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

NGUYỄN VĂN VINH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Nguyễn Văn Vinh MƠ PHỎNG PHÂN BỐ ĐIỆN TRƯỜNG ÁP DỤNG TÍNH TỐN KỸ THUẬT ĐIỆN TỔNG TRỞ SÓNG CỦA TUABIN GIÓ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN KHÓA: 2012B Hà Nội – Năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Nguyễn Văn Vinh MƠ PHỎNG PHÂN BỐ ĐIỆN TRƯỜNG ÁP DỤNG TÍNH TỐN TỔNG TRỞ SĨNG CỦA TUABIN GIĨ Chun ngành: Hệ Thống Điện LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS PHẠM HỒNG THỊNH Hà Nội – Năm 2014 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Văn Vinh (CB121085) LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các nội dung kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Hà Nội, ngày 22 tháng 09 năm 2014 Tác giả Nguyễn Văn Vinh i Luận văn thạc sĩ Nguyễn Văn Vinh (CB121085) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục ký hiệu ρ : Mật độ điện tích khối (C.m-3) σ : Độ dẫn điện (S.m-1) μ : Hệ số từ thẩm (H.m-1) ε : Hệ số điện môi (F.m-1)  : div φ : Điện vô hướng (V) A : Vector từ (Wb.m-1) B : Vector từ cảm (T) D : Vector cảm ứng điện (C.m-2) 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 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 ii Luận văn thạc sĩ Nguyễn Văn Vinh (CB121085) DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Kích thước tối thiểu vật liệu chống sét cánh quạt Bảng 1.2 Mô tả hai dạng tia sét tỷ lệ ảnh hưởng tới tuabin gió 10 Bảng 1.3 Định nghĩa vùng bảo vệ chống sét tuabin gió 12 Bảng 2.1 Các dạng mơ đun dùng cho tính tốn mơ COMSOL 32 Bảng 2.2 Thông số tuabin gió hãng Vestas V66-1.65MW 34 Bảng 2.3 Các đại lượng vật lý vật liệu sử dụng mơ hình phân tích 36 Bảng 3.1 Kết tính tổng trở sóng thành phần tuabin gió 44 iii Luận văn thạc sĩ Nguyễn Văn Vinh (CB121085) DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tổng cơng suất điện gió tồn giới tính đến hết năm 2013 Hình 1.2 Cơng suất lắp đặt điện gió hàng năm phân bố theo khu vực Hình 1.3 Bản đồ phân bố sức gió nước ta đo độ cao 80m Hình 1.4 Quy trình hoạt động dự án điện gió nước ta Hình 1.5 Cấu trúc tuabin gió thơng thường Hình 1.6 Các dạng máy phát điện sử dụng cơng nghệ tuabin gió Hình 1.7 Cấu trúc lớp vật liệu cánh quạt Hình 1.8 Các dạng chống sét cánh, với dây dẫn sét: A- Đặt thân cánh chia làm hai phần, B- Đặt thân cánh, C- Đặt mép cánh D- Kiểu lưới Hình 1.9 Chiều cao tuabin gió theo cơng suất phát triển theo năm 10 Hình 1.10 Đồ thị độ cao tuabin gió với số lần sét đánh năm 11 Hình 1.11 Tỷ lệ sét đánh phận tuabin gió 12 Hình 1.12 Hệ thống chống sét thơng thường tua-bin gió 13 Hình 1.13 Các dạng điện áp sét tuabin gió 13 Hình 1.14 Mơ hình phần tử dx đường dây dài 15 Hình 1.15 Mơ hình tuabin gió dùng tính tốn 17 Hình 1.16 Mơ hình hóa cánh quạt gồm đầu thu sét 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 phần tử 23 Hình 2.2 Phần tử tứ diện tọa độ thể tích khơng gian ba chiều 25 Hình 2.3 Giới hạn trường miền Ω mặt phẳng hai chiều 28 Hình 2.4 Phần tử ba chiều dạng tứ diện bậc 29 Hình 2.5 Các miền phân tích mô đun AC/DC 32 Hình 2.6 Giao diện mơi trường làm việc COMSOL 33 Hình 2.7 Thiết lập thông số COMSOL 33 Hình 2.8 Mơ hình tuabin gió đầy đủ (bên trái) mặt cắt