Các giải pháp phụ trợ để cải thiện sự ổn định và tính hiệu về hiệu trong hệ thống hỗn hợp diesel – gió có thể được phân thành 3 loại như sau: thiết bị phụ trợ để cải thiện sự ổn định, máy phát điện diesel tải thấp để cải thiện cấp độ thâm nhập và các thiết bị lưu trữ năng lượng.
Thiết bị phụ trợ để cải thiện sự ổn định:
Thiết bị phụ trợ được sử dụng để cải thiện sự ổn định bao gồm bánh đà và tải giả. Tải giả đã được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống gió cung ở Alaska với mục tiêu tiêu thụ năng lượng dư thừa tạo ra bởi các tuabin gió. Tải giả thường được trang bị với một hệ thống điều khiển cho phép phản ứng nhanh. Bánh đà phát triển bởi Beacon và ABB bao gồm một phần quay trong đó lưu trữ năng lượng động quay và một bộ chuyển đổi hai chiều cho phép hoặc lưu trữ hoặc phát năng lượng của bánh đà. Ưu điểm của một bánh đà bao gồm phản ứng rất nhanh (mili giây) và hiệu quả cao. Tuy nhiên, nhược điểm của thiết bị này là khả năng lưu trữ hạn chế của nó và nó chỉ có thể được sử dụng để điều chỉnh tần số trong một thời gian ngắn. Việc sử dụng một bánh đà không làm tăng mức độ thâm nhập của năng lượng gió, nó chỉ cải thiện sự ổn định hệ thống và độ tin cậy. Do đó, rất khó để định lượng các lợi ích tài chính từ một bánh đà. Mặt khác, việc sử dụng của một thiết bị lưu trữ có thể giải quyết vấn đề năng lượng gió tối thiểu, cho phép mức độ thâm nhập cao hơn ở các mức tải nhất định. Như một hệ quả, việc đầu tư thiết bị lưu trữ năng lượng có thể được xem xét trên cơ sở cải thiện sự xâm nhập điện gió.
Máy phát điện diesel tải thấp:
Không giống như các máy phát điện diesel thông thường trong đó có hoạt động ở 30% công suất định mức tối thiểu, máy phát điện diesel tải thấp được thiết
51
kế đặc biệt để hoạt động hiệu quả mức 5% tải. Điều này giúp giảm chi phí vận hành động cơ diesel, và tại cùng một thời gian sử dụng máy phát điện để chỉnh tần số, điện áp và dự trữ. Các giải pháp của việc sử dụng một máy phát điện diesel tải thấp là đặc biệt hữu ích cho các hệ thống hỗn hợp gió - diesel cô lập. Giải pháp này đã được áp dụng tại một số hệ thống cô lập như Coral Bay (900kW điện gió + 2240kW diesel), Delham (920kW điện gió + 1,920kW diesel).
Thiết bị lƣu trữ năng lƣợng phụ trợ:
Thiết bị lưu trữ năng lượng bao gồm hồ chứa tích năng, các pin nhiên liệu, các công nghệ khác nhau được tích hợp với bộ chuyển đổi năng lượng điện tử . Một trong những ưu điểm của thiết bị lưu trữ năng lượng là một thực tế mà các tuabin gió có thể khai thác. Thiết bị lưu trữ sẽ lưu trữ năng lượng khi điện gió lớn hơn nhu cầu phụ tải và sẽ giải phóng năng lượng khi không còn năng lượng gió. Ngoài chức năng lưu trữ, các thiết bị này có thể được tích hợp với chức năng kiểm soát để ổn định tần số, điện áp và dự phòng quay.
Khả năng sử dụng các thiết bị lưu trữ và tận dụng tối đa năng lượng gió phụ thuộc vào tương quan giữa năng lượng gió và nhu cầu phụ tải. Với các điều kiện hiện tại của nhu cầu phụ tải tại đảo Phú Quý, việc sử dụng các thiết bị lưu trữ là không khả thi vì với 3 tuabin gió mỗi máy 2 MW, phụ tải điện là khoảng 2 – 2,1 MW (30% công suất lắp đặt). Mức công suất này vẫn còn cao hơn so với phụ tải đỉnh ở đảo Phú Quý, năng lượng gió cần được giới hạn do yêu cầu của hoạt động của máy phát diesel để kiểm soát tần số và điện áp. Tính toán sơ bộ cho thấy rằng nó không có hiệu quả để đầu tư vào một thiết bị lưu trữ trên đảo Phú Quý trong tương lai gần. Bảng 3.1 trình bày một sự so sánh chất lượng giữa các giải pháp phụ trợ khác nhau có thể được áp dụng cho các hệ thống điện Phú Quý. Rõ ràng là các giải pháp phát điện diesel tải thấp đáp ứng khá tốt tất cả các yêu cầu kỹ thuật với một chương trình hoạt động đơn giản. Do đó giải pháp này cần được xem xét một cách cẩn thận.
