Xem mẫu
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8
TÍNH TOÁN TỔNG TRỞ SÓNG CỦA TUABIN GIÓ
DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
Nguyễn Văn Vinh
Trường Đại học Thủy lợi, email: vinhnv@tlu.edu.vn
1. ĐẶT VẤN ĐỀ thành phần dây dẫn sét trong cánh được xem
như là một hình trụ (Hình 1). Tổng trở sóng
Tuabin gió là thiết bị có độ cao lớn và
của cánh (Zb) và tháp (Zt) được tính bởi:
thường đặt ở những vị trí cô lập nên rất dễ bị
sét đánh. Nghiên cứu chỉ ra rằng, tua bin gió 2H b H
Z b 60.ln và Z t 60.ln 2 t (1)
càng cao thì tỷ lệ do sét đánh càng lớn, các sự rb rt
cố trên tuabin gió do sét gây ra mỗi năm có ở đây, Hb và rb là chiều dài và bán kính của
thể lên tới 36% [1]. Theo đó, hư hỏng trên hệ thành phần dẫn sét trong cánh; Ht và rt là
thống điều khiển chiếm tới 51%, hệ thống chiều cao và bán kính cơ sở của tháp.
điện là 20%, cánh là 10%, máy điện là 7%,
các thành phần khác là 12% [2].
Nhận thấy những vấn đề trên, việc tính
toán bảo vệ chống sét là cần thiết để hạn chế
những thiệt hại do sét gây ra thông qua việc
ước lượng trị số quá điện áp đặt lên từng
phần tử của tuabin gió. Những phần tử này
được biểu diễn thông qua một đại lượng điện
là tổng trở sóng tương đương. Việc xác định
chính xác đại lượng điện này cho phép ta ước
lượng được trị số quá điện áp do sét gây ra,
từ đó đề ra được các biện pháp bảo vệ chống
sét thích hợp cho các thiết bị trên tuabin gió.
Trong bài báo này, phương pháp phần tử Hình 1. Sơ đồ tương đương của tuabin gió
hữu hạn (FEM) được sử dụng để tính toán 2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)
tổng trở sóng của tuabin gió khi xét tới kích
thước thật và vật liệu làm tuabin gió. Quá Xuất phát từ công thức tính tổng trở sóng
trình xây dựng mô hình, mô phỏng, và tính được đề xuất bởi [4]:
toán dựa trên phần mềm COMSOL. Kết quả H
Z (2)
tính toán này được so sánh với phương giải c.CT
tích. Ngoài ra, bài báo cũng thảo luận sự tác ở đây, H là chiều cao của vật thể, c là vận tốc
động tương hỗ giữa các thành phần của ánh sáng trong chân không (3.108 m/s), CT là
tuabin gió (3 cánh, trục cánh và tháp) lên giá điện dung của vật thể.
trị tổng trở sóng, thay vì tính tổng trở sóng Trong bài báo này, điện dung của tuabin
độc lập cho cánh và tháp riêng lẻ.
gió được tính như sau:
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2W
CT (3)
U2
2.1. Phương pháp giải tích ở đây, U là điện áp kích thích đặt vào tuabin
Trong [3], tác giả coi thành phần tháp của gió (1V), W là năng lượng điện trường tích
tuabin gió như là một hình nón cụt trong khi lũy trong tuabin gió và được tính bằng FEM
564
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8
thông qua hàm phân bố thế x, y, z trong của tuabin gió theo thông số của hãng Vestas
miền khảo sát : V66-1.65MW (Bảng 1 và 2).
1 2
2
2
Bảng 1. Kích thước tuabin gió hãng Vestas
W x y z d (4)
2 x y z
Bước 1: Rời rạc hóa miền khảo sát
Miền khảo sát được chia thành các phần
tử ba chiều dạng tứ diện bậc một (Hình 2).
Bảng 2. Vật liệu tuabin gió hãng Vestas
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Tính tổng trở sóng độc lập
Hình 2. Phần tử tứ diện bậc một
Kết quả tính toán tổng trở sóng trên các
Bước 2: Lựa chọn hàm xấp xỉ thành phần độc lập cho cánh và tháp được
Hàm xấp xỉ được chọn là một hàm tuyến trình bày trong Bảng 3.
tính như sau:
Bảng 3. Tổng trở sóng của cánh và tháp
x, y,z 1 2 x 3 y 4 z (5)
Phân bố thế của phần tử [e] tại các nút
đỉnh của tứ diện:
i
j
e [ N i N j N k N l ]. N . (6) Nhận thấy rằng, tổng trở sóng tính bằng
k phương pháp phần tử hữu hạn trong cả hai
l trường hợp cho cánh và tháp đều cho kết quả
ở đây, N là hàm hình dạng và phụ thuộc vào nhỏ hơn phương pháp giải tích (14.53% và
hình dạng phần tử mà ta chia. 22.8%). Sự sai khác này là do trong phương
Bước 3: Xây dựng hệ phương trình đại số pháp giải tích, hình dạng thực và vật liệu làm
Năng lượng điện trường tích lũy trên tuabin gió không được tính đến, cụ thể:
tuabin gió được xác định bởi: Đối với cánh: hình dáng, kích thước, và
W m
W
e [ H ].{} 0 (7) vật liệu của vỏ cánh được bỏ qua. Hơn
e1 e
nữa, vật liệu dây dẫn sét không xét đến.
