Nghiên cứu quá điện áp trong trang trại điện gió dưới tác động của dòng điện sét

Bài viết Nghiên cứu quá điện áp trong trang trại điện gió dưới tác động của dòng điện sét trình bày kết về nghiên cứu về QĐA trong trang trại điện gió khi xảy ra sét đánh vào tuabin gió, phân tích một số yếu tố ảnh hưởng đến QĐA sét trong trang trại điện gió như tham số của dòng điện sét, hệ thống nối đất của tua bin để từ đó đề xuất các giải pháp nhằm giảm QĐA trong trang trại điện gió.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP TRONG TRANG TRẠI ĐIỆN GIÓ DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA DÒNG ĐIỆN SÉT OVERVOLTAGE INVESTIGATION OF WIND FARM UNDER LIGHTNING STROKES Hoàng Tiến Thành1,*, Dương Duy Tiến1, Đồng Quốc Tú1, Ninh Văn Nam1 DOI: https://doi.org/10.57001/huih5804.2023.036 TÓM TẮT Năng lượng điện gió 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 nhiên, điện gió có nhiều nhược điểm, nhược điểm tuabin thường xuyên bị sét đánh gây điện áp (QĐA) ảnh hưởng tới vận hành tuabin điện gió Bài báo trình bày kết nghiên cứu QĐA trang trại điện gió xảy sét đánh vào tuabin gió, phân tích số yếu tố ảnh hưởng đến QĐA sét trang trại điện gió tham số dịng điện sét, hệ thống nối đất tua bin để từ đề xuất giải pháp nhằm giảm QĐA trang trại điện gió Ngồi phân tích tác dụng vai trò chống sét van (CSV) vấn đề chống sét lan truyền lắp đặt phía hạ áp trung áp máy biến áp nối với máy phát tuabin gió Kết cho thấy ứng dụng giải pháp giảm trị số QĐA sét gây cao áp giảm lần phía hạ áp tới 56 lần Kết nghiên cứu thực chương trình mơ q độ điện từ EMTP/ATP Từ khố: Tua bin gió, điện áp, chống sét van, EMTP/ATP ABSTRACT Wind power is increasingly developing to meet the rapidly increasing demand of loads, in the context that traditional energy sources are increasingly limited and not encouraged for development However, wind power also has many disadvantages, one of which is that the turbines are often struck by lightning causing overvoltage affecting the operation of wind turbines This paper presents the conclusion of the study on the overvoltage in the wind power farm when lightning strikes the wind turbine, analyzes some factors affecting the lightning overvoltage in the wind farm such as the parameter of lightning current, the system grounding system of the turbine to propose solutions to reduce overvoltage in wind farm In addition, the effect and role of the surge arrester are also analyzed in the problem of surge protection installed on the low and medium voltage side of the transformer connected to the wind turbine generator The results show that applying this solution can reduce the overvoltage value caused by lightning on the low voltage side by up to 56% Research results are carried out by simulation program of electromagnetic transients 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 2021 cơng suất điện gió chiểm tỷ trọng 1% dự báo đến năm 2030 tăng tới 19% đến năm 2045 tăng lên tới 35% tổng công suất nguồn điện (hình 1) Cơng nghệ phát triển điện gió ngày mạnh, nên tuabin 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, tuabin gió cao tới 100m [2] Tuy nhiên, tuabin với chiều cao lớn đặt mối quan tâm lớn việc chống sét Bởi vì, tuabin có chiều cao lớn nên dễ bị sét đánh, số lần sét đánh vào tua bin phụ thuộc vào chiều cao mật độ giông sét khu vực lắp tuabin gió [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 tuabin 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 Keywords: Wind turbine, overvoltages, line surge arrester, overvoltages, EMTP/ATP Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: duongduytien29@gmail.com