Luận văn thạc sĩ Quản lý năng lượng: Bảo vệ khoảng cách trong lưới điện 110kV có tích hợp nguồn phân tán

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN PHÚC KHẢI

2 Thư ký: TS Lê Thị Tịnh Minh

3 Phản biện 1: PGS.TS Phạm Đình Anh Khôi 4 Phản biện 2: PGS.TS Trương Việt Anh 5 Uỷ viên: TS Huỳnh Văn Vạn

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng Đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa Quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Đỗ Tuấn Anh MSHV: 2170832

Ngày tháng năm sinh: 01/07/1994 Nơi sinh: Dầu Tiếng, Bình Dương Chuyên ngành: Quản lý Năng lượng Mã số: 8510602

I TÊN ĐỀ TÀI:

- Bảo vệ khoảng cách trong lưới điện 110kV có tích hợp nguồn phân tán - Distance protection for 110kV power grid intergrated distribution

generators

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu về chức năng bảo vệ khoảng cách trong lưới điện - Đánh giá ảnh hưởng của nguồn phân tán đối với lưới điện - Thiết kế mô hình và mô phỏng trên phần mềm Etap - Phân tích kết quả mô phỏng và đưa ra kết luận

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/09/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIÊM VỤ: 24/12/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN PHÚC KHẢI

Tp HCM, ngày tháng năm 2024

TS Nguyễn Phúc Khải

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LỜI CÁM ƠN

Trong suốt thời gian tìm hiểu và thực hiện Luận văn Thạc sĩ, em đã nhận được sự giúp đỡ và hỗ trợ nhiệt tình từ các thầy cô trong Bộ môn Hệ thống điện – Trường Đại

học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, đặc biệt là thầy TS Nguyễn Phúc Khải đã giúp đỡ

em rất nhiều trong quá trình định hướng đề tài, hướng dẫn phương pháp nghiên cứu, tìm kiếm tài liệu và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành Luận văn Tốt nghiệp Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô tại Trường Đại học Bách

Khoa TP Hồ Chí Minh, đặc biệt là thầy TS Nguyễn Phúc Khải đã truyền đạt cho em

nhiều kiến thức, kinh nghiệm và luôn luôn giúp đỡ khi em gặp khó khăn trong quá trình thực hiện Luận văn Tốt nghiệp

Kính chúc quý thầy cô thật nhiều sức khỏe và thành công trong cuộc sống Trân trọng!

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng 01 năm 2024 Sinh viên thực hiện

Đỗ Tuấn Anh

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Việc phát triển của các nguồn phân tán không chỉ ảnh hưởng đến các chỉ số về chất lượng điện năng mà còn tác động vô cùng lớn đến hệ thống bảo vệ trong hệ thống điện, đặc biệt là hệ thống bảo vệ rơle trong lưới điện 110kV khi hướng công suất của lưới điện thay đổi và đặc tính không ổn định của các nguồn phân tán

Nhằm đánh giá chi tiết những ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đối với hệ thống bảo vệ của lưới điện 110kV, em tiến hành nghiên cứu các tài liệu liên quan đến tác động của rơle khoảng cách khi lưới điện tích hợp nguồn năng lượng phân tán, đồng thời cũng xây dựng bài toán và xây dựng mô hình mô phỏng để quan sát các kết quả thu được cũng như ứng dụng vào thực tiễn

Bài toán được thực hiện bằng phần mềm ETAP với một lưới điện mô phỏng đơn giản hóa, lưới điện IEEE 30 nút và một lưới điện thực tế (Lưới điện 110kV thuộc Tổng Công ty Điện lực miền Nam) được áp dụng để tính toán kết quả và thực hiện các đề xuất cải tiến

Bố cục Luận văn gồm 05 phần Phần Giới thiệu tổng quan giới thiệu các vấn đề liên quan đến đề tài, nhu cầu cấp thiết và các nghiên cứu liên quan Phần Cơ sở lý thuyết trình bày các lý thuyết chung liên quan đến bảo vệ khoảng cách và những ảnh hưởng của nguồn phân tán lên lưới điện phân phối Tiếp theo là giới thiệu module mô phỏng chức năng bảo vệ khoảng cách trong Etap Phần 4 giới thiệu muc tiêu nghiên cứu và các mô hình Phần 5 là các kết quả mô phỏng và cuối cùng là kết luận

ABSTRACTS

In addition to having an impact on power quality indicators, the development of distributed energy sources has a major effect on the protection systems in the power grid, particularly relay protection systems in 110 kV grids when power flow directions change and distributed energy sources exhibit unstable characteristics

To thoroughly assess the impact of distributed power sources on the distribution grid's protection system, I read up on the effects of distance relays when solar energy is integrated into the grid I also created problems and simulation models to help me visualize the results and put them to use in real-world scenarios

Matlab software is used to solve the problem To calculate the results and offer suggestions for improvement, a simulated grid, an IEEE 30 bus grid, and a real power grid (the 110kV system of Southern Power Corporation) are utilized

There are five sections in the thesis format The Introduction gives a summary of the topic's problems, necessary requirements, and pertinent research General theories on distance protection and the effects of distant sources on the distribution power system are presented in the Theoretical Foundation section An overview of the Etap simulation module for the distance protection feature comes next The models and goals of the research are presented in Section 4 The simulation results are shown in Section 5, followed by the conclusion

LỜI CAM ĐOAN

Dưới đây là cam kết của em, Đỗ Tuấn Anh, về Luận văn Thạc sĩ của mình, một sản phẩm của quá trình nghiên cứu và sáng tạo dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Phúc Khải Mọi nguồn tài liệu được sử dụng trong luận văn này đã được trình bày một cách đầy đủ và chính xác trong phần tài liệu tham khảo

Em cũng cam đoan mọi ý kiến, kết quả nghiên cứu và phân tích trong luận văn đều xuất phát từ quan điểm và công sức cá nhân của em, không bị ảnh hưởng bởi bất kỳ tổ chức hay cá nhân nào Em đặt ra tầm cao nguyên tắc chân thành và minh bạch trong quá trình thực hiện nghiên cứu này

Trong trường hợp có bất kỳ vấn đề nào xuất phát liên quan đến nội dung của Luận văn, em cam kết chịu trách nhiệm đầy đủ và sẵn lòng hợp tác để giải quyết mọi vấn đề một cách trung thực và xây dựng Điều này làm tôn lên cam kết của em với sự chân thành và chất lượng trong công trình nghiên cứu của mình

Trân trọng./

Tác giả luận văn

Đỗ Tuấn Anh

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT……… …… xi

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1

1.1.Xu hướng phát triển của năng lượng tái tạo 1

1.2.Mục tiêu nghiên cứu 6

1.3.Phạm vi nghiên cứu 6

1.4.Giới hạn đề tài 6

1.5.Tính cấp thiết của đề tài 7

1.6.Các nghiên cứu liên quan 7

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1.Bảo vệ rơle trong hệ thống điện 9

