Nghiên cứu giải pháp bảo vệ rơ le cho xuất tuyến phân phối có nguồn năng lượng tái tạo xâm nhập cao

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ NHỮNG THÁCH THỨC

TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

Năng lượng tái tạo là các nguồn năng lượng thay thế cho các nguồn nhiên liệu hóa thạch, như than đá, khí đốt, dầu mỏ Có nhiều loại năng lượng tái tạo và nhiều quốc gia dựa vào sự kết hợp của các loại năng lượng này để cung cấp năng lượng sạch Các loại chính được sử dụng phổ biến nhất hiện nay: Năng lượng mặt trời, Năng lượng gió, Năng lượng địa nhiệt, Dầu diesel sinh học, Năng lượng sinh khối,… [1]

Các nguồn năng lượng tái tạo còn được gọi là năng lượng xanh hoặc năng lượng sạch Hành tinh có được điện từ các nguồn năng lượng tái tạo sẽ thân thiện hơn nhiều so với việc đốt nhiên liệu hóa thạch Bằng cách theo đuổi các nguồn năng lượng thay thế, cả chính phủ và khách hàng tư nhân có thể giảm đáng kể lượng khí thải carbon

Do đó, kiềm chế sự nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu Những hậu quả đối với môi trường cũng như những lợi thế kinh tế mà năng lượng sạch có thể mang lại:

+ Làm chậm biến đổi khí hậu: Khí đốt tự nhiên, than củi và các nhiên liệu hóa thạch có lượng khí thải carbon cao hơn đáng kể so với các nguồn năng lượng thay thế Việc phát thải khí nhà kính là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu Chuyển sang các nguồn năng lượng tái tạo để sản xuất điện sẽ có lợi cho môi trường bằng cách làm chậm lại và đảo ngược biến đổi khí hậu [1]

+ Giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu: Chúng ta có thể đa dạng hóa nguồn cung cấp năng lượng của mình bằng cách sử dụng các công nghệ xanh quy mô lớn và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu khác [1]

+ Phát triển kinh tế và việc làm: Tạo thêm các nguồn điện có thể kích thích tăng trưởng kinh tế và việc làm trong lĩnh vực lắp đặt và sản xuất [1]

TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO TRÊN THẾ GIỚI 4

Các nguồn năng lượng tái tạo sẽ là nguồn năng lượng chính của thế giới, dự kiến sẽ tăng trưởng 7,1% mỗi năm trong hai thập niên tới và đang tạo dựng chỗ đứng trong hệ thống năng lượng toàn cầu, sau đó thay thế than đá để trở thành nguồn năng lượng hàng đầu thế giới vào năm 2040 Năng lượng tái tạo hiện đại được sử dụng trong 3 lĩnh vực: sản xuất điện, tạo nhiệt, giao thông vận tải [2]

Năng lượng tái tạo có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất trong ngành điện, cung cấp gần 30% nhu cầu điện trong năm 2023 (từ mức 24% năm 2017), sẽ đáp ứng hơn 70% mức tăng trong sản xuất điện toàn cầu, dẫn đầu là năng lượng mặt trời và tiếp sau đó là năng lượng gió, thủy điện và năng lượng sinh học Thủy điện vẫn là nguồn tái tạo lớn nhất, đáp ứng 16% nhu cầu điện toàn cầu vào năm 2023, tiếp theo là năng lượng gió (6%), năng lượng điện mặt trời (4%) và năng lượng sinh học (3%) [2]

TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO TẠI VIỆT NAM VÀ NHỮNG THÁCH THỨC

2.3.1 Tiềm năng và hiện trạng phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam

Những năm gần đây, Việt Nam đã chứng kiến sự bùng nổ đầu tư vào các nhà máy điện năng lượng tái tạo, nhằm đáp ứng nhu cầu điện ngày càng tăng và thay thế các nguồn năng lượng không tái tạo đang dần cạn kiệt Các nguồn điện năng lượng tái tạo không phát thải, góp phần đa dạng hóa nguồn cung và đảm bảo an ninh năng lượng cho sự phát triển bền vững của đất nước.

Ngoài thủy điện, Việt Nam có tiềm năng lớn về các nguồn năng lượng tái tạo khác, nổi bật là năng lượng gió và mặt trời Đây là hai dạng năng lượng tái tạo phổ biến nhất trên thế giới hiện nay, được sử dụng rộng rãi cho mục đích phát điện.

Qua tổng hợp đánh giá từ các nghiên cứu, khảo sát tính toán trong và ngoài nước, tiềm năng kỹ thuật các nguồn năng lượng tái tạo chủ yếu được tổng hợp trong Bảng 2-1 [3]

Bảng 2-1 Tiềm năng kỹ thuật các nguồn RES chủ yếu trên phạm vi cả nước

STT Loại hình RES Tiềm năng

- Mặt đất, lòng hồ 463.000 Tập trung chủ yếu ở khu vực Nam

Trung bộ, Tây Nguyên và Nam bộ

- Áp mái 48.000 Chủ yếu ở các đô thị lớn miền Nam

2 Điện gió trên bờ/ven bờ 57.000

Tiềm năng gió 5,5-6m/s trở lên; tập trung chủ yếu ở Nam Trung bộ, Tây Nam bộ

Tiềm năng gió 6m/s trở lên; tập trung chủ yếu ở Nam Trung bộ, Tây Nam bộ, Đông Bắc bộ

Nhìn chung, tiềm năng năng lượng tái tạo của nước ta tuy khá dồi dào, nhưng phân bố không đều theo 3 miền Khu vực Nam Trung bộ, Nam bộ có tiềm năng tốt cả về điện mặt trời, điện gió trên bờ và ngoài khơi, trong khi tại miền Bắc chỉ có khu vực Đông Bắc bộ có tiềm năng trung bình về điện gió ngoài khơi [3]

Hình 2-1 Phân bố công suất đặt nguồn điện (MW) theo các vùng năm 2020

Trong giai đoạn 2018-2020, công suất điện mặt trời và điện gió tăng mạnh, lần lượt đạt 16.500 MW và 570 MW Do đó, điện mặt trời chiếm 23,8% tổng công suất lắp đặt, trong khi điện gió chiếm 0,8% Tổng sản lượng điện tái tạo đạt 11,7 tỷ kWh, tương đương 4% sản lượng toàn hệ thống Các nguồn điện này tập trung chủ yếu ở các tỉnh miền Trung và miền Nam, nơi có tiềm năng năng lượng tái tạo dồi dào.

Các nguồn điện năng lượng tái tạo là sự bổ sung quý giá thời gian qua trong bối cảnh nhiều nguồn điện truyền thống triển khai chậm vì nhiều lý do khác nhau Tuy nhiên, các nguồn điện năng lượng tái tạo do được triển khai nhanh trong thời gian ngắn với quy mô lớn, mất cân đối (tập trung chủ yếu tại Nam Trung Bộ và Nam Bộ) cũng gây những bất cập và ảnh hưởng tiêu cực đến tính hiệu quả, kinh tế và sự phát triển bền vững của ngành điện Nhiệm vụ đặt ra cho bài toán quy hoạch hệ thống điện giai đoạn tới là tính toán lựa chọn một cách hợp lý quy mô và cơ cấu nguồn điện năng lượng tái tạo nhằm phát huy và tận dụng tối đa nguồn tài nguyên năng lượng tái tạo, đồng thời giảm thiểu các bất cập đó [3]

2.3.2 Thách thức phát triển năng lượng tái tạo ở Việt Nam

- Thứ nhất: Thách thức về cơ chế chính sách:

Mặc dù Việt Nam là một nước có tiềm năng lớn về nguồn năng lượng tái tạo, nhưng cho đến nay, số các dự án thực hiện còn rất ít, tỷ trọng không đáng kể là do: Thiếu chính sách đủ mạnh, đồng bộ bao gồm từ điều tra, đánh giá tiềm năng đến khai thác và sử dụng; Thiếu cơ chế tài chính hiệu quả cho việc đầu tư, quản lý, vận hành các dự án điện tái tạo tại khu vực vùng sâu, vùng xa ngoài lưới Thiếu một quy hoạch tổng thể phát triển điện tái tạo quốc gia; Thiếu một cơ quan đầu mối tập trung, với chức năng đủ mạnh để điều hành [4]

- Thứ hai: Thách thức về công nghệ, kỹ thuật:

Sự phát triển của năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện mặt trời, tạo ra những thách thức trong vận hành hệ thống điện Các nguồn điện tái tạo ảnh hưởng đến lưới điện quốc gia bằng cách làm thay đổi công suất đột ngột, đòi hỏi huy động thêm nhà máy điện và phải tăng dự phòng hệ thống để đảm bảo sự ổn định.

Trong lĩnh vực điện mặt trời, Việt Nam hiện chưa ban hành tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia cụ thể về hệ thống điện mặt trời lắp đặt trên mái nhà Ngoài ra, cũng chưa có quy định về cấp phép hoạt động điện lực cho các bên thứ ba tham gia lắp đặt hệ thống điện mặt trời.

Về điện gió gặp phải những khó khăn, thách thức như:

1/ Thiếu số liệu cần thiết và tin cậy về tốc độ gió cho nghiên cứu phát triển nguồn điện gió ở các khu vực khác nhau

2/ Thiết bị nhà máy điện gió đều là thiết bị siêu trường, siêu trọng trong khi cơ sở hạ tầng đường, cảng còn thô sơ dẫn đến rủi ro cao và không đảm bảo an toàn;

3/ Thiếu năng lực quản lý, vận hành và bảo dưỡng sửa chữa các dự án điện gió

4/ Thiếu tiêu chuẩn hòa lưới điện quốc gia áp dụng với điện gió trên bờ, gần bờ, ngoài khơi và hòa lưới điện độc lập dẫn đến quá trình đàm phán đấu nối lưới điện kéo dài

5/ Thiếu thông tin đánh giá về tiềm năng điện gió ngoài khơi, cũng như khả năng nối lưới các dự án sau khi hoàn thành

6/ Các dự án điện gió ở vùng đất bãi bồi ven biển có địa hình, địa chất tương đối phức tạp và chịu ảnh hưởng thời tiết khắc nghiệt kết hợp chế độ thủy triều không ổn định sẽ dẫn đến nhiều thách thức trong quá trình thi công lắp đặt thiết bị

7/ Công nghệ mới và kỹ thuật phức tạp, các nhà thầu trong nước chưa có nhiều kinh nghiệm trong việc thi công xây dựng, lắp đặt tua bin gió trên biển [4]

Do tính đặc thù của năng lượng tái tạo là phân tán, phụ thuộc mùa vụ, thời tiết nên nguồn số liệu là không sẵn có, thiếu cơ sở dữ liệu tin cậy [4]

Các dạng năng lượng khác cũng đối mặt với nhiều trở ngại thách thức Như số liệu về những vị trí tiềm năng cho các dự án không đủ và thiếu tin cậy cho việc thực hiện các nghiên cứu khả thi chi tiết Các dịch vụ tư vấn, kỹ thuật còn hạn chế, đặc biệt là dịch vụ bảo dưỡng và sửa chữa Các rào cản về thông tin đối với các công nghệ năng lượng tái tạo còn thiếu, chưa có sự hỗ trợ đáng kể cho việc điều tra và tìm kiếm các địa điểm để khai thác Đến nay chưa có công nghệ hoàn chỉnh nào được thử nghiệm ở các điều kiện khí hậu đặc trưng (như bão, độ ẩm cao, các thông số khí quyển…) Ngoài ra, còn thiếu kinh nghiệm về lựa chọn thiết bị đồng bộ, kỹ năng khai thác, vận hành và bảo dưỡng [4]

- Thứ ba: Thách thức về kinh tế, tài chính:

