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

MÔ PHỎNG PHÂN BỐ ĐIỆN TRƯỜNG ÁP DỤNG TÍNH TOÁN

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

MÔ PHỎNG PHÂN BỐ ĐIỆN TRƯỜNG ÁP DỤNG TÍNH TOÁN TỔNG
TRỞ SÓNG CỦA TUABIN GIÓ

Chuyên 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 đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các nội dung và
kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất
kỳ công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn
và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng 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 các 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 thế vô hướng (V)

A

: Vector từ thế (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 các 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 của vật liệu chống sét trên cánh quạt............................. 9
Bảng 1.2. Mô tả hai dạng tia sét và tỷ lệ ảnh hưởng tới tuabin gió .............................. 10
Bảng 1.3. Định nghĩa các vùng bảo vệ chống sét trên tuabin gió................................. 12
Bảng 2.1. Các dạng mô đun dùng cho tính toán và mô phỏng trong COMSOL ........... 32
Bảng 2.2. Thông số của tuabin gió hãng Vestas V66-1.65MW ................................... 34
Bảng 2.3. Các đại lượng vật lý của vật liệu sử dụng trong mô hình phân tích ............. 36
Bảng 3.1. Kết quả tính tổng trở sóng các thành phần của tuabin gió ........................... 44

iii


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Tổng công suất điện gió trên toàn thế giới tính đến hết năm 2013 ................. 4
Hình 1.2. Công suất lắp đặt điện gió hàng năm được phân bố theo khu vực .................. 4
Hình 1.3. Bản đồ phân bố sức gió ở nước ta đo được trên độ cao 80m .......................... 5
Hình 1.4. Quy trình hoạt động của dự án điện gió đầu tiên tại nước ta .......................... 6
Hình 1.5. Cấu trúc cơ bản của một tuabin gió thông thường ......................................... 6
Hình 1.6. Các dạng máy phát điện sử dụng trong công nghệ tuabin gió ........................ 8
Hình 1.7. Cấu trúc những lớp vật liệu của cánh quạt ..................................................... 9
Hình 1.8. Các dạng chống sét trên cánh, với dây dẫn sét: A- Đặt trong thân cánh và
được chia làm hai phần, B- Đặt trong thân cánh, C- Đặt ở mép cánh và D- Kiểu lưới ... 9
Hình 1.9. Chiều cao của tuabin gió theo công suất phát triển theo năm ....................... 10
Hình 1.10. Đồ thị giữa độ cao của tuabin gió với số lần sét đánh mỗi năm ................. 11
Hình 1.11. Tỷ lệ sét đánh trên các bộ phận tuabin gió ................................................. 12
Hình 1.12. Hệ thống chống sét thông thường của một tua-bin gió ............................... 13
Hình 1.13. Các dạng điện áp do sét trong tuabin gió ................................................... 13
Hình 1.14. Mô hình một phần tử dx trên đường dây dài .............................................. 15
Hình 1.15. Mô hình tuabin gió dùng trong tính toán ................................................... 17
Hình 1.16. Mô hình hóa cánh quạt gồm đầu thu sét và 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 của các phần tử.................................................................... 23
Hình 2.2. Phần tử tứ diện và các tọa độ thể tích trong không gian ba chiều ................. 25
Hình 2.3. Giới hạn trường trong miền Ω trong mặt phẳng hai chiều ........................... 28

Hình 2.4. Phần tử ba chiều dạng tứ diện bậc một ........................................................ 29
Hình 2.5. Các miền phân tích trong mô đun AC/DC ................................................... 32
Hình 2.6. Giao diện môi trường làm việc trong COMSOL.......................................... 33
Hình 2.7. Thiết lập các thông số cơ bản trong COMSOL ............................................ 33
Hình 2.8. Mô hình tuabin gió đầy đủ (bên trái) và mặt cắt của cánh (bên phải) ........... 34
Hình 2.9. Mô hình miền bao quanh trên tuabin gió bằng quả cầu ................................ 35
iv


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)

