Luận văn thạc sĩ thiết bị mạng và nhà máy điện chất lượng điện năng trên hệ thống điện tích hợp với các nhà máy điện gió

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết bị mạng và nhà máy điện chất lượng điện năng trên hệ thống điện tích hợp với các nhà máy điện, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Trọng Huân
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết Bị, Mạng & Nhà Máy Điện
• Đề tài: Chất Lượng Điện Năng Trên Hệ Thống Điện Tích Hợp Với Các Nhà Máy Điện Gió
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• THESIS SUMMARY
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Nhiệm vụ, phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Điểm mới của luận văn
• 1.5. Nội dung của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ TUABIN GIÓ
• 2.1. Gió và năng lượng từ gió
• 2.2. Cấu tạo và phân loại tuabin điện gió
• 2.2.1. Cấu tạo Tuabin gió
• 2.2.2. Các loại tuabin gió hiện nay
• 2.2.2.1. Tuabin gió tốc độ cố định (Loại A)
• 2.2.2.2. Tuabin gió tốc độ thay đổi (Loại B)
• 3. CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ PHÂN TÁN LÊN HỆ THỐNG ĐIỆN
• 4. CHƯƠNG 4: CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRÊN LƯỚI ĐIỆN KHI CÓ CÁC NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ THAM GIA VÀO HỆ THỐNG – CÁC ĐIỀU KIỆN ĐỂ ĐẤU NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN
• 5. CHƯƠNG 5: BÀI TOÁN MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG HỆ THỐNG ĐIỆN KHI CÓ ĐIỆN GIÓ THAM GIA
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Tóm tắt

I. Thiết bị mạng Nhà máy điện

Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu thiết bị mạng và nhà máy điện trong hệ thống tích hợp điện gió. Các thiết bị mạng đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối và vận hành hệ thống điện, đặc biệt khi tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo như điện gió. Nhà máy điện gió được phân tích về cấu trúc, công nghệ và ảnh hưởng đến hệ thống điện. Luận văn sử dụng phần mềm PSCAD để mô phỏng và đánh giá hiệu quả của các thiết bị mạng trong việc duy trì chất lượng điện năng.

1.1. Thiết bị mạng trong hệ thống điện gió

Thiết bị mạng bao gồm các thiết bị đo lường, điều khiển và bảo vệ được sử dụng để đảm bảo sự ổn định của hệ thống điện. Luận văn nhấn mạnh vai trò của các thiết bị này trong việc giám sát và điều chỉnh các thông số điện áp, dòng điện khi tích hợp điện gió. Các thiết bị mạng cần được tối ưu hóa để giảm thiểu ảnh hưởng của dao động điện áp và họa tần.

1.2. Nhà máy điện gió và công nghệ

Nhà máy điện gió sử dụng công nghệ tuabin gió hiện đại, đặc biệt là máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG). Luận văn phân tích các ưu điểm của DFIG trong việc điều chỉnh công suất và giảm thiểu ảnh hưởng đến hệ thống điện. Các nhà máy điện gió cần tuân thủ các tiêu chuẩn chất lượng điện năng để đảm bảo sự ổn định khi kết nối vào lưới điện.

II. Chất lượng điện năng Hệ thống tích hợp

Chất lượng điện năng là yếu tố quan trọng được nghiên cứu trong luận văn. Các vấn đề như dao động điện áp, họa tần và nhấp nháy được phân tích chi tiết. Hệ thống tích hợp điện gió đòi hỏi sự kết hợp hài hòa giữa các nguồn năng lượng truyền thống và tái tạo. Luận văn đề xuất các giải pháp để cải thiện chất lượng điện năng khi tích hợp điện gió vào hệ thống.

2.1. Chất lượng điện năng trong hệ thống điện gió

Chất lượng điện năng được đánh giá thông qua các thông số như dao động điện áp, họa tần và nhấp nháy. Luận văn sử dụng phần mềm PSCAD để mô phỏng và phân tích các ảnh hưởng của điện gió đến chất lượng điện năng. Các giải pháp như bộ lọc họa tần và hệ thống điều khiển được đề xuất để cải thiện chất lượng điện năng.

2.2. Hệ thống tích hợp điện gió

Hệ thống tích hợp điện gió đòi hỏi sự kết hợp giữa các nguồn năng lượng truyền thống và tái tạo. Luận văn phân tích các thách thức khi tích hợp điện gió vào hệ thống điện, đặc biệt là sự không ổn định của nguồn năng lượng gió. Các giải pháp như hệ thống lưu trữ năng lượng và điều khiển thông minh được đề xuất để đảm bảo sự ổn định của hệ thống.

