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

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 ư 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 30 0
so với trục hoành; b) Cánh ở vị trí 60 0
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 N g = 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 lá cây) . 82
Hình 3.19. So sánh QĐA sét cảm ứng trên cách điện cáp điều khiển phía đỉnh (mầu đỏ) và
chân cột trụ (mầu xanh lá cây) 82
Dạng sóng của dòng điện phóng qua CSV lắp đặt tại đầu (phía đỉnh cột trụ) và CSV lắp đặt
tại cuối (phía chân cột trụ) của đường cáp điện được so sánh trên hình 3.20a, còn đường cáp
điều khiển trên hình 3.20b. Trong đó, mầu đỏ là dòng điện phóng qua CSV lắp đặt tại đầu,
còn mầu xanh lá cây là dòng điện phóng qua CSV lắp đặt tại cuối đường cáp điện và cáp
điều khiển. 83
Hình 3.20. Dòng điện qua các CSV lắp đặt tại hai đầu cáp điện (a) và cáp điều khiển (b) . 84
Hình 3.21. Biên độ QĐA sét cảm ứng lớn nhất trên cách điện cáp phía đỉnh cột trụ 84
theo trị số điện trở nối đất 84
Hình 3.22. Biên độ QĐA sét cảm ứng lớn nhất trên cách điện cáp phía chân cột trụ 85
theo trị số điện trở nối đất 85
Hình 3.23. Biên độ QĐA sét cảm ứng lớn nhất trên cách điện của các đường cáp phía đỉnh
cột trụ theo biên độ dòng điện sét khác nhau . 86
Hình 3.24. Biên độ QĐA sét cảm ứng lớn nhất trên cách điện của các đường cáp phía chân
cột trụ theo biên độ dòng điện sét khác nhau . 86
Hình 3.25. Biên độ QĐA sét cảm ứng lớn nhất trên cách điện các cáp phía đỉnh và chân cột
trụ theo thời gian đầu sóng dòng điện sét 87
Hình 3.26. Sóng QĐA sét cảm ứng phân bố trên cách điện giữa cột trụ với cáp điện (a) và
cáp điều khiển (b) từ đỉnh xuống chân cột trụ . 88
Hình 3.27. Sơ đồ thuật toán xác định khoảng cách an toàn lắp đặt đường cáp so với cột trụ
90
Hình 4.1. Một mô hình WF nối lưới tiêu biểu . 93
Hình 4.2. Mô hình MBA 95
Hình 4.3. Sơ đồ thay thế của điện cực nối đất chôn nằm ngang . 97
Hình 4.4. Mô hình WF tỉnh Ninh Thuận 99
Hình 4.5. Mô hình mô phỏng của WF tỉnh Ninh Thuận trong EMTP . 100 ix

Hình 4.6. Đặc tính V-A của CSV hạ áp (0,69kV) 102
Hình 4.7. Đặc tính V-A của CSV trung áp (22kV) 103
Hình 4.8. Sóng QĐA (pha A) phía cao áp của các MBA WT1 đến WT5 104
Hình 4.9. Sóng QĐA (pha A) phía hạ áp của các máy biến áp WT1 đến WT5 . 104
Hình 4.10. Sóng QĐA phía cao áp của MBA WT1 theo ba giá trị thời gian đầu sóng dòng
điện sét: 1,2às, 5às và 10às (cùng biên độ 30kA) 105
Hình 4.11. Sóng QĐA phía hạ áp của MBA WT1 theo ba giá trị thời gian đầu sóng dòng
điện sét: 1,2às, 5às và 10às (cùng biên độ 30kA) 105
Hình 4.12. Sóng QĐA phía cao áp MBA WT1 theo trị số điện trở nối đất . 106
Hình 4.13. Sóng QĐA phía hạ áp MBA WT1 theo trị số điện trở nối đất . 107
Hình 4.14. Biên độ QĐA phía cao áp và hạ áp MBA WT1 theo trị số điện trở nối đất 107
Hình 4.15. So sánh sóng QĐA phía cao áp MBA WT1 theo hình thức nối đất độc lập (1) và
nối đất chung (2) 108
