Phương pháp tính toán ngắn mạch đơn giản và tự động phục vụ chỉnh định trị số bảo vệ của Relay quá dòng trong lưới điện Microgrid khi hòa lưới

Nghiên cứu này đề xuất một phương pháp phân tích ngắn mạch nhanh, đơn giản và tự động dành cho lưới điện hạ thế xoay chiều (AC Microgrids) dựa trên sự hỗ trợ của mạng truyền dẫn thông tin cáp quang và khả năng giao tiếp giữa các thiết bị IEDs (Intelligent Electronic Devices). Lưới điện xoay chiều hạ áp được dùng trong nghiên cứu có quy mô nhỏ, với cấp điện áp 380/220V, vận hành trong chế độ hòa lưới, và được trang bị hệ thống SCADA. Mời các bạn cùng tham khảo!

PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN NGẮN MẠCH ĐƠN GIẢN VÀ TỰ ĐỘNG PHỤC VỤ CHỈNH ĐỊNH TRỊ SỐ BẢO VỆ CỦA RELAY QUÁ DÕNG TRONG LƢỚI ĐIỆN MICROGRID KHI HÕA LƢỚI Bùi Minh Dƣơng2,**, Lê Duy Phúc1,2, *, Vũ Hữu Minh Hoàng1, Đoàn Ngọc Minh1, Trần Duy Lƣơng1 Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Tp.HCM, Tổng công ty Điện lực Tp.HCM; Viện Kỹ thuật, Trƣờng Đại học Công nghệ Tp Hồ Chí Minh Email: *phucld@hcmpc.com.vn, **duong.1041030@yahoo.com TĨM TẮT Dòng điện cố lƣới điện hạ áp (Microgrid - MG) bao gồm dòng điện từ nguồn lƣới dòng điện từ nguồn phát điện phân tán (DGs - Distributed Generators) Có thể thấy rằng, dịng điện cố MG thay đổi phụ thuộc vào vị trí cố, dạng cố, mật độ phân bố DGs ứng dụng công nghệ điện tử công suất IBDG (Inverter-Based Distributed Generators) DG có phần tử quay RBDG (RotatingBased Distributed Generators) Việc sử dụng phƣơng pháp phân tích ngắn mạch truyền thống khơng cịn phù hợp lƣới điện MG có xuất loại nguồn phát điện phân tán nêu Chính thế, nghiên cứu đề xuất phƣơng pháp phân tích ngắn mạch nhanh, đơn giản tự động dành cho lƣới điện hạ xoay chiều (AC Microgrids) dựa hỗ trợ mạng truyền dẫn thông tin cáp quang khả giao tiếp thiết bị IEDs (Intelligent Electronic Devices) Lƣới điện xoay chiều hạ áp đƣợc dùng nghiên cứu có quy mơ nhỏ, với cấp điện áp 380/220V, vận hành chế độ hòa lƣới, đƣợc trang bị hệ thống SCADA Nhờ vào phƣơng pháp phân tích ngắn mạch đƣợc đề xuất, ngƣỡng cắt ngắn mạch relay dòng tự điều chỉnh để phù hợp với trạng vận hành MG Từ khóa: Lƣới điện MG xoay chiều, phân tích ngắn mạch, bảo vệ MG, vận hành MG, relay bảo vệ ĐẶT VẤN ĐỀ Các relay bảo vệ dành cho MG cần phải thiết kế để vận hành hai chế độ vận hành hòa lƣới vận hành độc lập Trong chế độ vận hành độc lập MG, tổng giá trị dịng cố đƣợc giới hạn inverter tích hợp DG khơng đủ cao để kích hoạt relay bảo vệ truyền thống hoạt động, nhƣ trình bày tài liệu [1-7] Trong chế độ hòa lƣới, dòng cố bên MG thay đổi đáng kể tham gia nguồn lƣới DG Có thể thấy rằng, giá trị dịng cố phụ thuộc vào vị trí cố, dạng cố, mật độ phân bố IBDG RBDG Những trƣờng hợp nêu gây ảnh hƣởng nghiêm trọng đến độ tin cậy relay bảo vệ hữu nhƣ trình bày tài liệu [8] Tóm lại, thay đổi dòng ngắn mạch dẫn đến việc relay bảo vệ hoạt động sai mục đích cài đặt trƣớc địi hỏi phƣơng pháp phân tích ngắn mạch thích hợp, có khả xem xét tham gia nguồn phát phân tán RBDG IBDG 1349 PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGẮN MẠCH ĐƠN GIẢN VÀ TỰ ĐỘNG CHO MICROGRID VẬN HÀNH HÕA LƢỚI Mô hình MG đa dạng trạng thái vận hành DG, tải, lƣu