BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Phạm Hữu Định
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN
HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG THỦY TRIỀU
Chuyên ngành: Thiết bị điện
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. TRẦN VĂN THỊNH
Hà nội, năm 2013
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự
hƣớng dẫn của thầy giáo TS. Trần Văn Thịnh và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn.
Kết quả nghiên cứu là trung thực và chƣa công bố trên bất cứ một công trình nào
khác.
Hà Nội, tháng 09 năm 2013
Học viên
Phạm Hữu Định
1
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................11
1. Tính cấp thiết, ý nghĩa lý luận và thực tiễn của đề tài .....................................11
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn ...................................................................11
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................12
4. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................12
5. Những đóng góp của luận văn ..........................................................................12
6. Kết luận .............................................................................................................12
Chƣơng 1 – TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN THỦY TRIỀU .............................................13
1.1. Năng lƣợng thủy triều là gì ............................................................................13
1.2. Nguyên lý hoạt động và phân loại năng lƣợng thủy triều .............................16
1.2.1. Chuyển đổi thế năng của thủy triều thành điện năng .................. 16
1.2.2. Chuyển đổi động năng của thủy triều thành điện năng ............... 16
1.2.3. Chuyển đổi dòng triều thành điện năng ...................................... 18
1.3. Những đặc điểm cơ bản của năng lƣợng thủy triều .......................................19
1.3.1. Mực nƣớc triều ............................................................................ 19
1.3.2. Thủy triều theo chu kỳ ................................................................ 20
1.3.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến thủy triều .......................................... 21
1.3.4. Dòng triều .................................................................................... 21
1.4. Tác động của điện thủy triều .........................................................................22
1. 5. Phát triển điện thủy triều trên thế giới và Việt Nam.....................................23
1.5.1. Phát triển điện thủy triều trên thế giới......................................... 23
3
1.5.2. Một số nghiên cứu thiết kế, chế tạo, lắp đặt và vận hành tổ máy
điện thủy triều trên thế giới ............................................................................. 24
3.2.4. Ảnh hƣởng của ngƣỡng không nhậy lên tác động tƣơng hỗ của
các bộ điều tốc tua bin..................................................................................... 55
3.2.5. Điều chỉnh và phân phối công suất hữu công giữa các máy phát làm việc
song song ...................................................................................................................57
3.3. Điều chỉnh tốc độ và ổn định công suất .........................................................58
3.3.1. Các bộ điều tốc hiện nay ............................................................. 58
3.3.2. Cấu tạo và đặc điểm của bộ điều tốc ........................................... 65
3.3.3. Nhiệm vụ và phƣơng pháp điều khiển tốc độ tua bin thủy triều . 66
3.4. Kết luận Chƣơng 3 .........................................................................................69
Chƣơng 4 - PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ..............70
4.1. Giới thiệu về MATLAB ................................................................................70
4.1.1. Matlab .......................................................................................... 71
4.1.2. Simulink ...................................................................................... 72
4.2. Nghiên cứu bộ điều tốc tua bin thủy triều .....................................................73
4.2.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển tốc độ [11,15] ..................................... 73
4.2.2. Sơ đồ biểu diễn dƣới dạng Simulink đơn giản hóa ..................... 74
4.3. Nghiên cứu các khâu trong bộ điều khiển tốc độ và ổn định công suất bằng
Simulink ....................................................................................................................76
4.3.1. Bộ điều tốc đơn giản (theo thời gian).......................................... 76
4.3.2. Khâu giảm tốc trong bộ điều tốc ................................................. 78
4.3.3 Điều khiển ổn định công suất phát của tổ máy ............................ 81
4.3.4. Sơ đồ đầy đủ của một bộ điều tốc ............................................... 84
4.4. Mô phỏng các chế độ làm việc của bộ điều tốc .............................................85
