Bản tin Hội Điện lực miền Nam: Số 24/2019

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:36

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bản tin Hội Điện lực miền Nam: Số 24/2019 trình bày các nội dung chính sau: Kĩ thuật nhà máy điện mặt trời công nghệ quang điện, cấu trúc hình học và đặc tính vật liệu máy biến áp lực, hệ thống điện mặt trời áp mái - hướng dẫn lắp đặt,... Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bản tin Hội Điện lực miền Nam: Số 24/2019

HỘI NGHỊ BCH SEEA LẦN THỨ 5 - NHIỆM KỲ II (2015-2020) ThS. LÊ XUÂN THÁI Hội Điện lực miền Nam Ngày 25/02/2019, Hội nghị Ban chấp hành Hội Điện lực miền Nam (SEEA) đã diễn ra trang trọng tại Hội trường Tổng công ty Điện lực miền Nam. Ông Nguyễn Phước Đức - Chủ tịch SEEA chủ trì Hội nghị, tham dự còn có đại diện Lãnh đạo EVN SPC và trên 70 ủy viên Ban chấp hành SEEA. sử dụng điện an toàn - tiết kiệm - hiệu quả tại địa phương, đại biểu Đỗ Quốc Bửu, đại diện cho Chi hội Điện lực An Giang cho biết, trong năm qua, Chi hội Điện lực An Giang đã phối hợp cùng chuyên môn và công đoàn tuyên truyền giáo dục CNVCLĐ, Các đại biểu dự Hội nghị Ban chấp hành Hội Điện lực miền Nam lần thứ 5 - Nhiệm kỳ II (2015-2020) H vận động các hội ội nghị đã thảo luận về các nội dung: Báo cáo viên tham gia đầy tổng kết hoạt động năm 2018 và triển khai đủ các hoạt động, phong trào thi đua nâng cao hiệu quả nhiệm vụ năm 2019; Hoạt động của các Chi hội sản xuất kinh doanh, hoàn thành tốt mục tiêu, nhiệm vụ Điện lực tại địa phương… được giao; đồng thời tích cực đẩy mạnh các hoạt động tiết kiệm điện nhằm đảm bảo cung cấp đủ điện cho phát triển Sau phần báo cáo Tổng kết hoạt động năm 2018 - Kế kinh tế - xã hội và đời sống của nhân dân trong bối cảnh hoạch hoạt động năm 2019 của SEEA do Phó Chủ tịch nguồn điện cung cấp cho khu vực phía Nam còn nhiều kiêm Tổng thư ký Nguyễn Tấn Nghiệp trình bày, đại biểu khó khăn, vào chậm tiến độ. Đặng Xuân Trường, đại diện cho Chi hội Điện lực Bình Phước đã tham gia báo cáo trước Hội nghị về những kết Tham gia phát biểu với chủ đề “Hoạt động phối hợp với hoạt động năm 2018 và kế hoạch hoạt động năm 2019 của Liên hiệp các hội Khoa học và kỹ thuật tại địa phương”, ông Chi hội. Ông Trường chia sẻ, kết quả lớn nhất trong hoạt Trần Hoàng Trung, đại biểu Chi hội Điện lực Vĩnh Long cho động năm 2018 của Chi hội Điện lực Bình Phước ở lĩnh vực biết, thời gian qua, được sự quan tâm của lãnh đạo Công khoa học công nghệ. Cụ thể, đơn vị đã có 2 sáng kiến được EVN SPC công nhận, đồng thời đang tiếp tục đăng ký thêm 4 sáng kiến để EVN SPC xét duyệt, tại địa phương, đơn vị đã tham gia 4 đề tài nghiên cứu khoa học - sáng kiến được Liên hiệp các hội Khoa học và Kỹ thuật địa phương công nhận. Cũng theo ông Trường: “Hoạt động khoa học và công nghệ cũng sẽ được Chi hội Điện lực Bình Phước quan tâm và đẩy mạnh hơn nữa trong năm 2019, với việc tiếp tục đăng ký thêm 6 sáng kiến cấp EVN SPC và phấn đấu có 5 đề tài nghiên cứu khoa học - sáng kiến đăng ký tại Liên hiệp các hội Khoa học và Kỹ thuật địa phương, Hội thi sáng tạo khoa học kỹ thuật cấp tỉnh công nhận”. Chủ tịch SEEA Nguyễn Phước Đức Phát biểu về chủ đề tham gia hoạt động tuyên truyền phát biểu khai mạc Hội nghị BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 1
cố gắng thực hiện tốt nhiệm vụ, đặc biệt là hoạt động khoa học công nghệ với nhiều đề tài nghiên cứu, sáng kiến đã góp một phần quan trọng trong việc đảm bảo cung cấp điện và nâng cao chất lượng dịch vụ khách hàng ở các tỉnh, thành phố phía Nam; hoạt động hỗ trợ nghề nghiệp cũng có nhiều kết quả tích cực, đặc biệt là việc hỗ trợ đăng bạ thành công hàng chục kỹ sư Asean… Thành công này là sự nỗ lực chung của Ban chấp hành và toàn thể hội viên SEEA. Trong năm 2018, Ban Thường vụ SEEA đã có buổi làm việc với Tổng Giám đốc Tổng công ty Điện lực miền Nam (EVN SPC) và ký Bản ghi Đại biểu Đặng Xuân Trường, đại diện Chi hội Điện lực Bình Phước tham luận tại Hội nghị nhớ về Chương trình Phối hợp hoạt động giữa EVN SPC và SEEA năm 2019 - 2020. ty Điện lực Vĩnh Long, Chi hội đã phối hợp với Liên hiệp Ban chấp hành Hội Điện lực miền Nam hiện có 84 các hội Khoa học và kỹ thuật tỉnh Vĩnh Long tổ chức các thành viên. Trong đó có 2 người là PGS-TS (2,38%); 3 hoạt động trong lĩnh vực nghề nghiệp, công tác nghiêm cứu người có trình độ Tiến sĩ (3,57%); 1 người là giảng viên khoa học, sáng kiến cải tiến kỹ thuật như: Bám sát các hoạt cao cấp (1,19%), 46 người có trình độ Thạc sĩ (54,76%); 31 động và phong trào của địa phương; chia sẻ kinh nghiệm người có trình độ đại học (36,9%); và 1 người có trình độ về sáng kiến cải tiến sản xuất tại đơn vị, đóng góp ý kiến, Cao đẳng (1,19%). tham gia hội thảo, các đề tài nghiên cứu khoa học tại các hội Về kế hoạch hoạt động của năm 2019, Chủ tịch SEEA thảo do địa phương tổ chức; góp ý kiến xây dựng quy định cho biết sẽ tập trung cho các hoạt động của Trung tâm Tư của địa phương về việc xem xét, công nhận sáng kiến, giải vấn và Phát triển điện lực miền Nam trong các lĩnh vực pháp công tác, đề tài nghiên cứu của tỉnh Vĩnh Long. Đặc biệt trong năm 2018, đơn vị đã có những đề tài sáng kiến được địa phương đành giá cao và khen thưởng giải tiêu biểu như: “Bọ kéo dây vượt sông”, đạt giải Nhì trong Hội thi sáng tạo kỹ thuật tỉnh va được chọn đề nghị Tổng Liên đoàn Lao động Việt Nam tặng Bằng lao động sáng tạo; “Sử dụng đầu sào Autoclamp lắp vào tiếp địa mỏ vịt”, “Bộ tiếp địa Aotomat trạm biến áp cải tiến”, được xét chọn giải Nhì và giải Ba tại Hội thi sáng tạo Trần Đại Nghĩa - tỉnh Vĩnh Long. Tâm đắc với những kết quả trong công tác tiết kiệm điện và tuyên truyền an toàn điện trong sử dụng điện, nhất là lĩnh vực nuôi tôm, ông Nguyễn Văn Nhiệm - đại biểu của Chi hội Điện lực Sóc Trăng cho rằng: “Hội Điện lực miền Nam cần tham gia nhiều giải pháp tuyên truyền hiệu quả hơn không chỉ ở khách hàng sử dụng điện, mà còn đối với các cấp quản lý ở địa phương và dư luận để nhìn nhận rõ trách nhiệm và Ông Nguyễn Văn Nhiệm - đại biểu của Chi hội Điện lực hành động quyết liệt hơn nhằm giảm thiểu tai nạn điện ở Sóc Trăng đề xuất nhiều ý tưởng khu vực nằm sau công cơ điện …” Đồng thời ông Nhiệm về tư vấn, phản biện liên quan đến lĩnh vực điện lực và sử cũng đề nghị Hội đẩy mạnh hoạt động truyền thông về lĩnh dụng điện, năng lượng tái tạo… Đồng thời chú trọng công vực năng lượng tái tạo vì nếu có cơ chế hợp lý sẽ thúc đẩy tác tài chính của Hội và đẩy mạnh hoạt động truyền thông, người dân khu vực phía Nam tham gia đầu tư hệ thống năng đặc biệt là tập hợp, xây dựng cơ sở dữ liệu về những thành lượng mặt trời áp mái sử dụng cho gia đình, cho sản xuất… tựu nghiên cứu của Hội trong thời gian qua nhằm phổ biến, Kết luận hội nghị, Chủ tịch SEEA Nguyễn Phước Đức trao đổi để nhân rộng trong toàn Hội cũng như góp phần nhận định: Năm qua, Hội Điện lực miền Nam đã nỗ lực lan tỏa tri thức ra cộng đồng. Ban chấp hành Hội Điện lực miền Nam hiện có 84 thành viên. Trong đó có 2 người là PGS-TS (2,38%); 3 người có trình độ Tiến sĩ (3,57%); 1 người là giảng viên cao cấp (1,19%), 46 người có trình độ Thạc sĩ (54,76%); 31 người có trình độ đại học (36,9%); và 1 người có trình độ Cao đẳng (1,19%). 2 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019
