Máy biến áp tăng áp cho trang trại điện gió: Cách chọn công suất (0,69 kV → 33 kV), Vì sao sóng hài từ tuabin quyết định thông số kỹ thuật, và Những khác biệt giữa trên bờ và ngoài khơi

Câu trả lời trước tiên: một trang trại gió tăng điện áp theo hai giai đoạn — định cỡ máy biến áp của tuabin theo kVA của máy phát và nhiệm vụ sóng hài, còn máy biến áp của trang trại theo tổng công suất đồng thời và yêu cầu của quy chuẩn lưới điện

Một trang trại gió tăng điện áp theo hai giai đoạn. Máy biến áp tăng áp của tuabin (còn gọi là máy biến áp WTG hay máy biến áp đơn vị) nâng điện áp thấp của máy phát — thường là 0,69 kV, hoặc 0,9–1,14 kV trên những máy lớn nhất — lên điện áp thu gom của trang trại là 20 kV, 33 kV hoặc 35 kV, và được định cỡ theo công suất biểu kiến định mức tính bằng kVA của máy phát (không phải công suất tác dụng tính bằng kW), với một biên dự phòng nhỏ cho nhiệt độ môi trường và phát nóng do sóng hài. Sau đó máy biến áp của trang trại (trạm biến áp) nâng toàn bộ thanh cái thu gom từ 33 kV lên mức đấu nối lưới điện là 110 kV, 132 kV hoặc 220 kV, được định cỡ theo tổng công suất đầu ra của trang trại đã hiệu chỉnh theo hệ số đồng thời thay vì tổng công suất danh định của từng tuabin. Ba điểm phân biệt máy biến áp gió với máy biến áp phân phối thông thường: sóng hài từ bộ biến đổi làm tăng tổn thất trong cuộn dây, chế độ làm việc chu kỳ theo gió khiến tổn thất không tải chi phối chi phí vòng đời, và điều kiện lắp đặt khắc nghiệt — sương muối ngoài khơi, độ cao trên bờ, và chu kỳ nhiệt rộng. Chỉ định đúng ba yếu tố này thì máy biến áp sẽ tồn tại qua tuổi thọ thiết kế 20 năm của tuabin.

Những điểm chính cần nắm

• Hai giai đoạn, hai quy tắc định cỡ. Máy biến áp WTG được định cỡ theo công suất biểu kiến của máy phát (thường bằng 1,0–1,1 lần kVA của máy phát); máy biến áp của trang trại được định cỡ theo tổng công suất đầu ra của trang trại sử dụng hệ số đồng thời/đa dạng, không phải tổng số học của tất cả công suất định mức tuabin.
• Sóng hài quyết định mức giảm định mức nhiệt. Cả tuabin dùng bộ biến đổi toàn phần (Loại 4) và tuabin nguồn kép (Loại 3) đều bơm méo dạng dòng điện; hãy chỉ định định mức hệ số K hoặc mức giảm định mức IEEE C57.110 có tài liệu chứng minh, kèm theo một màn chắn tĩnh điện giữa cuộn dây máy phát hạ áp và cuộn dây thu gom trung áp.
• Chế độ làm việc của gió mang tính chu kỳ, không ổn định. Công suất đầu ra bám theo gió, nên tổn thất không tải (tổn thất sắt) chạy hàng nghìn giờ mỗi năm trong khi tổn thất có tải chỉ chạy khi gió mạnh — một cấp tổn thất tốt hơn (S13/S20) hoặc lõi vô định hình thường được biện minh dựa trên chi phí vòng đời.
• Ngoài khơi thay đổi chủng loại, không chỉ vỏ bọc. Các thiết bị gắn trên vỏ tuabin có xu hướng chuyển sang thiết kế khô hoặc ngâm ester với bảo vệ ăn mòn C5-M và vỏ kín đạt cấp IP; máy biến áp thu gom trên bờ thường là thiết bị ngâm dầu kiểu đặt trên bệ.
• Tuân thủ quy chuẩn lưới điện là một yêu cầu của máy biến áp. Khả năng chịu điện áp thấp, khả năng công suất phản kháng, giới hạn sóng hài và phối hợp mức sự cố đều quy chiếu ngược lại vào tổng trở, dải đầu phân áp và thiết kế nhiệt.