cánh (bên phải) 34 Hình 2.9 Mơ hình miền bao quanh tuabin gió cầu 35 iv Luận văn thạc sĩ Nguyễn Văn Vinh (CB121085) Hình 2.10 Nguồn thư viện vật liệu dùng COMSOL 35 Hình 2.11 Bài tốn tính điện dung sử dụng biên vơ hạn biên thơng thường 38 Hình 2.12 Thiết lập điều kiện biên mơ hình phân tích tuabin gió 38 Hình 2.13 Chia lưới tuabin gió (bên trái) miền bao quanh (bên phải) 39 Hình 2.14 Giao diện mơ xuất kết mô đun AC/DC 40 Hình 2.15 Kết tính điện dung C điện cảm L phần mềm COMSOL 41 Hình 3.1 Phân bố dạng điện trường cánh (bên trái) tháp (bên phải) 43 Hình 3.2 Phân bố dạng điện trường cánh xét ảnh hưởng 44 Hình 3.3 Kết tính tổng trở sóng cánh (bên trái) tháp (bên phải) xét đến ảnh hưởng thành phần khác tuabin gió 45 Hình 3.4 Quan hệ góc quay tối đa cánh chiều cao tuabin gió 46 Hình 3.5 Kết tính tổng trở sóng cánh thay đổi góc quay từ 300 đến 900 46 Hình 3.6 Phân vùng theo giá trị dịng sét cánh tua bin gió 47 Hình 3.7a Mơ hình thiết lập số lượng đầu thu sét cánh 32m vẽ 48 Hình 3.7b Mơ hình thiết kế cánh COMSOL trường hợp có đầu thu sét 48 Hình 3.8 Kết tính tổng trở sóng cánh thay đổi số lượng đầu thu sét 48 Hình 3.9 Kết tính tổng trở sóng cánh thay đổi bán kính dây dẫn sét (bên trái) chiều cao tháp (bên phải, ứng với bán kính dây dẫn sét 0,004m) 49 v Luận văn thạc sĩ Nguyễn Văn Vinh (CB121085) MỤC LỤC Lời cam đoan .i Danh mục ký hiệu chữ viết tắt ii Danh mục bảng biểu iii Danh mục hình vẽ iv Mục lục .vi MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Lịch sử nghiên cứu Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu luận văn Các luận điểm đóng góp luận văn Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÍNH TỐN TỔNG TRỞ SÓNG TUABIN GIÓ 1.1 Tổng quan chung lượng gió 1.2 Cấu trúc tuabin gió 1.3 Ảnh hưởng sét đánh tới tuabin gió 10 1.4 Tính tốn chống sét cho tuabin gió 12 1.5 Các phương pháp tính tốn tổng trở sóng 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 TỐN TÍNH TỔNG TRỞ SĨNG CỦA TUABIN GIĨ 22 2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) 22 2.1.1 Trình tự phân tích tốn 22 2.1.2 Phần tử ba chiều dạng tứ diện 24 2.2 Tính tốn tổng trở sóng tuabin gió phương pháp phần tử hữu hạn 26 2.2.1 Phân bố lượng điện trường tuabin gió 27 vi Luận văn thạc sĩ Nguyễn Văn Vinh (CB121085) 2.2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn trường tĩnh điện 28 2.2.3 Tính tốn mơ tổng trở sóng tuabin gió COMSOL 32 2.3 Một số toán ứng dụng phần mềm COMSOL 40 2.3.1 Bài tốn tính điện dung COMSOL 40 2.3.2 Bài tốn tính điện cảm COMSOL 41 2.3.3 Nhận xét 42 2.4 Kết luận 42 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ TÍNH TỐN 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 mơ hình đầy đủ 44 3.1.3 Nhận xét 45 3.2 Tính tốn yếu tố ảnh hưởng đến tổng trở sóng cánh tuabin gió 46 3.2.1 Ảnh hưởng góc quay cánh tuabin gió 46 3.2.3 Ảnh hưởng số đầu thu sét cánh tuabin gió 47 3.2.2 Ảnh hưởng bán kính dây dẫn sét chiều cao tháp 49 3.3 Kết luận 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51 Các kết luận hướng phát triển đề tài 51 Kiến nghị 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 vii Luận văn thạc sĩ Nguyễn Văn Vinh (CB121085) MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Với mục đích thay dần nguồn