Hình 4.16. Sóng QĐA phía cao áp MBA WT2 đến WT5 theo hình thức nối đất độc lập (1) và
nối đất chung (2), trong đó a) WT2, b) WT3, c) WT4 và d) WT5 108
Hình 4.17. Sóng QĐA phía hạ áp MBA WT1 theo hình thức nối đất độc lập (1) và hình thức
nối đất chung (2) 109
Hình 4.18. Sóng QĐA phía hạ áp MBA WT2 đến WT5 theo hình thức nối đất độc lập (mầu
đỏ) và nối đất chung (mầu xanh), trong đó a) WT2, b) WT3, c)WT4 và d) WT5 110
Hình 4.19. Sóng QĐA phía cao áp MBA WT1 đến WT5 khi sét vào các WT này . 111
Hình 4.20. Sóng QĐA phía hạ áp MBA WT1 đến WT5 khi sét đánh vào các WT này 111
Hình 4.21. Dòng phóng điện qua các CSV phía cao áp của MBA WT1 đến WT5 khi sét đánh
vào các WT này 112
Hình 4.22. QĐA (pha A) phía cao áp của MBA WT1 theo vị trí sét đánh vào đường dây
không treo DCS: (1) mầu đỏ, (2) mầu xanh lá cây và (3) màu xanh dương 113
Hình 4.23. QĐA (pha A) phía hạ áp của MBA WT1 theo vị trí sét đánh đường dây không treo
DCS: (1) mầu đỏ, (2) mầu xanh lá cây và (3) màu xanh dương 113
Hình 4.24. So sánh QĐA (pha A) phía hạ áp (mầu nâu đỏ) và cao áp (mầu xanh dương) của
MBA WT1 theo vị trí sét đánh đường dây không treo DCS: (1), (2) và (3) . 113
Hình 4.25. Sóng QĐA phía cao áp của MBA WT1 đến WT5 114
Hình 4.26. Sóng QĐA phía hạ áp của MBA WT1 đến WT5 114
Hình 4.27. QĐA (pha A) phía cao áp của MBA WT1 khi sét đánh vào DCS theo các vị trí: (1)
mầu đỏ, (2) mầu xanh lá cây và (3) màu xanh dương . 115 x

Hình 4.28. QĐA (pha A) phía hạ áp của MBA WT1 khi sét đánh vào DCS theo các vị trí: (1)
mầu đỏ, (2) mầu xanh lá cây và (3) màu xanh dương . 115
Hình 4.29. So sánh biên độ QĐA (pha A) phía hạ áp (mầu nâu đỏ) và cao áp (mầu xanh
dương) của MBA WT1 khi sét đánh vào DCS theo các vị trí (1), (2) và (3) 116
Hình 4.30. So sánh sóng QĐA (pha A) tại phía cao áp (a) và hạ áp (b) của MBA WT1 khi sét
đánh vào đường dây treo và không treo DCS cùng vị trí (1) . 117
Hình 4.31. So sánh sóng QĐA (pha A) phía cao áp của MBA WT1 trong trường hợp đường
dây trên không không DCS, có DCS (i) và có DCS kết hợp CSV (ii) 118
Hình 4.32. So sánh sóng QĐA (pha A) phía hạ áp của MBA WT1 trong trường hợp đường
dây trên không không DCS, có DCS (i) và có DCS kết hợp CSV (ii) 118
Hình 4.33. Cấu hình A . 120
Hình 4.34. Cấu hình B . 121
Hình 4.35. Cấu hình C . 122
Hình 4.36. Cấu hình D 122
Hình 4.37. QĐA phía cao áp (a) và phía hạ áp (b) khi sét đánh vào WT1 theo các cấu hình
khác nhau . 126
Hình 4.38. QĐA phía cao áp (a) và phía hạ áp (b) khi sét đánh vào WT2 theo các cấu hình
khác nhau . 126
Hình 4.39. QĐA phía cao áp (a) và phía hạ áp (b) khi sét đánh vào WT3 theo các cấu hình
khác nhau . 126
Hình 4.40. QĐA phía cao áp (a) và phía hạ áp (b) khi sét đánh vào WT4 theo các cấu hình
khác nhau . 127
Hình 4.41. QĐA phía cao áp (a) và phía hạ áp (b) khi sét đánh vào WT5 theo các cấu hình
khác nhau . 127
Hình 4.42. So sánh biên độ QĐA phía cao áp của MBA WT1 đến WT5 khi sét đánh vào các
WT này, dòng sét 30kA (1,2/50às) theo các cấu hình khác nhau . 128