ở đây, m là số phần tử trong miền khảo sát Đối với tháp: việc tính toán giải tích đã
, H là ma trận tổng thể được xây dựng từ coi tháp là 1 hình nón cụt mà không xét
các ma trận con h .
e
đến độ dầy và vật liệu của tháp.
Bước 4: Giải hệ phương trình đại số Như vậy, nếu chỉ xét riêng rẽ từng thành
Để giải (7), phần mềm COMSOL dựa trên phần, phương pháp giải tích rõ ràng đã phóng
FEM được sử dụng để tính toán điện trường đại trị số tổng trở sóng của tuabin gió.
565
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8
3.2. Tính tổng trở sóng với mô hình đầy đủ cho cánh (từ 8Ω đến 10Ω). Điều này cho thấy
rằng, bản thân tháp là thiết bị có cấu trúc hình
Tổng trở sóng của cánh và tháp khi xét đến
học lớn nên ít chịu ảnh hưởng từ các thành
ảnh hưởng tương hỗ của các thành phần còn
phần khác. Khi xét với mô hình đầy đủ, tổng
lại của tuabin gió được tính toán. Kết quả
trở sóng của tháp tăng tới 18,54% (từ
tính toán trong Hình 3 và 4 cho thấy, tổng trở
195,57Ω lên 231,83Ω).
sóng của cánh và tháp đều tăng khi xét đến
ảnh hưởng của các thành phần còn lại của 4. KẾT LUẬN
tuabin gió. Tổng trở sóng tăng lên là do điện
dung của từng thành phần giảm đi khi có xét Tổng trở sóng của tuabin gió được tính
đến phần năng lượng tĩnh điện cảm ứng sang toán bởi hai phương pháp giải tích và phần tử
các thành phần lân cận. hữu hạn cho kết quả sai khác lớn. Phương
pháp giải tích có thể làm cho giá trị tổng trở
sóng tăng tới 20% khi không xét đến kích
thước hình học thực của cánh và tháp, đồng
thời bỏ qua phần vật liệu làm cánh và tháp.
Tổng trở sóng của tuabin gió khi xét trong
hai trường hợp với mô hình độc lập và đầy đủ
trên các thành phần cánh và tháp có sự khác
biệt lớn về kết quả. Điều này cho thấy rằng,
nếu biểu diễn mô hình tuabin gió càng đầy đủ
thì giá trị tổng trở sóng càng lớn. Do đó, việc
tính toán bảo vệ chống sét trong tuabin gió
Hình 3. Tổng trở sóng của cánh nên xem xét đến ảnh hưởng của toàn bộ các
kết cấu xung quanh lên trị số tổng trở sóng.
Các trị số tổng trở sóng của cánh và tháp
trong mô hình đầy đủ với mức tổng trở sóng
cao nhất nên được lấy để phục vụ cho việc
tính toán bảo vệ chống sét, từ đó có thể ước
lượng chính xác hơn trị số quá điện áp do sét
trong một tuabin gió.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bruce Glushakow (2007). Effective
lightning protection for wind turbine
generators. IEEE Transactions on Energy
Hình 4. Tổng trở sóng của tháp
Conversion, 22(1), pp. 214-222.
Tổng trở sóng của cánh khi xét đến ảnh [2] IEC TR 61400-24 (2002). Wind turbine
hưởng của các thành phần trục cánh và tháp generator systems - Part 24: Lightning
là lớn hơn cả so với các thành phần còn lại protection. IEC: Switzerland.
của tuabin gió (có độ dốc đồ thị lớn), điều [3] Romero, D (2004). Behaviour of the wind-
turbines under lightning strikes including
này phù hợp với thực tế bởi các thành phần
nonlinear grounding system. Proceedings of
này có cấu trúc lớn và được đặt gần cánh. the International Conference on Renewable
Khi xét mô hình đầy đủ, tổng trở sóng cánh Energies and Power Quality.
tăng tới 54,24% (từ 507,13Ω lên 782,21Ω). [4] CIGRE Working Group 33-01 (1991).
Tổng trở sóng của tháp khi xét đến ảnh Guide to procedures for estimating the
hưởng của từng cánh và trục cánh đặt lên lightning performance of transmission lines.
tháp là không lớn khi so với trường hợp tính CIGRE Brochure 63.
566
nguon tai.lieu . vn
