Tiến Sĩ Nghiên cứu các chế độ làm việc và ảnh hưởng của nhà máy phát điện chạy bằng sức gió kết nối với lưới

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2015
MỞ ĐẦU . 14
CHƯƠNG 1 . 18
TỔNG QUAN 18
1.1 Năng lượng gió, nguồn năng lượng của tương lai 18
1.2 Hiện trạng phát triển năng lượng gió trên thế giới . 20
1.3 Những thành tựu khoa học công nghệ trong lĩnh vực điện gió 21
1.3.1 Lịch sử phát triển của turbine gió . 21
1.3.2 Các loại máy phát dùng trong hệ thống phát điện chạy bằng sức gió 24
1.3.3 Phát triển năng lượng gió ở thềm lục địa 28
1.3.4 Suất đầu tư và giá thành điện năng của nguồn điện gió 30
1.4 Điện gió tại Việt Nam 31
1.4.1 Tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam . 31
1.4.2 Đặc điểm và chế độ của nguồn năng lượng gió ở Việt Nam . 34
1.4.3 Biến động công suất gió ở Việt Nam . 36
1.4.4 Các nghiên cứu sử dụng năng lượng gió tại Việt Nam . 37
1.4.5 Chiến lược và quy hoạch phát triển năng lượng gió t ại Việt Nam . 39
1.4.6 Chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng gió tại Việt Nam . 41
1.5 Tóm tắt chương 1 41
CHƯƠNG 2 . 42
ĐẤU NỐI NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN 42
2.1 Sơ đồ đấu nối nhà máy điện gió vào hệ thống điện . 42
2.2 Lựa chọn thông số của mạch đấu nối . 44
2.2.1 Khoảng cách đấu nối . 44
2.2.2 Tiết diện dây dẫn . 44
2.2.3 Công suất đấu nối 44
2.2.4 Điện áp đấu nối . 45
2.3 Các mô hình kết nối tổ máy turbine gió với lưới điện . 46
2.3.1 Mô hình kết nối trực tiếp máy phát với lưới điện (loại A) 46
2.3.2 Mô hình máy phát kết nối lưới điện sử dụng phương thức thay đổi điện trở mạch
rotor (loại B) 47
2.3.3 Mô hình kết nối máy phát cảm ứng nguồn kép với lưới điện (loại C) . 47
2.3.4 Mô hình máy phát kết nối lưới điện thông qua bộ biến đổi tỉ lệ đầy đủ (loại D) . 48
2.4 Chế độ làm việc của máy phát cảm ứng nguồn kép nối lưới . 50
2.4.1 Sơ đồ thay thế và công suất của máy phát cảm ứng nguồn kép 50
2.4.2 Dòng công suất của máy phát cảm ứng nguồn kép 51
2.4.3 Các chế độ làm việc của máy phát cảm ứng nguồn kép 54
2.5 Một số tiêu chuẩn Quốc tế và quy định của Việt Nam về điều kiện đấu nối NMĐG
vào HTĐ 55
2.5.1 Một số tiêu chuẩn Quốc tế . 55
2.5.2 Quy định của Việt Nam về điều kiện đấu nối . 61
2.6 Điều khiển hoạt động của turbine gió trong lưới điện . 64
2.6.1 Đường cong công suất lý tưởng . 64
2.6.2 Mục đích và chiến lược điều khiển 65
2.6.3 Điều khiển công suất NMĐG . 67
2.7 Thông số và sơ đồ đấu nối NMĐG Tuy Phong vào lưới phân phối địa phương 69
2.7.1 Vị trí địa lý nơi đặt nhà máy 69
2.7.2 Hệ thống thiết bị và mô hình nối lưới của nhà máy 70
2.8 Tóm tắt chương 2 78
CHƯƠNG 3 . 79
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NMĐG ĐẾN THÔNG SỐ VẬN
HÀNH CỦA LƯỚI ĐIỆN ĐỊA PHƯƠNG . 79
3.1 Thông số của các đối tượng được mô phỏng 79
3.2 Mô phỏng kết nối NMĐG Tuy Phong – Bình Thuận với lưới điện 110kV địa
phương trên phần mềm PSS/E . 80
3.2.1 Sơ đồ nguyên lý của lưới điện 110kV tỉnh Bình Thuận 80