2.2.Lý thuyết về bảo vệ khoảng cách (F21) trong lưới điện 12

2.2.1 Nguyên tác hoạt động của rơle khoảng cách 12

2.2.2. Đặc tuyến khởi động 13

2.3.Phương pháp chỉnh định cài đặt chức năng bảo vệ khoảng cách [16] 14

2.4.Đánh giá về bảo vệ khoảng cách 15

2.5.Ảnh hưởng của nguồn phân tán đến bảo vệ đã được khảo sát 15

2.5.1. Ảnh hưởng của nguồn phân tán đến dòng ngắn mạch 15

2.5.2. Ảnh hưởng của nguồn phân tán đến phân bố công suất 17

2.5.3. Ảnh hưởng của nguồn phân tán đến hiệu suất của rơle khoảng cách 19

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN NĂNG LƯỢNG PHÂN TÁN LÊN RƠLE KHOẢNG CÁCH CỦA LƯỚI ĐIỆN 110KV 21

3.1.Vấn đề được đặt ra 21

3.2.Các bước giải quyết vấn đề 21

3.3.Giới thiệu module mô phỏng chức năng bảo vệ khoảng cách (F21) của phần mềm ETAP 21

3.4.Giới thiệu các mô hình 23

3.4.1 Lưới điện đơn giản hóa 23

3.4.2 Lưới điện IEEE 30 nút 27

3.4.3 Lưới điện thực tế 29

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 30

VÀ TÍNH TOÁNCÁC LƯỚI ĐIỆN 30

4.1.Xây dựng mô hình - Kết quả mô phỏng và tính toán lưới điện đơn giản hóa 304.1.1 Trường hợp không có nguồn phân tán 33

4.1.2 Trường hợp có nguồn phân tán với công suất tăng dần 35

4.1.3 So sánh kết quả và nhận xét 38

4.2.Xây dựng mô hình - Kết quả mô phỏng và tính toán lưới điện IEEE 30 nút 41

4.2.1 Trường hợp không có nguồn phân tán 45

4.2.2 Trường hợp có nguồn phân tán với công suất tăng dần 47

4.2.3 So sánh kết quả và nhận xét 48

4.3.Xây dựng mô hình - Kết quả mô phỏng và tính toán lưới điện thực tế 51

4.3.1 Trường hợp không có nguồn phân tán 55

4.3.2 Trường hợp có nguồn phân tán với công suất tăng dần 56

4.3.3 So sánh kết quả và nhận xét 58

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 62

5.1.Kết luận 62

5.2.Hướng phát triển trong tương lai 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

PHỤ LỤC 67

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 80

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Tổng quan hệ thống bảo vệ rơle [15] 10

Hình 2.2 Các bảo vệ của lưới điện [15] 11

Hình 2.3 Nguyên lý đo tổng trở [15] 12

Hình 2.4 Sơ đồ lưới phân tích ảnh hưởng của DG lên dòng ngắn mạch [6] 16

Hình 2.5 Phân bố dòng ngắn mạch khi chưa có nguồn phân tán [6] 16

Hình 2.6 Phân bố dòng ngắn mạch khi tích hợp nguồn phân tán [6] 16

Hình 2.7 Ảnh hưởng dòng ngược do DG [16] 18

Hình 2.8 Dòng ngược ứng với công suất DG khác nhau [16] 18

Hình 2.9 Đặc tính MHO của rơle khoảng cách [17] 19

Hình 3.1 Giao diện module mô phỏng bảo vệ khoảng cách của phần mềm ETAP 23

Hình 3.2 Mô hình lưới điện khảo sát đơn giản 24

Hình 3.3 Sơ đồ biến áp nguồn phân tán nối lưới 24

Hình 3.4 Dữ liệu nguồn điện 25

Hình 3.5 Thông số đường dây 23 25

Hình 3.6 Thông số đường dây 34 26

Hình 3.7 Thông số phần tải 26

Hình 3.8 Thông số nguồn phân tán 27

Hình 3.9 Lưới điện IEEE 30 nút 28

Hình 3.10 Sơ đồ kết lưới 110kV thực tế 29

Hình 4.1 Lưới điện đơn giản hóa trên ETAP 30

Hình 4.2 Đấu nối của nguồn phân tán 31

Hình 4.3 Kết quả phân bố công suất cho lưới đơn giản 31

Hình 4.4 Vị trí điểm ngắn mạch 34

Hình 4.5 Đặc tuyến bảo vệ của rơle R34 34

Hình 4.6 Kết quả bảo vệ ngắn mạch lưới đơn giản hóa 35

Hình 4.7 Nguồn phân tán tích hợp vào lưới điện 36

Hình 4.8 Kết quả phân bố công suất khi tich hợp nguồn phân tán 1MW 37

Hình 4.9 Kết quả phối hợp bảo vệ khi tích hợp nguồn phân tán 37

Hình 4.10 Sơ đồ lưới điện IEEE trên phần mềm ETAP 43

Hình 4.11 Kết quả phân bố công suất cho lưới điện IEEE 30 nút 44

Hình 4.12 Vị trí ngắn mạch lưới IEEE 30 nút 45

Hình 4.13 Đặc tuyến bảo vệ của đường dây MC13 46

Hình 4.14 Kết quả bảo vệ khi ngắn mạch 2_4 46

Hình 4.15 Tích hợp nguồn phân tán vào lưới IEEE 30 nút 47

Hình 4.16 Sơ đồ một sợi của lưới điện thực tế 51

Hình 4.17 Sơ đồ lưới điện thực tế trên ETAP 52

Hình 4.18 Kết quả phân bố công suất trên lưới thực tế 53

Hình 4.19 Thông số chỉnh định của rơle MC 172 Dầu Tiếng đi Bình Long 2 54

Hình 4.20 Vị trí ngắn mạch lưới thực tế 55

Hình 4.21 Kết quả tính toán ngắn mạch lưới thực tế 56

Hình 4.22 Kết quả phối hợp bảo vệ khi tích hợp nguồn phân tán 57

Hình 4.23 Trị số cài đặt của MC112 trạm 110kV Dầu Tiếng 59

Bảng 4.6 Thời gian bảo vệ của các thiết bị sau hiệu chỉnh 41

Bảng 4.8 Thời gian tác động của các thiết bị lưới IEEE 30 nút 47Bảng 4.9 Kết quả khi tích hợp nguồn phân tán vào lưới IEEE 30 nút 48Bảng 4.10 Kết quả tổng hợp đối với lưới IEEE 30 nút 48

Bảng 4.12 Thời gian tác động của các thiết bị lưới IEEE 30 nút sau hiệu chỉnh 50

Bảng 4.14 Thời gian tác động của các thiết bị lưới thực tế 56Bảng 4.15 Kết quả khi tích hợp nguồn phân tán vào lưới thực 57

Bảng 4.17 So sánh trị số cài đặt của rơle MC172 Dầu Tiếng sau hiệu chỉnh 60Bảng 4.18 Thời gian tác động của các thiết bị lưới thực tế sau hiệu chỉnh 60

