Phân tích đặc tính sự kiện lõm điện áp trên lưới điện phân phối

Bài viết Phân tích đặc tính sự kiện lõm điện áp trên lưới điện phân phối trình bày phương pháp nghiên cứu, phân tích và đánh giá đặc điểm sự kiện lõm điện áp trên lưới điện phân phối (LĐPP) với sự hỗ trợ của công cụ Matlab/Simulink.

Ngô Minh Khoa, Đinh Thành Việt, Nguyễn Hữu Hiếu 10 PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH SỰ KIỆN LÕM ĐIỆN ÁP TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ANALYZING THE CHARACTERISTICS OF VOLTAGE SAG IN POWER DISTRIBUTION NETWORK Ngô Minh Khoa1, Đinh Thành Việt2, Nguyễn Hữu Hiếu2 Trường Đại học Quy Nhơn; Email: nmkhoaqnu@gmail.com Đại học Đà Nẵng; Email: dtviet@ac.udn.vn; huuhieu019@yahoo.com Tóm tắt - Bài báo trình bày phương pháp nghiên cứu, phân tích đánh giá đặc điểm kiện lõm điện áp lưới điện phân phối (LĐPP) với hỗ trợ công cụ Matlab/Simulink Việc nghiên cứu cố gây lõm điện áp thường gặp hệ thống điện (HTĐ) ngắn mạch (NM), khởi động động không đồng (ĐCKĐB) cỡ lớn, … để phân tích, đánh giá xác định tham số đặc trưng lõm điện áp dựa công cụ mô SimPowerSystems Matlab/Simulink Đồng thời báo trình bày việc nghiên cứu ảnh hưởng hệ thống bảo vệ rơle (BVRL) đến thời gian tồn kiện lõm điện áp Ngồi ra, đặc tính khác lõm điện áp dịch góc pha hình dáng lõm điện áp nghiên cứu phân tích Các kết nghiên cứu kiện lõm điện áp góp phần tăng cường nhận thức khả ngăn chặn xuất LĐPP, giúp đảm bảo nâng cao chất lượng điện năng, mang lại hài lòng cho người sử dụng điện Abstract - This paper presents an approach to researching, analyzing and evaluating the characteristics of voltage sag in power distribution network by using the Matlab/Simulink tool A study of common events that caused voltage sag in the power system such as fault, starting of large induction motor, etc conducted to analyze, evaluate and determine the characteristic parameters of voltage sag has been carried out basing on the power system simulation toolbox, Sim Power Systems of Matlab/Simulink In addition, the effects of relay protection systems on the duration of voltage sags have also been conducted in this paper Moreover, other characteristics of the voltage sag such as phase-angle jump and shape of voltage sag have been investigated and analyzed The research results on voltage sag will help improve people’s awarenesss and prevent the appearance of voltage sag in the distribution network, ensuring and enhancing power quality and bringing satisfaction to electricity customers Từ khóa - lõm điện áp; lưới điện phân phối; chất lượng điện áp; dao động điện áp; ngắn mạch; bảo vệ rơle Key words - voltage sag; distribution network; voltage quality; voltage disturbance; fault; relay protection Đặt vấn đề Lõm điện áp kiện chất lượng điện nguy hại chúng ảnh hưởng đến vận hành nhiều thiết bị điện nơi tiêu thụ Đây tượng giảm trị hiệu dụng điện áp khoảng thời gian ngắn gây cố NM, tăng tải khởi động ĐCKĐB cỡ lớn [1, 2] Nguyên nhân thông thường gây lõm điện áp NM Các cố NM đường dây (ĐD) truyền tải phân phối ảnh hưởng đến số lượng lớn nhỏ khách hàng NM ĐD truyền tải ảnh hưởng đến thiết bị điện nhạy cảm lên tới hàng trăm km tính từ vị trí cố [3] Đối với ĐD truyền