CHƯƠNG I NGHIÊN CỨU KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ NGUỒN ĐIỆN ĐỘC LẬP 1. Giới thiệu khái quát về hệ thống năng lượng mới 1. Các nguồn và công nghệ năng lượng mới Năng lượng loài người đang sử dụng được xuất phát từ nhiều nguồn khác nhau, có thể kể đến như sau: - Từ thiên nhiên: Than đá, than bùn, dầu, khí thiên nhiên và địa nhiệt,.theo ước tính thì khoảng độ 80 năm nữa nguồn năng lượng hóa thạch sẽ bị cạn kiệt vì con người đã và đang sử dụng nhanh hơn mức tái tạo của thiên nhiên. - Từ nhân tạo: Nguồn năng lượng nguyên tử, năng lượng từ gió, năng lượng từ ánh sáng mặt trời và năng lượng thủy triều,…trong đó đáng kể là năng lượng gió và năng lượng mặt trời có tiềm năng rất to lớn.
Tuy nhiên, do hạn chế về công nghệ và giá thành sản xuất nên năng lượng gió và năng lượng mặt trời chưa được phát triển ở những nước đang phát triển. Vai trò của nguồn năng lượng mới Công nghệ năng lượng mới hiện nay đã được phát triển mạnh và đang trên đường thương mại hóa với giá thành ngày càng giảm, có thể đáp ứng được yêu cầu hiện nay gồm: - Thủy điện nhỏ. - Năng lượng ánh sáng mặt trời. - Năng lượng sức gió.
- Năng lượng khác: Năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều… Trong đó thủy điện nhỏ đã được phát triển khá mạnh trên thế giới cũng như tại Việt Nam, năng lượng mặt trời hiện nay đã được phát triển và ứng dụng Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện mạnh mẽ với nhiều ưu điểm, các dạng năng lượng khác như năng lượng sinh khối, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều chưa có khả năng phát triển tại thời điểm hiện tại do hạn chế về công nghệ và giá thành, riêng năng lượng gió đã được các nước phát triển nghiên cứu với qui mô công nghiệp. Tuy nhiên, do phụ thuộc vào vị trí địa lý nên hiện nay trên thế giới chỉ được phát triển mạnh ở một số nước Châu âu như: Hà Lan, Đức,… trong luận văn này tập trung nghiên cứu về hệ thống điện độc lập sử dụng năng lượng từ sức gió. Nguồn năng lượng mới ở Việt Nam Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, do đó nhu cầu năng lượng ngày càng tăng với tốc độ tăng trưởng khoảng (15-20)%. Hiện tại chính sách của Nhà nước về nhu cầu năng lượng dựa vào việc thiết lập hệ thống các nhà thủy điện, nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí, một số dự án xây dựng nhà máy điện nguyên tử,… Tuy nhiên, để đảm bảo phát triển bền vững và đặc biệt cân bằng được năng lượng của quốc gia trong tương lai, Việt Nam đã và đang tập trung nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng mới trong đó: - Thủy điện nhỏ đã được quan tâm đầu tư phát triển mạnh mẽ trong vài năm gần đây và phần nào góp phần giảm thiếu hụt điện năng của hệ thống điện quốc gia.
- Năng lượng gió đã được đầu tư nghiên cứu và xây dựng thử nghiệm nhưng hiệu quả chưa cao (trên đảo vịnh Bắc bộ và một số đảo phí nam). - Năng lượng mặt trời vẫn là một nguồn năng lượng tối ưu trong tương lai cho điều kiện Việt Nam đứng về phương diện địa dư và nhu cầu phát triển kinh tế. Nguồn năng lượng này sẽ góp phần vào: + Hạn chế hiệu ứng nhà kính và sự hâm nóng toàn cầu. + Giải quyết ô nhiễm môi trường do việc gia tăng dân số và phát triển xã hội của quốc gia trên thế giới.
+ Bổ túc vào sự thiếu hụt năng lượng trong tương lai khi nguồn năng lượng trong thiên nhiên sắp bị cạn kiệt. Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện - Năng lượng địa nhiệt và thủy triều đã bước đầu đầu tư nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới, tại Việt Nam do điều kiện về khoa học kỹ thuật và nền kinh tế chưa phát triển nên chưa được đầu tư nghiên cứu mặc dù với bờ biển trải dài từ bắc vào nam nên tiềm năng là rất lớn. - Năng lượng tái tạo đã được đầu tư nghiên cứu và đã phát triển, tuy nhiên do đặc thù của năng lượng tái tạo phân tán nhỏ lẻ khó tập trung nên chỉ thích hợp cho năng lượng nông thôn khó phát triển để sản xuất điện năng. Khái niệm về hệ thống điện độc lập 1.
Giới thiệu chung Hệ thống điện độc lập (RAPS - Remote Area Power Systems) là một hệ thống điện độc lập hoàn toàn với lưới điện quốc gia nằm ở những khu vực xa xôi – nơi mà lưới điện quốc gia không có khả năng vươn tới được. Hệ thống điện nói chung bao gồm các nhà máy điện, trạm biến áp, các đường dây tải điện và các thiết bị khác (như tụ bù, thiết bị bảo vệ,…) được liên kết với nhau. Đối với hệ thống điện độc lập truyền thống, nguồn phát điện thường là các trạm phát sử dụng năng lượng từ dầu Diezen (gọi là tổ hợp phát điện Diezen). Sự phát triển mạnh mẽ của các công nghệ năng lượng tái tạo, các turbine phát điện sức gió được tích hợp thêm vào hệ thống điện độc lập truyền thống với mục tiêu giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch.
