Luận án Nghiên cứu quá điện áp sét và bảo vệ chống sét cho tua bin gió có kết nối lưới điện

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ một công trình nào. Đại diện tập thể hướng dẫn PGS. TS Trần Văn Tớp Tác giả Nguyễn Quang Thuấn ii LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và nghiên cứu, tôi đã hoàn thành luận án của mình. Để có được kết quả này, ngoài sự nỗ lực, tìm tòi, học hỏi, nghiên cứu của bản thân, tôi cũng luôn nhận được sự quan tâm, động viên, giúp đỡ nhiệt tình của các thầy giáo cô giáo, các nhà khoa học, các cơ quan, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình. Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn tập thể giáo viên hướng dẫn PGS.TS Trần Văn Tớp và TS Phạm Hồng Thịnh đã luôn tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các nhà khoa học của Bộ môn Hệ thống điện, Viện điện, Viện đào tạo sau đại học, Hội đồng đánh giá luận án các cấp và Ban giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu về chuyên môn, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình thực hiện và bảo vệ luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS. Marc Petit trường Đại học Supelec, Cộng hòa Pháp đã giúp đỡ, tạo điều kiện để tôi hoàn thiện một số nội dung quan trọng của luận án trong thời gian nghiên cứu tại đây. Tôi xin chân thành cảm ơn Công ty cổ phần năng lượng tái tạo Việt Nam (Vietnam Renewable Energy Joint Stock Company - REVN) - Chủ đầu tư dự án điện gió Tuy Phong, Bình Thuận đã cung cấp một số thông tin quan trọng về hệ thống bảo vệ chống sét của các tua bin gió thuộc dự án. Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, các thầy cô giáo, các nhà khoa học và các cấp lãnh đạo của trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi mọi mặt trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi cũng xin được chân thành cảm ơn bạn bè và gia đình đã luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Hà nội, ngày 30 tháng 7 năm 2015 Tác giả luận án Nguyễn Quang Thuấn iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................... ii DANH MỤC HÌNH VẼ ......................................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................... xi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT......................................................... xiii Mở đầu ...................................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................................. 1 2. Mục đích nghiên cứu của luận án .................................................................................. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................................. 2 4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................ 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...................................................................... 3 6. Những đóng góp của luận án .......................................................................................... 4 7. Cấu trúc của luận án ....................................................................................................... 4 Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................................................ 6 1.1. TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN ĐIỆN GIÓ THẾ GIỚI ................................................. 6 1.1.1. Điện gió nói chung ................................................................................................................ 7 1.1.2. Điện gió ngoài khơi .............................................................................................................. 9 1.2. TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN ĐIỆN GIÓ Ở VIỆT NAM ......................................... 10 1.2.1. Tiềm năng điện gió ............................................................................................................. 10 1.2.2. Các dự án điện gió hiện nay ................................................................................................ 11 1.2.3. Chiến lược thúc đẩy phát triển điện gió .............................................................................. 14 1.3. CÔNG NGHỆ ĐIỆN GIÓ ......................................................................................... 14 1.3.1. Cấu tạo của WT .................................................................................................................. 14 1.3.2. Kết nối hệ thống điện gió .................................................................................................... 18 1.4. TỔNG QUAN HỆ THỐNG BẢO VỆ CHỐNG SÉT CHO TUA BIN GIÓ ......... 21 1.4.1. Thế giới ............................................................................................................................... 21 1.4.2. Việt Nam ............................................................................................................................. 