6. Những đóng góp của lu nán ậ
1.3. CÔNG NGHỆ ĐIỆN GIÓ
1.3.1. Cấu tạo c a WT ủ
WT có nhi u hình dáng khề ác nhau, nhưng ến u phân lo theo c u hình tr c quay ại ấ ụ
c a cánh thì g m hai ủ ồ loại [6] [76] tua bin gió là 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 lo i WT [6] ạ 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. C u t o c a ấ ạ ủ WT loại tr c ngang (HAWT) [39] ụ
a. Cánh: Cánh ủc a WT có th ể được ế ạch t o b ng nhi u lo i v t li u khác nhau, t ằ ề ạ ậ ệ ừ sợi carbon composite hoặ nhc ựa polyester gia cường b ng s i th y tinh GRP (Glass ằ ợ ủ
16
fiber Reinforced Polyester). H u hầ ết các cánh c a WT ủ công suất ớn ệ l hi n nay s d ng ử ụ vật liệu GRP v c t kim loới ố ại như trình bày trên hình 1.12 [6].
Diện tích quét gió ph thu c vào b m t và chi u dài cánh, vì th s lư ng cánh ụ ộ ề ặ ề ế ố ợ không ph i là y u t ả ế ố quyết định hoàn toàn công su t c a WT. Trong th c t , chúng ta ấ ủ ự ế có thể gặp WT ạlo i m t, hai, ba ho c nhiộ ặ ều cánh. Tuy nhiên, trên phương diện kinh t ế và khí động l c h c, s cánh c a WT càng ít thì hi u qu kinh t ự ọ ố ủ ệ ả ế càng cao nhưng trên phương diện cơ khí thì số cánh càng ít, khi quay nhanh s ẽ càng mất cân b ng. Lo i ằ ạ WT có m t cánh khi hoộ ạt động, s phân b l c c a cánh vào tr c và thân tr không ự ố ự ủ ụ ụ đều gây rung và phát ti ng n cao, tu i th th p. Lo i WT hai cánh có hi u su t cao ế ồ ổ ọ ấ ạ ệ ấ hơn loại WT m t cánh kho ng 10% [6]ộ ả , nhưng khi hoạt động cũng gặp v n ấ đề tương t ự như đố ới v i lo i WT m t cánh. Lo i WT ba cánh nh s phân b u l c trong di n ạ ộ ạ ờ ự ố đề ự ệ tích vùng quay nên giảm được rung và ti ng n khi hoế ồ ạt động, tu i th và công suổ ọ ất c i thi n 3-4% so v i lo i WT hai cánh. Vì th trong nhả ệ ớ ạ ế ững năm gần đây, loại WT ba cánh đã dần thay th ế loại WT m t và hai cánh. Vi c s d ng WT có b n cánh hoộ ệ ử ụ ố ặc nhiều hơn chỉ ả c i thiện được công su t t ấ ừ 1 đến 2% so v i WT ba cánh [6], nên n u so ớ ế sánh chi phí đầu tư và lắp đặt cánh v i chi phí c i thi n công su t mang l i thì hi u ớ ả ệ ấ ạ ệ qu kinh t không cao. ả ế
Hình 1.12. C u t o c a cánh WT [6] ấ ạ ủ
b. : 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
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:
- M PĐ hông đồ k ng b rotor l ng sóc quirrel Cộ ồ (S age Induction Generator - SCIG). - M PĐ không đồng b ngu n kép (Doubly Fộ ồ ed Induction Generator DFIG). -
- M PĐ đồng b kích thích t ộ ừ trường vĩnh cử (Pu ermanent Magnet Synchronous Generator - PMSG).
c : 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 : 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: rục chính, hộp số, trục rotor, máy phát t 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 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. K t nế ối hệthống điện gió
a. Tua bin gió (WT)
Sơ đồ kết nối WT với lưới điện theo các MPĐ được trình b y dưới đâyà [7][8] : - WT s d ng ử ụ MPĐ không đồng b rotor l ng sóc (SCIG) k t n i vộ ồ ế ố ới lưới (grid)
nh ờ thiế ị ến đổt b bi i điện t ử công suất ới sơ đồ nguyên lý như trên hình 1.13. v
Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý k t nế ối lướ ủi c a WT s d ng lo i máy phát SCIG ử ụ ạ
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 s dử ụng MPĐ không đồng b ngu n kép (DFIG) k t n i vộ ồ ế ố ới lưới theo sơ đồ hình 1.14. Dòng năng lượng khai thác t ừ gió đượ ấc l y qua tua bin tới stator, sau đó chuy n tr c tiể ự ếp lên lưới. Việc điều khiển dòng năng lượng đó được th c hi n gián ự ệ tiếp nh b nghờ ộ ịch lưu nằm ở phía mạch điện rotor.