52
Bên cạnh đó, các giải pháp của việc sử dụng một tụ điện bù kết hợp với một thiết bị lưu trữ cho tải cũng đã chứng minh rất hữu ích vì nó cho phép cải thiện sự ổn định, mức độ thâm nhập và chi phí tương đối thấp. [11]
Thiết bị phụ trở Ổn định tần số Quay ngược Ổn định điện áp Độ thâm nhập Chi phí Bánh đà +++ - + - cao Tải giả + - - +
Pin nhiên liệu ++ ++ ++ ++
Siêu tụ điện +++ + +++ + cao
Diesel ++ +++ ++ ++
Tụ+ tải giả + - + + Thấp
Bảng 3.1 So sánh các giải pháp phụ trợ
Kết luận: Để cải thiện sự ổn định hệ thống và độ tin cậy của các giải pháp kỹ thuật sau đây đƣợc khuyến cáo:
- Vận hành ba máy phát điện diesel ở tải thấp và trung bình, bốn máy phát điện diesel tại tải cao điểm nhằm ổn định tần số hệ thống.
- Cho phép thâm nhập gió cấp lên đến 70% trên cơ sở tất cả các máy phát điện diesel tham gia dự phòng.
- Xem xét khả năng sử dụng các chức năng kiểm soát tần số của tuabin gió V80 kết hợp với các chức năng điều khiển của hệ thống SCADA để cải thiện tần số ổn định.
Về mô hình tài chính để đầu tƣ trang thiết bị phụ trợ, có thể kết luận rằng:
- Hiện nay, một máy phát điện diesel tải thấp được coi là một khoản đầu tư tiềm năng và khả thi như giải pháp này đáp ứng tất cả các yêu cầu kỹ thuật, tức là sự
53
ổn định, dự trữ quay, tăng mức độ thâm nhập gió và chương trình hoạt động đơn giản.
- Các giải pháp của việc sử dụng một bộ lưu trữ tải và một tụ điện bù cũng là hấp dẫn do chi phí đầu tư thấp và nó có thể làm tăng mức độ thâm nhập gió trong trường hợp nhất định.
- Thiết bị lưu trữ năng lượng được coi là không cần thiết tại thời điểm này do nhu cầu phụ tải thấp so với tổng công suất lắp đặt. Thiết bị lưu trữ phụ trợ có thể được thiết kế để cải thiện sự ổn định và khả năng kiểm soát điện áp, tuy nhiên chi phí cao.
- Trong tất cả các trường hợp, các giải pháp cho các mô hình tài chính để lựa chọn thiết bị phụ trợ thích hợp phụ thuộc vào một số yếu tố như giá điện, hạn chế kỹ thuật và các yêu cầu độ tin cậy.
3.3 Phƣơng án lựa chọn, chủng loại công suất và chế độ vận hành tối ƣu cho trạm điện gió ốc đảo
3.3.1 Lựa chọn máy phát điện gió DFIG có công suất nhỏ hơn 2 MW Thông số tính toán lựa chọn máy phát điện gió: Thông số tính toán lựa chọn máy phát điện gió:
- Công suất máy phát điện gió 6MW
- Công suất máy phát diesel 3MW : gồm 06 máy phát điện 500kW - Tốc độ gió trung bình 9m/s
- Bảng phụ tải trên đảo Phú Quý
Công suất (W) 700 600 200 500 650 800 1600 1939 1819 1629 1347 1230 Giờ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Công suất (W) 1209 1259 1218 1456 1384 1289 1522 1457 1330 1160 1160 1092 Giờ 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
54
Trường hợp thứ nhất lựa chọn tuabin gió 2MW: Tổng công suất tuabin gió 6MW bao gồm 3 tua bin.
Trường hợp thứ hai lựa chọn tuabin gió 1MW: Tổng công suất tuabin gió 6MW bao gồm 6 tuabin.
Trường hợp thứ ba lựa chọn tuabin gió 500kW : Tổng công suất tuabin gió 6MW bao gồm 12 tuabin.
Quá trình tính toán vận hành phải thỏa một số điều kiện sau:
- Tính toán quy trình vận hành theo hướng phát công suất điện gió cực đại.
- Cân bằng công suất tác dụng: Tổng công suất phát ra của diesel và gió bằng công suất tải tiêu thụ.
- Cân bằng công suất phản kháng (CSPK). Khi không có thiết bị phụ trợ, các máy phát diesel sẽ chịu trách nhiệm phát CSPK lên lưới.