Vì sao máy biến áp tuabin gió không phải là máy biến áp phân phối tiêu chuẩn

Máy biến áp phân phối hạ điện áp từ một lưới điện hạ áp ổn định xuống cho khách hàng và vận hành gần với tải ổn định. Máy biến áp tuabin gió làm gần như ngược lại. Nó nhận đầu ra hạ áp của một máy phát điện tử công suất và nâng lên điện áp thu gom dưới ba điều kiện định hình lại thiết kế.

Thứ nhất, nguồn có nhiều sóng hài. Một tuabin quy mô điện lực hoặc là máy phát cảm ứng nguồn kép (Loại 3), với bộ biến đổi phía rôto bơm sóng hài bậc thấp, hoặc là máy dùng bộ biến đổi toàn phần (Loại 4), với stato được cấp hoàn toàn qua một bộ biến đổi đóng cắt ở tần số cao. Cả hai đều bị ràng buộc bởi các giới hạn chất lượng điện năng xác định — méo dạng dòng điện tại điểm đấu nối được điều chỉnh bởi IEEE 519 và IEC 61000-3-6, và đặc tính tuabin được đo theo IEC 61400-21 — nhưng ngay cả những máy tuân thủ vẫn để lại gợn đóng cắt và sóng hài bậc thấp (bậc 5, 7, 11, 13) làm tăng tổn thất dòng xoáy và tổn thất tản trong cuộn dây máy biến áp. Đó chính là cơ chế đằng sau phát nóng do sóng hài trong máy biến áp và lựa chọn hệ số K.

Thứ hai, tải bám theo gió. Máy biến áp tuabin được cấp điện bất cứ khi nào máy khả dụng — thường hơn 8.000 giờ mỗi năm — nhưng chỉ đạt tải đầy đủ khi gió mạnh. Vì vậy tổn thất không tải của nó tích lũy gần như mọi giờ trong năm, trong khi tổn thất có tải chỉ tích lũy một phần thời gian. Sự bất đối xứng đó định hình lại lập luận về hiệu suất, đúng như đối với máy biến áp tăng áp điện mặt trời.

Thứ ba, môi trường khắc nghiệt. Các thiết bị ngoài khơi đối mặt với không khí nhiễm muối, độ ẩm cao và bảo trì hạn chế; các thiết bị trên bờ nằm ở thảo nguyên, sa mạc, vùng núi và ven biển với nhiệt độ môi trường cao hoặc rất thấp, bức xạ mặt trời gay gắt và biên độ nhiệt ngày đêm rộng. Một máy biến áp được thiết kế cho phòng trong nhà 25 °C không tự động phù hợp với bệ đặt ngoài trời 45 °C hay một điểm khởi động lạnh −30 °C.

Cách định cỡ máy biến áp tăng áp của tuabin gió (WTG): phương pháp ba bước

Phép tính thì đơn giản; chọn đúng các thông số đầu vào mới khó.

Bước 1 — Bắt đầu từ công suất biểu kiến định mức của máy phát (kVA)

Dùng công suất biểu kiến định mức của máy phát, không phải công suất tác dụng định mức. Một tuabin 5 MW vận hành ở hệ số công suất 0,95 đưa khoảng 5,26 MVA vào máy biến áp của nó; một máy 6 MW ở cùng hệ số công suất đưa khoảng 6,32 MVA. Định cỡ chỉ theo MW sẽ đánh giá thấp dòng điện mà cuộn dây phải mang.

Bước 2 — Thêm biên dự phòng cho nhiệt độ môi trường, độ cao và sóng hài

Áp dụng một biên thiết kế — thường là 5–15% làm điểm khởi đầu — cho nhiệt độ môi trường ngày nóng của địa điểm, độ cao (làm giảm khả năng làm mát bằng không khí, xem hướng dẫn giảm định mức theo độ cao) và hàm lượng sóng hài của máy. Làm tròn lên cấp định mức tiêu chuẩn kế tiếp, ví dụ 5,5 MVA hoặc 6,3 MVA cho tuabin cấp 5 MW. Định cỡ quá lớn vượt khoảng 15% chủ yếu chỉ làm tăng tổn thất không tải và chi phí.