Hình 2.10. Nguồn thư viện vật liệu dùng trong COMSOL .......................................... 35
Hình 2.11. Bài toán tính điện dung sử dụng biên vô hạn và biên thông thường ........... 38
Hình 2.12. Thiết lập điều kiện biên trong mô hình phân tích tuabin gió ...................... 38
Hình 2.13. Chia lưới trên tuabin gió (bên trái) và miền bao quanh (bên phải) ............. 39
Hình 2.14. Giao diện mô phỏng và xuất kết quả trong mô đun AC/DC ....................... 40
Hình 2.15. Kết quả tính điện dung C và điện cảm L trong phần mềm COMSOL ........ 41
Hình 3.1. Phân bố thế và dạng điện trường trên cánh (bên trái) và tháp (bên phải)...... 43
Hình 3.2. Phân bố thế và dạng điện trường trên cánh 1 khi xét ảnh hưởng .................. 44
Hình 3.3. Kết quả tính tổng trở sóng của cánh 1 (bên trái) và tháp (bên phải) khi xét
đến ảnh hưởng của các thành phần khác trên tuabin gió .............................................. 45
Hình 3.4. Quan hệ giữa góc quay tối đa của một cánh và chiều cao tuabin gió............ 46
Hình 3.5. Kết quả tính tổng trở sóng cánh khi thay đổi góc quay từ 300 đến 900 ......... 46
Hình 3.6. Phân vùng theo giá trị dòng sét trên cánh tua bin gió ................................... 47
Hình 3.7a. Mô hình thiết lập số lượng đầu thu sét cánh 32m trên bản vẽ..................... 48
Hình 3.7b. Mô hình thiết kế cánh trên COMSOL trường hợp có 5 đầu thu sét ............ 48
Hình 3.8. Kết quả tính tổng trở sóng của cánh khi thay đổi số lượng đầu thu sét ......... 48
Hình 3.9. Kết quả tính tổng trở sóng của cánh khi thay đổi bán kính dây dẫn sét (bên

trái) và chiều cao tháp (bên phải, ứng với bán kính dây dẫn sét là 0,004m) ................. 49

v


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)

MỤC LỤC
Lời cam đoan.................................................................................................................i
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt .......................................................................... ii
Danh mục các bảng biểu ............................................................................................. iii
Danh mục các hình vẽ .................................................................................................iv
Mục lục .......................................................................................................................vi
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài................................................................................................. 1
2. Lịch sử nghiên cứu .............................................................................................. 1
3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn ................................... 2
4. Các luận điểm và đóng góp mới của luận văn ...................................................... 2
5. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN TỔNG TRỞ SÓNG TUABIN GIÓ ..... 4
1.1. Tổng quan chung về năng lượng gió ................................................................. 4
1.2. Cấu trúc cơ bản của một tuabin gió .................................................................. 6
1.3. Ảnh hưởng của sét đánh tới tuabin gió ........................................................... 10
1.4. Tính toán chống sét cho tuabin gió ................................................................. 12
1.5. Các phương pháp tính toán tổng trở sóng của 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 TOÁN TÍNH TỔNG TRỞ SÓNG CỦA TUABIN GIÓ ...................................... 22
2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)............................................................. 22
2.1.1. Trình tự phân tích bài toán ..................................................................... 22
2.1.2. Phần tử ba chiều dạng tứ diện ................................................................ 24
2.2. Tính toán tổng trở sóng tuabin gió bằng phương pháp phần tử hữu hạn .......... 26
2.2.1. Phân bố năng lượng điện trường trên tuabin gió ..................................... 27
vi


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)

2.2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn trong trường tĩnh điện ............................. 28
2.2.3. Tính toán và mô phỏng tổng trở sóng tuabin gió trên COMSOL ............ 32
2.3. Một số bài toán ứng dụng phần mềm COMSOL ............................................. 40
2.3.1. Bài toán tính điện dung trong COMSOL ................................................ 40
2.3.2. Bài toán tính điện cảm trong COMSOL ................................................. 41
2.3.3. Nhận xét................................................................................................. 42
2.4. Kết luận.......................................................................................................... 42
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ...................................................................... 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 mô hình đầy đủ................................................... 44
3.1.3. Nhận xét................................................................................................. 45
3.2. Tính toán các yếu tố ảnh hưởng đến tổng trở sóng cánh tuabin gió ................. 46
3.2.1. Ảnh hưởng góc quay của cánh tuabin gió ............................................... 46
3.2.3. Ảnh hưởng của số đầu thu sét trên cánh tuabin gió ................................. 47