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỐI VỚI BẢO VỆ RƠ

TÁC ĐỘNG CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỐI VỚI LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Các phát tuyến phân phối vốn được thiết kế để truyền tải luồng công suất theo chiều xác định từ trạm biến áp trung gian đến các trạm biến áp phân phối dọc đường dây phân phối Tiết diện dây đoạn dây nhánh rẻ thường nhỏ hơn nhánh chính nối với trạm trung gian Sự phân bố điện áp cũng tuân theo quy luật giảm dần từ đầu nguồn trạm trung gian đến các phụ tải Căn cứ vào đó, các giải pháp về điều chỉnh điện áp và bảo vệ trên phát tuyến cũng được xây dựng nhằm đảm bảo các chất lượng điện năng tại phụ tải Việc tích hợp các nguồn điện mặt trời - Photovoltaic (PV) vào lưới phân phối giúp cung cấp điện cho khu vực tại chỗ, giảm công suất thực trên đường dây phân phối, và với một mức độ tích hợp nào đó nó có thể cải thiện, tổn thất và điện áp lưới phân phối [5]

Khi có các trang trại PV tập trung, hoặc hệ thống điện mặt trời mái nhà dọc phát tuyến và cuối phát tuyến, trong thời điểm công suất PV vượt mức yêu cầu của các tải tại chỗ, sẽ xuất hiện hiện tượng dòng công suất ngược từ vị trí PV về hướng trạm trung gian Hiện tượng này sẽ gây ra các hệ lụy sau:

- Tăng tổn thất và gây ra quá tải ở các đoạn dây gần cuối phát tuyến [5]

- Quá áp dọc đường dây phân phối, và ảnh hưởng hoạt động các thiết bị điều chỉnh áp lưới phân phối và các thiết bị bảo vệ lưới Xu hướng thay đổi theo giờ và dao động công suất với các thay đổi thời tiết ngắn hạn (như mây che, sương mù, mưa…) của PV có thể khiến các thiết bị điều áp như các tụ bù, bộ điều áp dưới tải (OLTC) của máy biến áp, thiết bị điều áp theo nấc (SVR) v.v… tăng tần suất đổi nấc lớn hơn thiết kế ban đầu, tăng gánh nặng cho việc bảo trì và sửa chữa, thay thế thiết bị [5]

- Mất cân bằng pha: Phát tuyến phân phối đã được thiết kế và vận hành cân bằng 3 pha trước khi có các nguồn PV Việc lắp đặt các nguồn PV mái nhà thường theo phụ thuộc nhu cầu của các chủ hộ tiêu thụ, trong đó có các hộ tiêu thụ điện một pha, và nếu không được kiểm soát theo tiêu chí cân bằng pha thì sẽ dẫn đến khả năng mất cân bằng pha trầm trọng, nhất là vào các thời điểm PV phát công suất cao vượt quá công suất phụ tải tại chỗ [5]

- Giảm hiệu suất máy biến áp trung gian: Việc truyền dòng công suất ngược thường dẫn đến công suất thực qua máy biến áp trung gian bị giảm thấp hơn nhiều so với định mức Bên cạnh đó, nếu PV không cung cấp công suất phản kháng, hoặc chỉ cung cấp một phần nhỏ, máy biến áp trung gian vẫn phải truyền tải một lớn công suất phải kháng lớn, dẫn đến hệ số công suất máy biến áp trung gian giảm thấp Điều này làm tổn thất máy biến áp trung gian tăng lên, và góp phần giảm hiệu suất truyền tải lưới phân phối [5]

- Chất lượng điện năng: Chất lượng điện năng là một trong những vấn đề cần chú ý khi có một lượng lớn nguồn PV tích hợp vào lưới phân phối Các bộ nghịch lưu

PV thường tạo ra các hài điện áp và dòng điện tại chỗ kết nối, trong đó hài dòng điện thường có bậc cao với biên độ nhỏ Vấn đề với các hài dòng điện bậc cao này là chúng có thể kích hoạt cộng hưởng tần số cao trong hệ thống Một vấn đề khác là các hài trung gian ở dải tần số hài thấp (dưới bậc 13) có thể tương tác với tải gần vị trí bộ nghịch lưu, và các hài bậc chẵn có thể tạo ra thành phần thứ tự nghịch không mong muốn ảnh hưởng đến các tải 3 pha [5] Đối với phạm vi đề tài luận văn này, những phần tiếp theo sau đây sẽ tập trung khai thác và trình bày những nội dung chính liên quan đến PV có ảnh hưởng như thế nào đến việc bảo vệ rơ le trên lưới phân phối và những giải pháp đã được nghiên cứu để giải quyết các vấn đề đó

NHIỆM VỤ CỦA BẢO VỆ RƠ LE VÀ CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI HỆ THỐNG BẢO VỆ

3.2.1 Nhiệm vụ của bảo vệ rơ le

Trong quá trình vận hành hệ thống điện có thể xuất hiện chế độ làm việc không bình thường và tình trạng sự cố của các phần tử Phần lớn các sự cố thường kèm theo hiện tượng dòng điện tăng cao, điện áp giảm xuống thấp và tần số lệch khỏi giá trị cho phép Các chế độ làm việc không bình thường mà duy trì trong thời gian dài, ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng điện năng Một trong những sự cố thường gặp là ngắn mạch, các thiết bị có dòng điện ngắn mạch chạy qua, có thể bị đốt nóng quá mức cho phép và bị hư hỏng cách điện, gây cháy nổ, thiệt hại về người và thiết bị [6]

Muốn duy trì hoạt động bình thường của hệ thống thì khi xuất hiện sự cố cần phát hiện nhanh vị trí sự cố để cách ly vùng bị sự cố khỏi phần còn lại của lưới điện, có như vậy mới duy trì hoạt động bình thường, đồng thời giảm mức độ hư hại của phần bị sự cố Hệ thống bảo vệ rơ le đảm nhiệm chức năng này trong hệ thống điện Cần thiết phối hợp bảo vệ hợp lý để đảm bảo các tính năng: nhanh, nhạy, chọn lọc và tin cậy của hệ thống bảo vệ [6]

Các mạng điện hiện đại không thể làm việc thiếu các hệ thống bảo vệ kết hợp với hệ thống SCADA, vì chúng theo dõi liên tục tình trạng và chế độ làm việc của tất cả các phần tử của hệ thống điện Khi xuất hiện sự cố, bảo vệ phát hiện cô lập vùng sự cố bằng cách truyền thông tin lẫn nhau giữa các IED để đảm bảo tính nhanh và chọn lọc tốt nhất Ngoài ra, các lưới điện hiện đại còn tính toán và tái lập chế độ làm việc sau sự cố tối ưu nhất về tổn hao thông qua việc cài đặt và truyền thông của hệ thống tự động hóa bảo vệ [6]

Phần tiếp theo sẽ mô tả chi tiết các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống bảo vệ

Khả năng của bảo vệ chỉ cắt phần hư hỏng khi ngắn mạch được gọi là tính chọn lọc Với ví dụ Hình 3-1 [6], yêu cầu này được thực hiện như sau: khi ngắn

12 mạch tại điểm N1, máy cắt MC3 là máy cắt ở gần chỗ sự cố nhất được cắt ra, nhờ vậy các phụ tải không nối vào đường dây hư hỏng vẫn nhận được điện Khi ngắn mạch tại điểm N2 đường dây sự cố II được cắt ra từ hai phía nhờ MC1 và MC2, còn đường dây I vẫn làm việc, vì vậy toàn bộ các hộ tiêu thụ vẫn nhận được điện Yêu cầu tác động chọn lọc là yêu cầu cơ bản nhất để đảm bảo cung cấp điện an toàn cho các hộ tiêu thụ Nếu bảo vệ tác động không chọn lọc, sự cố có thể lan rộng [6]

Hình 3-1 Cắt chọn lọc phần tử hư hỏng khi ngắn mạch trong mạng

Tính tác động nhanh của bảo vệ là yêu cầu quan trọng khi có ngắn mạch trong hệ thống Bảo vệ tác động càng nhanh thì:

• Đảm bảo tính ổn định làm việc song song của các máy phát trong hệ thống, làm giảm ảnh hưởng của điện áp thấp lên các phụ tải

• Giảm tác hại của dòng ngắn mạch tới các thiết bị

• Giảm xác suất dẫn đến hư hỏng nặng hơn

• Nâng cao hiệu quả thiết bị tự đóng lại [6]

Thời gian cắt hư hỏng “t” bao gồm thời gian tác động của bảo vệ 𝑡𝑏𝑣 và thời gian cắt của máy cắt 𝑡𝑀𝐶: t = t bv + t MC (3.1)

13 Đối với các hệ thống điện hiện đại, thời gian cắt ngắn mạch lớn nhất cho phép theo yêu cầu đảm bảo tính ổn định rất nhỏ Muốn cắt nhanh ngắn mạch cần giảm thời gian tác động của bảo vệ và máy cắt Ví dụ với đường dây tải điện 500kV, cần phải cắt sự cố trong vòng 0,10.,2s sau khi ngắn mạch xuất hiện, còn trong mạng 110220kV thì trong vòng 0,153s Muốn cắt nhanh ngắn mạch cần giảm thời gian tác động bảo vệ của máy cắt Hiện dùng phổ biến các máy cắt có 𝑡𝑀𝐶 = 0,15÷0,06s Nếu cần cắt ngắn mạch với thời gian t = 0,12s bằng máy cắt có 𝑡𝑀𝐶 = 0,08s thì thời gian tác động của bảo vệ không được vượt quá 0.04s Bảo vệ có thời gian tác động dưới 0,1s được xếp vào loại tác động nhanh Loại bảo vệ tác động nhanh hiện đại có

Việc chế tạo bảo vệ vừa tác động chọn lọc, vừa nhanh là vấn đề khó Các bảo vệ này phức tạp và đắt Để đơn giản, có thể thực hiện cắt nhanh ngắn mạch không chọn lọc, sau đó dùng thiết bị tự đóng lại phần bị cắt không chọn lọc [6]

Mỗi bảo vệ cần tác động khi sự cố xảy ra trong vùng bảo vệ của mình (để đảm bảo vừa có bảo vệ chính và bảo vệ dự trữ tại chỗ) Ví dụ Hình 3-1, BV1 và BV2 cần tác động khi ngắn mạch xảy ra trong đoạn DE Ngoài ra, nó còn cần tác động khi ngắn mạch xảy ra trong đoạn BC của BV3 Điều này cần thiết để dự dòng trường hợp ngắn mạch trên đoạn BC mà BV3 hoặc MC3 không làm việc Tác động của BV đối với đoạn kế tiếp được gọi là dự phòng xa Mỗi BV cần tác động không chỉ với trường hợp ngắn mạch trực tiếp mà cả khi ngắn mạch qua điện trở trung gian của hồ quang Ngoài ra, nó cần tác động khi ngắn mạch xảy ra trong lúc hệ thống làm việc ở chế độ cực tiểu (ở chế độ này một số nguồn được cắt ra và do đó dòng ngắn mạch có giá trị nhỏ) [6] Độ nhạy của bảo vệ thường được đánh giá bằng hệ số nhạy 𝑘𝑛ℎ Đối với bảo vệ cực đại tác động, đại lượng theo dõi tăng khi có hư hỏng (ví dụ quá dòng điện) thì

Với: 𝐼𝑁𝑚𝑖𝑛 - dòng ngắn mạch nhỏ nhất

𝐼𝑘đ𝑏𝑣 - giá trị dòng nhỏ nhất mà bảo vệ có thể tác động [6] Đối với bảo vệ cực tiểu tác động khi đại lượng theo dõi giảm khi hư hỏng (ví dụ điện áp cực tiểu), hệ số 𝑘𝑛ℎ được xác định ngược lại bằng trị số điện áp khởi động chia cho điện áp dư còn lại lớn nhất khi hư hỏng [6]

Bảo vệ cần có độ nhạy sao cho nó tác động chắc chắn khi ngắn mạch qua điện trở của hồ quang ở cuối vùng được giao bảo vệ trong chế độ cực tiểu của hệ thống.[6]

