Mô phỏng phân bố điện trường áp dụng tính toán tổng trở sóng của tuabin gió

Lịch sử nghiên cứu Cơ sở tính toán tổng trở sóng cho tuabin gió được dựa trên các nghiên cứu đã được áp dụng cho mô hình cột điện và đường dây truyền tải bằng các phương pháp lý thuyết

MÔ PHỎNG PHÂN BỐ ĐIỆN TRƯỜNG ÁP DỤNG TÍNH TOÁN

TỔNG TRỞ SÓNG CỦA TUABIN GIÓ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT ĐIỆN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Nguyễn Văn Vinh

MÔ PHỎNG PHÂN BỐ ĐIỆN TRƯỜNG ÁP DỤNG TÍNH TOÁN TỔNG

TRỞ SÓNG CỦA TUABIN GIÓ

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các nội dung và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất

kỳ công trình nào khác Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn

và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Hà Nội, ngày 22 tháng 09 năm 2014

Tác giả

Nguyễn Văn Vinh

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

E : Vector cường độ điện trường (V.m-1)

H : Vector cường độ từ trường (A.m-1)

J : Vector mật độ dòng điện dẫn (A.m-2)

dΩ : Nguyên tử khối (m3)

Danh mục các chữ viết tắt

2D : Two-Dimensional

3D : Three-Dimensional

AC/DC : Alternating Current / Direct Current

DFIG : Doubly-Fed Induction Generator

ES : Electrostatics

FEM : Finite Element Method

GWEC : Global Wind Energy Council

IEC/TR : International Electrotechnical Commission / Technical Reports

MEF : Magnetic and Electric Fields

PMSG : Permanent Magnet Synchronous Generator

SCIG : Squirrel Cage Induction Generator

SPD : Surge Protective Device

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Kích thước tối thiểu của vật liệu chống sét trên cánh quạt 9

Bảng 1.2 Mô tả hai dạng tia sét và tỷ lệ ảnh hưởng tới tuabin gió 10

Bảng 1.3 Định nghĩa các vùng bảo vệ chống sét trên tuabin gió 12

Bảng 2.1 Các dạng mô đun dùng cho tính toán và mô phỏng trong COMSOL 32

Bảng 2.2 Thông số của tuabin gió hãng Vestas V66-1.65MW 34

Bảng 2.3 Các đại lượng vật lý của vật liệu sử dụng trong mô hình phân tích 36

Bảng 3.1 Kết quả tính tổng trở sóng các thành phần của tuabin gió 44

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tổng công suất điện gió trên toàn thế giới tính đến hết năm 2013 4

Hình 1.2 Công suất lắp đặt điện gió hàng năm được phân bố theo khu vực 4

Hình 1.3 Bản đồ phân bố sức gió ở nước ta đo được trên độ cao 80m 5

Hình 1.4 Quy trình hoạt động của dự án điện gió đầu tiên tại nước ta 6

Hình 1.5 Cấu trúc cơ bản của một tuabin gió thông thường 6

Hình 1.6 Các dạng máy phát điện sử dụng trong công nghệ tuabin gió 8

Hình 1.7 Cấu trúc những lớp vật liệu của cánh quạt 9

Hình 1.8 Các dạng chống sét trên cánh, với dây dẫn sét: A- Đặt trong thân cánh và được chia làm hai phần, B- Đặt trong thân cánh, C- Đặt ở mép cánh và D- Kiểu lưới 9

Hình 1.9 Chiều cao của tuabin gió theo công suất phát triển theo năm 10

Hình 1.10 Đồ thị giữa độ cao của tuabin gió với số lần sét đánh mỗi năm 11

Hình 1.11 Tỷ lệ sét đánh trên các bộ phận tuabin gió 12

Hình 1.12 Hệ thống chống sét thông thường của một tua-bin gió 13

Hình 1.13 Các dạng điện áp do sét trong tuabin gió 13

Hình 1.14 Mô hình một phần tử dx trên đường dây dài 15

Hình 1.15 Mô hình tuabin gió dùng trong tính toán 17

Hình 1.16 Mô hình hóa cánh quạt gồm đầu thu sét và dây dẫn sét xuống đất 17

Hình 1.17 Sơ đồ mạch điện dạng π tính tổng trở sóng cho tuabin gió 18

Hình 1.18 Sơ đồ mạch điện dạng đường dây truyền tải tính tổng trở sóng 18

Hình 2.1 Dạng hình học của các phần tử 23

Hình 2.2 Phần tử tứ diện và các tọa độ thể tích trong không gian ba chiều 25

Hình 2.3 Giới hạn trường trong miền Ω trong mặt phẳng hai chiều 28

Hình 2.4 Phần tử ba chiều dạng tứ diện bậc một 29

Hình 2.5 Các miền phân tích trong mô đun AC/DC 32

Hình 2.6 Giao diện môi trường làm việc trong COMSOL 33

Hình 2.7 Thiết lập các thông số cơ bản trong COMSOL 33

Hình 2.8 Mô hình tuabin gió đầy đủ (bên trái) và mặt cắt của cánh (bên phải) 34

Hình 2.9 Mô hình miền bao quanh trên tuabin gió bằng quả cầu 35

Hình 2.10 Nguồn thư viện vật liệu dùng trong COMSOL 35

Hình 2.11 Bài toán tính điện dung sử dụng biên vô hạn và biên thông thường 38

Hình 2.12 Thiết lập điều kiện biên trong mô hình phân tích tuabin gió 38

Hình 2.13 Chia lưới trên tuabin gió (bên trái) và miền bao quanh (bên phải) 39

Hình 2.14 Giao diện mô phỏng và xuất kết quả trong mô đun AC/DC 40

Hình 2.15 Kết quả tính điện dung C và điện cảm L trong phần mềm COMSOL 41

Hình 3.1 Phân bố thế và dạng điện trường trên cánh (bên trái) và tháp (bên phải) 43

