Phân Tích Vận Hành Hệ Thống Điện Gió Nối Lưới Trong Luận Văn Thạc Sĩ

Luận văn thạc sĩ về Phân tích vận hành hệ thống điện gió nối lưới | trình bày hệ thống lý thuyết, phương pháp nghiên cứu và kết quả đạt được trong

• Tác giả: Lê Thị Hồng Lam
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Châu Duy
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hcm
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Phân Tích Vận Hành Hệ Thống Điện Gió Nối Lưới
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Hệ thống điện gió đã trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng trong thế kỷ 21. Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc phân tích vận hành hệ thống điện gió nối lưới, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo sự ổn định của hệ thống. Nghiên cứu hệ thống điện gió không chỉ giúp hiểu rõ cơ chế hoạt động mà còn đưa ra các giải pháp để cải thiện hiệu suất hệ thống điện gió. Việc nối lưới điện là yếu tố then chốt để đảm bảo nguồn điện gió có thể hòa nhập vào hệ thống điện quốc gia một cách hiệu quả.

1.1. Tiềm năng và tình hình khai thác điện gió tại Việt Nam

Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng gió, đặc biệt là các khu vực ven biển từ Bình Định đến Bình Thuận, Tây Nguyên và dãy Trường Sơn. Công nghệ điện gió đã được áp dụng tại nhiều nơi, với tốc độ gió trung bình từ 7.0 đến 9.0 m/s, phù hợp để phát điện công suất lớn. Chiến lược phát triển điện gió của Việt Nam đang được đẩy mạnh, nhằm tận dụng tối đa nguồn tài nguyên này. Các nghiên cứu cho thấy, việc tối ưu hóa năng lượng gió sẽ giúp giảm phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch và thúc đẩy phát triển bền vững.

1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn thạc sĩ là phân tích hệ thống điện gió và đưa ra các giải pháp để cải thiện vận hành điện gió. Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc tính toán năng lượng gió, phân tích hiệu suất và các yếu tố ảnh hưởng đến điện gió. Nghiên cứu cũng tập trung vào việc mô phỏng vận hành hệ thống điện gió nối lưới, nhằm đánh giá hiệu quả và độ ổn định của hệ thống trong các điều kiện khác nhau.

II. Cơ sở lý thuyết phân tích hệ thống điện gió

Chương này trình bày các cơ sở lý thuyết cần thiết để phân tích hệ thống điện gió. Cấu tạo của hệ thống tuabin gió bao gồm các thành phần chính như trụ đỡ, cánh quạt, hộp số và máy phát điện. Phương pháp nối lưới điện được sử dụng để kết nối hệ thống điện gió với lưới điện quốc gia. Các phương pháp phân bố công suất như Gauss-Seidel và Newton-Raphson được áp dụng để đảm bảo sự cân bằng công suất trong hệ thống.

2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tuabin gió

Tuabin gió là thiết bị chính trong hệ thống điện gió, bao gồm các thành phần như trụ đỡ, cánh quạt, hộp số và máy phát điện. Cánh quạt được thiết kế để chuyển đổi động năng gió thành cơ năng, sau đó được chuyển đổi thành điện năng thông qua máy phát điện. Hộp số đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh tốc độ quay của cánh quạt, đảm bảo hiệu suất tối ưu của hệ thống.

2.2. Phương pháp nối lưới điện

Nối lưới điện là quá trình kết nối hệ thống điện gió với lưới điện quốc gia. Phương pháp này đòi hỏi sự đồng bộ về tần số và điện áp giữa hai hệ thống. Công nghệ điện gió hiện đại sử dụng các thiết bị như biến tần và máy biến áp để đảm bảo sự ổn định và hiệu quả của quá trình nối lưới. Việc phân tích hiệu suất của quá trình nối lưới là yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu quả của hệ thống điện gió nối lưới.

III. Mô hình toán của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép

Chương này tập trung vào việc xây dựng mô hình toán của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIG). DFIG là loại máy phát được sử dụng phổ biến trong hệ thống điện gió công suất lớn. Mô hình toán được xây dựng dựa trên các phương trình vi phân mô tả hoạt động của máy phát trong các hệ trục tọa độ khác nhau. Điều khiển công suất của DFIG được thực hiện thông qua việc điều chỉnh dòng điện và điện áp, nhằm đảm bảo hiệu suất tối ưu của hệ thống.