3.2.1.4 Độ tin cậy Độ tin cậy thể hiện yêu cầu bảo vệ phải tác động chắc chắn khi ngắn mạch xảy ra trong vùng được giao bảo vệ và không được tác động đối với các chế độ mà nó không có trách nhiệm tác động Đây là yêu cầu rất quan trọng Một bảo vệ nào đó hoặc không tác động hoặc tác động nhầm rất có thể dẫn đến hậu quả là số phụ tải bị mất điện nhiều hơn hoặc làm cho sự cố lan tràn [6] Để bảo vệ có độ tin cậy cao cần dùng sơ đồ đơn giản, giảm số lượng rơ le và tiếp xúc, cấu tạo đơn giản và lắp ráp đảm bảo chất lượng, đồng thời kiểm tra thường xuyên trong quá trình vận hành [6]

BẢO VỆ QUÁ DÒNG CHỨC NĂNG 51 TRÊN XUẤT TUYẾN LƯỚI PHÂN PHỐI

Trên một xuất tuyến của lưới điện có thể có rất nhiều thiết bị bảo vệ, phân đoạn,… Việc tính toán phối hợp bảo vệ giữa các thiết bị là điều vô cùng thiết yếu để bảo vệ tối ưu cho mỗi xuất tuyến đó Ở lưới phân phối, chức năng bảo vệ quá dòng (50/51) được sử dụng phổ biến nhất do tính toán bảo vệ đơn giản và tính kinh tế cao Nguyên tắc bảo vệ của chức năng quá dòng là so sánh dòng điện đo được với dòng điện được cài đặt sẵn (dòng

15 khởi động nhỏ nhất – minimum trip), nếu dòng điện đo được lớn hơn dòng điện cài đặt, thiết bị sẽ gửi tín hiệu cắt điện theo đặc tính được cài đặt sẵn để thực hiện chức năng bảo vệ

Dòng điện khởi động của chức năng bảo vệ quá dòng cực đại pha (51P) được tính như sau [7]:

𝑘 𝑡𝑣 𝐼 𝑙𝑣−𝑚𝑎𝑥 (3.3) Trong đó: k at là hệ số an toàn có tính đến các sai số tính toán và thiết bị (thường có giá trị 1,1÷1,2) k mm là hệ số mở máy đối với các tải có động cơ (thường có giá trị 1,3 ÷ 3) k tv là hệ số trở về có giá trị từ 0,85 ÷ 0,9 nếu là rơ le điện cơ, đối với rơ le tĩnh hay rơ le kỹ thuật số thì có giá trị bằng 1

I lv-max là dòng điện làm việc cưỡng bức cực đại của thiết bị cần bảo vệ

Dòng điện khởi động của chức năng bảo vệ quá dòng cực đại chạm đất pha (51G) được tính như sau [7]:

𝐼 𝑘𝑑_𝑠𝑐 = 𝑘 𝑎𝑡 𝐼 𝑘𝑐𝑏−𝑚𝑎𝑥 (3.4) Trong đó: k at là hệ số an toàn có tính đến các sai số tính toán và thiết bị (thường có giá trị 1.21.5)

I kcb-max là dòng không cân bằng cực đại Dòng điện này được xác định: [7]

𝐼 𝑘𝑐𝑏−𝑚𝑎𝑥 = 𝑘 𝑑𝑛 𝑘 𝑠𝑠 𝐼 𝑛𝑚−𝑚𝑎𝑥 (3.5) Trong đó: k dn là hệ số đồng nhất các biến dòng điện (thường có giá trị 0,1  1)

16 k ss là hệ số sai số biến dòng (thường là 0,1)

I nm-max là dòng ngắn mạch lớn nhất tại cuối đối tượng bảo vệ

Tuy nhiên chức năng 51 có vùng bảo vệ mở rộng vượt ngoài đối tượng bảo vệ nên cần phối hợp chức năng 51 giữa các thiết bị bảo vệ ở các cấp trên cùng một xuất tuyến, tránh các thiết bị gần nguồn hơn tác động vượt cấp gây mất điện diện rộng [7]

Có hai dạng phối hợp thời gian:

- Phối hợp theo đặc tính thời gian độc lập (Definite Time): Thời gian tác động của chức năng bảo vệ là hằng số, không phụ thuộc vào độ lớn của dòng sự cố đo được

Hình 3-2 Đặc tính thời gian độc lập

Hình 3-3 Phối hợp thời gian bảo vệ theo đặc tính thời gian độc lập [6] Đối với phối hợp thời gian theo đặc tính độc lập, cần chú ý chỉnh định thời gian tác động của các thiết bị phía trên (thiết bị gần nguồn) lớn hơn thời gian tác động của thiết bị phía dưới kế tiếp là 0.25  0.3 giây (đối với rơ le kỹ thuật số) để đảm bảo chức năng 51 ở các thiết bị không tác động vượt cấp [7]

+ Ưu điểm: Tính toán chỉnh định đơn giản

+ Nhược điểm: Càng gần nguồn thời gian tác động càng lớn trong khi giá trị dòng sự cố càng cao nên sẽ rất nguy hiểm cho các thiết bị, do vậy phối hợp bảo vệ theo đặc tính thời gian độc lập ít được áp dụng rộng rãi [7]

- Phối hợp theo đặc tính thời gian phụ thuộc (Inverse Definite Minimum Time): Thời gian tác động của chức năng bảo vệ phụ thuộc vào độ lớn dòng điện sự cố đo được, dòng điện sự cố càng lớn, thời gian tác động sẽ càng nhỏ Đặc tính này có thể theo chuẩn ANSI hoặc IEC với các phương trình thời gian phụ thuộc dòng điện là khác nhau [7]

Hình 3-4 Đặc tính thời gian phụ thuộc

Hình 3-5 Phối hợp thời gian theo đặc tính thời gian phụ thuộc [6] Để phối hợp theo đặc tính thời gian phụ thuộc, các thiết bị bảo vệ trên một xuất tuyến, cần chỉnh định độ lệch thời gian nhỏ nhất của đặc tính trên so với đặc tính

18 dưới là 0.3  0.5 giây [7] đảm bảo chức năng 51 ở các thiết bị không tác động vượt cấp hoặc cả hai thiết bị cùng tác động bảo vệ cho một đối tượng

+ Ưu điểm: Càng gần nguồn, dòng sự cố sẽ càng lớn, nhưng thời gian tác động khi cài đặt dựa trên đặc tính này sẽ càng nhỏ, đảm bảo tác động đủ nhanh để không gây nguy hiểm cho thiết bị và lưới điện

+ Nhược điểm: Tính toán phối hợp phức tạp hơn so với phối hợp theo đặc tính thời gian độc lập, mỗi tiêu chuẩn ANSI hay IEC và tùy loại đặc tính sẽ có phương trình tính toán khác nhau [7]

Phương trình các dạng đặc tính thời gian phụ thuộc (ĐTPT) theo tiêu chuẩn IEC [7]:

- ĐTPT có thời gian dài:

Trong đó: k là hệ số nhân thời gian

Phương trình các dạng đặc tính thời gian phụ thuộc (ĐTPT) theo tiêu chuẩn ANSI/IEEE:

Trong đó: D là hệ số nhân thời gian

Thông thường, đặc tính dốc của đường chuẩn IEC theo công thức (3.7) được sử dụng rộng rãi Đặc tính này dễ dàng chỉnh định và đảm bảo độ dốc cần thiết.

Để đảm bảo tính chọn lọc của bảo vệ, bảo vệ phối hợp cần tuân thủ các nguyên tắc sau: phối hợp thời gian bảo vệ theo đặc tính và đảm bảo độ chênh lệch thời gian nhỏ nhất giữa hai đặc tuyến.

- Thiết bị gần sự cố nhất và trước điểm sự cố sẽ tác động trước tiên, hạn chế tối đa việc tác động vượt cấp gây mất điện diện rộng

- Các thiết bị sau điểm sự cố sẽ không tác động [7]

TÁC ĐỘNG CỦA NGUỒN PV ĐỐI VỚI BẢO VỆ RƠ LE TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI

Lưới điện phân phối có cấu trúc mạch vòng nhưng hoạt động hở nên chỉ nhận điện từ một nguồn cung cấp cố định Bảo vệ quá dòng 50/51 là bảo vệ chính, kết hợp với thiết bị bảo vệ phân đoạn theo xuất tuyến Tuy nhiên, khi có nguồn năng lượng tái tạo (NLTT) bổ sung, chiều truyền công suất có thể thay đổi (ví dụ: hệ thống năng lượng mặt trời phát ngược công suất vào giờ trưa) Điều này ảnh hưởng đến bảo vệ rơ le trong lưới điện phân phối khi bình thường và khi sự cố xảy ra, như tài liệu tham khảo [11] đã đề cập.

3.4.1 Thay đổi dòng điện sự cố

Lưới điện phân phối có cấu trúc kín nhưng vận hành hở, dòng điện chạy theo 1 chiều từ nguồn đến tải Lưới điện phân phối được bảo vệ chủ yếu bởi các thiết bị như rơ le quá dòng, recloser và cầu chì Các thiết bị này giám sát dòng điện chạy qua phần tử được bảo vệ và tạo tín hiệu ngắt tới máy cắt nếu dòng điện sự cố lớn hơn giá trị quy định

Khi có thêm sự đóng góp dòng từ nguồn NLTT, dòng điện đóng góp từ nguồn chính đến điểm sự cố có thể bị thay đổi tùy theo công suất và vị trí của nguồn NLTT

Khi đặt thiết bị bảo vệ sau nguồn năng lượng tái tạo (NLTT), dòng điện ngắn mạch tăng lên do sự đóng góp của dòng từ NLTT, dẫn đến phạm vi bảo vệ mở rộng và tác động vượt ngưỡng Ngược lại, khi đặt thiết bị bảo vệ trước nguồn NLTT, dòng ngắn mạch giảm, phạm vi bảo vệ thu hẹp và tác động dưới ngưỡng.

Sự cố ngắn mạch xảy ra ở cuối đường dây, dòng điện ngắn mạch được tính theo công thức: Dòng điện sự cố = Điện áp nguồn / (Tổng trở nguồn + Tổng trở phân đoạn đường dây) Khi tăng điện áp nguồn hoặc giảm tổng trở nguồn/đường dây, dòng điện sự cố sẽ tăng lên Ngược lại, khi giảm điện áp nguồn hoặc tăng tổng trở nguồn/đường dây, dòng điện sự cố sẽ giảm đi.

Hình 3-6 Tổng trở của lưới điện khi chưa có PV

Sau khi có PV (Hình 3-7), nguồn PV có nội trở nhỏ (nhỏ hơn rất nhiều so với

ZH), dòng sự cố sẽ có thêm phần đóng góp từ nguồn PV

Hình 3-7 Tổng trở của lưới điện khi đã có PV

Hình 3-8 RES tích hợp vào lưới điện

Như được thể hiện trên Hình 3-8, dòng điện sự cố được cảm nhận bởi rơ le R1 sẽ nhỏ hơn so với khi không có kết nối nguồn NLTT Việc giảm dòng điện sự cố này sẽ dẫn đến rơ le R1 không hoạt động hoặc tác động với thời gian lâu hơn, đây được gọi là mù bảo vệ rơ le [8], [9], [10], [11]

3.4.3 Mất phối hợp bảo vệ

Sự thay đổi dòng điện sự cố và việc tác động sai, mù bảo vệ của rơ le, bật vượt cấp, đều vi phạm tính chọn lọc của bảo vệ nên được gọi là mất phối hợp bảo vệ [11]

Hình 3-9 R2 ngắt sai do có sự đóng góp từ nguồn NLTT

Việc tích hợp các nguồn NLTT quy mô lớn trong các hệ thống phân phối dẫn đến dòng sự cố có thể chạy ngược về nguồn Rơ le quá dòng không định hướng có thể không làm việc như mong muốn trong trường hợp này Như thể hiện trong Hình 3-9, khi có sự cố, rơ le R2 có thể ngắt trước khi R1 tác động do nhận dòng sự cố lớn hơn giá trị cài đặt của chúng, gây mất phối hợp bảo vệ Những loại tác động này được gọi là tác động sai hay bậc vượt cấp [11]

Hình 3-10 Vấn đề tách đảo do kết nối RES

Như thể hiện trong Hình 3-10, nếu dòng sự cố qua R2 đủ để bảo vệ tác động, lúc này sẽ dẫn đến hoạt động đảo của RES với tải cục bộ Như vậy, hiện tượng mất cân bằng hay ổn định điện áp cần được xem xét khi xảy ra hiện tượng tách đảo [9]