Hình 3.2 Phân bố thế và dạng điện trường trên cánh 1 khi xét ảnh hưởng 44

Hình 3.3 Kết quả tính tổng trở sóng của cánh 1 (bên trái) và tháp (bên phải) khi xét đến ảnh hưởng của các thành phần khác trên tuabin gió 45

Hình 3.4 Quan hệ giữa góc quay tối đa của một cánh và chiều cao tuabin gió 46

Hình 3.5 Kết quả tính tổng trở sóng cánh khi thay đổi góc quay từ 300 đến 900 46

Hình 3.6 Phân vùng theo giá trị dòng sét trên cánh tua bin gió 47

Hình 3.7a Mô hình thiết lập số lượng đầu thu sét cánh 32m trên bản vẽ 48

Hình 3.7b Mô hình thiết kế cánh trên COMSOL trường hợp có 5 đầu thu sét 48

Hình 3.8 Kết quả tính tổng trở sóng của cánh khi thay đổi số lượng đầu thu sét 48

Hình 3.9 Kết quả tính tổng trở sóng của cánh khi thay đổi bán kính dây dẫn sét (bên trái) và chiều cao tháp (bên phải, ứng với bán kính dây dẫn sét là 0,004m) 49

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ii

Danh mục các bảng biểu iii

Danh mục các hình vẽ iv

Mục lục vi

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Lịch sử nghiên cứu 1

3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn 2

4 Các luận điểm và đóng góp mới của luận văn 2

5 Phương pháp nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN TỔNG TRỞ SÓNG TUABIN GIÓ 4

1.1 Tổng quan chung về năng lượng gió 4

1.2 Cấu trúc cơ bản của một tuabin gió 6

1.3 Ảnh hưởng của sét đánh tới tuabin gió 10

1.4 Tính toán chống sét cho tuabin gió 12

1.5 Các phương pháp tính toán tổng trở sóng của tuabin gió 16

1.5.1 Phương pháp giải tích 16

1.5.2 Phương pháp số 20

1.5.3 Nhận xét 21

1.6 Kết luận 21

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ ỨNG DỤNG TRONG BÀI TOÁN TÍNH TỔNG TRỞ SÓNG CỦA TUABIN GIÓ 22

2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 22

2.1.1 Trình tự phân tích bài toán 22

2.1.2 Phần tử ba chiều dạng tứ diện 24

2.2 Tính toán tổng trở sóng tuabin gió bằng phương pháp phần tử hữu hạn 26

2.2.1 Phân bố năng lượng điện trường trên tuabin gió 27

2.2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn trong trường tĩnh điện 28

2.2.3 Tính toán và mô phỏng tổng trở sóng tuabin gió trên COMSOL 32

2.3 Một số bài toán ứng dụng phần mềm COMSOL 40

2.3.1 Bài toán tính điện dung trong COMSOL 40

2.3.2 Bài toán tính điện cảm trong COMSOL 41

2.3.3 Nhận xét 42

2.4 Kết luận 42

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 43

3.1 Tính tổng trở sóng cho tuabin gió 43

3.1.1 Tính tổng trở sóng độc lập 43

3.1.2 Tính tổng trở sóng với mô hình đầy đủ 44

3.1.3 Nhận xét 45

3.2 Tính toán các yếu tố ảnh hưởng đến tổng trở sóng cánh tuabin gió 46

3.2.1 Ảnh hưởng góc quay của cánh tuabin gió 46

3.2.3 Ảnh hưởng của số đầu thu sét trên cánh tuabin gió 47

3.2.2 Ảnh hưởng của bán kính dây dẫn sét và chiều cao tháp 49

3.3 Kết luận 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

1 Các kết luận và hướng phát triển đề tài 51

2 Kiến nghị 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Với mục đích thay thế dần các nguồn phát điện truyền thống đang dần cạn kiệt cộng với nhu cầu sử dụng điện ngày càng lớn, điện gió là một trong các nguồn năng lượng mới được áp dụng nhằm giải quyết các vấn đề trên Thực tế cho thấy, khả năng khai thác và lắp đặt các tuabin gió ngày càng nhiều và đang dần trở thành một trong những nguồn phát điện chính trong tương lai Tuy nhiên, cùng với việc phát triển điện gió, một vấn đề đặt ra là phải nâng cao hiệu quả sử dụng của các tuabin gió, nói cách khác là giảm thiểu những hư hỏng xảy ra trên tuabin gió trong đó nguyên nhân chủ yếu của những hư hỏng này là do sét gây ra

Tuabin gió là thiết bị có độ cao lớn và thường đặt ở những vị trí cô lập nên rất dễ bị sét đánh, do đó để hạn chế những thiệt hại do sét gây ra ta cần tính toán bảo vệ chống sét cho tuabin gió Để tính toán điện áp đặt lên từng phần tử của tuabin gió khi có sét đánh, ta phải tiến hành mô hình hóa các phần tử trên tuabin gió dọc theo đường đi của sét Nói một cách khác, từng phần tử của tuabin gió được biểu diễn thông qua một đại lượng điện tương đương như điện cảm, điện trở hoặc điện dung Trong bài toán ở tần

số cao - tương ứng với tần số của dòng điện sét, đại lượng thường được sử dụng để thay thế chính là tổng trở sóng Việc xác định chính xác trị số tổng trở sóng của tuabin gió cho phép ta tính toán chính xác trị số quá điện áp do sét đánh vào tuabin gió, từ đó