3.2.2 Xác định phạm vi ảnh hưởng của NMĐG Tuy Phong đến lưới điện địa phương 80
3.3 Xây dựng biểu đồ trao đổi công suất giữa NMĐG với lưới điện địa phương trong
một số chế độ đặc trưng . 84
3.3.1 Các dữ liệu về gió 84
3.3.2 Khả năng phát công suất của turbine gió 85
3.3.3 Xây dựng biểu đồ phát công suất của nhà máy điện gió . 87
3.3.4 Biểu đồ trao đổi công suất . 90
3.4 Mô phỏng thông số vận hành của lưới điện trong các chế độ đặc trưng 91
3.5 Tóm tắt chương 3 96
CHƯƠNG 4 . 97
ẢNH HƯỞNG CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ ĐẾN ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN 97
4.1 Một số chỉ tiêu thường dùng để đánh giá độ tin cậy của các hệ thống cung cấp điện
. 97
4.1.1 Các thông số đầu vào để xác định các chỉ t iêu độ tin cậy . 97
4.1.2 Các chỉ t iêu để đánh giá độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện 97
4.1.3 Một số định mức về chỉ tiêu độ tin cậy cung cấp điện thường được áp dụng 100
4.2 Số liệu thống kê về thông số độ tin cậy của các turbine gió được lắp đặt ở Tuy
Phong – Bình Thuận 101
4.2.1 Thông số hỏng hóc của turbine gió ở NMĐG Tuy Phong – Bình Thuận 102
4.2.2 Xác suất trạng thái của các tổ máy điện gió Tuy Phong – Bình Thuận . 103
4.3 Đẳng trị hóa sơ đồ lưới điện để tính toán độ tin cậy cung cấp điện 104
4.3.1 Sơ đồ lưới điện cần khảo sát và thông số về độ tin cậy của các phần tử 104
4.3.2 Đẳng trị hóa lưới điện, tính thông số độ tin cậy của các phần tử đẳng trị 105
4.3.3 Xác suất trạng thái của hệ thống đẳng trị . 107
4.4 Ảnh hưởng của NMĐG đến kỳ vọng thiếu hụt điện năng của hộ tiêu thụ . 108
4.4.1 Kỳ vọng thiếu hụt điện năng của phụ tải ngày đặc trưng khi chưa có NMĐG 108
4.4.2 Kỳ vọng thiếu hụt điện năng của phụ tải ngày đặc trưng khi có NMĐG . 111
4.5 Chiến lược chia cắt (tách đảo) lưới điện để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện . 117
4.5.1 Nội dung của chiến lược tách đảo trong trường hợp có nguồn điện phân tán kết
nối với lưới điện . 117
4.5.2 Tính toán các thông số vận hành lưới điện được tách đảo 120
4.6 Tóm tắt chương 4 129
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 131
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN . 133
TÀI LIỆU THAM KHẢO 135
PHỤ LỤC 1 . 144
PHỤ LỤC 2 . 158
PHỤ LỤC 3 . 162
1. Tính cấp thiết của đề tài
MỞ ĐẦU
Từ xa xưa nhân loại đã sử dụng năng lượng gió vào việc di chuyển thuyền buồm, kinh
khí cầu, xoay bột ngũ cốc, bơm nước .Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất ra điện năng
đã hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện. Vào cuối thế kỷ 19, thí
nghiệm đầu t iên đã được thực hiện thành công việc sử dụng cối xay gió để tạo ra điện năng.
Lúc đầu sử dụng cánh quạt của cối xoay gió để chuyển đổi năng lượng gió thành cơ năng quay
rotor máy phát điện. Khi lĩnh vực cơ học dòng chảy phát triển thì các cánh quạt đã được chế
tạo đặc biệt để nâng cao hiệu năng của gió. Từ đó khái niệm về cối xoay gió dần chuyển thành
turbine gió dùng cho ngành công nghiệp điện gió.
