Tuabin gió có nguy cơ chịu tác động cao của sự phóng điện khí quyển.
Tuabin gió thường được đặt ở những khu vực đất trống với tài nguyên gió nhiều. Ví dụ, máy phát điện bằng năng lượng gió (hay còn gọi là Phong điện) trên bờ nằm ở địa hình nhô ra như các rặng núi, trong khi các máy phát điện gió ngoài khơi thường nằm ở những khu vực gần bờ biển có mật độ phóng điện khí quyển cao.
Đồng thời, các cánh quạt của tuabin gió có thể tạo ra và kích hoạt các tia tiên đạo hướng lên và chủ động kết nối với các tia tiên đạo hướng xuống trong trường tĩnh điện của cơn giông, điều này làm tăng đáng kể xác suất bị đánh vào các cánh quạt.
Vì lý do này, ước tính số lượng trung bình hàng năm của tuabin gió ở đây chịu ảnh hưởng của sự phóng điện khí quyển cao hơn nhiều so với các khu vực khác.
Chi phí bảo trì cao.
Các dòng điện cường độ rất lớn đánh vào tuabin gió có thể gây ra hiện tượng gãy cánh, hỏng hệ thống điện và điều khiển, và các hiện tượng khác. Có nhiều trường hợp như vậy. Tổn thất năng suất do bảo trì và thời gian ngừng hoạt động của tuabin gió là rất lớn.
Đối với một tuabin gió ngoài khơi, chi phí bảo trì càng đặc biệt cao và thời gian bảo trì rất dài. Dẫn đến mất mát lớn bị gây ra gián tiếp do việc tạm dừng hoạt động.
Mối nguy do xung điện từ gây ra là rất lớn.
So với sự phóng điện khí quyển trực tiếp, các hiệu ứng gián tiếp - cụ thể như xung điện từ (Lightning Electromagnetic Pulse - LEMP) mang đến nhiều rủi ro hơn đối với hệ thống điện và điều khiển của tuabin gió. Vì:
Lắp đặt SPD hợp lý là phương pháp bảo vệ hiệu quả nhất.
LEMP hiện là mối đe dọa chính đối với sự cố và hỏng hóc của hệ thống điện và điện tử. Hiện tại, các biện pháp chính hợp lý và hiệu quả nhất về chi phí đã được thực hiện: lắp đặt thiết bị chống sét (SPD - Surge Protective Device), thiết bị phóng năng lượng phù hợp với khả năng chịu đựng của thiết bị được bảo vệ, và khả năng chịu đựng của thiết bị được bảo vệ.
Phương pháp bảo vệ cơ bản của các trạm phát điện gió cần đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn chống sét quốc tế IEC 62305-1 đến 4 và tiêu chuẩn quốc gia.
Các yêu cầu chung và đặc biệt đối với các ứng dụng trong ngành năng lượng gió cần phải đáp ứng các yêu cầu của tiêu chuẩn IEC 61400-24. Trong đó đưa ra các yêu cầu về bảo vệ cánh quạt, các thành phần kết cấu khác, ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp của xung quá áp lên hệ thống điện và điều khiển, đồng thời đưa ra yêu cầu về các yếu tố môi trường điển hình mà SPD có thể chịu đựng và hoạt động hiệu quả.
Cấp độ bảo vệ của các thiết bị chống sét CITEL được chia thành 4 bậc theo tiêu chuẩn IEC 62305, với khả năng triệt xung quá áp giảm dần từ 1 đến 4. Bộ tuabin điện gió cùng với hệ thống thành phần nên được phân loại theo cấp độ bảo vệ cao nhất phù hợp tiêu chuẩn IEC61400-24 (trừ các trường hợp có yêu cầu đặc biệt).
