So sánh mô hình chống sét van trong trang trại điện gió hạn chế quá điện áp sét đánh vào tuabin gió

Bài viết So sánh mô hình chống sét van trong trang trại điện gió hạn chế quá điện áp sét đánh vào tuabin gió trình bày mô hình CSV dạng đơn giản (ĐG) không phục thuộc tần số và mô hình của Pinceti cùng các cộng sự mô hình phụ thuộc tần số (PTTS) để nghiên cứu đánh giá mức QĐA trong trang trại điện gió khi tuabin gió bị sét đánh.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SO SÁNH MÔ HÌNH CHỐNG SÉT VAN TRONG TRANG TRẠI ĐIỆN GIĨ HẠN CHẾ QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT ĐÁNH VÀO TUABIN GIÓ COMPARATIVE MODEL OF SURGE ARRESTER IN WIND FARM LIMITING OVER VOLTAGE LIGHTNING STROKES TO WIND TUBINE Lê Chí Cơng1, Nguyễn Văn Đạt1, Nguyễn Văn Doanh1,*, Đoàn Việt Đức1, Nghiêm Thị Thúy Nga2, Đào Thị Lan Phương3 DOI: https://doi.org/10.57001/huih5804.2023.038 TÓM TẮT Các tuabin gió thường xuyên bị sét đánh lắp đặt khu vực trống trải độ cao lớn, sét đánh gây gián đoạn phát điện Khi tuabin gió bị sét đánh dòng điện sét chạy dây dẫn sét xuống đất, q trình lan truyền cảm ứng sang đường dây điện lực dây điều khiển gây điện áp (QĐA) Để bảo vệ QĐA tuabin gió thường lắp đặt chống sét van (CSV) Các mơ hình CSV nghiên cứu QĐA nhiều tập trung chủ yếu lưới điện truyền tải mà chưa có cơng trình nghiên cứu chi tiết bảo vệ QĐA trang trại điện gió Bài báo trình bày mơ hình CSV dạng đơn giản (ĐG) khơng phục thuộc tần số mơ hình Pinceti cộng mơ hình phụ thuộc tần số (PTTS) để nghiên cứu đánh giá mức QĐA trang trại điện gió tuabin gió bị sét đánh Kết thu sở để lựa chọn mơ hình CSV phù hợp nghiên cứu QĐA sét đánh vào tuabin gió Sử dụng chương trình độ điện từ EMTP/ATP để mơ phân tích Từ khố: Tua bin gió, mơ hình chống sét van, q điện áp, EMTP/ATP ABSTRACT Wind turbines are often struck by lightning due to their installation in empty areas and high altitudes, so lightning strikes disrupt power generation When the wind turbines are struck by lightning, the lightning current flows in the lightning discharge conductors to the ground, in the process of propagation, it will be induced to the power lines and control wires causing overvoltage To protect for wind turbines often install surge arresters The models of surge arrester in the overvoltage research are mainly focused on the transmission grid, but there are no detailed studies on the protection of the overvoltage in the wind farm This paper presents a simple surge arrester model that does not depend on frequency and the model of Pinceti and colleagues’ frequency dependent model to study and evaluate overvoltage levels in wind power farms when wind turbine struck by lightning The obtained results are the basis for selecting a suitable surge arrester model in the overvoltage study when lightning strikes the wind turbine Use EMTP/ATP electromagnetic transient program for simulation and analysis Keywords: Wind turbine, surge arrester model, overvoltages, EMTP/ATP 2018DHĐIỆN06 - ĐHK14, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: nguyenvandoanh12d01@gmail.com Ngày nhận bài: 25/10/2022 Ngày nhận sửa sau phản biện: 02/02/2023 Ngày chấp nhận đăng: 15/3/2023 Website: https://jst-haui.vn GIỚI THIỆU Gần đây, tuabin gió phát triển nhanh chóng tồn giới để trở thành nguồn lượng điện quan trọng Với việc tăng dần chiều