Nguồn năng lượng điện gió là một trong các nguồn năng lượng tái tạo ngày càng phát triển để đáp ứng nhu cầu tăng nhanh của phụ tải, trong bối cảnh các nguồn năng lượng truyền thống ngày một hạn chế và không được khuyến khích phát triển. Tuy vậy, điện gió cũng có nhiều nhược điểm, một trong các nhược điểm đó là thường xuyên bị sét đánh gây thiệt hại về kinh tế và làm gián đoạn cung cấp điện. Có rất nhiều các yếu tố ảnh hưởng đến quá điện áp khi xảy ra sét đánh trong trang trại điện gió chưa được quan tâm nghiên cứu, đặc biệt tại Việt Nam rất ít các công trình công bố. Bài báo này sẽ phân tích một số yếu tố ảnh hưởng đến quá điện áp sét trong trang trại điện gió như tham số của dòng điện sét, hệ thống nối đất của tua bin, ứng dụng giải pháp lắp đặt chống sét van (CSV) phía hạ áp của máy biến áp nối với máy phát tua bin điện gió. Kết quả cho thấy ứng dụng giải pháp này có thể giảm trị số quá điện áp (QĐA) do sét gây ra phía hạ áp tới 60%. Từ các kết quả phân tích đó sẽ làm cơ sở cho việc lựa chọn giải pháp chống sét cho tua bin đạt hiệu quả. Kết quả nghiên cứu được thực hiện bằng chương trình mô phỏng quá độ điện từ EMTPATP.
MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ ÁP DO SÉT ĐÁNH VÀO CÁNH TUA BIN CỦA TRANG TRẠI ĐIỆN GIĨ Nguồn lượng điện gió nguồn lượng tái tạo ngày phát triển để đáp ứng nhu cầu tăng nhanh phụ tải, bối cảnh nguồn lượng truyền thống ngày hạn chế khơng khuyến khích phát triển Tuy vậy, điện gió có nhiều nhược điểm, nhược điểm thường xuyên bị sét đánh gây thiệt hại kinh tế làm gián đoạn cung cấp điện Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến điện áp xảy sét đánh trang trại điện gió chưa quan tâm nghiên cứu, đặc biệt Việt Nam cơng trình cơng bố Bài báo phân tích số yếu tố ảnh hưởng đến điện áp sét trang trại điện gió tham số dịng điện sét, hệ thống nối đất tua bin, ứng dụng giải pháp lắp đặt chống sét van (CSV) phía hạ áp máy biến áp nối với máy phát tua bin điện gió Kết cho thấy ứng dụng giải pháp giảm trị số điện áp (QĐA) sét gây phía hạ áp tới 60% Từ kết phân tích làm sở cho việc lựa chọn giải pháp chống sét cho tua bin đạt hiệu Kết nghiên cứu thực chương trình mơ q độ điện từ EMTP/ATP Từ khóa: Quá điện áp đóng cắt, Tua bin gió, chống sét van, phần mềm EMTP/ATP GIỚI THIỆU Năng lượng điện gió nguồn lượng tái tạo ngày phát triển giới Việt Nam Theo quy hoạch điện VII điều chỉnh [1] dự báo thay đổi cấu công suất nguồn điện theo mốc thời gian (kịch phụ tải sở), điện gió Việt Nam ngày phát triển, năm 2020 cơng suất điện gió chiểm tỷ trọng 1% dự báo đến năm 2030 tăng tới 13% đến năm 2045 tăng lên tới 22% tổng công suất nguồn điện (hình 1) Cơng nghệ phát triển điện gió ngày mạnh, nên tua bin đại ngày thiết kế với chiều cao bao gồm chiều cao trụ chiều dài cánh ngày lớn để tối ưu hóa lượng khai thác từ gió, chiều cao tua bin cao tới 100 m [2] Tuy nhiên, tua bin với chiều cao lớn đặt mối quan