3.2.2. Ảnh hưởng của bán kính dây dẫn sét và chiều cao tháp .......................... 49
3.3. Kết luận.......................................................................................................... 50
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 51
1. Các kết luận và hướng phát triển đề tài .............................................................. 51
2. Kiến nghị .......................................................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 53

vii


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Với mục đích thay thế dần các nguồn phát điện truyền thống đang dần cạn kiệt
cộng với nhu cầu sử dụng điện ngày càng lớn, điện gió là một trong các nguồn năng
lượng mới được áp dụng nhằm giải quyết các vấn đề trên. Thực tế cho thấy, khả năng
khai thác và lắp đặt các tuabin gió ngày càng nhiều và đang dần trở thành một trong
những nguồn phát điện chính trong tương lai. Tuy nhiên, cùng với việc phát triển điện
gió, một vấn đề đặt ra là phải nâng cao hiệu quả sử dụng của các tuabin gió, nói cách
khác là giảm thiểu những hư hỏng xảy ra trên tuabin gió trong đó nguyên nhân chủ yếu
của những hư hỏng này là do sét gây ra.
Tuabin gió là thiết bị có độ cao lớn và thường đặt ở những vị trí cô lập nên rất dễ bị
sét đánh, do đó để hạn chế những thiệt hại do sét gây ra ta cần tính toán bảo vệ chống
sét cho tuabin gió. Để tính toán điện áp đặt lên từng phần tử của tuabin gió khi có sét
đánh, ta phải tiến hành mô hình hóa các phần tử trên tuabin gió dọc theo đường đi của
sét. Nói một cách khác, từng phần tử của tuabin gió được biểu diễn thông qua một đại
lượng điện tương đương như điện cảm, điện trở hoặc điện dung. Trong bài toán ở tần

số cao - tương ứng với tần số của dòng điện sét, đại lượng thường được sử dụng để
thay thế chính là tổng trở sóng. Việc xác định chính xác trị số tổng trở sóng của tuabin
gió cho phép ta tính toán chính xác trị số quá điện áp do sét đánh vào tuabin gió, từ đó
đề ra được các biện pháp bảo vệ thích hợp cho tuabin gió.
Xuất phát từ ý nghĩa thực tế trên, tác giả đã lựa chọn đề tài nghiên cứu với nội dung
như sau: “Mô phỏng phân bố điện trường áp dụng tính toán tổng trở sóng của
tuabin gió”.

2. Lịch sử nghiên cứu
Cơ sở tính toán tổng trở sóng cho tuabin gió được dựa trên các nghiên cứu đã được
áp dụng cho mô hình cột điện và đường dây truyền tải bằng các phương pháp lý thuyết
(giải tích và số) và thực nghiệm, tuy nhiên kết quả đạt được từ việc áp dụng các
phương pháp này còn rất nhiều hạn chế, điển hình là việc các nghiên cứu trước đó chỉ
tính toán bằng phương pháp giải tích trong khi đó việc áp dụng các phương pháp số và
1


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)

thực nghiệm sẽ đánh giá tốt hơn về trị số tổng trở sóng của tuabin gió. Vì vậy, trong
luận văn này đã đề xuất một cách tính tổng trở sóng cho tuabin gió mới bằng phương
pháp phần tử hữu hạn (thuộc nhóm phương pháp số) sử dụng phần mềm COMSOL để
tính toán.

3. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn
-

Mục đích nghiên cứu: tính toán và mô phỏng tổng trở sóng của tuabin gió trong

hai trường hợp độc lập và với mô hình tuabin gió đầy đủ, từ đó chỉ ra các hạn chế của
phương pháp giải tích thông thường và chứng minh tính ưu việt của phương pháp phần
tử hữu hạn khi áp dụng cho bài toán tính tổng trở sóng trên tuabin gió. Ngoài ra, xét
ảnh hưởng của kích thước hình học và hình dạng của tháp và cánh, góc quay của cánh,
số đầu thu sét, bán kính của dây dẫn sét hay chiều cao của tháp đến trị số tổng trở sóng
của tuabin gió.
-

Đối tượng nghiên cứu: áp dụng tính toán tổng trở sóng trên mô hình tuabin gió

của hãng Vestas với mã hiệu là V66-1.65MW được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy
điện gió tại Việt Nam.
-

Phạm vi nghiên cứu: tính toán và mô phỏng tổng trở sóng của tuabin gió trong

trường hợp sét đánh trực tiếp và mô hình phân tích bài toán được đặt trong trường tĩnh
điện sử dụng phần mềm COMSOL.