III. Tối ưu hóa SEO Nghiên cứu từ khóa

Luận văn cũng đề cập đến việc tối ưu hóa SEO và nghiên cứu từ khóa trong quá trình phân tích và trình bày nội dung. Việc sử dụng các từ khóa LSI như 'thiết bị mạng', 'nhà máy điện', và 'chất lượng điện năng' giúp tăng cường khả năng tìm kiếm và xếp hạng của tài liệu. Các công cụ tìm kiếm được sử dụng để phân tích và tối ưu hóa nội dung, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong việc truyền tải thông tin.

3.1. Tối ưu hóa nội dung với từ khóa LSI

Từ khóa LSI được sử dụng để tăng cường khả năng tìm kiếm và xếp hạng của luận văn. Các từ khóa như 'thiết bị mạng', 'nhà máy điện', và 'chất lượng điện năng' được tích hợp một cách tự nhiên vào nội dung. Việc tối ưu hóa nội dung giúp tăng cường khả năng tiếp cận và hiểu biết của độc giả.

3.2. Phân tích từ khóa và xếp hạng website

Phân tích từ khóa được thực hiện để xác định các từ khóa quan trọng và tối ưu hóa nội dung. Các công cụ tìm kiếm được sử dụng để đánh giá hiệu quả của việc tối ưu hóa. Luận văn cũng đề cập đến việc xếp hạng website và các yếu tố ảnh hưởng đến thứ hạng tìm kiếm.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng gió đang trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng trên thế giới, với tổng công suất lắp đặt toàn cầu đạt khoảng 318 GW vào giữa năm 2013. Trung Quốc dẫn đầu với hơn 80 GW, tiếp theo là Mỹ và Đức. Tại Việt Nam, với bờ biển dài hơn 3000 km và tiềm năng gió ước tính lên đến 513.360 MW, gấp 200 lần công suất thủy điện Sơn La, điện gió được xem là nguồn năng lượng chiến lược trong tương lai. Tỉnh Bình Thuận là một trong những địa phương đi đầu trong phát triển điện gió với nhiều dự án lớn như Tuy Phong 120 MW và Phú Lạc 24 MW.

Tuy nhiên, điện gió có tính không ổn định cao do phụ thuộc vào vận tốc gió, gây ra các vấn đề về chất lượng điện năng như dao động điện áp, nhấp nháy, sóng hài và khả năng vận hành khi sự cố. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá ảnh hưởng của các nhà máy điện gió lên chất lượng điện năng trên hệ thống điện tỉnh Bình Thuận, từ đó đề xuất các tiêu chuẩn và giải pháp kỹ thuật nhằm đảm bảo vận hành ổn định và an toàn cho hệ thống điện tích hợp điện gió. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô phỏng hệ thống điện tỉnh Bình Thuận trong giai đoạn 2011-2015, sử dụng phần mềm PSCAD để phân tích các hiện tượng quá độ, sóng hài, nhấp nháy điện áp và khả năng vận hành khi có sự cố.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ các công ty điện lực và nhà đầu tư năng lượng gió trong việc thiết kế, vận hành và quản lý hệ thống điện tích hợp điện gió, góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo bền vững tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết chuyển hóa năng lượng gió: Công suất thu được từ gió được tính dựa trên mật độ không khí, diện tích quét cánh quạt và vận tốc gió, với hệ số công suất Betz tối đa là 59,259%. Hiệu suất thực tế của tuabin gió thường dao động từ 20% đến 50%.

• Mô hình máy phát điện gió DFIG (Double Fed Induction Generator): Đây là loại máy phát không đồng bộ rotor dây quấn, cho phép điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng thông qua dòng rotor, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm tổn thất.

• Các khái niệm chính về chất lượng điện năng: Dao động điện áp, nhấp nháy điện áp (flicker), sóng hài (harmonic), hiện tượng quá độ (transient), và khả năng vận hành khi sự cố (Low Voltage Fault Ride Through - LVRT).

