Bài viết Ảnh hưởng của nguồn điện phân tán lên sự phối hợp bảo vệ của lưới phân phối tập trung tìm hiểu về sự phối hợp bảo vệ của recloser và cầu chì trong lưới phân phối và tính toán ngưỡng công suất phát tối đa của DG để không gây ảnh hưởng đến sự phối hợp của hệ thống bảo vệ. Việc nghiên cứu được thực hiện trên phần mềm ETAP.
SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN LÊN SỰ PHỐI HỢP BẢO VỆ CỦA LƯỚI PHÂN PHỐI EFFECT OF DISTRIBUTED GENERATION ON PROTECTION COORDINATION OF DISTRIBUTION NETWORK Nguyễn Hồng Nhung1,*, Nguyễn Chính Nghĩa1, Nguyễn Ngọc Hoan1 DOI: https://doi.org/10.57001/huih5804.2023.033 TÓM TẮT Trong năm gần đây, nguồn điện quy mô nhỏ hệ thống điện mặt trời áp mái (Photovoltaic - PV) nhà máy phát điện dùng khí sinh học (Biogas power plant) đầu tư phát triển mạnh mẽ giới Việt Nam Những nguồn điện lắp đặt rải rác lưới phân phối gọi nguồn điện phân tán (Distributed generation DG) Chính phủ nước đưa nhiều sách khuyến khích người dân tự đầu tư lắp đặt nguồn điện này, điều khiến cho mức độ thâm nhập DG lưới phân phối ngày cao Tuy nhiên lưới điện phân phối cũ chưa có thay đổi phù hợp để theo kịp gia tăng nhanh chóng DG việc vận hành lưới phân phối, đặc biệt phối hợp hệ thống bảo vệ gặp nhiều khó khăn Bài báo tập trung tìm hiểu phối hợp bảo vệ recloser cầu chì lưới phân phối tính tốn ngưỡng cơng suất phát tối đa DG để không gây ảnh hưởng đến phối hợp hệ thống bảo vệ Việc nghiên cứu thực phần mềm ETAP Các kết phân tích, đánh giá cho thấy khả ứng dụng nghiên cứu thực tế Từ khóa: Cầu chì, phối hợp bảo vệ, lượng tái tạo, recloser ABSTRACT In recent years, small-scale power plants such as rooftop solar power systems or biogas power plants have been invested and developed enormously in the world as well as in Vietnam These energy sources are also called distributed generations (DG) which are connected to the distribution grid and decentralized controlled Due to many supportive policies from the government, the penetration level of DG in the distribution network is increasing rapidly while the change in the distribution network configuration is still limited Consequently, the distribution network’s operation, especially the protection system coordination, will face many difficulties This paper focuses on the coordination of recloser and fuse in the distribution network and determines the DG’s maximum capacity to connect to the distribution grid The study is implemented on ETAP software; the results show that this research has practical significance Keywords: Fuse, protection combination, renewable energy, recloser Trường Điện - Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội Email: nhung.nguyenhong1@hust.edu.vn Ngày nhận bài: 23/10/2022 Ngày nhận sửa sau phản biện: 05/02/2023 Ngày chấp nhận đăng: 15/3/2023 * Website: https://jst-haui.vn GIỚI THIỆU Lưới điện phân phối trình cải tạo, đầu tư phát triển với mục đích đáp ứng nhu cầu phụ tải cách tốt Tuy nhiên tồn nhiều khó khăn việc cịn nhiều khu vực nằm xa lưới phân phối quốc gia, vấn đề toán kinh tế để khắc phục vấn đề giải pháp đưa tăng công suất nguồn, khả tải đường dây hay sử dụng nhiều nguồn công suất nhỏ kết nối với lưới phân phối [1] Trong năm trở lại đây, phát triển nguồn lượng tái tạo mặt trời, gió, khí sinh học, với