điện BESS lại thay đổi tùy thuộc vào mục đích vận hành Việc vận hành DG bị gián đoạn lúc yếu tố thời tiết Nhằm nâng cao độ tin cậy tính ổn định việc vận hành MG, hệ thống điều khiển trung tâm đƣợc cài đặt để giám sát tình trạng vận hành DG, có khả tự động điều phối trị số bảo vệ tƣơng ứng với thay đổi lƣới điện MG Trong lƣới điện MG, tổng dòng điện cố ghi nhận đƣợc relay r chế độ vận hành hịa lƣới đƣợc tính tốn nhƣ sau: I nm-relay-r =I n +  (kri * I nm-DGi * trang_thai_van_hanh_DG_thu_i) nm-luoi i=1 (1) Trong đó, Inm-relay-r tổng dịng điện cố mà relay r ghi nhận đƣợc; Inm-luoi dịng điện cố góp từ nguồn lƣới , n tổng số lƣợng IBDG RBDG MG; kri hệ số phản ánh dòng ngắn mạch DG thứ i vào relay r; Inm-DGi giá trị dịng cố góp DG thứ i; trang_thai_van_hanh_ DG_thu_i thể tình trạng kết nối/khơng kết nối DG thứ i vào MG Giả định cố xảy bên lƣới MG, dịng ngắn mạch tính tốn Inm-luoi đƣợc dựa vào định lý Thevenin: Vnut-sc =Vnut-truoc-sc +Znut * Inut-sc (2) Trong đó, Vnut-sc giá trị điện áp pha nút trình xảy cố; Vnut-truoc-sc giá trị điện áp nút trƣớc cố; Inut-sc dãy giá trị dòng cố chạy từ pha nút cố trình xảy cố; Znut ma trận tổng trở Thevenin Khi có sẵn giá trị Znut Vnut-truoc-sc, dịng ngắn mạch Inm-luoi đƣợc tính tốn theo cơng thức số (3): I nm-luoi V -V = nut-truoc-sc nut-sc Znut +Znm (3) với Znm tổng trở ngắn mạch nút cố Đối với dạng ngắn mạch bất đối xứng, ma trận tổng trở Thevenin thứ tự thuận, thứ tự nghịch, thứ tự không Znut012 cần đƣợc tính tốn (1 đại diện cho thành phần thứ tự thuận, đại điện cho thành phần thứ tự nghịch, đại diện cho thành phần thứ tự không), công thức số (2) đƣợc viết lại nhƣ sau: 012 =V 012 012 012 Vnut-sc nut-truoc-sc - Znut * Inut-sc (4) Khi tính tốn dịng ngắn mạch nhiều vị trí khác MG xoay chiều, cơng thức (3) đƣợc viết lại nhƣ sau: I nm-luoi V = th Z th (5) Trong đó, Vth điện áp Thevenin tƣơng đƣơng nguồn lƣới Zth tổng trở Thevenin tính từ nguồn lƣới đến điểm cố Dòng ngắn mạch thứ tự thuận I1nmIBDG IBDG đƣợc giới hạn 2.0 pu Dòng ngắn mạch thứ tự nghịch I2nmIBDG đƣợc xác định thấp 5% so với dòng ngắn mạch thứ tự thuận I1nmIBDG Giá trị dịng ngắn mạch thứ tự khơng I0nmIBDG phụ thuộc vào kiểu nối đất IBDG Y012IBDG ma trận tổng dẫn IBDG 1350 Để đơn giản việc trình bày, kri đƣợc xác định theo dạng ngắn mạch ba pha, quan tâm đến thành phần thứ tự thuận Kri = I nm-DGi-relay-r I nm-DGi (6) Giá trị điện áp DG đƣợc giả định giống Cách xác định hệ số dòng ngắn mạch kri:  Z ht  I  Z nm-DGi-relay-r  DGi + Zht K = = ri I nm-DGi I nm-DGi    * I nm-relay-r (7) Nhìn chung, ma trận hệ số dịng ngắn mạch đƣợc tính tốn để mô tả sức ảnh hƣởng nhiều DG đến relay đƣợc trình bày cơng thức (8) Ma trận đƣợc chứa ―n‖ DG ―m‖ relay: K  11  K =  Kr1  K  m1 K 1i Kri Kmi K  1n  Krn   Kmn   (8) Giá trị dịng ngắn mạch n DG đƣợc biểu diễn dƣới dạng vector Inm-DG với kích thƣớc [1,n] (một cột n hàng) nhƣ biểu thức (9): I   nm-DG1    I nm-DG =  I nm-DGi    I   nm-DGn  (9) Từ công thức (8) (9), dòng ngắn mạch ―n‖ DG phát mà ―m‖ relay ghi nhận đƣợc biểu diễn theo công thức (10): I  n  nm  DGi-relay-1    K i=1    11 I   n  nm  DGi-relay-r  =  Kr1    i=1    I   Km1  nm n DGi-relay-m     i=1   K 1i Kri Kmi K  I  1n   nm-DG1     