Từ sau cuộc khủng hoảng năng lượng dầu mỏ trong thập niên 1970, việc nghiên cứu sản
xuất năng lượng từ các dạng nguồn năng lượng khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, trong
đó phát điện bằng sức gió được đặc biệt quan tâm. Năm 1999, hơn 10.000MW công suất điện
gió được lắp đặt trên toàn thế giới. Các quan điểm về năng lượng gió đã được nhiều quốc gia
đưa vào nghị trường. Năm 1999, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ công bố "Gió tạo năng lượng cho
Mỹ" sáng kiến này đặt mục tiêu phát triển hơn 80.000MW từ năng lượng gió vào năm 2020,
tương ứng với khoảng 5% lượng điện năng tiêu thụ của Mỹ. Tháng 3 năm 2007 các nhà lãnh
đạo Châu Âu đã thông qua mục t iêu toàn EU đến năm 2020, 20% nguồn năng lượng của châu
lục này là năng lượng tái tạo, bao gồm cả sinh khối, thủy điện, năng lượng mặt trời và năng
lượng gió. Để đáp ứng mục tiêu này các nhà lãnh đạo EU đã nhất trí thúc đẩy phát triển năng
lượng tái tạo, trong đó đặt ra các mục t iêu riêng cho mỗi quốc gia thành viên về phát triển
năng lượng gió.
Ở Việt Nam tốc độ tăng trưởng trung bình của sản lượng điện xét trong giai đoạn 2009 –
2010 đạt mức rất cao, khoảng 12,8 – 14,1%/năm [5, 20], tức là gần gấp đôi tốc độ tăng trưởng
GDP của nền kinh tế. Theo dự báo của Tập đoàn Điện lực Việt Nam, nếu tốc độ tăng trưởng
GDP trung bình tiếp tục được duy trì ở mức 7,1%/năm thì nhu cầu sử dụng điện sản xuất của
Việt Nam vào năm 2015 sẽ là khoảng 193.162GWh, vào năm 2020 là 327.472GWh. Trong
khi đó, ngay cả khi huy động tối đa các nguồn điện truyền thống thì sản lượng điện nước ta
cũng chỉ đạt mức tương ứng là 165.000GWh (năm 2015) và 208.000GWh (năm 2020). Điều
này nói lên, nền kinh tế sẽ bị thiếu hụt điện một cách nghiêm trọng có thể lên tới cỡ 20 – 30%
mỗi năm. Đứng trước thách thức thiếu hụt điện chung của toàn cầu, chính phủ đã đưa ra nhiều
giải pháp như: tăng giá điện; đảm bảo an ninh năng lượng bằng cách: mở rộng khai thác
những nguồn năng lượng truyền thống và phát triển các nguồn năng lượng mới, đặc biệt là các
nguồn năng lượng sạch và có khả năng tái tạo.



Theo số liệu nghiên cứu của Tổ chức phát triển năng lượng gió Châu Á [111], trên lãnh
thổ Việt Nam, các vùng giàu tiềm năng nhất để phát triển điện gió là: Sơn Hải (Ninh Thuận),
vùng đồi cát ở độ cao 60 – 100m phía tây Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận) và khu vực
Bán đảo Phương Mai (Bình Định). Trong những tháng có gió mùa, tỷ lệ gió Nam và Đông
Nam lên đến 98% với vận tốc trung bình 6 – 7m/s, với vận tốc này có thể xây dựng các nhà
máy điện gió với công suất mỗi turbine gió từ 3 – 3,5MW. Mới đây AWS Truepower – Hoa
Kỳ đã công bố kết quả khảo sát tiềm năng năng lượng gió trên toàn lãnh thổ Việt Nam bằng
cách sử dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) và đã sàn lọc những vị trí để xác định các địa
điểm có tiềm năng lớn. Kết quả khảo sát khẳng định ở 142 vị trí có thể xây dựng nhà máy điện
gió quy mô công nghiệp với tổng công suất vào khoảng 9000MW [6].
