Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10687-13:2025 (hoàn toàn tương đương với tiêu chuẩn quốc tế IEC 61400-13:2015 cùng sửa đổi 1:2021) quy định về các yêu cầu kỹ thuật và phương pháp đo lường tải trọng cơ học đối với hệ thống phát điện gió. Mục tiêu cốt lõi của tiêu chuẩn này là cung cấp các hướng dẫn chuẩn hóa để thực hiện đo đạc, hiệu chuẩn, xác nhận dữ liệu và xử lý kết quả đo tải trọng cơ học nhằm kiểm tra, xác nhận mô hình tải trọng thiết kế của các loại tuabin gió.

Phạm vi và đối tượng áp dụng

Tiêu chuẩn này áp dụng đối với các tổ chức thử nghiệm, nhà sản xuất tuabin gió, cơ quan chứng nhận và các bên liên quan trong việc đánh giá an toàn cấu trúc, độ bền mỏi và hiệu suất động lực học của tuabin gió. Tiêu chuẩn tập trung chủ yếu vào tuabin gió trục ngang (HAWT), đồng thời cung cấp các hướng dẫn bổ sung cho tuabin gió ngoài khơi và tuabin gió trục đứng (VAWT).

1. Xác định các yếu tố hiệu chuẩn (Điều 8)

Hiệu chuẩn cảm biến tải trọng là bước bắt buộc để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu đo. Tiêu chuẩn quy định ba phương pháp hiệu chuẩn chính bao gồm hiệu chuẩn phân tích, hiệu chuẩn bằng tải trọng trọng lực và hiệu chuẩn bằng tải trọng bên ngoài:

• Mômen uốn của cánh: Việc hiệu chuẩn phân tích thường không khả thi do đặc tính vật liệu cánh phức tạp. Phương pháp ưu tiên là hiệu chuẩn bằng tải trọng trọng lực (quay rôto không tải ở các góc nghiêng cánh khác nhau hoặc cố định cánh nằm ngang và thay đổi góc pitch) hoặc đặt tải trọng bên ngoài đã biết tại một vị trí cụ thể dọc theo chiều dài cánh.
• Mômen trục chính: Hiệu chuẩn phân tích áp dụng cho các trục có mặt cắt ngang đồng đều và hệ số tập trung ứng suất thấp. Hiệu chuẩn trọng lực (chỉ áp dụng cho uốn) được thực hiện trong quá trình rôto quay chậm để xác định hệ số tỷ lệ và độ lệch. Mômen xoắn trục chính có thể được hiệu chuẩn bằng tải trọng bên ngoài hoặc gián tiếp thông qua đo công suất đầu ra và tốc độ rôto.
• Mômen uốn và xoắn tháp: Hiệu chuẩn trọng lực đối với mômen uốn tháp tận dụng sự lệch tâm của vỏ tuabin và rôto khi xoay vỏ tuabin 360 độ trong điều kiện gió nhẹ. Hiệu chuẩn phân tích và tải trọng bên ngoài cũng được áp dụng tùy thuộc vào cấu trúc tháp.
• Hiệu chuẩn các kênh không tải: Quy định chi tiết phương pháp hiệu chuẩn cho góc pitch cánh (so với dấu tham chiếu vật lý), góc phương vị rôto (sử dụng máy đo độ nghiêng hoặc khóa rôto), góc xoay hướng (yaw), hướng gió, tải dẫn động nghiêng cánh và mômen phanh.

2. Kiểm tra xác nhận dữ liệu đo lường (Điều 9)

Quá trình kiểm tra xác nhận dữ liệu nhằm đảm bảo các tín hiệu được đo chính xác và loại bỏ các dữ liệu lỗi trước khi tiến hành phân tích sâu hơn:

• Kiểm tra tổng quát: Loại bỏ các giá trị đo nằm ngoài giới hạn hoạt động của cảm biến hoặc hệ thống thu thập dữ liệu. Giám sát và xử lý hiện tượng trôi điểm không (drift) của cảm biến do ảnh hưởng của nhiệt độ. Kiểm tra thành phần tần số để phát hiện nhiễu điện từ và xác định tỷ lệ tín hiệu/nhiễu.
• Xử lý xung nhiễu và mất tín hiệu: Các xung nhiễu đơn lẻ (spikes) có thể được phục hồi bằng công thức nội suy từ các điểm lân cận hợp lệ; các bản ghi có quá nhiều xung nhiễu liên tiếp không thể phục hồi phải bị loại bỏ. Kiểm tra và loại bỏ dữ liệu bị phẳng (flat points) hoặc mất tín hiệu tạm thời.
• Kiểm tra đối chiếu đặc thù: Đối với mômen cánh, tổng mômen xoắn trong mặt phẳng tại gốc cánh phải tương đương với mômen xoắn trục chính. Đối với trục chính, công suất đầu ra phải khớp với mômen xoắn trục chính nhân với tốc độ rôto và hiệu suất truyền động. Đối với tháp, hai mômen uốn tháp ở cùng cao độ phải có dạng hàm sin lệch pha khi xoay vỏ tuabin 360 độ ở tốc độ gió thấp.

3. Xử lý dữ liệu đo được (Điều 10)

Dữ liệu chuỗi thời gian sau khi hiệu chuẩn và xác nhận cần được xử lý để cung cấp các thông số thống kê và mỏi:

• Các đại lượng tải trọng cơ bản: Đối với mỗi tệp dữ liệu 10 phút, phải tính toán các giá trị tối thiểu, tối đa, trung bình, độ lệch chuẩn, tải trọng tương đương gây hư hỏng (DEL) và phổ dòng mưa tích lũy.
• Tuabin công suất lớn: Đối với tuabin có công suất lớn hơn 1.500 kW và đường kính rôto lớn hơn 75 m, cần xử lý thêm các đại lượng động lực học như tần số xoắn cánh, gia tốc trước-sau và bên-bên tại đỉnh tháp.
• Phát hiện xu hướng tốc độ gió: Sự biến đổi chậm của tốc độ gió trong khoảng 10 phút có thể làm sai lệch cường độ nhiễu động. Tiêu chuẩn yêu cầu sử dụng các bộ lọc thông cao (như bộ lọc Butterworth bậc 3 hoặc hàm trung bình làm phẳng) để nhận diện và báo cáo các tập dữ liệu có xu hướng tốc độ gió mà không loại bỏ chúng.
• Phương pháp đếm dòng mưa (Rainflow Counting) và DEL: Sử dụng phương pháp đếm dòng mưa với ít nhất 100 phân chia phạm vi tải để xác định phổ tải mỏi tích lũy. Tải trọng phá hủy tương đương (DEL) được tính toán dựa trên độ dốc đường cong S-N (m) đặc trưng của vật liệu (ví dụ: m = 3 hoặc 5 cho thép hàn, m = 10 hoặc 12 cho nhựa gia cố sợi thủy tinh).
• Phân bin tốc độ gió: Dữ liệu thống kê được phân loại vào các bin tốc độ gió cách nhau 1,0 m/s để tính toán giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và các giá trị cực trị trong từng bin.

4. Ước lượng độ không đảm bảo (Điều 11)

Độ không đảm bảo của tất cả các đại lượng được báo cáo phải được đánh giá toàn diện, bao gồm các nguồn sai số từ cảm biến, ảnh hưởng lắp đặt, hiệu chuẩn, ổn định tín hiệu và hệ thống thu thập dữ liệu (DAS). Tiêu chuẩn hướng dẫn kết hợp độ không đảm bảo Loại A (đánh giá bằng phương pháp thống kê các phép đo lặp lại) và Loại B (đánh giá bằng phương pháp phi thống kê dựa trên chứng nhận hiệu chuẩn, thông số nhà sản xuất hoặc phân tích lý thuyết) để tính toán độ không đảm bảo chuẩn tổng hợp.

5. Yêu cầu về báo cáo thử nghiệm (Điều 12)

Báo cáo thử nghiệm tải trọng cơ học phải được trình bày chi tiết và minh bạch, bao gồm các nội dung bắt buộc sau:

• Thông tin giới thiệu, mục đích và thời gian thử nghiệm.
• Mô tả chi tiết cấu hình tuabin gió thử nghiệm (nhà sản xuất, loại cánh, chiều cao hub, hệ thống điều khiển).
• Mô tả vị trí thử nghiệm kèm theo bản đồ địa hình, vị trí cột đo khí tượng và các chướng ngại vật xung quanh.
• Danh sách các kênh đo, hệ tọa độ sử dụng và thông số kỹ thuật của thiết bị đo, hệ thống DAS.
• Tiêu chí loại bỏ, phân loại dữ liệu và các phương pháp xử lý sau đo (lọc, đếm dòng mưa, phát hiện xu hướng).
• Kết quả thử nghiệm dưới dạng đồ thị và bảng biểu đối với vận hành bình thường, sự kiện quá độ (khởi động, dừng bình thường) và điều kiện dừng tuabin.
• Bảng tổng hợp đánh giá độ không đảm bảo chuẩn tổng của các đại lượng đo và tải trọng tương đương mỏi (DEL).