KĨ THUẬT NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI CÔNG NGHỆ QUANG - ĐIỆN PGS.TS. NGUYỄN HỮU PHÚC Trường ĐH Bách Khoa – ĐH Quốc Gia TP. HCM TÓM TẮT hành phù hợp của nhà máy với hệ thống điện. Năng lượng mặt trời hiện nay là một trong Các thành phần cơ bản trong NMĐMT: các tấm các dạng năng lượng tái tạo được sử dụng tại các PV, biến tần và máy biến áp. nước với các nhà máy điện mặt trời sử dụng công 2.1. Tấm pin mặt trời nghệ quang điện. Cùng với xu thế trên, các nhà Các tế bào năng lượng mặt trời được đấu máy điện mặt trời được đưa vào vận hành sẽ là nối tiếp và đóng gói trong tấm PV, và hiệu suất một thành phần trong các nguồn phát điện trong của các tấm PV tùy thuộc vào vật liệu chế tạo nước trong thời gian tới. Các thành phần chủ chúng. Các tế bào năng lượng mặt trời trên nền yếu như các tấm pin mặt trời, biến tần, biến áp vật liệu silic gồm có: loại đơn tinh thể (c-Si) và trong một nhà máy điện mặt trời công suất lớn loại silic đa tinh thể (m-Si), hiện nay có hiệu được trình bày và phân tích trong bài báo cùng suất biến đổi quang- điện gần 20%. Các tế bào với các sơ đồ đấu nối bên trong, cũng như sơ đồ năng lượng mặt trời công nghệ màng mỏng sử các thanh góp đấu nối một nhà máy điện mặt dụng vật liệu silic vô định hình (a-Si) có hiệu trời với hệ thống điện. Qua các số liệu, bài báo suất khoảng 6.9% đến 9%. Các tế bào năng cung cấp thông tin toàn cảnh về các xu hướng về lượng mặt trời màng mỏng sử dụng các vật liệu mặt kĩ thuật hiện đang áp dụng tại các nhà máy khác như đồng Indium Diselenide (CuInSe2- điện mặt trời công suất lớn đang vận hành trên CIS), và Cadmiun Telluride (CdTe) có hiệu suất thế giới. lần lượt khoảng 15% và 12%. 1. GIỚI THIỆU Công nghệ c-Si và m-Si đã và đang chiếm Bài báo xem xét các sơ đồ đấu nối của nhà máy thị phần lớn trong những năm qua do hiệu suất điện mặt trời NMĐMT (PVPP= PhotoVoltaic tương đối cao, tính hiệu quả trong diện tích đất Power Plants) với định nghĩa sau, theo Ủy Ban được sử dụng, tính ổn định của kĩ thuật vật liệu Năng Lượng Quốc tế (International Energy này theo thời gian, độ tin cậy cao và nguồn vật Agency): nhà máy quy mô nhỏ NMĐMT-CSN liệu dồi dào. Hạn chế chính của công nghệ này là (SS-PVPP= Small- Scale PVPP) với công suất giá thành cao trong sản xuất và lượng lớn vật liệu nằm trong khoảng 250 kW đến 1 MW; nhà được sử dụng. Ngược lại, công nghệ màng mỏng máy qui mô công suất lớn NMĐMT-CSL (LS- cũng có một số ưu điểm như giá thành thấp hơn, PVPP= Large-Scale PVPP) với công suất nằm hiệu suất chuyển đổi năng lượng khá hơn trong trong khoảng 1 MW đến 100 MW; nhà máy điều kiện bức xạ mặt trời thấp và có hệ số nhiệt qui mô công suất rất lớn MĐMT-CSRL (VSL- độ thấp. Nhược điểm chính của công nghệ này PVPP= Very-Large-Scale PVPP) với công suất trong NMĐMT là diện tích đất sử dụng nhiều từ 100 MW đến nhiều GW. Trong bài viết sau sẽ hơn, hiệu suất và hiệu quả của nhà máy do đó giới thiệu về các đặc điểm chính của các thành thấp hơn, tính ổn định theo thời gian kém hơn, phần trong NMĐMT, về các kĩ thuật tấm pin và sự khan hiếm của vật liệu chế tạo. mặt trời (tấm PV= photovoltaic panels), biến Hiệu suất chuyển đổi năng lượng các tấm tần, cấp điện áp và máy biến áp thường sử dụng, PV ảnh hưởng lớn đến diện tích đất sử dụng cũng như về các sơ đồ đấu nối của các nhà máy của một dự án NMĐMT-CSL. Với cùng công điện mặt trời ở các qui mô công suất khác nhau suất đặt, NMĐMT-CSL với công nghệ tấm [1], [2], [3]. PV có hiệu suất thấp hơn sẽ có diện tích đất 2. CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA sử dụng của dự án cao hơn, điều này dẫn đến NMĐMT chi phí lắp đặt, vận chuyển, bảo dưỡng cũng sẽ Các thành phần điện chính trong nhà máy cao hơn. Hình 1. minh họa mối quan hệ giữa NMĐMT có ba nhiệm vụ: i) chuyển đổi năng hiệu suất của các loại pin mặt trời khác nhau lượng mặt trời thành năng lượng điện, ii) đấu theo các công nghệ vật liệu chế tạo khác nhau nối NMĐMT với lưới điện, iii) đảm bảo sự vận (m-Si, CIS, CdTe, a-Si), cũng như diện tích đất BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 3
sử dụng, với cùng một công suất đặt 100 MW điện (2πfgrid), uC biên độ của dợn sóng điện áp. của NMĐMT-CSL. Hình 1 cho thấy công nghệ Ví dụ, với UMPP= 35 V, uC = 3.0 V, PMPP= 160 W, silic đa tinh thể (m-Si) có hiệu suất cao hơn CPV= 2.4 mF song song với tấm PV. Giá trị CDC, (12-18%) so với hiệu suất của công nghệ màng khi nối song song với tầng biến đổi dc-ac, sẽ là mỏng (7-9%), do đó diện tích đất sử dụng của 33 μF ở 380 V, với biên độ của dợn sóng điện áp NMĐMT-CSL với công nghệ m-Silic nhỏ hơn 20 Vcho cùng công suất các tấm PV. gần hai lần, so với công nghệ silic vô định hình. Hình 3. Vị trí khác nhau của tụ cách li. a) tụ song song với các tấm PV, với biến tần loại một tầng. b) tụ song song với các tấm PV, hay song song với bộ biến đổi dc-ac, trong biến tần loại hai tầng. 2.2.3 Biến áp: Biến tần có thể dùng biến áp tần số cao trong mạch biến đổi dc-dc hay trong mạch biến đổi dc-ac, hoặc dùng biến áp tần Hình 1. Hiệu suất (%) và Diện tích đất sử dụng (km2) của số công nghiệp đấu nối với lưới điện, hay loại NMĐMT-CSL công suất 100 MW, khi sử dụng các tấm PV không dùng biến áp (Hình 4). Nhược điểm của với công nghệ vật liệu khác nhau biến áp tần số công nghiệp đấu nối với lưới điện là kích thước lớn, nặng nề, chi phí cao so với 2.2. Biến tần PV biến áp tần số cao. Hình 5 là biến tần loại không Biến tần PV là các thiết bị điện tử công suất dùng biến áp. chuyển đổi từ dòng điện một chiều từ các tấm PV thành dòng điện xoay chiều để đấu nối với lưới điện xoay chiều. Biến tần PV có thể phân Hình 4. Biến áp trong các bộ biến tần PV. a) biến áp tần loại theo: số tầng biến đổi công suất, vị trí tụ điện số công nghiệp (LFT= low-frequency transformer) đấu