• Tiêu chuẩn chất lượng điện năng: Áp dụng các tiêu chuẩn quốc tế như IEC 61000-4-15, IEC 61400-21:2008, IEEE 519-1992 và các quy định của Bộ Công Thương Việt Nam (Thông tư 32/TT-BCT) về giới hạn dao động điện áp, nhấp nháy, sóng hài và thời gian cắt ngắn mạch.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu từ các dự án điện gió tại tỉnh Bình Thuận, tài liệu kỹ thuật của các nhà sản xuất tuabin gió, các tiêu chuẩn quốc tế và tài liệu hướng dẫn của EVN.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm mô phỏng PSCAD để xây dựng mô hình hệ thống điện tỉnh Bình Thuận, bao gồm các nhà máy thủy điện, các nút tải và hai nhà máy điện gió Tuy Phong (30 MW) và Phú Lạc (24 MW). Mô phỏng được thực hiện với các kịch bản khác nhau về mức độ thâm nhập điện gió (6,27% và 14,3% công suất hệ thống) và các điều kiện vận tốc gió thay đổi.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình hệ thống điện gồm 22 nút, trong đó có 4 nút nguồn thủy điện với tổng công suất 807 MW, 14 nút tải với tổng công suất ước tính 568,7 MW và 2 nút nhà máy điện gió. Lựa chọn các dự án điện gió đã và đang triển khai để đảm bảo tính thực tiễn.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2013, với thời gian thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả trong vòng 11 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của điện gió đến dao động điện áp và nhấp nháy: Khi mức độ thâm nhập điện gió đạt khoảng 6,27% công suất hệ thống, dao động điện áp và nhấp nháy vẫn nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn IEC và IEEE. Tuy nhiên, khi tăng công suất điện gió lên 14,3%, các chỉ số dao động điện áp và nhấp nháy tăng lên đáng kể, gần chạm ngưỡng giới hạn cho phép, đặc biệt tại các nút gần nhà máy điện gió.

2. Sóng hài và méo dạng sóng: Sóng hài chủ yếu phát sinh từ bộ biến đổi công suất của tuabin gió. Kết quả mô phỏng cho thấy tổng độ biến dạng sóng hài (THD) điện áp tại điểm kết nối nhà máy điện gió dưới 3%, thấp hơn giới hạn 5% theo tiêu chuẩn IEC 61400-21:2008, đảm bảo chất lượng điện năng.

3. Khả năng vận hành khi sự cố (LVRT): Nhà máy điện gió có khả năng duy trì kết nối trong các sự cố ngắn mạch thoáng qua với thời gian cắt ngắn mạch dưới 150 ms, phù hợp với quy định của Bộ Công Thương. Tuy nhiên, thời gian cắt ngắn mạch kéo dài sẽ gây ra hiện tượng quá điện áp đột biến, ảnh hưởng xấu đến thiết bị và an toàn vận hành.

4. Ảnh hưởng của tốc độ gió thay đổi: Sự biến thiên vận tốc gió từ 6 m/s đến 13 m/s làm thay đổi công suất đầu ra của tuabin, gây dao động điện áp và nhấp nháy điện áp. Mức độ ảnh hưởng tỷ lệ thuận với công suất điện gió tham gia vào hệ thống.

Thảo luận kết quả

Các kết quả mô phỏng cho thấy việc tích hợp điện gió vào hệ thống điện tỉnh Bình Thuận có thể duy trì chất lượng điện năng trong giới hạn cho phép khi mức độ thâm nhập dưới 10%. Khi công suất điện gió tăng lên, các hiện tượng dao động điện áp và nhấp nháy trở nên rõ rệt hơn, đòi hỏi các biện pháp điều khiển và bù công suất phản kháng hiệu quả.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng chung về ảnh hưởng của điện gió lên chất lượng điện năng, đặc biệt là các vấn đề về sóng hài và khả năng vận hành khi sự cố. Việc sử dụng máy phát DFIG giúp giảm tổn thất và cải thiện khả năng điều khiển công suất phản kháng, góp phần ổn định hệ thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dao động điện áp theo thời gian, biểu đồ THD sóng hài tại các điểm kết nối, và bảng so sánh các chỉ số chất lượng điện năng giữa các kịch bản mô phỏng. Các kết quả này cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định vận hành cho nhà máy điện gió tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xây dựng và áp dụng tiêu chuẩn chất lượng điện năng riêng cho nhà máy điện gió: Đề xuất các giới hạn cụ thể về dao động điện áp, nhấp nháy, sóng hài và khả năng vận hành khi sự cố phù hợp với điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam, ưu tiên áp dụng cho các nhà máy điện gió có công suất lớn hơn 5 MW. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: Bộ Công Thương phối hợp với EVN và các viện nghiên cứu.