Nhiều dự án điện gió lớn trong tổng thể 41 dự án với mục tiêu hòa vào lưới điện quốc
gia đang được xúc tiến bao gồm:
- Dự án xây dựng Nhà máy điện gió Phương Mai 3, tại hai xã Cát Tiến và Cát Chánh
thuộc khu kinh tế Nhơn Hội, tỉnh Bình Định. Theo thiết kế, nhà máy có 14 turbine, tổng công
suất là 21MW, do Công ty Đầu tư và Phát triển Phong điện miền Trung làm chủ đầu tư.
- Dự án nhà máy điện gió Bạc Liêu do Công ty TNHH Xây dựng Thương mại Du lịch
Công Lý làm chủ đầu tư, tổng công suất 99MW được xây dựng tại khu vực ven biển thuộc ấp
Biển Đông A, xã Vĩnh Trạch Đông, thị xã Bạc Liêu, tỉnh Bạc Liêu. Dự án đã hoàn thành giai
đoạn một với 10 turbine gió, tổng công suất 16MW đã được nối lưới.
- Dự án nhà máy điện gió kết hợp với Diezel tại đảo Phú Quý với 3 turbine gió tổng
công suất 6MW đã được hoàn thành và đang vận hành.
- Điển hình nhất là công ty Cổ phần năng lượng tái tạo Việt Nam – REVN, đã hoàn
thành và đấu nối với lưới điện 110kV giai đoạn 1 với 20 turbine gió tổng công suất 30MW
trong dự án tổng thể 120MW tại Tuy Phong – Bình Thuận.
Khi các nhà máy điện gió có công suất lớn đấu nối vào lưới điện nảy sinh ra nhiều vấn
đề cần quan tâm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng máy phát điện gió hòa vào lưới điện có thể
làm tăng tần suất sự cố, ảnh hưởng đến vấn đề ổn định hệ thống và gây ra các vấn đề về chất
lượng điện năng .Ngoài ra, năng lượng gió là một thành phần thiết yếu tác động đến thị
trường điện.
Những ảnh hưởng khi đấu nối turbine gió vào lưới điện, liên quan đến nhiều vần đề,
trong đó có:
 Trào lưu công suất trên lưới điện
 Lượng công suất dự phòng để đảm bảo ổn định hệ thống
 Ngắn mạch trên lưới điện  Ổn định của hệ thống điện
 Hệ thống bảo vệ về cơ và điện
 Chất lượng điện năng
Đã có nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về điện gió và ảnh hưởng
của điện gió đến hệ thống điện [8, 12, 13, 24, 26, 27, 30, 31, 34, 43, 53, 65 ư 67, 71, 81, 83 ư
85, 103 ư 105, 107, 113, 115, 116]. Tuy nhiên vấn đề nghiên cứu lựa chọn các chế độ đặc
trưng, đánh giá ảnh hưởng của nhà máy điện gió đến thông số vận hành của lưới điện địa
phương và độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện khi có sự tham gia của nguồn điện gió chưa
được quan tâm đúng mức. Chính vì vậy, luận án tập trung vào việc “nghiên cứu tác động của
nhà máy điện gió đến thông số vận hành trong các chế độ xác lập đặc trưng của lưới điện
địa phương và ảnh hưởng của nhà máy điện gió đến độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện
lân cận điểm kết nối của nhà máy điện gió”.
2. Mục đích nghiên cứu
Hai mục đích chính:
- Phân tích và đánh giá tác động của nhà máy điện gió đến các thông số vận hành của
lưới điện trong các chế độ xác lập đặc trưng được lựa chọn.
- Xây dựng mô hình xác suất đánh giá độ tin cậy cung cấp điện và khả năng cô lập (tách
đảo) một phần lưới điện địa phương có kết nối với nguồn điện gió khi hệ thống điện lớn bị sự
cố để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện khi có kết nối với nguồn điện gió.