cách li công suất (power decoupling capacitors), nối điện áp ac của biến tần với điện áp lưới. b) biến áp có hay không có biến áp. tần số cao (HFT= high- frequency transformer) tích hợp với bộ biến đổi ac-ac nối lưới ac. c) biến áp tần số cao 2.2.1 Theo số tầng: biến tần thuộc loại 1 (HFT) tích hợp với bộ biến đổi ac-dc nối lưới dc. tầng, hay 2 tầng chuyển đổi như trong các Hình 2.a), 2.b), 2.c). Hình 5. Biến tần PV điện áp cao không dùng biến áp với Hình 2. Phân loại biến tần PV theo số tầng: a) loại một tầng, bộ lọc kiểu nối chung (CM= common-mode) và kiểu vi sai bao gồm các chức năng MPPT (maximum power point track- (DM= differential mode). ing= kĩ thuật dò tìm điểm công suất cực đại), tăng áp, điều khiển dòng ra lưới. b) loại hai tầng, với bộ biến đổi dc-dc tích hợp MPPT và bộ biến đổi dc-ac điều khiển dòng ra lưới. Bộ Trong thực tế, các NMĐMT-CSL thường tăng áp được tích hợp trong cả hai tầng biến đổi công suất. c) dùng sơ đồ với máy biến áp như trên Hình 6, loại hai tầng, với chuỗi các tấm PV đấu nối với bộ biến đổi dc- trong đó các máy biến áp tần số công nghiệp dc riêng lẻ, trước khi đấu nối chung vào bộ biến đổi dc-ac. T1,…Tn đóng vai trò tăng áp từ điện áp thấp (LV, thông thường 0.4 kV) lên trung áp (MV, từ 2.2.2 Theo vị trí tụ điện cách li công suất: 13.8 kV đến 46 kV) và vai trò cách li giữa các Hình 3.a), 3.b) cho thấy tụ điện hóa cách li công biến tần trên từng chuỗi (string) của hệ thống suất loại điện môi film mỏng được nối song các tấm PV với các thanh cái riêng rẻ MV. Qua song với các tấm PV (CPV) hay trong mạch dc trung gian của sơ đồ đấu nối nội bộ (internal nối với tầng dc-ac (CDC). Giá trị tụ C cho bởi PV plant grid configuration), điện áp tại thanh C= , trong đó PPV là công suất định cái MV chung được tăng áp tiếp qua máy biến mức của các tấm PV, UC là giá trị trung bình áp T-HV và sau đó, được đấu nối vào lưới điện của điện áp trên tụ C, ωgrid là tần số góc của lưới truyền tải điện áp HV 110 kV. 4 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019
Thường dùng máy biến áp T với 3 cuộn dây mảng có thể gồm hàng trăm chuỗi nối song với các biến tần PV công suất lớn hơn 500 kW, song, và mỗi chuỗi lại gồm hàng trăm tấm PV trong đó hai cuộn dây điện áp thấp (LV) đấu nối nối tiếp. Trong sơ đồ đấu nối chuỗi (Hình 7.b) với hai biến tần, và cuộn dây thứ ba với thanh một chuỗi các tấm PV nối tiếp sẽ được nối với cái trung áp (MV). Với các biến tần PV công một biến tần. Trong sơ đồ nhiều chuỗi (Hình suất nhỏ hơn 500 kW thường dùng máy biến áp 7.c) một chuỗi các tấm PV nối với bộ biến đổi hai cuộn dây. Biến áp T-HV thường là loại hai dc-dc, sau đó 4 hoặc 5 bộ biến đổi dc-dc sẽ được cuộn dây (MV-HV) với nhóm vectơ Yy. đấu nối với một biến tần. Sơ đồ module ac tích hợp (ac module integrated) (Hình 7.d) sử dụng mỗi biến tần công suất nhỏ cho mỗi tấm PV. Hình 6. Máy biến áp T(LV-MV) và T-HV(MV-HV) trong nhà máy NMĐMT-CSL 3. SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI NỘI BỘ Sơ đồ đấu nối các bộ biến tần PV với các tấm PV được cho trên Hình 7, và với các máy Hình 8. Các kiểu sơ đồ đấu nối máy biến áp với thanh cái biến áp trong Hình 8, thường được bố trí theo trung áp. a) Biến tần tập trung với máy biến áp ba cuộn 3 kiểu chính: i) sơ đồ tập trung (central), ii) dây, b) Biến tần nhiều chuỗi với máy biến áp hai cuộn dây sơ đồ chuỗi (string), và iii) sơ đồ nhiều chuỗi (multistring). Các yếu tố công suất, địa điểm lắp đặt, chi phí, hiệu năng của nhà máy PVPP sẽ Bảng 1 là đặc tính của các biến tần được sử quyết định sơ đồ đấu nối được chọn. dụng trong các sơ đồ trên, với tên gọi tương 3.1. Các kiểu sơ đồ đấu nối nội bộ: ứng: biến tần tập trung, biến tần chuỗi, biến tần nhiều chuỗi và biến tần module tích hợp. Bảng 1. Thông số của các loại biến tần PV Điện Loại Điện áp áp vào Tần số biến P(kW) ra MPPT (Hz) tần (V) (V) Tập 100- 400-1000 270-400 50, 60 trung 500 Chuỗi 0.4-5 200-500 110-230 50, 60 Nhiều 2-30 200-800 270-400 50, 60 chuỗi Hình 7. Các loại biến tần PV (a) Tập trung, (b) Chuỗi, (c) Module 0.06- 20-100 110-230 50, 60 Nhiều chuỗi, (d) Module ac tích hợp tích hợp 0.4 Hình 7 và Hình 8 lần lượt cho thấy sơ đồ Bảng 2 đánh giá các loại biến tần theo 4 yếu đấu nối giữa các tấm PV với bộ biến tần, và bộ tố: các đặc tính chung, tổn thất công suất, chất biến tần (LV) với thanh cái (MV) qua máy biến lượng điện, chi phí. áp. Trong sơ đồ đấu nối tập trung (Hình 7.a) Xét về mục đánh giá về các đặc tính chung một hệ thống với vài ngàn tấm PV bố trí trong loại biến tần tập trung có độ tin cậy thấp, kém nhiều mảng (arrays) và nhiều chuỗi (strings) tính linh động, hiệu suất MPPT thấp, trong khi được đấu nối tập trung vào một biến tần. Mỗi tính ổn định cao hơn so với các loại khác. BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 5
Mục tổn thất công suất đánh giá hiệu quả làm việc của biến tần theo các yếu tố: sự không tương thích về đặc tính của các tấm PV (do các hiện tượng già hóa tấm PV theo thời gian, hiện tượng bóng che, bụi bám, mức độ thông gió, hiệu suất MPPPT), quá trình chuyển mạch, tổn thất ac, tổn thất dc. Theo tiêu chí này, biến tần tập trung có tính tương thích kém do nhiều chuỗi PV được nối vào chỉ một biến tần, tổn thất chuyển mạch cao, tổn thất mạch dc cao do nhiều chuỗi nối song song, trong khi tổn thất mạch ac lại thấp, vì vị trí đặt máy biến áp rất gần với các biến tần. Xét về mục chất lượng điện cung cấp, biến tần tập trung có mức biến thiên điện áp dc rất cao (H- H) do có nhiều chuỗi nối song song, trong khi mức biến thiên điện áp ac thấp, độ cân bằng điện áp cao do sơ đồ chỉ sử dụng một biến tần. Điện áp dễ mất cân bằng, đặc biệt khi có nhiều biến tần nối song song, như trong trường hợp của sơ đồ module tích hợp. Do ảnh hưởng các yếu tố tổn thất do khoảng cách, sụt điện áp, điện áp 3 pha tại vị trí đấu nối với máy biến áp Tn có thể mất cân bằng. Vì thế, khi có nhiều biến tần nối song song, cần thiết có bộ điều khiển trung tâm cho nhóm các biến tần song song nhằm giảm thiểu mức biến thiên điện áp ac, và do đó cải thiện mức cân bằng điện áp 3 pha. Bảng 2. Các yếu tố đánh giá của các loại biến tần PV Ghi chú: H: cao, L: thấp, H-H: rất cao, L-L: rất thấp Tập trung Chuỗi Nhiều chuỗi Module tích hợp Độ tin cậy L H M H-H Tính ổn định H L M L-L Đặc điểm chung Tính linh động L H M H-H Hiệu suất MPPT L H M H-H Tính không tương H L L L-L thích Tổn thất công Chuyển mạch H L M L-L suất Tổn thất ac L M M H Tổn thất dc H L M L-L Biến thiên L H M H-H điện áp ac Biến thiên Chất