Bước 3 — Chốt chỉ định sóng hài, nhiệt và đầu phân áp

Đặt hệ số K (hoặc mức giảm định mức IEEE C57.110 có tài liệu chứng minh), độ tăng nhiệt cuộn dây và cấp cách điện theo nhiệt độ môi trường thiết kế, cấp làm mát (ONAN cho ngâm dầu, AN cho kiểu khô), và dải đầu phân áp không tải — thường là ±2 × 2,5% — để có thể tinh chỉnh điện áp thu gom khi điều kiện lưới thay đổi. Thêm một màn chắn tĩnh điện giữa cuộn dây hạ áp và trung áp để tách biệt nhiễu loạn phía bộ biến đổi và phía lưới. Các yêu cầu chung được quy định bởi IEC 60076-16 (máy biến áp cho ứng dụng tuabin gió), với IEC 60076-1 và IEEE C57.12.00 là các tiêu chuẩn cấp trên.

Cách định cỡ máy biến áp trang trại gió (trạm biến áp)

Bước 1 — Cộng tổng công suất xoay chiều của trang trại, rồi áp dụng hệ số đa dạng

Cộng tổng công suất xoay chiều của trang trại tại điểm đấu nối chung, rồi áp dụng một hệ số đồng thời (đa dạng): không phải mọi tuabin đều sản xuất công suất danh định tại cùng một thời điểm, ngay cả trong một dàn được bố trí tốt. Một trang trại gồm hai mươi tuabin 5 MW (100 MW lắp đặt) có thể đạt công suất đồng thời khoảng 90–97% công suất lắp đặt trong điều kiện gió lý tưởng, nên cơ sở thiết kế của máy biến áp trang trại là công suất phát đỉnh đã được nghiên cứu của địa điểm, không phải tổng số học của công suất định mức máy biến áp từng tuabin.

Bước 2 — Chuyển sang kVA và làm tròn đến cấp tiêu chuẩn

Chuyển công suất xoay chiều đồng thời tính bằng MW sang MVA sử dụng hệ số công suất theo hợp đồng của trang trại (thường là 0,95 trễ đến 0,95 sớm theo các quy chuẩn lưới hiện đại), rồi làm tròn lên cấp định mức tiêu chuẩn — ví dụ một trang trại 100 MW ở hệ số công suất 0,95 cho khoảng 105 MVA, nên một thiết bị 120 MVA hoặc 125 MVA là lựa chọn điển hình.

Bước 3 — Chỉ định tổng trở, đầu phân áp và làm mát để tuân thủ quy chuẩn lưới

Đặt điện áp tổng trở (Uk%) để cân bằng giữa hạn chế mức sự cố với điều chỉnh điện áp và khả năng chịu điện áp thấp (thường là 10–14% cho thiết bị cấp 110–220 kV); chọn điều chỉnh đầu phân áp có tải hoặc không tải theo yêu cầu về dải điện áp và công suất phản kháng của quy chuẩn lưới; và xác nhận cấp làm mát và đặc tính quá tải theo khả năng phản kháng yêu cầu. Máy biến áp không được làm suy yếu khả năng chịu sự cố hoặc tuân thủ công suất phản kháng của trang trại — đây là vấn đề hệ thống, không phải lựa chọn từ catalogue.

Kiến trúc điện áp: từ 0,69 kV đến 220 kV trong hai giai đoạn

Vị trí của mỗi máy biến áp quyết định tỷ số và công suất định mức của nó. Bốn cách bố trí bao quát gần như mọi trang trại gió trên bờ và ngoài khơi.

Điện áp thu gom trên bờ tập trung quanh 33 kV (châu Âu và phần lớn châu Á), 34,5 kV (Bắc Mỹ), 35 kV (Trung Quốc) và 20 kV; mức đấu nối lưới do đơn vị vận hành truyền tải địa phương lựa chọn. Ngoài khơi, điện áp thu gom thường tăng lên 66 kV để giảm tổn thất cáp, và điện áp xuất tuyến được đặt theo chiều dài cáp và lưới điện trên bờ.

Sóng hài từ bộ biến đổi và hệ số K: vì sao tuabin hiện đại làm nóng máy biến áp

Loại tuabin quyết định phổ sóng hài mà máy biến áp phải chịu đựng.

