Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu giải pháp bảo vệ rơ le cho xuất tuyến phân phối có nguồn năng lượng tái tạo xâm nhập cao

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HUỲNH ANH PHƯƠNG TRANG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP BẢO VỆ RƠ LE CHO XUẤT TUYẾN PHÂN PHỐI CÓ NGUỒN NĂNG LƯỢNG

TÁI TẠO XÂM NHẬP CAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2023

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Lê Thị Tịnh Minh

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Lê Kỷ

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Hữu Vinh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM, ngày 15 tháng 7 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS Phan Thị Thanh Bình - Chủ tịch Hội đồng 2 TS Nguyễn Phúc Khải - Thư ký Hội đồng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: HUỲNH ANH PHƯƠNG TRANG MSHV: 2170147 Ngày, tháng, năm sinh: 18/08/1998 Nơi sinh: Ninh Thuận Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số :8520201

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tìm hiểu những tác động của nguồn năng lượng mặt trời đến hệ thống bảo vệ rơ le của lưới điện phân phối

2 Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để thực hiện các mô phỏng trên một xuất tuyến phân phối đơn giản Tiến hành khảo sát ảnh hưởng bảo vệ rơ le trên xuất tuyến khi có sự xâm nhập nguồn PV cao

3 Đề xuất giải pháp sử dụng thiết bị FCL để nâng cao bảo vệ rơ le cho xuất tuyến phân phối có tích hợp nguồn điện mặt trời

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/06/2023

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Lê Thị Tịnh Minh

Tp HCM, ngày 11 tháng 06 năm 2023

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin đặc biệt gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Cô Lê Thị Tịnh Minh, tuy bộn bề công việc, cô vẫn dành thời gian tận tình giúp đỡ, hướng dẫn em thực hiện luận văn thạc sĩ này Cảm ơn cô đã có những định hướng và nhận xét vô cùng quý giá trong quá trình thực hiện để giúp em hoàn thành luận văn được tốt nhất có thể

Xin được khắc ghi những tình cảm thân thiết, hỗ trợ nhiệt tình, luôn sẵn lòng giúp đỡ của các anh chị em, bạn bè ở trường học cũng như tại nơi làm việc đã tạo điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành luận văn

Do giới hạn về kiến thức và khả năng lý luận của bản thân nên luận văn còn nhiều thiếu sót và hạn chế, kính mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô để em có thể hoàn thiện bản thân trong tương lai

Cuối cùng con xin cảm ơn gia đình đã luôn sát cánh bên con từ lúc con chập chững, luôn động viên, tin tưởng con, giúp con vững niềm tin vượt qua những ngưỡng cửa của cuộc đời

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 06 năm 2023 Học viên

Huỳnh Anh Phương Trang

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn nghiên cứu về những tác động của nguồn năng lượng tái tạo đối với hệ thống bảo vệ lưới phân phối Hoạt động và sự phối hợp bảo vệ của rơ le quá dòng trên lưới điện phân phối có tích hợp nguồn điện mặt trời sẽ được nghiên cứu và phân tích trong nhiều trường hợp khác nhau Giải pháp được đề xuất để nâng cao bảo vệ rơ le trong luận văn này là sử dụng thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch (FCL) dạng điện trở sẽ được xây dựng và kiểm chứng kết quả Việc xây dựng các mô hình và thực hiện mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm Matlab/Simulink

Luận văn gồm 7 chương : - Chương 1: Tổng quan đề tài

- Chương 2: Tổng quan tình hình phát triển năng lượng tái tạo và những thách thức

- Chương 3: Ảnh hưởng của điện mặt trời đối với bảo vệ rơ le lưới điện phân phối và các giải pháp được đề xuất

- Chương 4: Mô phỏng và khảo sát rơ le bảo vệ quá dòng lưới phân phối bằng MATLAB/SIMULINK

- Chương 5: Kết quả mô phỏng xuất tuyến phân phối sau khi có PV xâm nhập

- Chương 6: Giải pháp nâng cao bảo vệ rơ le cho xuất tuyến phân phối có tích hợp PV

- Chương 7 : Kết luận

ABSTRACT

The thesis studies the impacts of renewable energy sources on the protection system in distribution network The operation and protection coordination of over current relays on a distribution feeder with PV source intergration will be studied and analyzed in various cases The proposed solution to enhance relay protection in this thesis is to use a Resistive type Fault Current Limiters (FCL) that will be built and tested Model building and simulation were performed using Matlab/Simulink software