tâm lớn việc chống sét Bởi vì, tua bin có cơng suất lớn chiều cao cao nên dễ bị sét đánh, số lần sét đánh vào tua bin phụ thuộc vào chiều cao mật độ giông sét khu vực lắp tua bin [2] Việt Nam nằm khu vực có mật độ giông sét cao [3], mật độ sét từ 1,4-14,9 lần/km2.năm nên số lần sét đánh vào tua bin lớn, số lần sét đánh vào tua bin tới 30 lần/năm [4] gây hư hỏng thiết bị tua bin Do vậy, vấn đề chống sét cho tua bin phải nghiên cứu cụ thể tồn diện nhằm mục đích nâng cao độ tin cậy giảm thiểu thiệt hai sét gây 25 20 20 (%) ABSTRACT 22 17 15 12 13 10 2020 2025 2030 2035 2040 2045 Năm Hình Tỷ trọng cơng suất điện gió dự báo đến 2045 [1] Khi sét đánh trực tiếp vào cánh tua bin, dòng điện sét qua đầu thu sét lắp cánh tua bin sau dịng điện sét dẫn qua dây thoát sét lắp đặt cánh dẫn dây thoát sét lắp đặt trụ tua bin xuống hệ thống nối đất (hình 2) Dịng điện sét chạy dây dẫn thoát sét cảm ứng sang đường dây cáp điện lực gây QĐA Trong trang trại điện gió có tua bin nối điện với để phát công suất lên hệ thống, QĐA ảnh hưởng tới tua bin bên cạnh Độ lớn QĐA phụ thuộc vào nhiều yếu tố tham số dòng điện sét, trị số điện trở hệ thống nối đất tua bin, cách bố trị dây dẫn trụ tua bin [4] Những năm gần dây, chống sét van (CSV) loại MOV sử dụng để bảo vệ QĐA tua bin điện gió ngày phổ biến Hiệu việc giảm QĐA lắp đặt CSV cấp điện áp trung áp rõ [5,6,7] Tuy nhiên, giải pháp lắp CSV chủ yếu thực cấp điện áp trung áp tua bin gió kết nối với lưới điện Trong đó, có nhiều báo cáo có 50% cố QĐA sét xảy cấp điện áp thấp [5, 8, 9] Do đó, báo trình bày kết nghiên cứu QĐA sét đánh vào tua bin trang trại điện gió, phân tích yếu tố ảnh hưởng đến QĐA tua bin bị sét đánh tua bin bên cạnh trang trại điện gió, để đánh giá mức độ nguy hiểm QĐA sét gây làm sở đề xuất nghiên cứu biện pháp giảm thiểu Kết nghiên cứu thực chương trình mơ q độ điện từ EMTP/ATP Trong báo này, cấu hình tua bin gió vận hành Việt Nam làm đối tượng nghiên cứu Hình phân bố mật độ xác suất trị số cường độ dòng sét trị số thời gian đầu sóng t f sử dụng mơ Hình Hàm phân bố mật độ xác suất cường độ dòng sét, thời gian đầu sóng sử dụng mơ TRANG TRẠI ĐIỆN GIĨ VÀ MƠ HÌNH MƠ PHỎNG Một trang trại gió thể hình sử dụng để nghiên cứu QĐA xảy sét đánh Các tua bin gió với cơng suất MW, điện áp tạo 690 V Cột trụ tua bin có chiều cao HT = 80 m, cánh dài Hb = 40 m Đường kính ngồi phía trụ lấy 5,4 m đường kính ngồi chân trụ 8,6 m Mỗi tuabin có máy biến áp MVA- 0,69/24 kV đặt chân trụ tua bin Trang trại điện gió kết nối với lưới điện dây cáp XLPE qua máy biến áp 16 MVA, 24/110 kV Các tuabin đặt cách khoảng 300 m.Trạm biến áp đặt khoảng 50 m từ tua bin Trang trại điện gió bị kết nối với lưới điện qua đường dây không dài km Hình Các thành phần tua bin điện gió THAM SỐ DỊNG ĐIỆN SÉT Sét tượng vật lý tự nhiên, xảy ngẫu nhiên bầu khí đám mây mây mặt đất [10] Các cú sét đánh bao gồm cú sét đợt cú sét đợt tiếp