6. Các Phụ lục hướng dẫn kỹ thuật chuyên sâu

Tiêu chuẩn đi kèm các phụ lục từ A đến J nhằm cung cấp các công cụ toán học và hướng dẫn thực hành chi tiết:

• Phụ lục A (Hệ tọa độ): Định nghĩa các hệ tọa độ Đề-các tay phải chuẩn hóa cho cánh, hub, vỏ tuabin và tháp, giúp thống nhất việc chuyển đổi dữ liệu đo lường giữa các bộ phận quay và cố định.
• Phụ lục B (Quy trình đánh giá độ không đảm bảo): Cung cấp các công thức toán học cụ thể để tính toán độ không đảm bảo hiệu chuẩn, độ không đảm bảo tín hiệu, độ không đảm bảo của giá trị trung bình bin và ma trận hiệu chuẩn (bao gồm cả việc xử lý hiệu ứng xuyên âm - crosstalk giữa các hướng đo).
• Phụ lục D (Khuyến nghị cho phép đo ngoài khơi): Đưa ra các chỉ dẫn đặc thù cho tuabin gió ngoài khơi, bao gồm việc sử dụng thiết bị đo từ xa (LIDAR), đo đạc tương tác giữa sóng và kết cấu đỡ (chiều cao, chu kỳ, hướng sóng, dòng chảy) và điều chỉnh ma trận thu thập dữ liệu.
• Phụ lục E (Xác nhận mô hình tải trọng): Hướng dẫn quy trình so sánh giữa kết quả mô phỏng khí động đàn hồi và dữ liệu đo thực tế thông qua phân bin thống kê, mật độ phổ công suất (PSD), phổ mỏi và so sánh từng điểm (time-series) đối với các sự kiện quá độ.
• Phụ lục F (Phương pháp nhận diện xu hướng tốc độ gió): Mô tả chi tiết các thuật toán lọc thông cao và thông thấp để phát hiện các tập dữ liệu bị ảnh hưởng bởi biến động tốc độ gió tần số thấp, giúp nâng cao độ chính xác khi xác nhận mô hình tải trọng.
• Phụ lục G (Hệ thống thu thập dữ liệu - DAS): Quy định các yêu cầu kỹ thuật đối với DAS, bao gồm độ phân giải bộ chuyển đổi A/D (tối thiểu 16-bit), bộ lọc chống chồng phổ (anti-aliasing) và cách xác định tần số lấy mẫu tối thiểu dựa trên các tần số riêng quan trọng của tuabin (uốn cánh, xoắn tháp, uốn trục).
• Phụ lục H (Hiệu chuẩn tải trọng): Cung cấp các ví dụ thực tế về quy trình hiệu chuẩn tải trọng trọng lực của uốn cánh, hiệu chuẩn phân tích mômen uốn tháp và hiệu chuẩn tải trọng bên ngoài của mômen rôto.
• Phụ lục I (Biến thiên nhiệt độ): Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến cảm biến biến dạng trên cánh tuabin và khuyến nghị lắp đặt cảm biến nhiệt độ cục bộ để xây dựng hàm hiệu chuẩn bù trừ độ trôi nhiệt độ.
• Phụ lục J (Đo tải trọng trên tuabin gió trục đứng - VAWT): Hướng dẫn đo tải trọng cơ học đặc thù cho tuabin kiểu Darrieus, định nghĩa hệ tọa độ trụ và danh sách các đại lượng tải trọng cơ bản cần đo (mômen uốn tiếp tuyến, uốn thẳng đứng tại điểm nối cánh và thanh kết nối).

Hiệu lực thi hành

Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 10687-13:2025 có hiệu lực kể từ ngày ban hành. Việc áp dụng tiêu chuẩn này giúp đồng bộ hóa phương pháp thử nghiệm tải trọng cơ học của Việt Nam với các tiêu chuẩn quốc tế tiên tiến, hỗ trợ đắc lực cho công tác thiết kế, thử nghiệm và chứng nhận các dự án điện gió trên bờ và ngoài khơi.