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

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:159

Thêm vào BST

Báo xấu

72
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu quá điện áp sét và bảo vệ chống sét cho tua bin gió có kết nối lưới điện

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ một công trình nào. Đại diện tập thể hướng dẫn Tác giả PGS. TS Trần Văn Tớp Nguyễn Quang Thuấn i
LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và nghiên cứu, tôi đã hoàn thành luận án của mình. Để có được kết quả này, ngoài sự nỗ lực, tìm tòi, học hỏi, nghiên cứu của bản thân, tôi cũng luôn nhận được sự quan tâm, động viên, giúp đỡ nhiệt tình của các thầy giáo cô giáo, các nhà khoa học, các cơ quan, đồng nghiệp, bạn bè và gia đình. Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn tập thể giáo viên hướng dẫn PGS.TS Trần Văn Tớp và TS Phạm Hồng Thịnh đã luôn tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các nhà khoa học của Bộ môn Hệ thống điện, Viện điện, Viện đào tạo sau đại học, Hội đồng đánh giá luận án các cấp và Ban giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu về chuyên môn, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình thực hiện và bảo vệ luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS. Marc Petit trường Đại học Supelec, Cộng hòa Pháp đã giúp đỡ, tạo điều kiện để tôi hoàn thiện một số nội dung quan trọng của luận án trong thời gian nghiên cứu tại đây. Tôi xin chân thành cảm ơn Công ty cổ phần năng lượng tái tạo Việt Nam (Vietnam Renewable Energy Joint Stock Company - REVN) - Chủ đầu tư dự án điện gió Tuy Phong, Bình Thuận đã cung cấp một số thông tin quan trọng về hệ thống bảo vệ chống sét của các tua bin gió thuộc dự án. Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, các thầy cô giáo, các nhà khoa học và các cấp lãnh đạo của trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi mọi mặt trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện luận án. Cuối cùng, tôi cũng xin được chân thành cảm ơn bạn bè và gia đình đã luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Hà nội, ngày 30 tháng 7 năm 2015 Tác giả luận án Nguyễn Quang Thuấn ii
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 iii
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 iv
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 v
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Tình hình phát triển công nghệ điện gió từ năm 1987 đến 2013 [6] ........................7 Hình 1.2. Biểu đồ tăng trưởng công suất điện gió thế giới giai đoạn 2002 - 2012 ..................7 Hình 1.3. Thị phần điện gió thế giới theo các châu lục tính đến năm 2012..............................8 Hình 1.4. Biểu đồ 10 quốc gia đứng đầu thế giới về công suất điện gió ..................................8 Hình 1.5. Dự báo công suất điện gió thế gió đến 2020 [93] .....................................................9 Hình 1.6. Biểu đồ công suất điện gió ngoài khơi của 5 quốc gia đứng đầu thế giới [93] ........9 nh . . WF Tuy Phong, Bình Thuận [11] ............................................................................12 nh . . WF tại huyện đảo Phú Quý, Bình Thuận [10] ........................................................12 nh . . WF trên biển ở Bạc Liêu [11] .................................................................................13 Hình 1.10. Phân loại WT [6] ...................................................................................................14 Hình 1.11. Cấu tạo của WT loại trục ngang (HAWT) [39] .....................................................15 Hình 1.12. Cấu tạo của cánh WT [6] ......................................................................................16 Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý kết nối lưới của WT sử dụng loại máy phát SCIG ......................18 Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý kết nối lưới của WT sử dụng loại máy phát DFIG......................19 Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý kết nối lưới của WT sử dụng loại máy phát PMSG ....................19 nh . . WF trên đất liền Helpershain và Ulrichstein - Helpershain, Đức [6] ..................21 nh . . WF ngoài khơi Middelgrunden, Đan Mạch [82] ..................................................21 Hình 1.18. Biểu đồ tỷ lệ hư hỏng các phần tử của WT do sét .................................................22 Hình 1.19. Các phương án bố trí bộ phận thu sét trên cánh WT [43] ....................................22 Hình 1.20. Mô hình quả