Bảng 1.2: Các nhà máy điện thủy triều đã đƣợc xây dựng [13] ............................... 25
Bảng 1.3: Các nhà máy điện thủy triều đang triển khai [13] .................................... 25
7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1: Triều cƣờng (Spring Tide) [16] ................................................................ 13
Hình 1.2: Triều kiệt (Neap Tide) [17] ....................................................................... 13
Hình 1.3: Sơ đồ trạm phát điện từ năng lƣợng thủy triều [16] ................................. 15
Hình 1.4: Tua bin phát điện dùng động năng (dòng triều) của thủy triều [18] ......... 17
Hình 1.5: Mô hình nhà máy điện dòng triều [13] ..................................................... 18
Hình 1.6: Thiết bị phát điện kiểu Cá đuối (Stingray) của Mỹ [13]........................... 19
Hình 1.7: Đồ thị mực nƣớc triều [18] ....................................................................... 20
Hình 1.8: Tua bin hƣớng trục (dạng bóng đèn - Capsun) [13]. ................................ 26
Hình 1.9: Mô hình nhà máy điện thủy triều Sihwa-ho – Hàn Quốc [14] ................. 27
Hình 1.10: Mô hình hệ thống rắn biển (sea snake) [12,13] ...................................... 28
Hình 1.11: Thiết bị Rồng Sóng (Wave Dragon) [12,13] .......................................... 28
Hình 1.12: Thiết bị Đu Sóng Acsimet (Archimedes Wave Swing) [12,13] ............. 29
Hình 1.13: Thiết bị Cột nƣớc dao động [12,13]........................................................ 29
Hình 2.1: Sơ đồ xác định năng lƣợng dòng chảy [10] .............................................. 36
Hình 2.2: Sơ đồ sơ họa nhà máy điện thủy triều dạng đập chắn .............................. 38
Hình 2.3: Sơ đồ bố trí các thiết bị trong nhà máy thủy điện ..................................... 38
Hình 2.4: Tua bin hƣớng trục [10] ............................................................................ 40
Hình 2.5: Tuabin hƣớng chéo [10]............................................................................ 41
Hình 3.1: Các hệ thống điều khiển con và điều khiển liên quan của một trạm phát
điện ............................................................................................................................49
Hình 3.2: Đƣờng đặc tính tĩnh tuabin (1,2,3) và phụ tải (1’,2’,3’) ........................... 52
Hình 3.3: Phân bố phụ tải giữa các tổ máy làm việc song song khi tần số thay đổi
Hình 4.12: Đáp ứng của bộ điều tốc có khâu đặt công suất phát.............................. 83
Hình 4.13: Sơ đồ mô phỏng bộ điều tốc hoàn chỉnh ................................................ 84
Hình 4.14: Sơ đồ mô phỏng bộ điều tốc ở chế độ không tải .................................... 85
Hình 4.15: Đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển ................................................. 86
Hình 4.16: Sơ đồ mô phỏng bộ điều tốc ................................................................... 86
Hình 4.17: Đáp ứng tần số của bộ điều tốc ............................................................... 87
Hình 4.18: Sơ đồ mô phỏng chế độ của bộ điều tốc ................................................. 87
Hình 4.19: Đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển ................................................. 88
9
Hình 4.20: Sơ đồ mô phỏng bộ điều tốc ................................................................... 89
Hình 4.21: Đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển ................................................. 90
Hình 4.22: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khi cho đồng thời phụ tải, phản hồi công suất,
và giá trị đặt phụ tải cùng tác động ...........................................................................91
Hình 4.23: Đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển ................................................. 92
Hình 4.24: Quá trình quá độ của bộ điều tốc khi đóng phụ tải ................................. 93
Hình 4.25: Sơ đồ mô phỏng công suất phát .............................................................. 94
Hình 4.26: Đáp ứng đặc tính công suất ra và tần số công suất đặt nhỏ hơn phụ tải . 95
Hình 4.27: Đáp ứng đặc tính công suất ra và tần số công suất đặt bằng công suất
phụ tải ........................................................................................................................96
Hình 4.28: Đáp ứng đặc tính công suất ra và tần số ................................................. 97
10
MỞ ĐẦU
Hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lƣợng điện cũng nhƣ các nguồn năng lƣợng
khác trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng là vô cùng lớn. Phát triển kinh tế
thủy triều ở các vùng khác nhau, cũng nhƣ việc vận hành và sử dụng sau này cho
một dự án phát điện sử dụng năng lƣợng thủy triều ở Việt Nam.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu của luận văn là ổn định tần số và công suất máy phát
điện cho các tổ máy phát điện thủy triều.
