Mô phỏng hệ thống rơle bảo vệ bằng matlab simulink và ứng dụng mô phỏng vào mạng lưới micro grid

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Mô hệ thống rơle bảo vệ Matlab Simulink ứng dụng mô vào mạng lưới Micro Grid BÙI HUY ANH buihuyanh2018@gmail.com Ngành Kỹ thuật điện Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Đức Huy Bộ môn: Hệ thống điện Viện: Điện HÀ NỘI, 6/2020 Chữ ký GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Bùi Huy Anh Đề tài luận văn: Mô hệ thống rơle bảo vệ Matlab Simulink ứng dụng mô vào mạng lưới Micro Grid Chuyên ngành: Hệ thống điện Mã số SV: CB180113 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 3/7/2020 với nội dung sau: - Sửa lỗi tả luận văn - Bổ sung thích luận văn - Bổ sung phần trích dẫn theo tài liệu tham khảo Giáo viên hướng dẫn Ngày tháng năm Tác giả luận văn PGS TS Nguyễn Đức Huy Bùi Huy Anh CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG GS Lã Văn Út Mẫu 1c LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập, nghiên cứu hoàn thiện luận văn thạc sĩ, em nhận khuyến khích, động viên tạo điều kiện giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo, bạn bè đồng nghiệp gia đình Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy cô Bộ môn Hệ thống điện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đặc biệt thầy PGS.TS Nguyễn Đức Huy - người trực tiếp hướng dẫn đóng góp ý kiến cho em suốt q trình học tập hồn thành luận văn thạc sĩ Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình ln hỗ trợ, động viên em suốt năm tháng học tập, nghiên cứu để đạt kết Trong trình nghiên cứu hoàn thiện luận văn thạc sĩ khoa học chuyên ngành Hệ thống điện tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận ý kiến đóng góp xây dựng từ thầy giáo để luận văn hồn thiện có ý nghĩa thiết thực áp dụng thực tế Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 25 tháng 06 năm 2020 Tác giả Bùi Huy Anh TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Vấn đề cần thực Nôi dung luận văn tập trung nghiên cứu phối hợp làm việc bảo vệ dòng, bảo vệ so lệch dọc độ xác tin cậy rơle bảo vệ với cố từ đường dây, nhà máy lượng tái tạo điện gió Micro Grid Mơ lại đường dây cố đường dây truyền tải phần mềm Matlab Simulink Phương pháp nghiên cứu, công cụ nghiên cứu Việc nghiên cứu dựa tài liệu lí thuyết nước nước, tiêu biểu sách “Design, modeling and evaluation of protective relays for power systems” nhóm tác giả M Kezunovic… Sử dụng phần mềm mơ Matlab Simulink để xây dựng mơ hình thuật tốn rơle bảo vệ Từ thiết lập mơ lại đường dây, hệ thống Micro Grid cố ngắn mạch hệ thống So sánh đối chiếu kết đưa nhận xét Kết luận văn Luận văn đưa số kết kết đánh giá tính chọn lọc thời gian tác động Rơle bảo vệ dòng Rơle bảo vệ so lệch dọc ứng dụng mạng lưới Micro Grid Tuy nhiên, kết mơ cịn số