Khi đó, hệ thống điện độc lập truyền thống trở thành một hệ thống điện với nguồn phát hỗn hợp như minh họa Hình 1. Hệ thống điện độc lập có thể phối hợp nhiều nguồn phát điện nhưng phổ biến nhất là hệ thống kết hợp giữa các hệ phát điện sức gió với các tổ hợp phát điện Diezen, hệ thống khi đó được gọi là hệ thống điện lai sức gió – Diezen. Hệ thống điện lai sức gió – Diezen được hình thành bởi một hoặc vài turbine phát điện sức gió kết hợp với một hoặc vài trạm phát điện diesel cung cấp điện năng cho phụ tải thông qua lưới điện hạ áp. Tùy theo quy mô và đặc điểm phân bố của phụ tải mà hệ thống điện lai sức gió – Diezen có thể có hoặc không có lưới truyền tải.
Phụ tải điện của khu vực hải đảo chủ yếu là phụ tải 0,4kV. Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện Ở chế độ độc lập hệ thống điện lai sức gió – Diezen tự chịu trách nhiệm về cân bằng giữa các nguồn phát với tải tiêu thụ để duy trì các chỉ tiêu chất lượng điện năng như tần số, điện áp trong giới hạn cho phép. Các nguồn phát trong hệ thống điện lai sức gió – Diezen bao gồm: nguồn phát có khả năng điều độ là những trạm phát điện diezen và những nguồn phát biến động thất thường từ turbine gió. Do đó, để đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy, hệ thống điện lai sức gió – Diezen thường được tích hợp thêm thiết bị tích trữ năng lượng tạm gọi tắt là kho điện (Energy Storage Systems – ESS).
Thiết bị kho điện có thể được lắp đặt rải rác ở những vị trí cần bù (bù phân tán) hoặc lắp đặt tập trung ở bus kết nối tất cả các nguồn phát (bù tập trung) như thể hiện trên Hình 1.1:Minh họa hệ thống điện độc lập 1. Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng Hình 1.1: Minh họa hệ thống điện Độc lập 1.2 Vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng Hệ thống điện lai sức gió – Diezen, công suất nguồn phát lẫn dung lượng lưới truyền tải là hữu hạn. Hệ thống điện lai sức gió – Diezen không trao đổi công suất với lưới điện quốc gia mà phải tự đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 17 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện điện năng trên cơ sở nguyên tắc cơ bản của bất cứ hệ thống điện nào: Cân bằng công suất giữa nguồn và tải. Trong những nhân tố đó, phụ tải biến động ngẫu nhiên (có thể dự đoán được nhưng không hoàn toàn chính xác); nguồn phát sức gió có công suất đầu ra hoàn toàn biến động ngẫu nhiên theo những yếu tố địa lý tự nhiên, gần như không thể dự đoán chính xác.
Vì vậy, đảm bảo cân bằng trong hệ thống điện lai sức gió – Diezen là một vấn đề không đơn giản. Nếu công suất tác dụng của các nguồn phát nhỏ hơn yêu cầu của phụ tải thì tần số sẽ giảm và ngược lại. Tần số là thước đo cân bằng công suất tác dụng. Khi tần số nằm trong phạm vi cho phép (quy định bởi tiêu chuẩn chất lượng điện năng) thì có nghĩa là đủ công suất tác dụng.
Với công suất phản kháng, nếu công suất phản kháng phát nhỏ hơn yêu cầu thì điện áp sẽ giảm, còn khi công suất phản kháng nguồn lớn hơn yêu cầu của phụ tải thì điện áp sẽ tăng. Điện áp là thước đo cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện. Trong hệ thống điện độc lập, công suất phản kháng được đáp ứng bởi nguồn phát diesel, các bộ tụ bù, kháng điện, các bộ SVC, STATCOM được tích hợp một cách hợp lý để đảm bảo chất lượng điện áp. Đối với vấn đề ổn định công suất tác dụng: Hệ thống điện lai sức gió – Diezen mang đặc điểm lưới yếu, quán tính thấp nên rất nhạy cảm với những biến động của cả nguồn phát cũng như phụ tải.
Khi huy động thêm nguồn phát điện sức gió biến động (công suất cơ của các turbine gió tỷ lệ với tốc độ gió). Trung tâm điều khiển phải thực hiện tác động điều độ các nguồn phát về công suất tác dụng để giữ ổn định hệ thống. - Đối với hệ thống PĐSG: tốc độ gió biến động ngẫu nhiên nên tác động điều độ công suất tác dụng chỉ có thể diễn ra theo chiều hướng giảm công suất thông qua điều chỉnh góc cánh đón gió hoặc đơn giản là sử dụng tải giả (Dump load). Điều này gây lãng phí năng lượng và hiệu quả điều chỉnh không đủ nhanh để giữ ổn định hệ thống.
Phạm Đức Đề K16- KTĐ- ĐHKTCN Thái Nguyên 18 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn tốt nghiệp ngành Kỹ thuật điện - Đối với nguồn phát diesel, tác động điều độ có thể diễn ra theo cả chiều tăng và giảm công suất nguồn phát bằng hai phương pháp độc lập: điều chỉnh công suất phản kháng thông qua điều chỉnh kích từ máy phát sử dụng bộ AVR và điều chỉnh công suất tác dụng thông qua điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ sơ cấp sử dụng bộ điều tốc.