Nghiên cứu quá điện áp sét và bảo vệ chống sét cho tua bin gió có kết nối lưới điện

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

MỞ ĐẦU

Trong các nguồn năng lượng tái tạo như mặt trời, gió, sinh khối, sóng biển, thủy triều, thủy điện nhỏ, địa nhiệt 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, các tua bin điện gió (WT) là công trình cao, thường được lắp đặt ở địa hình trổng trải nên chúng rất bị sét đánh 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 quá điện áp (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 đối với các WT gió đã được nhiều tổ chức và cá nhân quốc tế quan tâm nghiên cứu 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

Các lý do trên đây cho thấy việc “Nghiên cứu quá điện áp sét và bảo vệ chống sét cho tua bin gió có kết nối lưới điện” là một yêu

cầu cấp thiết trên cả phương diện lý luận và thực tiễn Đặc biệt với Việt Nam, quốc gia đang thúc đẩy phát triển mạnh mẽ nguồn năng lượng gió, nhu cầu làm chủ các kỹ thuật chống sét cho các WT cũng như việc đào tạo chuyên gia trong lĩnh vực này

Mục đích của luận án nhằm i) Tìm hiểu các đặc trưng cơ bản của

WT và các phương pháp tính toán chống sét cho các WT; ii) Xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT phù hợp với công trình động (đầu thu sét gắn trên cánh quay trong gió khi làm việc); iii) Nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong hệ thống điện và hệ thống điều khiển (HTĐ&ĐK) của WT, nghiên cứu QĐA sét lan truyền trong trang trại gió (WF); từ đó iv) Đề xuất các biện pháp phối hợp cách điện để hạn chế QĐA sét đối với WT và trong WF

Header Page 1 of 148.

Footer Page 1 of 148.

Luận án được trình bày trong 4 chương:

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT

- Chương 3: Phân tích QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT

- Chương 4: Phân tích QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan tình hình phát triển điện gió thế giới và Việt Nam

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 Tốc

độ tăng trưởng tích lũy công suất điện gió thế giới bình quân trong hơn chục năm gần đây luôn đạt 19,2%/năm Với tốc độ tăng trưởng này, Hiệp hội năng lượng gió thế giới (WWEA) dự báo công suất điện gió toàn cầu đến cuối năm 2020 có thể đạt 1500GW

Việt Nam được xem là quốc gia có tiềm điện năng gió lớn nhất khu vực Đông Nam Á với tổng tiềm năng lý thuyết ước đạt khoảng 513.360MW Tính đến năm 2013, đã có trên 50 dự án điện gió đã được đăng ký tập trung tại 13 tỉnh thành từ Bắc vào Nam với tổng công suất trên 5.000MW, trong đó 3 dự án điện gió Tuy Phong 20WT x 1,5MW (giai đoạn I), Bạc Liêu 10WT x 1,6MW (giai đoạn I) và Phú Quý 3WT x 2MW đã đưa vào vận hành

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) 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

1.2 Công nghệ điện gió

Những năm gần đây công nghệ điện gió thế giới liên tục phát triển liên tục cả về công suất lẫn chiều cao Tính đến cuối những năm

1980 đầu những năm 1990 các nhà sản xuất WT hàng đầu thế giới mới chỉ chế tạo được WT thương mại công suất đến 55kW với chiều cao (gồm cánh và cột trụ) chưa đến 40m, nhưng vài năm trở lại đây họ đã có thể sản xuất được WT công suất lớn đến 10MW với chiều cao xấp xỉ 200m

Các WT có nhiều hình dáng khác nhau, tuy nhiên nếu phân loại theo cấu hình trục quay của cánh thì chỉ gồm 2 loại WT cơ bản là: trục đứng và trục ngang Hiện 90% các WT thương mại công suất lớn Header Page 2 of 148.

Footer Page 2 of 148.