nhu cầu sử dụng điện ngày lớn làm cho việc lắp đặt loại nguồn điện trở nên phổ biến, có số lượng lớn khách hàng sử dụng điện tự lắp đặt Nhìn chung, nguồn điện thường có kích cỡ nhỏ (dưới 5MW), kết nối với lưới điện phân phối gọi nguồn điện phân tán (Distributed generation - DG) [2] Việc sử dụng nguồn lượng nhỏ giúp đáp ứng tốt nhu cầu khách hàng sử dụng điện, giảm tổn thất điện áp lưới truyền tải phân phối giảm phụ thuộc khách hàng vào nguồn phát điện truyền thống Ngoài ra, sử dụng nguồn lượng tái tạo thay dần cho lượng hóa thạch giúp bảo vệ mơi trường, giảm thiểu nhiễm tối ưu hóa chi phí vận hành [3] Tuy nhiên, việc lắp đặt DG vào lưới phân phối làm thay đổi việc truyền tải phân phối điện [4], đặc biệt lưới phân phối Sự tích hợp DG làm thay đổi cấu trúc lưới phân phối từ cấu trúc hình tia truyền thống với nguồn trở thành cấu trúc nhiều nguồn Sự xuất DG làm tăng điện áp nút tỷ lệ thâm nhập chúng cao Nghiên cứu [5] có tìm hiểu tác động DG lưới phân phối phụ thuộc vào kích thước vị trí chúng Nghiên cứu cho thấy hoạt động DG gây sóng hài lưới, từ làm giảm chất lượng điện Bên cạnh đó, việc tích hợp DG vào lưới phân phối làm tăng dịng cố ngắn mạch gây ảnh hưởng xấu đến lưới điện, gây hư hại cho thiết bị làm sai lệch phối hợp thiết bị bảo vệ Theo nghiên cứu [6], việc sử dụng máy phát dựa biến tần, chẳng hạn hệ Vol 59 - No 2A (March 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 17 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ thống điện mặt trời (Photovoltaic - PV) hay nguồn lượng tái tạo khác làm giảm dòng cố cho lưới, nhiên nhiều nguồn phát DG hoạt động khiến tổng dòng cố vượt giới hạn làm hỏng thiết bị bảo vệ Sự phối hợp sai thiết bị bảo vệ ảnh hưởng nhiều đến lưới điện, việc khơng thể phân biệt cố thống qua hay cố vĩnh viễn thông số bảo vệ bị thay đổi khiến lưới điện bị điện diện rộng, ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải [7, 8] Mặc dù việc tích hợp DG cịn có nhiều tác động tiêu cực lên lưới phân phối phủ nhận DG nối lưới đem lại, cải thiện nhiều vấn đề theo hướng tích cực cho hệ thống điện Chính việc nghiên cứu, phân tích, thử nghiệm đưa giải pháp cụ thể nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực nhiều người quan tâm Trong đó, số nghiên cứu tập trung vào việc đảm bảo phối hợp recloser cầu chì nhánh lưới phân phối Các tác giả [7, 9] phân tích tính tốn kích cỡ phù hợp DG cho khơng làm phối hợp recloser cầu chì Nghiên cứu [10 lại đánh giá ảnh hưởng DG lên phối hợp bảo vệ lưới thử nghiệm 13 nút IEEE Sự ảnh hưởng mức độ thâm nhập vị trí DG lên dịng ngắn mạch khảo sát Tiếp nối theo đó, báo này, nhóm tác giả tìm hiểu tác động DG phối hợp recloser cầu chì lưới điện thực tế Việt Nam, đồng thời tính tốn ngưỡng lắp đặt phù hợp DG lưới Việc nghiên cứu thực phần mềm ETAP Các kết phân tích, đánh giá cho thấy khả ứng dụng nghiên cứu thực tiễn P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 động Máy cắt chịu trách nhiệm cố xảy trước recloser, đồng thời thiết bị bảo vệ dự phịng cho tồn mạch điện recloser cầu chì khơng hoạt động [7, 8] Nghiên cứu tập trung đề cập tới phối hợp bảo vệ recloser cầu chì 2.2 Hoạt động phối hợp bảo vệ trước lắp đặt DG Như thống kê, số cố xảy đường dây phân phối có tới 70% - 80% cố thoáng qua [8] Những hư hỏng thoáng qua thường