2. Triển khai hệ thống điều khiển công suất phản kháng và điều chỉnh điện áp tự động: Trang bị các thiết bị bù công suất phản kháng và bộ điều chỉnh điện áp tại các điểm kết nối nhà máy điện gió để giảm thiểu dao động điện áp và nhấp nháy. Thời gian thực hiện: 1 năm. Chủ thể thực hiện: Các công ty điện lực và nhà đầu tư điện gió.

3. Tăng cường mô phỏng và giám sát chất lượng điện năng liên tục: Sử dụng phần mềm mô phỏng như PSCAD để đánh giá tác động của các dự án điện gió mới trước khi đấu nối, đồng thời lắp đặt hệ thống giám sát chất lượng điện năng tại các điểm kết nối. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể thực hiện: Trung tâm điều độ hệ thống điện và các công ty điện lực.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ vận hành và quản lý hệ thống điện tích hợp điện gió: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ điện gió, mô phỏng hệ thống và quản lý chất lượng điện năng. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: Các trường đại học, viện nghiên cứu và EVN.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Giúp hiểu rõ tác động của điện gió lên hệ thống điện, từ đó xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo phù hợp.

2. Các công ty điện lực và trung tâm điều độ hệ thống điện: Hỗ trợ trong việc thiết kế, vận hành và giám sát chất lượng điện năng khi tích hợp các nhà máy điện gió.

3. Nhà đầu tư và doanh nghiệp phát triển dự án điện gió: Cung cấp thông tin kỹ thuật và tiêu chuẩn cần thiết để đảm bảo dự án đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và vận hành ổn định.

4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành điện, năng lượng tái tạo: Là tài liệu tham khảo khoa học về mô hình hóa, phân tích và giải pháp kỹ thuật trong lĩnh vực điện gió và chất lượng điện năng.

Câu hỏi thường gặp

1. Điện gió ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng điện năng?
   Điện gió gây ra dao động điện áp, nhấp nháy, sóng hài và có thể ảnh hưởng đến khả năng vận hành khi sự cố do tính không ổn định và phụ thuộc vào vận tốc gió. Ví dụ, khi công suất điện gió chiếm tỷ lệ lớn trong hệ thống, dao động điện áp có thể vượt ngưỡng cho phép.

2. Tại sao sử dụng máy phát DFIG trong tuabin gió?
   Máy phát DFIG cho phép điều khiển độc lập công suất tác dụng và phản kháng, giảm tổn thất và chi phí bộ biến đổi công suất, đồng thời cải thiện khả năng vận hành ổn định của hệ thống điện khi có điện gió.

3. Tiêu chuẩn nào được áp dụng để đánh giá chất lượng điện năng của điện gió?
   Các tiêu chuẩn quốc tế như IEC 61000-4-15, IEC 61400-21:2008, IEEE 519-1992 và các quy định của Bộ Công Thương Việt Nam được sử dụng để đánh giá dao động điện áp, nhấp nháy, sóng hài và thời gian cắt ngắn mạch.

4. Làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng của điện gió lên hệ thống điện?
   Sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng, bộ điều chỉnh điện áp tự động, phối hợp điều khiển giữa nhà máy điện gió và trung tâm điều độ, đồng thời áp dụng các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt khi đấu nối.

5. Phần mềm PSCAD có vai trò gì trong nghiên cứu này?
   PSCAD được sử dụng để mô phỏng hệ thống điện thực tế và các nhà máy điện gió, giúp phân tích các hiện tượng quá độ, sóng hài, dao động điện áp và khả năng vận hành khi sự cố, từ đó đưa ra các đánh giá và đề xuất kỹ thuật chính xác.

Kết luận

• Luận văn đã mô phỏng thành công hệ thống điện tỉnh Bình Thuận tích hợp các nhà máy điện gió với công suất từ 6,27% đến 14,3% tổng công suất hệ thống, đánh giá chi tiết các chỉ số chất lượng điện năng.

• Phát hiện các ảnh hưởng đáng kể của điện gió lên dao động điện áp, nhấp nháy và sóng hài khi mức độ thâm nhập tăng cao, đồng thời xác định khả năng vận hành an toàn khi sự cố theo tiêu chuẩn LVRT.

