phân tích quá điện áp lan truyền do sét trong lưới trang trại gió và bảo vệ chống sét cho tua bin

phân tích quá điện áp lan truyền do sét trong lưới trang trại gió và bảo vệ chống sét cho tua bin phân tích quá điện áp lan truyền do sét trong lưới trang trại gió và bảo vệ chống sét cho tua bin phân tích quá điện áp lan truyền do sét trong lưới trang trại gió và bảo vệ chống sét cho tua bin phân tích quá điện áp lan truyền do sét trong lưới trang trại gió và bảo vệ chống sét cho tua bin phân tích quá điện áp lan truyền do sét trong lưới trang trại gió và bảo vệ chống sét cho tua bin phân tích quá điện áp lan truyền do sét trong lưới trang trại gió và bảo vệ chống sét cho tua bin phân tích quá điện áp lan truyền do sét trong lưới trang trại gió và bảo vệ chống sét cho tua bin phân tích quá điện áp lan truyền do sét trong lưới trang trại gió và bảo vệ chống sét cho tua bin phân tích quá điện áp lan truyền do sét trong lưới trang trại gió và bảo vệ chống sét cho tua bin phân tích quá điện áp lan truyền do sét trong lưới trang trại gió và bảo vệ chống sét cho tua bin phân tích quá điện áp lan truyền do sét trong lưới trang trại gió và bảo vệ chống sét cho tua bin

Mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như mặt trời, gió, sinh khối, sóng biển, thủy triều, thủy điện nhỏ, địa nhiệt là một xu hướng của các quốc gia trên thế giới Bởi

lẽ việc phát các nguồn năng lượng này sẽ giúp các quốc gia đa dạng hóa các nguồn năng lượng, phân tán rủi ro, đảm bảo an ninh năng lượng, tiết kiệm được nguồn năng lượng hóa thạch và giảm thiểu sự phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính

Trong các nguồn năng lượng tái tạo thì năng lượng gió được đánh giá là nguồn triển vọng nhất vì giầu tiềm năng, dễ khai thác trên quy mô lớn, thân thiện với môi trường và ít gây ảnh hưởng xấu về mặt xã hội Do đó nguồn năng lượng này đã, đang

và sẽ được nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm phát triển, trong đó có Việt Nam Tuy vậy, việc sử dụng các tua bin gió (Wind Turbine - WT) để phát điện cũng có một số bất lợi trên phương diện bảo vệ chống sét:

- WT là công trình cao (trung bình trên 100m), thường được lắp đặt ở địa hình trống trải nên chúng rất dễ bị sét đánh

- Đầu thu sét lắp đặt trên cánh luôn chuyển động trong quá trình WT vận hành

- Khi sét đánh vào WT, trên đường dẫn dòng điện sét qua cột trụ xuống đất có thể gây quá điện áp (QĐA) sét cảm ứng nguy hiểm cho các bộ phận bên trong của WT

- Thường các WT được kết nối với nhau tạo thành một trang trại gió (Wind Farm - WF) cấp điện lên lưới hệ thống (hoặc cấp điện cho phụ tải địa phương) qua đường dây trung áp trên không Do đó khi sét đánh vào WT bất kỳ trong WF hoặc đánh vào đường dây trung áp trên không kết nối WF với lưới có thể xuất hiện QĐA sét nguy hiểm lan truyền trong lưới điện WF

Thực tế vận hành điện gió tại nhiều quốc gia trên thế giới cho thấy, hàng năm

có rất nhiều WT phải chịu ảnh hưởng của QĐA do sét đánh trực tiếp hoặc sét cảm ứng và lan truyền gây ra những sự cố nghiêm trọng, thiệt hại lớn về kinh tế và ảnh hưởng không nhỏ đến độ tin cậy hệ thống Vì thế vấn đề nghiên cứu bảo vệ chống sét cho các WT gió đã được nhiều tổ chức và cá nhân quốc tế quan tâm trong những năm gần đây Tuy nhiên đây là vấn đề phức tạp, phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như mật độ sét, thông số dòng điện sét, vị trí sét đánh, địa hình lắp đặt - vận hành WT, đặc điểm của WT, phương thức kết nối các WT, đặc điểm của lưới điện, phương

thức nối đất, phương pháp mô hình các phần tử, phương pháp tính toán mô phỏng quá trình quá độ điện từ Do đó vấn đề này vẫn cần được tiếp tục quan tâm nghiên cứu, đánh giá để từ đó đưa ra khuyến cáo các biện pháp phối hợp cách điện hợp lý nhằm góp phần nâng cao độ tin cậy và an toàn cho các phần tử, thiết bị trong hệ thống điện gió

Với các lý do trên đây, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu quá điện áp sét và bảo vệ chống sét cho tua bin gió có kết nối lưới điện” Đây là đề tài có ý nghĩa

khoa học và thực tiễn cao, đặc biệt đối với Việt Nam - quốc gia giàu tiềm năng điện gió nhất khu vực Đông Nam Á và đang có nhiều chính sách thúc đẩy sự phát triển của hệ thống điện này, trong khi chưa có nghiên cứu nào đáng kể được công bố liên quan đến vấn đề bảo vệ chống sét cho các WT Luận án thực hiện thành công sẽ góp phần đáp ứng nhu cầu làm chủ các kỹ thuật chống sét cho các WT và WF cũng như việc đào tạo đội ngũ chuyên gia trong lĩnh vực này tại Việt Nam

2 Mục đích nghiên cứu của luận án

- Tìm hiểu các đặc trưng cơ bản của chống sét cho các WT và các phương pháp tính toán chống sét cho WF kết nối với lưới điện

- Đề xuất phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT Ứng dụng phương pháp đề xuất xác định số lần sét đánh trực tiếp WT có công suất (ứng với kích thước) khác nhau trong điều kiện mật độ sét Việt Nam

- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến: QĐA sét trong hệ thống điện và điều khiển (HTĐ&ĐK) của WT, QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF Qua đó khuyến cáo các biện pháp phối hợp cách điện phù hợp, góp phần nâng cao

độ tin cậy và an toàn cho các phần tử, thiết bị trong các dự án điện gió, đặc biệt đối với các dự án điện gió đã, đang và sẽ được lắp đặt tại Việt Nam

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: là các WT công suất lớn kiểu trục ngang (Horizontal axis

wind turbines - HAWT) kết nối trong lưới điện WF điển hình của Việt Nam

- Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung đánh giá, đề xuất phương pháp xác định số

lần sét đánh trực tiếp vào WT; nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT

và nghiên cứu QĐA sét lan truyền trong WF có kết nối lưới điện

4 Phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng phương pháp mô hình điện hình học (EGM) trong việc xác định số lần sét đánh trực tiếp WT phù hợp với đặc điểm công trình động

- Sử dụng phương pháp giải bài toán truyền sóng có trong phần mềm mô phỏng quá trình quá độ điện từ ATP/EMTP để tính toán, phân tích QĐA sét cảm ứng và lan truyền

- Áp dụng các tiêu chuẩn, khuyến cáo hiện hành của các tổ chức quốc tế như IEEE, IEC để phân tích, đánh giá QĐA sét đối với WT và lưới điện WF

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

5.1 Ý nghĩa khoa học

- Ứng dụng mô hình điện hình học (EGM) trong tính toán xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT phù hợp với đặc điểm công trình động (đầu thu sét gắn trên cánh luôn chuyển động khi làm việc)

- Tổng hợp, đánh giá, đề xuất sử dụng mô hình các phần tử liên quan cho nghiên cứu quá trình quá độ điện từ đối với WT và lưới điện WF

- Luận án cũng xây dựng được thuật toán tính toán số lần sét đánh trực tiếp vào WT theo phương pháp đề xuất và thuật toán xác định khoảng cách an toàn lắp đặt các đường cáp so với cột trụ để giảm QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT

5.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn

- Kết quả tính toán số lần sét đánh trực tiếp vào WT - kích thước khác nhau tại các dự

án điện gió đã được đăng ký trên lãnh thổ Việt Nam có mật độ sét khác nhau trong luận án có thể dùng làm tài liệu tra cứu, tham khảo cho các chủ đầu tư cũng như các nhà tư vấn, thiết kế, xây dựng các dự án điện gió ở Việt Nam

- Việc tổng hợp, đánh giá các nghiên cứu, mô hình các phần tử cho nghiên cứu quá trình quá độ điện từ và phương pháp phân tích đánh giá QĐA sét đối với WT (WF) trong luận án có thể được sử dụng để đào tạo đội ngũ chuyên gia trong lĩnh vực bảo vệ chống sét cho các WT (WF) tại Việt Nam

- Nghiên cứu xem xét đầy đủ các yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến QĐA sét đối với hệ thống điện gió trong luận án là các gợi ý kỹ thuật quan trọng nhằm hạn chế QĐA sét góp phần nâng cao độ tin cậy, an toàn và giảm thiểu thiệt hại về kinh kế trong quá trình vận hành hệ thống điện gió của Việt Nam

sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các dự án điện gió tương lai tại Việt Nam

- Nghiên cứu quá điện áp cảm ứng do sét đến các thiết bị điện và điều khiển lắp đặt trong tua bin gió điển hình sử dụng trong điều kiện Việt Nam Ảnh hưởng của thông

số dòng sét, khoảng cách giữa các phần tử, điện trở tiếp địa, thiết bị bảo vệ và hiệu ứng tích hợp của các thông số này đến trị số quá điện áp cảm ứng được phân tích và tính toán nhằm đề xuất một cấu hình tốt nhất để giảm thiểu ảnh hưởng của quá điện áp cảm ứng đến các thiết bị điện và điều khiển của tua bin gió

- Nghiên cứu quá điện áp sét lan truyền trong trang trại điện gió kết nối với lưới điện Tính toán và phân tích những thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá điện áp sét lan truyền trong trang trại điện gió như dòng điện sét, vị trí sét đánh, cấu hình trang trại điện gió, phương thức nối đất, các phần tử bảo vệ chống sét Đề xuất các phương thức kết nối tua bin gió, phương thức nối đất, cách thức sử dụng các thiết bị bảo vệ chống sét nhằm hạn chế quá điện áp sét lan truyền trong trang trại điện gió có kết nối lưới

7 Cấu trúc của luận án

Luận án sẽ được trình bày theo cấu trúc sau:

- Phần mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài, mục đích đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

- Phần nội dung bao gồm 4 chương:

Chương Tổng quan

Trình bày những vấn đề chung nhất về công nghệ điện gió, tình hình phát triển điện gió trên thế giới cũng như Việt Nam và tổng hợp, đánh giá các nghiên cứu đã công bố liên quan đến vấn đề quá điện áp và bảo vệ chống sét cho các WT và WF để

từ đó lựa chọn hướng nghiên cứu phát triển luận án

Chương 2 Xác định số lần sét đánh trực tiếp vào tua bin gió

Trên cơ sở các nghiên cứu đã công bố liên quan và lý thuyết phương pháp mô hình điện hình học (Electro-Geometrical Method - EGM), tác giả đề xuất phương

pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp trung bình hàng năm cho các WT trong điều kiện Việt Nam xét đến đặc thù đầu thu sét gắn trên cánh và địa hình lắp đặt WT

Chương 3 Phân tích quá điện áp cảm ứng do sét trong hệ thống điện và điều khiển

của tua bin gió

Trình bày nguyên nhân phát sinh QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT; lựa chọn mô hình và phương pháp xác định thông số mô hình các phần tử liên quan cho nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT Mô hình và phương pháp xác định thông số mô hình các phần tử được ứng dụng tính toán cho loại WT điển hình Việt Nam Bằng việc sử dụng phần mềm phân tích quá độ điện từ ATP/EMTP (Alternative Transients Program/Electromagnetic Transients Program), tác giả tiến hành mô phỏng, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT điển hình Việt Nam như thông số dòng điện sét, điện trở nối đất, khoảng cách lắp đặt đường cáp điện và cáp điều khiển so với cột trụ Trên cơ sở đó, tác giả đưa ra các khuyến cáo các biện pháp phối hợp bảo vệ chống sét thích hợp cho các phần tử trong HTĐ&ĐK của WT

Chương 4 Phân tích quá điện áp sét lan truyền trong lưới điện trang trại gió

Trình bày các nguyên nhân phát sinh QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF; lựa chọn mô hình và phương pháp xác định các thông số mô hình của các phần tử liên quan cho nghiên cứu phân tích QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF Mô hình và phương pháp xác định thông số mô hình các phần tử được ứng dụng tính toán cho WF điển hình Việt Nam Tiếp đó, tác giả xem xét các yếu tố khác nhau đến QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF như thông số dòng điện sét, hệ thống nối đất, vị trí sét đánh vào các WT khác nhau trong WF, vị trí sét đánh đường dây trên không trung áp nối

WF với lưới điện hệ thống (hoặc cấp điện cho phụ tải địa phương) và cấu hình kết nối các WT khác nhau bằng phần mềm ATP/EMTP Trên cơ sở đó, tác giả khuyến cáo các biện pháp phối hợp bảo vệ để hạn chế sự nguy hiểm của QĐA sét trong lưới điện

WF

Cuối cùng là phần kết luận và kiến nghị của luận án

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN ĐIỆN GIÓ THẾ GIỚI

Vào cuối thế kỷ XIX con người mới bắt đầu sử dụng năng lượng gió để phát điện Nhà khí tượng học Poul The Mule Cour (Đan Mạch) được cho là người đầu tiên trên thế giới đã thiết kế chế tạo thành công WT vào năm 1890 dùng cung cấp điện thử nghiệm cho vùng nông thôn Askov của Đan Mạch [76] Đến năm 1910, hàng trăm WT như vậy được sử dụng để cung cấp điện cho nhiều làng mạc ở Đan Mạch Năm 1925, loại WT hai và ba cánh với công suất từ 0,2 ÷ 3kW đã được thương mại tại thị trường Mỹ Năm 1931, WT có công suất 100kW đầu tiên được lắp đặt trên

bờ biển Caspian (Liên Xô cũ) Hàng loạt các nước phát triển như Mỹ, Đan Mạch, Pháp, Đức và Anh đã cho xây dựng thử nghiệm nhiều WT mới trong giai đoạn những năm 1931 đến năm 1941 Từ năm 1941 đến đầu những năm 1970, sự quan tâm phát triển điện gió trên thế giới gần như bị lãng quên do chi phí sản xuất điện từ nguồn năng lượng gió (12-30 cent/kWh) đắt hơn nhiều so với năng lượng hóa thạch (3-6 cent/kWh) [76]

Cuộc khủng hoảng dầu mỏ thế giới xảy ra vào năm 1973 làm cho chi phí nhiên liệu hóa thạch tăng cao Ngoài ra việc sử dụng năng lượng này gây phát thải nhiều khí gây hiệu ứng nhà kính làm cho trái đất nóng lên và gây ô nhiễm nặng nề Năng lượng hạt nhân cũng được quan tâm phát triển, tuy nhiên nguồn năng lượng này cũng tiềm

ẩn nguy cơ mất an toàn do rò rỉ chất phóng xạ ra môi trường Vì các lý do kể trên, công nghệ năng lượng tái tạo nói chung và công nghệ điện gió nói riêng lại tiếp tục được hồi sinh một cách mạnh mẽ

Hình 1.1 cho ta thấy tình hình phát triển công nghệ điện gió từ năm 1987 đến

2013 [6] Nếu những năm 1980 các nhà sản xuất điện gió hàng đầu thế giới mới chỉ chế tạo được WT thương mại công suất đến 55kW - chiều cao (gồm cánh và cột trụ) đến 40m, thì gần đây người ta đã sản xuất được các WT công suất đến 10MW

- chiều cao xấp xỉ 200m

Hình 1.1 Tình hình phát triển công nghệ điện gió từ năm 1987 đến 2013 [6]

1.1.1 Điện gió nói chung

Tính đến năm 2012, có khoảng 100 quốc gia trên thế giới đã đưa vào vận hành

hệ thống điện gió với tổng công suất 282.275MW Riêng trong năm 2012, lắp đặt được lượng công suất 44.609MW (tức 580TWh) và đáp ứng 3% tổng nhu cầu điện năng toàn cầu Hình 1.2 là biểu đồ tăng trưởng công suất điện gió thế giới trong 10 năm gần đây (2002 - 2012) [37] [93]

Hình 1.2 Biểu đồ tăng trưởng công suất điện gió thế giới giai đoạn 2002 - 2012

Thị phần điện gió thế giới theo các châu lục tính đến năm 2012 được tổng hợp trong biểu đồ hình 1.3 [93] Trong đó, Châu Á chiếm tỷ trọng lớn nhất (36,3%), tiếp sau lần lượt là: Bắc Mỹ (31,3%), Châu Âu (27,5%), Mỹ La Tinh (3,9%), Châu Đại Dương (0,8%) và Châu Phi (0,2%)

Hình 1.3 Thị phần điện gió thế giới theo các châu lục tính đến năm 2012

Tính đến năm 2012, 24 quốc gia có công suất điện gió trên 1.000MW, bao gồm

16 quốc gia thuộc Châu Âu, 4 quốc gia thuộc Châu Á - Thái Bình Dương (Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản và Úc), 3 quốc gia thuộc Bắc Mỹ (Canada, Mexico, Mỹ) và 1 quốc gia thuộc Châu Mỹ Latinh (Brazil) Mười quốc gia phát triển điện gió mạnh mẽ nhất thế giới được tổng hợp trong biểu đồ hình 1.4 Theo thống kê này, 3 nước có công suất điện gió lớn nhất thế giới là: Trung Quốc 75,3GW, Mỹ 59,8GW và Đức 31GW [93]

Hình 1.4 Biểu đồ 10 quốc gia đứng đầu thế giới về công suất điện gió

Ở Trung Quốc, riêng năm 2012 lượng điện năng sản xuất được từ gió đạt 100,4

tỷ kWh, chiếm 2% tổng sản lượng điện của quốc gia đông dân nhất thế giới, tăng 1,5 % so với năm 2011 Hiện nay, ở quốc gia này điện gió chỉ xếp sau nhiệt điện và thủy điện, vượt qua năng lượng hạt nhân [37]

Hình 1.5 Dự báo công suất điện gió thế gió đến 2020 [93]

Căn cứ vào tỷ lệ tăng trưởng năng lượng điện gió những năm gần đây, Hiệp hội năng lượng gió thế giới (World Wind Energy Association - WWEA) [93] dự báo công suất điện gió toàn cầu đến cuối năm 2020 có thể đạt 1,5 triệu MW (Hình 1.5)

1.1.2 Điện gió ngoài khơi

Tính đến năm 2012, tổng công suất điện gió ngoài khơi lắp đặt được trên thế giới đạt 5.426,1MW, chiếm 2% tổng công suất điện gió toàn cầu [93] Khoảng 90% năng lượng gió ngoài khơi hiện nay trên thế giới được lắp đặt tại các vùng biển thuộc Châu

Âu (Đan Mạch, Đức, Bỉ, Ailen, Thụy Điển…) và Trung Quốc, còn lại là ở các quốc gia khác như: Mỹ, Canada, Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan, Ấn Độ, Việt Nam,…

Hình 1.6 Biểu đồ công suất điện gió ngoài khơi của 5 quốc gia đứng đầu thế giới [93]

Biểu đồ công suất điện gió ngoài khơi của 5 quốc gia đứng đầu thế giới (tính đến năm 2012) được tổng hợp trên hình 1.6 [93] Anh là quốc gia đứng đầu với 2.947,9MW, sau đó lần lượt là: Đan Mạch 921,0MW, Trung Quốc 389,6MW, Bỉ 379,5MW và Đức 280,3MW với tổng công suất 4.918,3MW Nếu chỉ tính riêng trong năm 2012, tổng công suất điện gió lắp đặt được tại 5 quốc gia này là 1.903,5MW, trong đó: Anh 1.423,3MW, Đan Mạch 63,4MW, Trung Quốc 167,3MW, Bỉ 184,5MW

và Đức 65,0MW

Mục tiêu phát triển điện gió ngoài khơi đến năm 2020 của một số quốc gia trên thế giới: Trung Quốc 30GW, Anh 18GW, Đức 10GW, Hàn Quốc 2GW Theo dự báo của Hội đồng năng lượng gió toàn cầu (Global Wind Energy Council - GWEC) [37] thì công suất điện gió ngoài khơi thế giới có thể đạt mốc 80GW vào năm 2020, trong