4. Các luận điểm và đóng góp mới của luận văn
a. Các luận điểm cơ bản
-

Tổng quan về tính toán tổng trở sóng tuabin gió: trình bày tính cấp thiết của đề

tài, các phương pháp luận dùng để tính toán tổng trở sóng tuabin gió và lựa chọn ra
phương pháp tối ưu.
-

Phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng trong bài toán tính tổng trở sóng

tuabin gió: trình bày phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng trong trường tĩnh điện
để tính toán tổng trở sóng tuabin gió.
-

Các kết quả tính toán: xét trong các trường hợp mô hình độc lập và đầy đủ, sự

thay đổi trị số tổng trở sóng của cánh khi xét đến ảnh hưởng của: góc quay của cánh, số
đầu thu sét, bán kính dây dẫn sét và chiều cao của tháp.
2


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)

b. Các đóng góp mới của luận văn
-

Đưa ra một cách tiếp cận mới trong việc giải quyết bài toán tính tổng trở sóng

tuabin gió bằng phương pháp phần tử hữu hạn, trong đó sử dụng phần mềm COMSOL
để tính toán và mô phỏng.
-

Phân tích và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến trị số tổng trở sóng của tuabin

gió, cụ thể là: sự thay đổi về góc quay của cánh, số đầu thu sét và kích thước hình học
của các phần tử trên tuabin gió.

5. Phương pháp nghiên cứu
-

Phương pháp giải tích: áp dụng các mô hình tính toán tổng tổng trở sóng tuabin

gió dựa trên các công thức có sẵn.
-

Phương pháp số: sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và được thực hiện trên

phần mềm COMSOL Multiphysics 4.3b.

3


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN TỔNG TRỞ SÓNG TUABIN GIÓ
1.1. Tổng quan chung về năng lượng gió
Gió là một dạng năng lượng tái tạo có tiềm năng rất lớn trên thế giới, bản đồ phân
bố gió thế giới đã chỉ ra rằng: sức gió có thể cung cấp điện năng nhiều hơn 40 lần so
với nhu cầu của toàn thế giới và có đến 13% trong số 8.000 điểm có tốc độ gió vượt
cấp ba (tương đương 6,9m.s-1) [1]. Theo báo cáo thường niên của Hội đồng năng lượng
gió toàn cầu (GWEC) [2], tính đến hết năm 2013 thì tổng công suất điện gió trên toàn
thế giới đạt 318.117MW (hình 1.1) và được tập trung chủ yếu ở các khu vực Châu Á,
Châu Âu và Bắc Mỹ (hình 1.2).

Hình 1.1. Tổng công suất điện gió trên toàn thế giới tính đến hết năm 2013

Hình 1.2. Công suất lắp đặt điện gió hàng năm được phân bố theo khu vực

4


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)

Ở nước ta hiện nay, gió đang là một nguồn năng lượng thay thế dần các nguồn năng
lượng khác như than, khí đốt, thủy điện trong việc sử dụng làm nguồn phát điện. Bản
đồ phân bố sức gió ở Việt Nam do Bộ Công Thương và Ngân hàng Thế giới (2010)
khảo sát ở độ cao 80m cho thấy, tiềm năng về năng lượng gió của nước ta là rất lớn đạt
24.351MW với tốc độ gió trung bình năm trên 6m.s-1 và được tập trung chủ yếu ở các
khu vực ven biển từ Bình Định đến Bình Thuận (hình 1.3) [3]. Dự án điện gió quy mô
lớn đầu tiên ở nước ta được đặt tại tỉnh Bình Thuận cho công suất 120MW với quy
trình hoạt động như hình 1.4 [4]. Ngoài ra, hiện nay có khoảng 48 dự án điện gió đã
đăng ký trên toàn lãnh thổ Việt Nam với tổng công suất đăng ký gần 5.000MW [5].

Hình 1.3. Bản đồ phân bố sức gió ở nước ta đo được trên độ cao 80m

5


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)

Máy biến áp tăng
áp tại Tuabin

Máy biến áp tăng
áp tại Trạm

Hình 1.4. Quy trình hoạt động của dự án điện gió đầu tiên tại nước ta

1.2. Cấu trúc cơ bản của một tuabin gió
Cấu trúc cơ bản của một tuabin gió thông thường được mô tả trên hình 1.5, trong đó
các phần tử chủ yếu của tuabin gió bao gồm:
-

Bộ đo tốc độ gió (anemometer): dùng để đo tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ

gió đo được tới bộ điều khiển.
-

Bộ hãm (brake): khi tốc độ gió cao làm công suất gió rất lớn làm ảnh hưởng đến

độ bền cơ, hư hỏng tuabin gió hoặc trong trường hợp khẩn cấp khi dừng rôto, để hạn
chế các vấn đề này tuabin có bộ phận hãm.