This thesis include 7 chapter : - Chapter 1: Overview

- Chapter 2: Overview of renewable energy development and challenges - Chapter 3: Influence of solar power on distribution grid relay protection

and proposed solutions

- Chapter 4: Simulation and study of overcurrent protection relay in distribution system using MATLAB/SIMULINK

- Chapter 5: Simulation results of distribution feeder after PV penetration - Chapter 6: Solution to improve relay protection for distribution feeder

with PV integration - Chapter 7: Conclusion

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận nêu trong luận văn là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng yêu cầu

Tác giả luận văn

Huỳnh Anh Phương Trang

2.1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 3

2.2 TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO TRÊN THẾ GIỚI 4 2.3 TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO TẠI VIỆT NAM VÀ NHỮNG THÁCH THỨC 4

2.3.1 Tiềm năng và hiện trạng phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam 4

2.3.2 Thách thức phát triển năng lượng tái tạo ở Việt Nam 6

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỐI VỚI BẢO VỆ RƠ LE LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ CÁC GIẢI PHÁP ĐƯỢC ĐỀ XUẤT 9

3.1 TÁC ĐỘNG CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỐI VỚI LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 9

3.2 NHIỆM VỤ CỦA BẢO VỆ RƠ LE VÀ CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI HỆ THỐNG BẢO VỆ 11

3.2.1 Nhiệm vụ của bảo vệ rơ le 11

3.3 BẢO VỆ QUÁ DÒNG CHỨC NĂNG 51 TRÊN XUẤT TUYẾN LƯỚI PHÂN PHỐI 14

3.4 TÁC ĐỘNG CỦA NGUỒN PV ĐỐI VỚI BẢO VỆ RƠ LE TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI 20

3.4.1 Thay đổi dòng điện sự cố 20

4.2 CÁC KHỐI CHỨC NĂNG CẦN THIẾT 49

4.3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG RƠ LE BẢO VỆ QUÁ DÒNG CHỨC NĂNG 51 BẰNG MATLAB/SIMULINK 53

4.4 MÔ PHỎNG XUẤT TUYẾN PHÂN PHỐI VỚI CHỨC NĂNG BẢO VỆ QUÁ DÒNG 51 BẰNG MATLAB/SIMULINK 55

4.4.1 Giới thiệu mô hình lưới điện nghiên cứu 55

4.4.2 Tính toán và cài đặt phối hợp bảo vệ chức năng 51 của các máy cắt trên xuất tuyến 57

4.4.3 Kết quả mô phỏng 58

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG XUẤT TUYẾN PHÂN PHỐI SAU KHI

CÓ NGUỒN NLTT XÂM NHẬP 62

5.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGUỒN NLTT TRÊN MATLAB/SIMULINK 62 5.2 TÍCH HỢP PV VÀO XUẤT TUYẾN PHÂN PHỐI VÀ KHẢO SÁT TRƯỜNG HỢP LÀM VIỆC BÌNH THƯỜNG 65

5.2.1 PV được gắn vào tải 3 65

5.2.2 PV được gắn vào tải 2 67

5.3 TÍCH HỢP PV VÀO XUẤT TUYẾN PHÂN PHỐI VÀ KHẢO SÁT TRƯỜNG HỢP KHI CÓ XẢY RA SỰ CỐ 69

5.3.1 PV được gắn vào tải 2 và có sự cố ngắn mạch 3 pha ở nút 4 69

5.3.2 Khảo sát sự cố ngắn mạch 3 pha tổng trở cao tại nút 4 khi PV đặt ở tải 2 75

5.3.3 PV được gắn vào tải 3 và khảo sát các trường hợp sự cố 77

5.4 KHẢO SÁT MÔ HÌNH CÓ TÍCH HỢP NGUỒN PV VÀ ĐIỆN GIÓ 82

CHƯƠNG 6 GIẢI PHÁP NÂNG CAO BẢO VỆ RƠ LE CHO XUẤT TUYẾN PHÂN PHỐI CÓ TÍCH HỢP PV 88

6.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG FCL DẠNG ĐIỆN TRỞ BẰNG MATLAB/SIMULINK 88