• Đề xuất các tiêu chuẩn kỹ thuật và giải pháp điều khiển công suất phản kháng, điều chỉnh điện áp nhằm đảm bảo chất lượng điện năng và ổn định hệ thống.

• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho các nhà quản lý, nhà đầu tư và kỹ sư vận hành trong phát triển và quản lý hệ thống điện tích hợp điện gió tại Việt Nam.

• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng mô hình mô phỏng với các dự án điện gió mới, nghiên cứu sâu hơn về điều khiển hệ thống và phát triển các công nghệ lọc sóng hài tiên tiến.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị liên quan cần phối hợp triển khai các giải pháp kỹ thuật và hoàn thiện tiêu chuẩn để thúc đẩy phát triển điện gió bền vững, đồng thời nâng cao năng lực vận hành hệ thống điện tích hợp năng lượng tái tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và nội dung nghiên cứu. HVTH: Nguyễn Trọng Huân Trang 2 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS. Nguyễn Hữu Phúc Chương 2: Giới thiệu về năng lượng gió và tuabin gió, một số công nghệ tuabin điện gió.

Năng lượng từ gió và quá trình chuyển hoá năng lượng gió thành điện năng cũng như chất lượng của năng lượng điện từ gió. Tiềm năng của điện gió tại Việt Nam. Chương 3 : Ảnh hưởng của máy phát điện gió phân tán lên hệ thống điện. Trình bày các ảnh hưởng của điện gió khi tham gia kết nối vào hệ thống điện và nêu một số biện pháp thường sử dụng để điều chỉnh điện áp hệ thống.

Chương 4 : Chất lượng điện năng trên lưới điện khi có các nhà máy điện gió tham gia vào hệ thống – Các điều kiện để đấu nối nhà máy điện gió vào hệ thống điện. Trình bày các thông số đặt trưng cho chất lượng điện năng và chất lượng điện năng của điện gió. Trình bày các ảnh hưởng cuả nhà máy điện gió lên hệ thống điện (xét về chất lượng điện áp). Trình bày các tiêu chuẩn, điều kiện để nhà máy điện gió được đấu nối vào hệ thống điện.

Chương 5 : Bài toán mô phỏng ảnh hưởng hệ thống điện khi có điện gió tham gia. Trình bày về phần mềm PScad và các thông số của hệ thống điện tỉnh Bình Thuận. Trình bày các kết quả mô phỏng – từ đó rút ra các nhận xét, đánh giá. Chương 6 : Kết luận, hạn chế và hướng phát triển của đề tài.

Nêu các kết quả đã thu được trong luận văn, đưa ra nhận xét và hướng phát triển của đề tài. Nêu các hạn chế của đề tài. HVTH: Nguyễn Trọng Huân Trang 3 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS. Nguyễn Hữu Phúc Chương 2: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ TUABIN GIÓ 2.

Gió và năng lượng từ gió 2. Mục đích Năng lượng gió trên thế giới hiện đang trong thời kỳ phát triển mạnh nhất, đặc biệt là các Nước Cộng đồng Châu Âu và và Bắc Mỹ (Hoa kỳ, Canada), Trung Quốc. Công nghệ tuabin điện gió có thể giải quyết được các vấn đề: Cạn kiệt nguồn tài nguyên hóa thạch, hiệu ứng nhà kính đặt biệt là những nước có vùng biển dài và tiềm năng gió lớn như Việt Nam. Tình hình phát triển năng lượng gió thế giới trong 3 năm gần đây không ngừng tăng lên, thống kê đến giữa năm 2013, tổng công suất lắp đặt năng lượng gió đạt 318GW.1: Công suất lắp đặt tuabin gió trên thế giới.

(Nguồn World Wind Energy Association năm 2013, www.org) Trong những năm gần đây, Trung Quốc đã vượt lên đứng đầu thế giới với hơn 80GW, tiếp theo là Mỹ, Đức. Tây Ba Nha. Trong 3 năm gần đây, công suất lắp đặt tuanbin điện gió ngày càng tăng với tốc độ nhanh, tính đến giữa năm 2013, công suất lắt đặt đạt hơn 296,2GW. HVTH: Nguyễn Trọng Huân Trang 4 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.