phát điện truyền thống dần cạn kiệt cộng với nhu cầu sử dụng điện ngày lớn, điện gió nguồn lượng áp dụng nhằm giải vấn đề Thực tế cho thấy, khả khai thác lắp đặt tuabin gió ngày nhiều dần trở thành nguồn phát điện tương lai Tuy nhiên, với việc phát triển điện gió, vấn đề đặt phải nâng cao hiệu sử dụng tuabin gió, nói cách khác giảm thiểu hư hỏng xảy tuabin gió nguyên nhân chủ yếu hư hỏng sét gây Tuabin gió thiết bị có độ cao lớn thường đặt vị trí lập nên dễ bị sét đánh, để hạn chế thiệt hại sét gây ta cần tính tốn bảo vệ chống sét cho tuabin gió Để tính tốn điện áp đặt lên phần tử tuabin gió có sét đánh, ta phải tiến hành mơ hình hóa phần tử tuabin gió dọc theo đường sét Nói cách khác, phần tử tuabin gió biểu diễn thơng qua đại lượng điện tương đương điện cảm, điện trở điện dung Trong toán tần số cao - tương ứng với tần số dòng điện sét, đại lượng thường sử dụng để thay tổng trở sóng Việc xác định xác trị số tổng trở sóng tuabin gió cho phép ta tính tốn xác trị số điện áp sét đánh vào tuabin gió, từ đề biện pháp bảo vệ thích hợp cho tuabin gió Xuất phát từ ý nghĩa thực tế trên, tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu với nội dung sau: “Mơ phân bố điện trường áp dụng tính tốn tổng trở sóng tuabin gió” Lịch sử nghiên cứu Cơ sở tính tốn tổng trở sóng cho tuabin gió dựa nghiên cứu áp dụng cho mơ hình cột điện đường dây truyền tải phương pháp lý thuyết (giải tích số) thực nghiệm, nhiên kết đạt từ việc áp dụng phương pháp nhiều hạn chế, điển hình việc nghiên cứu trước tính tốn phương pháp giải tích việc áp dụng phương pháp số Luận văn thạc sĩ Nguyễn Văn Vinh (CB121085) b) Giá trị điện cảm L a) Giá trị điện dung C Hình 2.15 Kết tính điện dung C điện cảm L phần mềm COMSOL 2.3.2 Bài tốn tính điện cảm COMSOL Xét tốn tính điện cảm dây dẫn thẳng hình trụ lập mang dịng có đường kính d = 10cm chiều dài L = 100cm, đặt khơng khí giới hạn cầu giả tưởng đủ lớn cách điện Giá trị điện cảm mô hình phân tích tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn thơng qua lượng từ trường tích lũy gây dây dẫn mang dòng điện Trên hình 2.15b kết tính điện cảm COMSOL, với L = 587,747 (nH) Mặt khác, giá trị điện cảm dây dẫn thẳng phương pháp giải tích [36] xác định cơng thức: L μ 0l   4l    ln    2π   d   Với μ0 = 4π 10−7 (H.m-1) độ từ thẩm chân khơng, điện cảm tính theo giải tích là: L = 587,78 (H) Như vậy, việc tính tốn điện cảm cho hai phương pháp có kết tương đương 41 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Văn Vinh (CB121085) 2.3.3 Nhận xét Kết tính tốn điện dung C điện cảm L từ việc sử dụng phần mềm COMSOL phương pháp giải tích cho kết tương đương nhau, ta sử dụng phần mềm COMSOL để mơ tính tốn hệ thống phức tạp việc tính tổng trở sóng cho tuabin gió 2.4 Kết luận Phương pháp phần tử hữu hạn đặc biệt hiệu tốn trường mơ tả phương trình đạo hàm riêng Trong tốn tính tổng trở sóng tuabin gió, mơ hình phân tích đặt khơng gian ba chiều mơ tả phương trình phân bố lượng thơng qua miền phân tích điện trường tĩnh thực COMSOL Trị số tổng trở sóng tuabin gió xác định đại lượng điện dung C tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn thông qua lượng điện trường tích lũy gây tuabin gió Các bước tính tốn COMSOL thiết lập mơ hình, đặt điều