3.1. Mô hình toán tuabin gió

Mô hình toán tuabin gió được xây dựng dựa trên các phương trình động lực học mô tả sự chuyển đổi năng lượng gió thành cơ năng. Các thông số như tốc độ gió, góc nghiêng cánh quạt và hiệu suất chuyển đổi được tính toán để đảm bảo hiệu suất hệ thống điện gió tối ưu. Phân tích hiệu suất của tuabin gió là yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu quả của hệ thống điện gió nối lưới.

3.2. Điều khiển công suất của DFIG

Điều khiển công suất của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIG) được thực hiện thông qua việc điều chỉnh dòng điện và điện áp. Các thuật toán điều khiển được áp dụng để đảm bảo sự ổn định và hiệu quả của hệ thống. Tối ưu hóa năng lượng gió là mục tiêu chính của quá trình điều khiển, nhằm đảm bảo hệ thống điện gió hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau.

IV. Mô phỏng phân tích vận hành hệ thống điện gió nối lưới

Chương này trình bày kết quả mô phỏng vận hành hệ thống điện gió nối lưới. Các kịch bản mô phỏng bao gồm tốc độ gió không đổi, tốc độ gió thay đổi và trường hợp ngắn mạch 3 pha. Phân tích hệ thống điện được thực hiện để đánh giá hiệu quả và độ ổn định của hệ thống trong các điều kiện khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy, hệ thống điện gió nối lưới có khả năng hoạt động ổn định và hiệu quả trong các điều kiện vận hành thực tế.

4.1. Kết quả mô phỏng với tốc độ gió không đổi

Kết quả mô phỏng với tốc độ gió không đổi cho thấy, hệ thống điện gió nối lưới hoạt động ổn định và hiệu quả. Hiệu suất hệ thống điện gió được đánh giá thông qua các thông số như điện áp, dòng điện và công suất phát. Phân tích hiệu suất cho thấy, hệ thống đáp ứng được yêu cầu vận hành trong điều kiện tốc độ gió ổn định.

4.2. Kết quả mô phỏng với tốc độ gió thay đổi

Kết quả mô phỏng với tốc độ gió thay đổi cho thấy, hệ thống điện gió nối lưới có khả năng thích ứng với sự thay đổi của tốc độ gió. Điều khiển công suất của máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép (DFIG) đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự ổn định của hệ thống. Phân tích hệ thống điện cho thấy, hệ thống hoạt động hiệu quả trong điều kiện tốc độ gió thay đổi.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai

Luận văn thạc sĩ đã đưa ra các kết luận quan trọng về phân tích vận hành hệ thống điện gió nối lưới. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hệ thống điện gió có khả năng hoạt động ổn định và hiệu quả trong các điều kiện vận hành khác nhau. Chiến lược phát triển điện gió cần được tiếp tục nghiên cứu và áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Ứng dụng điện gió trong tương lai sẽ góp phần quan trọng vào việc phát triển năng lượng tái tạo và bảo vệ môi trường.

5.1. Kết luận

Kết luận của luận văn thạc sĩ khẳng định, phân tích vận hành hệ thống điện gió nối lưới là yếu tố quan trọng để đảm bảo sự ổn định và hiệu quả của hệ thống. Nghiên cứu hệ thống điện gió đã đưa ra các giải pháp để cải thiện hiệu suất hệ thống điện gió và tối ưu hóa năng lượng gió. Kết quả nghiên cứu là cơ sở quan trọng cho việc phát triển công nghệ điện gió trong tương lai.

5.2. Hướng phát triển tương lai

Hướng phát triển tương lai của hệ thống điện gió tập trung vào việc tối ưu hóa năng lượng gió và nâng cao hiệu suất hệ thống điện gió. Chiến lược phát triển điện gió cần được tiếp tục nghiên cứu và áp dụng để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng. Ứng dụng điện gió trong các lĩnh vực khác nhau sẽ góp phần quan trọng vào việc phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Giới thiệu chung 1. Giới thiệu Năng lượng gió được sử dụng cách đây 3. Đến đầu thế kỉ 20, năng lượng gió được dùng để cung cấp năng lượng cơ học như bơm nước hay xay ngũ cốc. Vào đầu kỉ nguyên công nghiệp hiện đại, nguồn năng lượng gió được sử dụng để thay thế năng lượng hóa thạch hay hệ thống điện nhằm cung cấp nguồn năng lượng thích hợp hơn.