đề ra được các biện pháp bảo vệ thích hợp cho tuabin gió

Xuất phát từ ý nghĩa thực tế trên, tác giả đã lựa chọn đề tài nghiên cứu với nội dung

như sau: “Mô phỏng phân bố điện trường áp dụng tính toán tổng trở sóng của

tuabin gió”

2 Lịch sử nghiên cứu

Cơ sở tính toán tổng trở sóng cho tuabin gió được dựa trên các nghiên cứu đã được

áp dụng cho mô hình cột điện và đường dây truyền tải bằng các phương pháp lý thuyết (giải tích và số) và thực nghiệm, tuy nhiên kết quả đạt được từ việc áp dụng các phương pháp này còn rất nhiều hạn chế, điển hình là việc các nghiên cứu trước đó chỉ tính toán bằng phương pháp giải tích trong khi đó việc áp dụng các phương pháp số và

thực nghiệm sẽ đánh giá tốt hơn về trị số tổng trở sóng của tuabin gió Vì vậy, trong luận văn này đã đề xuất một cách tính tổng trở sóng cho tuabin gió mới bằng phương pháp phần tử hữu hạn (thuộc nhóm phương pháp số) sử dụng phần mềm COMSOL để tính toán

3 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn

- Mục đích nghiên cứu: tính toán và mô phỏng tổng trở sóng của tuabin gió trong hai trường hợp độc lập và với mô hình tuabin gió đầy đủ, từ đó chỉ ra các hạn chế của phương pháp giải tích thông thường và chứng minh tính ưu việt của phương pháp phần

tử hữu hạn khi áp dụng cho bài toán tính tổng trở sóng trên tuabin gió Ngoài ra, xét ảnh hưởng của kích thước hình học và hình dạng của tháp và cánh, góc quay của cánh,

số đầu thu sét, bán kính của dây dẫn sét hay chiều cao của tháp đến trị số tổng trở sóng của tuabin gió

- Đối tượng nghiên cứu: áp dụng tính toán tổng trở sóng trên mô hình tuabin gió của hãng Vestas với mã hiệu là V66-1.65MW được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy điện gió tại Việt Nam

- Phạm vi nghiên cứu: tính toán và mô phỏng tổng trở sóng của tuabin gió trong trường hợp sét đánh trực tiếp và mô hình phân tích bài toán được đặt trong trường tĩnh điện sử dụng phần mềm COMSOL

4 Các luận điểm và đóng góp mới của luận văn

a Các luận điểm cơ bản

- Tổng quan về tính toán tổng trở sóng tuabin gió: trình bày tính cấp thiết của đề tài, các phương pháp luận dùng để tính toán tổng trở sóng tuabin gió và lựa chọn ra phương pháp tối ưu

- Phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng trong bài toán tính tổng trở sóng tuabin gió: trình bày phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng trong trường tĩnh điện

để tính toán tổng trở sóng tuabin gió

- Các kết quả tính toán: xét trong các trường hợp mô hình độc lập và đầy đủ, sự thay đổi trị số tổng trở sóng của cánh khi xét đến ảnh hưởng của: góc quay của cánh, số đầu thu sét, bán kính dây dẫn sét và chiều cao của tháp

b Các đóng góp mới của luận văn

- Đưa ra một cách tiếp cận mới trong việc giải quyết bài toán tính tổng trở sóng tuabin gió bằng phương pháp phần tử hữu hạn, trong đó sử dụng phần mềm COMSOL

để tính toán và mô phỏng

- Phân tích và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến trị số tổng trở sóng của tuabin gió, cụ thể là: sự thay đổi về góc quay của cánh, số đầu thu sét và kích thước hình học của các phần tử trên tuabin gió

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp giải tích: áp dụng các mô hình tính toán tổng tổng trở sóng tuabin gió dựa trên các công thức có sẵn

- Phương pháp số: sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và được thực hiện trên phần mềm COMSOL Multiphysics 4.3b

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN TỔNG TRỞ SÓNG TUABIN GIÓ

1.1 Tổng quan chung về năng lượng gió

Gió là một dạng năng lượng tái tạo có tiềm năng rất lớn trên thế giới, bản đồ phân

bố gió thế giới đã chỉ ra rằng: sức gió có thể cung cấp điện năng nhiều hơn 40 lần so với nhu cầu của toàn thế giới và có đến 13% trong số 8.000 điểm có tốc độ gió vượt cấp ba (tương đương 6,9m.s-1) [1] Theo báo cáo thường niên của Hội đồng năng lượng gió toàn cầu (GWEC) [2], tính đến hết năm 2013 thì tổng công suất điện gió trên toàn thế giới đạt 318.117MW (hình 1.1) và được tập trung chủ yếu ở các khu vực Châu Á, Châu Âu và Bắc Mỹ (hình 1.2)

Hình 1.1 Tổng công suất điện gió trên toàn thế giới tính đến hết năm 2013

Hình 1.2 Công suất lắp đặt điện gió hàng năm được phân bố theo khu vực

Ở nước ta hiện nay, gió đang là một nguồn năng lượng thay thế dần các nguồn năng lượng khác như than, khí đốt, thủy điện trong việc sử dụng làm nguồn phát điện Bản