Ngày nhận bài: 20/10/2022 Ngày nhận sửa sau phản biện: 03/02/2023 Ngày chấp nhận đăng: 15/3/2023 Hình Tỷ trọng cơng suất điện gió dự báo đến 2045 [1] Khi sét đánh trực tiếp vào cánh tuabin gió, dịng điện sét qua đầu thu sét lắp cánh tuabin sau dịng điện sét dẫn qua dây sét lắp đặt cánh dẫn dây thoát sét lắp đặt trụ tuabin gió xuống hệ thống nối đất (hình 2) Dịng điện sét chạy dây dẫn thoát sét cảm ứng sang 36 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 2A (3/2023) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 đường dây cáp điện lực gây QĐA Trong trang trại điện gió có tuabin gió 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 tuabin gió, cách bố trị dây dẫn trụ tuabin gió [4] Những năm gần dây CSV loại MOV sử dụng để bảo vệ QĐA tuabin gió ngày phổ biến Hiệu việc giảm QĐA lắp đặt CSV cấp điện áp trung áp rõ [5-7] Tuy nhiên, giải pháp lắp CSV chủ yếu thực cấp điện áp trung áp tuabin 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] Bài báo trình bày kết nghiên cứu QĐA sét đánh vào tuabin gió trang trại điện gió, phân tích yếu tố ảnh hưởng đến QĐA tuabin gió bị sét đánh tuabin gió 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 tuabin gió vận hành Việt Nam làm đối tượng nghiên cứu Trong đó: σ độ lệch chuẩn; I biên độ dịng điện sét trung bình Các tham số trình bày bảng Bảng Giá trị trung bình độ lệch chuẩn [11] Tham số I (kA) tf (µs) th (µs) Phân bố log chuẩn Giá trị trung bình Độ lệch chuẩn  34 0,74 0,494 77,5 0,577 TRANG TRẠI ĐIỆN GIÓ VÀ MƠ HÌNH MƠ PHỎNG Một trang trại gió thể hình sử dụng để nghiên cứu QĐA xảy sét đánh Máy phát tuabin gió với cơng suất 2MW, điện áp 690V Cột trụ tuabin có chiều cao 80m, cánh dài 40m Đường kính ngồi phía trụ 5,4m đường kính ngồi chân trụ 8,6m Mỗi tuabin gió nối với máy biến áp 2MVA0,69/24kV đặt chân trụ tuabin Trang trại điện gió kết nối với lưới điện dây cáp XLPE qua máy biến áp 16MVA, 24/110kV Các tuabin gió đặt cách khoảng 200m Trang trại điện gió bị kết nối với lưới điện qua đường dây khơng dài 3km Hình Trang trại điện gió nghiên cứu MƠ HÌNH MÔ PHỎNG TRONG EMTP/ATP Để xác định QĐA sét trang trại điện gió sét đánh vào cánh tuabin, 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 cần phải mơ hình hóa Sau trình bày mơ tả phần tử tua bin: a) Cánh: mô tả tổng trở sóng xác định theo cơng thức [4]: 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)    ln(I / I   exp      2πσI   σ   Website: https://jst-haui.vn (1) ZB  60ln 2Hb , rb (2) Với Hb rb chiều dài bán kính vật dẫn đặt cánh tua bin (m) b) Cột trụ: mô tả tổng trở sóng xác định theo cơng thức [4]: ZB  60ln 2HT , rT (3) Với HT, rT chiều cao bán kính tương đương cột trụ (m) c) Hệ thống nối đất: Tùy theo mục đích nghiên cứu lựa chọn mơ hình hệ thống nối đất tua bin khác Vol 59 - No 2A (March 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 37 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Trong báo toàn hệ thống nối đất tua bin mơ hình điện trở khơng đổi d) Nguồn điện sét mơ hình nguồn dòng 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 300kA [11], thời gian đầu sóng tf Trở kháng kênh sét tổng trở sóng có trị số 400Ω [11] Dạng sóng dịng điện sét hình Hình Dạng sóng dịng điện sét e) Chống sét van (CSV): Trong báo sử dụng mơ hình đơn giản CSV thay điện trở phi tuyến có đặc tính hình Hình Mơ hình MBA h) Mơ hình đường dây: Đường dây hạ áp tuabin gió thường có chiều dài ngắn (chỉ từ vài mét đến 100m), dùng để nối điện máy phát điện máy biến áp tuabin gió 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 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 Hình Mơ hình mơ tuabin gió EMTP a) KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 5.1 Ảnh hưởng thời gian đầu sóng dịng điện sét b) Hình Đặc tính V-S CSV a) phía 0,69kV, b) phía 22kV Hình minh họa QĐA đầu cánh tuabin gió tuabin gió bị sét đánh với biên độ 31kA tham số thời gian đầu sóng độ dài sóng khác Tiếp địa cột tuabin gió có trị số 10Ω Có thể thấy rõ độ dài đầu sóng tf dịng sét nhỏ (1/70μs) tạo QĐA lớn QĐA giảm mạnh độ dốc sóng giảm, dạng sóng 5/70μs cho QĐA thấp nhiều so với 1/70μs Trong khi, dạng sóng 10/230μs tạo QĐA nhỏ f) Máy biến áp: Mơ hình MBA cho nghiên cứu phân tích QĐA sét có dạng mạch điện với thơng 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 CH = 15nF; CH = 15nF; CCH =18nF [4] 38 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 2A (3/2023) Hình Điện áp đầu cánh tua bin bị sét đánh với dạng sóng sét khác Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 5.2 QĐA tua bin bên cạnh Khi sét đánh vào tua bin gió gây QĐA, sóng QĐA lan truyền trang trại điện gió gây QĐA cho tuabin gió bên cạnh, mức QĐA trình bày hình 10 Hình hiển thị QĐA truyền tới tua bin gió liền kề ghi lại tiếp địa tua bin gió (T1 đến T5), cánh củaT1 bị sét sét đánh với dạng sóng sét 1/70μs, Rtd cột tua bin gió 10Ω b) Hình 11 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 Điện áp tiếp địa tuabin gió sét đánh vào cánh tua bin gió với dịng sét 31kA (1/70μs) Nhận thấy sét đánh vào cánh T1 dòng sét truyền cáp thoát sét xuống đất qua tiếp địa T1, tua bin gió xa QĐA nhỏ Hình 12 Sóng QĐA phía hạ áp T1 theo hình thức nối đất độc lập hình thức nối đất chung Hình 10 biểu thị QĐA phía hạ áp máy biến áp sét đánh vào cánh tua bin gió 1, nhận thấy sóng QĐA phía hạ áp T1 có trị số lớn gấp 15 mức điện áp xung (BIL) thiết bị phía hạ áp 0,69kV khơng có biện pháp gây hư hỏng cho thiết bị phía hạ áp Hình 13 Sóng QĐA phía hạ áp T1 đến T5 theo hình thức nối đất chung Hình 10 Điện áp phía hạ áp tuabin gió sét đánh vào cánh tua bin với dòng sét 31kA (1/70μs) 5.3 Ảnh hưởng điện trở tiếp địa Mô sét đánh đỉnh cột với dòng điện sét 31kA (1/70μs) điện trở tiếp địa tuabin gió 1, 3, 5, 10Ω, kết mơ sóng QĐA tiếp địa phía hạ áp tuabin gió thể hình 11 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 a) Website: https://jst-haui.vn Trường hợp xét ảnh hưởng hình thức nối đất độc lập hình thức nối đất chung tuabin gió 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 tuabin gió có trị số điện trở 5Ω, tuabin gió kề hàng liên kết với qua điện cực chôn nằm ngang (dài 300m) tạo thành hệ thống nối đất chung toàn trang trang trại điện gió Điện cực ngang thép phủ lớp kẽm bên ngồi, đường kính 22mm, chơn độ sâu 0,8m vùng đất có điện trở suất 600Ωm Điện cực ngang nối hai tuabin gió 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 12 Kết mô 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 Vol 59 - No 2A (March 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 39 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 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 tuabin gió lân cận nối đất chung không làm giảm không đáng kể trị số QĐA lan truyền phía hạ áp (hình 13) 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 tuabin gió 1, phía cao áp hạ áp tuabin gió lắp đặt CSV có đặc tính hình Mơ sét đánh đỉnh cột với dòng điện sét 31kA (1/70μs) điện trở tiếp địa là10Ω Trong mô so sánh đánh giá mức QĐA sét cảm ứng tuabin gió theo trường hợp lắp đặt khơng lắp đặt CSV hai đầu đường cáp điện phía cao áp phía hạ áp tuabin gió 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 mô so sánh dạng sóng QĐA phía cao áp phía hạ áp tuabin gió bị sét đánh thể hình 14 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 