Đầu những năm 1970, do khủng hoảng giá dầu, việc nghiên cứu năng lượng gió được quan tâm. Vào thời điểm này, mục tiêu chính là dùng năng lượng gió cung cấp năng lượng điện thay thế cho năng lượng cơ học. Việc này đã làm cho năng lượng gió trở thành nguồn năng lượng đáng tin cậy và thích hợp nhờ sử dụng nhiều kĩ thuật năng lượng khác – thông qua lưới điện dùng như nguồn năng lượng dự phòng. Tuabin gió đầu tiên dùng để phát điện được phát triển vào đầu thế kỉ 20.

Kĩ thuật này được phát triển từng bước một từ đầu những năm 1970. Cuối những năm 1990, năng lượng gió trở thành một trong những nguồn năng lượng quan trọng nhất. Trong những thập kỉ cuối của thế kỉ 20, tổng năng lượng gió trên toàn thế giới tăng xấp xỉ gấp đôi sau mỗi 3 năm. Chi phí điện từ năng lượng gió giảm xuống còn 1/6 so với chi phí của đầu những năm 1980.

Và xu hướng giảm này vẫn tiếp tục. Các chuyên gia dự đoán rằng tổng năng lượng tích lũy trên toàn thế giới hằng năm sẽ tăng khoảng 25% một năm và chi phí sẽ giảm khoảng 20% - 40%. Kĩ thuật năng lượng gió phát triển rất nhanh vể mọi mặt. Cuối năm 1989, việc chế tạo một tuabin gió công suất 300 kW, có đường kính rotor 30 m đòi hỏi kĩ thuật tối tân.

Nhưng chỉ trong 10 năm sau đó, một tuabin gió công suất 2.000 kW có đường kính rotor vào khoảng 80 m đã được sản xuất đại trà. Tiếp theo đó, dự án dùng tuabin gió công suất 3 MW có đường kính rotor 90 m được lắp đặt vào cuối thế kỉ 20. Hiện tại, tuabin gió công suất 3 – 3,6 MW đã 2 được thương mại hóa. Bên cạnh đó, tuabin gió công suất 4 – 5 MW đã được phát triển hay chuẩn bị kiểm tra trong một số dự án và tuabin gió công suất 6 – 7 MW đang được phát triển trong tương lai gần.1 trình bày về sự phát triển của tuabin gió từ năm 1985 đến năm 2015.

Sự phát triển của tuabin gió từ 1985 đến 2015 Năm Công suất (kW) Đường kính rotor (m) 1985 50 15 1989 300 30 1992 500 37 1994 600 46 1998 1.000 112 – 128 Lịch sử phát triển năng lượng gió được chia làm hai phần: + Sử dụng tài nguyên tự nhiên gió để tạo ra năng lượng cơ học. + Sử dụng tài nguyên tự nhiên gió để tạo ra năng lượng điện. Sản xuất năng lượng cơ học Cối xay sớm nhất được ghi nhận là cối xay gió trục đứng. Những cối xay gió này có thể được miêu tả như một thiết bị kéo đơn giản.

Chúng được dùng ở vùng cao nguyên Afghan để xay ngũ cốc từ thế kỉ thứ 7 trước công nguyên. Chi tiết đầu tiên về cối xay gió trục ngang được tìm thấy trong tài liệu lịch sử ở vùng Persia, Tibet và Trung Quốc vào khoảng 1.000 năm sau công nguyên. Loại cối xay gió này cán và cánh ngang xoay vòng trong mặt phẳng đứng. Cối xay gió trục ngang trải dài từ vùng Ba Tư và Trung Đông đến vùng Midterranean và trung tâm Châu Âu.