Nguyễn Hữu Phúc Bảng 2.1: Công suất lắp đặt tuabin gió trong 3 năm gần đây nhất của 15 nước dẫn đầu thế giới.2 : Tỷ lệ lắp đặt tuabin điện gió của 15 nước lớn nhất thế giới. (Nguồn World Wind Energy Association năm 2013, www.org) HVTH: Nguyễn Trọng Huân Trang 5 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS. Nguyễn Hữu Phúc Trong hình 2.2 cho thấy trong những năm gần đây, khu vực Châu Á, mà đặt biệt là Trung Quốc đang phát triển dung lượng lắp đặt tuabin gió nhanh nhất thới giới, hiện nay Trung Quốc là nước dẫn đầu về công suất lắp đặt tuabin điện gió và dự báo sẽ tiếp tục tăng trong những năm tới. Việt Nam chúng ta cũng là quốc gia có tiềm năng về gió rất lớn, với bờ biển trên 3000km, theo khảo sát của Ngân hàng thế giới (WB), năng lượng gió của Việt Nam có tổng công suất 513.360 MW, gấp 200 lần công suất của nhà máy thủy điện Sơn La và gấp 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020.

Năm 2007, EVN cũng đã tiến hành nghiên cứu đánh giá tiềm năng gió, xác định các vùng thích hợp cho phát triển điện gió trên toàn lãnh thổ với công suất kỹ thuật 1. Trong đó miền Trung Bộ và Tây Nguyên được xem là có tiềm năng gió lớn nhất cả nước với khoảng 880 MW tập trung ở hai tỉnh Quảng Bình và Bình Định, tiếp đến vùng có tiềm năng thứ hai là miền Nam Trung Bộ với công suất khoảng 855 MW, tập trung ở hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận. Năng lượng gió rất cần thiết cho những nơi biển đảo và vùng đồi núi xa xôi. Nhất là ở các đảo như Trường Sa (Khánh Hòa), Phú Quý (Bình Thuận)…, vừa có nhiều tiềm năm về gió mà giảm bớt chi phí khi truyền tải điện từ đất liền ra.

Tập đoàn điện lực Việt Nam (EVN) đã đầu tư nhiều cột đo gió khắp cả nước để đánh giá về tiềm năng phát triển điện gió ở Việt Nam. Đây là kết quả đo tốc độ gió (ở độ cao 80m) được EVN công bố năm 2010.2: Tiềm năng gió tại Việt Nam (nguồn EVN). Ngân hàng thế giới (WB) và Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) đã tiếp hành lắp đặt nhiều trạm đo gió dọc theo miền Trung Việt Nam để đánh giá chính xác hơn tiềm năng gió tại Việt Nam vào năm 2009 và 2010. Qua đó, nhận thấy tốc độ gió trung bình ở Việt Nam vào khoảng 6 m/s đến 8 m/s, và khá ổn định.

HVTH: Nguyễn Trọng Huân Trang 6 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS. Nguyễn Hữu Phúc Bảng 2.3: Tốc độ gió tại một số tỉnh thành ở Việt Nam (nguồn EVN). Dung lượng điện gió tính đến năm 2011 đạt khoảng 79.000KWh, có nhiều dự án điện gió đã và đang được triển khai như: + Tuy Phong - Bình Thuận: công suất lắp đặt nhà máy điện Tuy Phong 1 (Giai đoạn 1: 30MW đã hoàn thành và giai đoạn 2: 90MW) - Chủ đầu tư là Công ty CP năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN). Ngoài ra, còn có nhiều dự án đã được quy hoạch và đang triển khai vay vốn, lập thiết kế như: Phú Lạc (50MW), Vĩnh Hảo (60MW), Thuận Nhiên Phong (50MW).

+ Phú Quý – Bình Thuận: Dự án gió kết hợp máy phát Diesel công suất lắp đặt 9MW (3 tuabin gió x 2MMW/1tuabin + 6 máy phát Diesel x 0,5MW/máy). + Bạc Liêu: Giai đoạn 1 công suất lắp đặt 16MW (10 tuabin x 1,6MW/1tuabin), đến giai đoạn 2 công suất đạt 120MW (2012-1014). + Ngoài ra còn nhiều dự án khác đã được quy hoạch và đang trong giai đoạn lập Báo cáo nghiên cứu khả thi, Dự án đầu tư, tập trung nhiều ở các tỉnh miền Trung và Tây nguyên. Gần đây, vào đầu năm 2013, Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) và Hiệp hội Đồng quốc tế khu vực Đông Nam Á đã nghiên cứu và đưa ra tài liệu tham khảo “Sổ tay kỹ thuật về đấu nối nhà máy điện gió vào Hệ thống điện Việt Nam” trong đó đưa ra các thông số kỹ thuật cơ bản làm cơ sở để đánh giá, thiết kế và đấu nối các nhà máy điện gió (mức độ thâm nhập điện gió <5% công suất hệ thống).

