Nghiên cứu đề xuất một giải pháp bảo vệ mới mang tính khả thi cho LĐPP dựa trên các số liệu dòng điện, điện áp có bổ sung chức năng đo tổng độ méo sóng hài tại PCC nhằm loại [r]
(1)GIẢI PHÁP BẢO VỆ TÁCH LƯỚI CHO NGUỒN PHÂN TÁN
TRONG LƯỚI ĐIỆN NHỎ THÔNG MINH
SOLUTION OF ISLANDING PROTECTION FOR DISTRIBUTED GENERATION IN SMART MICROGRID
Nguyễn Ngọc Trung, Phạm Mạnh Hải, Ngô Ngọc Thành, Đàm Khánh Linh Trường Đại học Điện lực
Ngày nhận bài: 04/12/2018, Ngày chấp nhận đăng: 20/12/2018, Phản biện: TS Nguyễn Đình Quang
Tóm tắt:
Với phát triển mạnh mẽ lưới điện ngày “thông minh” hơn, nguồn điện phân tán (DG) tương tác với lưới điện việc thực thi khơng chức bảo vệ mà tham gia vào việc tự động hóa lưới điện Cùng với đóng góp tích cực DG vào ổn định, linh hoạt độ tin cậy lưới điện phân phối (LĐPP), chế độ vận hành tách lưới tạo nên lưới điện nhỏ (microgrid) giải pháp cần xem xét Kết mô Matlab/Simulink chứng minh hiệu giải pháp đề xuất
Từ khóa:
Lưới điện phân phối, lưới điện thông minh, lưới điện nhỏ, nguồn điện phân tán, bảo vệ trạng thái tách đảo, điểm kết nối chung (PCC), tin nhắn dạng ngắn SMS
Abstract:
In this epoch, the Research and Development activities in “smart grid” for power supply are strongly increasing, that makes the grid smarter and smarter Distributed Generations (DG) can interact with main grids by implement not only to protect function but also to automatic these grids The novel solution is proposed on the feasibility for the islanding protection which makes use of both protected relay based on local measurements and communication technique using SMS between the DG and the distribution network DGs in this case distribute to the stability and flexibility, and also increase the reliability of the distribution grid The islanding operation is considered a micro-grid In this paper, the results that are simulated on Matlab/Simulink demonstrate the effect of the proposed method
Keywords:
Distributed grid, smart grid, microgrid, distributed generation (DG), islanding protection, point of common coupling (PCC), Short text Message Service (SMS)
1 GIỚI THIỆU CHUNG
Trên quan điểm triển vọng phát triển SmartGrid, nguồn điện phân tán (DG)
(2)động hóa lưới điện Cùng với đóng góp tích cực DG vào ổn định, linh hoạt tăng độ tin cậy lưới điện phân phối (LĐPP) [1-3]
Hình Sơ đồ DG tích hợp vào LĐPP tại điểm kết nối chung (PCC)
Bài báo tập trung nghiên cứu tính khả thi giải pháp việc bảo vệ LĐPP tích hợp DG, cách kết hợp phương pháp đo lường đại lượng truyền thông tin trạng thái PCC sử dụng dịch vụ nhắn tin dạng ngắn SMS Hiệu giải pháp đề xuất thảo luận qua kết mô LĐPP phần mềm Matlab/Simulink
2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
2.1 Trạng thái làm việc tách đảo lưới điện thông minh
Khi nguồn DG kết nối với lưới điện chính, thuật ngữ “tách đảo” (“islanding”) đề cập đến chế độ mà nguồn DG tiếp tục cung cấp điện cho phần phụ tải cho dù khơng cịn nguồn cấp điện từ LĐPP, chế độ hoạt động độc lập không mong muốn tác động tiêu cực, đó, việc phát chế độ tách đảo vấn đề quan trọng lưới điện thông minh Hiện nay, công ty điện lực chưa thể giám
sát điều khiển từ xa tất nguồn DG có cơng suất nhỏ thiếu phương pháp trao đổi thơng tin chuẩn hóa; chủ yếu nguồn pin sử dụng lượng mặt trời (PV) nguồn điện gió (WT) tích hợp rải rác lưới điện, làm việc chế độ tách đảo với mơ hình microgrid
Hình Mơ hình microgrid lưới điện thơng minh sử dụng giải pháp giám sát
và điều khiển trung tâm
2.2 Một số tiêu chuẩn quốc tế để bảo vệ DG trạng thái tách đảo lưới điện thông minh