Hình 4.43. So sánh biên độ QĐA phía hạ áp của MBA WT1 đến WT5 khi sét đánh vào các
WT này, dòng sét 30kA (1,2/50às) theo các cấu hình khác nhau . 128
Hình 4.44. QĐA phía cao áp (a) và phía hạ áp (b) khi sét đánh vào đường dây 22kV kết nối
WF với lưới hệ thống theo các cấu hình khác nhau . 130
Hình 4.45. QĐA phía cao áp và phía hạ áp của MBA WT1 đến WT5 khi sét đánh vào đường
dây 22kV kết nối WF với lưới hệ thống theo các cấu hình khác nhau . 131

xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng Tiềm năng khai thác năng lượng gió tại 4 quốc gia Đông Nam Á [85] . 11
Bảng .2. Đường dẫn sét của WT theo các phương án bố trí thu sét trên cánh [43] . 23
Bảng 1.3. Quy định tiết diện tối thiểu của đầu thu và đường dẫn trong cánh WT [43] 23
Bảng .4. Định nghĩa các vùng bảo vệ chống sét (LPZs) của WT [43] 23
Bảng .5. Xác suất xuất hiện biên độ dòng điện sét trong phóng điện hướng xuống [43] . 29
Bảng .6. Xác suất sét đánh vào các điểm đã đánh dấu của WT 31
Bảng 2.1. Hệ số A, b theo đề xuất của các tác giả khác nhau [14] . 43
Bảng 2.2. Khu vực, số lượng và công suất các dự án điện gió đăng ký tại Việt Nam [9] . 51
Bảng 2.3. WT có công suất và kích thước khác nhau [40] 53
Bảng 2.4. Số lần sét đánh trực tiếp vào WT theo sự gia tăng kích thước các WT (so với V29)
54
Bảng 2.5. Số lần sét đánh trực tiếp WT điển hình tại các dự án điện gió đăng ký ở Việt Nam
55
Bảng 2.6. Năm mốc mật độ sét tiêu biểu tại khu vực các dự án điện gió đăng ký 56
Bảng 2.7. Số lần sét đánh WT có kích thước khác nhau theo mật độ sét tiêu biểu tại khu vực
các dự án điện gió đăng ký 57
Bảng 2.8. So sánh số lần sét đánh trực tiếp vào WT giữa phương pháp EGM và IEC . 60
Bảng 3.1. Các thông số trên mỗi đoạn trong mô hình mạch hình 3.3 . 66
Bảng 3.2. Đặc điểm và thông số các phần tử cơ bản của WT loại 1,5MW điển hình Việt Nam
72
Bảng 3.3. Kết quả lựa chọn và tính toán thông số các mô hình phần tử - thiết bị liên quan
cho nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT . 73
Bảng 3.4. Kết quả so sánh điện thế lớn nhất tại hai đầu các đường cáp 80
khi không lắp đặt và lắp đặt CSV . 80
Bảng 3.5. So sánh biên độ QĐA sét cảm ứng lớn nhất trên cách điện đầu các đường cáp phía
đỉnh và chân cột trụ 83
Bảng 4 Trị số điện dung ký sinh điển hình của MBA theo dung lượng [28] . 96
Bảng 4.2. Lựa chọn mô hình và kết quả tính toán các thông số mô hình các phần tử 101
Bảng 4.3. Thông số mô hình cáp hạ áp 0,69kV trong ATP/EMTP 102 xii

Bảng 4.4. Thông số mô hình cáp ngầm trung áp 22kV trong ATP/EMTP 102
Bảng 4.5. Thông số mô hình đường dây không trung áp 22kV trong ATP/EMTP 102
Bảng 4 So sánh QĐA truyền vào phía cao áp và hạ áp của MBA WT1 theo biện pháp (i) và
(ii) so với khi đường dây không treo DCS (0) 119
Bảng 4 QĐA lớn nhất phía cao áp các MBA khi sét đánh WT1 đến WT5 - cấu hình A 123
Bảng 4 QĐA lớn nhất phía hạ áp các MBA khi sét đánh WT1 đến WT5 - cấu hình A . 124
Bảng 4 QĐA lớn nhất phía cao áp các MBA khi sét đánh WT1 đến WT5 - cấu hình B 124