thiếu sót định chưa thể lập trình mơ hồn chỉnh lưới điện Micro Grid với đầy đủ chức bảo vệ đề Đây yếu tố cần tìm hiểu nghiên cứu thêm Định hướng phát triển Phát triển mô chức bảo vệ khác để ứng dụng mạng lưới Micro Grid So sánh đặc tính làm việc, độ tin cậy, độ nhạy, tính chọn lọc bảo vệ MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHƯƠNG 2: BẢO VỆ QUÁ DÒNG ĐIỆN 2.1 Nguyên tắc tác động 2.2 Bảo vệ dòng điện cực đại 2.2.1 Tính tốn dòng khởi động 2.2.2 Độ nhạy bảo vệ 2.2.3 Thời gian tác động bảo vệ 2.3 Bảo vệ dòng điện cắt nhanh 2.3.1 Bảo vệ cắt nhanh đường dây có nguồn cung cấp 10 2.3.2 Bảo vệ cắt nhanh đường dây có hai nguồn cung cấp 12 2.4 Bảo vệ dòng điện cực đại có kiểm tra áp 13 2.5 Bảo vệ dòng điện ba cấp 15 2.6 Đánh giá bảo vệ dòng điện 17 CHƯƠNG 3: BẢO VỆ SO LỆCH 18 3.1 Nguyên tắc tác động 18 3.1.1 Sơ đồ vịng tuần hồn 19 3.1.2 Sơ đồ loại cân áp 20 3.2 Dịng khơng cân bảo vệ so lệch 21 3.3 Dòng điện khởi động bảo vệ so lệch dòng điện 22 3.4 Những biện pháp thường dùng để nâng cao độ nhạy tính đảm bảo bảo vệ 23 3.4.1 Nối rơle qua máy biến dòng trung gian bão hòa 24 3.4.2 Rơle so lệch có hãm 24 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG RƠLE BẢO VỆ TRÊN MATLAB SIMULINK 33 4.1 Mơ tính tốn bảo vệ dòng Matlab Simulink 33 4.1.2 Thiết lập thông số đầu vào xây dựng sơ đồ mô 34 4.1.3 Lưu đồ giải thuật bảo vệ dòng 36 4.1.4 Kết mô 37 4.2 Mô rơle bảo vệ so lệch dọc áp dụng mạng lưới Micro Grid 49 4.2.1 Mơ hình mơ hệ thống Micro Grid 49 4.2.3 Lưu đồ giải thuật bảo vệ so lệch 56 4.2.4 Kết mô 57 4.3 Đánh giá ảnh hưởng thay đổi tần số lên bảo vệ so lệch 64 4.3.1 Thiết lập thông số đầu vào cho nguồn 220kV 64 4.3.2 Kết mô 65 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 69 5.1 Các kết luận 69 5.2 Hướng phát triển luận văn 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 72 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Đồ thị đặc trưng trạng thái bảo vệ cố Hình 2.2 BVDĐCĐ cho đường dây hình tia nguồn cung cấp Hình 2.3 Đặc tuyến làm việc dịng điện thời gian rơle dịng điện Hình 2.4 Các dạng đặc tính thời gian phụ thuộc Hình 2.5 Sơ đồ minh họa BVCN đường dây có nguồn cung cấp 10 Hình 2.6 Vùng tác động bảo vệ cắt nhanh 11 Hình 2.7 Trường hợp đường dây thành khối với máy biến áp 12 Hình 2.8 Sơ đồ minh họa BVCN đường dây có hai nguồn cung cấp 12 Hình 2.9 Bảo vệ dịng điện cực đại có kiểm tra áp 14 Hình 2.10 Mạng hình tia nguồn cung cấp sử dụng bảo vệ dịng điện cấp 26 Hình 2.11 Đặc tính thời gian chọn lọc vủa bảo vệ dịng điện ba cấp 16 Hình 3.1 Ngun tắc bảo vệ so lệch 18 Hình 3.2 Sơ đồ minh họa so lệch dịng tuần hồn 19 Hình 3.3 Đồ thị vectơ dịng điện mạch BVSL 20 Hình 3.4 Sơ đồ lệch loại cân áp 20 Hình 3.5 Sơ đồ nối rơ le qua MBI bão hòa trung gian (a), MBI bão hòa loại thường (b) MBI loại tác động mạnh (c) 24 Hình 3.6 Sơ đồ ngun lí bảo vệ so lệch dùng rơle có tác động hãm …… .25 Hình 3.7 Đồ thị véc tơ dòng điện mạch rơle 26 Hình 3.8 Đặc tính làm việc bảo vệ so lệch 27 Hình 3.9 a) Đặc tính khởi động rơ le so lệch có hãm đặc tuyến khơng hãm đặc tuyến 29 Hình 3.9 b) Đặc tính khởi động rơ le so lệch có tác động hãm 29 Hình 3.10 Đồ thị xác định độ nhạy bảo vệ so lệch có tác dụng hãm 30 Hình 3.11 Ngun lí BVSL thứ tự không 30 Hình 3.12 Đặc tuyến làm việc BVSL thứ tự khơng có hãm trường hợp chạm đất bên 32 Hình 4.1 Sơ đồ mơ bảo vệ dòng hệ thống điện 33 Hình 4.2 Thơng số Block nguồn pha 34 Hình 4.3 Thơng số đường dây tính 100 km 34 Hình 4.4 Thơng số Block phụ tải 35 Hình 4.5 Thơng số Block phụ tải 35 Hình 4.6 Lưu đồ giải thuật rơle dòng xét pha 36 Hình 4.7 Dịng pha qua BV1 hệ thống làm việc bình thường 38 Hình 4.8 Dịng pha qua BV2 hệ thống làm việc bình thường 38 Hình 4.9 Tín hiệu Trip bảo vệ 39 Hình 4.10 Tín hiệu Trip bảo vệ 39 Hình 4.11 Dịng pha qua BV1 cố ngắn mạch pha A chạm đất đường dây AB 40 Hình 4.12 Dòng pha qua BV2 cố ngắn mạch pha A chạm đất đường dây AB 40 Hình 4.13 Tín hiệu Trip BV1 xảy NM pha A chạm đất đường dây AB 41 Hình 4.14 Tín hiệu Trip BV2 xảy NM pha A chạm đất đường dây AB 41 Hình 4.15 Tín hiệu khởi động BV1 xảy NM pha A chạm đất đường dây AB 42 Hình 4.16 Dịng pha qua BV1 cố ngắn mạch hai pha A B chạm đất đường dây BC 43 Hình 4.17 Dịng pha qua BV2 cố ngắn mạch hai pha A B chạm đất đường dây BC 43 Hình 4.18 Tín hiệu Trip BV1 cố NM hai pha A B chạm đất đường dây BC 44 Hình 4.19 Tín hiệu Trip BV2 cố NM hai pha A B chạm đất đường dây BC 44 Hình 4.20 Dịng pha qua BV1 cố NM ba pha đường dây AB 45 Hình 4.21 Dòng pha qua BV2 cố NM ba pha đường dây AB 45 Hình 4.22 Tín hiệu Trip BV1 cố NM ba pha đường dây AB 46 Hình 4.23 Tín hiệu Trip BV2 cố NM ba pha đường dây AB 46 Hình 4.24 Dịng pha qua BV1 cố NM hai pha A B đường dây BC 47 Hình 4.25 Dòng pha qua BV2 cố NM hai pha A B đường dây BC 47 Hình 4.26 Tín hiệu Trip BV1 cố NM hai pha A B đường dây AB 48 Hình 4.27 Tín hiệu Trip BV2 cố NM hai pha A B đường dây AB 48 Hình 4.28 Mơ hình mơ ứng dụng BVSL dọc hệ thống Micro Grid 49 Hình 4.29 Thơng số cho khối máy phát không đồng 49 Hình 4.30 Mơ hình mơ chi tiết máy phát điện gió 50 Hình 4.31 Mơ hình điều khiển cơng suất tốc độ tua-bin 52 Hình 4.32 Mơ hình điều khiển biến đổi phía rotor 53 Hình 4.33 Mơ hình điều khiển biến đổi phía lưới 54 Hình 4.34 Lưu đồ giải thuật rơle bảo vệ so lệch pha 56 Hình 4.35 Dịng điện qua bảo vệ 57 Hình 4.36 Tín hiệu trip bảo vệ 57 Hình 4.37 Dịng điện qua bảo vệ, cố A-g 58 Hình 4.38 Tín hiệu logic cắt bảo vệ, cố A-g 58 Hình 4.39 Dịng điện qua bảo vệ, cố A-B-g 59 Hình 4.40 Tín hiệu logic cắt bảo vệ, cố A-B-g 60 Hình 4.41 Dòng điện qua bảo vệ, cố ba pha 60 Hình 4.42 Tín hiệu logic cắt bảo vệ, cố ba pha 61 Hình 4.43 Dịng điện qua bảo vệ, cố