cao tuabin gió để có nâng cao cơng suất, nguy tuabin gió bị sét đánh tăng lên Ngồi ra, vị trí tuabin gió thường nằm lập, khu vực trống trải điều kiện đồi núi khiến số lượng sét đánh ngày nhiều Hơn nữa, sét đánh hỏng tuabin gió dẫn đến việc dừng hoạt động máy phát điện gió phải sửa chữa tốn Ngồi hư hỏng nghiêm trọng thiết bị máy phát, cố ngắn mạch cáp điện lực cáp điều khiển thường xuyên xảy trang trại điện gió tồn giới Theo IEC TR 61400-24, hư hỏng thường xuyên nhất, 50% thành phần hư hỏng tuabin gió hư hỏng xảy điện áp thấp mạch máy phát, mạch điều khiển [1] Các cố thường xuyên mạch điện áp thấp gây thiệt hại ngừng phát điện làm tăng chi phí phát điện [2] Các hư hỏng mạch điện áp thấp không sét đánh trực tiếp đánh mà bị điện áp lan truyền trang trại điện gió sau sét đánh vào tuabin gió trang trại điện gió [3] Đất có điện trở suất cao hệ thống nối đất tuabin gió thường làm cho CSV hoạt động theo đặc tính ngược lại làm cho điện áp tăng trở lại hệ thống lưới điện trang trại điện gió Điều gây cố đánh thủng cách điện cháy mạch điều khiển cấp điện áp thấp chí hỏng CSV trang trại gió Trong thực tế, nhiều cố xảy khơng ảnh hưởng đến tuabin gió bị sét đánh mà cịn lan tuabin gió khác tuabin khơng bị sét đánh Do đó, việc tập trung đánh giá, phân tích mơ hình CSV hạn chế QĐA sét trang trại gió quan trọng [2-4] Mặc dù, có nhiều nghiên cứu mơ hình CSV đánh giá hiệu hoạt động bảo vệ QĐA trang trại điện gió điều kiện cố thoáng qua [1-3, 5- 8], khơng có nghiên cứu bao gồm mơ hình tần số cao CSV lắp đặt trang trại gió Do đó, báo nghiên cứu đến việc so sánh mơ hình đơn giản mơ hình có tần số cao CSV máy biến áp lắp đặt trang trại điện gió Vol 59 - No 2A (March 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 47 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Trong báo này, thành phần tuabin gió máy biến áp tăng áp CSV thực cách sử dụng mô hình tần số cao Tác động mơ hình lên QĐA phân tích cách sử dụng trang trại gió đơn giản bao gồm hai tuabin gió Điều nghiên cứu nhiều miền thời gian miền tần số cách sử dụng Fast Fourier Transform (FFT) Mơ hình đề xuất CSV mạng hạ áp trình bày cách xác định lại thông số Penciti cộng QĐA lan truyền khảo sát cách sử dụng trang trại gió đơn giản bao gồm mười tuabin gió mơ hình CSV, sử dụng hai loại mơ hình: mơ hình đơn giản mơ hình phụ thuộc tần số Các đặc điểm VI mơ hình đơn giản lấy [2] 2.2.1 Mơ hình CSV phụ thuộc tần số Hiệu hoạt động CSV quan trọng sét đánh xung sét đột ngột với thời gian nhanh cỡ μs Một mơ hình xác đơn giản CSV đề xuất Pinceti cộng [11] có nguồn gốc từ mơ hình IEEE [12] thể hình 2 MƠ TẢ MƠ HÌNH 2.1 Bố trí thơng số trang trại gió Bố cục trang trại điện gió bao gồm hai máy phát điện gió giống hệt mơ tả hình Máy phát điện gió mơ hình hóa máy đồng cơng suất 1MVA điện áp 0,66kV, hệ thống tiếp địa cột WT CSV, MBA được nối chung với trị số điện trở chiều là10Ω Cột WT cao 60m bán kính chân trụ 1,8m, bán kính đỉnh trụ 0,8m, trang trại điện gió kết nối với hệ thống lưới điện đường dây phân phối dài 5km - Cánh: mô tả tổng trở sóng xác định theo cơng thức [9]: 2H Zb  60ln b  rb - Cột trụ: mô tả tổng trở sóng xác định theo cơng thức [9]: 2HT  rT Mơ hình cấu tạo hai phần điện trở phi tuyến tính thường ký hiệu A0 A1 ngăn cách độ tự cảm L1 L0 Một điện trở song song R (1MΩ) thêm vào để tránh ổn định số kết hợp nguồn phần tử phi