Đối với mỗi LPL (Lightning Protection Level), các giá trị tối đa và tối thiểu của các tham số dòng xung được chỉ định theo bảng:
Dòng điện dương đánh xuống đầu tiên | Cấp độ bảo vệ LPL | |||||
Các thông số về dòng điện | Kí hiệu | Đơn vị | I | II | III | IV |
Dòng đỉnh | I | kA | 200 | 150 | 100 | |
Điện tích xung | Q short | C | 100 | 75 | 50 | |
Năng lượng riêng | W/R | MJ/Ω | 10 | 5.6 | 2.5 | |
Các thông số thời gian | T1/T2 | µs/µs | 10/350 |
Xác định vùng chống sét (LPZ - Lightning Protection Zone) hợp lý của tuabin gió là điều kiện tiên quyết để triệt xung quá áp lan truyền hiệu quả. Nói chung, các biện pháp bảo vệ, chẳng hạn như hệ thống chống sét (LPS - Lightning Protection System), các dây dẫn điện có bọc lớp che chắn và SPD, được sử dụng để xác định các LPZ. Để biết thêm chi tiết, xem Chương 8.3 của IEC 62305-1.
Sau đây là sơ đồ phân chia tuabin điện gió điển hình thành các vùng LPZ.
Tháp điện gió (Tower)
Một tháp kim loại hình ống, được sử dụng cho một tuabin gió lớn, có thể được coi là một chiếc lồng Faraday gần như hoàn hảo nhờ sự sở hữu hiệu ứng che chắn điện từ của nó. Nếu kết nối điện giữa tháp và vỏ bọc còn liên tục và đã thực hiện nối đất an toàn, khu vực bên trong tháp có thể được định nghĩa là LPZ1 hoặc thậm chí LPZ2.
Vỏ động cơ (Nacelle)
Vỏ bọc bằng lưới kim loại sợi thủy tinh có tác dụng che chắn trường điện từ bên ngoài. Hiệu ứng che chắn có liên quan đến kích thước của lưới. Vỏ bọc thường được định nghĩa là vùng LPZ1. Một phần dòng điện có thể tồn tại trong vỏ bọc để chạy qua các ổ đỡ rồi phóng xuống đất qua chổi điện, do đó có thể có trường điện từ bức xạ mà lưới kim loại không thể che chắn được.
Tủ phân phối điện (Box)
Máy biến áp và kết nối lưới điện của các tuabin gió trên bờ hầu hết được bố trí bên ngoài tháp và có thể được xác định là vùng LPZ1. Đối với các tua-bin gió ngoài khơi, máy biến áp và kết nối lưới điện thường được đặt bên trong tháp và có thể được xác định là vùng LPZ2/3.
Trung tâm (Hub)
Trung tâm chủ yếu bao gồm một cấu trúc gang rỗng với nhiều lỗ, Nó cung cấp một lớp chắn từ tính nên được xác định là vùng LPZ 1. Bên trong trung tâm là hệ thống điều khiển cánh quạt và các mạch hệ thống điều khiển khác nhau nối đến các vị trí khác của Nacelle.
Xác định vùng bảo vệ hợp lý là điều kiện tiên quyết để chống xung quá áp lan truyền hiệu quả.
Phương pháp LPZ điển hình được sử dụng cho tuabin gió để đánh giá và xác định mức độ ảnh hưởng của sự phóng điện khí quyển. Các bộ phận như cánh quạt, máy móc, hệ thống điện và điều khiển có thể được chế tạo để chịu đựng sự tác động này.
Loại thử nghiệm, khả năng phóng điện và vị trí lắp đặt của SPD phải được xác định theo các đặc tính ảnh hưởng của hệ thống điện tại ranh giới của các vùng bảo vệ khác nhau. Ví dụ về các biện pháp bảo vệ quá áp lan truyền (Surge Protection Measures - SPM) của hệ thống điện tại ranh giới của các vùng LPZ như sau:
Phân vùng bảo vệ LPZ cho Turbine điện gió
Nói chung, một trong ba loại tuabin gió thường được sử dụng trong hệ thống tái tạo năng lượng gió. Máy phát điện cảm ứng kích từ kép (DFIG - Doubly-fed Induction Generator), máy phát điện truyền động trực tiếp (PMSG - Direct Drive Generator) và máy phát điện tốc độ trung bình (máy phát điện truyền động bán trực tiếp).