theo, cú sét đợt đầu có trị số lớn cịn đợt có trị số nhỏ hơn, 90% phóng điện hướng xuống chủ yếu thuộc loại cực tính âm 10% thuộc cực tính dương [10] Mỗi tham số dịng sét có phân bố xác suất theo hàm xác suất log chuẩn Trong báo sử dụng phân bố xác suất khuyến cáo CIGRE [11]: f (I ) 2I ln(I / I ) exp (1) Trong đó: σ độ lệch chuẩn; I biên độ dòng điện sét trung bình Các tham số trình bày bảng Bảng Giá trị trung bình độ lệch chuẩn[11] Phân bố log chuẩn Tham số Giá trị trung bình Độ lệch chuẩn 34 0,74 I (kA) tf (µs) 0,494 th (µs) 77,5 0,577 Hình Trang trại điện gió nghiên cứu MƠ HÌNH MƠ PHỎNG TRONG EMTP/ATP Để tính tốn QĐA sét trang trại điện gió sét đánh vào cánh tua bin, cần thiết phải mơ hình hóa phần tử đường dòng điện sét gồm cánh, cột trụ đường cáp cột trụ hệ thống nối đất Ngoài nguồn điện sét, CSV lắp đặt cần thiết phải mô hình hóa Sau trình bày mơ tả phần tử tua bin: - Cánh: mơ tả thổng trở sóng xác định theo công thức [4]: Z 60ln b 2Hb rb , (2) Với Hbvà rb chiều dài bán kính vật dẫn đặt cánh tua bin (m) - Cột trụ: mô tả thổng trở sóng xác định theo cơng thức [4]: 100.0 (𝛺) (3) rt HT, rt chiều cao bán kính tương đương cột trụ (m) - Hệ thống nối đất : Tùy theo mục đích nghiên cứu lựa chọn mơ hình hệ thống nối đất tua bin khác Trong báo toàn hệ thống nối đất tua bin mơ hình điện trở khơng đổi - Nguồn điện sét mơ hình nguồn dịng lý tưởng biến thiên theo thời gian i(t) đấu song song với tổng trở sóng kênh sét Zs, Bài báo sử dụng nguồn sét loại Slope- Ramp với tham số trị số biên độ dịng điện sét có dải từ 3kA đến 300 kA [11], thời gian đầu sóng th độ dài sóng định nghĩa thời gian biên độ dòng điện sét giảm nửa cực tính dịng điện sét Trở kháng kênh sét tổng trở sóng có trị số 400 Ω [11] Dạng sóng dịng điện sét hình 5: 80.0 (kV) 𝑍t = 60 𝑙𝑛 2Ht √ 120.0 60.0 40.0 20.0 0.0 0.00001 0.001 0.1 b) (A) 10 1000 100000 Hình Đặc tính V-S CSV a) phía hạ áp 0,69 kV, b) phía trung áp 22 kV -Máy biến áp: Mơ hình MBA cho nghiên cứu phân tích QĐA sét có dạng mạch điện với thông số phụ thuộc tần số hình [4], điện dung giữa: cuộn dây hạ áp với đất CH, cuộn dây cao áp với đất CC, cuộn dây hạ áp cao áp MBA CCH Trị số điện dung nhà sản xuất máy biến áp cho xác định phương pháp đo lường trực tiếp, báo CH0 =15 nF; CH0 =15 nF; CCH =18 nF [4] Hình Dạng sóng dịng điện sét -Chống sét van (CSV): Để bảo vệ chống sét cảm ứng lan truyền cho hệ thống điện hệ thống điều khiển WT (hoặc WF), ngày người ta thường sử dụng loại CSV gồm chuỗi điện trở phi tuyến chế tạo từ xít kim loại Trong báo sử dụng mơ hình đơn giản CSV thay điện trở phi tuyến có đặc tính hình 120.0 100.0 kV 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 0.00001 0.001 (A) 0.1 10 1000 100000 Hình Mơ hình MBA -Mơ hình đường dây: Mơ hình đường dây tải điện gồm có: Mơ hình đường dây khơng phụ thuộc tần số: i- Mơ hình hình PI (π) ii- Mơ hình Bergeron iii- Mơ hình Taku Noda Mơ hình đường dây