đồ phân bố sức gió ở Việt Nam do Bộ Công Thương và Ngân hàng Thế giới (2010) khảo sát ở độ cao 80m cho thấy, tiềm năng về năng lượng gió của nước ta là rất lớn đạt 24.351MW với tốc độ gió trung bình năm trên 6m.s-1 và được tập trung chủ yếu ở các khu vực ven biển từ Bình Định đến Bình Thuận (hình 1.3) [3] Dự án điện gió quy mô lớn đầu tiên ở nước ta được đặt tại tỉnh Bình Thuận cho công suất 120MW với quy trình hoạt động như hình 1.4 [4] Ngoài ra, hiện nay có khoảng 48 dự án điện gió đã đăng ký trên toàn lãnh thổ Việt Nam với tổng công suất đăng ký gần 5.000MW [5]

Hình 1.3 Bản đồ phân bố sức gió ở nước ta đo được trên độ cao 80m

Máy biến áp tăng

áp tại Tuabin

Máy biến áp tăng

áp tại Trạm

Hình 1.4 Quy trình hoạt động của dự án điện gió đầu tiên tại nước ta

1.2 Cấu trúc cơ bản của một tuabin gió

Cấu trúc cơ bản của một tuabin gió thông thường được mô tả trên hình 1.5, trong đó các phần tử chủ yếu của tuabin gió bao gồm:

- Bộ đo tốc độ gió (anemometer): dùng để đo tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió đo được tới bộ điều khiển

- Bộ hãm (brake): khi tốc độ gió cao làm công suất gió rất lớn làm ảnh hưởng đến

độ bền cơ, hư hỏng tuabin gió hoặc trong trường hợp khẩn cấp khi dừng rôto, để hạn chế các vấn đề này tuabin có bộ phận hãm

Hình 1.5 Cấu trúc cơ bản của một tuabin gió thông thường [6]

- Bộ điều khiển (controller): đây chính là hệ thống kiểm soát vận tốc của gió Hệ thống này tự động ngưng mọi hoạt động của tuabin khi vận tốc gió đạt đến 65 dặm/giờ

vì với vận tốc này sẽ làm nóng và có thể làm hư máy phát điện

- Bộ phận hướng gió (wind direction): là bộ phận dùng để hướng tuabin theo hướng gió và hoạt động đối diện với hướng gió

- Bộ đo hướng gió (wind vane): thiết bị đo hướng gió và thông tin đến bộ điều khiển hướng để định hướng tuabin đúng với hướng của gió

- Bộ phận truyền động hướng (yaw drive): đây là bộ phận được dùng để điều chỉnh hướng tuabin

- Động cơ truyền động hướng (yaw motor): động cơ sẽ điều chỉnh tuabin đúng theo hướng gió khi gió thay đổi bằng cách điều chỉnh rôto đối diện với hướng gió

- Trục truyền động của máy phát tốc độ cao (high-speed shaft): trục này có tác dụng truyền động máy phát điện

- Trục tốc độ thấp (low-speed shaft): rôto quay trục tốc độ thấp vào khoảng 30

- Hệ thống thay đổi góc đón gió (pitch system): đây chính là bộ phận điều chỉnh cánh quạt, được dùng để chỉnh góc đón gió của các cánh quạt bằng cách xoay quanh trục của nó Việc điều chỉnh này để giữ rôto quay cố định ở vận tốc gió cao hay thấp

mà vẫn có thể phát điện

- Hộp số (gear box): hộp số là bộ phận kết nối trục có tốc độ thấp và trục có tốc

độ cao, chức năng của bộ phận này là làm tăng vận tốc quay của gió từ 3060 vòng/phút lên 12001500 vòng/phút để phát điện Hộp số là thành phần chính của tuabin gió và giá thành của bộ phận này chiếm 75% giá thành của toàn hệ thống tuabin

- Máy phát điện (generator): là bộ phận được nối vào trục tốc độ cao, có chức năng chuyển đổi năng lượng cơ từ trục tốc độ cao thành năng lượng điện ở đầu ra của máy phát Hiện nay có ba loại máy phát điện thường được sử dụng trong công nghệ tuabin gió là: máy phát điện không đồng bộ kích từ kép (DFIG), máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG) hoặc tuabin truyền động trực tiếp không có hộp số sử dụng máy phát điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu (PMSG) (hình 1.6) [7].

Hình 1.6 Các dạng máy phát điện sử dụng trong công nghệ tuabin gió

- Cánh (blade): cánh nhận lực nâng của gió bằng cách tạo ra các áp lực khác nhau lên bề mặt, do đó khi có gió thổi với tốc độ phù hợp (lớn hơn 3m.s-1) qua các cánh sẽ làm cho các cánh chuyển động quay Cấu trúc cơ bản của một cánh tuabin gió bao gồm hai phần chính là lớp tạo ra hình dáng cho cánh quạt (được gọi là vỏ cánh) và phần chống sét cho cánh quạt, trong đó:

1 Vỏ cánh: thường được làm bằng vật liệu là sợi thủy tinh được gia cố thêm polyester, gỗ hoặc epoxy Hiện nay sợi carbon được coi là vật liệu gia cố rất tốt trong việc sản xuất cánh quạt nhưng giá thành vẫn còn đắt Hình 1.7 mô tả cấu trúc cơ bản các lớp vật liệu của một cánh quạt tuabin gió thông thường

Hình 1.7 Cấu trúc những lớp vật liệu của cánh quạt

2 Phần chống sét: được thiết kế bao gồm hai thành phần chính là đầu thu sét (receptor) và dây dẫn sét xuống hệ thống nối đất (lightning conductor) Theo tiêu chuẩn IEC/TR 611400-24 [8] thì kích thước vật liệu và cấu trúc của phần chống sét được phân loại như trong bảng 1.1 và hình 1.8 dưới đây