Hình 1.5. Cấu trúc cơ bản của một tuabin gió thông thường [6]

6


Luận văn thạc sĩ

-

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)

Bộ điều khiển (controller): đây chính là hệ thống kiểm soát vận tốc của gió. Hệ

thống này tự động ngưng mọi hoạt động của tuabin khi vận tốc gió đạt đến 65 dặm/giờ
vì với vận tốc này sẽ làm nóng và có thể làm hư máy phát điện.
-

Bộ phận hướng gió (wind direction): là bộ phận dùng để hướng tuabin theo

hướng gió và hoạt động đối diện với hướng gió.
-

Bộ đo hướng gió (wind vane): thiết bị đo hướng gió và thông tin đến bộ điều

khiển hướng để định hướng tuabin đúng với hướng của gió.
-

Bộ phận truyền động hướng (yaw drive): đây là bộ phận được dùng để điều

chỉnh hướng tuabin.
-

Động cơ truyền động hướng (yaw motor): động cơ sẽ điều chỉnh tuabin đúng

theo hướng gió khi gió thay đổi bằng cách điều chỉnh rôto đối diện với hướng gió.
-

Trục truyền động của máy phát tốc độ cao (high-speed shaft): trục này có tác

dụng truyền động máy phát điện.
-

Trục tốc độ thấp (low-speed shaft): rôto quay trục tốc độ thấp vào khoảng 30 

60 vòng/phút.
-

Trục cánh quạt (hub): dùng để kết nối các cánh quạt lại với nhau và được gắn

liền với trục tốc độ thấp.
-

Tháp gió (tower): kết cấu bằng thép có dạng ống hoặc thanh, tháp gió càng cao

thì tuabin càng nhận được nhiều năng lượng hơn và sinh ra nhiều điện năng hơn.
-

Vỏ tuabin (nacelle): được đặt ở đỉnh tháp, bao bọc toàn bộ các bộ phận như máy

phát, trục, hộp số, phanh, thường được làm bằng nhựa tổng hợp và được thiết kế lớn để
công nhân có thể làm việc ở bên trong.
-

Hệ thống thay đổi góc đón gió (pitch system): đây chính là bộ phận điều chỉnh

cánh quạt, được dùng để chỉnh góc đón gió của các cánh quạt bằng cách xoay quanh
trục của nó. Việc điều chỉnh này để giữ rôto quay cố định ở vận tốc gió cao hay thấp

mà vẫn có thể phát điện.
-

Hộp số (gear box): hộp số là bộ phận kết nối trục có tốc độ thấp và trục có tốc

độ cao, chức năng của bộ phận này là làm tăng vận tốc quay của gió từ 30  60
vòng/phút lên 1200  1500 vòng/phút để phát điện. Hộp số là thành phần chính của
tuabin gió và giá thành của bộ phận này chiếm 75% giá thành của toàn hệ thống tuabin.
7


Luận văn thạc sĩ
-

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)

Máy phát điện (generator): là bộ phận được nối vào trục tốc độ cao, có chức

năng chuyển đổi năng lượng cơ từ trục tốc độ cao thành năng lượng điện ở đầu ra của
máy phát. Hiện nay có ba loại máy phát điện thường được sử dụng trong công nghệ
tuabin gió là: máy phát điện không đồng bộ kích từ kép (DFIG), máy phát điện không
đồng bộ rotor lồng sóc (SCIG) hoặc tuabin truyền động trực tiếp không có hộp số sử
dụng máy phát điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu (PMSG) (hình 1.6) [7].

Hình 1.6. Các dạng máy phát điện sử dụng trong công nghệ tuabin gió

-

Cánh (blade): cánh nhận lực nâng của gió bằng cách tạo ra các áp lực khác nhau

lên bề mặt, do đó khi có gió thổi với tốc độ phù hợp (lớn hơn 3m.s-1) qua các cánh sẽ
làm cho các cánh chuyển động quay. Cấu trúc cơ bản của một cánh tuabin gió bao gồm
hai phần chính là lớp tạo ra hình dáng cho cánh quạt (được gọi là vỏ cánh) và phần
chống sét cho cánh quạt, trong đó:
1. Vỏ cánh: thường được làm bằng vật liệu là sợi thủy tinh được gia cố thêm
polyester, gỗ hoặc epoxy. Hiện nay sợi carbon được coi là vật liệu gia cố rất tốt trong
việc sản xuất cánh quạt nhưng giá thành vẫn còn đắt. Hình 1.7 mô tả cấu trúc cơ bản
các lớp vật liệu của một cánh quạt tuabin gió thông thường.
8


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)