(3)Bảng Tiêu chuẩn thời gian ngắt kết nối điện áp thay đổi DG lưới điện thông
minh (P≤30kW)
IEEE 1547 IEC 61727
Dải điện áp (%)
Thời gian cắt
(s)
Dải điện áp (%)
Thời gian cắt
(s) V<50 0,16 V<50 0,10 50≤V < 88 2,00 50≤V < 85 2,00 88≤V≤110 định Ổn 85≤V≤110 Ổn định 110<V<120 1,00 110<V<13
5 2,00
V≥120 0,16 V≥135 0,05
THDVpcc≤5%
Chỉ số Vrms định nghĩa giá trị
bình phương trung bình (rms) điện áp khoảng thời gian [3, 7, 8] 𝑉𝑟𝑚𝑠,𝑡 = 𝑁1∑𝑁−1𝑉𝑖−12
𝑖=0 (1)
Tổng độ méo hài điện áp (hoặc
dòng điện) thời điểm giám sát giá trị trung bình chu kì [3, 7, 8], xác định sau:
𝑇𝐻𝐷𝑡 =
√∑∞ℎ=2𝑉ℎ2
𝑉1 100 (2)
𝑇𝐻𝐷𝑎𝑣𝑔,𝑡 =
𝑁∑ 𝑇𝐻𝐷𝑡−𝑖
𝑁−1
𝑖=0
(3)
Trong đó:
Vi điện áp tức thời;
THDt tổng độ méo hài điện áp
(hoặc dòng điện) thời điểm t;
THDavg,t là tổng độ méo hài trung bình
trong chu kì;
N số mẫu chu kỳ thời gian;
h thành phần hài;
t thời gian giám sát
2.3 Các phương pháp bảo vệ DG trong lưới điện nhỏ thông minh
Trên thực tế, microgrid thông minh vận hành thường xuyên hai trạng thái: cung cấp điện độc lập kết nối trực tiếp vào LĐPP Nếu không sớm phát trạng thái tách đảo “chủ định” DG tiếp tục cung cấp điện lên LĐPP nguồn lưới điện cắt gây nguy hiểm đến người làm việc lưới thiết bị điện, chí gây hư hỏng DG Do đó, cần phải phát nhanh trạng thái thông số điện PCC để định cắt DG hay tách đảo làm việc dạng microgrid
3 THUẬT TOÁN VÀ GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT
3.1 Thuật toán bảo vệ DG phát hiện trạng thái tách đảo
microgrid
(4)Hình Sơ đồ thuật tốn giám sát điều khiển trong LĐPP có tích hợp PV
3.2 Giải pháp đề xuất
Nghiên cứu đề xuất giải pháp bảo vệ mang tính khả thi cho LĐPP dựa số liệu dòng điện, điện áp có bổ sung chức đo tổng độ méo sóng hài PCC nhằm loại trừ trường hợp không xác định trạng thái PCC (“vùng giám sát trạng thái PCC”-NDZ) công suất DG cân với nhu cầu phụ tải dẫn đến điện áp khơng thay đổi, ngun lý trình bày hình
Hình Sơ đồ nguyên lý làm việc bảo vệ rơle số LĐPP có tích hợp nguồn PV
Nguyên lý đo lường bảo vệ rơle kết hợp với hai lựa chọn giải pháp truyền thông tin trạng thái PCC sau:
1 Thông tin trạng thái PCC theo phương pháp hữu tuyến (PLC) cáp quang đường dây điện lực sẵn có “khơng mất” chi phí dịch vụ Thích hợp cho nguồn có công suất lớn (P>30 kW) kết nối trực tiếp vào LĐPP [3, 10, 11]
2 Sử dụng khả giao tiếp thông minh dựa công nghệ viễn thông GMS (mạng không dây - wireless) Sử dụng dịch vụ tin nhắn dạng ngắn (SMS) thông báo trạng thái kết nối PCC Thích hợp cho nguồn có cơng suất nhỏ,
nguồn PV (iPPV≤30 kW) Nguyên lý
trình bày hình
Hình Mơ hình truyền thơng tin trạng thái PCC trong LĐPP thông minh
4 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 4.1 Mơ hình microgrid
(5)(inverter) cách tự động kể nối lưới hay tách đảo Dựa thông số lưới điện cho bảng 2, mô microgrid làm việc điện áp 400/230 V tần số 50 Hz Công suất DG nguồn pin quang điện ắc quy chiều dùng để lưu trữ lượng
Bảng Thông số lưới điện mô
Thông số lưới điện Giá trị Đơn vị Nguồn dòng chiều DG
(I1)
8 A
Tổng độ méo hài lớn nhât
của DG %
Điện áp lưới điện 400 V Tổng độ méo hài lớn nhât
của LĐPP %
Điện trở dây dẫn (R) 1e-2 Ω /pha Cảm kháng dây dẫn (L) 300e-6 H/pha
Thông số lưới điện Giá trị Đơn vị Công suất tác dụng phụ
tải (P) 5000 W
Công suất cảm kháng phụ tải (QL)
2000 VAr Công suất dung kháng
phụ tải QC)
500 VAr
Cảm kháng đầu điôt chỉnh lưu (L1)
1e-3 H
Điện dung đầu điôt chỉnh lưu (C1)
1e-9 F
Tổng trở phụ tải phi tuyến 285 Ω
Tần số (f) 50 Hz
Lưới điện mô môi trường Matlab/Simulink hình Các nguồn sóng hài bơm xếp chồng lên nguồn dòng bậc 1; thành phần hài bậc 3, bậc bậc với biên độ nhỏ 4%, theo tiêu chuẩn IEC61727, IEEE929 IEEE1547 [6-8, 14, 15]