Cối xay gió trục ngang đầu tiên xuất hiện ở Anh vào khoảng năm 1150, 1180 ở Pháp, 1190 ở Phần Lan, 1222 ở Đức và 1259 ở Đan Mạch. Sự phát triển nhanh chóng là do bị ảnh hưởng do cuộc viễn 3 chinh chữ thập (ở Châu Âu), được biết đến như sự kiện lịch sử về cối xay gió từ Ba Tư đến nhiều nơi ở Châu Âu. Ở Châu Âu, cối xay gió được phát triển vào khoảng giữa thế kỉ 12 và thế kỉ 19. Vào cuối thế kỉ 19, đặc trưng của cối xay gió Châu Âu là dùng cánh quạt có đường kính 25 m, và thân đạt tới 30 m.

Cối xay gió không chỉ dùng để xay ngũ cốc mà còn dùng để tiêu nước ở hồ và đầm lầy.000 cối xay gió hoạt động ở Pháp, và 90% năng lượng dùng trong công nghiệp ở Hà Lan là sử dụng năng lượng gió. Việc công nghiệp hóa đã làm suy giảm dần việc sử dụng cối xay gió, nhưng trong năm 1904 năng lượng gió vẫn cung cấp 11% trong công nghiệp năng lượng ở Hà Lan và ở Đức có hơn 18. Khi cối xay gió bắt đầu suy giảm ở Châu Âu, thì cối xay gió mới có mặt ở Bắc Mĩ nhờ những người khai hoang. Cối xay gió nhỏ dùng để bơm nước cho thú nuôi là phổ biến.

Nổi tiếng nhất là cối xay gió của người Mĩ, hoạt động tự điều chỉnh có nghĩa là chúng có thể hoạt động mà không suy giảm. Cơ chế tự điều chỉnh hướng cánh quạt theo hướng gió trong lúc vận tốc gió cao. Kiểu cối xay gió của Châu Âu thường phải xoay ra theo hướng gió hay cánh quạt cuốn lại khi có gió lớn để tránh phá hủy cối xay gió. Sự phổ biến của cối xay gió đạt đỉnh điềm vào giữa năm 1920 và năm 1930, với khoảng 60.000 đơn vị được lắp đặt.

Nhiều kiểu cối xay gió của người Mĩ hiện vẫn được sử dụng cho mục đích nông nghiệp trên toàn thế giới. Sản xuất năng lượng điện Trong năm 1891, Dane Poul LaCour đã chế tạo tuabin gió đầu tiên phát ra điện. Các kĩ sư Đan Mạch đã phát triển kĩ thuật để bổ sung năng lượng thiếu trong chiến tranh thế giới thứ nhất và thứ hai. Tuabin gió của công ty Đan Mạch, F.

Smidth chế tạo trong năm 1941 – 1942 có thể được xem là nguyên mẫu đầu tiên của tuabin gió phát điện ngày nay. Tuabin gió Smidth đầu tiên sử dụng cánh máy bay dựa trên kĩ thuật tiên tiến của ngành máy bay cùng thời. Vào cùng thời điểm đó, một người Mĩ Palmer Putnam đã chế tạo tuabin gió khổng lồ cho Công ty Mĩ Morgan Smith Co. Tuabin gió 4 này không chỉ khác ở kích thước to lớn mà kĩ thuật chế tạo cũng khác biệt.

Kĩ thuật của người Đan Mạch cơ bản dựa trên cánh quạt theo chiều gió đang thổi với sự điều khiển ngừng quay, hoạt động ở tốc độ chậm. Kĩ thuật của Putnam cơ bản dựa trên cánh quạt theo hướng gió thổi với bộ điều chỉnh tốc độ. Tuy nhiên, tuabin gió của Putnam vẫn chưa thành công. Nó được dỡ bỏ vào năm 1945.2 trình bày tổng quan về lịch sử của tuabin gió.

Lịch sử tuabin gió Diện Công Tuabin và Đường Công Số Chiều tích suất Ngày nước sản kính suất cánh cao tháp quét riêng ra đời xuất (m) (kW) quạt (m) (m2) (kW/m2) Poul LaCour, 23 408 18 0,04 4 34 1891 Đan Mạch Smith – Putnam, 53 2. Smidth, 17 237 0,21 3 24 1941 Đan Mạch F. Smidth, 24 456 70 0,15 3 24 1942 Đan Mạch Gedser, Đan 24 452 200 0,44 3 25 1957 Mạch Hutter, Đức 34 908 100 0,11 2 22 1958 Sau chiến tranh thế giới thứ hai, ở Đan Mạch, Johannes Juul đã cải tiến kĩ thuật thiết kế của người Đan Mạch. Tuabin gió của anh ta, được đặt ở Gedser – Đan Mạch, phát 2,2 triệu kWh từ năm 1956 và 1967.