tải phân phối, lõm điện áp NM xuất tuyến song song gây tác động nhầm thiết bị khách hàng cơng nghiệp [4] Do đó, báo cố NM khảo sát để phân tích đặc điểm lõm điện áp Các ĐCKĐB cỡ lớn ứng dụng rộng rãi công nghiệp khởi động động gây lõm điện áp [5] Trong trường hợp này, lõm điện áp có hình dáng khơng phải hình chữ nhật gây giá trị dòng điện khởi động động tăng cao Do đó, khởi động ĐCKĐB khảo sát để nghiên cứu hình dáng lõm điện áp Lõm điện áp đặc trưng biên độ, thời gian tồn tại, dịch góc pha hình dáng Để thiết lập đặc tính này, cần nghiên cứu khảo sát thông sốcủa HTĐ trình xảy cố NM, khởi động ĐCKĐB cỡ lớn, tăng tải,… Trong báo này, lõm điện áp mô cách sử dụng công cụ SimPowerSystems Matlab Simulink với kịch nghiên cứu là: NM có xét khơng có xét đến BVRL, dịch góc pha khởi động ĐCKĐB cỡ lớn Đặc tính kiện lõm điện áp Lõm điện áp có đặc điểm trình bày hình Hình Các đặc tính lõm điện áp + Lõm điện áp: Sự giảm giá trị hiệu dụng (rms) điện áp xuống giá trị từ 0,1 đến 0,9 pu tần số khoảng thời gian từ 0,5 chu kì đến phút [6] + Biên độ: Giá trị hiệu dụng nhỏ điện áp suốt kiện lõm điện áp [1, 2] + Thời gian tồn tại: Là khoảng thời gian mà giá trị hiệu dụng điện áp nhỏ ngưỡng (0,9 pu) [1, 2] + Dịch góc pha: Sự khác góc pha điện áp xảy kiện lõm điện áp góc pha điện áp trước xảy kiện [1, 2] + Hình dáng: Định nghĩa thay đổi trị hiệu dụng điện áp suốt kiện lõm điện áp Tùy theo hình dáng chúng mà lõm điện áp phân loại thành:lõm điện áp hình chữ nhật (giá trị điện áp trị hiệu dụng số) lõm điện áp khơng hình chữ nhật (giá trị điện áp trị hiệu dụng thay đổi) [1, 7] + Điểm sóng lúc xảy lõm điện áp: Là góc pha TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 7(80).2014 sóng điện áp thời điểm bắt đầu xảy lõm điện áp [1, 2] + Điểm sóng lúc phục hồi điện áp: Là góc pha sóng điện áp thời điểm điện áp trở lại bình thường [1, 2] + Điện áp trước cố: Là giá trị điện áp trước xảy lõm điện áp [1, 2] Các kịch điển hình HTĐ nghiên cứu cách sử dụng công cụ mô để xác định tham số cần quan tâm dựa theocác tiêu chuẩn sau [8]: + Thời gian tồn lõm điện áp phụ thuộc vào thời gian cô lập cố hệ thống BVRL Nó xác định thông qua thời gian tác động BVRL cô lập cố lưới điện + Biên độ dịch góc pha phụ thuộc vào vị trí cố tổng trở ĐD Chúng xác định nút khác HTĐ + Hình dáng lõm điện áp đặc tính khác nghiên cứu báo này, dạng lõm điện áp có hình dáng khơng phải hình chữ nhật nghiên cứu thơng qua việc mơ q trình khởi động ĐCKĐB cỡ lớn HTĐ 2.1 Mô tả kiện lõm điện áp Lõm điện áp mơ tả hàm toán học mà định nghĩa tham số dựa đặc tính sau: V p sin (t )  v ( t ) = V psag sin (t +  ) V sin (t )  p t  t1 t1  t  t2 t  t2 (1) Trong đó: − V p :biên độ điện áp trước xảy lõm điện áp; −  : tần số góc; − Vpsag : biên độ điện áp suốt kiện lõm điện áp; −  : dịch góc pha; 11 Giá trị điện áp trị hiệu dụng tính tốn từ điện áp sóng hình sin với cơng thức sau [1, 2]: Vrms = − t2 : thời điểm điện áp phục hồi; − t = t2 − t1 : thời gian lõm điện áp Lõm điện áp mơ hình hóa hàm sin (hình 2.a) a) Điện áp tức thời N : Số mẫu chu kì; − vi : điện áp lấy mẫu theo miền thời gian Trong báo tần số lấy mẫu sử dụng 12,8 kHz (hoặc 256 mẫu 01 chu kì tần số 50 Hz) Đặc điểm điện áp trị hiệu dụng