lượng điện H-H M H L-L điện áp dc Mức cân bằng điện H M L L áp Lắp đặt M H M H-H Cáp dc H L M L-L Chi phí Cáp ac H M M H Bảo trì L M M H-H So sánh theo mục chi phí với các loại biến tần khác nhau, các yếu tố chi phí lắp đặt, chiều dài cáp dc và ac, chi phí bảo trì, chi phí sử dụng đất, được cho trong Bảng 2. Hình 9 minh họa ưu nhược điểm các sơ đồ biến tần khác nhau trong nhà máy NMĐMT- CSL, xét theo 4 mục kể trên. Tóm lại, sơ đồ đấu nối tập trung có những ưu điểm nổi bật sau: độ ổn định cao, tổn thất điện năng ac thấp, biến thiên điện áp ac thấp và chi phí lắp đặt và bảo trì hợp lý khi so sánh với các sơ đồ khác. Sơ đồ chuỗi và nhiều chuỗi có nhiều ưu điểm trong mục các đặc điểm chung, nhưng nhược điểm chính là ở chi phí lắp đặt và bảo trì cao hơn, khi số lượng biến tần tăng lên. Sơ đồ chuỗi có các ưu điểm tương tự như sơ đồ nhiều chuỗi và được quan tâm sử dụng, đặc biệt khi các chuỗi tấm PV lại có các góc Hình 9. So sánh ưu- nhược điểm các sơ đồ biến tần nghiêng lắp đặt khác nhau. khác nhau của nhà máy NMĐMT-CSL 6 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019
Cho đến nay, trong thực tế của các nhà máy NMĐMT-CSL, sơ đồ module tích hợp chưa được áp dụng rộng rải, tuy có những ưu điểm về tính linh hoạt, hiệu suất MPPT, và độ tin cậy. Tuy vậy, tổn thất điện năng, chất lượng điện và tổng chi phí là các nhược điểm mà nhà đầu tư cần cân nhắc, khi có ý định áp dụng sơ đồ này. 3.2. Phân tích số liệu cho các nhà máy NMĐMT-CSL đang vận hành Bảng 3 là các số liệu của 24 nhà máy NMĐMT-CSL đang trong thực tế vận hành tại các nước, với phạm vi công suất từ 6 MWp đến 290 MWp, về các phương diện diện tích đất sử dụng (km2), số tấm PV, công nghệ vật liệu PV, số lượng biến tần PV sử dụng (thiêt bị của các công ti SMA, ABB, SunPower, Danfoss), loại biến tần. Với 17/22 nhà máy sử dụng sơ đồ tập trung cho thấy sơ đồ tập trung thường được sử dụng phổ biến, do tính khả thi cao và số biến tần sử dụng ít hơn. Bảng 3 cũng cho thấy sơ đồ đấu nối nhiều chuỗi ít dùng, trong khi diện tích đất sử dụng tương đương. Bảng trên cho thấy công nghệ vật liệu các tấm PV trong các nhà máy PVPP chủ yếu là m-Si và màng mỏng, với diện tích đất sử dụng các nhà máy NMĐMT-CSL với công nghệ màng mỏng lớn gấp hai lần, so với các nhà máy NMĐMT-CSL sử dụng công nghệ m-Si. Ngoài ra, số lượng biến tần sử dụng phụ thuộc vào sơ đồ đấu nối, trong đó với sơ đồ nhiều chuỗi sử dụng số lượng khá lớn biến tần. Bảng 3. Số liệu các NMĐMT-CSL đang vận hành Số Công suất Diện tích Số tấm Loại biến Stt NMĐMT Vật liệu lượng (MWp) (km2) PV (*103) tần biến tần 1 Korat I 6.0 0.13 29 m-Si 540 M 2 Narbonne 7.0 0.23 95 Thin film 19 C 3 Rapale 7.7 0.49 100 Thin film 900 M 4 Airport, Athens 8.1 0.16 29 m-Si 12 C 5 Saint Amadou 8.5 0.24 113 Thin film 16 C Volkswagen 6 9.5 0.13 33 m-Si 10 C Chattanoga m-Si, Thin 7 Masdar 10 0.22 87 16 C film 8 Adelanto 10.4 0.16 46 m-Si 13 C 9 Taean 14 0.30 70 m-Si 28 C 10 Jacksonville 15 0.40 200 Thin film 20 C 11 San Antonio 16.0 0.45 214 Thin film 22 C 12 Cotton Center 18.0 0.58 93 m-Si 36 C 13 Almaraz 22.1 1.2 126 m-Si 6697 M 14 Veprek 35.1 0.83 185 c-Si 3069 M 15 Long Island 37.0 0.80 164 m-Si 50 C 16 Reckahn 37.8 0.98 487 Thin film 43 C 17 Ban Pa-In 44.0 0.80 160 m-Si 61 C 18 Lieberose 71.0 2.2 900 Thin Film 38 C 19 Kalkbult 75.0 1.05 312 m-Si 84 C 20 Eggebek 80.0 1.29 76 m-Si 3200 M 21 Montalto di Castro 85.0 2.83 280 c-Si 124 C 22 Templin 128 2.14 1500 Thin Film 114 C California Valley 23 250 6.01 749 c-Si 500 C Ranch 24 Agua Caliente 290 9.71 5200 Thin Film 400 C Lấy ví dụ trường hợp 3 nhà máy Veprek, Long Island và Reckahn có công suất đặt MWp tương đương, lần lượt là 35.1, 37.0 và 37.8 MWp (Bảng 4). BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 7
Bảng 4. So sánh số liệu 3 NMĐMT-CSL Diện tích Stt Tên nhà máy Công suất đỉnh Số tấm PV Vật liệu Số biến tần Loại biến tần (km2) 14 Veprek 35.1 0.83 185 000 c-Si 3069 M 15 Long Island 37.0 0.80 164 000 m-Si 50 C 16 Reckahn 37.8 0.98 487 000 Thin film 43 C Hai nhà máy Veprek và Long Island có diện tích đất sử dụng gần như nhau, tuy có sơ đồ đấu nối khác nhau, lần lượt là sơ đồ nhiều chuỗi và tập trung, và các tấm PV sử dụng công nghệ vật liệu khác nhau, c- Si và m-Si. Số lượng biến tần PV sử dụng trong nhà máy Veprek là 3069, trong khi của nhà máy Long Island chỉ là 50. So sánh với nhà máy Reckahn sử dụng các tấm PV công nghệ màng mỏng theo sơ đồ tập trung với công suất MWp tương đương với 2 nhà máy trên, có thể thấy nhà máy này có diện tích đất 20% nhiều hơn so với nhà máy Long Island, và số lượng tấm PV gấp 3 lần nhiều hơn, nhưng số lượng biến tần không khác nhau nhiều. Hình 10. So sánh suất chi phí (Euros/kW), hiệu suất (%), mật độ công suất (kW/km2) cho 3 sơ đồ biến tần khác nhau (tập trung, nhiều chuỗi, đa tập trung- multicentral). Hình 11. So sánh diện tích đất sử dụng (km2) và số tấm PV sử dụng theo sơ đồ đấu nối NMĐMT-CSL (tập trung, nhiều chuỗi) 8 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019
Hình 10 và Hình 11 lần lượt so sánh suất chi phí (Euros/kW), hiệu suất (%), mật độ công suất (kW/km2) cho 3 sơ đồ biến tần khác nhau (tập trung, nhiều chuỗi, đa tập trung- multicentral), cũng như diện tích đất sử dụng (kW/km2) và số tấm PV sử dụng theo sơ đồ đấu nối NMĐMT-CSL (tập trung, nhiều chuỗi). Chi phí đầu tư sẽ quyết định việc lựa chon sơ đồ đấu nối, công nghệ vật liệu các tấm PV, hiệu suất mong muốn, diện tích đất sử dụng, vị trí và giá đất. 4. SƠ ĐỒ ĐẤU NỐI THANH GÓP (COLLECTION GRID TOPOLOGIES) Cho đến nay có rất ít thông tin về sơ đồ đấu nối thanh góp phía điện áp ac cũng như dc của các nhà máy NMĐMT-CSL đang vận hành. Trong phần sau sử dụng thuật ngữ máy phát PV (PV generator) (Hình 12.a)) cho tổ hợp bao gồm nhiều dãy (array) các tấm PV, nối đến biến tần và máy biến áp đấu nối vào thanh cái MV. 4.1. Sơ đồ hình tia (radial) Hình 12. a). Máy phát PV, b). Sơ đồ đấu nối thanh góp hình tia Hình 12.b) trình bày sơ đồ hình tia, với nhiều máy phát PV nối lần lượt đến một thanh góp chung MV của xuất tuyến. Phần lớn các NMĐMT-CSL dùng sơ đồ này do tính dơn giản và chi phí thấp, tuy vậy độ tin cậy cấp điện thấp. Trong trường hợp máy phát PV phía đầu xuất tuyến bị sự cố và cắt ra, cả chuỗi sau đó bị ảnh hưởng. Một ví dụ cho sơ đồ này được dùng bởi Công Ty Danfoss với các biến tần đấu nối theo sơ đồ nhiều chuỗi, cho một NMĐMT-CSL 15 MWp. Nhà máy có 2 xuất tuyến 7.5 MW/xuất tuyến, và mỗi xuất tuyến gồm 5 trạm biến áp 1.5 MVA. Phía hạ áp của máy biến áp được nối đến 88 biến tần nhiều chuỗi nối song song. Khi một biến tần bị sự cố, điều này không ảnh hưởng nhiếu đến việc sản xuất điện, nhưng khi một trạm biến áp bị sự cố và cắt ra, công suất của nhà máy chỉ còn 50%. 