26 1.5. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ....... 28 iv 1.5.1. Thông số dòng điện sét ....................................................................................................... 28 1.5.2. Xác định vị trí sét đánh trực tiếp vào WT ........................................................................... 31 1.5.3. Xác định số lần sét đánh trực tiếp WT ................................................................................ 33 1.5.4. Nghiên cứu QĐA cảm ứng và lan truyền trong HTĐ&ĐK của WT và WF....................... 34 1.6. KẾT LUẬN ................................................................................................................. 39 Chương 2. XÁC ĐỊNH SỐ LẦN SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP VÀO TUA BIN GIÓ .......... 41 2.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................. 41 2.2. MÔ HÌNH ĐIỆN HÌNH HỌC ................................................................................... 42 2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỐ LẦN SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP TUA BIN GIÓ ..................................................................................................................................... 44 2.3.1. Phương pháp IEC ................................................................................................................ 44 2.3.2. Phương pháp EGM ............................................................................................................. 45 2.4. XÁC ĐỊNH SỐ LẦN SÉT ĐÁNH TRỰC TIẾP TUA BIN GIÓ LẮP ĐẶT TẠI CÁC DỰ ÁN ĐIỆN GIÓ VIỆT NAM ............................................................................. 50 2.5. NHẬN XÉT ................................................................................................................. 58 2.6. KẾT LUẬN ................................................................................................................. 61 Chương 3. PHÂN TÍCH QUÁ ĐIỆN ÁP CẢM ỨNG DO SÉT TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA TUA BIN GIÓ .................................................................... 62 3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................. 62 3.2. MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ CHO NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP CẢM ỨNG . 63 3.2.1. Cánh WT ............................................................................................................................. 64 3.2.2. Vành trượt - chổi than ......................................................................................................... 64 3.2.3. Cột trụ và các đường cáp đi trong cột trụ ........................................................................... 65 3.2.4. Hệ thống nối đất WT .......................................................................................................... 68 3.2.5. Nguồn điện sét .................................................................................................................... 68 3.2.6. Chống sét van (CSV) .......................................................................................................... 69 3.3. LỰA CHỌN TUA BIN GIÓ VÀ TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ MÔ HÌNH CHO NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP CẢM ỨNG ......................................................... 72 3.4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT CẢM ỨNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA TUA BIN GIÓ ............................................................... 74 3.4.1. QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT khi không lắp đặt CSV ................................. 74 v 3.4.2. QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT khi có CSV ................................................... 76 3.4.3. QĐA sét cảm ứng trên cách điện giữa cột trụ và các đường cáp ........................................ 88 3.5. KẾT LUẬN ................................................................................................................. 91 Chương 4. PHÂN TÍCH QUÁ ĐIỆN ÁP LAN TRUYỀN DO SÉT TRONG LƯỚI ĐIỆN TRANG TRẠI GIÓ ............................................................................................................... 93 4.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................. 93 4.2. MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ CHO NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT LAN TRUYỀN TRONG TRANG TRẠI GIÓ ......................................................................... 94 4.2.1. Mô hình cột trụ WT ............................................................................................................ 