đó Châu Âu chiến tỷ trọng khoảng một phần ba, còn lại là các quốc gia khác

1.2 TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN ĐIỆN GIÓ Ở VIỆT NAM

Trước những thách thức về tình trạng thiếu điện và ứng phó với biến đổi khí hậu, Chính phủ Việt Nam đã xác định rõ các mục tiêu phát triển các dạng năng lượng tái tạo là một giải pháp khả thi nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường Trong đó năng lượng gió được xem như là một lĩnh vực trọng tâm, do Việt Nam được xem là quốc gia giàu tiềm năng điện gió nhất trong khu vực Đông Nam Á

1.2.1 Tiềm năng điện gió

Với chiều dài bờ biển hơn 3.000 km, Việt Nam được đánh giá là đất nước có tiềm năng điện gió rất lớn Bảng 1.1 tổng hợp tiềm năng khai thác năng lượng gió ở độ cao 65m tại 4 quốc gia Đông Nam Á [85]

Bảng 1.1 cho thấy Việt Nam có tới 8,6% diện tích lãnh thổ được đánh giá có tiềm năng gió từ “tốt” đến “rất tốt” để xây dựng các trạm điện gió cỡ lớn, trong khi diện tích này của Lào là 2,9%, Thái Lan và Campuchia cùng là 0,2% Cũng theo kết quả nghiên cứu này, tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360MW, lớn hơn 200 lần công suất của Nhà máy Thủy điện Sơn La, gấp khoảng 20 lần so với tổng công suất đặt của tất cả các nguồn điện Việt Nam hiện nay (khoảng 25.000MW) Tuy nhiên, để chuyển từ tiềm năng lý thuyết thành tiềm năng có thể khai thác đến tiềm năng kỹ thuật và cuối cùng thành tiềm năng kinh tế vẫn là cả một câu chuyện dài, cần được tiếp tục xem xét một cách thấu đáo để khai thác có hiệu quả tiềm năng to lớn điện gió ở Việt Nam

Bảng Tiềm năng khai thác năng lượng gió tại 4 quốc gia Đông Nam Á [85]

Quốc gia Thông số khai thác

điện gió

Tiềm năng gió ở độ cao 65m ở tốc độ gió

Vừa (6-7m/s)

Tốt (7-8m/s)

Rất tốt (8-9m/s)

Đặc biệt tốt ( > 9m/s)

24620

315 0,2%

155148

6070 2,6%

24280

671 0,3%

149348

748 0,2%

401444

25679 7,9%

102716

2187 0,7%

8748

113

≈ 0,0%

452

1.2.2 Các dự án điện gió hiện nay

Tính đến tháng 5/2013, có trên 50 dự án điện gió đã được đăng ký trên lãnh thổ Việt Nam, tập trung chủ yếu ở các tỉnh miền Trung và Nam Bộ, với tổng công suất đăng ký trên 5000MW, quy mô công suất của các dự án từ 6MW đến 250MW [5] Tuy nhiên, do suất đầu tư của dự án điện gió vẫn còn khá cao, trong khi giá mua điện gió là khá thấp 1.614 đồng/kWh (tương đương khoảng 7,8 UScents/kWh), cao hơn

310 đồng/kWh so với mức giá điện bình quân hiện nay là 1.304 đồng/kWh, được xem

là chưa hấp dẫn các nhà đầu tư điện gió trong và ngoài nước [9] Do vậy đến thời điểm này mới chỉ 3 dự án điện gió bước đầu đi vào hoạt động, đó là:

- Dự án ở xã Bình Thạnh, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận (Hình 1.7) đã hoàn thành giai đoạn I, với công suất lắp đặt 30MW (20WTx1,5MW) Chủ đầu tư dự án là Công ty Cổ phần Năng lượng Tái tạo Việt Nam (Vietnam Renewable Energy Joint Stock Company - REVN) Các thiết bị WT sử dụng của Công ty Fuhrlaender, Đức

Dự án chính thức được nối lên lưới điện quốc gia vào tháng 3 năm 2011 Theo kế hoạch, giai đoạn 2 của dự án chuẩn bị khởi công xây dựng và lắp đặt thêm 60WT nữa, nâng tổng công suất của toàn bộ Nhà máy điện gió Tuy Phong lên 120MW (80WTx1,5MW)

H nh 7 WF Tuy Phong, Bình Thuận [11]

- Dự án điện gió ghép lai với máy phát điện diesel trên đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận

có tổng công suất là 6MW (3WTx2MW) khánh thành ngày 24/01/2013 (Hình 1.8)

Dự án này do Tổng Công ty Điện lực Dầu khí, thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (Petro Vietnam) làm chủ đầu tư, sử dụng các WT của hãng Vestas, Đan Mạch

H nh 8 WF tại huyện đảo Phú Quý, Bình Thuận [10]

- Dự án điện gió trên biển đầu tiên của Việt Nam tại tỉnh Bạc Liêu đã hoàn thành giai đoạn I với WT thứ 10 lắp đặt thành công vào chiều ngày 2/10/2012 (Hình 1.9) [11] có tổng công suất 16MW (10WTx1,6MW) Giai đoạn II của dự án sẽ xây lắp tiếp 52WT gió còn lại chính thức khởi công từ tháng 11/2013 Sau khi hoàn thành, nhà máy điện gió Bạc Liêu sẽ có 62WT với tổng công suất 99,2MW, điện năng sản xuất ra hàng năm khoảng 320 triệu kWh Toàn bộ nhà máy điện gió này được đặt dọc theo đê biển

Đông, kéo dài từ phường Nhà Mát đến ranh giới tỉnh Sóc Trăng, chiếm tổng diện tích gần 500ha Dự án do công ty TNHH Thương mại và Dịch vụ Công Lý làm chủ đầu tư,

sử dụng các WT của hãng General Electric - GE, Mỹ

H nh 9 WF trên biển ở Bạc Liêu [11]

Ngoài 3dự án điện gió kể trên, còn có một số dự án khác đã và đang được xúc tiến triển khai xây dựng như1

:

Dự án điện gió Tây Nguyên tại xã Đliê-Yang, huyện Ea H’leo (Đắk Lắk) được khởi công vào ngày 6/3/2015 Dự án này do Công ty Giải pháp năng lượng gió HBRE (HBRE Wind Power Solution) làm chủ đầu tư với tổng công suất thiết kế là 120MW được chia làm 3 giai đoạn Dự kiến, giai đoạn I sẽ hoàn thành và hòa vào điện lưới quốc gia vào năm 2016, với công suất là 28MW và đến năm 2020 sẽ hoàn thành toàn

bộ các giai đoạn

Dự án đầu tư giai đoạn I của nhà máy điện gió Phú Lạc tại huyện Tuy Phong, Bình Thuận dự kiến khởi công vào ngày 21/7/2015 do Công ty Cổ phần Phong điện Bình Thuận làm chủ đầu tư Trong giai đoạn I, nhà máy điện gió này được thiết kế gồm 12WT với tổng công suất 24MW, dự kiến hoàn thành vào cuối năm 2016

Dự án đầu tư giai đoạn I nhà máy điện gió thuộc 2 xã Trường Long Hòa và Dân Thành, huyện Duyên Hải, tỉnh Trà Vinh gồm 24WT, tổng công suất 48MW dự kiến khởi công vào tháng 9/2015 và đưa vào khai thác vào tháng 9 năm 2017 Dự án

do Công ty xây dựng Woojin Hàn Quốc làm chủ đầu tư

1.2.3 Chiến lƣợc thúc đẩy phát triển điện gió

Để tiếp tục thúc đẩy phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió, ngày 21 tháng 7 năm 2011, Chính phủ đã chính thức phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến 2030 (Quy hoạch điện VII) [3] Trong đó chỉ rõ, sẽ ưu tiên phát triển nguồn năng lượng tái tạo cho sản xuất điện, tăng tỷ lệ điện năng sản xuất từ nguồn năng lượng tái tạo so với tổng điện năng huy động của tất cả các nguồn năng lượng từ mức 2% năm 2010 lên 4,5% vào năm

2020 và 6,0% vào năm 2030 Theo đó, tổng công suất điện gió từ mức không đáng kể hiện nay lên mốc 1.000MW vào năm 2020 và mức 6.200MW vào năm 2030, tức điện năng sản xuất từ nguồn điện gió sẽ chiếm tỷ trọng từ 0,7% năm 2020 lên 2,4% vào năm 2030

Bên cạnh đó, Chính phủ cũng đã ban hành Quyết định 37/2011/QĐ-TTg “Về cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện gió tại Việt Nam” [4] Hy vọng, đây là động lực rất lớn cho sự phát triển của nguồn điện gió tại Việt Nam

1.3 CÔNG NGHỆ ĐIỆN GIÓ

1.3.1 Cấu tạo của WT

WT có nhiều hình dáng khác nhau, nhưng nếu phân loại theo cấu hình trục quay của cánh thì gồm hai loại [6] [76] là tua bin gió trục đứng (Vertical Axis Wind Turbines - VAWT) và tua bin gió trục ngang (Horizontal Axis Wind Turbines - HAWT) Hai loại WT này được trình bày lần lượt trên hình 1.10a và 1.10b

Hình 1.10 Phân loại WT [6]

a) WT trục đứng và b) WT trục ngang

Hơn 90% các WT thương mại công suất lớn đang được sử dụng trên thế giới hiện nay có thiết kế dạng trục ngang HAWT [76] Sở dĩ loại HAWT chiếm lĩnh trên thị trường điện gió là bởi sự sắp xếp của các cánh cho phép tua bin luôn luôn tương tác đầy đủ với gió, cải thiện được công suất phát - hiệu suất cao hơn nhiều so với loại trục đứng VAWT Mặt khác, loại HAWT dễ dàng thiết kế cho phép gập cánh lại khi tốc độ gió quá cao (khi có bão) để đảm bảo an toàn và dễ dàng thực hiện các giải pháp điều khiển tối ưu hơn so với loại VAWT Vì thế, từ đây trở về sau thuật ngữ “WT” trong phạm vi luận án này dùng để chỉ loại WT trục ngang (HAWT)