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

IEA International Energy Agency Cơ quan Năng lượng Quốc tế

NREL National Renewable Energy Laboratory Cơ quan Thí nghiệm NLTT Quốc gia

ETAP Electric Transient Analyzer Program Chương trình phân tích quá độ điện IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Hội Kỹ sư Điện và Điện tử

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 Xu hướng phát triển của năng lượng tái tạo

Nguồn phân tán được xem xét trong Luận văn là nguồn năng lượng tái tạo có công suất phát <30MW

Năng lượng tái tạo phân tán đang được xem là giải pháp và xu hướng tất yếu của ngành năng lượng hiện nay trên thế giới Khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá dầu mở ngày càng trở nên cạn kiệt, gây ô nhiêm môi trường nghiêm trọng, buộc các quốc gia trên thế giới phải đẩy mạnh chuyển dịch cơ cấu ngành năng lượng theo hướng sạch và bền vững Phát triển nguồn năng lượng tái tạo phân tán đang dần chiếm vị trí quan trọng trong sự phát triển kinh tế ở các nước, do lợi ích to lớn trong việc tận dụng tối đa nguồn thiên nhiên vô tận (như gió, mặt trời,…), cũng như góp phần giảm tác động của hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hây gây ra

Năm 2025, năng lượng tái tạo phân tán sẽ trở thành nguồn sản xuất điện chính, cung cấp một phần ba lượng điện trên thế giới, ước tính công suất điện gió và quang điện sẽ vượt công suất của khí đốt vào năm 2023 và than đá vào năm 2024 [1]

Tại khu vực EU

EU là một trong khu vực đi đầu trong việc đẩy mạnh chuyển dịch cơ cấu ngành năng lượng theo hướng sử xây dựng cơ sở hạ tầng phát triển nguồn năng lượng sạch Ngành công nghiệp năng lượng phân tán ở EU liên tục phát triển nhanh những năm gần đây, 6 tháng đầu năm 2020 tăng trưởng 11% so với cùng kỳ 2019, góp phần tạo ra 40% tổng sản lượng điện cho 27 quốc gia trong khu vực.Với quyết tâm mạnh mẽ trong việc chuyển đổi hướng đi ngành năng lượng, EU đặt mục tiêu sẽ tăng tỷ trọng nguồn năng lượng phân tán và năng lượng sinh học lên 60% vào năm 2030, và tăng cường công suất điện gió ngoài khơi lên gấp 25 lần vào năm 2050, để đạt mục tiêu trung hòa khí thải cacbon năm 2050 Để đẩy nhanh việc thực hiện kế hoạch “Năng lượng sạch cho toàn châu Âu”, cuối năm 2018 các nước thành viên Liên hiệp châu Âu (EU) đã thông qua đề xuất của Ủy ban châu Âu (EC) về gói đầu tư trị giá 873

triệu euro cho các dự án lớn của châu Âu về cơ sở hạ tầng năng lượng sạch, bao gồm 17 dự án Trong đó, 680 triệu euro đầu tư cho 8 dự án thuộc lĩnh vực điện và 193 triệu Euro cho 9 dự án khác liên quan tới khí đốt Các dự án liên quan tới lĩnh vực năng lượng tái tạo này sẽ đẩy mạnh liên kết và tăng cường an ninh cho mạng lưới năng lượng trên toàn châu Âu Theo đó, các thành viên EU sẽ nhanh chóng chuyển đổi sang nền kinh tế có mức độ thải khí cacbon thấp, an toàn sức khỏe cho người dân và góp phần tăng khả năng cạnh tranh cho nhiều ngành công nghiệp Liên minh năng lượng sẽ là một trong những ưu tiên hàng đầu của EC nhằm chuyển đổi châu Âu sang một nền kinh tế sạch, hiện đại và bền vững [2]

Tại thị trường Mỹ

Nhận thức sâu sắc tầm quan trọng của phát triển bền vững gắn liền với đảm bảo nguồn năng lượng tái tạo, để giảm dần những vấn đề môi trường gây hại sức khỏe từ các nhà máy năng lượng sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch, Chính phủ Mỹ đã đầu tư rất lớn cho việc phát triển cơ sở hạ tầng các nhà máy sản xuất năng lượng tái tạo, cũng các ngành công nghiệp sản xuất thay thế dần động cơ sở dụng năng lượng sạch

Trong giai đoạn 2011 - 2014, tại California đã xây dựng 2 nhà máy điện mặt trời lớn nhất thế giới Đó là Trang trại quang điện Topaz (công suất 550 MW) được đầu tư khoảng 2.5 tỷ USD, đi vào hoạt động năm 2014 Nhà máy điện mặt trời thứ hai là Ivanpah (với công suất 392 MW) có tổng vốn đầu tư khoảng 2,2 tỷ USD, được xây dựng trên diện tích khoảng 13km2, tại sa mạc Mojave, bang California, được vận hành năm 2014 Trong năm 2019 Hoa Kỳ, đã đạt mức tăng trưởng mạnh mẽ trong ngành sản xuất năng lượng tái tạo, tăng 19% so, cao nhất trong những năm trước đó, sản xuất được 720,4 TWh điện tái tạo với các nguồn như điện mặt trời hoặc năng lượng địa nhiệt Thành phố Babcock Ranch ở bang Florida (Mỹ) vào thời điểm cuối năm 2018 đã trở thành một trong những thành phố bền vững và thân thiện với môi trường bậc nhất trên thế giới Tại đây, 100% điện năng sử dụng đều là từ năng lượng tái tạo và áp dụng theo công nghệ điện lưới thông minh

Trong nghiên cứu "Triển vọng năng lượng tái tạo" do Cơ quan Thí nghiệm

năng lượng tái tạo quốc gia (NREL) thuộc Bộ Năng lượng Mỹ tiến hành cho thấy, Mỹ là một trong những nước sản xuất năng lượng tái tạo lớn nhất thế giới, đi tiên phong trong lĩnh vực này, có thể sản xuất điện năng phần lớn từ năng lượng tái tạo vào năm 2050 Hầu hết các nhà máy nhiệt điện than và nhà máy điện hạt nhân sẽ ngừng hoạt động vào năm 2030 nhưng những nhà máy còn lại sẽ hoạt động đến năm 2050 Nghiên cứu nói trên cho rằng Mỹ có thể sản xuất ra 80% điện năng từ năng lượng tái tạo bằng công nghệ hiện có, bao gồm turbine gió, điện quang mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh học, địa nhiệt và thủy điện

Sự phát triển mạnh mẽ của ngành năng lượng tái tạo thay thế dần cho năng lượng sử dụng hóa thách đang diễn ra quốc gia đi đầu nền kinh tế thế giới, càng cho thấy rõ hơn tầm quan trọng của việc phát triển kinh tế phải gắn liền với việc phát triển năng lượng bền vững, an toàn [2]