- Công suất tác dụng diesel Pdiesel ≥ 165 kW.
- Công suất biểu kiến của tổ máy không quá 600 kVA.
- Dự phòng của hệ thống diesel, nếu vận tốc gió > 7,2m/s, tính như sau: Số máy diesel vận hành x Pmaxdiesel - Tổng công suất phát diesel ≥ 150kW ( P dự phòng = Ndz*Pmaxdz – Psumdz )
- Khảo sát với tốc độ gió trung bình ở Phú Quý là 9m/s.
- Chưa xét đến tính ổn định của hệ thống khi tỷ lệ điện gió cao mà tỷ lệ điện diesel thấp.
55
Hình 3.4. Lƣu đồ thuật toán để tính toán quá trình vận hành
trạm điện gió – diesel theo hƣớng trạm điện gió phát công suất cực đại có thể
For k=0:24 h For kw=0:Nw (số tuabine) Pt<Pwmin và kw>0 Psumw>Pt Qsumw>Qt t sumw dz dz max Q Q N roundup Q
với Ndz là số máy phát diesel
Tính lại Ndz thỏa mãn Pdự phòng = 150kW
Pwmin< Pw< Pwmax
Pdzmin< Pdz< Pdzmax
Ndz*Pdzmin+Nw*Pwmin <Pt
Nhận kết quả cho giờ thứ k
Đúng
Sai Đúng
Sai
Đúng
Sai Tìm kq cho trường
hợp đầu tiên
Chỉ lấy kết qủa cuối cùng thỏa mãn
56
Hình 3.5 Kết quả tính toán quá trình phát điện theo đồ thị phụ tải ở trên, ứng với máy phát điện gió 2 MW.
Đồ thị phụ tải (Pt- black), công suất phát tuabin gió (Pwid), công suất máy phát diesel (Pdiesel-red), công suất dự trữ (Pdutru-green)
57
Công suất phát của tuabin gió (Pwind-blue), máy phát diesel (Pdiesel-red)
Tỉ lệ phần trăm công suất phát giữa tuabin gió (Pwind-blue) , và máy phát diesel (Pdiesel-red)
58
Hình 3.6 Kết quả tính toán quá trình phát điện theo đồ thị phụ tải ở trên, ứng với máy phát điện gió 1MW.
Đồ thị phụ tải (Pt- black), công suất phát tuabin gió (Pwid), công suất máy phát diesel (Pdiesel-red), công suất dự trữ (Pdutru-green)
59
Công suất phát của tuabin gió (Pwind-blue), máy phát diesel (Pdiesel-red)
Tỉ lệ phần trăm công suất phát giữa tuabin gió (Pwind-blue) , và máy phát diesel (Pdiesel-red)
60
Hình 3.7 Kết quả tính toán quá trình phát điện theo đồ thị phụ tải ở trên, ứng với máy phát điện gió 500kW.
Đồ thị phụ tải (Pt- black), công suất phát tuabin gió (Pwid), công suất máy phát diesel (Pdiesel-red), công suất dự trữ (Pdutru-green)
61
Công suất phát của tuabin gió (Pwind-blue), máy phát diesel (Pdiesel-red)
Tỉ lệ phần trăm công suất phát giữa tuabin gió (Pwind-blue) , và máy phát diesel (Pdiesel-red)
62
So sánh giữa các phương án
Nhận xét:
- Số lượng máy diesel trong trường hợp tuabin 1 MW và 500 kW là giống nhau, và trường hợp tuabin 2 MW thì số lượng máy diesel nhiều hơn so với tuabin 1 MW và 500 MW vào lúc 3h và 4h.
63
- Công suất phát của máy diesel trong trường hợp tuabin 1MW và 500kW là giống nhau, và trường hợp tuabine 2MW chỉ nhiều hơn vào lúc 3h và 4h. Như vậy khi tải Pt > 600kW thì các trường hợp tuabin 2MW, 1MW và 500kW đều vận hành giống nhau.
64
Kết luận chƣơng 3
Qua kết quả nghiên cứu như trên ta thấy khi sử dụng các tuabin có công suất thích hợp nhỏ hơn công suất đặt hiện có (2 MW) trên đảo Phú Quý mang lai nhiều lợi ích như giảm năng lượng sử dụng cho diesel do giảm năng lượng cung cấp cho các máy phát điện không đồng bộ nguồn kép, khả năng thâm nhập của máy phát điện gió cao và linh hoạt hơn với các chế độ gió khác nhau cũng như khi phụ tải thay đổi. Vì thế khi xây dựng dự án điện gió cho hải đảo cần chú ý lựa chọn chủng loại và công suất đặt cho máy phát điện gió sao cho sử dụng tối ưu nguồn gió.