56 lần P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 cho dạng sóng QĐA phía hạ áp tua bin gió so sánh hình 15 Các kết cho thấy ảnh hưởng phản xạ dịng điện sét từ tuabin gió liền kề đóng vai trị quan trọng việc giảm QĐA phía hạ áp tuabin gió 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 gió xa lưới hệ thống (T3, T2 T1) Điều phản xạ từ lưới tuabin gió thứ 3,2,1 đến muộn so với tuabin gió T5 T4 Có thể nhìn thấy, tua bin gió xa lưới hệ thống T3, T2 T1) có mức QĐA thấp so với tua bin gió T5, T4 với trị số điện trở nối đất dạng xung dịng điện sét Hình 15 Sóng QĐA phía hạ áp T1 đến T5 sét đánh vào tua bin gió 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, tuabin gió phải trang bị đo ghi lại giá trị tham số dịng điện sét để có biện pháp bảo vệ hợp lý Hình 14 So sánh sóng QĐA a) phía cao áp b) phía hạ áp tua bin bị sét đánh khơng có có CSV Quy chuẩn trị số điện trở nối đất tua bin gió sử dụng đường dây truyền tải cao thế, giá trị điện trở chiều có trị số nhỏ giảm mức QĐA chi tua bin gió bị sét đánh tuabin gió bên cạnh Nếu điều kiện kinh tế cho phép tuabin gió 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 5.6 Ảnh hưởng vị trí sét đánh tua bin khác trang trại điện gió Mặc dù giá thành CSV cao, việc lắp đặt CSV phía cao áp hạ áp tất tua bin gió giải pháp cần thiết giảm mức QĐA tốt Trong q trình vận hành, sét đánh tuabin gió trang trại điện gió Trong báo xem xét dạng sóng QĐA bên hạ áp tua bin gió theo vị trí sét đánh tua bin gió khác trang trại điện gió, từ tua bin gió gần lưới điện (T5) đến tua bin gió xa (T1) Mô thực với giả thiết: dịng điện sét 31kA (1/50μs), hình thức nối đất độc lập tua bin gió 5Ω Khi sét đánh vào T1 đến T5, kết TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ministry of Industry and Trade, 2016 Revisions to the national power development plan from 2011 to 2020 with visions extended to 2030 Vietnam 40 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 2A (3/2023) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 [2] Rachidi F., 2008 A Review of Current Issues in Lightning Protection of New-Generation Wind-Turbine Blades IEEE Transactions on Industrial Electronics, 55(6): p 2489-2496 [3] Ministry of Construction, 2009 QCXDVN 02: 2009/BXD Vietnam Building Code -Natural Physical & Climatic Data for Construction Vietnam [4] Nguyen Quang Thuan, 2016 Nghien cuu qua dien ap set va bao ve chong set cho tua bin gio co ket noi luoi dien PhD Thesis, Hanoi University of Science and Technology [5] Yasuda Y., et al., 2008 Surge Analysis on Wind Farm When Winter Lightning Strikes IEEE Transactions on Energy Conversion, 23(1): p 257-262 [6] Abd Elhady A.M., N.A Sabiha, M.A Izzularab, 2011 Overvoltage investigation of wind farm under lightning strokes in IET Conference on Renewable Power Generation [7] Sarajcev P., R Goic, 2010 An EMTP Model for Lightning Surge Analysis of Wind Farms Int Rev Model Simul (IREMOS), (1): p 70-81 [8] IEC/TR61400-24, 2002 Wind turbine generator systems - Part 24: Lightning protection [9] National Renewable Energy Laboratory (NREL), US, 2002 Wind Turbine Lightning Protection Project (1999-2001) Reported 2002 [10] Rakov V.A., M.A Uman, 2003 Lightning Physics and Effects New York: Cambridge University Press [11] Juan A Martinez, 2005 Lightning Performance Analysis of Overhead Transmission Lines Using the EMTP IEEE Transactions on power delivery, Vol 20, No AUTHORS INFORMATION Hoang Tien Thanh, Duong Duy Tien, Dong Quoc Tu, Ninh Van Nam Hanoi University of Industry Website: https://jst-haui.vn Vol 59 - No 2A (March 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 41