4.2 Sơ đồ mạch vòng (ring) Sơ đồ mạch vòng (Hình 13) có độ tin vậy cấp điện cao hơn, tuy có chi phí và độ phức tạp cao. Khi một máy phát PV trên mạch vòng bị sự cố cắt ra, các máy phát còn lại trên mạch vòng vẫn tiếp tục làm việc. Một ví dụ cho sơ đồ này được dùng bởi Công Ty Danfoss với các biến tần đấu nối theo sơ đồ nhiều chuỗi, cho một NMĐMT-CSL 10 MWp, với 15 trạm biến áp. Phía hạ áp của máy biến áp được nối đến 42 biến tần nhiều chuỗi nối song song. Khi một biến tần bị sự cố, chỉ một bộ phận nhỏ của mạch vòng bị ảnh hưởng (dưới 1%), và khi một trạm biến áp trong mạch bị sự cố và cắt ra, công suất của nhà máy sẽ giảm đi 6.3%. 4.3 Sơ đồ hình sao (star) Theo sơ đồ này, thanh cái của mỗi máy phát PV được nối đến thanh góp chung. Thông thường, thanh góp này được bố trí nằm khoảng giữa nhà máy NMĐMT-CSL để giảm chiều dài cáp nối, bảo đảm tổn thất đồng đều giữa chúng (Hình 14). BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 9
Giải pháp này có độ tin cậy cao hơn các sơ đồ trên. Tuy vậy, việc có một xuất tuyến cho mỗi máy phát PV làm tăng tổng chi phí. Một ví dụ cho NMĐMT-CSL 21 MWp của Công Ty Renewable Energy ở Nam Phi sử dụng sơ đồ này, với 8 trạm biến áp, phía hạ áp mỗi biến áp được nối tới 3 biến tần loại tập trung. Trong trường hợp này, nếu một trạm biến áp bị sự cố, việc sản xuất điện sẽ bị ảnh hưởng 14%. Khi dùng biến tần nhiều chuỗi, mức độ ảnh hưởng đến sản xuất điện sẽ giảm đi nhiều, chỉ vào khoảng 4%, khi có bất kì biến tần nào bị sự cố. Hình 13. Sơ đồ đấu nối thanh góp mạch vòng. a) loại 1 và b) loại 2 Bảng 4 tóm tắt các phần tử cơ bản, sơ đồ đấu nối, sơ đồ đấu nối nội bộ của các nhà máy NMĐMT-CSL. 5. KẾT LUẬN Trong bài báo này đã trình bày các đặc điểm chính của các thành phần cơ bản cho nhà máy NMĐMT-CSL. Ngoài ra, các sơ đồ đấu nối nội bộ và thanh góp cũng được đề cập với chi tiết. Các Bảng 1 đến Bảng 4 với các ví dụ vận hành thực tế của các nhà máy NMĐMT-CSL trên thế giới cho thấy các đánh giá về các yếu tố ảnh hưởng đến diện tích đất sử dụng, hiệu suất và độ tin cậy khi lựa chọn thiết kết một nhà máy NMĐMT-CSL. Từ các đánh giá này, có thể rút ra một số kết luận: • Công nghệ vật liệu dụng của các tấm PV quyết định diện tích đất sử dụng trong các dự án nhà máy điện mặt trời. Các tấm PV với công hơn và kích thước nhỏ đặc biệt thích hợp hơn cho NMĐMT-CSL, vì điều này sẽ giúp giảm chi phí lắp đặt và diện tích đất sử dụng. Hiện nay, các tấm PV công nghệ vật liệu silic có hiệu suất tốt hơn công nghệ màng mỏng và được sử dụng rộng rải. Tuy vậy, công nghệ tế bào năng lượng mặt trời màng mỏng đang được cải thiện và dự kiến có nhiều NMĐMT-CSL hơn sẽ sử dụng công nghệ này do giá thành thấp hơn, so với các tế bào mặt trời silic đơn hoặc đa tinh thể. • Biến tần PV loại một tầng với khả năng cách li về điện giữa biến tần và lưới điện là công nghệ ổn định, do đó hiện nay được sử dụng rộng rãi trong NMĐMT-CSL. Biến tần PV loại hai tầng có thể là giải pháp trong tương lai cho NMĐMT-CSL với khả năng giảm các biến thiên điện áp phía dc. • Hiệu quả vận hành của NMĐMT-CSL phụ thuộc nhiều vào các biến tần PV, và cho đến nay các biến tần PV đang sử dụng đều đáp ứng các tiêu chuẩn điện với chức năng hỗ trợ lưới về công suất phản kháng còn hạn chế. Xu hướng phát triển trong tương lai của nhà máy NMĐMT-CSL là phải hướng đến việc nhà máy NMĐMT-CSL sẽ làm việc như bất cứ nhà máy điện thông thường khác, về khía cạnh hỗ trợ công suất tác dụng và công suất phản kháng cho hệ thống điện. • Sơ đồ đấu nối rất quan trọng đối với hiệu quả của NMĐMT-CSL. Sơ đồ tập trung hiện nay vẫn được sử dụng trong phần lớn các NMĐMT-CSL, với ưu điểm đơn giản trong lắp đặt với số lượng giảm thiểu cho các thành phần trong nhà máy. Tuy vậy, hạn chế của sơ đồ tập trung là hiệu quả của việc điều khiển MPPT kém và điều này ảnh hưởng đến sản lượng điện phát ra của nhà máy, do tính không tương thích trong đặc tính của các tấm PV trong điều kiện bức xạ mặt trời thay đổi. Sơ đồ dạng chuỗi có hiệu suất tổng thể tốt hơn, do việc điều khiển MPPT được thực hiện độc lập, riêng rẻ trên từng chuỗi, tuy vậy số lượng lớn các biến tần phải sử dụng và độ phức tạp của sơ đồ lại là một nhược điểm. 10 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019
• Máy biến áp hai cuộn dây thường được sử dụng trong NMĐMT-CSL cho đến nay, với biến tần PV loại tập trung. Hiện nay, máy biến áp ba cuộn dây được sử dụng nhiều cho phép đấu nối với hai biến tần PV trung tâm, và việc điều khiển được thực hiện độc lập. Trong sơ đồ biến tần nhiều chuỗi, máy biến áp hai cuộn dây thường được sử dụng. Hình 14. Sơ đồ hình sao. a) loại 1 và b) loại 2 • Các sơ đồ đấu nối thanh góp ac về các mặt tổn thất, độ tin cậy và kinh tế đã được trình bày trong bài báo, với thực tế sơ đồ hình tia vẫn được sử dụng nhiều trong các nhà máy, do chi phí cáp thấp nhất. Dự đoán trong tương lai, sơ đồ hình tia hay mạch vòng sẽ được sử dụng rộng rải cùng với giải pháp thanh góp dc, thay vì thanh góp ac như hiện nay. • Tương lai phát triển của NMĐMT-CSL phụ thuộc vào sự giảm giá, giảm kích thước, cải thiện hiệu quả các thành phần (tấm PV, máy biến áp và biến tần). Một khi giá cả của các thành phần đạt đến ổn định, sơ đồ đấu nối nội bộ và thanh góp sẽ là mối quan tâm trong tương lai, về các khía cạnh chi phí, độ bền, độ tin cậy và tính linh hoạt. Bảng 4. Tóm tắt các thành phần cơ bản, sơ đồ đấu nối, sơ đồ đấu nối nội bộ của NMĐMT-CSL Thành phần cơ bản Sơ đồ đấu nối Sơ đồ đấu nối Sơ đồ đấu nối Tấm PV Biến tần PV Máy biến áp nội bộ thanh góp m-Si Một tầng (dc-ac) Tập trung Hình tia c-Si Hai tầng (dc-dc-ac) Hai cuộn dây Chuổi Công nghệ Mạch vòng Màng Cách li hay đấu nối Ba cuộn dây Nhiều chuỗi Hình sao mỏng trực tiếp với lưới điện AC tích hợp Công nghệ m-Si và Số liệu Tập trung đang được sử Màng Một tầng (dc-ac) Ba cuộn dây hiện nay chưa dụng nhiều mỏng được đầy đủ Tổn thất do chuyển mạch Hiệu suất Hiệu suất Hiệu suất Kích thước Hiệu suất Vấn đề điều khiển Biến thiên điện Độ tin cậy Các mối Chi phí Chi phí Qui định đấu nối áp Tổn thất quan ngại Công suất Tính ổn (grid codes) Chi phí lắp đặt Chi phí định Cách li với lưới điện Chi phí bảo trì Giá cả TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Ana Cabrera-Tobara,*, Eduard Bullich-Massagu´ea, M`onica Arag¨u´es-Pe~nalbaa, Oriol Gomis-Bellmunta; Topologies for Large Scale Photovoltaic Power Plants; Proceedings of Renewable and Sustainable Energy, November 20, 2015 [2]. Soeren Baekhoej Kjaer, Member, IEEE, John K. Pedersen, Senior Member, IEEE, and Frede Blaabjerg, Fellow ; A Review of Single-Phase Grid-Connected Inverters for Photovoltaic Modules; IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 41, No. 5, September/ October 2005 [3]. ABB Technical Application Papers No.10 Photovoltaic Plants; http://www04.abb.com/global/seitp/seitp202.nsf/ c71c66c1f02e6575c125711f004660e6/d54672ac6e97a439c12577ce003d8d84/$FILE/Vol.10.pdf BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 11