Cấu tạo của loại WT trục ngang được trình bày trên hình 1.11 [39] và đặc điểm

cơ bản của một số phần tử chính được trình bày dưới đây

Hình 1.11 Cấu tạo của WT loại trục ngang (HAWT) [39]

a Cánh: Cánh của WT có thể được chế tạo bằng nhiều loại vật liệu khác nhau, từ sợi

carbon composite hoặc nhựa polyester gia cường bằng sợi thủy tinh GRP (Glass

fiber Reinforced Polyester) Hầu hết các cánh của WT công suất lớn hiện nay sử dụng vật liệu GRP với cốt kim loại như trình bày trên hình 1.12 [6]

Diện tích quét gió phụ thuộc vào bề mặt và chiều dài cánh, vì thế số lượng cánh không phải là yếu tố quyết định hoàn toàn công suất của WT Trong thực tế, chúng ta

có thể gặp WT loại một, hai, ba hoặc nhiều cánh Tuy nhiên, trên phương diện kinh tế

và khí động lực học, số cánh của WT càng ít thì hiệu quả kinh tế càng cao nhưng trên phương diện cơ khí thì số cánh càng ít, khi quay nhanh sẽ càng mất cân bằng Loại

WT có một cánh khi hoạt động, sự phân bố lực của cánh vào trục và thân trụ không đều gây rung và phát tiếng ồn cao, tuổi thọ thấp Loại WT hai cánh có hiệu suất cao hơn loại WT một cánh khoảng 10% [6], nhưng khi hoạt động cũng gặp vấn đề tương

tự như đối với loại WT một cánh Loại WT ba cánh nhờ sự phân bố đều lực trong diện tích vùng quay nên giảm được rung và tiếng ồn khi hoạt động, tuổi thọ và công suất cải thiện 3-4% so với loại WT hai cánh Vì thế trong những năm gần đây, loại WT ba cánh đã dần thay thế loại WT một và hai cánh Việc sử dụng WT có bốn cánh hoặc nhiều hơn chỉ cải thiện được công suất từ 1 đến 2% so với WT ba cánh [6], nên nếu so sánh chi phí đầu tư và lắp đặt cánh với chi phí cải thiện công suất mang lại thì hiệu quả kinh tế không cao

Hình 1.12 Cấu tạo của cánh WT [6]

b Máy phát điện: Máy phát điện (MPĐ) có nhiệm vụ biến đổi cơ năng từ gió trên trục

rotor thành điện năng Có thể chia máy phát điện WT gió làm 2 loại kết cấu chính, đó là: loại có hộp số và loại không có hộp số [7]

Loại không có hộp số có ưu điểm chính là tua bin truyền động trực tiếp drive generator), giảm tổn hao và giảm khối lượng do hộp số gây nên Tuy nhiên, để khai thác gió yếu (tốc độ quay chậm) máy phát phải có số đôi cực nhiều khiến cho máy phát thường có đường kính lớn và chiều dài thân ngắn Đây là nhược điểm gây khó khăn cho việc thiết kế dạng khí động học của thùng Hiện tại còn rất ít nhà sản xuất máy phát công suất lớn sử dụng nguyên lý này

(direct-Loại có hộp số cho phép dễ dàng nâng tốc độ quay chậm (khi gió yếu) lên tốc độ quay thích hợp của máy phát Nhờ đó máy phát thường có số đôi cực ít (thường là 1 hoặc 2 đôi cực), kích thước máy phát nhỏ; dễ dàng thiết kế, chế tạo thùng chứa (nacelle) đặt trên cao với dạng khí động học thuận lợi Hầu hết các WT công suất lớn ngày nay thuộc loại này Vì thế, đối tượng nghiên cứu của luận án này là các WT công suất lớn loại có hộp số

Hiện nay người ta sử dụng một trong ba loại MPĐ gió sau:

- MPĐ không đồng bộ rotor lồng sóc (Squirrel Cage Induction Generator - SCIG)

- MPĐ không đồng bộ nguồn kép (Doubly Fed Induction Generator - DFIG)

- MPĐ đồng bộ kích thích từ trường vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Generator - PMSG)

c Hộp số: Hộp số có nhiệm vụ chuyển đổi tốc độ quay thấp của trục chính WT gắn

với các cánh sang trục rotor máy phát làm việc ở tốc độ cao Về cơ bản hộp số có hai bánh răng: bánh răng lớn trên trục chính gắn với các cánh quay ở tốc độ thấp (30 đến

60 vòng/phút) khớp với bánh răng nhỏ trên trục rotor đảm bảo rotor máy phát làm việc

đạt tốc độ cao (1200 đến 1500 vòng/phút) để phát điện

d Máy biến áp: Mỗi WT công suất lớn thường có một máy biến áp (MBA) tăng áp

làm nhiệm vụ nâng điện áp thấp (thường là 0,69kV) tại đầu cực MPĐ lên cấp trung áp (thường 22kV) của WF MBA của mỗi WT có thể được đặt trong thùng trên cột trụ (gần với MPĐ) hoặc cũng có thể được đặt phía dưới chân cột trụ

e Thùng: Thùng của WT được đặt trên hệ thống giá đỡ gắn với cột trụ, dùng để chứa

và bảo vệ toàn bộ các phần tử bên trong như: trục chính, hộp số, trục rotor, máy phát điện, phanh Ngoài ra, trên thân thùng (phía bên ngoài) có gắn bộ đo tốc độ gió, bộ cảm nhận hướng gió và đầu thu sét

f Cột trụ: Cột trụ dùng để đỡ cánh, thùng và các phần tử chính của WT ở độ cao

mong muốn và thường sử dụng loại cột thép rỗng hình trụ ống Để thuận tiện trong quá trình vận chuyển từ nhà máy tới công trình, ống thép thường được thiết kế chế tạo với các kích cỡ khác nhau dài từ 10 đến 20m sau đó được lắp thành cột trụ với độ cao phù hợp tại nơi xây dựng

1.3.2 Kết nối hệ thống điện gió

a Tua bin gió (WT)

Sơ đồ kết nối WT với lưới điện theo các MPĐ được trình bày dưới đây [7][8]:

- WT sử dụng MPĐ không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG) kết nối với lưới (grid) nhờ thiết bị biến đổi điện tử công suất với sơ đồ nguyên lý như trên hình 1.13

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý kết nối lưới của WT sử dụng loại máy phát SCIG

WT sử dụng MPĐ loại SCIG này, khi phát công suất tác dụng lên lưới cần tiêu thụ một lượng công suất phản kháng của lưới để tạo ra từ trường quay, làm lượng công suất phản kháng truyền tải trong lưới điện tăng lên, dẫn đến hệ số công suất của lưới điện giảm Do đó ở giữa máy phát SCIG và lưới điện phải lắp thêm bộ tụ bù công suất phản kháng

- WT sử dụng MPĐ không đồng bộ nguồn kép (DFIG) kết nối với lưới theo sơ đồ hình 1.14 Dòng năng lượng khai thác từ gió được lấy qua tua bin tới stator, sau đó chuyển trực tiếp lên lưới Việc điều khiển dòng năng lượng đó được thực hiện gián tiếp nhờ bộ nghịch lưu nằm ở phía mạch điện rotor

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý kết nối lưới của WT sử dụng loại máy phát DFIG

- WT sử dụng MPĐ đồng bộ kích thích từ trường vĩnh cửu (PMSG) được kết nối với lưới qua bộ biến đổi điện tử công suất nằm xen giữa stator và lưới (Hình 1.15)

Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý kết nối lưới của WT sử dụng loại máy phát PMSG

Năng lượng gió thông qua máy phát điện PMSG chuyển thành dòng điện xoay chiều trong cuộn dây stator có trị số và tần số thay đổi sẽ được đưa vào bộ biến đổi công suất Tại đây, nó được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều qua bộ biến đổi AC/DC, sau đó thông qua bộ biến đổi nghịch DC/AC để biến đổi thành dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp phát lên lưới Trong hệ thống này, việc điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng được thực hiện riêng biệt, linh hoạt thông qua

bộ biến đổi công suất toàn phần bên phía máy phát Với ưu điểm này, hiện nay xu hướng sử dụng máy phát PMSG trong hệ thống điện gió đang rất phát triển

Nhìn vào các sơ đồ nguyên lý kết nối WT với lưới theo ba loại máy phát điện ở trên, ta có thể chỉ ra điểm khác nhau quan trọng giữa 2 loại PMSG/SCIG so với DFIG Trong sơ đồ sử dụng PMSG/SCIG dòng năng lượng khai thác truyền trọn vẹn qua bộ biến đổi, do đó bộ biến đổi phải được thiết kế có công suất đúng bằng công suất của máy phát điện Trường hợp DFIG, bộ biến đổi nằm phía rotor và truyền qua đó chỉ là dòng năng lượng có chức năng điều khiển nên công suất của bộ biến đổi chỉ cần thiết

kế với công suất nhỏ (cỡ 1/3 công suất máy phát điện) [7] Do đó, giá thành của hệ sử dụng DFIG sẽ tương đối phải chăng so với 2 hệ còn lại Với ưu điểm này mà loại máy

phát DFIG trong hệ thống điện gió thường được lựa chọn sử dụng trong thực tế

b Trang trại gió (Wind Farm)

Để thuận tiện trong quản lý, vận hành và bảo dưỡng, đồng thời nâng cao hiệu quả truyền tải điện năng, các WT được xây dựng tập trung trên một khu vực thuận lợi

có tốc độ gió tốt tạo thành một WF Theo địa điểm lắp đặt, WF được chia thành hai loại cơ bản, đó là WF trên đất liền (Onshore Wind Farms, hình 1.16) và WF ngoài khơi (Offshore Wind Farms, hình 1.17)

Cả hai loại WF này đều có một số đặc điểm chung như sau:

- Mỗi WT có một MBA làm nhiệm vụ nâng điện áp thấp đầu cực máy phát điện (thường 0,69kV) lên cấp trung áp 22kV

- Đường dây cáp điện hạ áp 0,69kV kết nối MPĐ với MBA có chiều dài phụ thuộc vào vị trí lắp đặt MBA Trường hợp MBA đặt cùng MPĐ trong thùng thì chiều dài cáp chỉ khoảng trên dưới chục mét; còn trường hợp MBA tăng áp đặt phía dưới chân cột trụ thì chiều dài cáp thường trên 100 mét

Các đường dây trung áp (thường cấp điện áp 22kV) kết nối các MBA của mỗi WT với MBA trung gian 110kV (hoặc 220kV) sau đó kết nối với lưới điện quốc gia Với