kiện biên, chia lưới, chọn kiểu phân tích kiểm chứng độ xác thơng qua vài tính tốn đơn giản Từ tạo sở để tiến hành tính tốn tổng trở sóng mơ hình lớn phức tạp tuabin gió 42 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Văn Vinh (CB121085) CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TỐN 3.1 Tính tổng trở sóng cho tuabin gió Tổng trở sóng tuabin gió xác định theo công thức (1.17) Thông số dùng để tính tốn mơ hình đề cập bước phần 2.2.3, đó: đầu thu sét có dạng hình trụ kích thước 20x20mm - dây dẫn sét có chiều dài 32m với bán kính 4mm - tháp sử dụng loại có chiều cao 60m với bán kính sở 1,55m - mơ hình tuabin gió đặt cầu có bán kính 76m với độ dày 12m Kết tính tốn mơ tổng trở sóng tuabin gió thực trường tĩnh điện phần mềm COMSOL, đó: điện áp đặt phần dẫn điện 1V - biên ngồi khơng - phần tử biên vơ hạn đặt lớp bề dày cầu - phần tử cánh tính trường hợp có phương vng góc với mặt đất Trong phần này, trị số tổng trở sóng xét hai trường hợp xét với mơ hình độc lập đầy đủ 3.1.1 Tính tổng trở sóng độc lập Tính tổng trở sóng cho cánh tháp tuabin gió xét trường hợp sử dụng phương pháp giải tích ứng với công thức (1.8) (1.9) phương pháp phần tử hữu hạn tính tốn phần mềm COMSOL Kết mơ tính tốn tổng trở sóng mơ tả hình 3.1 bảng 3.1 Hình 3.1 Phân bố dạng điện trường cánh (bên trái) tháp (bên phải) 43 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Văn Vinh (CB121085) Bảng 3.1 Kết tính tổng trở sóng thành phần tuabin gió Thành phần ZComsol [Ω] ZGiải tích [Ω] Cánh 507.13 580.82 Tháp 195.57 240.16 Nhận xét: - Tổng trở sóng cánh tính hai phương pháp cho kết lớn so với tháp (khoảng 2,6 lần), điều lý giải kích thước hình học tháp lớn so với cánh - Tổng trở sóng tính COMSOL hai trường hợp cho cánh tháp cho kết nhỏ phương pháp giải tích, theo sai số tổng trở sóng trường hợp 14.53% 22.8% Sự sai khác do: giải tích kích thước vật liệu cánh khơng tính đến mà coi cánh dây dẫn sét, tháp việc tính tốn giải tích coi tháp hình nón cụt mà không xét độ dày vật liệu làm tháp Như vậy, xét riêng rẽ thành phần, phương pháp giải tích rõ ràng phóng đại trị số tổng trở sóng tuabin gió gián tiếp làm giảm hiệu hệ thống nối đất đến trị số điện áp sét 3.1.2 Tính tổng trở sóng với mơ hình đầy đủ Tính tốn mơ tổng trở sóng cho cánh tháp xét đến ảnh hưởng thành phần Cánh (B1:B2:B3), Trục cánh (H) Tháp (T) tuabin gió Kết mơ tính tốn mơ tả hình 3.2 3.3 a) Cánh 1(B2) b) Cánh 1(B23) c) Cánh 1(B23H) d) Cánh 1(B23HT) Hình 3.2 Phân bố dạng điện trường cánh xét ảnh hưởng 44 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Văn Vinh (CB121085) Tổng trở sóng cánh (B1) (Ω) Tổng trở sóng tháp (Ω) 1000 240 230 220 210 200 190 180 170 782.21 800 600 675.07 507.13 545.46 582.81 400 200 S-B1 B2 B23 B23H B23HT 231.83 222.80 212.90 203.20 195.57 S-T B1 B12 B123 B123H Hình 3.3 Kết tính tổng trở sóng cánh (bên trái) tháp (bên phải) xét đến ảnh hưởng thành phần khác tuabin gió Nhận xét: - Từ kết tính tốn cho thấy, tổng trở sóng cánh tháp tăng xét đến ảnh hưởng thành phần khác 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 - Tổng trở sóng cánh xét đến ảnh hưởng trục cánh tháp lớn so với thành phần lại tuabin gió (có độ dốc đồ thị lớn), điều phù hợp với thực tế thành phần có cấu