3.4.5 Vấn đề tự đóng lại

Hình 3-11 Vấn đề tự đóng lại khi có tích hợp RES

Như thể hiện trong Hình 3-11, khi sự cố thoáng qua xảy ra, recloser cho phép giải trự sự cố thoáng qua Tuy nhiên dòng ngắn mạch thoáng qua vẫn còn nhận 1 phần từ nguồn NLTT Dòng sự cố từ NLTT được đưa vào có thể gây ra hồ quang qua recloser và có thể chuyển sự cố tạm thời thành sự cố vĩnh viễn [11]

TÌM HIỂU MỘT SỐ GIẢI PHÁP BẢO VỆ CHO LƯỚI PHÂN PHỐI KHI CÓ ĐIỆN MẶT TRỜI

3.5.1 Điều phối bảo vệ bằng giải thuật tối ưu

Tối ưu điều phối bảo vệ bằng giải thuật Phương pháp tối ưu điều phối bảo vệ (OCPCO-Over-Current Protection Coordination Optimization) dành cho hệ thống bảo vệ của một LĐPP có tích hợp nguồn DG sẽ được trình bày như sau [12]:

Phương pháp OCPCO này được phát triển dựa vào việc sử dụng kết quả phân tích ngắn mạch kết hợp với giải thuật tìm kiếm tối ưu GSA (GSA-Gravitational Search Algorithm) hoặc giải thuật di truyền GA (Genetic Algorithm) nhằm xác định các hệ số điều phối A, B, C và TDS (Time Dial Setting) của các đặc tính relay bảo vệ quá dòng để có thể thích nghi với từng trạng thái vận hành của LĐPP có tích hợp nguồn DG, đặc biệt là sau khi LĐPP đã được tái cấu trúc để cách ly sự cố và khôi phục cung cấp điện Đặc tính relay bảo vệ quá dòng [12]:

Căn cứ vào hàm mục tiêu CTI, công cụ OCPCO sẽ đề xuất phương án điều phối các trị số chỉnh định để cập nhật đến từng rơ le trong hệ thống dựa trên hạ tầng mạng thông tin Lưu đồ giải thuật OCPCO trình bày trong Hình 3-12 gồm các bước thực hiện như sau:

Hình 3-12 Giải thuật điều phối bảo vệ OCPCO dành cho hệ thống bảo vệ của một

LĐPP có tích hợp nguồn DG

3.5.1.1 Giải thuật GSA (GSA-Gravitational Search Algorithm)

Giải thuật tìm kiếm GSA là một thuật toán meta-heuristic dựa trên lực hấp dẫn (gravitation) và định luật chuyển động của Newton Những đối tượng sử dụng trong giải thuật này được xem là các vật thể có khối lượng biến đổi Lực hấp dẫn giữa các đơn vị khối lượng khác nhau dẫn đến sự chuyển động của các vật thể Bốn tham số dùng để xác định vật thể/đối tượng trong giải thuật tìm kiếm GSA bao gồm:

• vị trí của vật thể theo khoảng cách

• khối lượng quán tính (inertial mass) của vật thể,

• khối lượng hấp dẫn chủ động (active gravitational mass)

Khối lượng hấp dẫn thụ động của một vật thể biểu thị cho lực hấp dẫn mà vật thể đó tác dụng lên các vật thể khác Theo định luật hấp dẫn của Newton, mọi vật thể trong vũ trụ đều thu hút nhau với lực tỷ lệ thuận với tích khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.

26 chúng Theo đó, khối lượng hấp dẫn và khối lượng quán tính sẽ điều khiển vận tốc của vật thể theo một khoảng cách nhất định và kết quả của bài toán sẽ phụ thuộc vào các tham số này [12]

Hình 3-13 Lưu đồ thuật toán GSA

3.5.1.2 Giải thuật di truyền GA (Genetic Algorithm)

Giải thuật di truyền (GA-Genetic Algorithm) là kỹ thuật phỏng theo quá trình thích nghi tiến hóa của các quần thể sinh học dựa trên học thuyết Darwin GA là phương pháp tìm kiếm tối ưu ngẫu nhiên bằng cách mô phỏng theo sự tiến hóa của con người hay của sinh vật Tư tưởng của thuật toán di truyền là mô phỏng các hiện tượng tự nhiên, là kế thừa và đấu tranh sinh tồn GA thuộc lớp các giải thuật xuất sắc nhưng lại rất khác các giải thuật ngẫu nhiên vì chúng kết hợp các phần tử tìm kiếm trực tiếp và ngẫu nhiên Khác biệt quan trọng giữa tìm kiếm của GA và các phương pháp tìm kiếm khác là GA duy trì và xử lý một tập các lời giải, gọi là một quần thể (population) [12]

Trong GA, việc tìm kiếm giả thuyết thích hợp được bắt đầu với một quần thể, hay một tập hợp có chọn lọc ban đầu của các giả thuyết Các cá thể của quần thể hiện tại khởi nguồn cho quần thể thế hệ kế tiếp bằng các hoạt động lai ghép và đột biến ngẫu nhiên – được lấy mẫu sau các quá trình tiến hóa sinh học Ở mỗi bước, các giả thuyết trong quần thể hiện tại được ước lượng liên hệ với đại lượng thích nghi, với các giả thuyết phù hợp nhất được chọn theo xác suất là các hạt giống cho việc sản sinh thế hệ kế tiếp, gọi là cá thể (individual) Cá thể nào phát triển hơn, thích ứng hơn

Thuật toán di truyền (GA) là một thuật toán tối ưu hóa dựa trên quá trình tiến hóa sinh học GA tìm kiếm thế hệ tiếp theo có khả năng thích nghi tốt hơn để giải quyết các bài toán quy hoạch toán học Quá trình này thực hiện thông qua các bước cơ bản: lai tạo, đột biến và chọn lọc Để sử dụng GA, cần xác định quần thể ban đầu, hàm đánh giá mức độ thích nghi của các cá thể (hàm mục tiêu) và các toán tử di truyền tạo nên hàm sinh sản.

Hình 3-14 Giải thuật GA 3.5.1.3 Nhận xét và đánh giá

Bài báo [12] sử dụng công cụ FLISR để điều phối lại các trị số bảo vệ rơ le để thích nghi cấu trúc mới lưới điện Bài báo xét đến cả 2 giải thuật GSA và GA với những nhận định như Bảng 3-1 Nghiên cứu này chỉ xem xét việc điều phối các rơ le trên

28 trục chính của những tuyến dây trung thế thuộc LĐPP có tích hợp nguồn phân tán Theo đó, các vấn đề phối hợp với các loại bảo vệ trên lưới điện cao/hạ áp cũng như sự tồn tại của các thiết bị bảo vệ trên nhánh rẽ không thuộc phạm vi xem xét của nghiên cứu này, bởi vì sự phức tạp khi xem xét nhiều đối tượng bảo vệ khác nhau

Bảng 3-1 Kết quả và đánh giá 2 giải thuật

Giải thuật GSA Giải thuật GA

Kết quả điều phối hội tụ trong lần chạy thứ 2 hoặc thứ 3

Kết quả điều phối hội tụ trong lần chạy thứ đầu tiên

Tốc độ xuất kết quả chậm hơn, trong khoảng 1 – 2s

Tốc độ xuất kết quả dưới 1s

Giải thuật GSA sử dụng ít bộ nhớ, đồng thời kết quả tốt nhất, Biên độ hiệu chỉnh của relay nằm trong giá trị cho phép

Kết quả chưa thực sự tốt, chưa thoả mãn thời gian đặt ra

3.5.2 Bảo vệ so sánh pha

Trong nghiên cứu khác của các tác giả Tan G M Alvin, Izham Z Abidin, et al [13] xem xét dòng công suất ngược sẽ ảnh hưởng như thế nào đến thời gian tác động và sự phối hợp của của rơ le bảo vệ quá dòng Qua đó nghiên cứu về khả năng sử dụng phương pháp bảo vệ so sánh pha để cải thiện sự phối hợp của hệ thống bảo vệ trong môi trường có sự thâm nhập PV cao

Mô phỏng bài báo này được thực hiện trong MATLAB/Simulink với hệ thống thử nghiệm là mạng phân phối 11kV hình tia phổ biến tại Malaysia Hệ thống gồm 5 tải và 2 nguồn phát phân tán được mô tả bằng các khối PV (Hình 3-15) Các khối PV được đặt tại các khối tải gần nguồn (A) và giữa đường phân phối (C) để đánh giá dòng công suất 2 chiều thuận và ngược trong lưới điện Hai sự cố được mô phỏng là sự cố chạm đất và trở kháng cao tại tải E và C.

Hình 3-15 Mô hình hệ thống thử nghiệm

Sơ đồ bố trí với 10 bảo vệ, trong đó các bảo vệ A, B, C, D, E là các bảo vệ quá dòng chính trong lưới và sẽ điều khiển các máy cắt tương ứng Các bảo vệ H, I, J, K,

L chỉ thu nhập các dữ liệu và đánh giá lưới điện [13]

Kết quả mô phỏng cho thấy sự phối hợp của các rơ le quá dòng bị ảnh hưởng trong điều kiện sự cố trở kháng cao Khi có PV, dòng điện sự cố tại điểm ngắn mạch lớn lên, nhưng ở đoạn đường dây gần nguồn chính và trước PV bảo vệ có thể tác động lâu hơn hoặc thậm chí không phát hiện dòng sự cố do bị mù bảo vệ Qua đó nhận thấy rằng bảo vệ quá dòng truyền thống không đủ để cung cấp bảo vệ toàn bộ cho lưới phân phối khi PV được đưa vào [13]

MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT RƠ LE BẢO VỆ QUÁ DÒNG LƯỚI PHÂN PHỐI BẰNG MATLAB/SIMULINK

GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK

MATLAB (Matrix Laboratory) là một phần mềm khoa học được thiết kế để cung cấp việc tính toán số và hiển thị đồ họa bằng ngôn ngữ lập trình cấp cao MATLAB cung cấp các tính năng tương tác tuyệt vời cho phép người sử dụng thao tác dữ liệu linh hoạt dưới dạng mảng ma trận để tính toán và quan sát Các dữ liệu vào của MATLAB có thể được nhập từ "Command line" hoặc từ "mfiles", trong đó tập lệnh được cho trước bởi MATLAB

MATLAB cung cấp cho người dùng các hôp công cụ tiêu chuẩn tùy chọn Người dùng cũng có thể tạo ra các hộp công cụ riêng của mình gồm các "mfiles" được viết cho các ứng dụng cụ thể

Chúng ta có thể sử dụng các tập tin trợ giúp của MATLAB cho các chức năng và các lệnh liên quan với các hộp công cụ có sẵn (dùng lệnh help)

Hình 4-1 Giao diện phần mềm Matlab

Simulink là một công cụ trong Matlab dùng để mô hình, mô phỏng và phân tích các hệ thống động với môi trường giao diện sử dụng bằng đồ họa Việc xây dựng mô hình được đơn giản hóa bằng các hoạt động nhấp chuột và kéo thả Simulink bao

48 gồm một bộ thư viện khối với các hộp công cụ toàn diện cho cả việc phân tích tuyến tính và phi tuyến

Simulink là một phần quan trọng của Matlab và có thể dễ dàng chuyển đổi qua lại trong quá trình phân tích, vì vậy người dùng có thể tận dụng được ưu thế của cả hai môi trường

Trong Simulink, một mô hình là một tập hợp các khối mà đại diện cho một hệ thống Ngoài ra, để vẽ một mô hình thành một cửa sổ mô hình trống, mô hình các tập tin đã lưu trước đó có thể được nạp hoặc từ các tập tin trình đơn hoặc từ dấu nhắc lệnh MATLAB

Hình 4-2 Giao diện và thư viện Simulink

Các ứng dụng điển hình của Matlab:

- Phát triển thuật toán và tính toán

- Tạo mô hình, mô phỏng và giao thức

- Khảo sát, phân tích số liệu

- Đồ họa khoa học kỹ thuật

- Phát triển ứng dụng, gồm cả giao diện người dùng đồ họa GUIDE

- Thiết kế các hệ thống điều khiển trong thời gian thực

Trong đó Simulink được tích hợp trong Matlab để thực hiện chức năng mô phỏng Phần mềm Simulink sẽ được sử dụng để mô phỏng một lưới điện nghiên cứu trong phạm vi luận văn này, đó là một xuất tuyến phân phối để khảo sát sự phối hợp của các thiết bị bảo vệ quá dòng chức năng 51 trên lưới.

