Ngoài 3dự án điện gió kể trên, còn có một số dự án khác đã và đang được xúc tiến triển khai xây dựng như1
:
Dự án điện gió Tây Nguyên tại xã Đliê-Yang, huyện Ea H’leo (Đắk Lắk) được khởi công vào ngày 6/3/2015. Dự án này do Công ty Giải pháp năng lượng gió HBRE (HBRE Wind Power Solution) làm chủ đầu tư với tổng công suất thiết kế là 120MW được chia làm 3 giai đoạn. Dự kiến, giai đoạn I sẽ hoàn thành và hòa vào điện lưới quốc gia vào năm 2016, với công suất là 28MW và đến năm 2020 sẽ hoàn thành toàn bộ các giai đoạn.
Dự án đầu tư giai đoạn I của nhà máy điện gió Phú Lạc tại huyện Tuy Phong, Bình Thuận dự kiến khởi công vào ngày 21/7/2015 do Công ty Cổ phần Phong điện Bình Thuận làm chủ đầu tư. Trong giai đoạn I, nhà máy điện gió này được thiết kế gồm 12WT với tổng công suất 24MW, dự kiến hoàn thành vào cuối năm 2016.
Dự án đầu tư giai đoạn I nhà máy điện gió thuộc 2 xã Trường Long Hòa và Dân Thành, huyện Duyên Hải, tỉnh Trà Vinh gồm 24WT, tổng công suất 48MW dự kiến khởi công vào tháng 9/2015 và đưa vào khai thác vào tháng 9 năm 2017. Dự án do Công ty xây dựng Woojin Hàn Quốc làm chủ đầu tư.
1
14
1.2.3. Chiến lƣợc thúc đẩy phát triển điện gió
Để tiếp tục thúc đẩy phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng gió, ngày 21 tháng 7 năm 2011, Chính phủ đã chính thức phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến 2030 (Quy hoạch điện VII) [3]. Trong đó chỉ rõ, sẽ ưu tiên phát triển nguồn năng lượng tái tạo cho sản xuất điện, tăng tỷ lệ điện năng sản xuất từ nguồn năng lượng tái tạo so với tổng điện năng huy động của tất cả các nguồn năng lượng từ mức 2% năm 2010 lên 4,5% vào năm 2020 và 6,0% vào năm 2030. Theo đó, tổng công suất điện gió từ mức không đáng kể hiện nay lên mốc 1.000MW vào năm 2020 và mức 6.200MW vào năm 2030, tức điện năng sản xuất từ nguồn điện gió sẽ chiếm tỷ trọng từ 0,7% năm 2020 lên 2,4% vào năm 2030.
Bên cạnh đó, Chính phủ cũng đã ban hành Quyết định 37/2011/QĐ-TTg “Về cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện gió tại Việt Nam” [4]. Hy vọng, đây là động lực rất lớn cho sự phát triển của nguồn điện gió tại Việt Nam.
1.3. CÔNG NGHỆ ĐIỆN GIÓ
1.3.1. Cấu tạo của WT
WT có nhiều hình dáng khác nhau, nhưng nếu phân loại theo cấu hình trục quay của cánh thì gồm hai loại [6] [76] là tua bin gió trục đứng (Vertical Axis Wind Turbines - VAWT) và tua bin gió trục ngang (Horizontal Axis Wind Turbines - HAWT). Hai loại WT này được trình bày lần lượt trên hình 1.10a và 1.10b.
Hình 1.10. Phân loại WT [6] a) WT trục đứng và b) WT trục ngang
15
Hơn 90% các WT thương mại công suất lớn đang được sử dụng trên thế giới hiện nay có thiết kế dạng trục ngang HAWT [76]. Sở dĩ loại HAWT chiếm lĩnh trên thị trường điện gió là bởi sự sắp xếp của các cánh cho phép tua bin luôn luôn tương tác đầy đủ với gió, cải thiện được công suất phát - hiệu suất cao hơn nhiều so với loại trục đứng VAWT. Mặt khác, loại HAWT dễ dàng thiết kế cho phép gập cánh lại khi tốc độ gió quá cao (khi có bão) để đảm bảo an toàn và dễ dàng thực hiện các giải pháp điều khiển tối ưu hơn so với loại VAWT. Vì thế, từ đây trở về sau thuật ngữ “WT” trong phạm vi luận án này dùng để chỉ loại WT trục ngang (HAWT).
Cấu tạo của loại WT trục ngang được trình bày trên hình 1.11 [39] và đặc điểm cơ bản của một số phần tử chính được trình bày dưới đây.