xảy sứ bị phóng điện bề mặt, sét đánh gió mạnh làm dây dẫn chạm chạm phải vật bên cạnh Ngồi cịn có loại hư hỏng bán trì vật lạ cối, rắn, dây diều… vắt qua đường dây gây ngắn mạch loại trừ sau tia lửa điện (hồ quang) đốt cháy vật lạ Vì vậy, để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho đường dây, người ta thường sử dụng reloser để cắt điện khoảng thời gian đủ môi trường chỗ hư hỏng khơi phục lại tính chất cách điện sau đóng trở lại đường dây tiếp tục làm việc bình thường Ví dụ lưới điện hình 1, giả sử có cố xảy đường dây rẽ nhánh phạm vi bảo vệ recloser recloser cắt theo đường đặc tính tác động nhanh để giải trừ cố trước cầu chì nhánh kịp tác động Điều giúp ngăn chặn việc điện lâu dài đường dây nhánh cố thống qua Sau recloser đóng trở lại, cố tồn (sự cố vĩnh cửu) cầu chì tác động giải trừ cố Lúc này, đường đặc tính tác động chậm recloser đóng vai trị dự phịng cho cầu chì Để đảm bảo phối hợp recloser cầu chì dịng điện cố cần nằm khoảng giới hạn hình [7,8] HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ BẢO VỆ 2.1 Chức thiết bị bảo vệ Hình Lưới điện có sử dụng cầu chì recloser Thơng thường, lưới điện phân phối có dạng điển hình sơ đồ hình tia, với sơ đồ dịng cơng suất chạy theo chiều định Việc thiết kế hệ thống bảo vệ lưới phân phối đơn giản Xét lưới điện điển hình với bảo vệ với máy cắt (CB), đầu đường dây trục chính, recloser (REC) đặt đường dây trục cầu chì dùng để bảo vệ cho đường dây rẽ nhánh Cầu chì có chức chịu trách nhiệm cố vĩnh viễn xảy nhánh tương ứng hệ thống Recloser đảm nhận trách nhiệm cố thống qua xảy mạch phía sau recloser, đồng thời recloser đóng vai trị thiết bị bảo vệ dự phịng cho mạch phía sau recloser cầu chì khơng hoạt Hình Phối hợp bảo vệ Recloser cầu chì Việc DG tham gia vào lưới phân phối làm thay đổi dòng cố chảy qua thiết bị bảo vệ, mức độ thay đổi tùy thuộc vào vị trí, kích cỡ chủng loại DG Điều dẫn đến thay đổi thời gian tác động loại bảo vệ, khiến cho thiết bị bảo vệ bị trình tự cài đặt phối hợp trước [7, 8, 11] Về nguyên tắc có cố xảy DG phải ngừng kết nối Nếu điều áp dụng hiệu trường hợp hoạt động không thiết bị bảo vệ khơng cần 18 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 2A (3/2023) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 quan tâm Tuy nhiên, thực tế khơng thể đảm bảo thời gian DG ngắt kết nối nhanh thời gian cầu chì bị nổ Chính vậy, DG có khả cao ảnh hưởng tới cài đặt phối hợp bảo vệ hệ thống Để khắc phục ảnh hưởng có đề xuất để đối phó với cố thay thiết bị bảo vệ thiết lập hệ thống bảo vệ Tuy nhiên, đặc điểm DG có nguồn lượng sơ cấp khơng ổn định, cơng suất phát thay đổi nhiều lần ngày chí ngừng phát điện Giả sử ta thay cài đặt lại thiết bị bảo vệ để đảm bảo phối hợp tác động DG phát với cơng suất cực đại lại bị phối hợp DG phát công suất cực tiểu cắt khỏi lưới Vì mà đề xuất khác nghĩ tới mà đáp ứng mặt kỹ thuật lẫn kinh tế giới hạn dịng cố DG tính tốn ngưỡng cơng suất DG mà không làm cài đặt hệ thống phối hợp bảo vệ cũ [8] MƠ HÌNH TỐN 3.1 Phương trình đường đặc tính Recloser trang bị rơ le q dịng với đặc tính thời gian phụ thuộc nên đường đặc tính recloser thể qua phương trình (1) [12]: T +B t: Thời gian hoạt động cầu chì I: Dịng diện cố qua cầu chì a, b: Các hệ số tính tốn từ đường cong đặc tính cầu chì Sự phối hợp