6.2 KIỂM CHỨNG FCL QUA MÔ PHỎNG SIMULINK 89

6.3 ÁP DỤNG FCL DẠNG ĐIỆN TRỞ VÀO MÔ HÌNH XUẤT TUYẾN PHÂN PHỐI CÓ TÍCH HỢP PV ĐỂ NÂNG CAO BẢO VỆ RƠ LE 91

6.3.1 Cài đặt dòng kích hoạt cho FCL 91

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2-1 Phân bố công suất đặt nguồn điện (MW) theo các vùng năm 2020 5

Hình 3-1 Cắt chọn lọc phần tử hư hỏng khi ngắn mạch trong mạng 12

Hình 3-2 Đặc tính thời gian độc lập 16

Hình 3-3 Phối hợp thời gian bảo vệ theo đặc tính thời gian độc lập [6] 16

Hình 3-4 Đặc tính thời gian phụ thuộc 17

Hình 3-5 Phối hợp thời gian theo đặc tính thời gian phụ thuộc [6] 17

Hình 3-6 Tổng trở của lưới điện khi chưa có PV 21

Hình 3-7 Tổng trở của lưới điện khi đã có PV 21

Hình 3-8 RES tích hợp vào lưới điện 22

Hình 3-9 R2 ngắt sai do có sự đóng góp từ nguồn NLTT 22

Hình 3-10 Vấn đề tách đảo do kết nối RES 23

Hình 3-11 Vấn đề tự đóng lại khi có tích hợp RES 23

Hình 3-12 Giải thuật điều phối bảo vệ OCPCO dành cho hệ thống bảo vệ của một LĐPP có tích hợp nguồn DG 25

Hình 3-13 Lưu đồ thuật toán GSA 26

Hình 3-14 Giải thuật GA 27

Hình 3-15 Mô hình hệ thống thử nghiệm 29

Hình 3-16 Đóng góp của DG vào sự cố trên xuất tuyến liền kề 31

Hình 3-17 Bảo vệ quá dòng có hướng 32

Hình 3-18 Trình tự hoạt động của rơ le khi chưa có DG, sự cố trên xuất tuyến chính 33

Hình 3-19 Đường cong thời gian-dòng điện cho sự cố khi chưa có DG 33

Hình 3-20 Trình tự hoạt động của rơ le khi có DG, sự cố trên xuất tuyến liền kề 34

Hình 3-21 Đường cong thời gian-dòng điện cho sự cố khi có DG 34

Hình 3-22 Dòng điện từ PV nối lưới ảnh hưởng đến rơ le khoảng cách 35

Hình 3-23 Hệ thống lưới phân phối thử nghiệm IEEE 33-bus 36

Hình 3-24 Thiết bị đóng cắt chia thành các vùng trong lưới phân phối 37

Hình 3-25 Sơ đồ đa tác nhân thích ứng để phối hợp bảo vệ 38

Hình 3-26 Vị trí kết nối FCL trong lưới phân phối 39

Hình 3-27 FCL lõi có thể bão hòa 41

Hình 3-35 Cấu trúc cơ bản của R-SFCL 44

Hình 3-36 Đồ thị biểu diễn hoạt động của điện trở trong R-SFCL 45

Hình 3-37 Vị trí lắp đặt vận hành FCL trong lưới điện 46

Hình 4-1 Giao diện phần mềm Matlab 47

Hình 4-2 Giao diện và thư viện Simulink 48

Hình 4-3 Khối nguồn 49

Hình 4-4 Khối đo điện áp, dòng điện và scope hiển thị 50

Hình 4-5 Khối máy cắt ba pha 50

Hình 4-6 Khối đường dây ba pha 51

Hình 4-7 Khối tải ba pha 51

Hình 4-8 Khối tạo sự cố 52

Hình 4-9 Khối S-R Flip Flop 52

Hình 4-10 Một số khối chức năng khác 52

Hình 4-11 Lưu đồ giải thuật cho chức năng bảo vệ quá dòng 53

Hình 4-12 Mô hình mô phỏng bảo vệ quá dòng chức năng 51 54

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

phối đơn giản 55

Hình 4-15 Mô hình các thiết bị bảo vệ trên xuất tuyến bằng Matlab/Simulink 57

Hình 4-16 Trạng thái đóng/cắt của các MC khi sự cố tại Nút 4 59

Hình 4-17 Trạng thái đóng/cắt của các MC khi sự cố tại Nút 3 60

Hình 4-18 Trạng thái đóng/cắt của các MC khi sự cố tại Nút 2 60

Hình 5-1 Mô hình PV dựa trên sơ đồ cấu trúc liên kết điện tử công suất phổ biến 62