tuyến tính Các giá trị L1 L0 mơ hình tính μH xác định công thức sau [9]: L1 = Ur(1/T2 ) -Ur(8/20) Un μH Ur(8/20) (3) L0 = Ur(1/T2 ) -Ur(8/20) Un μH 12 Ur(8/20) (4) (1) Với Hb rb chiều dài bán kính vật dẫn đặt cánh tua bin (m) Zb  60ln Hình Pineti cơng mơ hình [11] (2) HT, rT chiều cao bán kính tương đương cột trụ (m) Trong đó: Un - điện áp định mức CSV; Ur (8/20) - điện áp dư ứng với dạng xung dòng thử nghiệm 10kA, 8/20μs; Ur(1/T2) - điện áp dư ứng với dạng xung dòng thử nghiệm 10kA, 1/T2μs Các đặc tính A0 A1 pu tham chiếu đến U / lựa chọn dựa liệu công bố [11] trình bày hình Đường phân phối giả định đường dây không mô tham số đường dây phân phối phụ thuộc số J-Marti trình bày [10] Hình Đặc tính U-I A0 vàA1 Vấn đề mơ hình Ur(1/T2) khơng có sẵn hầu hết bảng liệu Vì vậy, việc xác định tham số mơ hình trở nên khó khăn Vấn đề khắc phục cách sử dụng mơ hình CSV đề xuất [13] Các thông số xác định theo cơng thức: Hình Sơ đồ nối tuabin điện gió 2.2 Mơ hình CSV Theo tiêu chuẩn bảo vệ áp máy biến áp, hai CSV lắp đặt hai phía máy biến áp Trong nghiên cứu này, CSV phía hạ áp (HA) CSV phía trung áp (TA) sử dụng Để nghiên cứu tác động L1 = 0,03Un μH (5) L1 = 0,01Un μH (6) 2.2.2 Mơ hình CSV hạ áp đề xuất Mơ hình CSV mơ thử nghiệm để phù hợp với bảng liệu nhà sản xuất [15] theo đặc 48 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 tính đóng cắt chống sét Dịng phóng điện 8/20μs, 5kA dịng phóng điện danh định 25kA đưa vào mơ hình CSV cho dịng phóng điện danh định 5kA CSV Ngồi ra, dịng phóng điện danh định 8/20μs, 10kA 40kA đưa vào mơ hình CSV cho dịng phóng điện danh định 10 kA CSV Sau đó, sai số điện áp dư thay liệu sản xuất tìm thấy giới hạn chấp nhận Nhận dạng thơng số CSV phía hạ áp (7), (8) sửa đổi để bao gồm tất mức giá trị điện áp thấp Việc sửa đổi thực chương trình LAB Fit Curve Fitting Software LABFIT [16] Trong báo này, CSV hạ áp bảo vệ máy biến áp mơ hình hóa cách sử dụng cơng thức (5), (6) trường hợp Un 440V, L1 L0 xác định 0,07μH Trong nghiên cứu này, máy biến áp tăng áp bảo vệ CSV trung áp có điện áp định mức 10kV Các tham số L1 L0 ước lượng từ cơng thức (3) (4) Ur(1/T2) có sẵn bảng liệu [17] Vì vậy, L1 L0 0,0952μH 0,286μH 2.2.3 Mơ hình máy biến áp Để nghiên cứu độ từ liên quan đến tần số lên đến vài kHz, điện dung cuộn dây máy biến áp phải thêm vào Điện dung thực phân phối, thông số gộp đầu cuối cuộn dây cho tổng điện dung sử dụng với độ xác hợp lý trường hợp Tuy nhiên, điện dung máy biến áp thường khó xác định Điện dung máy biến áp biểu diễn CC, CH CCH hình Trong đó, CH: điện dung cuộn dây cao với đất, CH: điện dung cuộn dây thấp với đất CCH: điện dung cuộn dây cao hạ Thông thường CH CCH lớn CC Điều thực tế điện áp cao đòi hỏi tách biệt nhiều cuộn dây cuộn dây lõi [18] Trong nghiên cứu này, điện dung tính tốn cho máy biến áp tăng áp máy biến áp lưới dựa quy trình đề xuất [19] Điện dung đầu cuối thu nằm dải điện dung cho [20, 21] Hình 5a cho thấy mạch EMTP/ATP mơ tả hình 1, sử dụng mơ hình đơn giản CSV (ĐG), cịn hình 5b mơ tả với i mơ hình CSV phụ thuộc vào tần số (PTTS) Điện áp ba vị trí khác lấy để phân tích: cực cao áp máy biến áp tăng áp tuabin gió WT1, WT2 phía sơ cấp máy biến áp nối lưới a) Mơ hình với mơ hình CSV đơn giản (ĐG) b) Mơ hình CSV phụ thuộc tần số (PTTS) Hình Mơ EMTP/ATP cho trang trại gió đơn giản Hình Mơ hình máy biến áp tần số cao KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Mô với giả định sét đánh vào tuabin (WT1) thể hình Dịng điện sét với biên độ 51kA, thời gian đầu sóng 2μs độ dài sóng 630μs 3.1 Tác động mơ hình CSV điện áp Tác động mô hình CSV áp thực cách sử dụng hai tuabin gió thể hình Website: https://jst-haui.vn Hình Dạng sóng q điện áp đáp ứng tần số qua pha A phía cao biến áp WT1 Vol 59 - No 2A (March 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 49 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Tác động mơ hình CSV thu cách so sánh điện áp vị trí nói thể hình 6, Sự khác biệt mơ hình rõ ràng từ độ lớn trị số điện áp đáp ứng tần số sử dụng mô hình phụ thuộc tần số CSV P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Giá trị áp dòng ngược phụ thuộc vào gia tăng điện áp từ hệ thống nối đất tuabin gió Hình Các dạng sóng điện áp lan truyền đột biến trang trại gió Hình Dạng sóng q điện áp đáp ứng tần số qua pha A phía cao biến áp WT2 Hình 10 Quá điện áp phía điện áp cao máy biến áp tăng áp (phía 6,6kV) tuabin gió trang trại Hình Dạng sóng điện áp đáp tuyến tần số qua pha A phía sơ cấp máy biến áp lưới 3.2 Quá điện tuabin gió bị sét đánh Quá điện áp trang trại điện gió bao gồm mười tuabin phân tích xảy sét đánh, sóng điện áp lan truyền trang trại điện gió phân tích đánh giá Hình cho thấy dạng sóng q điện áp phía 6,6kV WT1, WT3, WT7 WT10 hình 10 cho thấy biên độ điện áp tuabin gió Rõ ràng rằng, biên độ điện áp tăng mạnh tuabin gió bị sét đánh trực tiếp (tức WT1) giá trị cao so với tuabin khác thể rõ hình 10 Điều gia tăng hoạt động CSV tuabin khác, nơi tăng CSV lắp đặt tuabin gió hoạt động ngược chiều đưa dòng điện ngược vào đường dây phân phối Hình 11 Các dạng sóng điện áp hệ thống nối đất tuabin gió Hình 11 12 cho thấy q điện áp hệ thống nối đất tăng lên dọc theo trang trại gió sét đánh WT1 Từ 50 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 2A (3/2023) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 tuabin gió WT3 đến WT10 điện áp hệ thống nối đất không ảnh hưởng CVS làm việc tiêu tán dòng điện sét (hình 12) Hình 12 Độ lớn điện áp hệ thống nối đất tuabin gió sét đánh WT1 KẾT LUẬN Tác động CSV mơ hình máy biến áp nghiên cứu Điều tra thực miền thời gian miền tần số FFT Nghiên cứu bao gồm việc mơ hình hóa tuabin gió, máy biến áp thiết bị CSV phía trung áp phía hạ áp Các kết nghiên cứu sử dụng chương trình mơ độ điện từ EMTP/ATP Các kết luận thu từ kết Mơ hình đề xuất CSV phía hạ áp cách xác định lại thông số Pencitiet cộng giới thiệu Để đánh giá phân tích điện áp trang trại điện gió sử dụng CSV mơ hình phụ thuộc tần số phải đưa vào mơ hình kết nghiên cứu xác Biên độ điện áp vị trí trang trại điện gió sét đánh vào WT sử dụng mơ hình CSV phụ thuộc tần số có trị số cao so với sử dụng mơ hình đơn giản Điều sử dụng mơ hình đơn giản làm giảm mức độ nguy hiểm điện áp trang trại điện gió sét đánh vào WT Vai trò lớn CSV phía hạ áp phía trung áp làm giảm trị số điện áp hệ thống nối đất tuabin gió giảm mức điện áp xông ngược từ hệ thống nối đất vào lưới điện Khi sét đánh vào WT1 WT cách xa từ WT3 trở lên không bị ảnh hưởng mức điện áp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] IEC TR 61400-24, 2002 Wind Turbine Generator Systems Part 24: Lightning Protection [2] Y Yasuda, N Uno, H Kobayashi, T Funabashi, 2008 Surge Analysis on Wind Farm