Trong quá trình vận hành tuabin gió, 2 loại xung quá áp chính thường xảy ra là:
Là một thiết bị chuyển mạch, IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor: Transistor lưỡng cực có cực điều khiển cách ly) được áp dụng rộng rãi trong các bộ chuyển đổi. Khi IGBT điều chế và đưa ra sóng PWM (Pulse Width Modulation: Xung điều chỉnh điện áp) đến bộ rotor, điện áp sẽ tạo ra các giá trị đỉnh tuần hoàn và sóng hài ngắn hạn. Nhiễu sóng hài này sẽ ảnh hưởng đến cách điện của máy phát rotor và làm ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của SPD.
Một bộ chuyển đổi ở đáy tháp tạo ra sóng PWM và khoảng cách truyền tải sóng PWM đến dây cáp của máy phát ở vỏ động cơ là rất xa. Vì các dây cáp dài có độ tự cảm và điện dung ghép nối phân bố, dao động tắt dần quá áp tần số cao (sóng hài) sẽ được tạo ra.
Các đặc tính quá điện áp có thể có của tuabin gió được chuẩn hoá (bảng dưới đây). Nếu khả năng chịu đựng của SPD không đáp ứng đủ yêu cầu của điều kiện làm việc tại hiện trường, tuổi thọ của nó sẽ bị giảm đi rất nhiều.
Các đặc tính điện áp điển hình phía Rotor của DFIG | |
Điện áp hoạt động liên tục tối đa của hệ thống (L-L) | 750 r.m.s. (±10%), 0~ 200 Hz |
Quá áp đột biến lặp đi lặp lại chồng lên điện áp hoạt động L-PE | 1.7 kV |
Quá áp đột biến lặp đi lặp lại chồng lên điện áp hoạt động L-L | 2.95 kV |
Độ dốc tăng của các dạng sóng quá điện áp được áp dụng lặp lại | 1.4 kV/µs |
Tần số chuyển mạch của bộ chuyển đổi | 2000 Hz |
Các đặc tính HVRT (High Voltage Ride Through: khả năng vượt qua điện áp cao) được cung cấp bởi các tiêu chuẩn liên quan và được hiển thị trong hình dưới đây sẽ xuất hiện khi hệ thống điện của tuabin gió hoạt động.
Loại quá áp tạm thời (Temporary Overvoltage-TOV) này sẽ xuất hiện trong DFIG và PMSG, có thể gây nguy hiểm cho việc vận hành an toàn của các thiết bị bán dẫn bao gồm bộ chuyển đổi và các thiết bị tương tự.
No. |
Điện áp hoạt động |
Yêu cầu về HVRT | Mẫu sản phẩm CITEL | Tham số SPD | Kết luận |
1 | 400 / 690 Vac |
400 * 1.1 = 440 Vac liên tục |
DAC50S-30-760 |
Uc = 760 Vac liên tục |
đáp ứng |
2 |
400 * 1.3 = 520 Vac 500 ms |
UT = 1000 Vac chịu được 5s |
đáp ứng | ||
3 |
400 * 1.1 = 440 Vac liên tục |
DAC50S-31-760- 2600DC |
Uc = 800 Vac liên tục |
đáp ứng | |
4 |
400 * 1.3 = 520 Vac 500 ms |
UT = 2200 Vac chịu được 5s |
đáp ứng | ||
5 | 230 / 400 Vac |
230 * 1.1 = 253 Vac liên tục |
DAC50S-31-320 |
Uc = 320 Vac liên tục |
đáp ứng |
6 |
230 *1.3 = 299 Vac 500 ms |
UT = 335 Vac chịu được 5s |
đáp ứng |
Đối với đường dây đầu vào (có một phần dòng điện xâm nhập trên đường dây) được kết nối với LPZ0A hoặc LPZ0B, các cổng AC và DC của thiết bị điện tử, như hệ thống điều khiển chính, nên được kiểm tra khả năng chịu xung theo tiêu chuẩn IEC 61400-4-5 và IEC 60664-1; cổng giao tiếp nên được kiểm tra theo tham chiếu ITU-TK.21, K.20 và IEC 61400-4-5.