Tại thị trường Trung Quốc

Từ một đất nước sử dụng phần lớn dựa vào nguồn nhiên liệu hóa thạch (than, dầu mỏ, khí đốt…), Trung Quốc xem trọng việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo là nhiệm vụ trọng tâm trong việc phát triển nền kinh tế dẫn đầu thế giới Điều đó được nhấn mạnh trọng kế hoạch hiện đại hóa công nghiệp “Made in China 2025”, mục tiêu đưa Trung Quốc trở thành quốc gia hàng đầu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo

Theo tổng kết của Chương trình môi trường Liên Hiệp Quốc về năng lượng tái tạo, năm 2004 Trung Quốc mới đầu tư vào lĩnh vực này là 3 tỷ USD, nhưng đến năm 2015 tăng lên là 103 tỷ USD, vượt qua cả Mỹ là 44.1 tỷ USD, và chiếm khoảng 36% đầu tư của các nước trên toàn thế giới Trong tổng kết kế hoạch 5 năm từ 2016 - 2020, tổng đầu tư Trung Quốc vào ngành công nghiệp này đã lên đến hơn 360 tỷ USD, riêng lực lượng lao động làm việc trong lĩnh vực năng lượng tái tạo hiện đang có khoảng 3.5 triệu người, đông nhất so với các nước khác trên thế giới

Theo Cục Quản lý Năng lượng Quốc gia Trung Quốc (NEA), dự kiến năm 2021 tổng sản lượng điện từ các nhà máy năng lượng mặt trời và năng lượng gió sẽ

đạt 11% trong tổng sản lượng tiêu thụ điện cả nước, cao hơn năm 2020 (9.7%), mục tiêu sẽ đạt 16.5% vào năm 2025 Chính phủ Trung Quốc tuyên bố sẽ tăng tỷ trọng của nhiên liệu tái tạo trong tiêu thị năng lượng sơ cấp lên khoảng 25% vào năm 2030 Đây được coi là mục tiêu chính nằm trong cam kết của Trung Quốc cắt giảm lượng phát thải carbon trước năm 2030, và là một phần của chương trình cải tổ toàn diện năng lượng quốc gia, nhằm cắt giảm dần các nhà máy sử dụng nhiên liệu hóa thạch gây ôi nhiễm môi trường

Trong vài năm gần đây, ngành năng lượng tái tạo được chính phủ hết sức chú trọng, là mục tiêu chính của việc phát triển và mở rộng phạm vi tầm ảnh hưởng của quốc gia trên toàn thế giới, nên trong ngành công nghiệp này đang có sự chuyển dịch và phát triển tốc độ Chỉ từ năm 2018 đến nay, công suất điện mặt trời tăng 700 lần, công suất điện gió tăng gấp 22 lần, xuất khẩu của ngành này sang các nước khác càng ngày càng tăng (chủ yếu là pin năng lượng mặt trời) Đây chính là động lực giúp cho tổng công suất điện mặt trời và công suất gió của toàn cầu tăng gấp 33 lần kể từ năm 2018 [3]

Ở thị trường Việt Nam

Theo nhận định của giới chuyên gia Việt Nam là quốc gia hội tụ những đặc điểm địa lý, khí hậu lý tưởng cho việc sản xuất các loại năng lượng tái tạo.Với vị trí địa lý có đường biển dài, thời tiết của khu vực nhiệt đới nhận được lượng nhiệt mặt trời tương đối lớn… đây là một trong những tiềm năng rất lớn để Việt Nam xây dựng và phát triển ngành công nghiệp năng lượng tái tạo như nhà máy năng lượng mặt trời, nhà máy năng lượng gió Việc này có ý nghĩa vô cùng to lớn trong định hướng phát triển nền kinh tế Việt Nam trong tương lai, cũng như an ninh năng lượng Phát triển năng lượng tái tạo còn đang là cuộc chay đua năng lượng của các nước trên thế giới tạo nên vị thế cạnh tranh trong khu vực và trên thế giới Điều này cho thấy Việt Nam cũng không thể chẫm trễ trong lĩnh vực này, khai thác hiệu quả tiềm năng phát triển năng lượng tái tạo để tạo sức cạnh tranh cho cả nền kinh tế

Nhận thấy tầm quan trọng hàng đầu của ngành công nghiệp năng lượng tái tạo, nên thời gian qua, Chính phủ đã ban hành nhiều cơ chế, chính sách nhằm khuyến khích phát triển nguồn năng lượng tái tạo Kể từ khi Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định số 39/QĐ-TTg sửa đổi, bổ sung một số điều của Quyết định số 37/2011/QĐ - TTg về cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện gió tại Việt Nam, hiện nay, đã có nhiều dự án được đề xuất và được thi công xây dựng Trong đó dự án lớn nhất là trang trại điện gió Bạc Liêu với 99 MW, dự án nhỏ nhất là Nhà máy Điện gió Phú Quý 6 MW nối lưới độc lập (không nối lưới điện quốc gia) trên đảo Phú Quý (Bình Thuận), các nhà máy điện gió còn lại có quy mô công suất nhỏ dưới 50 MW [4]

Với định hướng phát triển nền kinh tế xanh bền vững, phù hợp với những cam kết quốc tế, thời gian qua, Chính phủ cũng đã ban hành nhiều cơ chế, chính sách nhằm khuyến khích phát triển nguồn năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng gió, như: Quyết định số 2068/QĐ - TTg ngày 25/11/2015 phê duyệt Chiến lược Phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050; Quyết định số 39/2018/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ ngày 10/9/2018 về cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện gió tại Việt Nam; Quy hoạch Phát triển điện lực quốc gia thời kỳ 2021 - 2030, tầm nhìn đến năm 2045 (Quy hoạch điện VIII) đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt nhiệm vụ tại Quyết định số 1264/QĐ-TTg ngày 01/10/2019; Quy hoạch tổng thể về năng lượng quốc gia thời kỳ 2021 - 2030, tầm nhìn đến năm 2050 đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt nhiệm vụ tại Quyết định số 1743/QĐ-TTg ngày 03/12/2019; Nghị quyết số 55 - NQ/TW ngày 11/02/2020 của Bộ Chính trị về định hướng Chiến lược phát triển năng lượng quốc gia của Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045

Việc tích hợp các nguồn điện phân tán vào hệ thống điện với tỷ lệ xâm nhập ngày càng cao đã dẫn đến nhiều tác động đáng kể trong hệ thống điện, bao gồm vấn đề về chất lượng điện năng và hệ thống bảo vệ hiện tại trong lưới điện

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm các điểm cơ bản sau:

• Đánh giá ảnh hưởng của nguồn năng lượng gió lên chức năng bảo vệ khoảng cách của lưới điện 110kV

• Đề xuất và kiểm tra giải pháp hiệu chỉnh giá trị cài đặt của chức năng bảo vệ khoảng cách

- Nghiên cứu giới hạn trong hệ thống lưới điện truyền tải đơn giản, lưới điện IEEE 30 nút và một phần của lưới điện miền Nam

1.4 Giới hạn đề tài

- Giới hạn về điều kiện thực tế: Mặc dù sử dụng thông tin thực tế để xây dựng mô hình, nhưng giả sử rằng điều kiện thực tế có thể thay đổi và có thể không phản ánh đầy đủ mọi biến động của hệ thống