phụ thuộc tần số: iv- Mơ hình Semlyen v- Mơ hình J Marti Đường dây hạ áp tua bin thường có chiều dài ngắn (chỉ từ vài mét đến 100m), dùng để nối điện máy phát điện máy biến áp tua bin trang trại điện gió Do mơ nghiên cứu, đường dây hạ áp thay mơ hình mạch thơng số hình π [4] Đường dây trung áp dùng để kết nối MBA từ tua bin trang trại điện gió với a) sau kết nối với lưới điện Các đường dây sử dụng mơ hình sau: Đường dây khơng sử dụng mơ hình J Marti , đường cáp sử dụng mơ hình Bergeron [4] Mơ hình mơ EMTP/ATP tua bin điện gió mơ tả hình Is ZS Zb ZT T CCH ZH MBA 0,69 kV CSVHA ZC 22 kV CH CC HT Nhận thấy sét đánh vào cánh T dịng sét truyền cáp sét xuống đất qua tiếp địa T1, tua bin xa QĐA nhỏ Hình 11 Biểu thị QĐA phía hạ áp máy biến áp sét đánh vào cánh tua bin 1, nhận thấy sóng QĐA phía hạ áp T1 có trị số lớn gấp15 mức điện áp xung (BIL) thiết bị phía hạ áp 0,69 kV khơng có biện pháp gây hư hỏng cho thiết bị phía hạ ap CSVCA Rtd Hình Mơ hình mô tua bin EMTP KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 5.1 Ảnh hưởng tham số dịng điện sét Hình minh họa QĐA đầu cánh tua bin tua bin bị sét đánh với biên độ 31 kA tham số thời gian đầu sóng độ dài sóng khác Tiếp địa cột tua bin có trị số 10 Ω Có thể thấy rõ t f dòng sét nhỏ (1/70 μs) tạo QĐA lớn QĐA giảm mạnh độ dốc sóng giảm, dạng sóng 5/70 μs cho QĐA thấp nhiều so với 1/70 μs Trong khi, dạng sóng 10/230 μs tạo QĐA nhỏ Hình 11 Điện áp phía hạ áp tua bin sét đánh vào cánh tua bin 1, dòng sét 31 kA (1/70 μs) 5.3 Ảnh hưởng điện trở tiếp địa tua bin Mơ sét đánh đỉnh cột với dịng điện sét 31 kA (1/70 μs) điện trở tiếp địa cột 1, 3,5,10 Ω, kết mô sóng QĐA tiếp địa phía hạ áp tua bin trình bày hình 12 Kết cho thấy việc giảm trị số Rtđ xuống làm giảm mức QĐA tiếp địa phía hạ áp, mức giảm QĐA tuyến tính với mức giảm trị số Rtđ Hình Điện áp đầu cánh tua bin bị sét đánh với dạng sóng sét khác 5.2 QĐA tua bin bên cạnh a) Hình 10 hiển thị QĐA truyền tới tua bin gió liền kề ghi lại tiếp địa tua bin (T đến T5), cánh củaT1 bị sét sét đánh với dạng sóng sét 1/70 μs, Rtd cột tua bin 10 Ω b) Hình 12 Điện áp phía tiếp địa phía hạ áp tua bin bị sét đánh theo trị số điện trở tiếp địa khác 5.4 Ảnh hưởng cấu hình nối đất Hình 10 Điện áp tiếp địa tua bin sét đánh vào cánh tua bin 1, dòng sét 31 kA (1/70 μs) Trường hợp xét ảnh hưởng hình thức nối đất độc lập hình thức nối đất chung tua bin đến QĐA lan truyền trang điện gió, so sánh QĐA sét lan truyền trang trại điện gió trường hợp sử dụng hình thức nối đất độc lập hình thức nối đất chung với giả thiết: dạng sóng 31kA (1/70μs), hệ thống nối đất riêng tua bin có trị số điện trở 5Ω, tua bin kề hàng liên kết với qua điện cực chôn nằm ngang (dài 300m) tạo thành hệ thống nối đất chung tồn trang trang trại điện gió Điện cực ngang thép phủ lớp kẽm bên ngồi, đường kính a = 22mm, chôn độ sâu h = 0,8m vùng đất có điện trở suất ρ = 600Ωm Điện cực ngang