19
Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý k t nế ối lướ ủi c a WT s d ng lo i máy phát DFIG ử ụ ạ
- WT s d ng ử ụ MPĐ đồng b kích thích t ộ ừ trường vĩnh cửu (PMSG) được k t nế ối với lưới qua b biộ ến đổi điện t công suử ất nằm xen giữa stator và lưới (Hình 1.1 ). 5
Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý k t nế ối lướ ủi c a WT s d ng lo i máy phát PMSG ử ụ ạ
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. Wind Farm)
Để thu n ti n trong qu n lý, v n hành và bậ ệ ả ậ ảo dưỡng, đồng th i nâng cao hi u ờ ệ qu truy n tả ề ải điện năng, các WT được xây d ng t p trung trên m t khu vự ậ ộ ực thuậ ợi n l có tốc độ gió t t t o thành mố ạ ột WF. Theo địa điểm lắp đặt, WF được chia thành hai loại cơ bản, đó là WF trên đất li n (Onshore Wind Farms, hình 1.16) và WF ngoài ề khơi (Offshore Wind Farms, hình 1.17 ).
Cả hai loại WF này đều có một số đặc điểm chung như sau:
- M i WT có m t MBA làm nhi m v ỗ ộ ệ ụ nâng điện áp thấp đầu cực máy phát điện (thường 0,69kV) lên c p trung áp 22kV. ấ
- Đường dây cáp điện h áp 0,69kV k t nạ ế ối MPĐ với MBA có chi u dài ph ề ụ thuộc vào v trí lị ắp đặt MBA. Trường hợp MBA đặt cùng MPĐ trong thùng thì chiều dài cáp ch kho ng trên d i chỉ ả ướ ục mét; còn trường hợp MBA tăng áp đặt phía dưới chân cột tr thì chiụ ều dài cáp thường trên 100 mét.
Các đường dây trung áp (thường cấp điện áp 22kV) k t n i các MBA c a m i WT ế ố ủ ỗ v i MBA trung gian 110kV (hoớ ặc 220kV) sau đó kế ố ới lưới điệt n i v n qu c gố ia. ới V WF trên đất li n, mề ạng điện trung áp có th s dể ử ụng đường dây trên không ho c cáp ặ ng m, còn v i WF ầ ớ ngoài khơi chỉ ử ụ s d ng đường dây cáp ngầm.
Điểm khác biệt cơ bản giữa WF trên đấ ềt li n so với WF ngoài khơi là: - Gió ngoài khơi mạnh, ổn định và ít xoáy hơn so với gió trên đấ ềt li n.
- WF ngoài khơi không chiếm di n tích s dệ ử ụng đất và con người ít ph i ch u nh ả ị ả hưởng c a ti ng ủ ế ồn hơn.
- Tuy vậy, WT ngoài khơi phải chịu đựng điều kiện môi trường khắt nghiệt hơn như độ sâu, đ c tính c a n n bi n, sóng (đ c bi t là sóng ng m) và ăn mòn kim lo i. ặ ủ ề ể ặ ệ ầ ạ
21
16. WF trên đấ ềt li n Helpershain và Ulrichstein - Helpershain, Đức [6]
17. WF ngoài khơi Middelgrunden, Đan Mạch [82]
1.4 T NG QUAN H . Ổ Ệ THỐNG B O V Ả Ệ CHỐNG SÉT CHO TUA BIN
GIÓ
1.4.1. Th gi i ế ớ
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 ỷ ệ hư hỏ t l ng các ph n t c a WT do sét ầ ử ủ
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 WTcó 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
2. Đường dẫn sét của WT theo các phương án bố trí thu sét trên cánh [43] Phương 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 - ch i than ổ 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 xuống hệ thống nối đất qua vành trượt chổi than và cột trụ- .
Tiết diện tối thiểu của đầu thu và vật dẫn kim loại đặt hở hoặc kín trong cánh WT được quy định trong bảng 1.3 [43].
3. Quy định tiết diện tối thiểu của đầu thu và đường dẫn trong cánh WT [43] Vật liệu dẫn điện Đầu thu (mm 2) Đường dẫn sét (mm 2)
Đồng 35 16
Nhôm 70 25
Thép 50 50
Việc bảo vệ an toàn các phần tử có ý nghĩa quyết định đến an toàn của WT. IEC quy định các vùng bảo vệ chống sét (Lightning Protection Zones - LPZs) khác nhau cho WT như trong bảng 1.4 [43].
[43] Định nghĩa các vùng bảo vệ chống sét (LPZs) của WT
Vùng bên ngoài
LPZ0
Vùng phải chịu toàn bộ điện từ trường của phóng điện sét (điện từ trường sét chưa bị suy giảm), các hệ thống bên trong phải chịu toàn bộ hoặc một phần dòng điện sét truyền qua.
Vùng này được chia thành 2 vùng LP0A và LP0B dưới đây
LPZ0A Vùng chịu phóng điện sét trực tiếp và toàn bộ điện từ trường sét. Các hệ thống bên trong có thể phải chịu toàn bộ hoặc một phần dòng điện sét truyền qua.
LPZ0B
Vùng được bảo vệ chống lại phóng điện sét trực tiếp nhưng phải chịu toàn bộ điện
từ trường sét. Các hệ thống bên trong có thể phải chịu một phần dòng điện sét truyền qua.
24
Vùng bên trong
LPZ1
Vùng dòng điện sét truyền đã được phân chia hạn chế bằng các thiết bị bảo vệ chống sét (Surge Protective Devices SPDs hay - Chống sét van - CSV). Điện từ trường sét trong không gian bảo vệ có thể suy giảm.
LPZ2
Vùng dòng điện sét truyền tiếp tục được phân chia hạn chế bằng các thiết bị bảo vệ chống sét (CSV) bổ sung. Điện từ trường sét trong không gian bảo vệ tiếp tục