Hình 5-2 Bảng các thông số của tấm pin 63

Hình 5-3 Cấu trúc của mô hình PV nối lưới trên Matlab/Simulink 63

Hình 5-4 Các thông số cơ bản cho mô hình PV 64

Hình 5-5 Các thông số cơ bản cho mô hình điện gió 64

Hình 5-6 Cấu trúc của mô hình điện gió trên Matlab/Simulink 64

Hình 5-7 Mô hình xuất tuyến sau khi gắn PV vào tải 3 trên Matlab/Simulink 65

Hình 5-8 Dòng làm việc bình thường trên xuất tuyến khi tải 3 gắn PV 0.9MW 66

Hình 5-9 Dòng làm việc bình thường trên xuất tuyến khi tải 3 gắn PV 1,4MW 66

Hình 5-10 Mô hình xuất tuyến sau khi gắn PV vào tải 2 67

Hình 5-11 Dòng làm việc bình thường trên xuất tuyến khi tải 2 gắn PV 1.5MW 67

Hình 5-12 Dòng làm việc bình thường trên xuất tuyến khi tải 2 gắn PV 2MW 68

Hình 5-13 Dòng làm việc bình thường trên xuất tuyến khi tải 2 gắn PV 2MW mô phỏng bằng phần mềm PSS/ADEPT 68

Hình 5-14 Sơ đồ xuất tuyến có gắn PV ở tải 2 và khảo sát khi xảy ra sự cố 69

Hình 5-21 Dòng hiệu dụng qua MC2 73

Hình 5-22 Dòng sự cố qua các MC 74

Hình 5-23 Trạng thái đóng/cắt của các MC 74

Hình 5-24 Trạng thái đóng/cắt của các MC khi tổng trở sự cố là 0.001Ω 76

Hình 5-25 Trạng thái đóng/cắt của các MC khi tổng trở sự cố là 15Ω 76

Hình 5-26 Trạng thái đóng/cắt của các MC khi tổng trở sự cố là 30Ω 76

Hình 5-27 Trạng thái đóng/cắt của các MC khi tổng trở sự cố là 40Ω 76

Hình 5-28 Sơ đồ xuất tuyến có gắn PV ở tải 3 77

Hình 5-29 Dòng hiệu dụng qua MC2 78

Hình 5-30 Trạng thái đóng/cắt của các MC khi sự cố tại Nút 4 78

Hình 5-31 Trạng thái đóng/cắt của các MC khi sự cố tại Nút 3 78

Hình 5-32 Trạng thái đóng/cắt của các MC khi sự cố tại Nút 2 78

Hình 5-33 Sơ đồ có PV đặt ở xuất tuyến 1 và sự cố xảy ra trên xuất tuyến 2 80

Hình 5-34 Trạng thái đóng/cắt của các MC trên xuất tuyến 1 80

Hình 5-35 Trạng thái đóng/cắt của các MC trên xuất tuyến 2 80

Hình 5-36 Dòng hiệu dụng qua MC3 81

Hình 5-37 Trạng thái đóng/cắt của các MC trên xuất tuyến 1 81

Hình 5-38 Trạng thái đóng/cắt của các MC trên xuất tuyến 2 81

Hình 5-39 Mô hình Matlab/Simulink xuất tuyến có gắn nguồn điện gió vào tải 2 83

Hình 5-40 Sơ đồ xuất tuyến có nguồn điện gió ở tải 2 và sự cố ở Nút 4 83

Hình 5-41 Dòng sự cố qua các MC 83

Hình 5-42 Mô hình Matlab/Simulink xuất tuyến có cả nguồn PV và điện gió 84

Hình 5-43 Sơ đồ xuất tuyến có nguồn PV và điện gió, sự cố xảy ra ở Nút 4 84

Hình 5-44 Dòng sự cố qua các MC 85

Hình 5-45 Trạng thái đóng/cắt của các MC 85

Hình 6-1 Sơ đồ các khối của FCL dạng điện trở 88

Hình 6-3 Mô phỏng kiểm chứng FCL trên Matlab/Simulink 89

Hình 6-4 Dòng ngắn mạch 3 pha ban đầu 90

Hình 6-5 Dòng ngắn mạch 3 pha sau khi gắn FCL 90

Hình 6-6 Dòng điện làm việc bình thường qua MC2 với PV 2,25MW 91

Hình 6-7 Dòng điện làm việc của PV 2,25MW 91

Hình 6-8 Dòng điện làm việc bình thường qua MC2 với PV 2,3MW 92

Hình 6-9 Dòng điện làm việc của PV 2,3MW 92

Hình 6-10 Dòng điện làm việc bình thường qua MC2 với PV 2,3MW khi có FCL 93 Hình 6-11 Dòng điện làm việc bình thường qua MC3 93