Phương hướng nghiên cứu tiếp theo là vận hành hệ thống sao cho hoạt động ổn định, phát huy tối đa công suất của trạm điện gió.
65
CHƢƠNG 4 - MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG NAM CHÂM VĨNH CỬU
4.1 Nam châm vĩnh cửu siêu mạnh
Nam châm vĩnh cửu siêu mạnh là nam châm Neodymi-Sắt-Bo, viết tắt là NdFeB là một loại nam châm đất hiếm được tạo ra từ hợp chất của Neodymi (Nd) - Sắt(Fe) - Bo (B), với công thức Nd2Fe14B. Nam châm Neodymi General Motors Corporation và Sumitomo Special Metals đồng thời phát minh ra năm 1982 và là loại nam châm vĩnh cửu mạnh nhất từng được biết với lực kháng từ lớn (trên 10 kOe) và từ độ bão hòa rất cao (tới 1,56 T) nên là loại nam châm vĩnh cửu mạnh nhất hiện nay. Nam châm này có khả năng tích năng lượng từ tới 64 MGOe (theo lý thuyết) và hiện nay đã xuất hiện loại nam châm Nd2Fe14B có tích năng lượng từ 57 MGOe. Tuy nhiên, loại nam châm này lại không thể sử dụng ở nhiệt độ cao do có nhiệt độ Curie 312oC.
4.2 Máy phát điện sử dụng nam châm siêu mạnh
Với khả năng tích lũy năng lượng từ trường rất lớn nên NdFeB được dùng trong chế tạo cực từ máy phát điện đồng bộ giúp giảm kích thước máy phát điện và đơn giản hóa việc chế tạo do không cần sử dụng nguồn kích từ. Hiện nay đã xuất hiện máy phát điện nam châm vĩnh cửu có công suất tới hàng nghìn kW. Do có kích thước nhỏ gọn hơn máy phát điện truyền thống nên máy phát điện gió sử dụng nam châm vĩnh cửu đã được sử dụng rộng rãi trong phạm vi công suất vừa và công suất nhỏ. Hạn chế chủ yếu là giá thành nam châm vĩnh cửu siêu mạnh còn cao.
Có 3 nguyên lý sử dụng máy phát điện trong tuabin gió nối lưới :
Máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu (PMSG); loại máy phát này được điều khiển hòa với lưới nhờ bộ biến đổi điện tử công suất nằm xen giữa stato và lưới. Bộ biến đổi gồm hai phần chính : nghịch lưu phía lưới và nghich lưu phía máy phát. Dòng năng lượng khai thác từ gió sẽ được lấy qua turbin tới stato, sau đó chảy qua bộ biến đổi lên lưới.
66
Máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG): Tương tự máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu, loại máy phát không đồng bộ rotor lồng sóc được điều khiển hòa với lưới nhờ bộ biến đổi điện tử công suất nằm xen giữa stato và lưới.
Máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG) : Dòng năng lượng khai thác từ gió được lấy qua tuabin tới stato, sau đó chảy trực tiếp lên lưới. Việc điều khiển dòng năng lượng đó được thực hiện gián tiếp nhờ bộ biến đổi nằm ở phía mạch roto.
So sánh máy phát điện gió loại DFIG và SCIG, PMSG :[11]
Hình 4.1 So sánh giữa DIFG và PMSM/SCIG
STT Máy phát điện gió loại SCIG, PMSG (nối lưới gián tiếp)
Máy phát điện loại DFIG
(nối lưới trực tiếp)
Đánh giá 1 Giá thành toàn hệ thống Khá đắt. có công suất đúng bằng công suất máy phát
Tương đối thấp. Thiết bị điện tử công suất nằm ở phía rotor (xen
Giá thành hệ thống của máy phát điện gió loại DFIG rẻ
67
giữa rotor và lưới) nên có công suất cỡ bằng 1/3 công suất máy phát.
hơn so với loại SCIG &PMSG 2 Khả năng tận dụng năng lượng gió Toàn dải tốc độ gió. Thiết bị điện tử công suất nằm xen giữa stator và lưới nên tốc độ đồng bộ không do lưới quyết định
Dải tốc độ gió bị giới hạn. Stator nối trực tiếp với lưới nên tốc độ đồng bộ là do tần số lưới quyết định và DFIG chỉ có thể hoạt động trong phạm vi ± 33% xung quanh tốc độ đồng bộ. Khả năng tận dụng năng lượng gió của máy phát điện gió loại DFIG kém hơn so với loại SCIG & PMSG 3 Điều khiển máy phát Khá đơn giản. Thiết bị điện tử công suât nằm xen giữa stator và lưới nên việc điều khiển máy phát ít phụ thuộc lưới. Dễ đáp ứng yêu cầu ride- through