Bảng 4. 0. QĐA lớn nhất phía hạ áp các MBA khi sét đánh WT1 đến WT5 - cấu hình B . 124
Bảng 4. . QĐA lớn nhất phía cao áp các MBA khi sét đánh WT1 đến WT5 - cấu hình C . 124
Bảng 4. 2. QĐA lớn nhất phía hạ áp các MBA khi sét đánh WT1 đến WT5 - cấu hình C . 125
Bảng 4. 3. QĐA lớn nhất phía cao áp các MBA khi sét đánh WT1 đến WT5 - cấu hình D . 125
Bảng 4. 4. QĐA lớn nhất phía hạ áp các MBA khi sét đánh WT1 đến WT5 - cấu hình D . 125
Bảng 4. 5. QĐA lớn nhất phía cao áp các MBA khi sét đánh đường dây trên không 22kV kết
nối WF với lưới hệ thống theo các cấu hình 129
Bảng 4. . QĐA lớn nhất phía hạ áp các MBA khi sét đánh đường dây trên không 22kV kết
nối WF với lưới hệ thống theo các cấu hình 129
xiii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Nguyên nghĩa
ATP/EMTP
Phần mềm mô phỏng quá trình quá độ điện từ (Alternative Transients
Program / Electromagnetic Transients Program)
CSV Chống sét van
BIL Mức điện áp xung (Basic Impulse Level)
DFIG
Máy phát không đồng bộ rotor dây quấn dạng nguồn kép (Double Fed
Induction Generator)
DCS Dây chống sét
EGM Mô hình điện hình học (Electro-Geometrical Method)
HAWT Tua bin gió kiểu trục ngang (Horizontal Axis Wind Turbines)
HTĐ Hệ thống điện
HTĐ&ĐK Hệ thống điện và điều khiển
IEC Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (International Electrotechnical Commission)
IEEE
Viện các kỹ sư điện và điện tử quốc tế (Institute of Electrical and
Electronics Engineers)
QĐA Quá điện áp sét (Lightning Overvoltage)
MBA Máy biến áp
MPĐ Máy phát điện
PMSG
Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet
Synchoronous Generator)
SCIG
Máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc (Squirrel Cage Induction
Generator)
TĐ Tủ điện
TĐK Tủ điều khiển
TBĐ Thiết bị điện
TBĐK Thiết bị điều khiển
VAWT Tua bin gió kiểu trục đứng (Vertical Axis Wind Turbines)
WF Trang trại gió (Wind Farm)
WRIG
Máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn (Wound Rotor Induction
Generator)
WRSG
Máy phát điện đồng bộ rotor dây quấn (Wound Rotor Synchoronous
Generator)
WT Tua bin gió (Wind Turbine) 1

Mở đầu
1. Tính cấp thiết của đề tài
Phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như mặt trời, gió, sinh khối, sóng biển,
thủy triều, thủy điện nhỏ, địa nhiệt là một xu hướng của các quốc gia trên thế giới. Bởi
lẽ việc phát các nguồn năng lượng này sẽ giúp các quốc gia đa dạng hóa các nguồn
năng lượng, phân tán rủi ro, đảm bảo an ninh năng lượng, tiết kiệm được nguồn năng
lượng hóa thạch và giảm thiểu sự phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính.
Trong các nguồn năng lượng tái tạo thì năng lượng gió được đánh giá là nguồn
triển vọng nhất vì giầu tiềm năng, dễ khai thác trên quy mô lớn, thân thiện với môi
trường và ít gây ảnh hưởng xấu về mặt xã hội. Do đó nguồn năng lượng này đã, đang
và sẽ được nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm phát triển, trong đó có Việt Nam.