95 4.2.2. Mô hình máy biến áp .......................................................................................................... 95 4.2.3. Mô hình đường dây tải điện ................................................................................................ 96 4.2.4. Mô hình hệ thống nối đất .................................................................................................... 97 4.3. LỰA CHỌN TRANG TRẠI GIÓ VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ MÔ HÌNH CHO NGHIÊN CỨU QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT LAN TRUYỀN .......................................... 98 4.3.1. Lựa chọn trang trại gió ........................................................................................................ 98 4.3.2. Kết quả tính toán các thông số mô hình cho nghiên cứu QĐA sét lan truyền trong WF đã lựa chọn ...................................................................................................................................... 101 4.4. PHÂN TÍCH QUÁ ĐIỆN ÁP SÉT LAN TRUYỀN TRONG TRANG TRẠI GIÓ ĐÃ LỰA CHỌN............................................................................................................... 103 4.4.1. Khi sét đánh vào một WT bất kỳ trong WF ...................................................................... 103 4.4.2. Khi sét đánh vào đường dây trung áp trên không kết nối WF với hệ thống ..................... 112 4.4.3. Quá điện áp sét lan truyền trong trang trại gió có cấu hình khác nhau ............................. 119 4.5. KẾT LUẬN ............................................................................................................... 132 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................. 134 KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 134 KIẾN NGHỊ ..................................................................................................................... 136 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ ................................................................. 137 CỦA LUẬN ÁN .................................................................................................................... 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 138 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Tình hình phát triển công nghệ điện gió từ năm 1987 đến 2013 [6] ........................ 7 Hình 1.2. Biểu đồ tăng trưởng công suất điện gió thế giới giai đoạn 2002 - 2012 .................. 7 Hình 1.3. Thị phần điện gió thế giới theo các châu lục tính đến năm 2012.............................. 8 Hình 1.4. Biểu đồ 10 quốc gia đứng đầu thế giới về công suất điện gió .................................. 8 Hình 1.5. Dự báo công suất điện gió thế gió đến 2020 [93] ..................................................... 9 Hình 1.6. Biểu đồ công suất điện gió ngoài khơi của 5 quốc gia đứng đầu thế giới [93] ........ 9 nh . . WF Tuy Phong, Bình Thuận [11] ............................................................................ 12 nh . . WF tại huyện đảo Phú Quý, Bình Thuận [10] ........................................................ 12 nh . . WF trên biển ở Bạc Liêu [11] ................................................................................. 13 Hình 1.10. Phân loại WT [6] ................................................................................................... 14 Hình 1.11. Cấu tạo của WT loại trục ngang (HAWT) [39] ..................................................... 15 Hình 1.12. Cấu tạo của cánh WT [6] ...................................................................................... 16 Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý kết nối lưới của WT sử dụng loại máy phát SCIG ...................... 18 Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý kết nối lưới của WT sử dụng loại máy phát DFIG...................... 19 Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý kết nối lưới của WT sử dụng loại máy phát PMSG .................... 19 nh . . WF trên đất liền Helpershain và Ulrichstein - Helpershain, Đức [6] .................. 21 nh . . WF ngoài khơi Middelgrunden, Đan Mạch [82] .................................................. 21 Hình 1.18. Biểu đồ tỷ lệ hư hỏng các phần tử của WT do sét ................................................. 22 Hình 1.19. Các phương án bố trí bộ phận thu sét trên cánh WT [43] .................................... 22 Hình 1.20. Mô hình quả cầu lăn xác định vùng sét đánh vào WT [43] .................................. 24 Hình 1.21. Các vùng bảo vệ theo các phần tử của WT [43] ................................................... 25 Hình 1.22. Vị trí lắp đặt SPD (CSV) cho các phần tử (trong thùng, trong cột trụ và dưới chân cột trụ) trong HTĐ&ĐK của WT theo các vùng bảo vệ khác nhau [43] ................................. 