WF trên đất liền, mạng điện trung áp có thể sử dụng đường dây trên không hoặc cáp ngầm, còn với WF ngoài khơi chỉ sử dụng đường dây cáp ngầm

Điểm khác biệt cơ bản giữa WF trên đất liền so với WF ngoài khơi là:

- Gió ngoài khơi mạnh, ổn định và ít xoáy hơn so với gió trên đất liền

- WF ngoài khơi không chiếm diện tích sử dụng đất và con người ít phải chịu ảnh hưởng của tiếng ồn hơn

- Tuy vậy, WT ngoài khơi phải chịu đựng điều kiện môi trường khắt nghiệt hơn như

độ sâu, đặc tính của nền biển, sóng (đặc biệt là sóng ngầm) và ăn mòn kim loại

H nh 16 WF trên đất liền Helpershain và Ulrichstein - Helpershain, Đức [6]

H nh 17 WF ngoài khơi Middelgrunden, Đan Mạch [82]

1.4 TỔNG QUAN HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TUA BIN GIÓ

1.4.1 Thế giới

Các WT có công suất càng lớn thì càng cao và do đó chúng càng dễ bị sét đánh Số liệu thống kê thực tế tại nhiều quốc gia đã vận hành hệ thống điện gió cho thấy, có khoảng (4 ÷ 10)% số lượng WT bị sét đánh hàng năm gây hư hỏng nhiều phần tử của

WT với tỷ lệ như trên biểu đồ hình 1.18 [45]

Hình 1.18 Biểu đồ tỷ lệ hư hỏng các phần tử của WT do sét

Trước thực tế này, nhiều nghiên cứu đề xuất phương án bảo vệ chống sét cho WT nói chung và cánh của WT nói riêng đã được công bố [24] [25] [27] [38] [64] [65] [66] [77] [100] Trên cơ sở các nghiên cứu này, năm 2002 Ủy ban kỹ thuật điện quốc

tế (International Electrotechnical Commission - IEC) đã đánh giá tổng hợp và đưa ra bản báo cáo kỹ thuật IEC/TR61400-24 [45]khuyến cáo thực hiện các biện pháp bảo vệ chống sét cho WT Năm 2010, IEC công bố tiêu chuẩn chính thức áp dụng bảo vệ chống sét cho WT là IEC 61400-24 [43] quy định cụ thể các biện pháp bảo vệ chống sét cho từng phần tử của WT Ví dụ để bảo vệ chống sét cho cánh WT có thể sử dụng bốn phương án lắp đặt thu sét khác nhau trên cánh là A, B, C hoặc D như trên hình 1.19 và cách tạo đường dẫn dòng điện sét qua các phần tử của WT xuống hệ thống nối đất được miêu tả chi tiết trong bảng 1.2

Hình 1.19 Các phương án bố trí bộ phận thu sét trên cánh WT [43]

Bảng 2 Đường dẫn sét của WT theo các phương án bố trí thu sét trên cánh [43]

A

Đầu thu sét (dạng thanh hoặc điểm hở) bố trí phía đầu cánh kết nối với vật dẫn đặt trong cánh xuống hệ thống nối đất qua vành trượt - chổi than và cột trụ

B Đầu thu sét dạng điểm hở được bố trí phía đầu cánh kết nối với vật dẫn đặt

trong cánh xuống hệ thống nối đất qua vành trượt - chổi than và cột trụ

C Đầu thu sét dạng vật dẫn hở viền xung quanh phía rìa cánh rồi kết nối

xuống hệ thống nối đất qua vành trượt - chổi than và cột trụ

D Đầu thu sét dạng lưới vật dẫn hở theo đường thẳng tại giữa cánh rồi kết nối

xuống hệ thống nối đất qua vành trượt - chổi than và cột trụ

Tiết diện tối thiểu của đầu thu và vật dẫn kim loại đặt hở hoặc kín trong cánh

WT được quy định trong bảng 1.3 [43]

Bảng 3 Quy định tiết diện tối thiểu của đầu thu và đường dẫn trong cánh WT [43]

Vật liệu dẫn điện Đầu thu (mm 2

Bảng 4 Định nghĩa các vùng bảo vệ chống sét (LPZs) của WT [43]

Vùng bên ngoài

LPZ0

Vùng phải chịu toàn bộ điện từ trường của phóng điện sét (điện từ trường sét chưa

bị suy giảm), các hệ thống bên trong phải chịu toàn bộ hoặc một phần dòng điện sét truyền qua

Vùng này được chia thành 2 vùng LP0A và LP0B dưới đây

LPZ0A

Vùng chịu phóng điện sét trực tiếp và toàn bộ điện từ trường sét Các hệ thống bên trong có thể phải chịu toàn bộ hoặc một phần dòng điện sét truyền qua

LPZ0B

Vùng được bảo vệ chống lại phóng điện sét trực tiếp nhưng phải chịu toàn bộ điện

từ trường sét Các hệ thống bên trong có thể phải chịu một phần dòng điện sét truyền qua

Vùng bên trong

LPZ1

Vùng dòng điện sét truyền đã được phân chia hạn chế bằng các thiết bị bảo vệ

chống sét (Surge Protective Devices - SPDs hay Chống sét van - CSV) Điện từ

trường sét trong không gian bảo vệ có thể suy giảm

LPZ2

Vùng dòng điện sét truyền tiếp tục được phân chia hạn chế bằng các thiết bị bảo

vệ chống sét (CSV) bổ sung Điện từ trường sét trong không gian bảo vệ tiếp tục suy giảm

Hình 1.20 và 1.21 sẽ chỉ rõ các phần tử của WT thuộc vùng bảo vệ chống sét cụ thể nào [43]

Hình 1.20 Mô hình quả cầu lăn xác định vùng sét đánh vào WT [43]

- Vùng bảo vệ LPZ0: Dựa vào phương pháp mô hình “Quả cầu lăn” (Hình 1.20),

người ta chia vùng này thành hai vùng khác nhau là LPZ0A và LPZ0B LPZ0A là vùng

bề mặt WT phải chịu phóng điện sét điện trực tiếp còn LPZ0B (các vùng màu xám trên hình 1.20) là vùng phóng điện sét không thể vươn tới Dưới chân WT thường có trạm biến áp (TBA) nên cũng có thể coi, phần bên ngoài TBA này thuộc vùng LPZ0B

- Vùng bảo vệ khác (Hình 1.21): Thùng (và vật dẫn bên trong), cột trụ, không gian bên

trong TBA thuộc vùng bảo vệ LPZ1, các phần tử kim loại bên trong các tủ điện hoặc

tủ điều khiển bên trong: thùng, cột trụ, TBA thuộc vùng bảo vệ LPZ2

Hình 1.21 Các vùng bảo vệ theo các phần tử của WT [43]

Để đảm bảo an toàn cho WT thì cần phải thực hiện các biện pháp hạn chế mức QĐA cảm ứng và lan truyền cho mỗi phần tử của WT trong một vùng nhất định không vượt quá khả năng chịu đựng được của chúng Biện pháp cơ bản và hiệu quả nhất nhằm hạn chế mức QĐA là sử dụng các thiết bị chống sét (SPD), thiết bị chống sét phổ biến hiện nay là chống sét van (CSV) Các SPD (hay CSV) được lắp đặt tại đường vào của mỗi vùng bảo vệ (LPZ1 và LPZ2), càng gần các phần tử - thiết bị cần bảo vệ càng tốt [43] Như vậy, các phần tử trong hệ thống điện và điều khiển của WT cần được lắp đặt SPD (CSV) bảo vệ

Hình 1.22 giới thiệu vị trí lắp đặt SPD (CSV) cho các phần tử (đặt trong thùng, cột trụ và dưới chân cột trụ) trong HTĐ&ĐK của WT theo các vùng bảo vệ [43]

Hình 1.22 Vị trí lắp đặt SPD (CSV) cho các phần tử (trong thùng, trong cột trụ và dưới chân

cột trụ) trong HTĐ&ĐK của WT theo các vùng bảo vệ khác nhau [43]

1.4.2 Việt Nam

Để tìm hiểu hệ thống bảo vệ chống sét cho các WT, tác giả đã tìm hiểu hồ sơ thiết kế một số dự án điện gió đã, đang và sẽ được triển khai lắp đặt tại Việt Nam và khảo sát trực tiếp dự án điện gió Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận (thuộc Công ty cổ phần năng lượng tái tạo Việt Nam) Về cơ bản các WT đều được trang bị hệ thống bảo vệ chống sét trực tiếp cũng như gián tiếp trên cơ sở khuyến cáo kỹ thuật IEC TR 61400-

24 [45] và tiêu chuẩn IEC 61400-24 [43]

a) Bảo vệ chống sét đánh trực tiếp

Hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp của WT gồm 3 bộ phận chính là: (1) đầu thu sét gắn trên đầu cánh và trên thùng, (2) hệ thống nối đất dưới chân cột trụ và (3) đường dẫn dòng điện sét từ cánh (thùng) xuống đất (Hình 2.23 và 2.24) [43] [45]

- Khi sét đánh vào đầu thu sét đặt trên thùng, dòng điện sét sẽ được dẫn qua vật dẫn trong thùng, qua cột trụ và tản xuống hệ thống nối đất (Hình 2.23)

Hình 1.23 Đường dẫn dòng điện sét của WT xuống hệ thống nối đất [43] [45]

- Khi sét đánh vào đầu thu sét đặt trên đầu cánh, dòng điện sét được dẫn qua: vật dẫn đặt trong cánh, vành trượt - chổi than, cột trụ và xuống hệ thống nối đất (Hình 1.24)

Hình 1.24 Đường dẫn sét từ cánh qua vành trượt - chổi than xuống nối đất của WT [45]

b) Bảo vệ chống sét cảm ứng và lan truyền

Để bảo vệ QĐA sét cảm ứng và lan truyền cho mỗi phần tử trong HTĐ&ĐK của

WT, người ta sử dụng các CSV Vị trí lắp đặt CSV bảo chống QĐA sét cảm ứng và lan truyền cho các phần tử, thiết bị của WT 1,5 ÷ 2MW hay được sử dụng tại Việt Nam được trình bày trên hình 1.25 [58]