Hình 1.11. Cấu tạo của WT loại trục ngang (HAWT) [39]
a. Cánh: Cánh của WT có thể được chế tạo bằng nhiều loại vật liệu khác nhau, từ sợi
16
fiber Reinforced Polyester). Hầu hết các cánh của WT công suất lớn hiện nay sử dụng vật liệu GRP với cốt kim loại như trình bày trên hình 1.12 [6].
Diện tích quét gió phụ thuộc vào bề mặt và chiều dài cánh, vì thế số lượng cánh không phải là yếu tố quyết định hoàn toàn công suất của WT. Trong thực tế, chúng ta có thể gặp WT loại một, hai, ba hoặc nhiều cánh. Tuy nhiên, trên phương diện kinh tế và khí động lực học, số cánh của WT càng ít thì hiệu quả kinh tế càng cao nhưng trên phương diện cơ khí thì số cánh càng ít, khi quay nhanh sẽ càng mất cân bằng. Loại WT có một cánh khi hoạt động, sự phân bố lực của cánh vào trục và thân trụ không đều gây rung và phát tiếng ồn cao, tuổi thọ thấp. Loại WT hai cánh có hiệu suất cao hơn loại WT một cánh khoảng 10% [6], nhưng khi hoạt động cũng gặp vấn đề tương tự như đối với loại WT một cánh. Loại WT ba cánh nhờ sự phân bố đều lực trong diện tích vùng quay nên giảm được rung và tiếng ồn khi hoạt động, tuổi thọ và công suất cải thiện 3-4% so với loại WT hai cánh. Vì thế trong những năm gần đây, loại WT ba cánh đã dần thay thế loại WT một và hai cánh. Việc sử dụng WT có bốn cánh hoặc nhiều hơn chỉ cải thiện được công suất từ 1 đến 2% so với WT ba cánh [6], nên nếu so sánh chi phí đầu tư và lắp đặt cánh với chi phí cải thiện công suất mang lại thì hiệu quả kinh tế không cao.
Hình 1.12. Cấu tạo của cánh WT [6]
b. Máy phát điện: Máy phát điện (MPĐ) có nhiệm vụ biến đổi cơ năng từ gió trên trục
rotor thành điện năng. Có thể chia máy phát điện WT gió làm 2 loại kết cấu chính, đó là: loại có hộp số và loại không có hộp số [7].
17
Loại không có hộp số có ưu điểm chính là tua bin truyền động trực tiếp (direct- drive generator), giảm tổn hao và giảm khối lượng do hộp số gây nên. Tuy nhiên, để khai thác gió yếu (tốc độ quay chậm) máy phát phải có số đôi cực nhiều khiến cho máy phát thường có đường kính lớn và chiều dài thân ngắn. Đây là nhược điểm gây khó khăn cho việc thiết kế dạng khí động học của thùng. Hiện tại còn rất ít nhà sản xuất máy phát công suất lớn sử dụng nguyên lý này.
Loại có hộp số cho phép dễ dàng nâng tốc độ quay chậm (khi gió yếu) lên tốc độ quay thích hợp của máy phát. Nhờ đó máy phát thường có số đôi cực ít (thường là 1 hoặc 2 đôi cực), kích thước máy phát nhỏ; dễ dàng thiết kế, chế tạo thùng chứa (nacelle) đặt trên cao với dạng khí động học thuận lợi. Hầu hết các WT công suất lớn ngày nay thuộc loại này. Vì thế, đối tượng nghiên cứu của luận án này là các WT công suất lớn loại có hộp số.
Hiện nay người ta sử dụng một trong ba loại MPĐ gió sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- MPĐ không đồng bộ rotor lồng sóc (Squirrel Cage Induction Generator - SCIG). - MPĐ không đồng bộ nguồn kép (Doubly Fed Induction Generator - DFIG).
- MPĐ đồng bộ kích thích từ trường vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Generator - PMSG).
c. Hộp số: Hộp số có nhiệm vụ chuyển đổi tốc độ quay thấp của trục chính WT gắn
với các cánh sang trục rotor máy phát làm việc ở tốc độ cao. Về cơ bản hộp số có hai bánh răng: bánh răng lớn trên trục chính gắn với các cánh quay ở tốc độ thấp (30 đến 60 vòng/phút) khớp với bánh răng nhỏ trên trục rotor đảm bảo rotor máy phát làm việc đạt tốc độ cao (1200 đến 1500 vòng/phút) để phát điện.
d. Máy biến áp: Mỗi WT công suất lớn thường có một máy biến áp (MBA) tăng áp
làm nhiệm vụ nâng điện áp thấp (thường là 0,69kV) tại đầu cực MPĐ lên cấp trung áp (thường 22kV) của WF. MBA của mỗi WT có thể được đặt trong thùng trên cột trụ (gần với MPĐ) hoặc cũng có thể được đặt phía dưới chân cột trụ.
e. Thùng: Thùng của WT được đặt trên hệ thống giá đỡ gắn với cột trụ, dùng để chứa
và bảo vệ toàn bộ các phần tử bên trong như: trục chính, hộp số, trục rotor, máy phát điện, phanh. Ngoài ra, trên thân thùng (phía bên ngoài) có gắn bộ đo tốc độ gió, bộ cảm nhận hướng gió và đầu thu sét.