trúc lớn đặt gần cánh Sự có mặt thành phần khác tuabin gió làm cho tổng trở sóng tăng tới 54,24% (từ 507,13Ω lên 782,21Ω) - Tổng trở sóng tháp xét ảnh hưởng cánh trục cánh đặt lên tháp không lớn so với trường hợp tính cho cánh (chỉ khoảng 8Ω đến 10Ω), điều cho thấy thân tháp thiết bị có cấu trúc hình học lớn nên chịu ảnh hưởng từ thành phần khác Ngoài ra, có mặt thành phần khác tuabin gió làm cho tổng trở sóng tăng tới 18,54% (từ 195,57Ω lên 231,83Ω) 3.1.3 Nhận xét Sự thay đổi trị số tổng trở sóng cánh tháp tuabin gió lớn xét từ mơ hình độc lập sang mơ hình đầy đủ, 54,24% 18,54% Như vậy, ứng với trị số dòng điện sét định, điện áp mức bảo vệ cho thiết bị vùng tăng lên tương ứng Ngoài ra, từ hiệu việc áp dụng mơ hình đầy đủ, tính tốn q điện áp tuabin gió nên dựa kết tính tốn tổng trở sóng theo mơ hình 45 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Văn Vinh (CB121085) 3.2 Tính tốn yếu tố ảnh hưởng đến tổng trở sóng cánh tuabin gió Nhận thấy việc ước lượng xác trị số tổng trở sóng cánh cần thiết, phần ta tiến hành xét số yếu tố dẫn đến thay đổi tổng trở sóng cánh tuabin gió như: ảnh hưởng góc quay cánh, ảnh hưởng số đầu thu sét cánh ảnh hưởng thay đổi kích thước tuabin gió 3.2.1 Ảnh hưởng góc quay cánh tuabin gió Xét thời điểm xác định, xảy tượng sét đánh trực tiếp vào đỉnh cánh bất kỳ, góc quay tối đa cánh đạt độ cao lớn (so với hai cánh lại) từ 300 đến 900 theo phương nằm ngang (hình 3.4) [37] Kết tính tốn tổng trở sóng cánh xét đến thay đổi góc quay từ 300 đến 900 với bước nhảy 100 mơ tả hình 3.5 Hình 3.4 Quan hệ góc quay tối đa cánh chiều cao tuabin gió Tổng trở sóng cánh góc quay (Ω) 800 795.84 795 790.05 790 786.75 784.71 785 783.27 782.48 782.21 70 80 90 780 775 30 40 50 60 Hình 3.5 Kết tính tổng trở sóng cánh thay đổi góc quay từ 300 đến 900 46 Luận văn thạc sĩ Nguyễn Văn Vinh (CB121085) Nhận xét: - Tổng trở sóng cánh thay đổi khơng nhiều, khoảng 1,74% Tổng trở sóng cánh giảm góc quay cánh tăng lên, điều lý giải góc quay cánh tăng lên kéo theo diện tích mặt ngồi cánh so với tháp tăng làm cho điện dung cánh tăng tổng trở sóng cánh giảm - Tổng trở sóng cánh đạt trị số lớn góc quay 300, nghĩa vị trí gần mặt đất Trong tính tốn điện áp sét đánh vào tuabin gió, ta nên sử dụng giá trị tổng trở sóng góc quay (300) để ước lượng giá trị điện áp sét lớn xảy cho phận khác tuabin gió 3.2.3 Ảnh hưởng số đầu thu sét cánh tuabin gió Dựa khảo sát thực [38] rằng, cánh, hầu hết tượng sét đánh tập trung chủ yếu khu vực gần đỉnh cánh với 70% số lần sét đánh nằm khoảng 1.5m 90% cho phạm vi 6m so với đỉnh cánh, giá trị dòng sét phân bố khu vực đỉnh cánh chịu tác tác động lớn (khoảng 200kA) khu vực gốc cánh thường không chịu tác động dịng sét trực tiếp (hình 3.6) Theo [39], để bảo vệ chống sét hiệu quả, phân vùng cánh cần từ đến đầu thu sét Xuất phát từ thực tế này, ta tính tốn tổng trở sóng cánh thay đổi số lượng đầu thu sét, áp dụng mơ hình cánh 32m hãng Vestas phân vùng tương ứng với số đầu thu sét (nR) vị trí đặt so với đỉnh cánh sau: [OA1 : OA2 : OA3 | 1R : 2R : 2R | đỉnh cánh : 2,5m : 10m] (hình 3.7a,b) Kết tính tốn tổng trở sóng cánh xét đến thay đổi mơ tả hình 3.8 Hình 3.6 Phân vùng theo giá trị dịng sét cánh tua bin gió Vùng OA1: [đỉnh cánh  1m]