When Winter Lightning Strikes IEEE Trans on Energy Conversion, vol 23, no 1, pp 257-262 [3] Y Yasuda, T Funabashi, 2004 Transient Analysis on Wind Farm Suffered from Lightning in Proc 39th Int Univ Power Eng Conference, pp 202-206 [4] Y Yoh, F Toshiaki, U Toshiaki, 2007 Transient Analysis of Ring Earth Electrode for Wind Turbine Proceedings of European Wind Energy Conference (EWE C) Website: https://jst-haui.vn [5] Y Yasuda, T Funabashi 2004 Analysis on Lightning Surge Propagation in Wind Farm Proceedings of International Conference on Electrical Engineering 2004, pp.121-124 [6] Y Yasuda, T Funabashi, 2007 Transient Analysis on Back-Flow Surge in Wind Farm due to Winter Lightning Proceedings of IX International Symposium on Lightning Protection Conference [7] Y Yasuda, T Funabashi, 2007 Analysis on Back-Flow Surge in Wind Farms", International Conference on Power Systems Transients (IPST’07), Lyon, France [8] D Romero, J Montanya, A Candela, 2010 Behaviour of the WindTurbines under Lightning Strikes Including Nonlinear Grounding System International conference in Renewable Energy and Power Quality (ICREPQ'10) University of Granada [9] T Hara, O Yamamoto, 1996 Modeling of a Transmission Tower for Lightning - Surge Analysis Proc IEE, 143, 3, pp.283-289 [10] 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 [11] Martinez Juan A., Ferley Castro-Aranda, 2005 Lightning performance analysis of overhead transmission lines using the EMTP IEEE Transactions on Power Delivery 20.3, pp 2200-2210 [12] P Pinceti, M Giannettoni, 1999 A simplified Model for Zinc Oxide Surge Arresters IEEE Transactions on Power Delivery, Vol 14, No [13] IEEE working Group 3.4.11, 1992 Application of surge protective devices subcommittee, Surge protective Devices Committee, “Modeling of Metal Oxide Surge Arresters” IEEE Transactions on Power Delivery, Vol 7, no 1, pp 302-309 [14] M C Magro, M Giannettoni, P Pinceti, 2004 Validation of ZnO Surge Arresters Model for Overvoltage Studies IEEE Transactions on Power Delivery, Vol 19, No [15] N A Sabiha, M Lehtonen, 2010 Lightning induced overvoltages transmited over distributions transformer with MV spark-gap operation, part II: Mitigation using LV surge arrester IEEE Trans on Power Delivery, Vol 25, pp 2565-2573 [16] Catalogue card 2617pl082-W1-en Edition 08.2008, Low Voltage Surge Arrester http://www.cablejoints.co.uk/upload/Surge_Arresters.pdf, 2009 [17] http://zeus.df.ufcg.edu.br/labfit/ [18] Surge Arresters, 2009 POLIM-D Datasheet www.abb.com/arrestersonline [19] A Greenwood, 1991 Electrical Transients in Power Systems, Second Edition John Wiley & Sons, Inc [20] IEEE Working Group 15.08.09, 1999 Tutorial on Modeling and Analysis of system Transients using Digital Program IEEE PES Special Publication, TP-1330, Chapter and [21] S D Cho, 2002 Parameter Estimation for Transformer Modeling Ph.D Thesis, Michigan Technological University AUTHORS INFORMATION Le Chi Cong1, Nguyen Van Dat1, Nguyen Van Doanh1, Doan Viet Duc1, Nghiem Thi Thuy Nga2, Dao Thi Lan Phuong3 2018DHDIEN06 - DHK14, Hanoi University of Industry Faculty of Electrical and Electronics Engineering, Nam Dinh University of Technology Education Faculty of Electrical Engineering, Hanoi University of Industry Vol 59 - No 2A (March 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 51