Hình 6-12 Dòng điện làm việc của PV 1,4MW 94

Hình 6-13 Dòng điện làm việc bình thường qua MC3 với PV 1,5MW 94

Hình 6-14 Dòng điện làm việc của PV 1,5MW 95

Hình 6-15 Dòng điện làm việc bình thường qua MC3 với PV 1.5MW khi có FCL 95 Hình 6-16 Sơ đồ xuất tuyến có gắn PV ở tải số 2 và sự cố ngắn mạch 3 pha ở Nút 4 96

Hình 6-17 Trạng thái đóng/cắt của các MC trước khi có FCL 96

Hình 6-18 Trạng thái đóng/cắt của các MC sau khi gắn FCL 96

Hình 6-19 Dòng sự cố qua MC2 trước khi có FCL 97

Hình 6-20 Dòng sự cố qua MC2 sau khi gắn FCL 97

Hình 6-21 Sơ đồ có PV đặt ở xuất tuyến 1 và sự cố xảy ra trên xuất tuyến 2 98

Hình 6-22 Trạng thái đóng/cắt của các MC trên xuất tuyến 1 98

Hình 6-23 Trạng thái đóng/cắt của các MC trên xuất tuyến 2 99

Hình 6-24 Dòng sự cố qua MC3 trước khi có FCL 99

Hình 6-25 Dòng sự cố qua MC3 sau khi gắn FCL 99

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1 Tiềm năng kỹ thuật các nguồn RES chủ yếu trên phạm vi cả nước 5

Bảng 3-1 Kết quả và đánh giá 2 giải thuật 28

Bảng 4-1 Bảng các thông số nguồn, tải, đường dây của lưới điện nghiên cứu 56

Bảng 4-2 Dòng điện làm việc và dòng điện sự cố ngắn mạch 3 pha qua các thiết bị 57

Bảng 4-3 Thời gian tác động của các MC khi sự cố tại Nút 4 59

Bảng 4-4 Thời gian tác động của các MC khi sự cố tại Nút 3 60

Bảng 4-5 Thời gian tác động của các MC khi sự cố tại Nút 2 60

Bảng 5-5 Dòng sự cố qua các MC thay đổi sau khi có PV 75

Bảng 5-6 Thời gian cô lập sự cố của các MC 77

Bảng 5-7 Thời gian tác động của các MC so sánh trước và sau khi gắn PV ở tải 3 trong các trường hợp sự cố 79

Bảng 5-8 Thời gian tác động của các MC 82

Bảng 5-9 So sánh dòng sự cố qua các MC ở 2 trường hợp nguồn điện mặt trời PV và nguồn điện gió 84

Bảng 5-10 Bảng tổng hợp các trường hợp mô phỏng 86

Bảng 6-1 Kết quả mô phỏng trước và sau khi áp dụng thiết bị FCL 100

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ANSI: American National Standards Institute CTI: Coordination Time Interval

DG: Distributed Generation FCL: Fault Current Limiter GA: Genetic Algorithm

GSA: Gravitational Search Algorithm

IEC: International Electrotechnical Commission IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers Máy cắt: MC

Nguồn năng lượng tái tạo (Renewable Energy Sources - RES): NLTT Nguồn điện mặt trời (Photovoltaic): PV

TDS: Time Dial Setting

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Lý do chọn đề tài

Với các vấn đề về môi trường và mức chi phí năng lượng hiện nay trên thế giới đều tăng dần, người tiêu dùng phải tìm kiếm các giải pháp thay thế hợp lí hơn cho nhu cầu tiêu dùng điện Các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng ngày càng trở nên dễ tiếp cận, giá thành phải chăng, mang lại nhiều lợi ích và thân thiện với môi trường Tuy nhiên ngoài những ưu điểm thì việc tích hợp các nguồn này vào lưới điện cũng mang đến nhiều thách thức