recloser cầu chì phải theo hai nguyên tắc sau (hình 2): - Thời gian chảy nhỏ cầu chì phải lớn thời gian ứng với đường cong tác động nhanh recloser với mục đích để tránh việc cầu chì tác động trường hợp cố thoáng qua làm cho cố thoáng qua trở thành cố vĩnh cửu - Thời gian lớn loại trừ cố cầu chì phải nhỏ đường tác động chậm recloser để đảm bảo rằng, có cố trì đường dây nhánh, cầu chì bị lỗi khơng tác động recloser tác động để loại trừ cố 3.2 Các trường hợp xảy cố có thêm DG tính tốn phối hợp bảo vệ Xét lưới điện điển hình t(I) = Trong đó: Giả thiết DG lắp đặt vào hai vị trí hình (1) Trong đó: t: Thời gian tác động recloser M: Tỉ lệ I I , I dòng điện cài đặt rơle, với I = OLF*Iđ , OLF hệ số tải phụ thuộc vào thiết bị bảo vệ I: Dòng cố qua recloser T : Hằng số thời gian, tính toán để phối hợp với thiết bị bảo vệ A, B, m: Hằng số đường đặc tính chọn từ bảng Bảng Mơ tả đặc tính phụ thuộc bảo vệ q dịng [12] Mơ tả đặc tính Tiêu chuẩn m A B Đặc tính dốc vừa IEEE 0,02 0,0515 0,114 Đặc tính dốc IEEE 19,61 0,491 Đặc tính cực dốc IEEE 28,2 0,1217 Đặc tính có độ dốc tiêu chuẩn IEC 0,02 0,14 Đặc tính dốc IEC 13,5 Đặc tính cực dốc IEC 80 Cầu chì thường có hai đường đặc tính giới hạn vùng làm việc cầu chì, đặc tính Thời gian chảy nhỏ (Minimum-melting time - MM) biểu diễn thời gian để dây chảy bắt đầu chảy Đặc tính Thời gian chảy hoàn toàn (Total-clearing time - TC) biểu diễn tổng thời gian để dây chì đứt, có nghĩa cố loại trừ hoàn toàn Theo [8], đoạn đặc tính MM cầu chì xấp xỉ đường thẳng logarit có phương trình sau: Log(t) = a×log(I) + b Website: https://jst-haui.vn (2) Hình Lưới điện phân phối lắp đặt DG Từ hình 3, giả sử có DG kết nối với lưới điện, có bốn trường hợp thể bảng Trong đó, I I kí hiệu dịng cố chạy qua recloser cầu chì, I I dịng điện cố chạy từ hệ thống điện nguồn DG tương ứng Bảng Dòng điện cố chạy qua recloser cầu chì Trường hợp Nguồn DG Vị trí cố Mô tả TH1 DG1 I = I I = I + I TH2 DG1 I = I I = I + I TH3 DG2 I = I = I + I TH4 DG2 Khơng có dòng qua I I =I +I Trong TH1, dòng điện cố chạy qua recloser dòng điện từ hệ thống điện, dòng cố chạy qua cầu chì tổng dịng cố từ hệ thống điện DG1 Do dòng cố Vol 59 - No 2A (March 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 19 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 qua recloser cầu chì khác với lưới điện truyền thống nên chắn bị phối hợp hai bảo vệ Ở TH2, việc phối hợp recloser cầu chì khơng cần thiết recloser kịp tác động trước cầu chì cầu chì tiếp tục tác động cịn dịng cố từ hệ thống Trong trường hợp việc cần làm phối hợp máy cắt đầu đường dây cầu chì nhánh, tốn quay trở TH1 Đối với TH3, dòng cố chạy qua cầu chì dịng cố chạy qua recloser, nhiên dòng tổng dòng cố từ hệ thống từ DG vượt qua biên độ dòng cố giới hạn dẫn đến gây phối hợp bảo vệ Ngược lại, TH4 khơng có phối hợp bảo vệ thiết bị bảo vệ khơng có dịng qua recloser Như thấy rằng, TH1 TH3 hai trường hợp mà hệ thống bảo vệ bị phối hợp Kết hợp (3) (4) ta có: I (3) Trong đó: (6) Điều kiện recloser tác động nhanh trước cầu chì kịp tác động dịng ngắn mạch qua cầu chì không vượt giá trị Imax xác định từ hệ phương trình tìm giao điểm đường đặc tính tác động nhanh recloser đường đặc tính Thời gian chảy nhỏ cầu chì: t = T +t (7) ) = a log(I )+b log(t Giá trị dòng cố lớn DG gây ra: I