Bảng 1.1 Kích thước tối thiểu của vật liệu chống sét trên cánh quạt

Hình 1.8 Các dạng chống sét trên cánh, với dây dẫn sét: A- Đặt trong thân cánh và được chia

làm hai phần, B- Đặt trong thân cánh, C- Đặt ở mép cánh và D- Kiểu lưới [8]

1.3 Ảnh hưởng của sét đánh tới tuabin gió

Sét là hiện tượng các đám mây tích điện đủ lớn và phóng điện Hiện tượng phóng điện có thể là phóng điện giữa hai đám mây với nhau, phóng điện trong cùng một đám mây hoặc phóng điện giữa đám mây với đất [9] Tuy nhiên, khi nghiên cứu ảnh hưởng của sét đến tuabin gió ta chỉ quan tâm tới trường hợp thứ ba là phóng điện giữa đám mây với đất, theo đó hiện tượng phóng điện sét này được xét trong hai trường hợp là tia sét hướng lên (upward) và tia sét hướng xuống (downward) Trên bảng 1.2 mô tả tỷ

lệ của hai dạng tia sét đánh vào tuabin gió (h>100m), theo đó, tỷ lệ tia sét hướng lên chiếm tới 80% và 20% còn lại sét sẽ đánh xuống đất [10]

Bảng 1.2 Mô tả hai dạng tia sét và tỷ lệ ảnh hưởng tới tuabin gió

Đất Tuabin

Hướng lên Dạng tia sét có hướng phóng điện lên trên gây ra bởi

các thành phần tích điện trên tuabin gió 10 80

Hướng xuống

Dạng tia sét được hình thành bởi các đám mây tích điện với mặt đất từ đó sinh ra các dòng sét đánh thẳng trực tiếp xuống tuabin gió

Nhận thấy, tuabin gió là thiết bị có độ cao lớn (có thể lên đến 250m) (hình 1.9) và thường được đặt ở những vị trí cô lập, do đó tuabin gió rất dễ bị sét đánh Theo [11], tuabin gió càng cao thì tỷ lệ sét đánh càng lớn (hình 1.10)

Hình 1.9 Chiều cao của tuabin gió theo công suất phát triển theo năm [12]

Hình 1.10 Đồ thị giữa độ cao của tuabin gió với số lần sét đánh mỗi năm [11]

Theo [8], thiệt hại do sét gây ra đối với tuabin gió ở một số nước được thể hiện như sau:

- Thiệt hại do sét đánh ở các nước Bắc Âu (Đức, Thủy Điển và Đan Mạch) nơi mật độ giông sét không cao có khoảng 4%8% tổng số tuabin bị hư hỏng có nguyên nhân do sét mỗi năm Tuy nhiên, ở những nơi có mật độ giông sét lớn như miền nam nước Đức và Nhật Bản con số này lên đến 14% và 36 % [13]

- Ở các nước Bắc Âu, khoảng một phần ba sự cố do sét là trường hợp sét đánh trực tiếp vào tuabin gió, hai phần ba còn lại là đánh vào lưới điện và mạng viễn thông kết nối với tuabin gió Ở Mỹ, thiệt hại do sét đánh trong các trường hợp kể trên lần lượt

là 2% và 98% [14]

- Tỷ lệ chi phí thiệt hại do sét đánh gây ra trên các bộ phận của một tuabin gió được mô tả trên biểu đồ hình 1.11 Theo đó, thiệt hại trên hệ thống điện và hệ thống điều khiển chiếm đến 50%70%, thiệt hại từ cánh chiếm 7%10% còn lại là các bộ phận khác của tuabin gió Ở đây thiệt hại từ cánh quạt là thiệt hại đắt tiền nhất chiếm tới 15%20% chi phí của một tuabin gió

Từ các số liệu phân tích trên cho thấy rằng: tỷ lệ hư hỏng của một tuabin gió do sét đánh có thể chiếm đến 36% và được tập trung ở các hệ thống điều khiển, hệ thống điện

và cánh Do đó việc tính toán chống sét cho tuabin gió là một bước quan trọng để có thể hạn chế những thiệt hại do sét gây ra

Hình 1.11 Tỷ lệ sét đánh trên các bộ phận tuabin gió [8]

1.4 Tính toán chống sét cho tuabin gió

Tùy thuộc vào sự chênh lệch của xung điện từ do sét mà ta có thể xác định được các vùng bảo vệ chống sét (LPZ) cho tuabin gió Hình 1.12 mô tả các vùng bảo vệ chống sét và đường đi của sét trên tuabin gió, trong đó vùng bảo vệ chống sét được định nghĩa theo tiêu chuẩn IEC 62305-1 như trong bảng 1.3 [15]:

Bảng 1.3 Định nghĩa các vùng bảo vệ chống sét trên tuabin gió

Bên ngoài tuabin gió

LPZ0A

Là vùng có nguy cơ chịu sét đánh trực tiếp và toàn bộ trường điện từ do sét Các hệ thống trong đó có thể chịu toàn bộ hoặc một phần dòng xung sét

LPZ0B

Là vùng đã được bảo vệ khỏi sét đánh trực tiếp nhưng vẫn chịu sự đe dọa của toàn bộ trường điện từ do sét Các hệ thống trong đó có thể chịu một phần dòng xung sét

Bên trong tuabin gió LPZ1

Là vùng trong đó dòng xung sét được hạn chế do sự chia dòng và các SPD tại vị trí ranh giới Việc che chắn không gian có thể làm suy giảm trường điện từ do sét

LPZ2

Là vùng trong đó dòng xung sét được hạn chế hơn nữa do sự chia dòng và các SPD bổ sung tại vị trí ranh giới Việc che chắn không gian bổ sung có thể làm suy giảm hơn nữa trường điện từ do sét