(6)Kịch vận hành thiết lập sau: Tại thời điểm t=0,5 s, thiết bị ngắt mạch (CB) mở, lưới điện ngừng cung cấp điện cho phụ tải bảng
Bảng Thiết lập thông số mô cho kịch thử nghiệm
Thiết lập thông số mô LĐ
chính DG Phụ tải
Giá trị lớn THDvlưới % P kW THDiDG % Tải tuyến tính kVA Tải phi tuyến kW
7,3 2*10 2*(8+j3,87) 2*0,8 Trạng thái thiết bị ngắt mạch (CB)
Trạng thái ban đầu
CB PCC CB - tải phi tuyến Open Mở t = 0,5s
Đóng (hoặc đóng lặp lại)
Đóng lặp lại
ở t = 1,5 s Đóng t = 1s
4.2 Kết mô thảo luận
Trên thực tế vận hành LĐPP, điện áp tần số nhanh chóng vượt khỏi giới hạn cho phép trạng thái cung cấp điện song song lưới điện DG[3] Mơ hình LĐPP mơ thực kết thu hình 7, từ đó, có sở để đánh giá phương pháp sử dụng để phát bảo vệ tách đảo lưới điện thơng minh
Khi đó, trạng thái tách đảo xuất hiện, microgrid hình thành, cơng suất PV đủ đáp ứng theo nhu cầu phụ tải biến đổi điều chỉnh tự động để giữ điện áp, tần số giới hạn cho
phép (Δ f≤ 1%, 85% < VPCC < 110%,
THDiload < 5%) [3-5] Tuy nhiên,
THDVpcc tăng vượt ngưỡng cho phép
(THDv = 8,22% > 5%), trường hợp
này, trì làm việc DG không tốt, lâu dài giảm tuổi thọ biến đổi DC/AC nhanh chóng [3-9, 14,
16] Do đó, phương pháp đo THDVpcc xác
định trạng thái PCC hiệu
Tần số f thay đổi không đáng kể (Δf≤1%)
THD điện áp vượt giới hạn cho phép t=0,5 s
THD dòng điện ngưỡng cho phép (5%)
Hình Kết thông số (phase A) tại thời điểm kết nối t=0,5 s
Ngược lại, DG bị ngắt ra, điện áp PCC, mạch sim 3G kích hoạt gửi tin nhắn SMS cho người vận hành LĐPP quản lý DG biết Như vậy, trạng thái PCC giám sát, đảm bảo vận hành ổn định linh hoạt
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8
47 48 49 50 51 52 53 Frequency (Hz) Time (s) F requ enc y (H z )
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8
0 10 15 20 25 30 35 Time (s) T H D v pc c (%)
THD vpcc (%)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8
0 10 15 20 25 30 35 Time (s) T H D iload (%)
(7)cho toàn LĐPP phương pháp kết hợp, mô tả giao diện hình Đến thời điểm t=1.5s, thiết bị tự động đóng trở lại đường dây đóng CB, phương thức làm việc khôi phục, đảm bảo chất lượng điện Thông số lưới điện PCC thu thập kết
hợp với kỹ thuật truyền thông sử dụng SMS để phát trạng thái tách đảo PV hay kết nối từ phía LĐPP thể rõ ràng qua kết mô Vì vậy, hiệu việc giám sát điều khiển PV nâng cao, bảo vệ an toàn cho tồn LĐPP có tích hợp DG
Hình Giao diện phương pháp bảo vệ LĐPP thông minh 5 KẾT LUẬN
Giải pháp đề xuất sử dụng dịch vụ tin nhắn SMS phương pháp hiệu phù hợp cho nguồn PV có cơng suất nhỏ tham gia vào LĐPP, đem lại số lợi bao gồm chi phí lắp đặt thấp, triển khai nhanh tính di động cao
cùng với cải tiến truyền thông không dây, cơng nghệ tiêu chuẩn hóa Hơn nữa, cải thiện chất lượng cung cấp điện phương diện tăng tính linh hoạt, liên tục cung cấp điện, giảm số lượng khách hàng điện, giảm số lần giảm thời gian gián đoạn cấp điện
TÀI LIỆU THAM KHẢO
(8)[2] Smart grids - European Technology Plarform for the Electricity Network of the Future, Strategic Deployment Document, April 2010, http://www.smartgrids.eu
[3] Ngoc-Trung NGUYEN, “Study and development of innovative measurement methods and systems for anti-islanding protection in smart grids”, PhD thesis, University of Palermo, February 2014, pp.6-17
[4] EN 50438:2012, “Requirements for the connection of micro-generators in parallel with public low-voltage distribution networks” (project number 22109)