18
f. Cột trụ: Cột trụ dùng để đỡ cánh, thùng và các phần tử chính của WT ở độ cao mong muốn và thường sử dụng loại cột thép rỗng hình trụ ống. Để thuận tiện trong quá trình vận chuyển từ nhà máy tới công trình, ống thép thường được thiết kế chế tạo với các kích cỡ khác nhau dài từ 10 đến 20m sau đó được lắp thành cột trụ với độ cao phù hợp tại nơi xây dựng.
1.3.2. Kết nối hệ thống điện gió
a. Tua bin gió (WT)
Sơ đồ kết nối WT với lưới điện theo các MPĐ được trình bày dưới đây [7][8]: - WT sử dụng MPĐ không đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG) kết nối với lưới (grid)
nhờ thiết bị biến đổi điện tử công suất với sơ đồ nguyên lý như trên hình 1.13.
Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý kết nối lưới của WT sử dụng loại máy phát SCIG
WT sử dụng MPĐ loại SCIG này, khi phát công suất tác dụng lên lưới cần tiêu thụ một lượng công suất phản kháng của lưới để tạo ra từ trường quay, làm lượng công suất phản kháng truyền tải trong lưới điện tăng lên, dẫn đến hệ số công suất của lưới điện giảm. Do đó ở giữa máy phát SCIG và lưới điện phải lắp thêm bộ tụ bù công suất phản kháng.
- WT sử dụng MPĐ không đồng bộ nguồn kép (DFIG) kết nối với lưới theo sơ đồ hình 1.14. Dòng năng lượng khai thác từ gió được lấy qua tua bin tới stator, sau đó chuyển trực tiếp lên lưới. Việc điều khiển dòng năng lượng đó được thực hiện gián tiếp nhờ bộ nghịch lưu nằm ở phía mạch điện rotor.
19
Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý kết nối lưới của WT sử dụng loại máy phát DFIG
- WT sử dụng MPĐ đồng bộ kích thích từ trường vĩnh cửu (PMSG) được kết nối với lưới qua bộ biến đổi điện tử công suất nằm xen giữa stator và lưới (Hình 1.15).
Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý kết nối lưới của WT sử dụng loại máy phát PMSG
Năng lượng gió thông qua máy phát điện PMSG chuyển thành dòng điện xoay chiều trong cuộn dây stator có trị số và tần số thay đổi sẽ được đưa vào bộ biến đổi công suất. Tại đây, nó được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều qua bộ biến đổi AC/DC, sau đó thông qua bộ biến đổi nghịch DC/AC để biến đổi thành dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp phát lên lưới. Trong hệ thống này, việc điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng được thực hiện riêng biệt, linh hoạt thông qua bộ biến đổi công suất toàn phần bên phía máy phát. Với ưu điểm này, hiện nay xu hướng sử dụng máy phát PMSG trong hệ thống điện gió đang rất phát triển.
20
Nhìn vào các sơ đồ nguyên lý kết nối WT với lưới theo ba loại máy phát điện ở trên, ta có thể chỉ ra điểm khác nhau quan trọng giữa 2 loại PMSG/SCIG so với DFIG. Trong sơ đồ sử dụng PMSG/SCIG dòng năng lượng khai thác truyền trọn vẹn qua bộ biến đổi, do đó bộ biến đổi phải được thiết kế có công suất đúng bằng công suất của máy phát điện. Trường hợp DFIG, bộ biến đổi nằm phía rotor và truyền qua đó chỉ là dòng năng lượng có chức năng điều khiển nên công suất của bộ biến đổi chỉ cần thiết kế với công suất nhỏ (cỡ 1/3 công suất máy phát điện) [7]. Do đó, giá thành của hệ sử dụng DFIG sẽ tương đối phải chăng so với 2 hệ còn lại. Với ưu điểm này mà loại máy phát DFIG trong hệ thống điện gió thường được lựa chọn sử dụng trong thực tế.
b. Trang trại gió (Wind Farm)
Để thuận tiện trong quản lý, vận hành và bảo dưỡng, đồng thời nâng cao hiệu quả truyền tải điện năng, các WT được xây dựng tập trung trên một khu vực thuận lợi có tốc độ gió tốt tạo thành một WF. Theo địa điểm lắp đặt, WF được chia thành hai loại cơ bản, đó là WF trên đất liền (Onshore Wind Farms, hình 1.16) và WF ngoài khơi (Offshore Wind Farms, hình 1.17).