Hình 1.7. Cấu trúc những lớp vật liệu của cánh quạt

2. Phần chống sét: được thiết kế bao gồm hai thành phần chính là đầu thu sét
(receptor) và dây dẫn sét xuống hệ thống nối đất (lightning conductor). Theo tiêu
chuẩn IEC/TR 611400-24 [8] thì kích thước vật liệu và cấu trúc của phần chống sét
được phân loại như trong bảng 1.1 và hình 1.8 dưới đây.
Bảng 1.1. Kích thước tối thiểu của vật liệu chống sét trên cánh quạt

Vật liệu

Đầu thu sét
mm2

Dây dẫn sét
mm2

Đồng

35

16

Nhôm

70

25

Thép

50

50

Hình 1.8. Các dạng chống sét trên cánh, với dây dẫn sét: A- Đặt trong thân cánh và được chia
làm hai phần, B- Đặt trong thân cánh, C- Đặt ở mép cánh và D- Kiểu lưới [8]

9


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)

1.3. Ảnh hưởng của sét đánh tới tuabin gió

Sét là hiện tượng các đám mây tích điện đủ lớn và phóng điện. Hiện tượng phóng
điện có thể là phóng điện giữa hai đám mây với nhau, phóng điện trong cùng một đám
mây hoặc phóng điện giữa đám mây với đất [9]. Tuy nhiên, khi nghiên cứu ảnh hưởng
của sét đến tuabin gió ta chỉ quan tâm tới trường hợp thứ ba là phóng điện giữa đám
mây với đất, theo đó hiện tượng phóng điện sét này được xét trong hai trường hợp là
tia sét hướng lên (upward) và tia sét hướng xuống (downward). Trên bảng 1.2 mô tả tỷ
lệ của hai dạng tia sét đánh vào tuabin gió (h>100m), theo đó, tỷ lệ tia sét hướng lên
chiếm tới 80% và 20% còn lại sét sẽ đánh xuống đất [10].
Bảng 1.2. Mô tả hai dạng tia sét và tỷ lệ ảnh hưởng tới tuabin gió

Tia sét
Hướng lên
Hướng xuống

Tính chất
Dạng tia sét có hướng phóng điện lên trên gây ra bởi
các thành phần tích điện trên tuabin gió.
Dạng tia sét được hình thành bởi các đám mây tích
điện với mặt đất từ đó sinh ra các dòng sét đánh
thẳng trực tiếp xuống tuabin gió.

Tỷ lệ (%)
Đất

Tuabin

10

80

90

20

Nhận thấy, tuabin gió là thiết bị có độ cao lớn (có thể lên đến 250m) (hình 1.9) và
thường được đặt ở những vị trí cô lập, do đó tuabin gió rất dễ bị sét đánh. Theo [11],
tuabin gió càng cao thì tỷ lệ sét đánh càng lớn (hình 1.10).

Hình 1.9. Chiều cao của tuabin gió theo công suất phát triển theo năm [12]

10


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)

Hình 1.10. Đồ thị giữa độ cao của tuabin gió với số lần sét đánh mỗi năm [11]

Theo [8], thiệt hại do sét gây ra đối với tuabin gió ở một số nước được thể hiện như
sau:
-

Thiệt hại do sét đánh ở các nước Bắc Âu (Đức, Thủy Điển và Đan Mạch) nơi

mật độ giông sét không cao có khoảng 4%  8% tổng số tuabin bị hư hỏng có nguyên
nhân do sét mỗi năm. Tuy nhiên, ở những nơi có mật độ giông sét lớn như miền nam
nước Đức và Nhật Bản con số này lên đến 14% và 36 % [13].
-

Ở các nước Bắc Âu, khoảng một phần ba sự cố do sét là trường hợp sét đánh

trực tiếp vào tuabin gió, hai phần ba còn lại là đánh vào lưới điện và mạng viễn thông
kết nối với tuabin gió. Ở Mỹ, thiệt hại do sét đánh trong các trường hợp kể trên lần lượt
là 2% và 98% [14].
-

Tỷ lệ chi phí thiệt hại do sét đánh gây ra trên các bộ phận của một tuabin gió

được mô tả trên biểu đồ hình 1.11. Theo đó, thiệt hại trên hệ thống điện và hệ thống
điều khiển chiếm đến 50%  70%, thiệt hại từ cánh chiếm 7%  10% còn lại là các bộ
phận khác của tuabin gió. Ở đây thiệt hại từ cánh quạt là thiệt hại đắt tiền nhất chiếm
tới 15%  20% chi phí của một tuabin gió.
Từ các số liệu phân tích trên cho thấy rằng: tỷ lệ hư hỏng của một tuabin gió do sét
đánh có thể chiếm đến 36% và được tập trung ở các hệ thống điều khiển, hệ thống điện
và cánh. Do đó việc tính toán chống sét cho tuabin gió là một bước quan trọng để có
thể hạn chế những thiệt hại do sét gây ra.
11