Tuy vậy, việc sử dụng các tua bin gió (Wind Turbine - WT) để phát điện cũng có
một số bất lợi trên phương diện bảo vệ chống sét:
- WT là công trình cao (trung bình trên 100m), thường được lắp đặt ở địa hình trống
trải nên chúng rất dễ bị sét đánh.
- Đầu thu sét lắp đặt trên cánh luôn chuyển động trong quá trình WT vận hành.
- Khi sét đánh vào WT, trên đường dẫn dòng điện sét qua cột trụ xuống đất có thể gây
quá điện áp (QĐA) sét cảm ứng nguy hiểm cho các bộ phận bên trong của WT.
- Thường các WT được kết nối với nhau tạo thành một trang trại gió (Wind Farm -
WF) cấp điện lên lưới hệ thống (hoặc cấp điện cho phụ tải địa phương) qua đường
dây trung áp trên không. Do đó khi sét đánh vào WT bất kỳ trong WF hoặc đánh vào
đường dây trung áp trên không kết nối WF với lưới có thể xuất hiện QĐA sét nguy
hiểm lan truyền trong lưới điện WF.
Thực tế vận hành điện gió tại nhiều quốc gia trên thế giới cho thấy, hàng năm
có rất nhiều WT phải chịu ảnh hưởng của QĐA do sét đánh trực tiếp hoặc sét cảm
ứng và lan truyền gây ra những sự cố nghiêm trọng, thiệt hại lớn về kinh tế và ảnh
hưởng không nhỏ đến độ tin cậy hệ thống. Vì thế vấn đề nghiên cứu bảo vệ chống
sét cho các WT gió đã được nhiều tổ chức và cá nhân quốc tế quan tâm trong những
năm gần đây. Tuy nhiên đây là vấn đề phức tạp, phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như
mật độ sét, thông số dòng điện sét, vị trí sét đánh, địa hình lắp đặt - vận hành WT,
đặc điểm của WT, phương thức kết nối các WT, đặc điểm của lưới điện, phương 2

thức nối đất, phương pháp mô hình các phần tử, phương pháp tính toán mô phỏng
quá trình quá độ điện từ. Do đó vấn đề này vẫn cần được tiếp tục quan tâm nghiên
cứu, đánh giá để từ đó đưa ra khuyến cáo các biện pháp phối hợp cách điện hợp lý
nhằm góp phần nâng cao độ tin cậy và an toàn cho các phần tử, thiết bị trong hệ
thống điện gió.
Với các lý do trên đây, tác giả lựa chọn đề tài “Nghiên cứu quá điện áp sét và
bảo vệ chống sét cho tua bin gió có kết nối lưới điện”. Đây là đề tài có ý nghĩa
khoa học và thực tiễn cao, đặc biệt đối với Việt Nam - quốc gia giàu tiềm năng điện
gió nhất khu vực Đông Nam Á và đang có nhiều chính sách thúc đẩy sự phát triển
của hệ thống điện này, trong khi chưa có nghiên cứu nào đáng kể được công bố liên
quan đến vấn đề bảo vệ chống sét cho các WT. Luận án thực hiện thành công sẽ góp
phần đáp ứng nhu cầu làm chủ các kỹ thuật chống sét cho các WT và WF cũng như
việc đào tạo đội ngũ chuyên gia trong lĩnh vực này tại Việt Nam.
2. Mục đích nghiên cứu của luận án
- Tìm hiểu các đặc trưng cơ bản của chống sét cho các WT và các phương pháp tính
toán chống sét cho WF kết nối với lưới điện.
- Đề xuất phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp vào WT. Ứng dụng phương
pháp đề xuất xác định số lần sét đánh trực tiếp WT có công suất (ứng với kích
thước) khác nhau trong điều kiện mật độ sét Việt Nam.
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến: QĐA sét trong hệ thống
điện và điều khiển (HTĐ&ĐK) của WT, QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF.
Qua đó khuyến cáo các biện pháp phối hợp cách điện phù hợp, góp phần nâng cao
độ tin cậy và an toàn cho các phần tử, thiết bị trong các dự án điện gió, đặc biệt đối
với các dự án điện gió đã, đang và sẽ được lắp đặt tại Việt Nam.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: là các WT công suất lớn kiểu trục ngang (Horizontal axis
wind turbines - HAWT) kết nối trong lưới điện WF điển hình của Việt Nam.
- Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung đánh giá, đề xuất phương pháp xác định số
lần sét đánh trực tiếp vào WT; nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT
và nghiên cứu QĐA sét lan truyền trong WF có kết nối lưới điện. 3

4. Phương pháp nghiên cứu
- Sử dụng phương pháp mô hình điện hình học (EGM) trong việc xác định số lần sét
đánh trực tiếp WT phù hợp với đặc điểm công trình động.
- Sử dụng phương pháp giải bài toán truyền sóng có trong phần mềm mô phỏng quá
trình quá độ điện từ ATP/EMTP để tính toán, phân tích QĐA sét cảm ứng và lan
truyền.
- Áp dụng các tiêu chuẩn, khuyến cáo hiện hành của các tổ chức quốc tế như IEEE,
IEC để phân tích, đánh giá QĐA sét đối với WT và lưới điện WF.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
5.1. Ý nghĩa khoa học
- Ứng dụng mô hình điện hình học (EGM) trong tính toán xác định số lần sét đánh
trực tiếp vào WT phù hợp với đặc điểm công trình động (đầu thu sét gắn trên cánh
luôn chuyển động khi làm việc).
- Tổng hợp, đánh giá, đề xuất sử dụng mô hình các phần tử liên quan cho nghiên cứu
quá trình quá độ điện từ đối với WT và lưới điện WF.
- Luận án cũng xây dựng được thuật toán tính toán số lần sét đánh trực tiếp vào WT
theo phương pháp đề xuất và thuật toán xác định khoảng cách an toàn lắp đặt các
đường cáp so với cột trụ để giảm QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT.
5.2. Ý nghĩa khoa học thực tiễn
- Kết quả tính toán số lần sét đánh trực tiếp vào WT - kích thước khác nhau tại các dự
án điện gió đã được đăng ký trên lãnh thổ Việt Nam có mật độ sét khác nhau trong
luận án có thể dùng làm tài liệu tra cứu, tham khảo cho các chủ đầu tư cũng như các
nhà tư vấn, thiết kế, xây dựng các dự án điện gió ở Việt Nam.
- Việc tổng hợp, đánh giá các nghiên cứu, mô hình các phần tử cho nghiên cứu quá
trình quá độ điện từ và phương pháp phân tích đánh giá QĐA sét đối với WT (WF)
trong luận án có thể được sử dụng để đào tạo đội ngũ chuyên gia trong lĩnh vực bảo vệ
chống sét cho các WT (WF) tại Việt Nam.
- Nghiên cứu xem xét đầy đủ các yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến QĐA sét đối với hệ
thống điện gió trong luận án là các gợi ý kỹ thuật quan trọng nhằm hạn chế QĐA sét
góp phần nâng cao độ tin cậy, an toàn và giảm thiểu thiệt hại về kinh kế trong quá
trình vận hành hệ thống điện gió của Việt Nam. 4

6. Những đóng góp của luận án
- Tổng hợp, đánh giá các nghiên cứu liên quan quá điện áp sét và bảo vệ chống quá
điện áp sét cho tua bin gió có kết nối với lưới điện
- Áp dụng mô hình điện hình học trong tính toán số lần sét đánh vào tua bin gió trong
điều kiện Việt Nam. Xây dựng các đường đặc tính xác định số lần sét đánh đối với các
tua bin gió điển hình lắp đặt trong điều kiện Việt Nam. Kết quả tính toán có thể được
sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các dự án điện gió tương lai tại Việt Nam.
- Nghiên cứu quá điện áp cảm ứng do sét đến các thiết bị điện và điều khiển lắp đặt
trong tua bin gió điển hình sử dụng trong điều kiện Việt Nam. Ảnh hưởng của thông
số dòng sét, khoảng cách giữa các phần tử, điện trở tiếp địa, thiết bị bảo vệ và hiệu
ứng tích hợp của các thông số này đến trị số quá điện áp cảm ứng được phân tích và
tính toán nhằm đề xuất một cấu hình tốt nhất để giảm thiểu ảnh hưởng của quá điện áp
cảm ứng đến các thiết bị điện và điều khiển của tua bin gió.