nối hai tua bin kề dài 300m chia thành 30 đoạn, đoạn 10m thay mơ hình mạch tương đương [4] Kết mơ so sánh dạng sóng QĐA xuất phía hạ áp T1 đến T5 trang trại điện gió theo hai hình thức nối đất (độc lập nối đất chung) trình bày hình 13 Kết mơ cho thấy, hệ thống nối đất có ảnh hưởng lớn đến QĐA lan truyền trang trại điện gió Khi sử dụng hệ thống nối đất chung, biên độ QĐA sét lan truyền lưới điện giảm đáng kể Đối với tua bin bị sét đánh mà sử dụng hình thức nối đất chung biên độ QĐA tua bin giảm khoảng lần so với trường hợp sử dụng hình thức nối đất độc lập Ở tua bin lân cận nối đất chung không làm giảm không đáng kể trị số QĐA lan truyền phía hạ áp (hình 14) Hình 13 Sóng QĐA phía hạ áp T1 theo hình thức nối đất độc lập hình thức nối đất chung sét đánh đỉnh cột với dòng điện sét 31 kA (1/70 μs) điện trở tiếp địa là10 Ω Trong mô so sánh đánh giá mức QĐA sét cảm ứng tua bin theo trường hợp lắp đặt không lắp đặt CSV hai đầu đường cáp điện phía cao áp phía hạ áp tua bin Giả thiết, sét đánh vào cánh tua bin1 với dòng sét 31kA (1/70μs), điện trở nối đất cột trụ có trị số 5Ω Kết mơ so sánh dạng sóng QĐA phía cao áp phía hạ áp tua bin bị sét đánh thể hình 15 Các kết mô cho thấy, rõ ràng lắp đặt CSV, QĐA sét cảm ứng suy giảm đáng kể Mức suy giảm QĐA phía cao áp lắp đặt so với không lắp đặt CSV giảm lần, phía hạ áp giảm tới 60 lần Hình 15 So sánh sóng QĐA a) phía cao áp b) phía hạ áp tua bin bị sét đánh khơng có có CSV 5.6 Ảnh hưởng vị trí sét đánh tua bin khác trang trại điện gió Trong q trình vận hành, sét đánh tua bin trang trại điện gió Trong báo xem xét dạng sóng QĐA bên hạ áp tua bin theo vị trí sét đánh tua bin khác trang trại điện gió, từ tua bin gần lưới điện (T 5) đến tua bin xa (T1) Mô thực với giả thiết: dịng điện sét 31kA (1/50μs), hình thức nối đất độc lập tua bin 5Ω Khi sét đánh vào T1 đến T5, kết cho dạng Hình 14 Sóng QĐA phía hạ áp T1 thức nối đất chung đến T5 theo hình 5.5 Ứng dụng lắp CSV Lắp CSV có tác dụng giảm trị số QĐA sử dụng nhiều lưới điện Trong báo mô trường hợp sét đánh vào tua bin 1, phía cao áp hạ áp tua bin lắp đặt CSV có đặc tính hình Mơ sóng QĐA phía hạ áp tua bin so sánh hình 16 Các kết cho thấy ảnh hưởng phản xạ dòng điện sét từ tua bin liền kề đóng vai trị quan trọng việc giảm QĐA phía hạ áp tua bin bị sét đánh Đặc tính QĐA tua bin gần lưới hệ thống (T5 T4) có biên độ QĐA lớn gần gấp lần nhóm tua bin xa lưới hệ thống (T3, T2 T1) Điều phản xạ từ lưới tua bin thứ 3,2,1 đến muộn so với tua bin T5 T4 Có thể nhìn thấy, tua bin xa lưới hệ thống T3,T2 T1) có mức QĐA thấp so với tua bin T5,T4 với trị số điện trở nối đất dạng xung dịng điện sét Hình 16 Sóng QĐA phía hạ áp T1 đến T5 sét đánh vào tua bin KẾT LUẬN Bài báo sử dụng chương trình mơ q độ điện từ EMTP/ATP để mô cho tượng sét đánh vào tua bin trang trại điện gió Kết mơ cho thấy: Dịng điện sét có tham số thời gian đầu sóng nhỏ gây QĐA lên tua bin