CÁC KHỐI CHỨC NĂNG CẦN THIẾT

Dưới đây là những mô hình các khối cần thiết được sử dụng để mô phỏng trong phạm vi luận văn này

Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho lưới điện, thông số cần quan tâm là điện áp, tần số, công suất ngắn mạch Sử dụng mô hình hệ thống ba pha lấy từ thư viện Simcape/ Power Systems/ Specialized Technology/ Fundamental Blocks/ Electrical Sources/ Three-Phase Source như Hình

Khối đo lường: Là khối đo lường dòng điện, điện áp ba pha như Hình Tùy theo yêu cầu của từng chức năng bảo vệ mà chọn các khối đo lường điện áp dòng điện cho phù hợp Kết nối cổng Vabc và Iabc với Scope để đo điện áp và dòng điện Khối này được lấy ở thư viện Simcape/ Electrical/ Specialized Power Systems/ Fundamental Blocks/ Measurements/ Three-Phase V-I Measurement

Hình 4-4 Khối đo điện áp, dòng điện và scope hiển thị

Khối máy cắt: là khối mô hình được lấy từ thư viện Simcape/ Electrical/

Specialized Power Systems/ Fundamental Blocks/ Elements/ Three-Phase Breaker như Hình Khối “Three-Phase Breaker” là một máy cắt mà số lần đóng mở có thể điều khiển bằng cả từ tín hiệu bên ngoài hoặc thời gian bên trong nó Có chân com điều khiển sự đóng cắt của máy cắt, thông số cần quan tâm là trạng thái của máy cắt (closed hay opened)

Hình 4-5 Khối máy cắt ba pha

Khối đường dây: là khối mô hình được lấy từ thư viện: Simcape/ Electrical/ Specialized Power Systems/ Fundamental Blocks/ Elements/ Distributed Parameters Line Thể hiện trở kháng của đường dây phân phối, thông số cần quan tâm là điện trở, điện kháng, chiều dài

Hình 4-6 Khối đường dây ba pha

Khối tải: Sử dụng mô hình phụ tải ba pha lấy từ thư viện Simcape/ Power

Systems/ Specialized Technology/ Fundamental Blocks/ Elements/ Three Phase- Series RLC Load như Hình Thể hiện khối lượng tải tiêu thụ trên đường dây đó, thông số cần quan tâm là điện áp, tần số, công suất

Hình 4-7 Khối tải ba pha

Khối sự cố: Khối được lấy ở thư viện Simcape/ Electrical/ Specialized Power

Systems/ Fundamental Blocks/ Elements/Three-Phase Fault Có chân điều khiển thời điểm xảy ra sự cố, thông số cần quan tâm là loại sự cố, tổng trở chạm đất

Hình 4-8 Khối tạo sự cố

Khối Flip-Flop: Khối được lấy ở thư viện Simulink Extras/ Flip Flops/ S-R

Flip-Flop Là mạch lưu trữ thông tin trạng thái, cho ra tín hiệu điều khiển máy cắt

Ngoài ra còn có các khối so sánh, tích phân, bộ chia, khối hàm f(u), các cổng logic, khối hằng số, các khóa, khối hàm bước dùng cho điều khiển,…

Hình 4-10 Một số khối chức năng khác

XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG RƠ LE BẢO VỆ QUÁ DÒNG CHỨC NĂNG 51 BẰNG MATLAB/SIMULINK

Hình 4-11 Lưu đồ giải thuật cho chức năng bảo vệ quá dòng

Xây dựng lưu đồ giải thuật cho chức năng bảo vệ quá dòng như trong Hình 4-11 Chức năng này hoạt động dựa trên nguyên lý so sánh giá trị dòng điện đo được với dòng khởi động cài đặt Khi dòng sự cố vượt quá giá trị cài đặt, tín hiệu sự cố sẽ được gửi đi để cắt thiết bị bảo vệ tức thời, đảm bảo an toàn cho hệ thống điện.

50) hoặc có thời gian trì hoãn (chức năng 51) [22]

Xây dựng mô hình cơ bản cho chức năng 51 (chức năng bảo vệ quá dòng cực đại – cắt có thời gian trì hoãn) (Hình 4-12) [22]

Hình 4-12 Mô hình mô phỏng bảo vệ quá dòng chức năng 51

Xét mô hình Hình 4-12 , cho tín hiệu xảy ra sự cố vào lúc 0.5 giây, và các thông số cài đặt để điều khiển các thiết bị như sau:

Xem trạng thái tác động của máy cắt:

Hình 4-13 Trạng thái máy cắt khi thực hiện chức năng 51

Như vậy, máy cắt hoạt động đúng như lý thuyết, chức năng 51 là chức năng cắt dòng sự cố có thời gian trì hoãn Trên giản đồ nhận thấy rằng sự cố lúc 0.5 giây và sau thời gian tính toán là 0.5 giây nữa máy cắt mới tác động (tại 1 giây) [22]

MÔ PHỎNG XUẤT TUYẾN PHÂN PHỐI VỚI CHỨC NĂNG BẢO VỆ QUÁ DÒNG 51 BẰNG MATLAB/SIMULINK

4.4.1 Giới thiệu mô hình lưới điện nghiên cứu

Mô hình lưới điện nghiên cứu trong luận văn này là một xuất tuyến phân phối gồm 3 tải và được bảo vệ bởi 3 máy cắt (MC) với chức năng bảo vệ quá dòng 51 được xây dựng ở Hình 4-14

Hình 4-14 Sơ đồ lưới điện nghiên cứu các thiết bị bảo vệ trên 1 xuất tuyến phân phối đơn giản

Các thông số của nguồn, tải và đường dây được trình bày ở Bảng 4-1 Bảng các thông số nguồn, tải, đường dây của lưới điện nghiên cứuBảng 4-1 Các thông số này được sử dụng cho toàn bộ các trường hợp xét đến trong Luận văn Các giá trị trong bảng được tham khảo từ số liệu thực tế nhưng đã được hiệu chỉnh áp dụng cho mô hình xuất tuyến trung thế đơn giản được xét đến

Bảng 4-1 Bảng các thông số nguồn, tải, đường dây của lưới điện nghiên cứu

Nguồn Công suất ngắn mạch 3 pha 50 MVA Điện áp 22 kV

Tần số 50 Hz Đường dây Chiều dài 8 km Điện trở TTT (r1) (Ω/km) 0.01273 Điện trở TTK (r0) (Ω/km) 0.3864 Điện cảm TTT (l1) (H/km) 0.9337e-3 Điện cảm TTK (l0) (H/km) 4.1264e-3 Điện dung TTT (c1) (F/km) 12.74e-9 Điện dung TTK (c0) (F/km) 7.751e-9

Xây dựng mô hình cho sự phối hợp bảo vệ của các thiết bị trên một xuất tuyến phân phối với chức năng 51 Các khối điều khiển có cấu trúc tương tự như đã đề cập ở phần 4.3

Hình 4-15 Mô hình các thiết bị bảo vệ trên xuất tuyến bằng Matlab/Simulink

4.4.2 Tính toán và cài đặt phối hợp bảo vệ chức năng 51 của các máy cắt trên xuất tuyến

Kết quả mô phỏng dòng điện qua các máy cắt (MC) trong điều kiện vận hành bình thường và sự cố ngắn mạch ba pha được trình bày trong Bảng 4-2.

Bảng 4-2 Dòng điện làm việc và dòng điện sự cố ngắn mạch 3 pha qua các thiết bị

Thiết bị Dòng điện làm việc (A) Dòng điện sự cố (A)

Công thức tính dòng khởi động:

Với: k at = 1.2 k mm = 1.3 k tv = 1 n ct = 500/5

Từ các giá trị dòng điện làm việc từ Bảng 4-2 và công thức (4.1) tính được các giá trị dòng khởi động như sau:

Tính toán phối hợp bảo vệ theo đặc tuyến rất dốc sử dụng công thức (3.7):

Xét mô hình Hình 4-15, , với các thông số cài đặt để điều khiển các thiết bị đã tính toán được như sau:

+ Dòng điện khởi động: Ikđ1 = 0.89A + Hệ số k: k1 = 0.88

+ Dòng điện khởi động: Ikđ2 = 0.59A

+ Dòng điện khởi động: Ikđ3 = 0.36A + Hệ số k: k3 = 0.64

Cho tín hiệu xảy ra sự cố vào lúc 0.5 giây, tiến hành mô phỏng và xem kết quả với các giản đồ theo thứ tự từ trên xuống lần lượt là trạng thái đóng/cắt của thiết bị MC1, MC2, MC3 với các trường hợp vị trí sự cố khác nhau

Hình 4-16 Trạng thái đóng/cắt của các MC khi sự cố tại Nút 4

Bảng 4-3 Thời gian tác động của các MC khi sự cố tại Nút 4

Thời gian tác động của các MC Sự cố tại Nút 4

MC3 0.93s Đối với sự cố ở Nút 4, MC3 sẽ là thiết bị tác động trước, nếu MC3 không hoạt động được, các thiết bị cấp trên lần lượt là MC2 và MC1 sẽ tác động Từ Bảng 4-3, thấy được các MC3, MC2 và MC1 với thời gian tác động lần lượt là 0.93s, 1.34s và 2.06s Trên giản đồ Hình 4-16 cũng thể hiện tMC3 < tMC2 < tMC1 là hợp lý

Khi sự cố tại Nút 3, MC2 sẽ là thiết bị tác động trước, nếu MC2 không tác động được, thiết bị cấp trên là MC1 sẽ tác động MC3 nằm sau điểm sự cố nên không tác động Thời gian tác động của MC2 và MC1 lần lượt là 1.2s và 1.82s thể hiện ở Bảng 4-4 Giản đồ Hình 4-17 ta thấy tMC2 < tMC1 và không có MC1 tác động là hợp lý

61 Đối với sự cố tại Nút 2, MC1 sẽ là thiết bị tác động và không còn thiết bị cấp trên nào tác động thay thế nữa Còn MC2 và MC3 do nằm sau điểm sự cố nên sẽ không tác động Trên Bảng 4-5 thấy được MC1 tác động lúc 1.58s và trên giản đồ Hình 4-18 chỉ có MC1 tác động là hợp lý

→ Như vậy, các thiết bị bảo vệ hoạt động đúng như lý thuyết bảo vệ quá dòng chức năng 51, các thiết bị phối hợp với nhau đúng quy tắc, thiết bị gần sự cố nhất tác động trước, các thiết bị sau điểm sự cố sẽ không tác động

- Trong Chương 4, luận văn đã giới thiệu khát quát về Matlab/Simulink và các khối chức năng cần thiết để xây dựng mô hình phục vụ cho việc khảo sát nghiên cứu trong phạm vi đề tài

- Rơ le bảo vệ quá dòng chức năng 51 đã được mô phỏng và áp dụng vào trong mô hình lưới điện nghiên cứu của đề tài là một xuất tuyến phân phối 22kV đơn giản với 3 phân đoạn đường dây để tính toán và cài đặt phối hợp bảo vệ rơ le chức năng 51 của các máy cắt

- Qua tiến hành mô phỏng và khảo sát các trường hợp sự cố trên xuất tuyến, các

MC đã phối hợp bảo vệ rơ le tốt, với thiết bị gần sự cố nhất tác động trước, các thiết bị sau điểm sự cố sẽ không tác động

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG XUẤT TUYẾN PHÂN PHỐI SAU KHI CÓ NGUỒN NLTT XÂM NHẬP

Nguồn NLTT có nhiều dạng ví dụ như điện mặt trời, điện gió, thủy triều, địa nhiệt…

Vì miền nam Việt Nam đang phát triển mạnh về điện mặt trời nên trong luận văn này đang tập trung nghiên cứu nguồn NLTT điển hình là PV, theo đó khảo sát ảnh hưởng của nguồn PV đối với bảo vệ rơ le của xuất tuyến phân phối Sau đó sẽ khảo sát thêm

1 kịch bản nữa khi có thêm nguồn NLTT khác xâm nhập là điện gió.

XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGUỒN NLTT TRÊN MATLAB/SIMULINK 62

Luận văn sử dụng mô hình hệ thống PV nối lưới được mô hình hóa dựa trên sơ đồ cấu trúc liên kết điện tử công suất phổ biến ở Hình 5-1, được xây dựng bởi các tác giả Carlos Villegas và Jonathan LeSage bằng Matlab/Simulink [23], [24], ở thư viện exampleMicrogridLibrary [25] để thực hiện mô phỏng các trường hợp xuất tuyến có nguồn điện mặt trời xâm nhập

Hình 5-1 Mô hình PV dựa trên sơ đồ cấu trúc liên kết điện tử công suất phổ biến

- Hệ thống PV trước khi được kết nối với lưới điện sẽ thông qua bộ nghịch lưu, bộ nghịch lưu có sẽ chức năng biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều

Mô hình nguồn PV là tập hợp các chuỗi string đấu nối song song với nhau Mỗi chuỗi string bao gồm các tấm pin đấu nối tiếp Người dùng có thể tùy chỉnh số tấm pin đấu nối tiếp và số chuỗi string bằng thông số Parallel strings và Series-connected modules per string trong bảng thông số tấm pin tại Hình 5-2 Tuy nhiên, luận văn này sẽ giữ nguyên thông số mặc định.

63 trong mô hình này, với Parallel strings là round(35*Pmod) và Series-connected modules per string là 7

Hình 5-2 Bảng các thông số của tấm pin

Hình 5-3 Cấu trúc của mô hình PV nối lưới trên Matlab/Simulink

- Cấu trúc của mô hình PV nối lưới sử dụng trong luận văn này được thể hiện trên Hình 5-3 Hệ thống pin mặt trời này hoạt động cơ bản như sau: đầu vào là điện áp, dòng điện DC từ hệ thống pin, điện áp được ổn định bằng tụ DC Link (tụ DC đầu vào); điện áp được chuyển đổi từ dạng DC sang AC thông qua bộ nghịch lưu ba bậc NPC (Neutral Point Clamp) trong mô hình này Đầu ra dùng bộ lọc LCL; bộ điều khiển của hệ thống (Inverter Control) thực hiện các chức năng điều khiển dòng áp, sử dụng kỹ thuật PLL để xác định các thành phần biên độ, góc pha của lưới phục vụ cho việc nối lưới, điều khiển MPPT tìm điểm công suất cực đại

- Các thông số đầu vào cho mô hình PV trên Matlab/Simulink gồm có Bức xạ mặt trời (Ir) và Nhiệt độ (T) Bên cạnh đó cài đặt điện áp và tần số theo điện áp và tần số của lưới điện Sau đó sẽ chỉ thay đổi thông số Scale array trong bảng ở Hình 5-4 trong nhiều trường hợp để ra được công suất mong muốn của PV và tiến hành khảo sát

Hình 5-4 Các thông số cơ bản cho mô hình PV Đối với các mô phỏng với mô hình nguồn điện gió, đề tài cũng sử dụng mô hình điện gió được xây dựng trong thư viện exampleMicrogridLibrary [25] bởi các tác giả Carlos Villegas và Jonathan LeSage bằng Matlab/Simulink (Hình 5-5)

Hình 5-5 Các thông số cơ bản cho mô hình điện gió

Hình 5-6 Cấu trúc của mô hình điện gió trên Matlab/Simulink

Mô hình điện gió này được mô tả như một tua bin gió đơn giản, đóng vai trò như một nguồn với công suất tác dụng và phản kháng phụ thuộc vào đường cong công suất điện gió Tốc độ gió (5-25 m/s) là thông số đầu vào, còn điện áp và tần số được cài đặt theo lưới điện Khi mô hình này được mô phỏng như tải động nhưng nhận công suất âm, nó trở thành nguồn phát, phát công suất ngược trở lại lưới điện, như mô tả trong hình 5-6.

TÍCH HỢP PV VÀO XUẤT TUYẾN PHÂN PHỐI VÀ KHẢO SÁT TRƯỜNG HỢP LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG

Sử dụng mô hình ở Hình 4-15 để gắn thêm nguồn NLTT đại diện là PV và tất cả các trường hợp mô phỏng với nguồn PV đều được giả thiết xét ở 12h trưa, là lúc công suất PV phát ra lớn nhất Để khảo sát ảnh hưởng của sự xâm nhập nguồn mặt trời vào lưới điện, các nguồn PV được tăng dần các mức công suất khác nhau, trong trường hợp bình thường và sự cố để đánh giá phối hợp các bảo vệ

5.2.1 PV được gắn vào tải 3

Hình 5-7 Mô hình xuất tuyến sau khi gắn PV vào tải 3 trên Matlab/Simulink

Sử dụng mô hình ở Hình 4-15 để gắn thêm PV vào tải 3 và thực hiện mô phỏng bằng mô hình ở Hình 5-7 Tiến hành mô phỏng và khảo sát dòng làm việc bình thường trên xuất tuyến

➢ Công suất của PV là 0,9MW

Sau khi PV 0,9MW được thêm vào ở tải 3, tiến hành mô phỏng và khảo sát dòng làm việc bình thường trên xuất tuyến

Hình 5-8 Dòng làm việc bình thường trên xuất tuyến khi tải 3 gắn PV 0.9MW

Dòng điện làm việc của các đường dây được thể hiện trên Hình 5-8 Từ kết quả mô phỏng thấy được dòng điện trên xuất tuyến tại các nút đúng theo Định luật Kirchhoff với PV công suất 0,9MW được thêm vào ở tải 3

Thay đổi công suất của PV thêm vào ở tải 3 là 1,4MW, sau đó tiếp tục tiến hành mô phỏng và khảo sát dòng làm việc bình thường trên xuất tuyến

Hình 5-9 Dòng làm việc bình thường trên xuất tuyến khi tải 3 gắn PV 1,4MW

Dựa trên mô phỏng, giá trị dòng điện làm việc của các đường dây được thể hiện trong Hình 5-9 Nhờ đó, có thể nhận thấy dòng điện trên xuất tuyến tại các nút khi công suất PV 1,4MW được thêm vào ở tải 3 vẫn tuân theo Định luật Kirchhoff.

5.2.2 PV được gắn vào tải 2

Hình 5-10 Mô hình xuất tuyến sau khi gắn PV vào tải 2

Tiếp theo khảo sát với trường hợp PV gắn ở tải 2 như trên mô hình Hình 5-10 Xét

PV công suất 1,5MW được thêm vào ở tải 2, tiến hành mô phỏng và khảo sát dòng làm việc bình thường trên xuất tuyến

Hình 5-11 Dòng làm việc bình thường trên xuất tuyến khi tải 2 gắn PV 1.5MW

Dòng điện làm việc của các đường dây được thể hiện trên Hình 5-11 Từ kết quả mô phỏng thấy được dòng điện trên xuất tuyến tại các nút đúng theo Định luật Kirchhoff với PV công suất 1,5MW được thêm vào ở tải 2

➢ Công suất của PV là 2MW

Tăng công suất của PV gắn ở tải 2 lên 2MW, sau đó tiếp tục tiến hành mô phỏng và khảo sát dòng làm việc bình thường trên xuất tuyến

Hình 5-12 Dòng làm việc bình thường trên xuất tuyến khi tải 2 gắn PV 2MW

Kết quả mô phỏng được những giá trị dòng điện làm việc của các đường dây thể hiện trên Hình 5-12 Từ đó thấy được dòng điện trên xuất tuyến tại các nút khi PV công suất 2MW được thêm vào ở tải 2 vẫn đúng theo Định luật Kirchhoff

- Qua kết quả mô phỏng ở các trường hợp trên, nhận xét được rằng dòng điện trên xuất tuyến đúng theo Định luật Kirchhoff và có thể sử dụng mô hình PV để khảo sát trong trường hợp khác tiếp theo

Các kết quả dòng điện làm việc bình thường trên xuất tuyến đã được mô phỏng trên phần mềm PSS/ADEPT Hình 5-13 minh họa trường hợp dòng điện làm việc bình thường trên xuất tuyến.

Giải pháp PV công suất 2MW đã được kiểm tra tại tải 2 Những kết quả mô phỏng trong Bảng 5-1 cho thấy sự tương đồng giữa hai phần mềm, với sai số luôn trong phạm vi cho phép (dưới 5%).

Hình 5-13 Dòng làm việc bình thường trên xuất tuyến khi tải 2 gắn PV 2MW mô phỏng bằng phần mềm PSS/ADEPT

Bảng 5-1 Kết quả so sánh giữa 2 phần mềm

Dòng điện làm việc bình thường

Matlab/Simulink PSS/ADEPT Sai số Giá trị cực đại (A)

TÍCH HỢP PV VÀO XUẤT TUYẾN PHÂN PHỐI VÀ KHẢO SÁT TRƯỜNG HỢP KHI CÓ XẢY RA SỰ CỐ

5.3.1 PV được gắn vào tải 2 và có sự cố ngắn mạch 3 pha ở nút 4

Sử dụng mô hình ở Hình 5-10 khi PV với công suất tăng dần đặt ở tải 2, tiến hành mô phỏng và khảo sát phối hợp bảo vệ của các MC trên xuất tuyến khi có sự cố ngắn mạch 3 pha trực tiếp ở nút 4 thể hiện trên sơ đồ Hình 5-14

Hình 5-14 Sơ đồ xuất tuyến có gắn PV ở tải 2 và khảo sát khi xảy ra sự cố

➢ Công suất PV là 1,5MW Đầu tiên tiến hành mô phỏng và khảo sát với trường hợp công suất của PV là 1,5MW Kết quả mô phỏng trên Hình 5-15 thể hiện tMC3 < tMC2 < tMC1 tức là các MC đang phối hợp bảo vệ tốt Dòng điện của các MC khi sự cố thể hiện trên Hình 5-16 lần lượt là:

Isc1 = 1050A, Isc2 = 1047A và Isc3 = 1096A Từ kết quả mô phỏng thấy được rằng khi sự cố ngắn mạch 3 pha xảy ra ở cuối đường dây, so với dòng sự cố trước khi có PV

70 là 1067A, dòng sự cố của MC3 đã tăng lên tới 1096A, trong khi đó dòng sự cố qua các MC1 và MC2 bị giảm đi còn 1050A và 1047A Bên cạnh đó quan sát được dòng làm việc hiệu dụng của MC2 nhỏ hơn Ikđ2 thể hiện ở Hình 5-17

Hình 5-15 Trạng thái đóng/cắt của các MC

Hình 5-16 Dòng sự cố qua các MC

Hình 5-17 Dòng hiệu dụng qua MC2

Sử dụng công thức ĐTPT rất dốc (3.7) để tính toán thời gian tác động của các

MC trong trường hợp này, kết quả được thể hiện ở Bảng 5-2, thấy được cả hai trường hợp tính toán và mô phỏng bằng phần mềm Simulink không có khác biệt nhiều

Bảng 5-2 Thời gian tác động của các MC so sánh trong cả hai trường hợp tính toán và mô phỏng bằng phần mềm Matlab/ Simulink

Thời gian tác động Thời gian tính toán Thời gian mô phỏng

Từ các kết quả mô phỏng trên, rút ra được kết luận rằng với công suất 1,5MW của

PV được gắn ở tải 2 không làm thay đổi sự phối hợp bảo vệ của các MC trên lưới

➢ Công suất PV là 2MW

Tiếp theo tăng công suất PV gắn ở tải 2 lên 2MW, tiến hành mô phỏng và khảo sát phối hợp bảo vệ của các MC khi có sự cố

