 0,59 (59%). Trong thiết kế và vận hành thực tế, tuabin gió 2 đến 3 cánh tốc độ cao đạt hệ số công suất $C_p < 0,50$ (thông thường xấp xỉ 0,35), còn tuabin nhiều cánh tốc độ thấp có $C_p$ dao động từ 0,20 đến 0,40.

3. Tuabin gió điều khiển được góc cánh (Pitch Control) và không điều khiển được (Stall Control) khác nhau ở điểm nào?
Loại điều khiển được có cơ cấu xoay thay đổi góc nghiêng của cánh rotor theo chế độ gió, giúp duy trì công suất đầu ra ổn định khi vận tốc gió vượt ngưỡng định mức, nhưng cấu tạo cơ khí phức tạp và chi phí chế tạo, bảo dưỡng cao. Loại không điều khiển được có cánh cố định, dựa vào biên dạng khí động học để tự hãm công suất khi gió quá ngưỡng, cấu tạo đơn giản, chi phí rẻ nhưng công suất bị suy giảm sau ngưỡng gió định mức.

4. Khi đấu nối nguồn phát phân tán (DG) từ nhà máy điện gió vào lưới phân phối, bài toán bảo vệ rơle gặp trở ngại gì?
Việc hòa lưới nguồn DG làm thay đổi mạng lưới phân phối từ cấp điện một chiều hình tia thành mạng đa nguồn, làm tăng dòng ngắn mạch và đảo chiều dòng công suất sự cố. Điều này làm rơle quá dòng truyền thống mất tính chọn lọc hoặc giảm độ nhạy, đòi hỏi phải tính toán lại ngưỡng tác động, phối hợp lại thời gian làm việc giữa rơle bảo vệ đường dây và máy cắt phân đoạn (Recloser).

5. Kết quả kiểm định tuabin Vestas V52-850kW theo tiêu chuẩn IEC 61400-21 đưa ra các thông số vận hành cơ bản nào?
Tổ máy Vestas V52-850kW có công suất định mức 850 kW, điện áp đầu cực 690 V (50 Hz), tốc độ gió khởi động 4 m/s, tốc độ cắt 25 m/s, đạt công suất tối đa ở 15 m/s. Rotor 3 cánh đường kính 52m quay ở tốc độ 14–24 vòng/phút, kết nối máy phát không đồng bộ tốc độ 900–1620 vòng/phút, được kiểm định qua 337 chu kỳ đo ở dải gió 4–18 m/s để xác định đường đặc tính công suất phản kháng và dòng điện đỉnh khi chuyển đổi tổ máy phát.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Tìm hiểu về nhà máy điện gió. Đi sâu nghiên cứu nhà máy điện gió Phương Mai – Tỉnh Bình Định" đã hệ thống hóa đầy đủ cơ sở lý thuyết khí động học, công nghệ tuabin gió và quy trình thiết kế xây lắp trạm phong điện. Bằng việc phân tích các dữ liệu quan trắc thực địa tại bán đảo Phương Mai và các tiêu chuẩn kiểm định quốc tế, tác giả đã chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật và hiệu quả cung cấp điện của dự án công suất 50,4 MW cho Khu kinh tế Nhơn Hội. Công trình đồng thời giải quyết các vấn đề cốt lõi khi tích hợp nguồn phát phân tán DG vào lưới phân phối quốc gia, cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao cho ngành Điện Tự động Công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu chung về năng lượng gió. Chương 2: Nhà máy điện gió Phương Mai. Chương 3: Kết nối hệ thống điện lưới quốc gia. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ.

KHÁI QUÁT CHUNG. Hiện nay cùng với sự phát triển công nghiệp và sự hiện đại hoá 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 môi 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 công trình đã được khởi công và xây dựng với quy mô vừa và nhỏ tiêu biểu là điện gió ở bán đảo Bạch Long Vĩ có công suất khoảng 800kW và công trình phong điện Phương Mai III ở tỉnh Bình Định đang được xây dựng. Năng lượng điện gió là nguồn năng lượng sạch và có tìm năng rất lớn. Nhà máy điện gió đầu tiên được xây dựng đầu tiên ở vùng nông thôn Mỹ vào năm 1890. Ngày nay công nghệ điện gió phát triển mạnh và có sự cạnh tranh lớn, với tốc độ phát triển như hiện nay thì không bao lâu nữa năng lượng điện sẽ chiếm phần lớn trong thị trường năng lượng của thế giới.

LỢI ÍCH CỦA NĂNG LƢỢNG ĐIỆN GIÓ. Năng lượng điện gió có nhiều lợi ích như: Chi phí sản xuất thấp, không tổn hao năng lượng trong quá trình vận hành và sản xuất vì vậy năng lượng điện gió có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác như than đá, khí đốt. Nhà máy điện gió không gây ô nhiễm môi trường và góp phần tạo cảnh quan cho việc phát triển du lịch ở nơi đó. Tạo môi trường thân thiện, các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp vẫn có thể hoạt động và sản xuất gần nhà máy.