- Giới hạn về khả năng chính xác của mô hình: Mặc dù nghiên cứu sẽ cố gắng cung cấp dự đoán chính xác, nhưng có thể tồn tại sai số do giới hạn của mô hình và dữ liệu

- Giới hạn về chế độ tải: Tập trung vào ảnh hưởng của nguồn phân tán dưới điều kiện biến động tải và không xem xét chi tiết ảnh hưởng dưới các chế độ tải khác nhau - Giới hạn về khả năng tổng quan hóa: Nghiên cứu sẽ cung cấp cái nhìn tổng quan về ảnh hưởng, nhưng có thể không đảm bảo chi tiết đầy đủ về tất cả các khía cạnh của bảo vệ và lưới điện

- Giới hạn của phần mềm ETAP: Giới hạn sự chi tiết của mô hình do các hạn chế kỹ thuật và tính toán của phần mềm ETAP

1.5 Tính cấp thiết của đề tài

Những năm gần đây, một trong nhưng xu hướng của công nghệ năng lượng là việc tích hợp các nguồn phân tán (DG) vào lưới điện hệ thống quốc gia hoặc vùng lãnh thổ

Việc bùng nổ nguồn phân tán đã ảnh hướng đến nhiều khía cạnh của lưới điện, trong đó có hệ thống bảo vệ rơle của lưới điện Mặc dù có nhiều lợi ích, nhưng đặc tính không ổn định của nguồn phân tán đã gây ra nhiều khó khăn cho công tác bảo vệ rơle của hệ thống điện

Việc nghiên cứu nhằm xác định và đánh giá các ảnh hưởng của nguồn phân tán (cụ thể là năng lượng gió trong phạm vi của Luận văn) lên chức năng bảo vệ của rơle khoảng cách, từ đó đề ra các giải pháp phù hợp để phối hợp hiệu quả giữa bảo vệ lưới điện và nguồn năng lượng phân tán

1.6 Các nghiên cứu liên quan

Để đánh giá ảnh hưởng của nguồn phân tán lên các chức năng bảo vệ của rơle trong lưới điện, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành trong thời gian qua Viraj Pradeep Mahadanaarachchi và Dr Rama Ramakumar [5] đã thực hiện đánh giá ảnh hưởng của nguồn phân tán lên hiệu suất của bảo vệ khoảng cách, trong đó việc tăng dòng sự cố và thay đổi dòng phân bố công suất là hai vấn đề chính được nghiên cứu Nguyễn Đức Minh và Lê Đức Tùng [6] đã tập trung phân tích ảnh hưởng của các nguồn phân tán lên chức năng làm việc của các loại bảo vệ trong lưới điện phân phối Các đánh giá về tác động của dòng điện sự cố từ những loại DG khác nhau đối với hiệu suất bảo vệ được trình bày trong [7] Tác động của các DG và đặc tính năng lượng gió đối với hiệu suất của rơle khoảng cách trong các mạng phân phối và truyền tải được trình bày trong [8]-[12] Trong khi giải quyết các thách thức khác nhau đối với các nhà máy điện gió, nghiên cứu trong [8] phân tích đáp ứng của các sơ đồ bảo vệ thông thường cho tuabia gió loại 3 bằng cách mô phỏng trong thời gian thực Bài báo [11]

đã đề xuất áp dụng rơle khoảng cách đối với phát tuyến trong lưới điện phân phối và việc hỗ trợ tích hợp nguồn phân tán vào hệ thống Công trình trong [12] đã đề xuất một mô hình bảo vệ khoảng cách cho lưới điện 110kV dựa trên rơle khoảng cách, có thể thấy rằng việc sử dụng rơle khoảng cách có thể làm giảm các vấn đề về tính chọn lọc và thời gian xử lý sự cố nhanh hơn Công trình nghiên cứu trong [13] đã nghiên cứu tác động của tích hợp năng lượng gió đối với bảo vệ khoảng cách dựa trên rơle bảo vệ so lệch với nền tảng thử nghiệm thời gian thực Kết quả cho thấy bảo vệ dựa trên nguyên tắc khoảng cách bị ảnh hưởng nghiêm trọng so với các sơ đồ bảo vệ so lệch Trong [14], tác động của nhà máy điện gió đối với rơle khoảng cách được nghiên cứu Nó đã chứng minh rằng khi tăng số lượng tua-bin gió làm việc phát hiện sự cố của rơle khoảng cách trở nên kém chính xác hơn

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Bảo vệ rơle trong hệ thống điện

Trong quá trình tính toán thiết kế hoặc khai thác, vận hành bất kỳ một hệ thống điện (HTĐ) nào, chúng ta đều muốn HTĐ đó phải được vận hành ở chế độ an toàn, tin cậy, kinh tế nhất Một HTĐ thường rất rộng lớn về qui mô, trải dài trong không gian với rất nhiều các thiết bị điện bao gồm phần phát điện (máy phát điện, truyền tải và phân phối điện năng (máy biến áp, đường dây truyền tải và các thanh góp) Do đó, trong bất cứ HTĐ nào cũng có thể phát sinh các dạng hư hỏng và các tình trạng làm việc không bình thường đối với các phần tử trong HTĐ đó Do vậy để tránh các tổn thất lớn có thể xảy ra ,thì việc tính toán xây dựng các bảo vệ rơle trong HTĐ là rất quan trọng và không thể thiếu được Thậm chí trong các hệ thống điện để đảm bảo cho bảo vệ rơle hoạt động tin cậy chúng ta bao giờ cũng xây dựng 02 hệ thống bảo vệ rơ le chính và bảo vệ rơle dự phòng

Các nhiệm vụ của bảo vệ rơle trong hệ thống điện:

- Phát hiện và nhanh chóng loại trừ phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện nhằm ngăn chặn và hạn chế đến mức thấp nhất những hậu quả, tai hại do các sự cố gây ra

- Thiết bị bảo vệ ghi lại và phát hiện những tình trạng làm việc không bình thường của các phần tử trong HTĐ

- Tuỳ mức độ quan trọng của thiết bị điện mà bảo vệ rơle có thể tác động đi báo tín hiệu hoặc cắt máy cắt (MC) Ngày nay, khái niệm bảo vệ rơle thường dùng để chỉ một tổ hợp thiết bị thực hiện một hoặc một nhóm chức năng bảo vệ và tự động hóa trong HTĐ, thỏa mãn những yêu cầu kỹ thuật đề ra đối với nhiệm vụ bảo vệ cho từng phần tử cụ thể cũng như cho toàn bộ HTĐ

Sơ đồ tổng quan chung của hệ thống bảo vệ rơle trong hệ thống điện được thể hiện trong hình 2.1

Hình 2.1 Tổng quan hệ thống bảo vệ rơle [15]