Cả hai loại WF này đều có một số đặc điểm chung như sau:
- Mỗi WT có một MBA làm nhiệm vụ nâng điện áp thấp đầu cực máy phát điện (thường 0,69kV) lên cấp trung áp 22kV.
- Đường dây cáp điện hạ áp 0,69kV kết nối MPĐ với MBA có chiều dài phụ thuộc vào vị trí lắp đặt MBA. Trường hợp MBA đặt cùng MPĐ trong thùng thì chiều dài cáp chỉ khoảng trên dưới chục mét; còn trường hợp MBA tăng áp đặt phía dưới chân cột trụ thì chiều dài cáp thường trên 100 mét.
Các đường dây trung áp (thường cấp điện áp 22kV) kết nối các MBA của mỗi WT với MBA trung gian 110kV (hoặc 220kV) sau đó kết nối với lưới điện quốc gia. Với WF trên đất liền, mạng điện trung áp có thể sử dụng đường dây trên không hoặc cáp ngầm, còn với WF ngoài khơi chỉ sử dụng đường dây cáp ngầm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Điểm khác biệt cơ bản giữa WF trên đất liền so với WF ngoài khơi là: - Gió ngoài khơi mạnh, ổn định và ít xoáy hơn so với gió trên đất liền.
- WF ngoài khơi không chiếm diện tích sử dụng đất và con người ít phải chịu ảnh hưởng của tiếng ồn hơn.
- Tuy vậy, WT ngoài khơi phải chịu đựng điều kiện môi trường khắt nghiệt hơn như độ sâu, đặc tính của nền biển, sóng (đặc biệt là sóng ngầm) và ăn mòn kim loại.
21
H nh .16. WF trên đất liền Helpershain và Ulrichstein - Helpershain, Đức [6]
H nh .17. WF ngoài khơi Middelgrunden, Đan Mạch [82]
1.4. TỔNG QUAN HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TUA BIN GIÓ GIÓ
1.4.1. Thế giới
Các WT có công suất càng lớn thì càng cao và do đó chúng càng dễ bị sét đánh. Số liệu thống kê thực tế tại nhiều quốc gia đã vận hành hệ thống điện gió cho thấy, có khoảng (4 ÷ 10)% số lượng WT bị sét đánh hàng năm gây hư hỏng nhiều phần tử của WT với tỷ lệ như trên biểu đồ hình 1.18 [45].
22
Hình 1.18. Biểu đồ tỷ lệ hư hỏng các phần tử của WT do sét
Trước thực tế này, nhiều nghiên cứu đề xuất phương án bảo vệ chống sét cho WT nói chung và cánh của WT nói riêng đã được công bố [24] [25] [27] [38] [64] [65] [66] [77] [100]. Trên cơ sở các nghiên cứu này, năm 2002 Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (International Electrotechnical Commission - IEC) đã đánh giá tổng hợp và đưa ra bản báo cáo kỹ thuật IEC/TR61400-24 [45]khuyến cáo thực hiện các biện pháp bảo vệ chống sét cho WT. Năm 2010, IEC công bố tiêu chuẩn chính thức áp dụng bảo vệ chống sét cho WT là IEC 61400-24 [43] quy định cụ thể các biện pháp bảo vệ chống sét cho từng phần tử của WT. Ví dụ để bảo vệ chống sét cho cánh WT có thể sử dụng bốn phương án lắp đặt thu sét khác nhau trên cánh là A, B, C hoặc D như trên hình 1.19 và cách tạo đường dẫn dòng điện sét qua các phần tử của WT xuống hệ thống nối đất được miêu tả chi tiết trong bảng 1.2.
23
Bảng .2. Đường dẫn sét của WT theo các phương án bố trí thu sét trên cánh [43]
Phƣơng án Mô tả
A
Đầu thu sét (dạng thanh hoặc điểm hở) bố trí phía đầu cánh kết nối với vật dẫn đặt trong cánh xuống hệ thống nối đất qua vành trượt - chổi than và cột trụ.
B Đầu thu sét dạng điểm hở được bố trí phía đầu cánh kết nối với vật dẫn đặt trong cánh xuống hệ thống nối đất qua vành trượt - chổi than và cột trụ. C Đầu thu sét dạng vật dẫn hở viền xung quanh phía rìa cánh rồi kết nối
xuống hệ thống nối đất qua vành trượt - chổi than và cột trụ.
D Đầu thu sét dạng lưới vật dẫn hở theo đường thẳng tại giữa cánh rồi kết nối