HVTH: Nguyễn Trọng Huân Trang 7 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS. Nguyễn Hữu Phúc 2. Tổng quan về gió và năng lượng từ gió Bức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Vì thế có sự khác nhau về nhiệt độ do vậy khác nhau về áp suất, dẫn đến không khí di động tạo thành gió.

Động năng của khối khí khối lượng m, vận tốc v: (Joule) (2.1) Thể tích khối lượng không khí V chuyển động qua mặt phẳng A trong một đơn vị thời gian là: (m3) (2.2) Khối lượng không khí m phụ thuộc vào mật độ không khí ρ: (kg) (2.3) Do đó, công suất P thu được do khối lượng không khí m, chuyển động với vận tốc v qua tiết diện A của cánh quạt rotor là: (Joule) (2.4) Sự khác biệt của vận tốc gió trước và sau cánh quạt (hình 2.3) được thể hiện qua biểu thức: (2.5) Do đó công suất: (2.3: Quá trình chuyển hoá năng lượng khi đi qua cánh quạt tuabin gió. HVTH: Nguyễn Trọng Huân Trang 8 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS. Nguyễn Hữu Phúc Khi tuabin điện gió có diện tích cánh quạt cố định A, công suất thu được không bị thất thoát là P, mật độ ρ của không khí không thây đổi, áp suất phái trước và phái sau tuabin không khác biệt thì tuabin điện gió chỉ có thể thu được từ cánh quạt với hệ số công suất Cp (power coe fficient) tối đa là: Cpmax=16/27=0,59259. Cơ năng thu được tối đa là 59,259% được gọi là hệ số công suất Betz hay hệ số Bezt.

Do đó, cơ năng lý tưởng Pideal được tính như sau: (W) (2.7) Vậy công suất điện thu được Pel: (W) (2.8) Trong đó: Pel: Công suất điện (W) Ŋ: Hiệu suất công suất tuabin. Cp: Hệ số Bezt. v: Vận tốc (m/s) ρ: Mật độ không khí (ρ=1,225kg/m3) A: Diện tích quét của cánh quạt tuabin. Trên thực tế, hiệu suất của tuabin Cp thường không đạt lý tưởng và trị số khoảng 20% đến 30%, cao nhất khoảng 50%.

Cấu tạo và phân loại tuabin điện gió 2. Cấu tạo Tuabin gió Hình 2.4: Mô hình cấu tạo của tuabin gió trục đứng. HVTH: Nguyễn Trọng Huân Trang 9 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS. Nguyễn Hữu Phúc - Cánh (Blade): Cánh rô to là các thành phần chính của turbine dùng để bắt năng lượng gió và chuyển đổi năng lượng gió này thành năng lượng cơ làm quay trục turbine.

Việc thay đổi góc pitch của cánh có thể làm tối ưu năng lượng thu được từ gió. - Hub: Hub là điểm tâm nơi các cánh gắn vào và gắn liền với trục tốc độ thấp. - Hộp số (Gear box): Hộp số là hộp chuyển đổi vận tốc quay từ trục tốc độ thấp sang trục tốc độ cao. - Phanh (Brake): Phanh có cơ cấu giống phanh xe hơi, dùng để hãm và dừng hẳn tất cả các thành phần của turbine trong quá trình công nhân sửa chữa, duy tu.

Ở các turbine cỡ lớn thường có đến hai hệ thống phanh độc lập. - Máy phát (Generator): Máy phát được nối vào trục tốc độ cao, là bộ phận chính chuyển đổi năng lượng cơ từ trục tốc độ cao thành năng lượng điện ở ngõ ra, thường dung máy phát không đồng bộ (mô hình DFIG) và máy phát không đồng bộ. - Máy đo tốc độ và hướng gió (Anemometer and Wind vane): Hai thiết bị này sử dụng để xác định vận tốc gió và chiều gió. - Bộ xoay hướng gió (Yaw drive): Bộ xoay hướng gió có nhiệm vụ xoay cánh luôn luôn hướng vuông góc với luồng gió, đối với loại turbine trục đứng thì bộ phận này là không cần thiết.