B-C 61 Hình 4.44 Tín hiệu logic cắt bảo vệ so lệch 62 Hình 4.45 Dịng điện qua bảo vệ, cố A-g vùng 62 Hình 4.46 Tín hiệu logic cắt bảo vệ 63 Hình 4.47 Thiết lập nguồn điện với tần số thay đổi 64 Hình 4.48 Dịng điện qua bảo vệ 65 Hình 4.49 Tín hiệu logic bảo vệ, cố vùng 65 Hình 4.50 Dịng điện so lệch dịng điện hãm, cố ngồi 66 Hình 4.51 Dòng điện qua bảo vệ, cố A-g vùng 66 Hình 4.52 Tín hiệu logic bảo vệ, cố A-g vùng 67 Hình 4.53 Dịng điện so lệch dòng điện hãm pha A, cố A-g vùng 67 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Quan hệ góc đặt giới hạn φlimit hệ số hãm k 32 Bảng 4.1 Tín hiệu Trip logic pha Trip tổng 37 Bảng 4.2 Thông số điều khiển công suất tốc độ tua-bin 53 Bảng 4.3 Thông số điều khiển biến đổi RSC 54 Bảng 4.4 Thông số điều khiển biến đổi GSC 55 4.3.2 Kết mô Thời gian mô phỏng: tsimulink = 1.5( s ) a) Mô hệ thống chế độ làm việc bình thường: Kết mơ phỏng: Hình 4.48 Dịng điện qua bảo vệ Hình 4.49 Tín hiệu logic bảo vệ, cố vùng 65 Hình 4.50 Dịng điện so lệch dịng điện hãm, cố Nhận xét: Sự biến thiên tần số có ảnh hưởng đến trị số tính tốn dòng điện so lệch dòng điện hãm Tuy nhiên thay đổi chưa làm ảnh hưởng đến bảo vệ so lệch Bảo vệ đảm bảo ổn định, khơng tác động nhầm với cố ngồi vùng b) Mô cố ngắn mạch pha A chạm đất, vùng: Thời điểm xảy cố ngắn mạch: t fault = 1( s ) Thời gian máy cắt: tMC = 0.06( s ) Kết mô sau: Hình 4.51 Dịng điện qua bảo vệ, cố A-g vùng 66 Hình 4.52 Tín hiệu logic bảo vệ, cố A-g vùng Hình 4.53 Dòng điện so lệch dòng điện hãm pha A, cố A-g vùng Nhận xét: • Do tần số biến động mạnh, giá trị dòng so lệch dịng hãm có biến động Đặc biệt, tần số phép biến đổi Fourier không khớp với tần số thật, giá trị dịng điện tính tốn có xuất dao động • Tuy nhiên kết mô cho thấy bảo vệ so lệch làm việc xác trường hợp cố có phần cực đoan Phần tử so lệch 67 pha A phát xác cố vùng, với thời gian gửi tín hiệu cắt chậm khoảng 3ms so với trường hợp lý tưởng 68 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 5.1 Các kết luận Luận văn xây dựng thành cơng mơ hình giải thuật rơle bảo vệ kỹ thuật số hệ thống điện Các mơ hình rơle kỹ thuật số xây dựng dựa thư viện MATLAB/Simulink, thử nghiệm thông qua mô cố hệ thống điện Về bản, rơle mô luận văn cho kết đáp ứng phù hợp với lý thuyết Trong tất trường hợp nghiên cứu, rơle cho đáp ứng tin cậy Trong trường hợp thử nghiệm với lưới điện có nguồn lượng tái tạo, sử dụng biến đổi điện tử công suất, chức bảo vệ mô cho thấy đảm bảo khả làm việc tin cậy Trong số kịch cực đoan tần số hệ thống biến đổi mạnh, khả chọn lọc độ nhạy chức bảo vệ so lệch đảm bảo Các mơ hình giải thuật bảo vệ xây dựng luận văn dựa nguyên lý rơle bảo vệ kỹ thuật số Trên thực tế, nhà sản xuất có số cải tiến riêng, nhằm tăng khả phát cố, đồng thời đảm bảo độ tin cậy tác động Vì kết luận, nhìn chung chức bảo