CẤU TRÚC HÌNH HỌC VÀ ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU MÁY BIẾN ÁP LỰC ThS. NGUYỄN SĨ HUY CƯỜNG Công ty Thí nghiệm điện miền Nam PGS.TS. PHẠM ĐÌNH ANH KHÔI Trường ĐH Bách Khoa – ĐH Quốc Gia TP. HCM TÓM TẮT Để giúp người kỹ sư có thể phân tích các phép thí nghiệm chẩn đoán nâng cao như Phân tích đáp ứng tần số (Frequency Response Analysis), Phân tích đáp ứng điện môi (Dielectric Frequency Response) hay Phóng điện cục bộ (Partial Discharge) ... ứng dụng cho đối tượng máy biến áp lực trong các trạm biến áp tăng áp của nhà máy điện, trạm trung gian và phân phối của lưới điện Việt Nam, bài viết giới thiệu tổng quan cấu trúc hình học và đặc tính vật liệu của thiết bị này. I. GIỚI THIỆU Một hệ thống điện tiêu biểu gồm các khâu sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng, tương ứng có các loại trạm biến áp tăng áp liên kết với nhà máy điện, trạm trung gian phục vụ truyền tải và các trạm phân phối theo minh họa ở hình 1. Bảng 1 tổng hợp thông số nhãn máy của các máy biến áp lực (MBA) đang được sử dụng trong các loại trạm biến áp trên lưới điện miền Nam. Hình 1. Sơ đồ tổng quan của một hệ thống điện tiêu biểu Bảng 1. Phân loại máy biến áp trên lưới điện miền Nam Trạm biến áp Thông số chính Đa phần các máy biến áp nguồn ba pha có tổ đấu dây YNd11, cách điện lỏng. - Nhiệt điện: nâng áp từ 13,8 kV, 22 kV hoặc 26 kV lên cấp 220 kV hoặc 500 kV; công suất Nguồn (liên kết với MBA lớn nhất 750 MVA. nhà máy điện) - Thủy điện: nâng áp từ 0,4 kV lên 22 kV (nhà máy nhỏ) hay từ 13,8 kV lên 110 kV hoặc 220 kV (nhà máy lớn); công suất lớn nhất 125 MVA. - Điện mặt trời: nâng áp từ 22 kV lên 110 kV; công suất lớn nhất 63 MVA. Máy biến áp tự ngẫu đơn pha, tổ đấu dây Ia0i0, cách điện lỏng. 500/220/22 kV – 3 x 300 MVA (ghép 3 máy đơn pha) Máy biến áp tự ngẫu ba pha, tổ đấu dây YNa0+d11, cách điện lỏng. Trung gian 220/110/22 kV – 250 hay 125 MVA Máy biến áp tự ngẫu ba pha, tổ đấu dây YNyn0+d11, cách điện lỏng. 110 /22 kV / (+11kV) – 63, 40, 25 hay 16 MVA Máy biến áp ba pha cách điện lỏng hay cách điện không khí (máy biến áp khô) Phân phối 22/0,4 kV – công suất từ vài trăm kVA cho đến vài MVA 12 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019
Cấu tạo của một máy biến áp ba pha, cách điện lỏng điển hình với các phần tử tiêu biểu được giới thiệu trong hình 2. Để có thể ứng dụng phân tích các thí nghiệm chẩn đoán nâng cao trong vùng tần số rộng, từ vài Hz đến vài MHz, dựa trên các mô hình thông số điện tương đương của MBA, bài viết sẽ phân tích cấu trúc hình học của phần tích cực (active part) của MBA bao gồm lõi thép và cuộn dây ở phần II và đặc tính thông số của các loại vật liệu ở phần III. Hình 2. Cấu trúc của một máy biến áp 3 pha ngâm dầu điển hình [1] II. CẤU TRÚC HÌNH HỌC Máy biến áp lực có các cuộn dây được quấn đồng tâm quanh trụ của lõi thép được gọi là MBA “kiểu lõi” (core type); ngược lại, nếu lõi thép được bao quanh bởi các cuộn dây thì MBA có cấu trúc “kiểu vỏ” (shell type), xem minh họa ở hình 2. So với thiết kế kiểu vỏ, cấu trúc kiểu lõi tiết kiệm vật liệu hơn và cũng dễ thi công lắp ráp hơn, nên được sử dụng phổ biến hơn trong các MBA truyền tải và phân phối [2]. Bài viết tập trung phân tích lõi thép và cuộn dây của MBA có cấu trúc kiểu lõi. Hình 3. Máy biến áp kiểu lõi (trái) và kiểu vỏ (phải) A. Lõi thép Đa phần lõi thép của MBA hiện hữu được chế tạo từ những lá tôn silic đẳng hướng cán lạnh chất lượng cao CRGO (Cold Rolled Grain-Oriented) với độ dày từ 0,3 mm đến 0,23 mm, phổ biến nhất là dạng M4 – 0,27 mm và M3 – 0,23 mm. Một số chuẩn vật liệu cùng độ dày lá tôn silic CRGO phổ biến trên thị trường được liệt kê trong bảng 2. Các lá thép được cắt góc 45º, ghép xếp lớp giữa trụ (limb) và xà (yoke) để làm giảm tổn hao do dòng Foucault, đồng thời giảm thiểu độ ồn và tăng độ cứng vững của lõi từ. Cấu trúc lõi thép này là dạng xếp lớp (stack core). BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 13
Bảng 2. Một số chuẩn tôn silic CRGO phổ biến trên thị trường [2] Vật liệu tôn silic CRGO thông dụng Vật liệu HI-B Vật liệu HI-B bức xạ laser M6 – 0,35 mm MOH – 0,27 mm ZDMH -95- 0,27 mm M5 – 0,30 mm MOH – 0,23 mm ZDMH -90- 0,27 mm M4 – 0,27 mm ZDMH -90- 0,23 mm M3 – 0,23 mm ZDMH -85- 0,23 mm Ngoài ra, công nghệ lõi thép làm bằng kim bọc phía ngoài cùng. MBA kiểu vỏ có cách bố loại vô định hình (Amorphous) đang được trí cuộn dây dạng bánh sandwich (cuộn HV và ứng dụng trên các máy biến áp phân phối. LV được quấn với cùng đường kính, xen kẽ và Khác với tôn silic CRGO, các lá Amorphous kẹp vào nhau). rất mỏng (bằng 1/10 tôn silic CRGO). Mạch từ Trong các cuộn dây có điện áp định mức dưới Amorphous thường là dạng quấn (wound core), 110 kV, các dây dẫn quấn kiểu xoắn ốc (helical) được cấu thành từ dạng chữ C, ghép thành hình và dây quấn kiểu lớp (layer) được sử dụng tương chữ nhật bo tròn ở góc. Chi tiết minh họa cho đối phổ biến. Điểm chung của hai kiểu quấn dây cấu trúc này được thể hiện ở hình 4. này là các vòng dây được quấn quanh trụ lõi thép theo phương thẳng đứng tạo thành lớp; cuộn dây kiểu lớp sẽ có nhiều lớp so với kiểu xoắn ốc (xem hình 6a, b và d). Đối với các cuộn dây có điện áp định mức 110 kV, 220 kV hay cao hơn, cấu trúc Hình 4 – Cấu trúc mạch từ bằng tôn silic CRGO (trái) và kiểu đĩa thường được sử dụng; cuộn dây kiểu này kim loại Amorphous (phải) phổ biến [3] gồm nhiều đĩa xếp chồng lên nhau dọc theo trụ từ, mỗi đĩa có nhiều vòng dây quấn theo phương Amorphous có thể giảm thiểu tổn thất không ngang (xem hình 6b). tải đến tầm 70-80% so với lõi tôn silic CRGO Đối với các cuộn dây kiểu đĩa, phân bố điện chuẩn M4; tuy nhiên, kim loại Armorphous bão hòa sớm hơn tôn silic CRGO. Do đó, máy biến áp sử dụng công nghệ Amorphous cần phải có kích thước mạch từ to hơn, cuộn dây lớn hơn và nhiều dầu hơn. Tổng chi phí cho máy biến áp