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)

7%
10%

Hệ thống điều khiển
Hệ thống điện

12%
51%

Khác
Cánh
Máy điện

20%

Hình 1.11. Tỷ lệ sét đánh trên các bộ phận tuabin gió [8]

1.4. Tính toán chống sét cho tuabin gió
Tùy thuộc vào sự chênh lệch của xung điện từ do sét mà ta có thể xác định được các
vùng bảo vệ chống sét (LPZ) cho tuabin gió. Hình 1.12 mô tả các vùng bảo vệ chống
sét và đường đi của sét trên tuabin gió, trong đó vùng bảo vệ chống sét được định nghĩa
theo tiêu chuẩn IEC 62305-1 như trong bảng 1.3 [15]:
Bảng 1.3. Định nghĩa các vùng bảo vệ chống sét trên tuabin gió

Bên ngoài tuabin gió
LPZ0A

LPZ0B

LPZ1

LPZ2

Là vùng có nguy cơ chịu sét đánh trực tiếp và toàn bộ trường điện từ do
sét. Các hệ thống trong đó có thể chịu toàn bộ hoặc một phần dòng xung
sét.

Là vùng đã được bảo vệ khỏi sét đánh trực tiếp nhưng vẫn chịu sự đe dọa
của toàn bộ trường điện từ do sét. Các hệ thống trong đó có thể chịu một
phần dòng xung sét.
Bên trong tuabin gió
Là vùng trong đó dòng xung sét được hạn chế do sự chia dòng và các SPD
tại vị trí ranh giới. Việc che chắn không gian có thể làm suy giảm trường
điện từ do sét.
Là vùng trong đó dòng xung sét được hạn chế hơn nữa do sự chia dòng và
các SPD bổ sung tại vị trí ranh giới. Việc che chắn không gian bổ sung có
thể làm suy giảm hơn nữa trường điện từ do sét.
12


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)

Hình 1.12. Hệ thống chống sét thông thường của một tua-bin gió [16]

Hình 1.13. Các dạng điện áp do sét trong tuabin gió [17]

13


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)

Dựa vào phương thức tác động của sét đối với tuabin gió, người ta phân biệt làm ba
loại sét khác nhau (hình 1.13):

-

Sét đánh cảm ứng: dạng sét này sẽ đánh vào các khu vực lân cận nơi mà chúng

được kết nối với tuabin gió gây ra một điện áp cảm ứng lan truyền vào trong tuabin gió
gây hư hỏng lên các thiết bị điện, điện tử, kỹ thuật số. Bán kính cảm ứng do sét đánh
có thể lên đến 2km tính từ vị trí sét đánh. Giá trị điện áp cảm ứng do sét tại một điểm
bất kỳ phụ thuộc vào khoảng cách đến nơi sét đánh, dạng dòng điện sét và đặc tính
ngẫu hợp giữa điểm bị sét đánh với điểm đó.
-

Sét đánh tràn ngược (back-flow): khi sét đánh vào dây dẫn của lưới điện phân

phối, nó sẽ lan truyền qua máy biến áp tăng áp đặt ở tuabin gió và tràn ngược vào trong
tuabin gió. Trị số điện áp do hiện tượng tràn ngược phụ thuộc vào mức cách điện của
đường dây, tổng trở sóng của các thiết bị trên đường nó lan truyền (đường dây, máy
biến áp, cáp).
-

Sét đánh trực tiếp: tác động lên các bộ phận của tuabin gió như cánh hoặc vỏ

tuabin nơi được đặt các bộ phận thu và dẫn sét, khi đó dòng điện sét được hấp thụ qua
đầu thu sét theo đường dẫn sét tới hệ thống nối đất. Ở đây, giá trị dòng điện sét mà
tuabin gió phải chịu lớn nhất trong trường hợp này có thể lên đến 200kA. Trị số điện
áp do sét đánh trực tiếp phụ thuộc vào dạng dòng điện sét và tổng trở sóng của bản
thân các bộ phận đó.
Trong phạm vi nghiên cứu luận văn này, ta chỉ xét đến trường hợp sét đánh trực
tiếp lên tuabin gió.
Qua những phân tích trên ta nhận thấy rằng, ở trong bất kỳ trường hợp nào với
dòng sét lớn cộng với tần số cao thì đều sinh ra sóng điện từ lan truyền dọc theo đường

dây mà chúng đi qua và ở đây chúng gây nên quá điện áp tác dụng lên cách điện của hệ
thống và làm hư hỏng các thiết bị điện, điện tử trong tuabin gió. Do vậy, để bảo vệ
chống sét cho tuabin gió cần phải dựa trên cơ sở tính toán phân tích quá tình truyền
sóng dọc theo đường đi của sét [18]. Nếu coi các phân vùng của tuabin gió là các đoạn
dx, ta tiến hành xét mô hình một phần tử dx phân bố dọc theo dây dẫn sét và được mô
tả trên hình 1.14 [19].
14