vệ có khả làm việc tốt với hệ thống điện có sử dụng biến đổi inverter 5.2 Hướng phát triển luận văn Một số giải thuật rơle bảo vệ trở nên tương đối nhạy cảm với dòng điện ngắn mạch từ inverter lưới điện nhỏ có nguồn tái tạo, chức bảo vệ dựa thành phần đối xứng Trong khuôn khổ luận văn chưa mô cách đầy đủ chi tiết chức bảo vệ Đây hướng phát triển nghiên cứu tương lai, xem xét làm việc số logic rơle bảo vệ như: logic chọn pha cố, tính tốn tổng trở cố, v.v ảnh hưởng dòng điện ngắn mạch từ biến đổi điện tử công suất 69 Phương pháp luận luận văn phát triển để nghiên cứu ảnh hưởng loại nguồn dựa điện tử công suất nguyên lý điều khiển khác Mặt khác, phương pháp nghiên cứu phát triển luận văn tiền đề để đánh giá sơ khả đáp ứng giải thuật bảo vệ số Ở nghiên cứu tiếp theo, dạng sóng dịng điện điện áp mơ sử dụng để đưa vào hợp thử nghiệm rơle số, cho phép đánh giá đáp ứng thực tế rơle kỹ thuật số thật với cố đa dạng xảy 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mladen Kezunovic, Jinfeng Ren, Saeed Lotfifard, "Design, Modeling and Evaluation of Protective Relays for Power Systems", SPRINGER, 2016 [2] N H Việt, "Bảo vệ Rơ le & Tự động hóa hệ thống điện", Nhà xuất Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2014 [3] T Đ Long, "Bảo vệ hệ thống điện", Hà Nội: Nhà xuất Khoa học Kĩ thuật, 2007 [4] V H Đặng and Q H Nguyễn, “Mơ nhà máy điện gió cơng nghệ máy điện không đồng nguồn kép (DFIG) đánh giá ảnh hưởng nhà máy hệ thống rơle bảo vệ”, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, 2015 71 PHỤ LỤC Phụ lục A Phụ lục A1 Sơ đồ mô hệ thống điện sử dụng Rơle BVQD 72 Phụ lục A2 Sơ đồ mô Rơle BVQD số 73 Phụ lục A3 Sơ đồ mô Rơle BVQD số 74 Phụ lục A4 Sơ đồ mô giải thuật logic Rơle BVQD pha 75 Phụ lục A5 Sơ đồ mô ứng dụng BVSL vào mạng lưới Micro Grid 76 Phụ lục A6 Sơ đồ mô Rơle bảo vệ so lệch 77 Phụ lục A7 Sơ đồ mô giải thuật logic Rơle BVSL pha 78 Phụ lục B %Thiet lap thong so dau vao cho cac Relay BVQD Ikd1=300; I0kd1 = 90; Ikd2 = 200; I0kd2 = 60; TMS1 = 0.04; TMS2 = 0.01; t1 = 100; t2 = 1; Phụ lục B1 M-File thông số rơle BVQD %Thiet lap thong so su co cho mo phong BVSL F1=1; F2=1000; lfault=20; Phụ lục B2 M-File thông số cố mô rơle BVSL 79 ... phỏng, tác giả đánh giá đưa kết luận phối hợp hoạt động bảo vệ so lệch dọc nối lưới MicroGrid 1.2 Mục đích, ý nghĩa thực tiễn Đề tài ? ?Mô hệ thống rơle bảo vệ Matlab Simulink ứng dụng mô vào mạng. .. tên tác giả luận văn: Bùi Huy Anh Đề tài luận văn: Mô hệ thống rơle bảo vệ Matlab Simulink ứng dụng mô vào mạng lưới Micro Grid Chuyên ngành: Hệ thống điện Mã số SV: CB180113 Tác giả, Người hướng... mạng lưới Micro Grid? ?? thực nhằm tìm hiểu giải thuật số, sơ đồ logic rơle bảo vệ dòng, rơle bảo vệ so lệch dọc thực mô làm việc rơle bảo vệ dòng, rơle bảo vệ so lệch dọc dựa phần mềm MATLAB/ Simulink