đang sử dụng trên thế giới có thiết kế dạng trục ngang 3 cánh đối xứng cách đều trong không gian một góc 2π/3, vì sự sắp xếp của các

1.3 Tình hình nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT

Giai đoạn trước năm 1990, việc nghiên cứu bảo vệ chống sét cho

WT chưa thực sự được quan tâm là bởi các WT có công suất nhỏ - chiều cao thấp, tỷ lệ sét đánh và thiệt hại do sét không đáng kể Tuy nhiên sau thời điểm này, các nhà sản xuất điện gió hàng đầu thế giới

đã chế tạo được các WT công suất lớn đến hàng MW - chiều cao trung bình trên 100m, khi đưa vào vận hành tại các dự án lớn rất nhiều WT bị sét đánh gây thiệt hại không nhỏ về kinh tế và sự ổn định hệ thống thì vấn đề nghiên cứu bảo vệ chống sét cho các WT mới thực sự được quan tâm nghiên cứu Các nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT có thể chia thành các nhóm chủ đề chính sau:

- Thống kê thông số dòng điện sét liên quan đến WT cho nghiên cứu bảo vệ chống sét các WT phù hợp, hiệu quả

- Xác định vị trí sét đánh vào WT để từ đó khuyến cáo vị trí lắp đặt đầu thu sét cho WT hợp lý

- Xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT để dự báo, đánh giá rủi

ro do sét đối với các phần tử, thiết bị của WT

Hình 1.11 Cấu tạo của WT trục ngang

cánh theo thiết kế này cho

phép tua bin luôn luôn tương

tác đầy đủ với gió, ít gây tiếng

ồn khi làm việc, cải thiện

được hiệu suất hơn nhiều so

- QĐA cảm ứng và lan truyền trong HTĐ&ĐK của WT và lưới điện

WF để từ đó khuyến cáo các biện pháp phối hợp cách điện đảm bảo

an toàn cho các phần tử, thiết bị trong hệ thống điện gió

Hình 1.25 Vị trí lắp đặt CSV bảo vệ chống QĐA sét cho các phần tử, thiết

bị trong HTĐ&ĐK của WT 1,5 ÷ 2MW hay được sử dụng ở Việt Nam

Hình 1.23 Đường dẫn dòng điện

sét của WT xuống hệ thống nối đất

Sau khi tổng hợp, đánh giá các

nghiên cứu liên quan, Ủy ban kỹ

thuật điện quốc tế (IEC) đã đưa ra

báo cáo kỹ thuật IEC/TR

61400-24 (2002) và sau này là tiêu chuẩn

IEC 61400-24 (2010) khuyến cáo

thực hiện các biện pháp bảo vệ

chống sét cho WT cụ thể như sau:

Trong quá trình tìm hiểu, tác giả nhận thấy:

- Nhìn chung các nghiên cứu liên quan đến việc xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT thường coi đối tượng là công trình tĩnh, trong khi thực tế là công trình động (đầu thu sét được gắn trên cánh luôn chuyển động) hoặc có xét đến đặc điểm này nhưng đối tượng nghiên cứu là WT công suất nhỏ và chưa xét đến địa hình lắp đặt WT

- Việc nghiên cứu QĐA sét trong hệ thống điện gió thì mỗi nghiên cứu sử dụng mỗi đối tượng WT khác nhau do đó kích thước cột trụ, cáp điện, cáp điều khiển cũng khác Chưa rõ ràng về mục đích phối hợp cách điện hay chọn CSV phù hợp với QĐA sét, do đó dạng sóng dòng điện sét trong các nghiên cứu chưa thống nhất (10/350μs, 8/20μs hoặc 2/70μs), trong khi dạng sóng cơ bản để phối hợp cách điện 1,2/50μs không được đề cập Chưa làm rõ sự ảnh hưởng của vị trí lắp đặt MBA, TĐK, các đường cáp (điện và cáp điều khiển), của điện trở nối đất đến trị số QĐA cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT Chưa xét đến ảnh hưởng của vị trí sét đánh (các WT khác nhau hoặc đường dây trung áp trên không nối lưới

hệ thống hoặc lưới điện địa phương với WF), của phương thức kết nối các WT và hệ thống nối đất đến trị số QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF Lưới điện trung áp Việt Nam sử dụng cấp điện áp 22kV, trong khi các tham số của CSV, MBA, cách điện, chiều cao cột điện của các nghiên cứu trước đây thường là ở cấp điện áp 6,6kV