cầu lăn xác định vùng sét đánh vào WT [43] ..................................24 Hình 1.21. Các vùng bảo vệ theo các phần tử của WT [43] ...................................................25 Hình 1.22. Vị trí lắp đặt SPD (CSV) cho các phần tử (trong thùng, trong cột trụ và dưới chân cột trụ) trong HTĐ&ĐK của WT theo các vùng bảo vệ khác nhau [43] .................................25 Hình 1.23. Đường dẫn dòng điện sét của WT xuống hệ thống nối đất [43] [45] ...................26 Hình 1.24. Đường dẫn sét từ cánh qua vành trượt - chổi than xuống nối đất của WT [45] ...27 Hình 1.25. Vị trí lắp đặt CSV bảo vệ chống QĐA sét cảm ứng và lan truyền cho các phần tử, thiết bị của WT 1,5 ÷ 2MW [58] hay được sử dụng tại Việt Nam ...........................................27 Hình 1.26. Xác suất tích lũy biên độ dòng điện trong phóng điện sét hướng xuống ..............29 Hình 1.27. Xác suất tích lũy thời gian đầu sóng của dòng sét phóng điện hướng xuống đợt đầu cực tính âm [16] ................................................................................................................30 vi
Hình 1.28. Xác định điểm sét đánh WT [60] ...........................................................................31 a) Cánh ở vị trí 300 so với trục hoành; b) Cánh ở vị trí 600 so với trục hoành .......................31 Hình 1.29. Mô hình thực nghiệm xác định điểm sét đánh WT [21] ........................................32 Hình 2.1. Mô hình điện hình học .............................................................................................42 Hình 2.2. Diện tích thu hút sét tương đương của WT trên mặt đất theo phương pháp IEC ...44 Hình 2.3. Diện tích thu sét tương đương của WT trên mặt đất theo phương pháp EGM .......46 Hình 2.4. Chiều cao của WT phụ thuộc vị trí góc quay của cánh ...........................................47 Hình 2.5. Lưu đồ thuật toán xác định số lần sét đánh trực tiếp WT theo phương pháp EGM 50 Hình 2.6. Bản đồ mật độ sét của Việt Nam [13] .....................................................................52 Hình 2.7. Số lần sét đánh trực tiếp WT có chiều cao khác nhau theo mật độ sét Việt Nam ...53 Hình 2.8. Mối quan hệ giữa chiều cao của WT với số lần sét đánh (cùng mật độ sét Ng = 3,4) ..................................................................................................................................................58 Hình 2.9. So sánh số lần sét đánh trực tiếp vào WT có công suất (ứng với kích thước) và mật độ sét khác nhau theo phương pháp IEC và EGM ...................................................................59 Hình 3.1. Sơ đồ bố trí các phần tử (a) và hệ thống bảo vệ chống sét (b) của WT ..................62 Hình 3.2. Vành trượt - chổi than dẫn dòng điện sét từ cánh qua cột trụ xuống hệ thống nối đất của WT hãng Schunk (a) và hãng Vestas (b) .....................................................................64 Hình 3.3. Mô hình mạch tương đương trên đường dẫn dòng sét qua cột trụ WT ...................65 Hình 3.4. Chú thích các kích thước cột trụ WT [64] ...............................................................67 Hình 3.5. Mô hình nguồn điện sét ...........................................................................................68 Hình 3.6. Mô hình CSV theo IEEE ..........................................................................................70 Hình 3.7. Mô hình CSV theo Pianceti - Gianettoni .................................................................71 Hình 3.8. Cấu tạo cơ bản của loại cáp đồng trục [41] ...........................................................72 Hình 3.9. Dạng sóng dòng điện sét sử dụng trong mô phỏng .................................................74 Hình 3.10. Phân bố điện thế tại điểm: đầu (mầu đỏ), giữa (mầu xanh lá cây) và điểm cuối (mầu xanh dương) trên đường cáp điện (tính từ đỉnh xuống chân cột trụ) .............................75 Hình 3.11. Phân bố điện thế tại điểm: đầu (mầu đỏ), giữa (mầu xanh lá cây) và điểm cuối (mầu xanh dương) trên đường cáp điều khiển (tính từ đỉnh xuống chân cột trụ)....................75 Hình 3.12. Sóng QĐA cảm ứng trên cách điện tại hai đầu đường cáp điện và cáp điều khiển ..................................................................................................................................................76 Hình 3.13. Đường đặc tính V-A của CSV lắp đặt tại hai đầu đường cáp điện .......................77 Hình 3.14. Đường đặc tính V-A của CSV lắp đặt tại hai đầu đường cáp điều khiển..............77 vii
