Tính toán tổng trở sóng của tuabin gió dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn

Microsoft Word 235 Nguyen Van Vinh doc Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN 978 604 82 2981 8 564 TÍNH TOÁN TỔNG TRỞ SÓNG CỦA TUABIN GIÓ DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Nguyễn Vă[.]

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 TÍNH TỐN TỔNG TRỞ SĨNG CỦA TUABIN GIĨ DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Nguyễn Văn Vinh Trường Đại học Thủy lợi, email: vinhnv@tlu.edu.vn ĐẶT VẤN ĐỀ Tuabin gió thiết bị có độ cao lớn thường đặt vị trí lập nên dễ bị sét đánh Nghiên cứu rằng, tua bin gió cao tỷ lệ sét đánh lớn, cố tuabin gió sét gây năm lên tới 36% [1] Theo đó, hư hỏng hệ thống điều khiển chiếm tới 51%, hệ thống điện 20%, cánh 10%, máy điện 7%, thành phần khác 12% [2] Nhận thấy vấn đề trên, việc tính tốn bảo vệ chống sét cần thiết để hạn chế thiệt hại sét gây thông qua việc ước lượng trị số điện áp đặt lên phần tử tuabin gió Những phần tử biểu diễn thông qua đại lượng điện tổng trở sóng tương đương Việc xác định xác đại lượng điện cho phép ta ước lượng trị số điện áp sét gây ra, từ đề biện pháp bảo vệ chống sét thích hợp cho thiết bị tuabin gió Trong báo này, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) sử dụng để tính tốn tổng trở sóng tuabin gió xét tới kích thước thật vật liệu làm tuabin gió Q trình xây dựng mơ hình, mơ phỏng, tính tốn dựa phần mềm COMSOL Kết tính tốn so sánh với phương giải tích Ngồi ra, báo thảo luận tác động tương hỗ thành phần tuabin gió (3 cánh, trục cánh tháp) lên giá trị tổng trở sóng, thay tính tổng trở sóng độc lập cho cánh tháp riêng lẻ thành phần dây dẫn sét cánh xem hình trụ (Hình 1) Tổng trở sóng cánh (Zb) tháp (Zt) tính bởi: Z b  60.ln Hình Sơ đồ tương đương tuabin gió 2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Xuất phát từ cơng thức tính tổng trở sóng đề xuất [4]: Z H c.CT (2) đây, H chiều cao vật thể, c vận tốc ánh sáng chân không (3.108 m/s), CT điện dung vật thể Trong báo này, điện dung tuabin gió tính sau: CT  Trong [3], tác giả coi thành phần tháp tuabin gió hình nón cụt (1) đây, Hb rb chiều dài bán kính thành phần dẫn sét cánh; Ht rt chiều cao bán kính sở tháp PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp giải tích 2H b H Z t  60.ln t rb rt 2W U2 (3) đây, U điện áp kích thích đặt vào tuabin gió (1V), W lượng điện trường tích lũy tuabin gió tính FEM 564 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 thông qua hàm phân bố   x, y, z  miền khảo sát  : 2     2         W     x     z  y     d    x   z    y    tuabin gió theo thơng số hãng Vestas V66-1.65MW (Bảng 2) Bảng Kích thước tuabin gió hãng Vestas (4)  Bước 1: Rời rạc hóa miền khảo sát  Miền khảo sát  chia thành phần tử ba chiều dạng tứ diện bậc (Hình 2) Bảng Vật liệu tuabin gió hãng Vestas KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Tính tổng trở sóng độc lập Hình Phần tử tứ diện bậc  Bước 2: Lựa chọn hàm xấp xỉ Hàm xấp xỉ chọn hàm tuyến tính sau:   x, y,z   1   x   y   z (5) Phân bố phần tử [e] nút đỉnh tứ diện: i     j e  [ N i N j N k N l ]     N .  k     l (6) đây, N hàm hình dạng phụ thuộc vào hình dạng phần tử mà ta chia  Bước 3: Xây dựng hệ phương trình đại số Năng lượng điện trường tích lũy tuabin gió xác định bởi: m W W   e  [ H ].