Đối với lưới điện phân phối truyền thống có công suất chỉ chạy theo một hướng từ nguồn điện đến phụ tải Tuy nhiên, việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo vào sẽ làm cho công suất chạy theo hướng ngược lại khi công suất cung cấp cao hơn công suất tiêu thụ ở tải Các nguồn năng lượng tái tạo cũng có đóng góp vào sự cố dẫn đến làm thay đổi cả về biên độ và hướng dòng điện khi sự cố Do đó, sự điều phối thời gian tác động giữa các rơ le quá dòng sẽ bị thay đổi và một số phần của lưới điện sẽ bị cô lập không chính xác Vấn đề này trở nên quan trọng hơn khi các nguồn này có sản lượng điện thay đổi tùy thuộc vào thời gian trong ngày và điều kiện khí hậu, dẫn đến mạng lưới sẽ có hướng dòng điện khác nhau Do đó, vấn đề đặt ra là cần những giải pháp hiệu quả hơn khi các thiết bị bảo vệ rơ le ban đầu trong lưới phân phối không còn hoạt động chính xác

Vì các lí do như trên, đề tài Luận văn: “Nghiên cứu giải pháp bảo vệ rơ le cho xuất tuyến phân phối có nguồn năng lượng tái tạo xâm nhập cao” là cần thiết

để tiến hành nghiên cứu về những ảnh hưởng của các nguồn năng lượng tái tạo đối với hệ thống bảo vệ của lưới phân phối cùng với giải pháp giúp nâng cao bảo vệ rơ le Nội dung lý thuyết trong luận văn và các kết quả mô phỏng thử nghiệm sẽ giúp ích cho những nghiên cứu sâu hơn sau này, phục vụ cho công tác phân tích, khảo sát và có cơ hội để mở rộng hơn và ứng dụng để giải quyết các lưới điện trong thực tế

1.2 Mục tiêu đề tài

• Tìm hiểu những tác động của nguồn năng lượng tái tạo đối với hệ thống bảo vệ của lưới điện phân phối và những giải pháp đã được nghiên cứu đề xuất • Xây dựng một lưới điện nghiên cứu là một xuất tuyến phân phối cùng với các thiết bị bảo vệ là các rơ le quá dòng chức năng 51 Thực hiện mô phỏng và khảo sát hoạt động và sự phối hợp của các thiết bị bảo vệ lúc trước và sau khi có tích hợp nguồn năng lượng tái tạo, đại diện là nguồn điện mặt trời bằng phần mềm Matlab/Simulink

• Tìm hiểu lý thuyết và đề xuất giải pháp nâng cao phối hợp bảo vệ rơ le trong lưới phân phối khi có nguồn mặt trời xâm nhập cao Đề xuất giải pháp xây dựng mô hình thiết bị FCL dạng điện trở, sau đó tiến hành mô phỏng kiểm chứng và áp dụng để làm giải pháp

1.3 Phạm vi và phương pháp thực hiện

Tìm hiểu các nghiên cứu đã có trên các bài báo, tạp chí nói về ảnh hưởng của nguồn năng lượng tái tạo đến hệ thống bảo vệ lưới phân phối và những phương pháp được đề xuất để cải thiện tình trạng đó

Luận văn này sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để thực hiện mô phỏng, khỏa sát và phân tích các kết quả Mô hình lưới điện nghiên cứu ở đây là một xuất tuyến phân phối và tiến hành khảo sát những tác động của nguồn điện mặt trời đối với rơ le bảo vệ quá dòng Giải pháp được đề xuất để nâng cao bảo vệ rơ le khi có nguồn năng lượng tái tạo xâm nhập cao là sử dụng thiết bị FCL dạng điện trở Thiết bị cũng sẽ được xây dựng mô hình sau đó mô phỏng và kiểm chứng bằng Matlab/Simulink

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ NHỮNG THÁCH THỨC

2.1 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]

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

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]

2.3 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

Cùng với xu hướng phát triển mạnh mẽ trên thế giới, thời gian qua các nhà máy điện năng lượng tái tạo đã nhận được sự quan tâm đầu tư rất lớn ở nước ta, bổ sung kịp thời lượng công suất nguồn điện nhằm đáp ứng phu cầu phụ tải, bù đắp cho các nguồn tài nguyên năng lượng sơ cấp không tái tạo đang dần cạn kiệt Các nguồn điện năng lượng tái tạo về cơ bản không phát thải, góp phần đa dạng hóa nguồn cung và đảm bảo an ninh năng lượng cho phát triển bền vững của đất nước [3]