có trị số lớn nguy hiểm cho thiết bị, tua bin phải trang bị đo ghi lại giá trị tham số dịng điện sét để có biện pháp bảo vệ hợp lý Quy chuyển trị số điện trở nối đất tua bin sử dụng đường dây truyền tải cao thế, giá trị điện trở chiều có trị số nhỏ giảm mức QĐA chi tua bin bị sét đánh tua bin bên cạnh Nếu điều kiện kinh tế cho phép tua bin nên nối đất chung, nhiên phải kết hợp biện pháp để tránh ảnh hưởng lan truyền sóng QĐA trang trại điện gió Tuy nhiên, sử dụng giá trị điện trở chiều, nên cần tiếp tục nghiên cứu ảnh tính đến phụ thuộc thành phần điện trở suất, số điện môi đất vào tần số để có đánh giá đáp ứng độ hệ thống nối đất cách xác Mặc dù giá thành CSV cao, việc lắp đặt CSV phía cao áp hạ áp tất tua bin giải pháp cần thiết giảm mức QĐA tốt [5] Yasuda, Y., et al., “Surge Analysis on Wind Farm When Winter Lightning Strikes” Energy Conversion, IEEE Transactions on, 23(1): p 257-262, 2008 [6] Abd_Elhady, A.M., N.A Sabiha, and M.A Izzularab “Overvoltage investigation of wind farm under lightning strokes” in Renewable Power Generation, IET Conference on 2011 [7] Sarajcev, P and R Goic, “An EMTP Model for Lightning Surge Analysis of Wind Farms” Int Rev Model Simul (IREMOS), (1): p 70-81, 2010 [8] IEC/TR61400-24, “Wind turbine generator systems Part 24: Lightning protection”, 2002 [9] National Renewable Energy Laboratory (NREL), US (2002): “Wind Turbine Lightning Protection Project (1999-2001)”, reported 2002 [10] Rakov, V.A and M.A Uman, “Lightning Physics and Effects” 2003, New York: Cambridge University Press [11] Juan A Martinez, “Lightning Performance Analysis of Overhead Transmission Lines Using the EMTP”, IEEE Transactions on power delivery, Vol 20, No 3, July 2005 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ công thương, “Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030 (Quy hoạch điện VII Điều chỉnh)”, 2016 [2] Rachidi F, “A Review of Current Issues in Lightning Protection of New-Generation Wind-Turbine Blades” Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 2008 55(6): p 2489-2496 [3] Bộ xây dựng, “Quy chuẩn xây dựng Việt Nam số liệu điều kiện tự nhiên dùng xây dựng”, 2008 [4] Nguyễn Quang Thuấn, luận án tiến sỹ “Nghiên cứu điện áp sét bảo vệ chống sét cho tua bin gió có kết nối lưới điện”, ĐHBKHN, 2016 ... QĐA sét xảy cấp điện áp thấp [5, 8, 9] Do đó, báo trình bày kết nghiên cứu QĐA sét đánh vào tua bin trang trại điện gió, phân tích yếu tố ảnh hưởng đến QĐA tua bin bị sét đánh tua bin bên cạnh trang. .. phía cao áp b) phía hạ áp tua bin bị sét đánh khơng có có CSV 5.6 Ảnh hưởng vị trí sét đánh tua bin khác trang trại điện gió Trong q trình vận hành, sét đánh tua bin trang trại điện gió Trong... Hình 11 Điện áp phía hạ áp tua bin sét đánh vào cánh tua bin 1, dòng sét 31 kA (1/70 μs) 5.3 Ảnh hưởng điện trở tiếp địa tua bin Mơ sét đánh đỉnh cột với dịng điện sét 31 kA (1/70 μs) điện trở