- Nghiên cứu quá điện áp sét lan truyền trong trang trại điện gió kết nối với lưới điện.
Tính toán và phân tích những thông số quan trọng ảnh hưởng đến quá điện áp sét lan
truyền trong trang trại điện gió như dòng điện sét, vị trí sét đánh, cấu hình trang trại
điện gió, phương thức nối đất, các phần tử bảo vệ chống sét. Đề xuất các phương thức
kết nối tua bin gió, phương thức nối đất, cách thức sử dụng các thiết bị bảo vệ chống
sét nhằm hạn chế quá điện áp sét lan truyền trong trang trại điện gió có kết nối lưới.
7. Cấu trúc của luận án
Luận án sẽ được trình bày theo cấu trúc sau:
- Phần mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài, mục đích đối tượng và phạm vi
nghiên cứu của luận án.
- Phần nội dung bao gồm 4 chương:
Chương . Tổng quan
Trình bày những vấn đề chung nhất về công nghệ điện gió, tình hình phát triển
điện gió trên thế giới cũng như Việt Nam và tổng hợp, đánh giá các nghiên cứu đã
công bố liên quan đến vấn đề quá điện áp và bảo vệ chống sét cho các WT và WF để
từ đó lựa chọn hướng nghiên cứu phát triển luận án.
Chương 2. Xác định số lần sét đánh trực tiếp vào tua bin gió
Trên cơ sở các nghiên cứu đã công bố liên quan và lý thuyết phương pháp mô
hình điện hình học (Electro-Geometrical Method - EGM), tác giả đề xuất phương pháp xác định số lần sét đánh trực tiếp trung bình hàng năm cho các WT trong điều
kiện Việt Nam xét đến đặc thù đầu thu sét gắn trên cánh và địa hình lắp đặt WT.
Chương 3. Phân tích quá điện áp cảm ứng do sét trong hệ thống điện và điều khiển
của tua bin gió
Trình bày nguyên nhân phát sinh QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT;
lựa chọn mô hình và phương pháp xác định thông số mô hình các phần tử liên quan
cho nghiên cứu QĐA sét cảm ứng trong HTĐ&ĐK của WT. Mô hình và phương pháp
xác định thông số mô hình các phần tử được ứng dụng tính toán cho loại WT điển
hình Việt Nam. Bằng việc sử dụng phần mềm phân tích quá độ điện từ ATP/EMTP
(Alternative Transients Program/Electromagnetic Transients Program), tác giả tiến
hành mô phỏng, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến QĐA sét cảm ứng trong
HTĐ&ĐK của WT điển hình Việt Nam như thông số dòng điện sét, điện trở nối đất,
khoảng cách lắp đặt đường cáp điện và cáp điều khiển so với cột trụ. Trên cơ sở đó,
tác giả đưa ra các khuyến cáo các biện pháp phối hợp bảo vệ chống sét thích hợp cho
các phần tử trong HTĐ&ĐK của WT.
Chương 4. Phân tích quá điện áp sét lan truyền trong lưới điện trang trại gió
Trình bày các nguyên nhân phát sinh QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF; lựa
chọn mô hình và phương pháp xác định các thông số mô hình của các phần tử liên
quan cho nghiên cứu phân tích QĐA sét lan truyền trong lưới điện WF. Mô hình và
phương pháp xác định thông số mô hình các phần tử được ứng dụng tính toán cho WF
điển hình Việt Nam. Tiếp đó, tác giả xem xét các yếu tố khác nhau đến QĐA sét lan
truyền trong lưới điện WF như thông số dòng điện sét, hệ thống nối đất, vị trí sét đánh
vào các WT khác nhau trong WF, vị trí sét đánh đường dây trên không trung áp nối
WF với lưới điện hệ thống (hoặc cấp điện cho phụ tải địa phương) và cấu hình kết nối
các WT khác nhau bằng phần mềm ATP/EMTP. Trên cơ sở đó, tác giả khuyến cáo
các biện pháp phối hợp bảo vệ để hạn chế sự nguy hiểm của QĐA sét trong lưới điện
WF.
Cuối cùng là phần kết luận và kiến nghị của luận án.