Ngoại trừ các nguồn tiềm năng thủy điện đã cơ bản được khai thác và đưa vào sử dụng, Việt Nam có tiềm năng khá lớn về các nguồn năng lượng tái tạo khác cho phát điện, chủ yếu ở 2 dạng năng lượng gió và bức xạ mặt trời (quang năng) Đây cũng là 2 dạng năng lượng tái tạo được khai thác và sử dụng cho phát điện phổ biến nhất trên thế giới hiện nay [3]

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

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

3 Điện gió ngoài khơi 162.000

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 vài năm trở lại đây, quy mô các nguồn điện năng lượng tái tạo đã phát triển rất nhanh Công suất nguồn điện mặt trời tăng từ mức không đáng kể năm 2018 lên gần 16.500 MW năm 2020 - chiếm 23,8% tổng công suất lắp đặt nguồn điện của cả nước Tổng công suất điện gió năm 2020 khoảng 570 MW - chiếm khoảng 0,8% tổng công suất nguồn điện Năm 2020, điện sản xuất của các nguồn điện gió và điện mặt trời đạt 11,7 tỷ kWh, chiếm khoảng 4% tổng sản lượng toàn hệ thống Các nguồn năng lượng tái tạo tập trung chủ yếu ở các tỉnh có nhiều tiềm năng tại miền Trung và miền Nam (Hình 2-1) [3]

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:

Việc phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện mặt trời đang tạo ra một số thách thức trong vận hành hệ thống điện Các nguồn điện từ năng lượng tái tạo tác động lên lưới điện quốc gia (như ảnh hưởng đều độ, huy động các nhà máy điện khác và phải tăng dự phòng của hệ thống điện nhằm bảo đảm ổn định hệ thống điện) [4]

Về điện mặt trời chưa có những tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về hệ thống điện mặt trời trên mái nhà, hay quy định về cấp phép hoạt động điện lực cho bên thứ ba tham gia lắp đặt [4]

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:

Thách thức lớn nhất đối với phát triển năng lượng tái tạo nằm ở vốn đầu tư và khả năng thu xếp vốn của chủ đầu tư Rào cản tài chính cản trở việc thực hiện một dự án kinh tế do thiếu tiếp cận với nguồn tài chính phù hợp, hoặc thiếu cơ chế bền vững cung cấp tài trợ Phát triển năng lượng tái tạo ở Việt Nam hiện nay bị hạn chế bởi cả hai rào cản này [4]

Kết luận chương 2: Chương 2 đã trình bày khái quát về tình hình và tiềm năng phát

triển của nguồn năng lượng tái tạo trên thế giới cũng như tại Việt Nam và những thách thức xảy ra khi xu thế này ngày càng phát triển mạnh mẽ Trong phạm vi của đề tài luận văn này, những chương tiếp theo dưới đây sẽ tập trung tìm hiểu và trình bày những vấn đề liên quan đến ảnh hưởng của điện mặt trời đối với lưới điện phân phối, bên cạnh đó đi sâu vào cụ thể hơn vấn đề tác động của điện mặt trời đến bảo vệ rơ le lưới phân phối và các giải pháp đã được đề xuất để giải quyết

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỐI VỚI BẢO VỆ RƠ LE LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ CÁC GIẢI PHÁP ĐƯỢC ĐỀ XUẤT

3.1 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

3.2 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

3.2.1.1 Tính chọn lọc

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

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

• 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 = tbv + tMC (3.1)

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 𝑡𝑏𝑣 = 0,01÷0,04s [6]

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]

3.2.1.3 Độ nhạy

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 𝑘𝑛ℎ được xác định:

𝑘𝑛ℎ = 𝐼𝑁min

𝐼𝑘𝑑𝑏𝑣 (3.2) 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]

3.3 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

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]:

𝐼𝑘𝑑_𝑠𝑐 =𝑘𝑎𝑡.𝑘𝑚𝑚

𝑘𝑡𝑣 𝐼𝑙𝑣−𝑚𝑎𝑥 (3.3) Trong đó:

kat là hệ số an toàn có tính đến các sai số tính toán và thiết bị (thường có giá trị 1,1÷1,2)

kmm là hệ số mở máy đối với các tải có động cơ (thường có giá trị 1,3 ÷ 3)

ktv 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

Ilv-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]:

𝐼𝑘𝑑_𝑠𝑐 = 𝑘𝑎𝑡 𝐼𝑘𝑐𝑏−𝑚𝑎𝑥 (3.4) Trong đó:

kat là hệ số an toàn có tính đến các sai số tính toán và thiết bị (thường có giá trị 1.21.5)

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

𝐼𝑘𝑐𝑏−𝑚𝑎𝑥 = 𝑘𝑑𝑛 𝑘𝑠𝑠 𝐼𝑛𝑚−𝑚𝑎𝑥 (3.5) Trong đó:

kdn là hệ số đồng nhất các biến dòng điện (thường có giá trị 0,1  1)

kss là hệ số sai số biến dòng (thường là 0,1)

Inm-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

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 dốc chuẩn:

𝑡𝑡đ = 0.14(𝐼 𝐼𝑅

− 1𝑘

(3.6)

- ĐTPT rất dốc:

𝑡𝑡đ = 13.5(𝐼 𝐼𝑅

𝑘đ−𝑡𝑐) − 1

- ĐTPT cực dốc:

𝑡𝑡đ = 80(𝐼 𝐼𝑅

− 1𝑘

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:

- ĐTPT dốc chuẩn:

𝑡𝑡đ = [ 8.9341(𝐼 𝐼𝑅

𝐼𝑘đ−𝑡𝑐) − 1

+ 2.18592] 𝐷 (3.12)

- ĐTPT dốc trung bình:

𝑡𝑡đ = [ 5.6143( 𝐼𝑅

𝐼𝑘đ−𝑡𝑐) − 1

+ 2.18592] 𝐷 (3.13)

- ĐTPT rất dốc:

𝑡𝑡đ = [ 3.922( 𝐼𝑅

− 1

+ 0.0982] 𝐷 (3.15)

Trong đó: D là hệ số nhân thời gian

Thông thường trên thực tế người ta sử dụng đặc tính rất dốc của tiêu chuẩn IEC theo công thức số (3.7) vì đặc tính này chỉnh định đơn giản nhưng có thể đảm bảo được độ dốc cần thiết [7]

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

- 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]

3.4 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 vận hành hở, điều này đẫn đến tại một thời điểm nhất định, lưới điện phân phối chỉ nhận dòng điện từ 1 nguồn cung cấp đi đến Do vậy, việc bố trí và phối hợp các bảo vệ trên lưới phân phối dựa vào chức năng quá dòng 50/51 làm bảo vệ chính, ngoài ra xuất tuyến còn được phân đoạn và bảo vệ bằng các thiết bị như Recloser, FCO, LBFCO, SEC,….Tuy nhiên, khi có các nguồn NLTT bổ sung vào lưới phân phối, trong trường hợp các nguồn NLTT xâm nhập cao, chiều truyền công suất trong lưới điện có thể thay đổi ví dụ tại thời giờ trưa, hệ thống năng lượng mặt trời đạt đỉnh và có thể phát ngược công suất về nguồn Chính điều này, gây ra những ảnh hưởng đến bảo vệ rơ le trong lưới điện phân phối ở trường hợp bình thường cũng như sự cố Theo tài liệu tham khảo [11], đã liệt kê một số ảnh hưởng của nguồn mặt trời như sau:

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 các thiết bị bảo vệ nằm phía sau so với nguồn NLTT, dòng điện ngắn mạch sẽ tăng lên do có sự đóng góp dòng từ nguồn NLTT, dẫn đến việc tăng phạm vi bảo vệ và tác động vượt ngưỡng Ngược lại, dòng ngắn mạch qua các thiết bị bảo vệ ở phía trước của nguồn NLTT giảm đi, dẫn đến phạm vi bảo vệ giảm đi và tác động dưới ngưỡng [8], [9], [10]

Việc thay đổi độ lớn của dòng điện sự cố này có thể được giải thích như sau, xét hệ thống lưới điện đơn giản Với tổng trở của nguồn hệ thống và tổng trở của các phân đoạn đường dây lần lượt là ZH và Z1, Z2 Sự cố ngắn mạch xảy ra ở cuối đường dây (Hình 3-6) Dòng điện ngắn mạch được tính như sau:

I1 = I2 = IN = 𝑬

𝒁𝑯+ 𝒁𝟏+ 𝒁𝟐 (3.16)

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

IN = I2′ = I1′ + IPV => V2 = I2′ Z2

=> I1′ = 𝐸1− 𝑉2 = 𝐸1 - 𝐼2′.𝑍2

(3.17)

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]

3.4.4 Vấn đề tách đảo

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]