- Phạm vi nghiên cứu của luận văn đƣợc giới hạn trong phạm vi phát điện
thủy triều với dạng đập chắn nƣớc, phân tích phƣơng pháp điều chỉnh tốc và ổn
định công suất khi làm việc độc lập, song song giữa các máy phát với nhau.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình
nghiên cứu đƣợc công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên
ngành; nghiên cứu cấu trúc…
- Nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu hệ thống điều khiển lƣu lƣợng và công
suất tại nhà máy điện thủy triều.
- Lấy ý kiến chuyên gia: Tham khảo ý kiến của các nhà khoa học ở Viện
Điện, trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Trung tâm nghiên cứu triển khai công
nghệ cao trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội; ý kiến của các Kỹ sƣ đồng nghiệp.
5. Những đóng góp của luận văn
- Luận văn nghiên cứu tổng quát về hệ thống điện thủy triều, ứng dụng lý
thuyết điều khiển để nâng cao chất lƣợng điện và ổn định hệ thống điện.
- Luận văn đã mô tả đƣợc chất lƣợng của hệ thống điện thủy triều với các
thông số ra phù hợp với lƣới điện Việt Nam.
- Kết quả mở ra hƣớng chế tạo các thiết bị cho nhà phát điện nhờ năng lƣợng
của biển nhƣ: sóng biển, dòng triều…
6. Kết luận
Với những ƣu điểm nhƣ giá thành không quá cao, không gây hại nhiều cho
môi trƣờng, các nguồn năng lƣợng xanh nhƣ năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng gió,
đặc biệt là sản xuất điện từ năng lƣợng thủy triều đƣợc xem là một nguồn năng
lƣợng thay thế hữu ích, đang đƣợc nhiều nƣớc chú trọng phát triển.
Để đánh giá năng lƣợng triều tạo ra trung bình cho một năm, cho một hồ
chứa (vịnh, vũng – có đập chắn), khi chấp nhận sai số 10%, ngƣời ta thƣờng sử
dụng công thức đơn giản 1.1 [18]:
E = K.S.A2
(1.1)
Ở đây:
K: Hệ số tỷ lệ;
S: Diện tích hồ chứa nƣớc khi mức nƣớc đạt cao nhất (km2);
A: Biên độ thuỷ triều (m);
E: Năng lƣợng thuỷ triều (triệu Kwh/năm );
Với L là độ dài của đập chắn nƣớc, tỉ số L/E đặc trƣng cho lợi ích kinh tế. Rõ
ràng là những vùng nào có biên độ thuỷ triều càng cao, diện tích mặt nƣớc khi mực
nƣớc cao nhất càng lớn, thì năng lƣợng triều càng cao và lợi ích kinh tế càng lớn khi
tỉ số L/E càng nhỏ.