Amorphous có thể cao hơn đến 40% so với máy biến áp thông thường [2]. Chính điều này khiến cho phạm vi ứng dụng công nghệ Amorphous hiện chỉ giới hạn ở cấp MBA phân phối. B. Cuộn dây Các cuộn dây MBA có dây dẫn được chế tạo từ dây đồng dạng tròn hoặc dạng chữ nhật. Với MBA có dòng định mức cao, các dây đồng có tiết diện hình chữ nhật, Hình 6. Minh họa các kiểu quấn dây thông dụng được bện chung Hình 5. Dây dẫn hoán vị liên và hoán vị liên tục (CTC) [4] áp quá độ dọc theo cuộn dây không đều khi tục (Continuously có các quá điện áp lan truyền đến MBA. Điều Transposed Conductor - CTC), xem hình 5, để này được giải thích thông qua các mô phỏng sử tránh sinh ra dòng quẩn. Các vòng dây được dụng mô hình thông số rải của cuộn dây để tính bọc quanh bởi giấy cách điện và quấn liên tục toán quá điện áp tức thời dọc theo cuộn dây. dọc theo trụ của lõi thép. Cuộn hạ áp (Low Theo đó, khi có quá điện áp xung với biên độ Voltage - LV) hoặc cuộn cân bằng (Tertiary U lan truyền đến đầu cuộn dây có chiều dài L, Voltage - TV) thường được quấn trong cùng; điện áp tức thời Uo ở vị trí x từ đầu cuộn dây sẽ cuộn cao áp (High Voltage – HV) được quấn là [5]: 14 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019
nhất, nhưng độ phức tạp về công nghệ trong quá trình sản xuất cũng là cao nhất. Giải pháp Trong phương trình (1), C và C tương sử dụng cuộn chắn thì đơn giản hơn, đôi khi ứng là điện dung tương đương của cuộn dây cũng có thể áp dụng cho kiểu đĩa xen kẽ [6]. so với đất (shunt/ground capacitance) và điện Khi xét đến tính hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, giải pháp sử dụng kiểu đĩa thường và tăng cường dung dọc tương đương (series capacitance) của cách điện ở đầu cuộn dây vẫn được áp dụng cuộn dây. Hình 7 minh họa các phân bố biên độ rộng rãi, xem hình 9. điện áp quá độ dọc theo cuộn dây tương ứng với các trường hợp hệ số khác nhau (hình trái) và các thành phần của điện dung dọc và điện dung so với với (điện thế) đất của một cuộn dây khảo sát (hình phải). Điện thế đất là điện thế của vỏ MBA đã được nối đất (nếu xét cuộn dây ngoài cùng) hay là điện thế của lõi thép nối đất (nếu xét cuộn dây bên trong cùng). Hình 9. Hình ảnh thực tế các cuộn dây MBA 110/22 kV C. Hệ thống cách điện Hệ thống cách điện trong MBA bao gồm Hình 7. Minh họa phân bố điện áp quá độ dọc theo cuộn phần cách điện của từng (vòng dây, đĩa hay lớp) dây (trái) và các điện dung của cuộn dây (phải) cuộn dây, cách điện giữa các cuộn dây với nhau và cách điện giữa từng cuộn dây với vỏ máy/lõi Theo hình 7, khi càng lớn, điện áp quá độ thép. Khi xét một MBA hai cuộn dây, hệ thống sẽ đặt lên phần đầu cuộn dây càng cao. Do cuộn cách điện này đặc trưng bởi các điện dung: dây quấn theo kiểu đĩa liên tục có hệ số α lớn, - Điện dung tương đương ba pha giữa từ 5 đến 30 [5], các nhà sản xuất đã có một số cuộn HV bên ngoài với vỏ máy (nối đất): CHG giải pháp như: - Điện dung tương đương ba pha giữa - Sử dụng màn chắn tĩnh điện (static cuộn LV bên trong với lõi thép (nối đất): CLG rings). - Điện dung tương đương ba pha giữa - Sử dụng cuộn chắn quấn trong đĩa cuộn HV và cuộn LV: CHL (shield coils), với 3 phương án đấu nối (xem - Điện dung dọc tương đương cuộn dây hình 8a, b và c) (trên từng pha): tổ hợp của điện dung giữa các - Sử dụng kiểu đĩa quấn xen kẽ vòng dây lân cận và điện dung giữa các đĩa/lớp (interleaved), xem hình 8d. lân cận: C Các giá trị điện dung CHG, CLG và CHL minh họa ở hình 10 có thể được xác định bằng các phép đo điện dung thông thường, nhưng riêng giá trị điện dung dọc cuộn dây C là không thể đo lường trực tiếp. Để xác định giá trị này, cần phải có thông tin chi tiết về cấu trúc hình học của dây quấn và thông số đặc tính vật liệu cách điện để tính toán giải tích, hoặc thông qua mô phỏng kết hợp với các phép đo không trực tiếp [7]. Ngoài ra, tổn hao của các tổ hợp Hình 8. Các giải pháp thông dụng để cải thiện điện dung cách điện này có thể được biểu diễn trong các dọc tương đương cuộn dây và hệ số sơ đồ điện tương đương của MBA bởi thông số điện dẫn tương ứng, được ký hiệu bởi GHG, GLG Giải pháp quấn kiểu đĩa xen kẽ sẽ làm cuộn và GHL. dây có giá trị điện dung dọc tương đương lớn BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 15
(3) o Pc là tổng tổn hao sắt từ (W/kg) ở tần số (Hz) o Ph, Pe, Pa lần lượt là tổn hao từ trễ, tổn hao do dòng Foucault và tổn hao định hướng từ (W) o B là cường độ từ trường (Tesla) o ke, ka là các hằng số phụ thuộc vào cấu trúc hình học và điện trở suất khối của vật liệu Khi phân tích đặc tính độ từ thẩm trong miền tần số, hiệu ứng bề mặt (skin effect) Hình 10 – Các điện dung tương đương trong một MBA đóng vai trò rất quan trọng. Theo phương pháp hai cuộn dây giải tích, độ từ thẩm của những lá thép mỏng (laminations) được tính theo công thức (4), phụ Để tính toán được các giá trị điện dung đề thuộc theo hiệu ứng bề mặt trong phân bố mật cập ở trên, cần phải biết thành phần của các tổ độ từ trường [8, 9]: hợp cách điện; đối với MBA có cách điện lỏng (ngâm dầu), có hai loại cách điện chính là cách điện rắn (giấy cách điện là chủ yếu) và dầu (4) cách điện. Đối với tổ hợp cách điện giữa các o là độ sâu hiệu ứng bề mặt (skin depth), cuộn dây, phần cách điện rắn bao gồm các màn tính theo công thức (5) chắn (barrier) và các lớp chêm (spacer), được o D là bề dày của lá thép (mm) làm bằng giấy cứng cách điện tẩm dầu. Thông o là hệ số lấp đầy của lá thép so với khi thường, giấy cứng có mật độ khối cao (1,1 - 1,3 có lớp cách điện g/cm3) được sử dụng làm cách điện chính giữa các cuộn dây, còn giấy cứng mật độ thấp hơn o là độ từ thẩm tương đối của vật liệu (0,9 g/cm3) được dùng làm cách điện giữa cuộn (phần thực của từ thẩm phức) dây bên trong cùng với lõi thép. Dầu cách điện Độ sâu hiệu ứng bề mặt được xác định: trong MBA vừa đóng vai trò là môi chất cách (5) điện, và cũng đồng thời là chất làm mát. Các o là tần số (Hz) loại dầu cách điện hiện đang được sử dụng là o là độ từ thẩm (phần thực) của vật liệu các loại dầu khoáng (mineral oil), dầu silicone (H/m) hay các ester tự nhiên hay tổng hợp nhân tạo. o là điện dẫn suất của vật liệu (S/m) III. ĐẶC TÍNH VẬT LIỆU Hình 11 biểu diễn phần thực ( ) và phần ảo Phần này sẽ giới thiệu các thông số đặc tính ( ) của độ từ thẩm theo công thức (4) với các vật liệu của bộ lõi thép – cuộn dây và hệ thống thông số: lá thép mỏng có bề dày 0,35 mm, điện cách điện giấy – dầu giữa các cuộn dây, là cơ dẫn 5x106 S/m, độ từ thẩm tương đối là 500 và sở cho các phân tích về sau trong các phép thí hệ số lấp đầy 0,92. Do hiệu ứng bề mặt thay đổi nghiệm chẩn đoán nâng cao. mạnh theo tần số, độ từ thẩm do đó cũng thay A. Lõi thép – cuộn dây đổi tương ứng; ở tần số cao, độ từ thẩm giảm Thông số vật liệu chính của hệ thống lõi mạnh và lõi thép không có tác dụng. thép – cuộn dây là độ từ thẩm (μ), đặc trưng cho khả năng tạo ra và khuếch đại (năng lượng) từ trường bên trong vật liệu. Trong thực tế, độ từ thẩm cần được biểu diễn dưới dạng phức, trong đó, phần thực biểu diễn khả năng tạo ra từ trường của vật liệu, còn phần ảo biểu thị cho tổn hao: (2) Tổn hao lõi thép MBA bao gồm tổn hao do dòng Foucault, tổn hao từ trễ và tổn hao định hướng từ, có thể được xác định theo phương trình (3) [8]: Hình 11. Đặc tính theo tần số của độ từ thẩm lá thép 16 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019