Vào cùng thời điểm đó, gia đình German Hutter đã phát triển một kĩ thuật thiết kế mới. Tuabin gió gồm 2 cánh mỏng bằng nhựa đón theo hướng gió thổi của tháp trên trục quay. Tuabin gió này nổi tiếng về hiệu suất cao. 5 Trái lại sự thành công của tuabin gió Juul và Huuter, việc nghiên cứu tuabin gió công suất lớn bị ngưng sau chiến tranh thế giới thứ hai.

Chỉ có loại tuabin gió công suất nhỏ cho hệ thống công suất ở vùng sâu vùng xa hay sạc pin là còn được quan tâm. Việc khủng hoảng giá dầu đầu những năm 1970, năng lượng gió mới được quan tâm trở lại. Kết quả là tài chính hỗ trợ cho nghiên cứu và phát triển năng lượng gió đã được đầu tư. Các nước như Đức, Mĩ và Thụy Điển đã nghiên cứu phiên bản tuabin gió công suất lớn (vào khoảng MegaWatt).

Hoạt động của các tuabin gió loại công suất lớn Công Diện Đường Công Giờ suất Thời Tuabin và tích kính suất hoạt đã gian hoạt nước sản xuất quét (m) (MW) động phát động (m2) (GWh) Mod – 1, USA 60 2.236 1,25 695 0,2 1941 – 45 Putnam, USA WTS – 4, USA 78 4.414 2 1979 – 93 Mạch WEG LS – 1, 60 2.441 6 1987 – 82 GB Mod – 2, USA 91 6.400 13 1983 – 88 Thụy Điển Mod – OA, 38 1.045 1 1977 – 82 USA 6 Tjæreborg, Đan 61 2.175 10 1988 – 93 Mạch École, Canada 64 4.561 27 1987 – 92 USA Maglarp WTS – 78 4.159 34 1982 – 92 3, Thụy Điển Nibe B, Đan 40 1.400 8 1980 – 93 Mạch Tvind, Đan 54 2.000 14 1978 – 93 Mạch Tuy nhiên, do mô hình hệ thống hỗ trợ đặc biệt từ chính phủ ở một số nước như Đan Mạch nên việc phát triển trong việc sử dụng năng lượng gió vẫn có những bước tiến. Mô hình hệ thống quan trọng nhất là Public Utility Regulatory Policies Act (PURPA), thông qua bởi Quốc hội Mĩ vào 11/1978. Với động thái này, Tổng thống Carter và Quốc hội hướng tới tăng việc dân dụng hóa sự chuyển đổi năng lượng và hiệu suất và qua đó giảm sự phụ thuộc của quốc gia vào năng lượng hóa thạch. PURPA kết hợp với khoản tín dụng thuế đặc biệt cho hệ thống năng lượng mới nhằm tạo ra bước ngoặt trong công nghiệp năng lượng gió đầu tiên trong lịch sử.

Dọc theo dãy núi phía Đông của Francisco và phía Đông Bắc của Los Angeles, nhà máy điện gió rộng lớn được thiết lập. Hơn một năm, kích thước của tuabin gió tăng lên khoảng 200 kW vào cuối những năm 1980. Hầu hết, tuabin gió đều được nhập từ Đan Mạch, nơi công ty Poul LaCour và Johannes Juul đã có những bước tiến xa trong kĩ thuật thiết kế tuabin gió hướng theo chiều gió đang thổi với bộ điều chỉnh tốc độ. Vào cuối những năm 1980, khoảng 15.000 tuabin gió công suất trên khoảng 1.500 MW được lắp đặt ở California.

Cũng vào thời điểm này, tài chính hỗ trợ cho năng lượng gió giảm xuống ở Mĩ nhưng tăng lên ở Châu Âu và sau đó là Ấn Độ. Trong những năm 1990, Châu Âu hỗ trợ mô hình dựa chủ yếu trên thuế nuôi cố định cho sản xuất 7 năng lượng tái tạo. Ấn Độ tiếp cận mô hình dựa trên khấu trừ thuế cho việc đầu tư năng lượng gió.