Để tính toán các chế độ đặc trƣng của thuỷ triều tại các vùng vịnh, ngƣời ta
phân tích điều hoà các sóng triều thành phần từ các chuỗi quan trắc từng giờ liên tục
trong nhiều năm tại một số trạm ven bờ. Qua mô hình nội suy số trị thuỷ động, sẽ
đƣợc hằng số điều hoà của nhóm sóng triều chính tại từng địa điểm của vũng, vịnh,
sau đó ngƣời ta tính toán dự báo cho một số năm. Căn cứ vào số liệu dự báo từng
giờ của một năm liên tục, ngƣời ta tính ra độ lớn dao động thuỷ triều từng ngày, sau
đó tính ra độ lớn thuỷ triều trung bình trong cả năm. Đó chính là đại lƣợng cần thiết
để tính năng lƣợng thuỷ triều ở khu vực cần khai thác. Ngoài ra, để thấy đƣợc mức
biến động của độ lớn thuỷ triều trong việc điều tiết khả năng cung cấp năng lƣợng
trong một năm, ngƣời ta tiến hành tính tần suất theo từng khoảng độ lớn dao động
thuỷ triều trong suốt năm tại từng vũng, vịnh và lòng chảo. Những khoảng quy định
để tính tần suất là: từ 0,5 – 1m ; 1 – 1,5m ; 1,5 - 2,0m ; 2,0 -2,5m ; 2,5 - 3,0m và lớn
hơn 3m [18].
Hình 1.3: Sơ đồ trạm phát điện từ năng lƣợng thủy triều [16]
Nhà máy điện thủy triều đầu tiên đƣợc xây dựng ở Pháp nơi sông Rance đổ ra
Đại Tây Dƣơng trên vùng biển Brittany, hoàn thành năm 1968, nó có công suất
240Mw, hồ chứa (basin) của nó rộng 8,5 dặm vuông (13,7 km2) và có mực triều
dâng cao nhất là 27,6 feet (8,41m).
Trạm thủy triều đầu tiên ở Bắc Mỹ đặt trên sông Annapolis (Canada), nơi đổ
vào vịnh Fundy, hoàn thành năm 1984, nó có công suất 20Mw. Vấn đề đặt ra bao
gồm chi phí đầu tƣ xây dựng nhà máy điện khá cao và tác động của nó đến môi
trƣờng. Năng lƣợng thủy triều lớn nhất tập trung ở những vùng cửa sông, bờ biển,
nơi các dòng sông gặp thủy triều đại dƣơng [10]. Đây lại là nơi có sự hòa trộn giữa
nƣớc ngọt và mặn, tạo nên môi trƣờng thủy sinh có năng suất cao. Cá và vô số động
15
vật thân mềm đến đây sinh sản. Vì thế, việc xây dựng đập cũng sẽ ảnh hƣởng đến
sinh thái khu vực.
1.2. Nguyên lý hoạt động và phân loại năng lƣợng thủy triều
Điện thủy triều là lƣợng điện thu đƣợc từ năng lƣợng chứa trong khối nƣớc
chuyển động do thủy triều [18].
Có 2 phƣơng pháp đƣợc sử dụng nhiều nhất:
+ Sử dụng đập chắn thủy triều (thế năng).
+ Sử dụng hàng rào thủy triều (động năng)
Ngoài ra còn phƣơng pháp chuyển đổi dòng chiều thành điện năng.
1.2.1. Chuyển đổi thế năng của thủy triều thành điện năng
Đây là loại truyền thống, ngƣời ta xây một đập chắn ở vùng cửa sông đổ ra
biển hay ở một vịnh nào đó. Khi triều lên ngƣời ta mở cửa cống cho nƣớc biển chảy
vào. Khi nƣớc trong vịnh dâng lên cao nhất ngƣời ta đóng cống lại. Khi nƣớc biển
xuống thấp, ngƣời ta mở cửa cống xả nƣớc vào tuabin phát điện. Nguyên lý này
giống nhƣ nguyên lý của các nhà máy thuỷ điện. Nó thích hợp cho các nơi có biên
độ thuỷ triều lớn từ 5 – 6m trở lên [18].