điển hình thể hình 2.b 2.2 Cơ sở tính tốn biên độ lõm điện áp Hình thể mơ hình để tính tốn biên độ lõm điện áp xảy NM pha lưới điện hình tia ZF ZS N ~ Nguồn E pcc Tải Hình Mơ hình tính biên độ lõm điện áp Giả thiết bỏ qua dòng điện tải trước xảy kiện lõm điện áp có giá trị khơng đáng kể, điện áp pcc tính tốn sau: Vsag = ZF E ZS + ZF (3) Trong đó: Z F : tổng trở xuất tuyến (từ pcc đến điểm N); Z S : tổng trở nguồn (giữa nguồn pcc); E : điện áp nguồn Z F Giả sử E = sử dụng cách tính tốn hệ đơn vị tương đối (3) viết lại sau: ZF ZS + ZF (4) Trong Z S = RS + jX S Z F = RF + jX F Argument t t1 Điện áp hiệu dụng (2) i − Vsag = t2 t X  = arg (Vsag ) = arctan  F  RF Hình dáng Nếu  Thời gian lõm điện áp Vsag tương đương với dịch góc pha cho phương trình sau: b) Trị hiệu dụng điện áp t1 i =1 Trong đó: Vp Vsag Biên độ N v 2.3 Phương pháp tính tốn dịch góc pha Mơ hình tính tốn biên độ lõm điện áp Hình sử dụng để phân tích đặc tính dịch góc pha Ta coi ZS ZF đại lượng phức kí hiệu Z S − t1 : thời điểm xảy lõm điện áp; -Vsag -Vp N t2 t Hình Các đặc tính lõm điện áp miền thời gian điện áp trị hiệu dụng ( X S / RS ) = ( X F / RF )  XS + XF     − arctan    RS + RF  (5) (5) khơng có dịch góc pha Do dịch góc pha xảy tỉ số X/R nguồn ĐD khác Thuật tốn tính tốn dịch góc pha hình Ngơ Minh Khoa, Đinh Thành Việt, Nguyễn Hữu Hiếu 12 Phát thời điểm qua giá trị Sóng sin điện áp tham chiếu Sóng sin điện áp đo lường Xác định khác thời điểm qua giá trị Chuyển độ Dịch góc pha Hình Thuật tốn để tính tốn dịch góc pha Kết thảo luận 3.1 Lõm điện áp NM Hình thể HTĐ sử dụng báo để nghiên cứu kiện lõm điện áp NM gây Hình Điện áp tải NM pha ĐD Hình Phân tích lõm điện áp NM Bảng Tham số mô biên độ Phần tử Máy phát MBA MBA ĐD Tải NM Tham số U = 13,8 (kV); f = 50 (Hz) U = 13,8/115 (kV); Sđm = 40 (MVA) U = 115/24 (kV); Sđm = 40 (MVA) L = 2x30 (km); R0 = 0,01273 (Ω/km); L0 = 0,9337 (mH/km); C0 = 0,01274 (F/km) 30 (MW) ZF = 10 (Ω); t1 = 80 (ms); t2 = 150 (ms) HTĐ bao gồm máy phát 13,8 kV, MBA 40 MVA tăng áp lên tới 115 kV ĐD dài 60 km Ở cuối ĐD có MBA 40 MVA giảm áp xuống 24 kV để cấp cho phụ tải 30 MW LĐPP Các hệ thống đo lường hiển thị tín hiệu điện áp dịng điện nút hệ thống Hai kịch nghiên cứu là: NM pha NM pha xảy ĐD (30 km tính từ phía nguồn) Bảng tóm tắt tham số để phân tích biên độ lõm điện áp Hình thể kết NM pha, a) sóng hình sin pha với biên độ tính hệ đơn vị tương đối, b) đồ thị điện áp trị hiệu dụng Lõm điện áp pha 0,1321 pu NM pha thời gian tồn lõm điện áp chu kì Các kết mô xảy NM pha thể hình Trong trường hợp có biên độlõm điện áplà 0,1111 pu Trong hai trường hợp trên, tín hiệu sóng điện áp ghi nút (hình 5) nhằm thể ảnh hưởng cố NM đến phụ tải LĐPP 3.2 Phân tích thời gian lõm điện ápcó xét đến BVRL Thời gian lõm điện áp phụ thuộc vào thời gian tác động BVRL.Có nhiều dạng bảo vệ HTĐ dạng có thời gian cắt NM định.Hơn nữa, thời gian tác động bảo vệ phải phối hợp với bảo vệ khác [9] Các cố NM lưới điện truyền tải loại trừ nhanh số LĐPP.Trên ĐD truyền tải rơle khoảng cách rơle so lệch có thời gian tác động nhanh LĐPP thìbảo vệ dòng cần thời gian trễ lớn để phối hợp bảo vệ đảm bảo tính chọn lọc Hình Phân tích thời gian lõm điện áp có xét đến BVRL Bảng Các