Với các lý do trên đây, luận án sẽ đánh giá đề xuất phương pháp

số lần sét đánh trực tiếp vào WT - công trình động, đồng thời đi sâu làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến QĐA sét trong HTĐ&ĐK của

WT và QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF Các nội dung nghiên cứu này của luận án được tác giả ứng dụng xem xét trên đối tượng là các WT (WF) điển hình đang được lắp đặt tại Việt Nam

1.5 Kết luận

Chương này, tác giả đã thực hiện được một số công việc sau: 1) Tổng hợp tình hình phát triển điện gió thế giới và Việt Nam cũng như tình hình phát triển công nghệ điện gió những năm gần đây 2) Tổng hợp, đánh giá các nghiên cứu bảo vệ chống sét cho WT liên quan đến đề tài Từ đó chỉ ra những nội dung mà luận án cần tiếp tục giải quyết

Header Page 5 of 148.

Footer Page 5 of 148.

Chương 2 XÁC ĐỊNH SỐ LẦN SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP

VÀO TUA BIN GIÓ

Chương này, tác giả sẽ trình bày khái quát về lý thuyết mô hình điện hình học (EGM), phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp

WT theo đề xuất của IEC (Phương pháp IEC) và Dolan (Phương pháp EGM) Sau đó tác giả sử dụng phương pháp EGM xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT có kích thước khác nhau lắp đặt tại các

dự án điện gió Việt Nam Trên cơ sở so sánh kết quả tính toán, tác giả đề xuất sử dụng phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp

- Khoảng cách phóng điện sét vào công trình S (m) phụ thuộc vào biên độ dòng điện sét I (kA) theo công thức:

S = 10.I0,65

- Diện tích thu hút sét tương đương của cột thu sét trên mặt đất là một hình tròn tâm O (tâm cột thu sét trên mặt đất) có bán kính r phụ thuộc vào chiều cao cột thu sét h và biên độ dòng điện sét theo các công thức sau:

+ Khi h ≥ βS (hay I ≤ IC): r = S = 10.I0,65

+ Khi h < βS (hay I > IC): r  2  Sh  h2  S2(1  β2)

Với IC là dòng điện sét giới hạn xác định theo công thức:

A d

N

N

A C

A C

( 2 )

( 2 10

.

2

0

) (

3

2 2 2 300

) ( 1

2 1 6

θA là góc lệch cánh so với trục hoành: 0 ≤ θA ≤ 2π

Chiều rộng hình chữ nhật thu sét: w(θA) = Hb[cosθA- cos(θA+2π/3)]

Chiều cao thu sét của WT: h(θA) = Ht + HbsinθA

Hình 2.2 Diện tích thu hút sét tương

đương của WT trên mặt đất theo phương pháp IEC

Hình 2.3 Diện tích thu sét tương

đương của WT trên mặt đất theo phương pháp EGM

Khi đầu thu sét gắn trên cánh

chuyển động, nó tạo thành một

cung tròn vì thế chiều cao của nó

luôn thay đổi phụ thuộc vào vị trí

của đầu thu sét trên cung tròn

Phương pháp này xét đến đồng

thời sự thay đổi đầu thu sét và

chiều cao của WT nên diện tích

thu hút sét tương đương của WT

trên mặt đất không phải chỉ có

Dòng điện sét giới hạn xác định theo công thức:

A C

h I

Bán kính hai nửa hình tròn thu sét theo dòng điện sét giới hạn:

+ Khi I ≤ IC: 0,65

1 10I r

r   + Khi I > IC: 20 ( ) 0 , 65 2( ) (10 0 , 65)2(1 2)