1320
Garorim
Hàn Quốc
520
Sihwa
Hàn Quốc
254
Rance
Pháp
240
Annapolis Royal
Canada
20
Jiangxia
Trung Quốc
Ở cửa các sông thuộc tỉnh Quảng Ninh, Vũng Tàu, Kiên Giang… thƣờng vận
tốc dòng triều khá lớn (hơn 1 m/s) cũng thích hợp dùng các thiết bị phát điện bằng
dòng triều kiểu này, tại các khu vực có vịnh, đầm phá thuộc miền Trung có thể thiết
kế các dạng cống, đê biển thích hợp để có thể vừa kết hợp nuôi trồng hải sản vừa
18
làm tăng lƣu lƣợng dòng triều. Các trạm điện thủy triều có thể kết hợp để làm các
khu nuôi trồng hải sản, các đê chắn có thể kết hợp làm đƣờng giao thông… Công
nghệ phát điện kiểu này có thể tham khảo ở những nhà máy điện dòng thuỷ triều
nhƣ trong hình 1.5.
b) Dòng triều làm chuyển động của máy thuỷ lực.
Những thiết bị loại này đang đƣợc công ty The Engineering Business (Anh)
phát triển, loại thiết bị này có tên là Cá đuối (Stingray) [13]. Thiết bị này bao gồm
các dàn thép hỗ trợ và các cánh kiểu thuỷ khí động học. Dòng chảy của thuỷ triều
sẽ tác động lên các cánh này làm cho nó dao động lên xuống, dao động này lại tác
động tới một xy lanh thuỷ lực nén làm quay động cơ thuỷ lực nối với một máy phát
điện (hình 1.6). Thiết bị Cá đuối (Stingray) đƣợc thử nghiệm vào mùa hè 2002 tại
Yell Sound giữa đảo Bigga và Yell ở khu vực các đảo Shetland.
Hình 1.6: Thiết bị phát điện kiểu Cá đuối (Stingray) của Mỹ [13]
1.3. Những đặc điểm cơ bản của năng lƣợng thủy triều
1.3.1. Mực nước triều
Mực nƣớc triều là đồ thị của quá trình thay đổi mực nƣớc triều theo thời gian
t, đƣợc ký hiệu là Z(t) (hình 1.7).
19
Các thời điểm triều dâng (lên) và triều xuống (rút) bằng nhau, các độ cao
nƣớc lớn và nƣớc ròng kế tiếp nhau hầu nhƣ bằng nhau và biến thiên theo quy luật
trong một tháng.
Ngƣời ta còn gọi thuỷ triều có tính chất và đặc điểm nhƣ trên là bán nhật
triều đều hoặc bán nhật triều thuần nhất.
Bán nhật triều có thời gian triều dâng chênh lệch nhiều với thời gian triều rút
đƣợc gọi là triều nƣớc nông, vì loại triều này thƣờng quan trắc thấy ở các vùng
nƣớc nông, chủ yếu ở vùng cửa sông.
Chu kỳ nhật triều dài gấp đôi chu kỳ bán nhật triều, trong một ngày mặt
trăng, có thể quan trắc thấy một lần nƣớc lớn và một lần nƣớc ròng. Trông gần
giống nhật triều, có khi lại gần giống bán nhật triều, ngƣời ta gọi đó là triều hỗn hợp
hay tạp triều.
Triều hỗn hợp đƣợc chia làm hai loại: Bán nhật triều không đều và nhật triều,
thực tế còn có loại thuỷ triều thay đổi theo chu kỳ, có khi không đều tuỳ theo nó
giống nhật triều hay giống bán nhất triều hơn.
1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến thủy triều
- Địa hình lòng sông cao dần khi bờ thu hẹp lại;
- Lƣu lƣợng dòng chảy trong sông;
- Quá trình truyền triều vào sông.
1.3.4. Dòng triều
- Dòng triều là dòng chuyển dịch ngang có tính chất tuần hoàn của các phần
tử nƣớc mà tốc độ và hƣớng biến thiên trong ngày quan hệ với chu kỳ và biên độ
thủy triều.
21
- Dòng triều thuận nghịch: dòng triều có hƣớng ngƣợc nhau tại những eo biển
hẹp
- Các đặc trƣng của dòng triều:
(các đập chắn có thể làm cầu nối qua cửa sông) và không tạo ra khí thải nhà kính.