- Phần tử đo lường: gồm có các máy biến dòng điện (BI hoặc CT), máy biến điện áp (BU hoặc VT), các thiết bị đo lường khác để làm nhiệm vụ đo lường các đại lượng dòng điện, điện áp, tần số Các tín hiệu sơ cấp và thứ cấp có thể được đưa vào các bộ lọc các thành phần đối xứng, hoặc các thiết bị biến đổi AC/DC để đưa tín hiệu vào hệ thống các rơle bảo vệ

- Phần tử phân tích và so sánh logic: gồm có các rơle có nhiệm vụ là phân tích và so sánh các tín hiệu đưa vào với các giá trị khởi động cho trước để đánh giá tình trạng làm việc của HTĐ là bình thường, không bình thường (quá tải, ngắn

mạch) Tương ứng với các tình trạng đó, rơle sẽ gửi tín hiệu đến các cơ cấu thực hiện để ngắt các đối tượng hoặc phần tử bị sự cố ra khỏi hệ thống điện Đối với mỗi nguyên tắc bảo vệ khác nhau thì sẽ có các loại rơle bảo vệ với phương pháp tính toán khác nhau

- Phần tử thực hiện: gồm có các rơle trung gian, máy cắt (MC) có nhiệm vụ thực hiện việc báo tín hiệu, hoặc cắt máy cắt để bảo vệ HTĐ trong các trường hợp nó bị sự cố

- Hệ thống nguồn điện một chiều DC: có nhiệm vụ cung cấp nguồn nuôi cho hệ thống các rơle bảo vệ, cuộn cắt của các máy cắt, chuông, còi, đèn báo động và các thiết bị trung gian khác trong HTĐ

- Kênh thông tin truyền tín hiệu dùng để điều khiển, phối hợp bảo vệ các thiết bị phần tử trong HTĐ, cung cấp thông tin người vận hành khai thác và lưu trữ dữ liệu

Đối với lưới điện phân phối, mạng đặc trưng là mạng hình tia, chiều công suất chỉ có một chiều từ nguồn đến tải nên các loại bảo vệ thường được sử dụng là bảo vệ quá dòng vô hướng (50/51) Hình 2.2 minh hoạ cho bảo vệ của một phát tuyến 22kV

Hình 2.2 Các bảo vệ của lưới điện [15]

Tuy nhiên, khi tích hợp nguồn phân tán vào lưới điện 110kV, chiều công suất thay đổi do nguồn phân tán có khả năng phát điện lên thanh cái, làm thay đổi cấu trúc lưới, khi đó các loại bảo vệ vô hướng không thể đảm bảo an toàn cho lưới điện mà phải sử dụng đến các loại bảo vệ có hướng như bảo vệ quá dòng có hướng (67) và bảo vệ khoảng cách (21) Luận văn sẽ trình theo hướng xem xét hoạt động của rơle khoảng cách trong lưới điện 110kV

2.2 Lý thuyết về bảo vệ khoảng cách (F21) trong lưới điện

2.2.1 Nguyên tác hoạt động của rơle khoảng cách

Bảo vệ khoảng cách (F21) hoạt động trên cơ sở đo lường và so sánh hai giá trị: - Điện áp tại thanh cái

- Dòng điện trên đường dây

- Góc lệch pha () giữa điện áp và dòng điện

Nguyên lý đo tổng trở được thể hiện trong hình 2.3

Hình 2.3 Nguyên lý đo tổng trở [15]

Trong đó: a) Sơ đồ lưới điện, b) Cung biến thiên của đồ thị phụ tải, c) Tổng trở đo

trong điều kiện sự cố, d) Đặc tính khởi động của rơle khoảng cách

Bảo vệ khoảng cách xác định tổng trở từ chỗ đặt bảo vệ đến điểm ngắn mạch từ các tín hiệu trên, tác động khi:

Tuỳ theo tương quan giữa từ thông phụ và từ thông điện áp mà tâm hình tròn di chuyển khỏi góc toạ độ Loại phổ biến có cung tròn đi qua gốc toạ độ là đặc tính MHO Góc nhạy nhất khoảng 60o đến 85o

Các loại đặc tuyến khởi động phổ biến: - Hình tròn: jR

Z=z e  (2) - MHO: Zkd =zkdmcos(CR −R) (3) - Elip: |ZR−Zb|−|ZR −Zd | 2= a=2zcRm (4)

- Điện kháng: Zkd = jxkd = jzCkd sin = jxCkd=const (6) - Đa giác: Thực tế thường dùng kỹ thuật vi xử lý

2.3 Phương pháp chỉnh định cài đặt chức năng bảo vệ khoảng cách [16]

Cấp I:

- Tổng trở khởi động cấp I: ZkdI =k Zat (7) Trong đó Z là tổng trở của đường dây đang tính toán bảo vệ - Thời gian tác động cấp I gần bằng không

Trong đó Znext là tổng trở của đường dây liền kề - Độ nhạy cấp II: 1.2

- Thời gian tác động cấp II:

Z = → Z (13)

- Thời gian tác động cấp III: t1III =t2III + t (14) - Độ nhạy cấp III: 1.5

Qui về phía thứ cấp:

- Điện áp vào rơle: RsdBUBU

n k

= (18)

2.4 Đánh giá về bảo vệ khoảng cách

Độ tin cậy: Làm việc tin cậy, tuy nhiên bộ phận tính toán khoảng cách phức tạp, nhất là có thêm bộ định hướng công suất Độ chính xác phụ thuộc nhiều vào các thiết bị đo lường (như BI, BU ), tính toán tổng trở, đặc biệt khi phát sinh hồ quang và các đường dây có thiết bị bù

Độ nhạy: có độ nhạy khá cao

Tính chọn lọc: Đảm bảo tính chọn lọc trong các mạch khác nhau

Tính tác động nhanh: Có khả năng cắt ngắn mạch khá nhanh đặc biệt khi dùng các hệ thống thông tin truyền thông tốc độ cao với các tín hiệu cho phép cắt, và cho pháp khóa liên động

2.5 Ảnh hưởng của nguồn phân tán đến bảo vệ đã được khảo sát

2.5.1 Ảnh hưởng của nguồn phân tán đến dòng ngắn mạch

Trong bài báo [6], tác giả Nguyễn Quốc Minh và Lê Đức Tùng đã phản tích ảnh hưởng của nguồn phân tán đến hệ thống bảo vệ thông qua mô hình trong hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ lưới phân tích ảnh hưởng của DG lên dòng ngắn mạch [6] Trong đó, nguồn hệ thống có công suất ngắn mạch là 100MVA kết nối tới lưới trung áp hình tia qua 2 phân đoạn đường dây AB và BC có tổng trở là Z=0.268+j0.166Ω Tại đầu mỗi đường dây có đặt rơle A và B Tại Nút B có kết nối thêm nguồn phân tán (mặt trời) thông qua máy cắt MC1 nhằm phân tích ảnh hưởng của nguồn phân tán lên rơle A khi có ngắn mạch xảy ra ở nút C

Phân bố dòng ngắn mạch 03 pha tại nút C trước và sau khi có nguồn phân tán được mô phỏng trong hình 2.5 và hình 2.6