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 viii
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: 1,2μs, 5μs và 10μs (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: 1,2μs, 5μs và 10μs (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 ix
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 (1,2/50μs) 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 (1,2/50μs) 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 x
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 xi
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 xii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nguyên nghĩa Phần mềm mô phỏng quá trình quá độ điện từ (Alternative Transients ATP/EMTP Program / Electromagnetic Transients Program) CSV Chống sét van BIL Mức điện áp xung (Basic Impulse Level) Máy phát không đồng bộ rotor dây quấn dạng nguồn kép (Double Fed DFIG 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) Viện các kỹ sư điện và điện tử quốc tế (Institute of Electrical and IEEE Electronics Engineers) QĐA Quá điện áp sét (Lightning Overvoltage) MBA Máy biến áp MPĐ Máy phát điện Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet PMSG Synchoronous Generator) Máy phát điện không đồng bộ rotor lồng sóc (Squirrel Cage Induction SCIG 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) Máy phát điện không đồng bộ rotor dây quấn (Wound Rotor Induction WRIG Generator) Máy phát điện đồng bộ rotor dây quấn (Wound Rotor Synchoronous WRSG Generator) WT Tua bin gió (Wind Turbine) xiii
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 1
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. 2
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. 3
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 4
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. 5
Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN ĐIỆN GIÓ THẾ GIỚI Vào cuối thế kỷ XIX con người mới bắt đầu sử dụng năng lượng gió để phát điện. Nhà khí tượng học Poul The Mule Cour (Đan Mạch) được cho là người đầu tiên trên thế giới đã thiết kế chế tạo thành công WT vào năm 1890 dùng cung cấp điện thử nghiệm cho vùng nông thôn Askov của Đan Mạch [76]. Đến năm 1910, hàng trăm WT như vậy được sử dụng để cung cấp điện cho nhiều làng mạc ở Đan Mạch. Năm 1925, loại WT hai và ba cánh với công suất từ 0,2 ÷ 3kW đã được thương mại tại thị trường Mỹ. Năm 1931, WT có công suất 100kW đầu tiên được lắp đặt trên bờ biển Caspian (Liên Xô cũ). Hàng loạt các nước phát triển như Mỹ, Đan Mạch, Pháp, Đức và Anh đã cho xây dựng thử nghiệm nhiều WT mới trong giai đoạn những năm 1931 đến năm 1941. Từ năm 1941 đến đầu những năm 1970, sự quan tâm phát triển điện gió trên thế giới gần như bị lãng quên do chi phí sản xuất điện từ nguồn năng lượng gió (12-30 cent/kWh) đắt hơn nhiều so với năng lượng hóa thạch (3-6 cent/kWh) [76]. Cuộc khủng hoảng dầu mỏ thế giới xảy ra vào năm 1973 làm cho chi phí nhiên liệu hóa thạch tăng cao. Ngoài ra việc sử dụng năng lượng này gây phát thải nhiều khí gây hiệu ứng nhà kính làm cho trái đất nóng lên và gây ô nhiễm nặng nề. Năng lượng hạt nhân cũng được quan tâm phát triển, tuy nhiên nguồn năng lượng này cũng tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn do rò rỉ chất phóng xạ ra môi trường. Vì các lý do kể trên, công nghệ năng lượng tái tạo nói chung và công nghệ điện gió nói riêng lại tiếp tục được hồi sinh một cách mạnh mẽ. Hình 1.1 cho ta thấy tình hình phát triển công nghệ điện gió từ năm 1987 đến 2013 [6]. Nếu những năm 1980 các nhà sản xuất điện gió hàng đầu thế giới mới chỉ chế tạo được WT thương mại công suất đến 55kW - chiều cao (gồm cánh và cột trụ) đến 40m, thì gần đây người ta đã sản xuất được các WT công suất đến 10MW - chiều cao xấp xỉ 200m. 6
Hình 1.1. Tình hình phát triển công nghệ điện gió từ năm 1987 đến 2013 [6] 1.1.1. Điện gió nói chung Tính đến năm 2012, có khoảng 100 quốc gia trên thế giới đã đưa vào vận hành hệ thống điện gió với tổng công suất 282.275MW. Riêng trong năm 2012, lắp đặt được lượng công suất 44.609MW (tức 580TWh) và đáp ứng 3% tổng nhu cầu điện năng toàn cầu. Hình 1.2 là biểu đồ tăng trưởng công suất điện gió thế giới trong 10 năm gần đây (2002 - 2012) [37] [93]. Hình 1.2. Biểu đồ tăng trưởng công suất điện gió thế giới giai đoạn 2002 - 2012 Thị phần điện gió thế giới theo các châu lục tính đến năm 2012 được tổng hợp trong biểu đồ hình 1.3 [93]. Trong đó, Châu Á chiếm tỷ trọng lớn nhất (36,3%), tiếp sau lần lượt là: Bắc Mỹ (31,3%), Châu Âu (27,5%), Mỹ La Tinh (3,9%), Châu Đại Dương (0,8%) và Châu Phi (0,2%). 7