Là nguồn năng lƣợng lý tƣởng trong tƣơng lai, làm giảm sự phụ thuộc một phần vào
dầu mỏ và các năng lƣợng hóa thạch khác, đảm bảo đƣợc nền an ninh năng lƣợng.
Tuy nhiên, để sản xuất năng lƣợng thủy triều cần chi phí đầu tƣ, chi phí bảo trì cao
22
và gây ra một số tác động về môi trƣờng đã làm cho điện thuỷ triều trở nên ít hấp
dẫn hơn. Việc xây dựng một đập chắn thuỷ triều tại cửa sông sẽ làm thay đổi mức
thuỷ triều ở lƣu vực cửa sông. Sự thay đổi này khó có thể dự đoán, làm cho mức
thuỷ triều tăng hoặc giảm. Thuỷ triều thay đổi tác động rõ nét tới quá trình lắng
đọng trầm tích và độ đục của nƣớc tại lƣu vực cửa sông.
1. 5. Phát triển điện thủy triều trên thế giới và Việt Nam
1.5.1. Phát triển điện thủy triều trên thế giới
Điện thủy triều chiếm một tỷ trọng không đáng kể trong mạng lƣới điện tại
các quốc gia, đã có một số công trình đƣợc xây, nhƣng chỉ có nhà máy điện thủy
triều La Rance tại Pháp đƣợc thực hiện và vận hành tốt. Các công ty sản xuất điện
vẫn đang theo dõi để đánh giá liệu điện thủy triều có hấp dẫn để đầu tƣ hay không?
Điện thủy triều bắt đầu đƣợc quan tâm từ những năm 1960, nhƣng chi phí quá đắt
nên số lƣợng rất hạn chế. Hiện nay, trên thế giới có hơn 70 nhà phát triển năng
lƣợng thủy triều đang nỗ lực nghiên cứu nhằm cung cấp những công nghệ đột phá,
tạo ra nguồn điện thủy triều dồi dào với chi phí kinh tế nhất. Theo tính toán, nếu
đƣợc đầu tƣ khai thác, điện thủy triều có thể đáp ứng đƣợc 15% nhu cầu sử dụng
điện trên toàn thế giới [13].
Tuy Pháp là quốc gia tiên phong trong lĩnh vực điện thủy triều, nhƣng
Scotland nói riêng và Anh nói chung lại đang giữ vị trí dẫn đầu trong nghiên cứu và
phát triển nguồn năng lƣợng này. Vƣơng quốc Anh hiện là thị trƣờng hàng đầu thế
giới về năng lƣợng tái tạo, với hơn 300Mw điện từ các dự án điện thủy triều trong
những năm tới. Ireland, Bồ Đào Nha và Úc cũng nghiên cứu và đầu tƣ [13].
trên bờ biển Bắc cực của Nga trong Vịnh Kislaya của biển Barents. Do thiết kế đặc
biệt của nó, phƣơng pháp xây dựng và kỹ thuật khai thác, nhà máy điện thủy triều
Kislogubskaya đƣợc bảo vệ bởi Liên Bang Nga và đƣợc coi là một kỳ quan kỹ
thuật. Một tính năng đặc biệt của nhà máy Kislogubskaya, nó là cơ cấu năng lƣợng
duy nhất tại Nga làm việc trong một môi trƣờng nƣớc biển, lợi dụng năng lƣợng
thủy triều, dƣới khí hậu khắc nghiệt tại Bắc Cực. Kislogubskaya là mô hình nhà
máy điện thủy triều nổi đầu tiên, với một nhà máy điện thủy triều xây dựng trên
vùng vịnh Kislaya bao quanh là biển và đƣợc lắp đặt trên một hệ thống xà lan nổi.
Việc xây dựng nhà máy yêu cầu sử dụng vật liệu bền, bê tông chịu đƣợc môi trƣờng
nƣớc biển, một cấu trúc bê tông cốt thép mỏng, và một hệ thống bảo vệ chống lại sự
24
Copyright: Tài liệu đại học ©