Hình 2.5 Phân bố dòng ngắn mạch khi chưa có nguồn phân tán [6]

Hình 2.6 Phân bố dòng ngắn mạch khi tích hợp nguồn phân tán [6]

Trước khi kết nối nguồn phân tán, dòng điện ngắn mạch chạy từ hệ thống đến điểm ngắn mạch là 2,44 kA (hình 2.5), do đó rơle tại A có thể cài đặt ngưỡng khởi động với trị số 2,44 kA

Sau khi kết nối nguồn phân tán, dòng điện ngắn mạch tổng tăng lên 3,92 kA Tuy nhiên, dòng điện từ phía hệ thống chỉ có trị số 2,39 kA, còn lại nguồn phân tán đóng góp 1,53 kA (hình 2.6) Trong trường hợp này, rơle ở A sẽ không tác động vì dòng ngắn mạch giảm xuống giá trị 2,39 kA, dưới ngưỡng cài đặt

Khi có nguồn phân tán kết nối vào lưới thì dòng ngắn mạch tổng có trị số tăng lên, tuy nhiên dòng ngắn mạch đóng góp từ hệ thống lại giảm xuống Do đó, rơle ở A có thể không tác động, hoặc tác động với thời gian trễ hơn yêu cầu khi có ngắn mạch tại điểm C Trong trường hợp này rơle ở A tác động dưới ngưỡng Ngược lại, dòng ngắn mạch chạy qua rơle đặt tại B trước khi có kết nối nguồn phân tán là 2,4 kA, nhưng sau khi có kết nối nguồn phân tán tăng lên 3,9 kA Trong trường hợp này rơle đặt tại B tác động

Như vậy, có thể nhận thấy rằng, khi có nguồn phân tán kết nối vào lưới điện phân phối hình tia, các bảo vệ quá dòng phía thượng nguồn của điểm kết nối sẽ tác động dưới ngưỡng, còn các bảo vệ quá dòng phía hạ nguồn điểm kết nối sẽ tác động vượt ngưỡng, dẫn tới toàn bộ hệ thống bảo vệ đặt trên phân đoạn trục chính sẽ tác động mất chọn lọc

2.5.2 Ảnh hưởng của nguồn phân tán đến phân bố công suất

Nguồn phân tán có khả năng phát dòng ngược và có thể gây tác động sai cho rơle [16] Đối với lưới điện hình tia truyền thống, không có dòng hai chiều trong lưới điện nên không sử dụng rơle bảo vệ có hướng Khi có sự cố ở thanh cái liền kề có thể khiến dòng điện chạy ngược hướng dọc theo thanh cái mà DG được lắp đặt Nếu cường độ dòng điện ngược này vượt quá giá trị cài đặt rơle của thanh cái mà DG được lắp đặt, thì có thể xảy ra hiện tượng tác động nhầm

Hình 2.7 Ảnh hưởng dòng ngược do DG [16]

Như thể hiện trong hình 2.7, nếu có sự cố tại vị trí F2, dòng sự cố ngược chạy dọc theo các đường dây CB và BA của bộ cấp nguồn DG có thể gây ra tác động sai của CB1 và CB2

Xét sự cố 3 pha xảy ra tại vị trí F2 trên đường dây AG; trở kháng giữa nút A và vị trí sự cố là λAG, và ZAG là trở kháng của đường dây AG và λ ∈ [0,1] Hình 2.8 cho thấy dòng ngắn mạch ngược ứng với các giá trị công suất DG khác nhau khi λ = 0,05 (gần nút A) và DG được thêm vào tại nút C Rõ ràng là công suất DG càng lớn thì dòng ngắn mạch ngược càng lớn Khi công suất của DG lớn hơn 19,5 MVA, dòng sự cố ngược của CB2 lớn hơn mức cài đặt của bảo vệ quá dòng tức thời Do đó, ngay cả khi sự cố xảy ra tại vị trí F2 trên đường dây AG, đường dây thông thường BC sẽ bị cắt do tác động sai của CB2 Nếu công suất của DG tiếp tục tăng và đạt trên 38 MVA, nó cũng có thể khiến CB1 hoạt động không chính xác

Hình 2.8 Dòng ngược ứng với công suất DG khác nhau [16]

2.5.3 Ảnh hưởng của nguồn phân tán đến hiệu suất của rơle khoảng cách

Bảo vệ khoảng cách yêu cầu sự phối hợp thích hợp để cung cấp khả năng bảo vệ đáng tin cậy cho các vùng khác nhau tương tự như rơle so lệch và hầu hết rơle quá dòng Trong tài liệu [17], đặc tính MHO của bảo vệ khoảng cách đã được nghiên cứu, chỉ có 2 vùng được xác định trong đó vùng đầu tiên bao phủ tới 80% đường dây và vùng 2 cung cấp khả năng bảo vệ cho toàn bộ đường dây và cả 50% đường dây liền kề

Hình 2.9 Đặc tính MHO của rơle khoảng cách [17]

Tuy nhiên, sự phối hợp của các rơle trong nghiên cứu này đã mất phối hợp nghiêm trọng và dẫn đến việc rơle tác động sai Sự phối hợp của rơle khoảng cách với các rơle bảo vệ khác đã được cải thiện trong [18]-[19] Phần mềm DigSILENT Power Factory đã được sử dụng để kiểm tra tính hiệu quả của rơle bảo vệ khoảng cách trên lưới điện ở Aalborg, Đan Mạch Khi nghiên cứu ảnh hưởng của các nguồn DG và dòng điện hai chiều của máy phát điện cảm ứng nguồn cấp kép (DFIG) trên lưới điện có rơle bảo vệ khoảng cách cũng đã được nghiên cứu Kết quả nghiên cứu cho thấy dòng sự cố đo được bởi rơle hướng thuận lớn hơn rất nhiều so với dòng sự cố đo được bởi rơle hướng ngược và dòng của DG có thể gây ra ảnh hưởng tiêu cực đến độ chọn lọc và độ nhạy của rơle

hướng ngược dẫn đến hoạt động sai của rơle khoảng cách Một ưu điểm khác của bảo vệ khoảng cách là nó không yêu cầu liên lạc rộng rãi giữa các rơle, do đó có thể giảm chi phí ban đầu Mặc dù ứng dụng bảo vệ khoảng cách trong lưới điện có nguồn phân tán, tuy nhiên, cần giải quyết và giải quyết các thách thức sau để cung cấp khả năng bảo vệ đáng tin cậy cho lưới điện [20]

- Có thể đo không chính xác trở kháng sự cố từ rơle đến vị trí sự cố do sóng hài và đặc tính tức thời của dòng sự cố

- Phép đo trở kháng sự cố không chính xác và có nhiều yếu tố có thể gây sai lệch trong các lưới điện có các đường dây ngắn

- Bảo vệ khoảng cách hầu hết chỉ giới hạn ở các đường dây truyền tải.