Mức điện áp bảo vệ của SPD được áp dụng cho tuabin điện gió nên xem xét mức điện áp chịu xung định mức Uw của thiết bị được bảo vệ (như thể hiện ở sơ đồ trên). Nếu cần thiết, các yêu cầu về mức bảo vệ của hệ thống SPD lắp đặt cho tuabin điện gió nên được xem xét đồng thời.
Khi xem xét giá trị Uc để chọn SPD, các yêu cầu cơ bản như điện áp hoạt động của nguồn điện tại vị trí cài đặt SPD và hệ thống phân phối điện năng cần được lưu ý. Sau đó, xác định điện áp tham chiếu của hệ thống (System Reference Voltage-UREF) để chọn SPD.
Đồng thời, các ứng dụng năng lượng gió cần đặc biệt kiểm tra có nhiễu sóng hài tại vị trí lắp đặt hay không. Nếu có, biên độ điện áp hoạt động của hệ thống (System Operating Voltage Amplitude-UAMP) và tần suất xảy ra cần được xem xét, một số khu vực có tần số chuyển mạch cao sẽ có quá áp chuyển mạch, và một số hệ thống cần kiểm tra quá áp tạm thời do bị lỗi điện áp (ví dụ như mất dây trung tính) và các tình huống khác.
Như được hiển thị trong hình trên, một SPD với giá trị Uc được chọn trong khu vực màu vàng có thể hoạt động thường xuyên trong phạm vi nhiễu sóng hài. Những hoạt động liên tục này sẽ làm giảm tuổi thọ của SPD.
Do đó, đối với các ứng dụng năng lượng gió, SPD có giá trị Uc nằm trong khu vực màu xanh lá cây nên được áp dụng sử dụng để kéo dài tuổi thọ của SPD.
SPD dành cho điện gió thiết kế bởi CITEL cung cấp sự bảo vệ tốt hơn và tuổi thọ dài hơn.
Đối với một tuabin điện gió, nên chọn một loại SPD có dòng xả phù hợp (Type 1+2+3), phù hợp với vùng nơi thiết bị bảo vệ được đặt và đồng thời cân nhắc tới vị trí lắp đặt của SPD, yêu cầu tuổi thọ dự kiến, hệ thống phân phối điện, kích thước mạch rẽ dự kiến và các đặc tính khác.
(1) Bảo vệ phía hạ áp của trạm biến áp
(2) Bảo vệ phía điện lưới của bộ chuyển đổi
CITEL có các thiết bị triệt xung quá áp khác nhau cho các loại tuabin gió khác nhau.
(3) Bảo vệ phía đầu vào bộ chuyển đổi
(4) Bảo vệ phía đầu máy phát điện (DFIG)
(5) Bảo vệ phía máy phát điện (DFIG & PMSG)
Hãy liên hệ THY AN để có những lựa chọn tốt nhất về SPD CITEL.
(6) Nguồn AC một pha 230 Vac
(7) Ngguồn cung cấp điện ba pha 230/400 Vac
(8) Nguồn cấp điện DC 24 Vdc:
(9) Đường truyền tín hiệu viễn thông
(10) Mạng liên lạc dữ liệu
(11) Hệ thống giám sát sự phóng điện khí quyển
Đáp ứng: EN 62561-6