• Loại 3 — máy phát cảm ứng nguồn kép (DFIG). Stato được đấu nối trực tiếp, nên máy biến áp chủ yếu thấy sóng hài bậc thấp (bậc 5, 7, 11, 13) từ bộ biến đổi phía rôto có định mức một phần. Méo dạng ở mức trung bình nhưng dai dẳng.
• Loại 4 — bộ biến đổi toàn phần. Đầu ra máy phát được chỉnh lưu hoàn toàn và nghịch lưu lại, nên máy biến áp thấy gợn tần số đóng cắt cộng với các dải biên bậc thấp mà độ lớn phụ thuộc vào cấu trúc bộ biến đổi và bộ lọc của nó. Tổng méo dạng thường thấp hơn, nhưng thành phần tần số cao phong phú hơn.

Tổn thất dòng xoáy và tổn thất tản tăng theo bình phương dòng điện sóng hài và theo tần số, nên một máy biến áp định mức cho sóng sin thuần sẽ chạy nóng hơn so với công suất danh định của nó khi mang tải bộ biến đổi. Hai lựa chọn chỉ định xử lý điều này: định mức hệ số K (K-4 đến K-9 bao quát hầu hết tuabin hiện đại) hoặc một thiết bị tiêu chuẩn với mức giảm định mức IEEE C57.110 có tài liệu chứng minh. Cả hai nên đi kèm với một màn chắn tĩnh điện giữa cuộn dây hạ áp và trung áp, đồng thời bảo vệ bộ biến đổi tuabin khỏi quá điện áp quá độ phía lưới. Về các phương pháp cơ bản, xem hướng dẫn sóng hài và hướng dẫn hệ số K.

Chế độ làm việc chu kỳ theo gió và kinh tế tổn thất: cấp tổn thất nào hoàn vốn

Chu kỳ làm việc của máy biến áp tuabin bị chi phối bởi số giờ, không phải bởi tải. Nó được cấp điện bất cứ khi nào máy khả dụng, và tổn thất không tải (P0) tích lũy mỗi giờ trong số đó, trong khi tổn thất có tải (Pk) chỉ tích lũy trong quá trình phát điện có tải. Tại một địa điểm có hệ số công suất, chẳng hạn 35%, máy biến áp có thể chỉ chạy gần đầy tải một phần nhỏ trong năm. Đó là lý do các tính toán chi phí vòng đời cho máy biến áp gió đánh trọng số tổn thất không tải nặng hơn so với máy biến áp công nghiệp — và là lý do một cấp tổn thất tốt hơn (S13 hoặc S20), hoặc một lõi kim loại vô định hình, có thể hoàn vốn trong vài năm bất chấp chi phí ban đầu cao hơn. Phương pháp này cũng chính là phương pháp được trình bày trong hướng dẫn TCO, và sự đánh đổi giữa các cấp tổn thất được đề cập trong so sánh S11/S13/S20 và hướng dẫn lõi vô định hình.

Hai hệ quả nhiệt kéo theo từ chế độ làm việc chu kỳ: chu kỳ nhiệt hàng ngày (giãn nở và co lại của cuộn dây và cách điện, làm lão hóa cách điện giấy và có thể làm lỏng kẹp theo thời gian) và đóng cắt quạt hoặc làm mát cưỡng bức nếu dùng ONAF. Cả hai đều đòi hỏi kẹp chắc chắn, độ tăng nhiệt cuộn dây thận trọng, và thiết kế làm mát không phụ thuộc vào việc đóng cắt thường xuyên. Các nguyên lý cơ bản về tuổi thọ cách điện được đề cập trong hướng dẫn cấp cách điện.

Trên bờ so với ngoài khơi: những gì thay đổi trong chỉ định

Các thiết bị ngoài khơi còn mang yêu cầu về địa chấn và rung động, nhiệt độ khởi động lạnh rất thấp ở một số vùng, và giới hạn tải cháy chặt chẽ hơn bên trong vỏ tuabin. Trên bờ, các vấn đề thực tế lớn nhất là giảm định mức theo độ cao, bụi và côn trùng trong ống làm mát, và ẩm và sự xâm nhập của loài gặm nhấm trong thiết kế đặt trên bệ. Đối với hệ thống dầu, lựa chọn giữa bình giãn dầu và thùng kín hoàn toàn được đề cập trong hướng dẫn bảo quản dầu, và lựa chọn dầu trong hướng dẫn dầu máy biến áp.