31 1

31 31 6

I

I , ) ( f

Như vậy khác với phương pháp IEC, diện tích thu hút sét tương đương của WT trên mặt đất theo phương pháp EGM xét đến đồng thời sự biến thiên của dòng điện sét và chiều cao của WT

2.4 Xác định số lần sét đánh WT theo phương pháp EGM

Kết quả xác định số lần sét đánh WT có công suất và kích thước khác nhau theo mật độ sét Việt Nam (với các giả thiết kích thước WT như trong bảng 2.3 và hệ số địa hình Cd = 1) thể hiện trên hình 2.7

Hình 2.7 cho thấy, số lần sét đánh phụ thuộc vào mật độ sét khu vực lắp đặt WT và kích thước của WT (chiều cao cột trụ Ht và chiều dài cánh Hb) Trong đó, kích thước của WT là yếu tố có ảnh hưởng rất lớn đến số lần sét đánh trực tiếp WT trung bình hàng năm Kết

quả so sánh giữa sự gia tăng kích thước của các WT và sự gia tăng số lần sét đánh trực tiếp vào các WT (so với V29) được tổng hợp trong hai cột được tô đậm của bảng 2.4 cho thấy rõ điều này (giả thiết nơi lắp đặt WT cùng mật độ sét Ng = 5,7 lần/km2/năm)

Bảng 2.4 So sánh giữa sự gia tăng kích thước của các WT và sự gia tăng số

lần sét đánh vào các WT (so với V29)

T

Kích thước của WT

Số lần sét đánh (lần/năm)

Số lần sét đánh tăng so với V29 (lần)

Tăng so với V29 (lần)

trung bình lên đến 8,7 lần/năm

phương pháp IEC và EGM

trên hình 2.8 cho thấy: Với các

WT có chiều cao thấp dưới

110m số lần sét đánh giữa hai

phương pháp cho kết quả gần

giống nhau, nhưng khi WT có

chiều cao lớn từ 110m trở lên

Điều này là dễ hiểu vì khi WT công suất nhỏ - cánh ngắn, phần diện tích thu hút sét hình chữ nhật của WT trên mặt đất nhỏ nên kết quả tính toán số lần sét đánh WT giữa 2 phương pháp gần như giống nhau Tuy nhiên, khi WT công suất lớn - cánh dài, phần diện tích hình chữ nhật thu hút sét của WT trên mặt đất lớn nên số lần sét đánh

WT giữa hai phương pháp sai khác nhau rất nhiều

So với phương pháp IEC, phương pháp EGM kể đến đồng thời hai yếu tố sát với thực tế luôn biến thiên là dòng điện sét và chiều cao tổng thể của WT (luôn chuyển động phụ thuộc vào chiều dài cánh)

do đó chắc chắn sẽ cho kết quả chính xác hơn, đặc biệt với các WT

có kích thước cao trên 110m

2.6 Kết Luận

Trong chương 2, tác giả đã thực hiện được một số vấn đề sau: 1) Giới thiệu lý thuyết mô hình điện hình học (EGM) và các phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp WT

2) Áp dụng mô hình điện hình học trong tính toán số lần sét đánh vào tua bin gió

3) Xây dựng các đường đặc tính xác định số lần sét đánh đối với các tua bin gió điển hình lắp đặt trong điều kiện Việt Nam Kết quả tính toán có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các dự

án điện gió tương lai tại Việt Nam

Chương 3 PHÂN TÍCH QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT CẢM ỨNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN

CỦA TUA BIN GIÓ

Khi sét đánh vào cánh WT, dòng điện sét sẽ được dẫn qua: vật dẫn đặt trong cánh, vành trượt - chổi than, cột trụ thép rỗng rồi xuống

hệ thống nối đất Do đường cáp điện và cáp điều khiển đường lắp đặt bên trong cột trụ thép nên khi dòng điện sét chạy qua cột trụ xuống đất sẽ phát sinh QĐA sét cảm ứng trên các đường cáp này có thể gây nguy hiểm cho cách điện của các thiết bị điện và thiết bị điều khiển trong HTĐ&ĐK của WT