tham số mô thời gian lõm điện áp Phần tử Nguồn áp D1, D2 Các tải NM BVQD Hình Điện áp tải NM pha ĐD Tham số U = 115 (kV); f = 50 (Hz) D1: L = 2x30 (km); D2: L = 30 (km); R0 = 0,01273 (Ω/km); L0 = 0,9337 (mH/km); C0 = 0,01274 (F/km) 10 (MW); cosφ = ZF = (Ω); t1 = 80 (ms); NM vĩnh viễn Ikđ = 10 (pu); t = 50 (ms) Bởi Matlab/Simulink khơng tích hợp sẵn mơ hình rơle nên việc xây dựng mơ hình thiết bị BVRL Matlab/Simulink cần thiết cho nghiên cứu lõm điện áp Xét HTĐ hình có đặt BVQD cắt nhanh (chức 50, theo tiêu chuẩn ANSI) [10] Mơ hình rơle BVQD cắt nhanh xây dựng Matlab/Simulink có mơ hình chi tiết hình TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 7(80).2014 13 Hình Mơ hình rơle BVQD Hệ thống bao gồm hai ĐD cấp điện áp 115 kVcó chiều dài 60 km (D1) 30 km (D2).Mỗi ĐD cấp điện cho tải 10 MW (Tải 2) Giả thiết cố NM pha vĩnh viễn D1 gây gián đoạn cho phụ tải lõm điện áp tải Hai kịch nghiên cứu trường hợp là: Khơng có BVQD có BVQD Bảng tóm tắt tham số để phân tích thời gian lõm điện áp Hình 10 thể kết kịch Trong hình a) gián đoạn xảy tải cố NM D1; hình b) điện áp tải rơi xuống 0,3981 pu; c) dòng điện đỉnh đo lường ĐD xảy cố 86,12 pu xác lập giá trị 59,71 pu ứng đóng, ĐD bảo vệ trì cấp điện cho phụ tải Khi tín hiệu điều khiển mức máy cắt mở cắt điện ĐD để lập vị trí cố Ban đầu BVQD phát cố dòng điện lớn 10 lần so với dòng điện định mức thay đổi trạng thái sau khoảng thời gian trễ định trước (50 ms hình 11), máy cắt mở để lập điểm cố Hình 11 Kết có xét đến BVQD Hình 10 Kết không xét BVQD Đối với kịch thứ hai, mơ hình BVQD tích hợp Matlab/Simulink Trong mơ hình này, dịng điện trị hiệu dụng pha so sánh với dòng điện khởi động hệ đơn vị tương đối (nếu pha có dịng điện vượt dịng điện khởi động BVRL đưa tín hiệu cắt NM) Hình 11 thể kết kiện lõm điện áp có xét đến rơle BVQD Khi tín hiệu mức máy cắt tương Hình 11 thể kết có BVQD Trong hình a) điện áp tải rơi xuống cố xảy Khi bảo vệ tác động(duy trì giá trị 0) ĐD khơng cấp điện; hình b) tải bị ảnh hưởng lõm điện áp có biên độ 0,3994 pu thời gian tồn lõm điện áp xác định thời gian loại trừ cố BVQD (xấp xỉ 50 ms); hình c) dịng điện trênD1 tăng bắt đầu xảy NM Nhưng đến bảo vệ tác động dịng điện giảm xuống 0, nghĩa ĐD không cấp điện 3.3 Đánh giá tham số dịch góc pha Hình 12 thể HTĐđược nghiên cứu để phân tích yếu tố ảnh hưởng đến tham sốdịch góc pha lõm điện áp Bảng tóm tắt tham số Hình 12 Mơ hình phân tích dịch góc pha Ngơ Minh Khoa, Đinh Thành Việt, Nguyễn Hữu Hiếu 14 Bảng Tham số mô hình dịch góc pha Phần tử Máy phát D1 D2 Tải 1, NM Tham số U = 13,8 (kV); f = 50 (Hz) L = 20 (km); R0 = 0,01273 (Ω/km); L0 = 0,9337 (mH/km); C0 = 0,01274 (F/km) L = 30 (km); R0 = 0,051 (Ω/km); L0 = 0,9337 (mH/km); C0 = 0,01274 (F/km) Tải 1: 45 (kW); Tải 2: 25 (kW) NM pha A; ZF = 1,5 (Ω); ton = 80 (ms); toff = 150 (ms) Các kết mô ba pha thể hình 13 Các kết trường hợp mơ là: dịch góc pha pha A 14,47 độ; pha B 6,54 độ; pha C 7,56 độ Hình 15 Lõm điện áp khởi động ĐCKĐB Hình 13 Kết mơ dịch góc pha 3.4 Hình dáng lõm điện ápdo khởi động ĐCKĐB Một nguyên nhân khác gây lõm điện áp khởi động ĐCKĐB cỡ lớn Suốt thời gian khởi động ĐCKĐB dòng điện khởi động tăng cao nhiều so với dòng điện định mức (điển hình - lần) Dịng điện trì giá trị cao động dần đạt đến tốc độ định mức [1, 2] Khi xảy tượng lõm điện áp có hình dáng khơng phải hình chữ nhật Ảnh hưởng trình khởi động ĐCKĐB đến điện áp mơ mơ hình 14 Sơ đồ mơ gồm có nguồn điện áp 460 V cấp điện cho tải kW ĐCKĐB HP (3,73 kW);ĐCKĐB đóng điện sau 100 ms để quan sát ảnh hưởng trình khởi động động đến lõm điện áp Hình 15 thể lõm điện áp tải có hình dáng khơng phải hình chữ nhật có biên độ 0,8723 pu thời gian tồn 200 ms (thời gian động đạt đến tốc độ định mức) Hình 14 Lõm điện áp khởi động ĐCKĐB Kết luận Bài báo trình bày việc nghiên cứu, phân tích đánh giá đặc tính kiện lõm điện áp LĐPP Các kết mô phỏng, phân tích đánh giá cho thấy rõ tham số kiện lõm điện áp nguyên nhân khác NM khởi động ĐCKĐB cỡ lớn Các nghiên cứu cho thấy nguyên nhân gây lõm điện áp khác có đặc tính tham số khác chẳng hạn hình dáng tượng dịch góc pha, Ngoài báo nghiên cứu ảnh hưởng hệ thống BVRL thời gian tồn lõm điện áp HTĐ Đồng thời nghiên cứu tích hợp mơ hình rơle BVQD Matlab Simulink để hỗ trợ việc nghiên cứu lõm điện áp có xét đến vai trị BVRL HTĐ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Đình Long, Nguyễn Sỹ Chương, Lê Văn Doanh, Bạch Quốc Khánh, Đinh Thành Việt,… Sách tra cứu chất lượng điện năng, NXB Bách khoa – Hà Nội, 2013 [2] M Bollen, Understanding Power Quality Problems: Voltage Sags and Interruptions, IEEE Press on Power Engineering, 2000, pp 139-251 [3] IEEE Standards Coordinating Committee 22 on Power Quality IEEE Std 1346 IEEE Recommended Practice for Evaluating Electric Power System Compatibility With Electronic Process Equipment, 1998 [4] R Dugan, Electrical Power Systems Quality, 2nd, McGraw-Hill, 2004, pp.43–110 [5] X Yang, Q Gui, Y Tian, and A Pan, Research on Calculation Model of Voltage Sags Due to High Voltage and Great Power Motor Starting, Electricity Distribution (CICED), pp 1-9, September 2010 [6] IEEE Standards Coordinating Committee 22 on Power Quality, IEEE Std 1159 IEEE Recommended Practice for monitoring electric power quality, 1995 [7] CIGRE/CIRED/UIE Joint Working Group C4.110, Voltage Dip Immunity of Equipment and Installations, 2010 [8] J Caicedo, F Navarro, E Rivas, and F Santamaria, The state of the art and new developments in voltage sag immunity, Ingeniería einvestigacion, vol 31, pp 81-87, November 2011 [9] IEEE Industry Applications Society, IEEE Std 493 IEEE Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems 1997 [10] J Blackburn and T Domin, Protective Relaying: Principles and Applications, 3rd, CRC Press, 2006 (BBT nhận bài: 30/04/2014, phản biện xong: 18/06/2014) ... p :biên độ điện áp trước xảy lõm điện áp; −  : tần số góc; − Vpsag : biên độ điện áp suốt kiện lõm điện áp; −  : dịch góc pha; 11 Giá trị điện áp trị hiệu dụng tính tốn từ điện áp sóng hình... sóng điện áp thời điểm bắt đầu xảy lõm điện áp [1, 2] + Điểm sóng lúc phục hồi điện áp: Là góc pha sóng điện áp thời điểm điện áp trở lại bình thường [1, 2] + Điện áp trước cố: Là giá trị điện áp. .. biên độ lõm điện áp Hình sử dụng để phân tích đặc tính dịch góc pha Ta coi ZS ZF đại lượng phức kí hiệu Z S − t1 : thời điểm xảy lõm điện áp; -Vsag -Vp N t2 t Hình Các đặc tính lõm điện áp miền