Cánh Máy điện

Hình 1.12 Hệ thống chống sét thông thường của một tua-bin gió [16]

Hình 1.13 Các dạng điện áp do sét trong tuabin gió [17]

Dựa vào phương thức tác động của sét đối với tuabin gió, người ta phân biệt làm ba loại sét khác nhau (hình 1.13):

- Sét đánh cảm ứng: dạng sét này sẽ đánh vào các khu vực lân cận nơi mà chúng được kết nối với tuabin gió gây ra một điện áp cảm ứng lan truyền vào trong tuabin gió gây hư hỏng lên các thiết bị điện, điện tử, kỹ thuật số Bán kính cảm ứng do sét đánh

có thể lên đến 2km tính từ vị trí sét đánh Giá trị điện áp cảm ứng do sét tại một điểm bất kỳ phụ thuộc vào khoảng cách đến nơi sét đánh, dạng dòng điện sét và đặc tính ngẫu hợp giữa điểm bị sét đánh với điểm đó

- Sét đánh tràn ngược (back-flow): khi sét đánh vào dây dẫn của lưới điện phân phối, nó sẽ lan truyền qua máy biến áp tăng áp đặt ở tuabin gió và tràn ngược vào trong tuabin gió Trị số điện áp do hiện tượng tràn ngược phụ thuộc vào mức cách điện của đường dây, tổng trở sóng của các thiết bị trên đường nó lan truyền (đường dây, máy biến áp, cáp)

- Sét đánh trực tiếp: tác động lên các bộ phận của tuabin gió như cánh hoặc vỏ tuabin nơi được đặt các bộ phận thu và dẫn sét, khi đó dòng điện sét được hấp thụ qua đầu thu sét theo đường dẫn sét tới hệ thống nối đất Ở đây, giá trị dòng điện sét mà tuabin gió phải chịu lớn nhất trong trường hợp này có thể lên đến 200kA Trị số điện

áp do sét đánh trực tiếp phụ thuộc vào dạng dòng điện sét và tổng trở sóng của bản thân các bộ phận đó

Trong phạm vi nghiên cứu luận văn này, ta chỉ xét đến trường hợp sét đánh trực tiếp lên tuabin gió

Qua những phân tích trên ta nhận thấy rằng, ở trong bất kỳ trường hợp nào với dòng sét lớn cộng với tần số cao thì đều sinh ra sóng điện từ lan truyền dọc theo đường dây mà chúng đi qua và ở đây chúng gây nên quá điện áp tác dụng lên cách điện của hệ thống và làm hư hỏng các thiết bị điện, điện tử trong tuabin gió Do vậy, để bảo vệ chống sét cho tuabin gió cần phải dựa trên cơ sở tính toán phân tích quá tình truyền sóng dọc theo đường đi của sét [18] Nếu coi các phân vùng của tuabin gió là các đoạn

dx, ta tiến hành xét mô hình một phần tử dx phân bố dọc theo dây dẫn sét và được mô

tả trên hình 1.14 [19]

t)(x,du+ t)(x,du

= t)dx,+u(x - t)u(x,

= t)du(x,-

)1Kirhoff(

t)(x,di+ t)(x,di

= t)dx,+i(x - t)i(x,

= t)di(x,-

R L

G C

(1.1) Trong đó:

C và G là điện dung và điện dẫn tính cho một vi phân đường dây dx

 x t dx u

G t x

dx t

t x u C t x

t x i L t x

du L( , ) ,





 và du R(x,t) R.i x,t .dx (1.3) Khi dx→0, kết hợp công thức (1.1) (1.2) (1.3), ta có hệ phương trình truyền sóng:

t x u C x

t x i

t x i R t

t x i L x

t x u

,

, ,

,

, ,

(1.4)

Nghiệm của hệ phương trình vi phân (1.4) được biểu thị ở dạng tổng hai thành phần

là sóng tới di chuyển về phía dương của trục x và sóng phản xạ di chuyển theo chiều ngược lại:

Trong trường hợp đường dây không có tổn hao, ta coi R = G = 0 Do đó công thức (1.6) trở thành:

LZC

vLC

Như vậy, để đánh giá mức độ nguy hiểm của sét gây ra trên tuabin gió ta cần phải xác định được điện áp cách điện đặt lên từng thành phần của tuabin gió, điều này được thực hiện thông qua việc tính toán giá trị tổng trở sóng đặt lên các thành phần của tuabin gió [20, 21]

1.5 Các phương pháp tính toán tổng trở sóng của tuabin gió

Có hai phương pháp để tính toán tổng trở sóng của tuabin gió là phương pháp giải tích và phương pháp số Cả hai phương pháp này đều áp dụng các hệ phương trình Maxwell để mô hình hóa và mô tả phân bố trường điện từ của đối tượng từ đó tính được trị số tổng trở sóng

1.5.1 Phương pháp giải tích

1 Tính theo mô hình Romero [22]

Trong bài toán này, mô hình tuabin gió dùng để tính toán tổng trở sóng được xây dựng trên nền tảng lý thuyết điện từ trường áp dụng cho cột điện và đường dây truyền tải với cấu trúc dạng nón hoặc trụ, theo đó các tác giả đã coi tháp tuabin gió như là một hình nón cụt (có bán kính cơ sở bằng trung bình cộng của đỉnh và gốc tháp) trong khi

đó phần dây dẫn sét trong cánh được xem như là một hình trụ (hình 1.15) và tổng trở sóng của các thành phần này được tính như sau:

Đối với thành phần dây dẫn sét trong cánh:

b

b b

r

H

với Hbvà rblần lượt là chiều dài và bán kính của cánh tuabin

Đối với thành phần tháp tuabin gió:

t

t t

Hình 1.15 Mô hình tuabin gió dùng trong tính toán Như vậy, theo mô hình này, thực chất công thức (1.8) và (1.9) áp dụng tính tổng trở sóng cho cánh và tháp tuabin gió là giống với cách tính tổng trở sóng cho đường dây truyền tải và cột điện trong [23]

2 Tính theo mô hình Candela Garolera [24]

Trong bài toán này, khi phân tích hiện tượng quá độ sét trên cánh tuabin gió, các tác giả đã xây dựng sơ đồ mạch điện thay thế dọc theo đường đi của sét (hình 1.16) Tổng trở sóng của tuabin gió được xác định thông qua ba thành phần là Zcánh ;Ztháp ; Znối đất, trong đó tổng trở sóng của cánh tuabin gió được tính theo hai hướng tiếp cận tương ứng với hai sơ đồ mạch điện thay thế

Hình 1.16 Mô hình hóa cánh quạt gồm đầu thu sét và dây dẫn sét xuống đất

- Mô hình mạch điện thay thế dây dẫn sét trên cánh bằng mạch gộp dạng π được

biểu diễn trên hình 1.17 Ở đây, RLC là điện trở của dây dẫn, LLC là độ tự cảm của dây dẫn, Cg là điện dung giữa các dây dẫn và mặt đất và sóng phản xạ được bỏ qua Để đơn

giản hóa mạch điện, trong cả hai trường hợp cánh quạt được đặt theo phương nằm ngang do đó giả định LLC và Cg là không đổi

Hình 1.17 Sơ đồ mạch điện dạng π tính tổng trở sóng cho tuabin gió

- Mô hình mạch điện thay thế dây dẫn sét trên cánh bằng đường dây truyền tải có tổng trở sóng ZLC và được biểu diễn trên hình 1.18 Ở đây, tổng trở sóng ZLC được xác định trên toàn bộ chiều dài của cánh tuabin gió và được tính bởi công thức (1.10), trong

đó trị số LLC được tính toán như trong mạch dạng π Hướng tiếp cận này của bài toán là nhằm xác định sóng phản xạ của sét

Hình 1.18 Sơ đồ mạch điện dạng đường dây truyền tải tính tổng trở sóng

Tháp và hệ thống nối đất của tuabin gió được coi là các tổng trở sóng với mô hình của đường dây truyền tải thông thường, trong đó tổng trở sóng của tháp được coi như một hình trụ thẳng đứng và được tính bởi công thức (1.11), tổng trở sóng của hệ thống nối đất được xác định bởi (1.12) Ta có, các công thức tính toán áp dụng trên hai sơ đồ mạch điện thay thế:

g

LC LC

;1

g g g

g

g

C j R L j C

j R

L j

Như vậy, mô hình của Candela Garolera đã đề xuất một phương pháp tính tổng trở sóng của tuabin gió Theo đó, tổng trở sóng của các thành phần cánh, tháp tuabin gió

và hệ thống nối đất được xác định bởi công thức (1.10) (1.11) (1.12)

3 Mô hình của Chisholm và Chow [25] được sử dụng bởi CIGRE [21]

Phương pháp này cũng được áp dụng để tính toán tổng trở sóng của cột điện với giả thiết vận tốc truyền sóng trong mô hình bằng vận tốc ánh sáng Ở đây, công thức tính tổng trở sóng của vật thể được tính bằng công thức (1.7) khi đã bỏ qua ảnh hưởng của điện trở và điện dẫn

f

k c

- Thứ nhất, phương pháp này bỏ qua các thành phần không dẫn điện như lớp tạo hình dáng cho cánh và vỏ tuabin mà coi cả tuabin gió là một thành phần dẫn điện giống như cột hay đường dây truyền tải

- Thứ hai, khi tính toán tổng trở sóng cho cánh tuabin gió, phương pháp giải tích

đã coi phần dây dẫn sét trên cánh có cấu trúc dạng hình trụ và được tính theo công thức (1.8), tuy nhiên thực tế cho thấy thành phần này của cánh có thể là một trong các dạng như trong hình 1.8 Hơn nữa, trong phương pháp này, bộ phận đầu thu sét trên cánh cũng đã bị bỏ qua

- Thứ ba, giá trị tổng trở sóng tính được trên các thành phần của tuabin gió theo phương pháp giải tích là độc lập với nhau, do đó bỏ qua ảnh hưởng của các thành phần lân cận nó như: ảnh hưởng giữa các cánh với nhau, ảnh hưởng giữa tháp với cánh và ngược lại, ảnh hưởng của trục cánh và mặt đất

1.5.2 Phương pháp số

Cùng với sự phát triển của ngành khoa học máy tính, phương pháp số ngày càng được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực của kỹ thuật, đặc biệt là giải các bài toán trường Phương pháp số dùng để tính toán các bài toán trường như xác định tổng trở sóng được chia ra làm hai loại chính: phương pháp số dùng để giải các bài toán dạng tích phân của Maxwell như phương pháp Moment (MoM) và phương pháp phần tử biên (BEM) - phương pháp số dùng để giải các bài toán dạng vi phân của Maxwell như phương pháp sai phân hữu hạn trong miền thời gian (FDTD) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), trong đó FEM được xem là phương pháp số vạn năng và hiệu quả nhất trong việc giải các bài toán trường được mô tả bằng phương trình đạo hàm riêng Việc ứng dụng FEM cho một số ưu điểm nổi bật như sau:

- FEM cho khả năng áp dụng các đối tượng có cấu trúc hình học và điều kiện biên phức tạp với nhiều lớp vật liệu khác nhau, đây được coi là điểm mạnh nhất của FEM

và cũng là lý do chính tại sao phương pháp này được sử dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật đặc biệt là trong các bài toán trường Ở đây, FEM sử dụng lưới phi cấu trúc, những mạng lưới này bao gồm các hình tam giác (trong không gian hai chiều) hoặc các hình tứ diện (trong không gian ba chiều), với việc chia lưới linh hoạt này cho phép ta

biểu diễn tốt các vật thể có bề mặt cong và đạt được độ phân giải cao nhằm giải quyết các cấu trúc phức tạp và những biến thể nhanh của lời giải, điều này rất khó thực hiện được ở các phương pháp khác

- FEM tạo khả năng cho việc áp dụng nhiều công cụ toán học và chứng minh những tính chất quan trọng liên quan đến sự ổn định và hội tụ trên toàn miền nghiệm của bài toán

- FEM trong mô phỏng điện từ trường tỏ ra linh hoạt khi cho phép mô phỏng theo nhiều miền khác nhau như: miền tĩnh - tần số - thời gian, ngoài ra trong phương pháp này ta cũng có thể tính toán và mô phỏng điện trường và từ trường riêng biệt khi cần thiết nhằm mục đích là giảm thiểu khối lượng tính toán

Như vậy, dựa trên các ưu điểm nổi bật của FEM, khi áp dụng cho bài toán tính tổng trở sóng của tuabin gió trong tính toán chống sét, FEM tỏ ra có ưu thế hơn hẳn so với các phương pháp số còn lại khi nó có thể xét đến mọi kích thước hình học và hình dạng phức tạp của tuabin gió, tính được ảnh hưởng qua lại của các bộ phận khác nhau đến tổng trở sóng của từng thành phần của tuabin gió, xét đến ảnh hưởng của mặt đất hoặc thậm chí cả hệ thống nối đất đối với tổng trở sóng của từng thành phần tuabin gió

1.5.3 Nhận xét

Từ việc chỉ rõ các mặt hạn chế của phương pháp giải tích cùng với những ưu điểm nổi bật của phương pháp phần tử hữu hạn đem lại khi áp dụng để tính toán tổng trở sóng của tuabin gió, vì vậy trong luận văn này ta sẽ sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán và mô phỏng tổng trở sóng của tuabin gió trong trường tĩnh điện thông qua việc xác định trị số điện dung C

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ ỨNG DỤNG TRONG BÀI

TOÁN TÍNH TỔNG TRỞ SÓNG CỦA TUABIN GIÓ

2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) [26]

FEM là một phương pháp số đặc biệt có hiệu quả để tìm dạng gần đúng của một hàm chưa biết trong miền xác định Ω của nó Tuy nhiên FEM không tìm dạng xấp xỉ của hàm cần tìm trên toàn miền Ω mà chỉ tìm trong từng miền con Ωe thuộc miền xác định Ω Chính vì vậy mà FEM có thể áp dụng cho rất nhiều bài toán vật lý kỹ thuật và nhất là đối với bài toán lý thuyết trường, trong đó ẩn hàm cần tìm có thể được xác định trên các miền phức tạp với nhiều điều kiện biên khác nhau

Trong FEM, miền tính toán Ω được thay thế bởi một số hữu hạn các miền con Ωe

được gọi là phần tử Các phần tử này chỉ được kết nối với nhau bởi các điểm định trước trên biên gọi là nút Trong phạm vi mỗi phần tử, đại lượng cần tìm được lấy xấp

xỉ trong dạng một hàm đơn giản được gọi là các hàm xấp xỉ (approximation function) Các hệ số của hàm xấp xỉ được gọi là các tham số hay các tọa độ tổng quát Các tham

số này lại được biểu diễn qua giá trị của hàm (và có thể cả đạo hàm của nó) tại vị trí các điểm nút trên phần tử Các giá trị tại nút được gọi là các bậc tự do của phần tử và được xem là các ẩn số cần tìm của bài toán Như vậy các hệ số của hàm xấp xỉ có ý nghĩa vật lý xác định, do đó nó rất dễ thỏa mãn điều kiện biên của bài toán và đây cũng chính là ưu điểm nổi bật của FEM so với các phương pháp khác Sau đây, ta sẽ đi tìm hiểu trình tự các bước phân tích một bài toán giải bằng FEM và xét phần tử ba chiều trong phương pháp này

2.1.1 Trình tự phân tích bài toán

Bước 1: Rời rạc hóa miền khảo sát

Trong bước này, miền khảo sát Ω được chia thành các miền con Ωe hay thành các phần tử có dạng hình học thích hợp

Với bài toán cụ thể số phần tử, hình dạng hình học của phần tử cũng như kích thước các phần tử phải được xác định rõ Số điểm nút mỗi phần tử không lấy được một cách

tùy tiện mà tùy thuộc vào hàm xấp xỉ định chọn Các phần tử thường có dạng hình học đơn giản, theo đó đối với từng môi trường phân tích (1D, 2D, 3D) sẽ có các dạng hình học của phần tử tương ứng (xem trên hình 2.1)

Hình 2.1 Dạng hình học của các phần tử [27]

Bước 2: Chọn hàm xấp xỉ thích hợp

Vì đại lượng cần tìm là chưa biết, nên ta giả thiết dạng xấp xỉ của nó sao cho đơn giản đối với tính toán bằng máy tính nhưng phải thỏa mãn các tiêu chuẩn hội tụ và thường chọn ở dạng đa thức

Tiếp đó, ta biểu diễn hàm xấp xỉ theo tập hợp giá trị và có thể cả các đạo hàm của