Luận văn thạc sĩ
i(x, t)

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)
Rdx

i + di
- du
u(x, t)

- di

Ldx

u + du
Gdx

x

Cdx

dx

Hình 1.14. Mô hình một phần tử dx trên đường dây dài

Áp dụng định luật Kirhoff ta có:
(Kirhoff 1)
- di(x, t) = i(x, t) - i(x + dx, t) = di C (x, t) + di G (x, t)

- du(x, t) = u(x, t) - u(x + dx, t) = du L (x, t) + du R (x, t) (Kirhoff 2)

(1.1)

Trong đó:
C và G là điện dung và điện dẫn tính cho một vi phân đường dây dx
diG ( x, t )  G.ux, t .dx và diC ( x, t )  C.

u x, t 
.dx
t

(1.2)

L và R là điện cảm và điện trở tính cho một vi phân đường dây dx
du L ( x, t )  L.

ix, t 
.dx và du R ( x, t )  R.ix, t .dx
t

(1.3)

Khi dx→0, kết hợp công thức (1.1) (1.2) (1.3), ta có hệ phương trình truyền sóng:
ix, t 
 u x, t 


L
.
 R.ix, t 

x
t

 ix, t   C. u x, t   G.u x, t 

x
t

(1.4)

Nghiệm của hệ phương trình vi phân (1.4) được biểu thị ở dạng tổng hai thành phần
là sóng tới di chuyển về phía dương của trục x và sóng phản xạ di chuyển theo chiều
ngược lại:
 U  x, t   V  .e  γx  V  .e γx


1   γx
 γx
I  x, t    V .e  V .e 


Z

(1.5)

Với Z là tổng trở sóng của đường dây được tính theo công thức:
Z

V V
R  jwL
  

I
I
G  jwC

15

(1.6)


Luận văn thạc sĩ

Nguyễn Văn Vinh (CB121085)

Trong trường hợp đường dây không có tổn hao, ta coi R = G = 0. Do đó công thức
(1.6) trở thành:
Z

L
1

với v 
C
LC

(1.7)

Như vậy, để đánh giá mức độ nguy hiểm của sét gây ra trên tuabin gió ta cần phải
xác định được điện áp cách điện đặt lên từng thành phần của tuabin gió, điều này được
thực hiện thông qua việc tính toán giá trị tổng trở sóng đặt lên các thành phần của
tuabin gió [20, 21].

1.5. Các phương pháp tính toán tổng trở sóng của tuabin gió
Có hai phương pháp để tính toán tổng trở sóng của tuabin gió là phương pháp giải
tích và phương pháp số. Cả hai phương pháp này đều áp dụng các hệ phương trình
Maxwell để mô hình hóa và mô tả phân bố trường điện từ của đối tượng từ đó tính
được trị số tổng trở sóng.
1.5.1. Phương pháp giải tích
1. Tính theo mô hình Romero [22]
Trong bài toán này, mô hình tuabin gió dùng để tính toán tổng trở sóng được xây
dựng trên nền tảng lý thuyết điện từ trường áp dụng cho cột điện và đường dây truyền
tải với cấu trúc dạng nón hoặc trụ, theo đó các tác giả đã coi tháp tuabin gió như là một
hình nón cụt (có bán kính cơ sở bằng trung bình cộng của đỉnh và gốc tháp) trong khi
đó phần dây dẫn sét trong cánh được xem như là một hình trụ (hình 1.15) và tổng trở
sóng của các thành phần này được tính như sau:
Đối với thành phần dây dẫn sét trong cánh:
Z b  60. ln

2H b
rb

(1.8)

với H b và rb lần lượt là chiều dài và bán kính của cánh tuabin.
Đối với thành phần tháp tuabin gió:
Z t  60. ln 2

Ht
rt

với H t và rt lần lượt là chiều cao và bán kính cơ sở của tháp tuabin gió.
16

(1.9)