Hình 1.25 Vị trí lắp đặt CSV bảo vệ chống QĐA sét cảm ứng và lan truyền cho các phần tử,

thiết bị của WT 1,5 ÷ 2MW [58] hay được sử dụng tại Việt Nam

1.5 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN

ÁN

WT có những đặc trưng riêng so với các công trình khác, đó là độ cao lớn, diện tích nằm gọn trong một khu vực nhất định, đầu thu sét luôn chuyển động, có nhiều thiết bị lực và thiết bị điều khiển gần nhau, do vậy nghiên cứu chống sét cho WT cũng

có những đặc trưng riêng Các nghiên cứu về chống sét cho WT cũng chỉ được tiến hành rộng rãi trong thập kỷ vừa qua Mục này, tác giả sẽ tổng hợp, đánh giá các nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án theo những chủ đề chính sau:

Các kết quả nghiên cứu sét trên thế giới những năm qua [16] [18] cho thấy:

- Phóng điện sét trong tự nhiên chủ yếu là từ đám mây hướng xuống công trình dưới mặt đất (phóng điện sét hướng xuống) Đối với công trình cao trên 100m, đôi khi còn xuất hiện thêm phóng điện sét hướng lên Tuy nhiên, biên độ dòng điện trong phóng điện sét hướng xuống lớn hơn nhiều so với phóng điện sét hướng lên Vì vậy, trong các nghiên cứu bảo vệ chống quá điện áp do sét cho các công trình người ta thường quan tâm đến dòng điện sét trong phóng điện hướng xuống

- Phóng điện hướng xuống chủ yếu thuộc loại cực tính âm (khoảng 90%), trong khi cực tính dương chiếm một tỷ lệ rất nhỏ (khoảng 10%) Tuy nhiên, dòng sét trong phóng điện hướng xuống cực tính dương có biên độ lớn hơn so với phóng điện hướng xuống cực tính âm

Nhìn chung, các tiêu chuẩn quốc tế (ví dụ, IEC 61400-24 [43], IEC 62305-1 [44], IEEE Std 1243-1997 [50]) đều sử dụng phân bố thống kê biên độ dòng điện sét của các đợt phóng điện sét hướng xuống [70] [91] [92] trên cơ sở số liệu nghiên cứu sét của Berger tại đỉnh núi Mont San Salvatore (Thụy Sỹ) trong hơn 8 năm (1963 - 1971) [18] và sau này dữ liệu tiếp tục được Kroninger, Anderson và Eriksson phân tích đánh giá đề cập trong các tài liệu [16] [54]

Hình 1.26 Xác suất tích lũy biên độ dòng điện trong phóng điện sét hướng xuống

(1) Phóng điện đợt đầu cực tính âm (2) Phóng điện đợt đầu cực tính dương (3) Phóng điện đợt đầu gồm cả cực tính âm và dương (4) Phóng điện kế tục cực tính âm

Phân bố thống kê biên độ dòng điện sét trong các lần phóng điện hướng xuống được tổng hợp trên hình 1.26 [91], trong đó số liệu thống kê xác suất xuất hiện biên độ dòng điện trong các đợt phóng điện sét hướng xuống được tổng hợp trong bảng 1.5

[43]

Bảng 5 Xác suất xuất hiện biên độ dòng điện sét trong phóng điện hướng xuống [43]

TT Phóng điện sét hướng xuống Xác suất xuất hiện (%) biên độ dòng điện sét (kA)

Xác suất tích lũy thời gian đầu sóng của phóng điện sét hướng xuống đợt đầu cực tính âm trình bày trên hình 1.27 [16]

Hình 1.27 Xác suất tích lũy thời gian đầu sóng của dòng sét phóng điện hướng xuống đợt

đầu cực tính âm [16]

Bằng việc lắp đặt các bộ cảm biến trên các WT tại một số WF ngoài khơi ở Châu

Âu (chủ yếu ở Đan Mạch) [78] [83] [86] [88] [89] và WF dọc bờ biển Nhật Bản [81] [98] để theo dõi biên độ dòng điện sét Kết quả theo dõi ở Châu Âu cho thấy, biên độ dòng điện sét trung bình khoảng 10kA [86] [88] [89], nhỏ hơn nhiều so với trị số biên

độ dòng điện sét ghi được từ dữ liệu của Berger, trung bình 31kA Sự sai khác này được nhận định rằng, các WT là công trình cao trên 100m nên xuất hiện nhiều phóng điện sét hướng lên với trị số dòng điện sét nhỏ

Biên độ dòng điện sét ghi lại được tại các WT dọc bờ biển Nhật Bản [81] [98] cho kết quả trung bình vào mùa đông khoảng 51kA, còn mùa hè khoảng 30kA lớn hơn

ở ngoài khơi Châu Âu Trước đó, một nghiên cứu sét trên đường dây tải điện trên không ở Nhật Bản có chiều cao 40 ÷ 100m (tương đương với chiều cao của WT công suất khoảng 0,2 ÷ 1,5 MW) cho kết quả biên độ dòng điện sét trung bình là 39kA [84] Cho đến nay các bộ dữ liệu quan sát sét liên quan đến hệ thống điện gió chưa thực sự đầy đủ và thống nhất, cần có những nghiên cứu kiểm chứng tiếp theo Phóng điện sét mang tính ngẫu nhiên, phụ thuộc vào điều kiện địa lý nơi lắp đặt công trình và đặc điểm của công trình đó Trong khi chưa có bộ dữ liệu phù hợp, việc lựa chọn các thông số của dòng điện sét trong nghiên cứu bảo vệ chống sét cho hệ thống điện gió vẫn nên lựa chọn theo các dữ liệu quan sát, đo lường và thống kê truyền thống đã được quốc tế và quốc gia chuẩn hóa

a) Cánh ở vị trí 30 0 so với trục hoành; b) Cánh ở vị trí 60 0 so với trục hoành

Bằng phương pháp mô phỏng số kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn, Madsen và Erichsen [60] đã tiến hành xác định vị trí sét đánh vào WT hiện đại loại ba cánh đặt cách đều nhau 2π/3 trong không gian Mô phỏng được thực hiện với bốn biên

độ dòng điện sét khác nhau: 60kA, 40kA, 20kA và 10kA khi các cánh WT ở hai vị trí:

300 và 600 so với trục hoành Trên các cánh và thùng WT, tác giả đánh dấu tổng cộng

18 điểm, ký hiệu bằng các chữ cái từ A đến R như trên hình 1.28

Bảng 6 Xác suất sét đánh vào các điểm đã đánh dấu của WT

Kết quả mô phỏng cho thấy, xác suất sét đánh chỉ tập trung tại điểm A và F phía đầu cánh WT (Bảng 1.6) trong khi các điểm khác hầu như không bị sét đánh, đặc biệt trong trường hợp biên độ dòng điện sét lớn

Bằng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình WT thu nhỏ đang làm việc với tốc quay của các cánh khác nhau (Hình 1.29), Radičević và cộng sự đã chỉ ra rằng gần như toàn bộ các phóng điện sét đều vào đầu thu sét gắn phía đầu các cánh

WT [20] [21]

Hình 1.29 Mô hình thực nghiệm xác định điểm sét đánh WT [21]

Một nghiên cứu xác định số lần sét đánh vào các vị trí khác nhau của WT công suất lớn cao 180m theo biên độ dòng điện sét khác nhau (5 ÷ 100kA) trên chương trình mô phỏng số RSPHERE [36] cho thấy, khoảng 90% phóng điện sét đánh vào cánh, 7% sét đánh vào thùng và còn lại (3%) sét đánh vào cột trụ Trường hợp sét đánh vào thùng hoặc cột trụ chỉ xuất hiện khi biên độ dòng điện nhỏ hơn 20kA Một

số nghiên cứu khác [19] [61] cũng cho ta thấy rằng, sét đánh vào WT chủ yếu tập trung vào cánh và đặc biệt là phía đầu cánh

Các nghiên cứu nhằm xác định vị trí sét đánh vào WT góp phần đáng kể trong việc thiết kế hệ thống bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho các WT trong những năm qua và đã được cụ thể hóa trong tiêu chuẩn IEC 61400-24 [43]

1.5.3 Xác định số lần sét đánh trực tiếp WT

Tiêu chuẩn IEC 61400-24 [43] sử dụng phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp WT giống như công trình tĩnh có chiều cao lớn nhất h không đổi gồm chiều cao cột trụ Ht và chiều dài cánh Hb (khi vị trí một trong ba cánh vuông góc với mặt đất) Diện tích thu hút sét tương đương trên mặt đất của WT là một hình tròn có bán kính (r

= 3h) và tâm là chân cột trụ WT [43] Từ đó xác định được số lần sét đánh trực tiếp vào WT trung bình hàng năm Cách xác định số lần sét đánh vào WT như vậy sẽ chỉ cho kết quả gần đúng vì thực tế các cánh WT liên tục quay nên nó sẽ quét một cung tròn so với đất, tức là cánh WT không thể là một điểm mà phải là một tập hợp điểm nằm trên một cung tròn Do đó, diện tích thu hút sét tương đương của WT trên mặt đất không chỉ là một hình tròn mà nó còn có thêm diện tích quét của các cánh WT Bởi vậy kết quả tính toán xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT hàng năm theo đề xuất trong tiêu chuẩn IEC 61400-24 chưa thật sự chính xác

Kazuo Yamamoto và Tadashi Sakata [57] đề xuất phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT sử dụng cột thu sét độc lập đặt bên cạnh dựa trên lý thuyết

mô hình điện hình học (Electro Geometrical Method - EGM) Đề xuất này chỉ sử dụng

để tính toán xác định số lần sét đánh trực tiếp WT sử dụng cột thu sét độc lập đặt bên cạnh mà ngày nay rất hiếm gặp trong thực tế

Dolan và các cộng sự [26] đề xuất một phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT có đầu thu sét gắn tại đầu các cánh Phương pháp đề xuất dựa trên cơ sở

mô hình điện hình học (EGM), xét đến sự thay đổi tổng chiều cao của WT (gồm chiều cao cột trụ Ht và chiều dài cánh Hb) Phương pháp được các tác giả ứng dụng để xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT loại V29-0,225MW (Ht = 30m, Hb = 14,5m) và V47-0,66MW (Ht = 40m, Hb = 23,5m) lắp đặt tại Đan Mạch Hạn chế của phương pháp là chưa xét đến hệ số địa hình lắp đặt WT khác nhau (trên đất liền bằng phẳng hay vùng đồi núi và ngoài biển khơi) Bên cạnh đó, phương pháp này chưa xác định được số lần sét đánh trực tiếp vào các WT có công suất lớn hơn (ứng với kích thước lớn hơn) lắp đặt tại các vùng có mật độ sét khác nhau