Chương này sẽ sử dụng phương pháp mô phỏng trên phần mềm ATP/EMTP để nghiên cứu QĐA sét trong HTĐ&ĐK của WT điển hình của Việt Nam Từ đó khuyến cáo các biện pháp phối hợp cách điện, góp phần đảm bảo an toàn cho các phần tử, thiết bị trong HTĐ&ĐK của WT

Header Page 10 of 148.

Footer Page 10 of 148.

3.2 Mô hình các phần tử cho nghiên cứu QĐA cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT

Để nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT nhất thiết phải mô hình hóa được các phần tử liên quan

- Nguồn điện sét được mô hình bằng một nguồn dòng lý tưởng i(t) là hàm Heidler nối song song với tổng trở sóng của kênh sét Zs

- Các CSV được sử dụng để hạn chế QĐA sét trong HTĐ&ĐK của

WT mô hình bằng điện trở phi tuyến V-A

3.3 Chọn WT và tính toán thông số mô hình các phần tử

Đối tượng WT được lựa chọn cho nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong chương này là loại điển hình đã, đang và sẽ lắp đặt tại các dự

án điện gió của Việt Nam với các thông sô kỹ thuật cơ bản:

- Máy phát điện công suất 1,5MW đặt trong thùng, MBA 0,69/22kV đặt dưới chân cột trụ

2MVA Cánh dài 39m, vật dẫn trong cánh bằng nhôm tiết diện 25mm2

- Cột trụ thép cao 67m; đường kính kính đỉnh, giữa và chân cột trụ lần lượt là: 2,5m, 3,4m và 4,3m

- Cáp điện 690V (Cu-XLPE-600mm2) và cáp điều khiển (RG58A/U) lắp đặt song song và cách thành trong của cột trụ 200mm

Hình 3.5 Mô hình mạch tương đương

trên đường dẫn dòng sét qua cột trụ WT

- Vật dẫn trong cánh WT

được mô hình bằng tổng trở

sóng với tốc độ truyền

sóng

- Vành trượt - chổi than có

kích thước nhỏ nên được

mạch tương đương với

thông số R, L, C rải đều

trên mỗi đoạn (từ đỉnh

xuống chân cột trụ) như

trên hình 3.5

Header Page 11 of 148.

Footer Page 11 of 148.

- Tổng trở sóng của cánh, các thông số R, L, C trong mạch điện tương đương được tính toán phù hợp với đối tượng nghiên cứu là

WT đã lựa chọn cùng các thông số mô hình liên quan cho nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT được lựa chọn tổng hợp ở bảng 3.3

trụ có trị số tăng dần từ đỉnh xuống chân cột trụ và do tổn hao trên các điện trở thành phần QĐA cảm ứng lớn nhất trên cách điện của đường cáp điện phía chân so với phía đỉnh cột trụ giảm khoảng 2 lần (368kV so với 181kV), còn QĐA sét cảm ứng trên cách điện đường cáp điều khiển phía chân giảm khoảng 3,4 lần so với phía đỉnh cột trụ (591kV so với 176kV) Điều này gợi ý, nên hạn chế bố trí tối đa việc lắp đặt các TBĐ&ĐK tại phía đỉnh cột trụ ngay từ khâu thiết kế

Bảng 3.3 Kết quả tính toán các thông số

mô hình phần tử liên quan cho nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT

3.4 Kết quả mô phỏng

và phân tích

Mô phỏng đầu tiên tác

giả xem xét sự phân bố

điện thế và QĐA trên

cách điện của cáp điện và

cáp điều khiển với giả

Kết quả mô phỏng cho

thấy, điện thế cũng như

QĐA trên cách điện tại

các điểm trên các đường

cáp giảm dần từ điểm đầu