{}   e1 e (7) đây, m số phần tử miền khảo sát  ,  H  ma trận tổng thể xây dựng từ ma trận  h  e  Bước 4: Giải hệ phương trình đại số Để giải (7), phần mềm COMSOL dựa FEM sử dụng để tính tốn điện trường Kết tính tốn tổng trở sóng thành phần độc lập cho cánh tháp trình bày Bảng Bảng Tổng trở sóng cánh tháp Nhận thấy rằng, tổng trở sóng tính phương pháp phần tử hữu hạn hai trường hợp cho cánh tháp cho kết nhỏ phương pháp giải tích (14.53% 22.8%) Sự sai khác phương pháp giải tích, hình dạng thực vật liệu làm tuabin gió khơng tính đến, cụ thể:  Đối với cánh: hình dáng, kích thước, vật liệu vỏ cánh bỏ qua Hơn nữa, vật liệu dây dẫn sét không xét đến  Đối với tháp: việc tính tốn giải tích coi tháp hình nón cụt mà khơng xét đến độ dầy vật liệu tháp Như vậy, xét riêng rẽ thành phần, phương pháp giải tích rõ ràng phóng đại trị số tổng trở sóng tuabin gió 565 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 3.2 Tính tổng trở sóng với mơ hình đầy đủ Tổng trở sóng cánh tháp xét đến ảnh hưởng tương hỗ thành phần cịn lại tuabin gió tính tốn Kết tính tốn Hình cho thấy, tổng trở sóng cánh tháp tăng xét đến ảnh hưởng thành phần cịn lại tuabin gió Tổng trở sóng tăng lên điện dung thành phần giảm có xét đến phần lượng tĩnh điện cảm ứng sang thành phần lân cận Hình Tổng trở sóng cánh cho cánh (từ 8Ω đến 10Ω) Điều cho thấy rằng, thân tháp thiết bị có cấu trúc hình học lớn nên chịu ảnh hưởng từ thành phần khác Khi xét với mơ hình đầy đủ, tổng trở sóng tháp tăng tới 18,54% (từ 195,57Ω lên 231,83Ω) KẾT LUẬN Tổng trở sóng tuabin gió tính tốn hai phương pháp giải tích phần tử hữu hạn cho kết sai khác lớn Phương pháp giải tích làm cho giá trị tổng trở sóng tăng tới 20% khơng xét đến kích thước hình học thực cánh tháp, đồng thời bỏ qua phần vật liệu làm cánh tháp Tổng trở sóng tuabin gió xét hai trường hợp với mơ hình độc lập đầy đủ thành phần cánh tháp có khác biệt lớn kết Điều cho thấy rằng, biểu diễn mơ hình tuabin gió đầy đủ giá trị tổng trở sóng lớn Do đó, việc tính tốn bảo vệ chống sét tuabin gió nên xem xét đến ảnh hưởng toàn kết cấu xung quanh lên trị số tổng trở sóng Các trị số tổng trở sóng cánh tháp mơ hình đầy đủ với mức tổng trở sóng cao nên lấy để phục vụ cho việc tính tốn bảo vệ chống sét, từ ước lượng xác trị số điện áp sét tuabin gió TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình Tổng trở sóng tháp Tổng trở sóng cánh xét đến ảnh hưởng thành phần trục cánh tháp lớn so với thành phần cịn lại tuabin gió (có độ dốc đồ thị lớn), điều phù hợp với thực tế thành phần có cấu trúc lớn đặt gần cánh Khi xét mơ hình đầy đủ, tổng trở sóng cánh tăng tới 54,24% (từ 507,13Ω lên 782,21Ω) Tổng trở sóng tháp xét đến ảnh hưởng cánh trục cánh đặt lên tháp không lớn so với trường hợp tính [1] Bruce Glushakow (2007) Effective lightning protection for wind turbine generators IEEE Transactions on Energy Conversion, 22(1), pp 214-222 [2] IEC TR 61400-24 (2002) Wind turbine generator systems - Part 24: Lightning protection IEC: Switzerland [3] Romero, D (2004) Behaviour of the windturbines under lightning strikes including nonlinear grounding system Proceedings of the International Conference on Renewable Energies and Power Quality [4] CIGRE Working Group 33-01 (1991) Guide to procedures for estimating the lightning performance of transmission lines CIGRE Brochure 63 566 ... thành phần khác Khi xét với mơ hình đầy đủ, tổng trở sóng tháp tăng tới 18,54% (từ 195,57Ω lên 231,83Ω) KẾT LUẬN Tổng trở sóng tuabin gió tính tốn hai phương pháp giải tích phần tử hữu hạn cho... đủ Tổng trở sóng cánh tháp xét đến ảnh hưởng tương hỗ thành phần lại tuabin gió tính tốn Kết tính tốn Hình cho thấy, tổng trở sóng cánh tháp tăng xét đến ảnh hưởng thành phần lại tuabin gió Tổng. .. rằng, tổng trở sóng tính phương pháp phần tử hữu hạn hai trường hợp cho cánh tháp cho kết nhỏ phương pháp giải tích (14.53% 22.8%) Sự sai khác phương pháp giải tích, hình dạng thực vật liệu làm tuabin