Các nhà máy điện gió thường ở những nơi đồng bằng, nông thôn, miền núi, hải đảo nên tạo công ăn việc làm cho công nhân nơi đó. Với tất cả những lợi ích vừa nêu trên thì năng lượng điện gió có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác. Nhưng để phát triển và xây dựng nhà máy điện gió thì phải khảo sát chặt chẽ, giám sát xây dựng nghiêm túc đúng kỹ thuật để đảm bảo an toàn khi sử dụng và vận hành. TÌNH HÌNH NĂNG LƢỢNG ĐIỆN GIÓ TRÊN THẾ GIỚI.

Năng lượng điện gió là nguồn năng lượng có triển vọng và phát triển trong thời gian gần đây. Có rất nhiều nhiều quốc gia đã phát triển với quy mô lớn như Đức, Hà Lan, Mỹ, Anh …. và đã thành lập cơ quan năng lượng quốc tế (CEA) với 14 nước thành viên hợp tác nguyên cứu các kế hoạch trao đổi thông tin kinh nghiệm về việc phát triển năng lượng điện gió. Các quốc gia này là : Úc, Canada, Đan Mạch, Thụy Điển, Na Uy, Tây Ban Nha, Phần Lan, Đức, Ý, Nhật, Hà Lan, New Zealand, Thụy Sĩ, Anh, Mỹ.

Vào năm 1995 các nước thành viên có khoảng 25000 tuabin được kết nối với mạng lưới điện và đang vận hành tốt. Tổng công suất của các tuabin này là 3500MW và hằng năm sản xuất ra 6 triệu MWh. Năng lượng điện gió đã trở thành nguồn năng lượng tái sinh phát triển nhanh nhất trên thế giới đặc biệt là ở châu Âu đang chiếm 70% tổng công suất này. 3 Theo số liệu thống kê của ngành điện, sản lượng điện năng sản xuất từ sức gió trên thế giới đang liên tục tăng: năm 1994 là 3.500MW và hiện nay là hơn 10.

Sử dụng điện năng bằng sức gió, các nhà sản xuất và tiêu dùng đều có thể an tâm về nguồn “tài nguyên” này, hơn nữa phong điện gần như không có tác hại đáng kể nào tới môi trường (theo số liệu năm 2002). Qua khảo sát người ta nhận thấy năng lượng gió trên thế giới là rất lớn và được phân bố tất cả các nước. Năng lượng điện có thể khai thác hằng năm là 53000 TWh và có thể cung cấp vượt quá nhu cầu điện thế giới vào năm 2020. Theo khảo sát hằng năm của viện năng lượng quốc tế thì nhu cầu tiêu thụ điện thế giới vào năm 2020 là 25800TWh trong đó năng lượng điện gió sẽ chiếm 12% tổng nguồn năng lượng.1: Phân bố năng lượng điện gió một số nước trên thế giới.

Số thứ tự Quốc gia Công suất (MW) 1 Đức 16.628 2 Tây Ban Nha 8.078 8 Nhật 940 9 Liên hiệp Anh và Bắc Ireland 897 10 Trung quốc 764 11 Áo 607 12 Bồ Đào Nha 523 13 Hy Lạp 466 14 Canada 444 15 Thụy Điển 442 16 Pháp 390 17 Úc 380 18 Ireland 353 19 New Zealand 170 20 Na Uy 160 Các nước còn lại 951 Tổng cộng trên toàn thế giới 47. TIỀM NĂNG GIÓ Ở VIỆT NAM. Việt Nam nằm ở khu vực Đông Nam Á, đất nước dài hơn 2000km và có đường bề biển kéo dài từ duyên hải miền trung tới nam trung bộ nên có nguồn gió dồi dào từ biển thổi vào. Vùng duyên hải miền trung bị chia cắt bỡi các dãy 5 núi có độ cao từ (1000÷1500)m vùng đất này chủ yếu là trồng trọt và chăn nuôi nhưng có mật độ dân số khá đông trong khi đó các nhà máy thuỷ điện cũng như các nhà máy nhiệt điện lại rất ít nên thường bị thiếu điện nhất là mùa khô.

Khí hậu Việt Nam là khí hậu nhiệt đới ẩm, mưa nhiều. Có gió mùa Đông Bắc và gió mùa Tây Nam. Đặc biệt ở duyên hải miền trung có 4 mùa Xuân-Hạ- Thu-Đông và có lượng gió tương đối lớn có tốc độ gió hằng năm là (8÷10)m/s nhờ có bờ biển dài nên có lượng gió quanh năm. Vùng duyên hải miền trung cuả Việt Nam có tốc độ gió hằng năm là (8÷10)m/s người ta khảo sát tốc độ gió ở độ cao 65m và 30m.