[5] CEI 0-21, “Regola tecnica di riferimento per la connessione di utenti attivi e passivi alle reti BT delle imprese distributrici di energia elettrica” (Reference technical rules for the connection of active and passive users to the LV electrical Utilities), CEI Standard, december 2011 (In Italian)
[6] “Photovoltaic (PV) systems - Characteristics of the utility interface”, IEC Std 61727, 2004
[7] “IEEE standard for interconnecting distributed resources with electric power systems”, IEEE Std 1547, 2003
[8] “IEEE recommended practice for utility interface of photovoltaic (PV) systems”, IEEE Std 929, 2000
[9] Andrew T Moore, “Distributed Generation (DG) Protection Overview”, Literature Review for ES 586b, University of Western Ontario, May 2008
[10] Salman Safdar, Bechir Hamdaoui, Eduardo Cotilla-Sanchez, Mohsen Guizani, “A Survey on Communication Infrastructure for Micro-grids”, Wireless Communications and Mobile Computing Conference (IWCMC) 2013 9th International, Sardinia - Italy, 1-5 July 2013
[11] Amin Zamani, Amirnaser Yazdani, Tarlochan S Sidhu, “A Communication-Assisted Protection Strategy for Inverter-Based Medium-Voltage Microgrids”, IEEE transactions on smart grid, vol 3, no 4, december 2012
[12] P.P Parikh, M.G Kanabar, and T.S Sidhu, “Opportunities and challenges of wireless communication technologies for smart grid appli- cations,” in Proc IEEE Power Energy Soc Gen Meet., Jul 2010
[13] Lipi Chhaya, Paawan Sharma, Govind Bhagwatikar and Adesh Kumar, “Review - Wireless Sensor Network Based Smart Grid Communications: Cyber Attacks, Intrusion Detection System and Topology Control”, Electronics, 23 December 2016
[14] Rohith Varier, Naran M Pindoriya, “A Novel Active Anti-Islanding Protection Scheme for Grid-Interactive Roof-Top Solar PV System”, Power Systems Conference (NPSC), 2014 Eighteenth National, Guwahati, India, 18-20 Dec 2014
[15] Bower, W and M Ropp, “Evaluation of islanding detection for PV utility-interactive inverters in Photovoltaic Systems,” Sandia National Laboratories Albuquerque, New Mexico 87185 and Livermore, California 94550, 2002
(9)Giới thiệu tác giả:
Tác giả Nguyễn Ngọc Trung tốt nghiệp đại học ngành hệ thống điện, nhận Thạc sĩ ngành kỹ thuật điện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào năm 2003 2006; nhận Tiến sĩ ngành kỹ thuật điện năm 2014 Trường Đại học Palermo, Cộng hòa Italia
Lĩnh vực nghiên cứu: lưới điện thông minh - SmartGrid, giám sát điều khiển, bảo vệ tự động hóa hệ thống điện, ốn định hệ thống điện
Tác giả Phạm Mạnh Hải tốt nghiệp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội ngành hệ thống điện năm 2006; nhận Thạc sĩ ngành kỹ thuật điện Đại học Paul Sabatier, Toulouse, Pháp năm 2008; bảo vệ Luận án Tiến sĩ ngành hóa hữu ứng dụng - Plasma cho lượng Đại học Poitiers (ENSIP), Poitiers, Pháp năm 2011 Hiện tác giả công tác Khoa Kỹ thuật điện, Trường Đại học Điện lực Lĩnh vực nghiên cứu: thuật toán tối ưu, dự báo phụ tải điện, lượng tái tạo, độ tin cậy hệ thống điện
Tác giả Ngô Ngọc Thành tốt nghiệp Trường Đại học Điện lực năm 2011, nhận Thạc sĩ ngành kỹ thuật điện Trường Đại học Palermo - Cộng hòa Italia năm 2014 Hiện tác giả nghiên cứu sinh Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam
Lĩnh vực nghiên cứu: cấu trúc liệu giải thuật, toán tối ưu hệ thống điện, lượng tái tạo
Tác giả Đàm Khánh Linh tốt nghiệp đại học ngành hệ thống điện năm 2008 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; nhận Thạc sĩ ngành quản lý công nghiệp Học viện Cơng nghiệp Grenobe (INPGI), Cộng hịa Pháp năm 2010; nhận Tiến sĩ ngành kỹ thuật điện Trường Đại học Palermo - Cộng hòa Italia năm 2015
(10)