Hình 5-18 thể hiện tMC3 < tMC2 < tMC1 đã cho thấy ở trường hợp này thì các MC vẫn đang phối hợp bảo vệ tốt Kết quả mô phỏng dòng điện các MC khi sự cố trên Hình 5-19 lần lượt là: Isc1 = 1047A, Isc2 = 1044A và Isc3 = 1106A Từ kết quả mô phỏng thấy được rằng khi tăng công suất PV lên 2MW và sự cố ngắn mạch 3 pha xảy ra ở cuối đường dây, dòng sự cố của MC3 tiếp tục tăng lên thành 1106A, trong khi đó dòng sự cố qua các MC1 và MC2 vẫn bị giảm đi thành 1047A và 1044A Bên cạnh đó quan sát được ở Hình 5-20 khi PV công suất 2MW đặt ở tải 2 thì dòng làm việc hiệu dụng của MC2 vẫn đang nhỏ hơn Ikđ2

Tiếp tục dùng công thức (3.7) để tính toán thời gian tác động của các MC và kết quả được thể hiện ở Bảng 5-3 Từ kết quả cho thấy trong cả hai trường hợp tính toán và mô phỏng bằng phần mềm Matlab/ Simulink không sai khác nhiều

Bảng 5-3 Thời gian tác động của các MC so sánh trong cả hai trường hợp tính toán và mô phỏng bằng phần mềm Matlab/ Simulink

Vậy nên từ các kết quả mô phỏng bên trên, kết luận được rằng với PV công suất 2MW được gắn ở tải 2 vẫn không làm thay đổi sự phối hợp bảo vệ của các MC trên lưới

➢ Công suất PV là 2,5MW

Tiếp tục tăng thêm công suất PV gắn ở tải 2 lên đến 2,5MW, kết quả mô phỏng ở Hình 5-21 cho thấy ở trường hợp này dòng điện hiệu dụng qua MC2 trước khi sự cố đã lớn hơn dòng cài đặt rơ le ở MC2

Hình 5-23 thể hiện tMC2 < tMC3 < tMC1 đã cho thấy ở trường hợp này đã có vấn đề đã xảy ra đó là MC2 tác động trước MC3 khi có sự cố ngắn mạch 3 pha xảy ra ở cuối đường dây Đây là hiện tượng MC tác động sai gây mất phối hợp bảo vệ

Bảng 5-4 Thời gian tác động của các MC so sánh trong hai trường hợp tính toán và mô phỏng bằng phần mềm Matlab/ Simulink

Với dòng sự cố được ghi nhận ở Hình 5-22, thời gian tác động của MC2 có sự khác biệt giữa tính toán và mô phỏng bằng phần mềm Matlab/ Simulink Nguyên nhân là do công suất PV tại tải 2 tăng lên đến 2,5MW làm cho dòng điện làm việc hiệu dụng qua MC2 vượt quá dòng điện định mức.

75 cài đặt của rơ le MC2, trong trường hợp này cần phải chỉnh định lại rơ le Khi chưa chỉnh định lại rơ le và xuất hiện sự cố thì MC2 sẽ tác động sai do nó đã được khởi động ngay cả trước khi sự cố xảy ra, dẫn đến các thiết bị bảo vệ sẽ phối hợp sai

→ Nhận xét: Sự thay đổi dòng sự cố ngắn mạch 3 pha qua các MC khi có sự đóng góp từ PV đặt ở tải 2 với các trường hợp công suất khác nhau được tổng hợp ở Bảng 5-5 Thấy được rằng dòng sự cố qua MC1 và MC2 là các MC nằm phía trước điểm kết nối PV sẽ giảm dần đi Còn dòng sự cố qua MC3 nằm ở phía sau điểm kết nối PV thì tăng dần so với trước khi gắn PV

Bảng 5-5 Dòng sự cố qua các MC thay đổi sau khi có PV

Dòng sự cố qua các MC (A) Chưa có PV Sau khi có PV

5.3.2 Khảo sát sự cố ngắn mạch 3 pha tổng trở cao tại nút 4 khi PV đặt ở tải 2

Tiếp tục sử dụng mô hình ở Hình 5-10, xét công suất của PV là 1,5MW Tiến hành mô phỏng các trường hợp sự cố ngắn mạch 3 pha tổng trở cao ở nút 4 lần lượt là 15Ω, 30Ω, 40Ω và khảo sát hoạt động bảo vệ của các MC trên xuất tuyến

Từ kết quả mô phỏng ở các Hình 5-25, Hình 5-26, Hình 5-27 trong những trường hợp tổng trở của sự cố ngắn mạch 3 pha tăng dần từ 15 đến 40Ω và Bảng 5-6 tổng hợp thời gian cô lập sự cố của các MC rút ra được nhận xét như sau Khi tổng trở của sự cố tăng lên thấy được thời gian cô lập sự cố của các MC lâu hơn Khi tổng trở sự cố tăng đến 40Ω xảy ra tình trạng mù bảo vệ rơ le ở MC1 khi MC1 đã không có tín hiệu tác động

Hình 5-24 Trạng thái đóng/cắt của các MC khi tổng trở sự cố là 0.001Ω

Hình 5-25 Trạng thái đóng/cắt của các MC khi tổng trở sự cố là 15Ω

Kết quả mô phỏng này giống với trong nghiên cứu của các giả T G M Alvin,

KHẢO SÁT MÔ HÌNH CÓ TÍCH HỢP NGUỒN PV VÀ ĐIỆN GIÓ

Tiếp tục mô phỏng kịch bản xâm nhập nguồn năng lượng tái tạo khác là điện gió, nghiên cứu đánh giá sự thay đổi dòng sự cố và phối hợp bảo vệ rơ le trên lưới điện.

➢ Nguồn điện gió được gắn vào tải 2 và có sự cố ngắn mạch 3 pha ở nút 4

Công suất của mô hình nguồn điện gió gắn tại tải 2 là 1,5MW Mô phỏng sự cố xảy ra tại nút 4 trên xuất tuyến, như mô tả trong Hình 5-40, giúp đánh giá dòng sự cố trên lưới và so sánh với trường hợp nguồn PV.

Hình 5-39 Mô hình Matlab/Simulink xuất tuyến có gắn nguồn điện gió vào tải 2

Hình 5-40 Sơ đồ xuất tuyến có nguồn điện gió ở tải 2 và sự cố ở Nút 4

Kết quả mô phỏng dòng điện qua các MC khi sự cố thể hiện trên Hình 5-41 lần lượt là: Isc1 = 3169A, Isc2 = 3166A và Isc3 = 26880A Kết quả tổng hợp so sánh dòng sự cố qua các MC ở 2 trường hợp thể hiện trong Bảng 5-9 cho thấy với cùng công suất

1,5MW nhưng dòng sự cố qua các MC trong trường hợp nguồn điện gió lớn hơn nhiều so với trường hợp điện mặt trời PV

Bảng 5-9 So sánh dòng sự cố qua các MC ở 2 trường hợp nguồn điện mặt trời PV và nguồn điện gió

Dòng sự cố qua các MC (A) Nguồn điện mặt trời PV Nguồn điện gió

➢ Khảo sát xuất tuyến có sự xâm nhập của cả 2 nguồn NLTT là PV và điện gió

Mô phỏng với xuất tuyến có sự xâm nhập của nguồn năng lượng tái tạo (NLTT), bao gồm nguồn điện mặt trời (PV) và điện gió Các nguồn NLTT được đặt tại tải 3 (PV 1MW) và tải 2 (điện gió 0,6MW) trên sơ đồ trong Hình 5-43 Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá hiệu suất hệ thống bảo vệ rơ le trên xuất tuyến khi xảy ra sự cố tại Nút 4.

Hình 5-42 Mô hình Matlab/Simulink xuất tuyến có cả nguồn PV và điện gió

Hình 5-43 Sơ đồ xuất tuyến có nguồn PV và điện gió, sự cố xảy ra ở Nút 4

Kết quả mô phỏng dòng sự cố qua các MC trong trường hợp này thể hiện ở Hình 5-

44 lần lượt là: Isc1 = 3163A, Isc2 = 3161A và Isc3 = 18070A Sự phối hợp bảo vệ rơ le ở Hình 5-45 cho thấy thời gian tác động của các MC lần lượt là: MC3 lúc 0,93s, MC2 lúc 1,06s và MC1 lúc 1,1s Qua đó nhận xét được rằng khoảng cách thời gian giữa các tín hiệu trip của các MC rất gần nhau, chỉ khoảng từ 0,04 đến 0,13s, rất dễ dẫn đến xảy ra tình trạng bật đồng thời nhiều MC, ảnh hưởng đến sự phối hợp bảo vệ rơ le trên lưới

- Chương 5 của luận văn đã tiến hành dùng phần mềm Matlab/Simulink để thực hiện mô phỏng và khảo sát xuất tuyến có tích hợp nguồn NLTT trong cả trường hợp

86 làm việc bình thường và khi có sự cố xảy ra, với các dạng sự cố ngắn mạch 3 pha trực tiếp, ngắn mạch tổng trở cao và sự cố xảy ra trên xuất tuyến khác Các kết quả mô phỏng được tổng hợp ở Bảng 5-10

- Kiểm tra dòng điện làm việc bình thường trong 2 trường hợp nguồn NLTT điển hình là PV được gắn vào tải số 2 và tải số 3 thấy được dòng điện tại các nút trên lưới đúng theo Định luật Kirchhoff nên kết luận được mô hình Matlab/Simulink đã làm việc đúng trong trường hợp bình thường

Bảng 5-10 Bảng tổng hợp các trường hợp mô phỏng

- Trong trường hợp nguồn NLTT là PV được gắn ở tải 2 và thực hiện mô phỏng ngắn mạch 3 pha trực tiếp ở cuối xuất tuyến, các MC phối hợp bảo vệ rơ le đúng với PV công suất 1,5MW và 2MW Khi công suất PV tăng lên đến 2,5MW nhận thấy dòng làm việc qua MC2 trở nên lớn hơn dòng cài đặt của bảo vệ rơ le Trường hợp này cần phải chỉnh định lại thông số cài đặt rơ le, nếu chưa chỉnh định lại rơ le và khi có sự cố xảy ra, thấy được MC2 tác động sai khi đã cắt trước MC3 Ở đây luận văn đề xuất giải pháp sử dụng Thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch (FCL) Bên cạnh đó thấy được dòng sự cố qua các MC phía trước điểm kết nối PV sẽ giảm dần, trong khi dòng sự cố qua các thiết bị ở phía sau điểm kết nối PV sẽ tăng dần

Xét dòng NM từ nguồn chính

Xét dòng NM từ nguồn PV 1.4MW 3MW

PV 0.6MW tại Tải 3 Điện gió 1MW tại Tải 2

NM 3 pha tổng trở cao

1 xuất tuyến chưa có PV

Các trường hợp mô phỏng

PV tại Tải 3 cuối xuất tuyến 1

- Sự cố trở kháng cao ở cuối xuất tuyến với tổng trở của sự cố khi tăng lên đến 40Ω sẽ làm xuất hiện tình trạng mù bảo vệ, trường hợp này có thể dùng bảo vệ so sánh pha để nâng cao bảo vệ rơ le

- Trong trường hợp nguồn NLTT là PV được gắn ở tải 3 và thực hiện mô phỏng ngắn mạch 3 pha ở nhiều vị trí khác nhau, nhận thấy các MC phối hợp bảo vệ rơ le đúng với dòng ngắn mạch xét từ nguồn chính tới, nhưng có hiện tượng mù bảo vệ khi xét dòng ngắn mạch từ nguồn PV tới

- Trường hợp 2 xuất tuyến khi PV đặt ở tải 3 của xuất tuyến 1 với công suất tăng lên đến 3MW cũng làm cho dòng làm việc bình thường của MC3 lớn hơn dòng cài đặt khởi động của rơ le, lúc này cần phải chỉnh định lại thông số của rơ le Nếu chưa kịp chỉnh định sẽ dẫn đến MC hoạt động sai khi có sự cố xảy ra ở Nút 6 của xuất tuyến 2, đó là đã xảy ra hiện tượng bật vượt cấp khi MC3 của xuất tuyến 1 tác động trước MC4 của xuất tuyến 2 Ở đây luận văn cũng đề xuất giải pháp sử dụng Thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch (FCL)