Tốc độ gió và công suất điện ở độ cao 65m. Các dãy núi ở miền trung và miền nam Việt Nam nằm ở vị trí đặc biệt, chúng tạo thành những rào chắn liên tiếp đón nhận gió mùa loại gió này đến từ hướng Đông Bắc từ tháng 10 đến tháng 5 và thổi từ hướng Tây Nam từ tháng 6 tới tháng 9. Dọc theo miền trung Việt Nam có lượng gió rất tốt và tốc độ gió tương đối mạnh và lượng gió nhiều.2: Tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 65m. Tốc độ Tốc độ Tốc độ Tốc độ Tốc độ Mô tả <6m/s 6÷7m/s 7÷8m/s 8÷9m/s >9m/s Diện tích đất 197342 100361 25679 2187 113 km2 % tổng diện 60.1% tích Tiềm năng (MW) 398172 401444 102716 8748 452 Tốc độ gió ở độ cao 30m 6 Ở độ cao 30m chỉ thích hợp cho loại tuabin có công suất nhỏ, thích hợp những nơi có tốc độ gió vừa và chậm và loại tuabin nhỏ này có thể thay thế các tuabin lớn ở những nơi không thể đặt tuabin lớn.

Trong 4 mùa Xuân-Hạ-Thu-Đông mùa có gió nhiều nhất là mùa đông từ tháng 12 đến 2 và mùa hè từ (tháng 6 đến tháng 8). Những tháng này là cao điểm của gió mùa Đông Bắc và Tây Nam. Hai mùa còn lại chỉ là mùa chuyển tiếp. Gió lớn xuất hiện cả mùa đông và mùa hè nhưng nằm ở những vùng khác nhau.

Ở nước ta gió mạnh xuất hiện phía tây dãy Trường Sơn. Gió mùa Đông Bắc cũng kéo theo những cơn gió mạnh ở miền nam Việt Nam điều này xảy ra những vùng ven biển vì gió thổi theo hướng Đông Bắc tạo ra vùng có áp suất thấp ở phía bắc và phía tây của dãy Trường Sơn. Vùng châu thổ sông Mê Kông đến TP.Hồ Chí Minh gió ở đây rất tốt tốc độ (7÷7. Khu vực này có điều kiện phát triển nguồn năng lượng điện gió vì nó gần TP.Hồ Chí Minh có nhu cầu tiêu thụ điện rất lớn.

Trên các dãy núi phía nam của khu vực duyên hải Miền Trung có gió rất nhiều. Ở vùng tây nguyên rộng lớn có tốc độ gió từ (7÷7.5)m/s, và vùng biên giới Campuchia. Khu vực nằm giữa Pleiku và Buôn Ma Thuột có tốc độ gió lên đến 7m/s. Khu vực miền biển phía Nam của vùng duyên hải Miền Trung trên các đỉnh núi có độ cao (1600÷2000)m thì có lượng gió nhiều và tốc độ gió cao từ (8.

Các đỉnh núi ở phía tây của Qui Nhơn và Tuy Hòa với độ cao từ (1000÷1200)m có tốc độ gió cũng tương đối lớn từ (8÷8. Như vậy các vùng ven biển có lợi thế rất lớn về nguồn năng lượng gió và có thể lắp đặt các loại tuabin có công suất lớn. Khu vực phía Bắc vùng duyên hải miền trung có dãy Trường Sơn chạy dài theo biên giới Việt Nam và Lào có những nơi cao tới 1800m và có tốc độ gió 7 tương đối lớn (8. Khu vực phía Bắc của tỉnh Thừa Thiên Huế rất thích hợp đặt những tuabin nhỏ ở độ cao 30m và có tốc độ gió nơi đó là (5÷6)m/s.

Khu vực phía Bắc Việt Nam khu vực lân cận Hải Phòng thì gió khá tốt vận tốc có thể đạt được 7m/s. Ở trên đỉnh núi biên giới Việt Nam - Lào đến vùng núi tây nam thành phố Vinh có gió rất tốt tốc độ từ (8÷9)m/s. Ở biên giới phía Bắc với Trung Quốc và ở phía Bắc Đông Bắc của Hải Phòng tốc độ gió có thể đạt tới (7÷8)m/s. Vậy với điều kiện khí hậu và lượng gió, mật độ gió, tốc độ gió như trên Việt Nam có nhiều điều kiện xây dựng nhà máy điện gió ở những vùng có lượng gió tương đối tốt và phát triển để đáp ứng nhu cầu điện cho quốc gia.

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TURBINE GIÓ. Các dạng tuabin gió. Hiện nay trên thế giới có rất nhiều dạng tuabin gió khác nhau từ loại chỉ có 1 cánh tới loại có rất nhiều cánh với hình dạng và kích thước cũng khác nhau.1: Hình dạng các tuabin gió 8 1. Tính năng của các tuabin gió.

Mỗi loại tuabin gió khác nhau thì tính năng của nó cũng khác nhau, đường đặc tính của chúng phụ thuộc vào hệ số công suất và tỉ số vận tốc. Ta có hệ số công suất: Tỉ số vận tốc: TSR = 2 .