Đối với cuộn dây MBA, hiệu ứng bề mặt cũng có tác dụng đáng kể đối với phân bố mật (8) độ dòng điện bên trong dây dẫn: khi tần số càng Hằng số điện môi phức của giấy cách điện cao thì mật độ điện tích bên trong lõi dây dẫn có phần thực hầu như không phụ thuộc đáng càng giảm khiến cho điện trở xoay chiều (AC) kể vào tần số và hàm lượng nước (ở nhiệt độ càng tăng cao so với điện trở một chiều (DC). xác định) trong vùng tần số từ hàng chục Hz Ngoài ra, từ trường gây ra bởi các (vòng) dây trở đi (xem hình 12a). Trong khi đó, phần ảo dẫn lân cận cũng ảnh hưởng đến sự phân bố của hằng số điện môi lại thay đổi đáng kể theo dòng điện trong dây dẫn (hiệu ứng lân cận – tần số và hàm lượng nước (xem hình 12b) và cả proximity effect), qua đó góp phần gia tăng tổn nhiệt độ [10]. hao cuộn dây, được xác định theo phương trình (6) [8]: (6) PW là tổng tổn hao đồng (W) PDC là tổn hao do điện trở một chiều (W) Hình 12. Hằng số điện môi phức của giấy cứng chứa các Pskin,Pproximity tương ứng là tổn hao do hàm lượng nước khác nhau ở 50°C [10] hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng lân cận (W) B. Hệ thống cách điện Để phân tích đặc tính tần số của hệ thống Thông số vật liệu chính của hệ thống cách cách điện giấy – dầu giữa các cuộn dây trong điện là hằng số điện môi (ε), đặc trưng cho các MBA, mô hình X-Y trong hình 16 đã được chấp khả năng phân cực của vật liệu cách điện (điện nhận áp dụng rộng rãi. Theo đó, hằng số điện môi) dưới tác dụng của điện trường. Khi hệ môi phức của hệ thống cách điện được tính thống cách điện được đặt dưới điện trường E, theo công thức (9): mật độ dòng điện J xuất hiện bên trong hệ thống là tổng của các thành phần dòng điện dịch và dòng điện dẫn, biểu trưng bởi hằng số điện môi (9) dạng phức . Tương tự như độ từ o X là tỉ lệ của bề dày các lớp chắn so thẩm phức của vật liệu từ, phần thực của hằng với tổng bề dày của các lớp chắn – chêm theo số điện môi phức biểu thị cho các hiện tượng phương xuyên tâm hệ thống phân cực, còn phần ảo đặc trưng cho tổn thất do điện dẫn suất của môi chất và tổn thất do o Y là tỉ lệ của bề rộng của các miếng chêm phân cực điện môi [10]. Các đại lượng này đều so với tổng bề rộng của các lớp chêm – dầu theo phụ thuộc vào tần số. chu vi hệ thống o tương ứng là hằng số điện môi phức của giấy cách điện dùng làm (7) miếng chêm và màn chắn o là tần số góc (rad/s) o là hằng số điện môi phức của dầu o là hằng số điện môi ở tần số cao cách điện (F/m) o là hằng số điện môi của chân không (F/m) o và tương ứng là phần thực và ảo của đại lượng nhạy cảm điện (susceptibility) o là điện dẫn suất của điện môi (S/m) Hình 13. Cấu trúc hệ thống cách điện giữa các cuộn dây Hằng số điện môi của dầu khoáng cách điện và mô hình X-Y [10] có phần thực là hằng số, còn phần ảo phụ thuộc vào điện dẫn suất, nhiệt độ và tần số, được xác Hình 14 minh họa vùng ảnh hưởng của dầu định theo phương trình (8). Khi nhiệt độ cao, và giấy cứng cách điện lên hằng số điện môi dẫn suất tăng nên hệ số tổn hao điện môi sẽ phức của hệ thống cách điện trong một MBA càng lớn. thực tế. Theo đó, hằng số điện môi của giấy/dầu BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019 17
có ảnh hưởng riêng lẻ đến đáp ứng điện môi của tổ hợp cách điện trong từng vùng tần số cục bộ: trong khoảng tần số từ 0,01 Hz đến 10 Hz, dầu cách điện có ảnh hưởng mạnh, trong khi ở dải tần số thấp hơn (10 Hz), cấu trúc hình học X-Y và hàm lượng nước trong giấy cách điện lại có ảnh hưởng chi phối [11]. Hình 14. Đáp ứng tần số hằng số điện môi phức của tổ hợp cách điện giấy – dầu trong một MBA thực tế IV. KẾT LUẬN Bài viết đã giới thiệu tổng quan cấu trúc hình học và đặc tính vật liệu trong phần tích cực và hệ thống cách điện chính của máy biến áp lực. Những thông tin này có thể được sử dụng để xây dựng các mô hình vật lý (sơ đồ mạch điện tương đương) cho máy biến áp lực nhằm ứng dụng phân tích các phép thí nghiệm chẩn đoán nâng cao hiện đang được triển khai tại các công ty thí nghiệm điện. V. TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH [1] https://en.wikipedia.org/wiki/Transformer#/media/File:Vermogentransformator_1.GIF [2] Indrajit Dasgupta, “Power Transformers Quality Assurance,” New Age International Ltd., India, 2009. [3] http://teckglobal.com.au/news/38-amorphous-core-distribution-transformers-not-all-they-re-cracked-up-to-be [4] Bernard Hochart, “Power Transformer Handbook,” 1989. [5] S.V Kulkarni, S.A. Khaparder, “Transformer Engineering – Design and Practice,” Marcel Denker, Inc, 2004. [6] James H. Harlow, “Electric Power Transformer Engineering,” 3rd ed., CRC Press, 2012. [7] N. T. Tran et. al., “Capacitances in a physical distributed circuit of ablack-box power transformer for Frequency Response Analysis at medium frequencies,” 2016 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Application (ICHVE), 2016. [8] Nilanga Abeywickrama, “Effect of Dielectric and Magnetic Material Characteristics on Frequency Response of Power Transformers,” PhD dissertation, Chalmers University of Technology, Goteborg, Sweden, 2007. [9] A. Shintemirov, W. H. Tang, and Q. H. Wu, “Transformer Core Parameter Identification Using Frequency Response Analysis,” IEEE Trans. Magnetics, Vol. 46, No.1, 2010. [10] “Frequency Response of Oil Impregnated Pressboard and Paper Samples for Estimating Moisture in Transformer Insulation,” IEEE Trans. Power Delivery, Vol. 21, No. 3, July 2006. [11] Sivaji Chakravorti, Debangshu Dey, Biswendu Chatterjee, “Recent Trends in the Condition Monitoring of Transformers: Theory, Implementation and Analysis,” Springer, 2013. 18 BẢN TIN HỘI ĐIỆN LỰC MIỀN NAM - THÁNG 3 / 2019