- Trường hợp khảo sát xuất tuyến có cả nguồn PV và điện gió với sự cố xảy ra ở Nút

4, thấy được thời gian tác động của các MC quá gần nhau, rất dễ xảy ra hiện tượng bật đồng thời nhiều MC, gây mất phối hợp bảo vệ rơ le trên lưới

- Trong chương sau đề tài sẽ thực hiện mô phỏng trên Matlab/Simulink và kiểm chứng giải pháp được đề xuất là sử dụng Thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch (FCL) để nâng cao bảo vệ rơ le cho xuất tuyến phân phối có tích hợp PV

GIẢI PHÁP NÂNG CAO BẢO VỆ RƠ LE CHO XUẤT TUYẾN PHÂN PHỐI CÓ TÍCH HỢP PV

XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG FCL DẠNG ĐIỆN TRỞ BẰNG MATLAB/SIMULINK

Hình 6-1 Sơ đồ các khối của FCL dạng điện trở

Mô hình FCL dạng điện trở đơn giản được được xây dựng bằng Simulink/SimPower với cấu trúc được thể hiện trên Hình 6-1 [19] Điện áp làm việc của FCL là 22kV Mô hình Simulink bao gồm các phần chính: khối RMS đo giá trị hiệu dụng của dòng điện, bảng đặc tính của FCL, bộ dao động điều khiển điện áp Các tham số khác cần cài đặt cho mô hình FCL dạng điện trở là:

Hình 6-2 Mô hình R-SFCL 1 pha trên Matlab/Simulink

Mô hình FCL hoạt động như sau: Mô hình FCL tính toán giá trị hiệu dụng (RMS) của dòng điện đi qua thiết bị và sau đó so sánh nó với giá trị dòng kích hoạt, là 550A trong mô hình Khi dòng nhỏ hơn mức dòng kích hoạt, điện trở sẽ ở mức tối thiểu là 0.01Ω Nếu dòng điện chạy qua lớn hơn dòng kích hoạt, điện trở của FCL sẽ tăng lên mức trở tối đa, ở mô hình này là 27Ω Trong điều kiện sự cố, điện áp giảm, nguồn điện áp điều khiển được sử dụng để bù cho sự cố sụt áp Điện trở từ mô hình trên được nhân với dòng điện chạy trong mạng để tạo thành điện áp và sau đó được cấp cho nguồn áp điều khiển được để bù cho độ sụt điện áp gây ra trong quá trình xảy ra sự cố [26]

KIỂM CHỨNG FCL QUA MÔ PHỎNG SIMULINK

Xây dựng mô hình gồm 1 nguồn và 1 tải trong hệ thống điện 3 pha có bộ FCL dạng điện trở 3 pha đơn giản, tạo sự cố ngắn mạch 3 pha để kiểm chứng hoạt động của FCL

Mô hình xây dựng có thông số như sau:

- Nguồn 3 pha: U = 22kV và f = 50Hz

- Tải 3 pha: công suất 1MW

- Dòng ngắn mạch 3 pha: 3.162kA

- Thời gian xảy ra sự cố: t = 1/60 (s)

Hình 6-3 Mô phỏng kiểm chứng FCL trên Matlab/Simulink

Cài đặt thông số cho bộ FCL như sau:

Tiến hành mô phỏng sự cố ngắn mạch 3 pha trên lưới và quan sát giá trị dòng ngắn mạch 3 pha để kiểm chứng hoạt động của FCL

Hình 6-4 Dòng ngắn mạch 3 pha ban đầu

Hình 6-5 Dòng ngắn mạch 3 pha sau khi gắn FCL

→ Nhận xét: Theo kết quả mô phỏng, nhận thấy khi chưa có sự tham gia của bộ FCL thì dòng ngắn mạch là 3,162kA (Hình 6-4) Sau khi FCL được kết nối, dòng ngắn mạch còn lại là 0,942kA (Hình 6-5) Bộ FCL đã giúp dòng ngắn mạch 3 pha giảm đi 3 lần Vậy có thể rút ra kết luận được rằng mô hình FCL dạng điện trở được xây dựng ở trên đã hoạt động hiệu quả.

ÁP DỤNG FCL DẠNG ĐIỆN TRỞ VÀO MÔ HÌNH XUẤT TUYẾN PHÂN PHỐI CÓ TÍCH HỢP PV ĐỂ NÂNG CAO BẢO VỆ RƠ LE

6.3.1 Cài đặt dòng kích hoạt cho FCL

➢ Khi PV được gắn ở tải 2

Hình 6-6 Dòng điện làm việc bình thường qua MC2 với PV 2,25MW

Hình 6-7 Dòng điện làm việc của PV 2,25MW

Kết quả mô phỏng ở Hình 5-20 cho thấy dòng làm việc hiệu dụng tại MC2 khi PV công suất 2MW nhỏ hơn dòng rơ le tại MC2 Vì vậy, cần tăng công suất PV để tiếp tục quan trắc dòng làm việc hiệu dụng qua MC2.

Kết quả mô phỏng khi PV công suất 2,25MW cho thấy lúc này dòng làm việc hiệu dụng lúc bình thường của MC2 vẫn nhỏ hơn dòng cài đặt rơ le của MC2 (Hình 6-6), nhưng độ chênh lệch giữa hai giá trị này rất nhỏ Dòng điện của PV lúc này quan sát được ở Hình 6-7 là 113A

Khi nâng công suất PV lên 2,3MW đã thấy được ở Hình 6-8 rằng dòng làm việc bình thường hiệu dụng của MC2 đã vượt quá dòng cài đặt rơ le của MC2 Lúc này ghi nhận được dòng điện của PV là 116A (Hình 6-9)

Vì vậy chọn dòng kích hoạt cho mô hình FCL 113A Sau đó tiến hành đặt FCL ở vị trí phía trước PV Chạy mô phỏng lại với PV 2,3MW và thấy được kết quả mô phỏng ở Hình 6-10 rằng, dòng làm việc bình thường hiệu dụng qua MC2 đã giảm xuống và nhỏ hơn dòng cài đặt rơ le của MC2

Hình 6-10 Dòng điện làm việc bình thường qua MC2 với PV 2,3MW khi có FCL

Do đó đối với trường hợp PV gắn ở tải 2, mô hình FCL dạng điện trở với dòng kích hoạt 113A này sẽ được áp dụng để tiếp tục thực hiện các mô phỏng ở phần sau

➢ Khi PV được gắn ở tải 3

Tương tự với trường hợp khi PV được tích hợp vào tải 3 Với PV công suất 1,4MW khảo sát thấy được dòng làm việc hiệu dụng lúc bình thường của MC3 nhỏ hơn dòng cài đặt rơ le của MC3 (Hình 6-11) và độ với chênh lệch không nhiều Dòng điện của

PV lúc này quan sát được ở Hình 6-12 là 69A

Khi tăng công suất PV lên 1,5MW đã thấy được ở Hình 6-13 rằng dòng làm việc bình thường hiệu dụng của MC3 đã vượt quá dòng cài đặt rơ le của MC3 Lúc này dòng điện của PV ghi nhận được là 74,6A (Hình 6-14)

Vì vậy chọn dòng kích hoạt cho mô hình FCL trong trường hợp này là 69A Tương tự tiến hành đặt FCL ở vị trí phía trước PV và tiến hành mô phỏng lại với PV 1,5MW, thấy được ở kết quả Hình 6-15, dòng làm việc bình thường hiệu dụng qua MC3 đã giảm xuống và nhỏ hơn dòng cài đặt rơ le của MC3

Hình 6-15 Dòng điện làm việc bình thường qua MC3 với PV 1.5MW khi có FCL

Do đó đối với trường hợp PV gắn ở tải 3, mô hình FCL dạng điện trở với dòng kích hoạt 69A này sẽ được áp dụng để tiến hành mô phỏng ở phần tiếp theo

➢ Trường hợp PV 2,5MW gắn ở tải 2 và sự cố ở cuối xuất tuyến

Dựa vào kết quả mô phỏng và nhận xét đã được trình bày ở phần 5.3.1 Áp dụng mô hình FCL dạng điện trở đã được xây dựng ở trên vào mô hình xuất tuyến phân phối có tích hợp PV ở tải 2 Sau đó tiến hành chạy lại mô phỏng với PV công

96 suất 2,5MW và sự cố ngắn mạch 3 pha trực tiếp xảy ra ở cuối xuất tuyến như trên sơ đồ Hình 6-16

Hình 6-16 Sơ đồ xuất tuyến có gắn PV ở tải số 2 và sự cố ngắn mạch 3 pha ở Nút 4

Hình 6-17 Trạng thái đóng/cắt của các MC trước khi có FCL

Hình 6-18 Trạng thái đóng/cắt của các MC sau khi gắn FCL

Kết quả mô phỏng mô hình sau khi gắn FCL ở Hình 6-18 cho thấy các MC đã phối hợp bảo vệ đúng khi có sự cố xảy ra ở cuối xuất tuyến So với kết quả bất thường tMC2 < tMC3 < tMC1 lúc trước khi gắn FCL ở Hình 6-17, Hình 6-18 thể hiện tMC3 < tMC2

Sử dụng thiết bị FCL dạng điện trở đem lại hiệu quả rõ rệt trong việc hạn chế dòng ngắn mạch, qua đó giúp các máy cắt phối hợp bảo vệ đúng khi có sự cố xảy ra Dòng điện sự cố qua máy cắt MC2 sau khi lắp đặt FCL đã giảm từ 1041A xuống chỉ còn 702A Điều này được minh chứng rõ ràng qua Hình 6-19 và Hình 6-20.

Hình 6-19 Dòng sự cố qua MC2 trước khi có FCL

Hình 6-20 Dòng sự cố qua MC2 sau khi gắn FCL

➢ Trường hợp PV 3MW gắn ở tải 3 của xuất tuyến 1 và sự cố xảy ra trên xuất tuyến 2

Tiếp theo sử dụng mô hình FCL dạng điện trở để mô phỏng lại cho trường hợp

PV 3MW gắn ở tải 3 của xuất tuyến 1 và sự cố xảy ra trên xuất tuyến 2 theo như sơ đồ Hình 6-21 với kết quả đã trình bày ở Hình 5-37 và Hình 5-38 Chương 5

Hình 6-21 Sơ đồ có PV đặt ở xuất tuyến 1 và sự cố xảy ra trên xuất tuyến 2

Kết quả mô phỏng ở Hình 6-22 và Hình 6-23 cho thấy khi sự cố xảy ra trên xuất tuyến 2, MC4 ở đầu xuất tuyến 2 và cũng nằm gần sự cố nhất đã tác động để loại bỏ sự cố Sau khi gắn FCL thì các thiết bị bảo vệ đã hoạt động đúng, không còn xuất hiện hiện tượng MC3 ở xuất tuyến 1 tác động cắt trước cả MC4 ở đầu xuất tuyến 2 ở kết quả Hình 5-37 và Hình 5-38 lúc trước khi có FCL

Hình 6-22 Trạng thái đóng/cắt của các MC trên xuất tuyến 1

Hình 6-23 Trạng thái đóng/cắt của các MC trên xuất tuyến 2

Hình 6-24 Dòng sự cố qua MC3 trước khi có FCL

Hình 6-25 Dòng sự cố qua MC3 sau khi gắn FCL

Kết quả mô phỏng cũng cho thấy sau khi gắn FCL thì dòng điện sự cố qua MC3 trên xuất tuyến 1 đã giảm từ 302,6A lúc trước khi có FCL đến còn lại 242,8A được thể hiện trên Hình 6-24 và Hình 6-25.Vậy nhận xét được rằng công dụng hạn chế dòng ngắn mạch của thiết bị FCL dạng điện trở đã có hiệu quả và vì vậy khi có sự cố xảy ra thì MC đã phối hợp bảo vệ đúng

Định dạng
Số trang	122
Dung lượng	3,66 MB