Những lý do trên đây cho thấy, vấn đề xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT trung bình hàng năm phù hợp với các công trình động như WT (các cánh luôn chuyển động trong quá trình làm việc) vẫn cần phải được nghiên cứu, so sánh, đánh giá

1.5.4 Nghiên cứu QĐA cảm ứng và lan truyền trong HTĐ&ĐK của WT và WF

Nghiên cứu QĐA sét cảm ứng và lan truyền trong hệ thống điện gió có một ý nghĩa hết sức quan trọng, giúp đề ra các biện pháp phối hợp bảo vệ một cách phù hợp, góp phần đảm bảo hệ thống điện gió vận hành liên tục, giảm thiểu thiệt hại về kinh tế

do phải khắc phục sự cố và chi phí trong thời gian dừng hoạt động để khắc phục sự cố Các nghiên cứu liên quan đến vấn đề này trong các tài liệu [15] [29] [31] [55] [56] [59] [62] [63] [53] [71] [72] [73] [87] [94] [95] [96] [97] [99] [101] có thể chia thành hai nhóm chủ đề chính, đó là: a) Nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của

WT và b) Nghiên cứu QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF

Luận án sẽ tóm lược một số nghiên cứu tiêu biểu đã được công bố theo hai nhóm chủ đề vừa nêu, từ đó phân tích đánh giá những điểm còn tồn tại, đề ra hướng nghiên cứu tiếp theo

a Nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT

Như minh họa trong hình 1.11, các phần tử, thiết bị trong HTĐ&ĐK của WT công suất lớn gồm máy phát điện (MPĐ) và các bộ cảm biến (đo tốc độ, hướng gió) được thiết kế lắp đặt phía đỉnh cột trụ; còn máy biến áp (MBA), bộ biến đổi điện tử công suất, tủ điện (TĐ) và tủ điều khiển (TĐK) có thể được thiết kế - bố trí lắp đặt theo các phương án sau:

(i) MBA, TĐ&TĐK lắp đặt phía chân cột trụ;

(ii) MBA, TĐ lắp đặt trong thùng cùng với MPĐ, còn TĐK lắp đặt phía chân cột trụ; (iii) MBA, TĐ&TĐK lắp đặt trong thùng trên đỉnh cột trụ cùng với MPĐ

Để liên kết giữa các phần tử - thiết bị của WT, người ta sử dụng các đường cáp (cáp điện lực và điều khiển) đi trong thùng và / hoặc bên trong cột trụ thép rỗng Trong những năm gần đây nhiều nghiên cứu được công bố nhằm đánh giá sự nguy hiểm của QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT [53] [59] [101] Nhìn chung, các nghiên cứu này đều thực hiện trên đối tượng WT có thiết kế, bố trí: MBA, TĐK dưới chân cột trụ bằng thép rỗng; trong cột trụ lắp đặt đường cáp điện và cáp điều khiển Trên đường dẫn dòng điện sét qua cột trụ thép, Zhao và Wang [101] đã đề xuất một mô hình mạch điện tương đương với các thông số phân rải cho nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT Tiếp sau đó Liu và cộng sự [59] phát triển mô hình mạch điện tương đương này để xem xét sự phân bố QĐA sét cảm ứng lan truyền trong các vòng dây stator của MPĐ Kết quả nghiên cứu cho thấy, điện áp

lớn nhất xuất hiện tại vòng dây cuối cùng hoặc gần điểm trung tính của cuộn dây stator Điện áp rơi lớn nhất xuất hiện tại vòng dây đầu tiên và giảm dần đến cuộn cuối cùng Các điện áp này có thể gây nguy hiểm cho cách điện của máy phát điện Khi không lắp đặt CSV tại đầu cực máy phát điện, QĐA sét cảm ứng - lan truyền trên vòng dây cuối cùng lên đến 19,5kV, nhưng khi CSV lắp đặt tại đầu cực MPĐ thì điện

áp trên vòng dây này giảm xuống chỉ còn 2,7kV (với dòng sét 200kA-10/350μs) Qua đây các tác giả khuyến cáo rằng, để hạn chế QĐA sét cảm ứng - lan truyền nguy hiểm cho cách điện của cuộn dây stator nhất thiết phải lắp đặt CSV tại đầu cực MPĐ của

WT

Jheng và các cộng sự tiếp tục ứng dụng mô hình mạch tương đương này để nghiên cứu đánh giá QĐA sét cảm ứng trong hệ thống điều khiển của WT 1,5MW lắp đặt, vận hành tại Đài Loan [53] Các tác giả đã mô phỏng xác định điện áp cảm ứng

do sét tác động lên: lớp cách điện cáp điều khiển; thiết bị điều khiển và điện áp trên cách điện giữa cột trụ với đường dây điều khiển Trong mô phỏng, các tác giả giả thiết biên độ dòng điện sét 28kA và 42kA (cùng dạng sóng 8/20μs) và xem xét hai hình thức nối đất (chung và riêng) giữa cột trụ WT với lớp kim loại bảo vệ cáp khi trị số điện trở nối đất khác nhau 1Ω, 5Ω và 10Ω Kết quả mô phỏng cho thấy rằng: QĐA sét cảm ứng trên cách điện trong hệ thống điều khiển của WT phụ thuộc rất lớn vào hình thức nối đất và trị số điện trở nối đất Điện áp giữa cột trụ với cáp điều khiển rất lớn (từ 1,3 đến 2,3MV) có thể dẫn đến phóng điện chọc thủng lớp cách điện không khí giữa cột trụ với đường cáp điều khiển Do đó, khoảng cách lắp đặt đường cáp đi song song bên trong cột trụ cần phải được tính toán sao cho không dẫn đến phóng điện trong không khí

Rodrigues và các cộng sự [71] [72] [73] đã mô phỏng xem xét QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT khi sét đánh vào cánh (dòng điện sét 10kA_10/350μs) với giả thiết điện trở nối đất của WT có trị số 1Ω Kết quả cho thấy, khi không lắp đặt CSV ở bất cứ vị trí nào trong mạch thì biên độ QĐA sét cảm ứng tại phía thứ cấp của MBA tăng áp (cấp điện lên lưới) và MBA tự dùng (cấp điện cho hệ thống ĐK) của

WT có trị số khoảng 80kV Còn khi CSV được lắp đặt tại trung tính của các MBA, biên độ QĐA sét cảm ứng suy giảm đáng kể, từ 80kV xuống còn khoảng 6kV Tuy vậy, điện áp 6kV vẫn cao hơn so với điện áp dư 1,5kV của CSV trong mạch ĐK, do

đó các tác giả đề xuất giảm thấp điện trở nối đất để đảm bảo QĐA nhỏ hơn trị số 1,5kV

Bằng thí nghiệm trên mô hình WT thu nhỏ 3/300 so với loại WT thực có chiều dài cánh 25m và chiều cao cột trụ 50m, Yamamoto cùng cộng sự [55] [56] [94] đã xem xét, đánh giá sự phân bố điện thế sét cảm ứng sang đường cáp điện (và/hoặc cáp điều khiển) của WT ứng với hai vị trí dòng sét (trị số 1A với thời gian đầu sóng khác nhau: 4ns, 10ns, 20ns hoặc 60ns còn thời gian sóng là 70μs) được bơm vào cánh (A)

và dòng sét được bơm vào thùng (B) của WT trong các trường hợp điện trở nối đất của WT là 0Ω, 9,4Ω và 20Ω Các điện áp: giữa cột trụ với lõi cáp (V11), giữa cột trụ với lớp kim loại bảo vệ cáp (V12) và giữa lõi và lớp kim loại bảo vệ cáp (V14) được các tác giả đo lường, so sánh chi tiết và chỉ ra rằng:

- Biên độ điện áp V11 đến V14 trong hai trường hợp A (bơm dòng sét vào cánh) và B (bơm dòng sét vào thùng) không có sự sai khác đáng kể

- Sự gia tăng điện áp V11 đến V14 phụ thuộc rất lớn vào trị số điện trở nối đất và thời gian đầu sóng của dòng điện sét, đặc biệt là trị số điện trở nối đất

b Nghiên cứu QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF

Nguyên nhân gây ra QĐA sét lan truyền nguy hiểm trong lưới điện WF có thể do: i) sét đánh trực tiếp vào WT hoặc ii) sét đường dây trung áp trên không kết nối

WF với lưới điện truyền tải (hoặc lưới điện địa phương)

i) Khi sét đánh trực tiếp vào WT, trên đường dẫn dòng điện sét xuống đất đi qua cột

trụ thép rỗng sẽ phát sinh QĐA sét cảm ứng sang đường cáp điện đi trong cột trụ như

đã nêu ở mục 1.5.4a hoặc khi dòng điện sét tản xuống hệ thống đất của WT Nếu điện

áp đủ lớn, một phần dòng điện sét sẽ xông ngược trở lại lưới (“back - flow”) qua một trong các đường sau:

- Từ hệ thống nối đất qua CSV chạy ngược lên hệ thống gây QĐA trên MBA (cả phía

sơ cấp và thứ cấp của MBA), MPĐ và lan truyền trong lưới điện WF

- Phóng điện có thể xảy ra ở lớp không khí giữa đường dẫn sét trong cột trụ sang đường cáp điện gần đó, làm cho dòng điện sét chạy thẳng vào hệ thống điện của WT

và lan truyền trong lưới điện WF

Các nghiên cứu đã công bố liên quan đến vấn đề này được tổng hợp, đánh giá dưới đây:

Yasuda và Funabashi [95] [96] [97] [99] phân tích QĐA sét trong điều kiện sét mùa hè và sét mùa đông trong lưới điện WF (gồm các WT liên kết với nhau cấp điện lên lưới trung áp 6,6kV) Dòng điện sét được sử dụng nghiên cứu là giá trị trung bình

mùa hè 30kA (2/70μs), còn mùa đông 51kA (2/631μs) Nghiên cứu [97] xem xét QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF gồm 10WTx1MW với loại sét mùa hè ở Nhật Bản Kết quả nghiên cứu cho thấy QĐA không chỉ gây nguy hiểm cho WT bị sét đánh mà còn gây nguy hiểm cho các WT khác trong WF do QĐA sét lan truyền Lựa chọn thiết

bị bảo vệ phù hợp cũng là một hướng quan trọng trong các nghiên cứu về QĐA Các nghiên cứu [95] [96] [99] mô phỏng năng lượng hấp thụ trong các CSV lắp đặt trong lưới điện trung áp 6,6kV của WF khi WT gần và WT xa lưới hệ thống 66kV nhất bị sét đánh Kết quả mô phỏng cho thấy, năng lượng hấp thụ trong các CSV phụ thuộc vào dòng điện sét mùa hè và mùa đông [95] [96], đồng thời phụ thuộc đường dây trên không 6,6kV có treo dây chống sét hay không treo dây chống sét [99] Sét mùa đông nguy hiểm hơn (mức năng lượng hấp thụ trong các CSV lớn hơn) so với sét mùa hè (do biên độ và thời gian sóng của dòng điện sét mùa đông lớn hơn so với sét mùa hè) Badran và cộng sự [31] phân tích hiện tượng “back flow” trong WF gồm 2WT nối với nhau cấp điện lên lưới hệ thống 66kV qua đường dây trên không 6,6kV Các tác giả so sánh dòng điện qua các CSV lắp đặt tại phía sơ cấp cũng như thứ cấp của các MBA WT (0,66/6,6kV) và MBA WF (6,6/66kV) - nối với lưới hệ thống trong các trường hợp phóng điện sét cực tính dương và cực tính âm vào WT1 (gần lưới hệ thống hơn so với WT2) Kết quả cho thấy, khi nối đất của WT1, WT2 và lưới hệ thống sử dụng mô hình điện trở nối đất phi tuyến, dòng điện sét qua các CSV nhỏ hơn đáng kể

so với khi sử dụng mô hình điện trở nối đất không đổi Tuy nhiên, trong cả hai trường hợp sử dụng hai mô hình điện trở nối đất kể trên thì dòng điện chạy qua các CSV (hay năng lượng hấp thụ trong các CSV) vẫn lớn hơn mức giới hạn nhiệt Khi sử dụng hệ thống nối đất chung giữa các WT trong WF thì dòng điện qua các CSV giảm đi đáng

kể và dễ dàng đảm bảo được dòng điện qua các CSV thấp hơn mức giới hạn nhiệt Ngoài những nghiên cứu kể trên, còn có một số nghiên khác xem xét sự ảnh hưởng của một số yếu tố khác (ví dụ: điện trở suất của vùng đất lắp đặt WF [62] [63], cấu hình kết nối các WT [29] [87], mô hình CSV [15]) đến QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF do hiện tượng “back flow” gây ra

ii) Khi sét đánh vào đường dây trung áp trên không, do mức cách điện của đường dây

thấp nên cho dù sét đánh vào dây chống sét (DCS) hay dây pha đều có thể gây phóng

điện trên chuỗi cách điện Dòng điện sét lớn tản vào trong đất qua hệ thống đất của phía thứ cấp MBA (22kV) xông ngược lên hệ thống sơ cấp của MBA (0,69kV) gây ra QĐA lan truyền trong lưới điện WF Sekioka và Funabashi [79] đã mô phỏng, nghiên

cứu sự ảnh hưởng của điện trở nối đất WT đến QĐA lan truyền trong WF khi sét đánh trực tiếp vào DCS của đường dây phân phối trung áp trên không 6,6kV kết nối WF với lưới hệ thống Kết quả cho thấy, ở trị số điện trở nối đất của các WT không ảnh hưởng nhiều đến dạng sóng QĐA sét lan truyền trong WF nhưng sự gia tăng điện thế tại hệ thống nối đất sẽ càng cao khi trị số điện trở nối đất càng lớn

 Dòng điện sét sử dụng các thông số trung bình, chưa xét đến ảnh hưởng của biên

độ, thời gian đầu sóng Trong khi các thông số này của dòng điện sét đều mang tính thống kê và có thể có trị số khác nhiều với trị số trung bình

 Các nghiên cứu chưa rõ ràng về mục đích nghiên cứu phối hợp cách điện hay nghiên cứu chọn CSV phù hợp trong trường hợp QĐA sét Vì thế dạng sóng dòng điện sét sử dụng không thống nhất (10/350μs, 8/20μs, 2/70μs hoặc 2/631μs), trong khi dạng sóng dòng điện sét cơ bản để phối hợp cách điện là 1,2/50μs không được

đề cập

 Chưa làm rõ sự ảnh hưởng của vị trí lắp đặt: MBA, tủ điều khiển, đường cáp điện

và cáp điều khiển so với cột trụ, hệ thống nối đất đến QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT

 Chưa xét đến ảnh hưởng của vị trí sét đánh WT, vị trí sét đánh đường dây trung áp trên không nối WF với lưới hệ thống (hoặc phụ tải địa phương), ảnh hưởng của phương thức kết nối (topology) WT và hệ thống nối đất của WF đến trị số QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF

 Lưới điện trung áp Việt Nam sử dụng cấp điện áp 22kV, vì thế các tham số của CSV, MBA, cách điện, chiều cao cột điện cũng khác so với các nghiên cứu trước đây thường là ở cấp điện áp 6,6kV

Các lý do trên đây cho thấy vấn đề nghiên cứu QĐA sét trong HTĐ&ĐK của

WT và nghiên cứu QĐA sét lan truyền trong WF vẫn cần được xem xét, từ đó đề ra các biện pháp phối hợp cách điện nhằm góp phần nâng cao độ tin cậy, an toàn hơn cho các phần tử của WT (WF), đặc biệt là các WT (WF) đặc thù của Việt Nam

1.6 KẾT LUẬN

Trong chương 1, tác giả đã thực hiện được một số nghiên cứu sau:

1) Tổng hợp, đánh giá tình hình phát triển năng lượng gió trên thế giới và Việt Nam

- So với các nguồn năng lượng tái tạo khác, năng lượng gió là nguồn năng lượng rất tiềm năng, dễ khai thác trên quy mô lớn, thân thiện với môi trường và ít gây ảnh hưởng xấu về mặt xã hội nên được nhiều quốc gia quan tâm phát triển

-Việt Nam là quốc gia có tiềm năng điện gió lớn nhất khu vực Đông Nam Á và đã

có những chính sách thúc đẩy phát triển hệ thống điện này Tính đến thời điểm hiện tại, Việt Nam có 3 dự án điện gió (Tuy Phong, Bạc Liêu và Phú Quý) đã hoàn thành giai đoạn I cùng với nhiều dự án được đăng ký, xúc tiến xây dựng trên toàn quốc Trong tương lai, đây sẽ là một nguồn điện năng đáng kể trong hệ thống điện quốc gia

2) Tìm hiểu, đánh giá tổng quan công nghệ điện gió

- Hiện có khoảng 90% WT thương mại công suất lớn sử dụng trên thế giới cũng như tại Việt Nam là loại WT trục ngang (HAWT) có 3 cánh, do đó tác giả đã lựa chọn loại WT này làm đối tượng nghiên cứu trong luận án

- Các WF gồm nhiều WT công suất lớn kết nối với nhau cấp điện lên lưới điện hệ thống hoặc lưới điện địa phương Mỗi WT có một MBA tăng áp làm nhiệm vụ nâng điện áp thấp tại đầu cực máy phát lên cấp điện áp phù hợp với lưới điện phân phối của WF trước khi kết nối lưới điện hệ thống hoặc lưới điện địa phương

3) Tổng hợp, đánh giá các nghiên cứu quá điện áp sét và bảo vệ chống sét cho các

WT

- Dữ liệu đo lường thống kê thông số phóng điện sét đối với các WT chưa thật sự đầy đủ và thống nhất Vì thế, việc lựa chọn các thông số dòng điện sét trong nghiên cứu bảo vệ chống sét cho các WT vẫn nên dựa vào các dữ liệu đánh giá, thống kê truyền thống đã được quốc tế chuẩn hóa

- Bằng phương pháp thống kê và mô phỏng trên mô hình, các nghiên cứu xác định

vị trí sét đánh vào WT cho thấy hầu hết sét đánh vào cánh - bộ phận cao nhất của

WT Vì thế, để bảo vệ chống sét đánh trực tiếp cho WT, người ta chủ yếu lắp đặt đầu thu sét tập trung ở đầu các cánh và tạo đường dẫn dòng điện sét bên trong cánh xuống hệ thống nối đất phía chân cột trụ

- Mặc dù vấn đề xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT đã được một số cá nhân

và tổ chức quốc tế đã nghiên cứu đề xuất, tuy nhiên các nghiên cứu chưa xem xét đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng đến số lần sét đánh trực tiếp vào WT và chưa áp dụng tính toán áp dụng cho các đối tượng WT công suất lớn Vì thế, luận án này sẽ đánh giá đề xuất sử dụng phương pháp hợp lý trên cơ sở phân tích lý thuyết và kết quả tính toán so sánh số lần sét đánh trực tiếp vào WT có công suất lớn (ứng với kích thước) khác nhau lắp đặt tại các vùng có mật độ sét khác nhau trên lãnh thổ Việt Nam

- Nghiên cứu QĐA sét cảm ứng và lan truyền trong hệ thống điện gió là một trong những nội dung quan trọng để đề ra biện pháp phối hợp bảo vệ các phần tử - thiết

bị hệ thống an toàn và hiệu quả Mặc dù vấn đề này đã được rất nhiều các cá nhân

và tổ chức quốc tế nghiên cứu trong những năm gần đây, tuy nhiên thường chỉ xem xét một vài yếu tố ảnh hưởng tới QĐA sét trong hệ thống điện gió (gồm WT và WF) Luận án tiếp tục làm rõ và đầy đủ hơn sự ảnh hưởng của các yếu tố đến QĐA sét cảm ứng và lan truyền trong hệ thống điện này

- Việt Nam chưa có nghiên cứu nào đáng kể liên quan đến các vấn đề này

Các lý do trên đây một lần nữa cho thấy việc nghiên cứu QĐA sét và bảo vệ chống sét cho WT có kết nối lưới điện đặc thù của Việt Nam vẫn hết sức cần thiết trên

cả phương diện lý luận và thực tiễn