Danh mục kiểm tra chỉ định máy biến áp trang trại gió

• Cơ sở thiết kế là công suất biểu kiến của máy phát (kVA) tại hệ số công suất định mức, với biên dự phòng cho nhiệt độ môi trường ngày nóng và độ cao được nêu riêng.
• Tỷ số điện áp cố định: hạ áp 0,69 / 0,9 / 1,14 kV lên thu gom 20 / 33 / 35 / 66 kV — một giai đoạn hoặc hai giai đoạn.
• Hệ số K hoặc mức giảm định mức IEEE C57.110 có tài liệu chứng minh phù hợp với loại tuabin (Loại 3 hoặc Loại 4).
• Màn chắn tĩnh điện giữa cuộn dây hạ áp và trung áp.
• Tổ đấu dây — Dyn11 là mặc định phổ biến; xác nhận lại theo thiết kế nối đất và bảo vệ của trang trại (xem hướng dẫn tổ đấu dây).
• Điện áp tổng trở (Uk%) được đặt để cân bằng mức sự cố, điều chỉnh điện áp và khả năng chịu điện áp thấp.
• Đầu phân áp không tải (±2 × 2,5%) để tinh chỉnh điện áp thu gom; chỉ dùng điều chỉnh đầu phân áp có tải nếu quy chuẩn lưới yêu cầu.
• Cấp tổn thất hoặc lõi vô định hình được chọn theo chi phí tổn thất không tải vòng đời, không phải chi phí ban đầu.
• Cấp làm mát và nhiệt độ môi trường thiết kế phù hợp với địa điểm (ví dụ thiết kế ngày nóng 45–50 °C).
• Cấp ăn mòn (C4 trên bờ / C5-M ngoài khơi theo ISO 12944), cấp IP và thiết kế kín.
• Chống sét van và bảo vệ được phối hợp với mức sự cố của máy biến áp và định mức tuabin (xem hướng dẫn chống sét và hướng dẫn thiết bị bảo vệ).
• Thử nghiệm điển hình và thử nghiệm thường quy theo IEC 60076-16 cùng bộ tiêu chuẩn cấp trên IEC 60076, với thử nghiệm nghiệm thu tại nhà máy trước khi giao hàng (xem danh mục kiểm tra trước khi giao hàng) và đánh giá nhà sản xuất đã được xác minh (xem danh mục kiểm tra đánh giá nhà cung cấp).

Các câu hỏi thường gặp về máy biến áp trang trại gió

Làm thế nào để tính công suất định mức kVA của máy biến áp tuabin gió?

Chia công suất tác dụng định mức của tuabin cho hệ số công suất của nó để có công suất biểu kiến, rồi thêm biên 5–15% cho nhiệt độ môi trường, độ cao và sóng hài và làm tròn lên cỡ tiêu chuẩn. Một tuabin 5 MW ở hệ số công suất 0,95 là khoảng 5,26 MVA, nên máy biến áp 5,5 MVA hoặc 6,3 MVA là lựa chọn điển hình.

Máy biến áp tuabin gió là ngâm dầu hay kiểu khô?

Trên bờ, máy biến áp ngâm dầu đặt trên bệ hoặc chân tháp là chuẩn mực. Ngoài khơi, và đặc biệt bên trong vỏ tuabin, thiết bị kiểu khô hoặc ngâm ester được ưu tiên vì chúng giảm tải cháy và nguy cơ tràn dầu ở một vị trí khó tiếp cận để bảo trì.

Vì sao trang trại gió dùng hai giai đoạn máy biến áp?

Điện áp của máy phát (khoảng 0,69 kV) quá thấp để truyền tải khắp trang trại, nên mỗi tuabin tăng áp lên một thanh cái thu gom cấp 33 kV và một máy biến áp trung tâm nâng thanh cái thu gom lên mức lưới 110–220 kV. Truyền tải ở điện áp thu gom giữ tổn thất cáp và cỡ cáp ở mức hợp lý.

Sự khác biệt giữa máy biến áp WTG và máy biến áp trạm biến áp trang trại gió là gì?

Máy biến áp WTG (đơn vị) nâng đầu ra của một tuabin lên điện áp thu gom và được định cỡ theo công suất biểu kiến của tuabin đó. Máy