Chương 3: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN NĂNG LƯỢNG PHÂN TÁN LÊN RƠLE KHOẢNG CÁCH CỦA LƯỚI ĐIỆN 110kV

3.1 Vấn đề được đặt ra

Phân tích ảnh hưởng của nguồn phân tán lên rơle khoảng cách của lưới điện 110kV yêu cầu việc mô tả chính xác các lưới điện cần phân tích, các thành phần đường dây truyền tải, các rơle được sử dụng và bảng trị số cài đặt đi kèm Ngoài ra ta cần mô phỏng trên phần mềm ETAP chuyên dụng cho ngành điện nhằm kiểm chứng lại các giả thuyết, phân tích ảnh hưởng của nguồn phân tán vào hoạt động của rơle khoảng cách trong bối cảnh nguồn phân tán ngày càng chiếm tỷ trọng cao như hiện nay Sau khi mô phỏng, cần đề xuất giải pháp khắc phục ảnh hưởng của nguồn phân tán (nếu có) đến lưới điện 110kV

3.2 Các bước giải quyết vấn đề

- Tinh chỉnh và cải thiện: Dựa trên kết quả kiểm tra và đánh giá, tiến hành tinh chỉnh và cải thiện các thông số

3.3 Giới thiệu module mô phỏng chức năng bảo vệ khoảng cách (F21) của phần mềm ETAP

Mô phỏng chức năng bảo vệ khoảng cách trong ETAP (giới thiệu về phần mềm ETAP được trình bày ở phần phụ lục A) là một phần quan trọng của quá trình thiết kế và duy trì hệ thống điện công nghiệp hiện đại

- Lựa chọn thiết bị bảo vệ: ETAP cung cấp thư viện rộng lớn về các thiết bị bảo vệ, bao gồm cả rơle khoảng cách Người sử dụng có thể lựa chọn và cấu hình các thiết bị này dựa trên yêu cầu cụ thể của hệ thống

- Cấu hình thông số: Người sử dụng có thể cấu hình thông số của rơle khoảng cách như dòng ngắn mạch cực đại, thời gian hoạt động, độ nhạy, và các thông số khác Điều này giúp mô phỏng chính xác chức năng bảo vệ

- Mô phỏng điều kiện sự cố: ETAP cho phép người sử dụng mô phỏng điều kiện sự cố khác nhau như ngắn mạch, mất tải, hoặc biến động tải Mô phỏng này giúp đánh giá hiệu suất của bảo vệ khoảng cách trong các tình huống khẩn cấp

- Phân tích kết quả mô phỏng: Sau khi mô phỏng, ETAP cung cấp các công cụ phân tích và biểu đồ để đánh giá kết quả, bao gồm thời gian phản ứng, dòng điện và điện áp tại các điểm quan trọng

- Tối ưu hóa cài đặt: Người sử dụng có thể điều chỉnh và tối ưu hóa cài đặt của rơle khoảng cách dựa trên kết quả mô phỏng để đảm bảo tính linh hoạt và độ chính xác

Lợi ích của mô phỏng chức năng bảo vệ khoảng cách trong ETAP:

- Tiết kiệm chi phí và thời gian: Mô phỏng trong ETAP giúp người sử dụng tiết kiệm chi phí và thời gian so với việc thử nghiệm trực tiếp trên hệ thống thực tế - Đánh giá hiệu suất chức năng bảo vệ: Người sử dụng có thể đánh giá hiệu suất

của rơle khoảng cách dưới nhiều điều kiện khác nhau và điều chỉnh cài đặt mà không làm ảnh hưởng đến hệ thống thực tế

- Tối ưu hóa và cải thiện thiết bị bảo vệ: Mô phỏng giúp tối ưu hóa cài đặt của bảo vệ khoảng cách và cải thiện hiệu suất của thiết bị bảo vệ

Giao diện của module mô phỏng bảo vệ khoảng cách của phần mềm ETAP được thể hiện trong hình 3.1

Hình 3.1 Giao diện module mô phỏng bảo vệ khoảng cách của phần mềm ETAP Các bước mô phỏng chức năng bảo vệ khoảng cách trên ETAP được trình bày ở mục

B phần Phụ lục

3.4 Giới thiệu các mô hình

3.4.1 Lưới điện đơn giản hóa

Mô hình lưới điện đơn giản hóa dùng để phân tích ảnh hưởng của nguồn phân tán đối với hoạt động của rơle khoảng cách trong lưới điện 110kV tương đương với trường hợp quy đổi hệ thống về thanh cái tích nguồn năng lượng phân tán Mô hình được thể hiện trong hình 3.2

Hình 3.2 Mô hình lưới điện khảo sát đơn giản

Sơ đồ nối lưới của các nguồn phân tán được mô phỏng theo sơ đồ thực tế như hình 3.3

Hình 3.3 Sơ đồ biến áp nguồn phân tán nối lưới

Mô hình lưới điện đơn giản hóa nhằm mục đích khảo sát những ảnh hưởng cơ bản nhất của hệ thống nguồn phân tán đối với lưới điện 110kV, trong đó quan trọng nhất là phần dòng điện ngắn mạch và tác động phối hợp của rơle khoảng cách (R23 và R34)

Thông số cơ bản của lưới điện được thể hiện như sau:

- Phần nguồn điện: Nguồn ngắn mạch ba pha có công suất ngắn mạch là 10MVAsc, tỷ lệ X/R là 99999 (trở kháng đường dây rất lớn so với điện trở đường dây), nguồn ngắn

mạch một pha có công suất ngắn mạch là 14.981 MVAsc, tỷ lệ X/R là 99999

Hình 3.4 Dữ liệu nguồn điện

Đường dây 34 có chiều dài 10km, có điện trở đường dây thứ tự thuận là 2.39001, thứ tự nghịch là 2.39001, thứ tự không là 3.80601 Trở kháng thứ tự thuận là

4.1441, thứ tự nghịch là 4.1441, thứ tự không là 14.5859

Hình 3.6 Thông số đường dây 34 - Phần tải: Công suất tải là 1.5MVA, hệ số công suất 0.6

Hình 3.7 Thông số phần tải

- Phần nguồn phân tán: Công suất mỗi turbine gió là 1MW, cấp điện áp 400V, 4 cực và tốc độ là 1500 vòng/phút

Hình 3.8 Thông số nguồn phân tán

3.4.2 Lưới điện IEEE 30 nút

Lưới điện chuẩn IEEE 30 nút [21] là một mô hình mạng điện phổ biến được IEEE (Viện Kỹ sư Điện và Điện tử Hoa Kỳ) xây dựng để nghiên cứu và mô phỏng các tính chất và hiệu suất của hệ thống điện

Lưới điện có cấp điện áp 132kV và tổng cộng 30 nút, mỗi nút đều đại diện cho một điểm kết nối trong hệ thống, có thể là máy phát điện, nút tải, hoặc nút nguồn Các nút có thể có điện áp cố định hoặc điện áp biến đổi tùy thuộc vào tính chất của mạng điện Dòng điện trong mô hình có thể biến động theo thời gian để mô phỏng các biến động và sự kiện không mong muốn như ngắn mạch