25 Hình 1.23. Đường dẫn dòng điện sét của WT xuống hệ thống nối đất [43] [45] ................... 26 Hình 1.24. Đường dẫn sét từ cánh qua vành trượt - chổi than xuống nối đất của WT [45] ... 27 Hình 1.25. Vị trí lắp đặt CSV bảo vệ chống QĐA sét cảm ứng và lan truyền cho các phần tử, thiết bị của WT 1,5 ÷ 2MW [58] hay được sử dụng tại Việt Nam ........................................... 27 Hình 1.26. Xác suất tích lũy biên độ dòng điện trong phóng điện sét hướng xuống .............. 29 Hình 1.27. Xác suất tích lũy thời gian đầu sóng của dòng sét phóng điện hướng xuống đợt đầu cực tính âm [16] ................................................................................................................ 30 vii Hình 1.28. Xác định điểm sét đánh WT [60] ........................................................................... 31 a) Cánh ở vị trí 300 so với trục hoành; b) Cánh ở vị trí 600 so với trục hoành ....................... 31 Hình 1.29. Mô hình thực nghiệm xác định điểm sét đánh WT [21] ........................................ 32 Hình 2.1. Mô hình điện hình học ............................................................................................. 42 Hình 2.2. Diện tích thu hút sét tương đương của WT trên mặt đất theo phương pháp IEC ... 44 Hình 2.3. Diện tích thu sét tương đương của WT trên mặt đất theo phương pháp EGM ....... 46 Hình 2.4. Chiều cao của WT phụ thuộc vị trí góc quay của cánh ........................................... 47 Hình 2.5. Lưu đồ thuật toán xác định số lần sét đánh trực tiếp WT theo phương pháp EGM 50 Hình 2.6. Bản đồ mật độ sét của Việt Nam [13] ..................................................................... 52 Hình 2.7. Số lần sét đánh trực tiếp WT có chiều cao khác nhau theo mật độ sét Việt Nam ... 53 Hình 2.8. Mối quan hệ giữa chiều cao của WT với số lần sét đánh (cùng mật độ sét Ng = 3,4) .................................................................................................................................................. 58 Hình 2.9. So sánh số lần sét đánh trực tiếp vào WT có công suất (ứng với kích thước) và mật độ sét khác nhau theo phương pháp IEC và EGM ................................................................... 59 Hình 3.1. Sơ đồ bố trí các phần tử (a) và hệ thống bảo vệ chống sét (b) của WT .................. 62 Hình 3.2. Vành trượt - chổi than dẫn dòng điện sét từ cánh qua cột trụ xuống hệ thống nối đất của WT hãng Schunk (a) và hãng Vestas (b) ..................................................................... 64 Hình 3.3. Mô hình mạch tương đương trên đường dẫn dòng sét qua cột trụ WT ................... 65 Hình 3.4. Chú thích các kích thước cột trụ WT [64] ............................................................... 67 Hình 3.5. Mô hình nguồn điện sét ........................................................................................... 68 Hình 3.6. Mô hình CSV theo IEEE .......................................................................................... 70 Hình 3.7. Mô hình CSV theo Pianceti - Gianettoni ................................................................. 71 Hình 3.8. Cấu tạo cơ bản của loại cáp đồng trục [41] ........................................................... 72 Hình 3.9. Dạng sóng dòng điện sét sử dụng trong mô phỏng ................................................. 74 Hình 3.10. Phân bố điện thế tại điểm: đầu (mầu đỏ), giữa (mầu xanh lá cây) và điểm cuối (mầu xanh dương) trên đường cáp điện (tính từ đỉnh xuống chân cột trụ) ............................. 75 Hình 3.11. Phân bố điện thế tại điểm: đầu (mầu đỏ), giữa (mầu xanh lá cây) và điểm cuối (mầu xanh dương) trên đường cáp điều khiển (tính từ đỉnh xuống chân cột trụ) .................... 75 Hình 3.12. Sóng QĐA cảm ứng trên cách điện tại hai đầu đường cáp điện và cáp điều khiển .................................................................................................................................................. 76 Hình 3.13. Đường đặc tính V-A của CSV lắp đặt tại hai đầu đường cáp điện ....................... 77 Hình 3.14. Đường đặc tính V-A của CSV lắp đặt tại hai đầu đường cáp điều khiển.............. 77 viii Hình 3.15. So sánh điện thế cảm ứng tại đầu đường cáp điện phía đỉnh (a) và phía chân (b) cột trụ khi không lắp đặt (mầu đỏ) và lắp đặt CSV (mầu xanh lá cây) .................................... 78 Hình 3.16. So sánh điện thế cảm ứng tại đầu đường cáp điều khiển phía đỉnh (a) và phía chân (b) cột trụ khi không lắp đặt (mầu đỏ) và lắp đặt CSV (mầu xanh lá cây) ..................... 79 Hình 3.17. So sánh QĐA sét cảm ứng tác động lên cách điện cáp điều khiển phía đỉnh (a) và phía chân (b) cột trụ khi không lắp đặt (mầu đỏ) và lắp đặt CSV (mầu xanh lá cây) ............. 81 Hình 3.18. So sánh QĐA sét cảm ứng trên cách điện cáp điện phía đỉnh (mầu đỏ) và chân cột trụ (mầu xanh