Krn  *  I nm-DGi      Kmn   I   nm-DGn  (10) Trong đó, tổng dịng ngắn mạch ghi nhận relay thứ r đƣợc tính tốn cơng thức (11), lƣu ý cơng thức (10) khơng xem xét có mặt nguồn lƣới I nmn DGi-relay-r i=1 =I nm-DG1-relay-r Do đó, cơng thức (1) đƣợc viết lại thành: 1351 + +I nm-DGn-relay-r (11) I   nm-DG1  m n    I nm-DGi  = I nm-luoi +   (kri *I nm-DGi * trang_thai_van_hanh_DG_thu_i) r=1i=1   I   nm-DGn  I  K  nm-luoi-relay-1   11    =  I nm-luoi-relay-i  +  Kr1        I nm-luoi-relay-n   Km1   K 1i Kri Kmi (12) K  I * trang_thai_DG1  1n nm-DG1     Krn  *  I * trang_thai_DGi  nm-DGi    Kmn   I nm-DGn * trang_thai_DGn     KẾT QUẢ TÍNH TỐN Hình sơ đồ nguyên lý sợi lƣới điện MG 380V xoay chiều, relay i giám sát dòng ngắn mạch theo hƣớng thuận (hƣớng từ nguồn lƣới vào điểm ngắn mạch) relay j quan sát dòng ngắn mạch theo hƣớng nghịch (hƣớng từ DG j phát vào điểm ngắn mạch) Hệ số điều phối dòng ngắn mạch theo hƣớng thuận kji DG thứ i ảnh hƣởng đến relay j Tƣơng tự, hệ số điều phối dòng ngắn mạch theo hƣớng nghịch kij DG thứ j ảnh hƣởng đến relay thứ i Nguồn lưới DGi DGj Znm_DGi Inm_hướng _nghịch_relayj Vị trí cố Zij/2 ZDGi Zij/2 Inm_DGi_relayi Relay i ZDGi Nút i Inm_lưới_relayi Inm_hướng_thuận_relayi MBA 11,4kV/ 380V Inm_DGj_relayj 11,4kV Nút j Relay j Znm_DGj Hình Dịng ngắn mạch hƣớng thuận nghịch trục lƣới điện MG Kết tính tốn dịng ngắn mạch vị trí đặt relay Hình đƣợc thể dƣới bảng sau: Hƣớng dòng ngắn mạch Ứng dụng phƣơng pháp Loại DG lƣới điện MG IBDG thứ i Dòng ngắn mạch xuất phát từ nguồn lƣới đến điểm ngắn mạch 1352 IBDG thứ j IBDG thứ i IBDG thứ j tính tốn ngắn mạch đề xuất Nhìn Relay i Nhìn Relay j 3706A 0A 3376A 0A Hƣớng dòng ngắn mạch Ứng dụng phƣơng pháp Loại DG lƣới điện MG tính tốn ngắn mạch đề xuất Nhìn Relay i Nhìn Relay j 3706A 0A 3376A 0A IBDG thứ i IBDG thứ j IBDG thứ i IBDG thứ j IBDG thứ i Dòng ngắn mạch xuất phát từ DG thứ i Min:180A Max: 300A (kii = 1) 0A (kji = 0) RBDG thứ i 535A (kii = 0.356) IBDG thứ j 0A (kij = 0) Max: 460A 0A 1460A (kij = 0) (kij = 0.762) Dòng ngắn mạch xuất phát từ DG thứ j RBDG thứ j 0A (kji = 0) Min: 276A (kjj = 1) Nhƣ thể Hình 1, dòng ngắn mạch tham gia vào cố DG thứ i, thứ j nguồn lƣới 11,4kV đƣợc nhìn thấy relay i j đƣợc tính tốn theo phƣơng pháp tính tốn tự động đơn giản Phƣơng pháp tính tốn tự động đơn giản cho thấy hiệu việc xác định hệ số điều phối IBDG RBDG, mà hệ số vốn ảnh hƣởng đến relay bảo vệ MG nhƣ sau: Khi IBDG thứ i thứ j đƣợc sử dụng lƣới điện 380V AC, tổng dòng ngắn mạch mà relay thứ i thứ j quan sát đƣợc là: Isc_relay_thứ_i = 3706 * + * 300 = 4006A; Isc_relay_thứ_j = 460A Khi RBDG thứ i thứ j đƣợc sử dụng MG, dòng ngắn mạch mà relay thứ i thứ j quan sát đƣợc là: Isc_relay_thứ_i = 3376 * + 535 = 3911A; Isc_relay_thứ_j = 1460A Khi IBDG thứ i RBDG thứ j đƣợc sử dụng hệ thống, dòng ngắn mạch đƣợc quan sát relay thứ i thứ j là: Isc_relay_thứ_i = 3706 * 1*300 = 4006A; Isc_relay_thứ_j = 1460A Khi RBDG thứ i IBDG thứ j đƣợc sử dụng hệ thống, dòng ngắn mạch đƣợc quan sát relay thứ i thứ j là: Isc_relay_thứ_i = 3376 * + 535 = 3911A; 1353 Isc_relay_thứ_j = 460A KẾT LUẬN Nghiên cứu trình bày phƣơng pháp tính toán ngắn mạch đơn giản tự động cho hệ thống bảo vệ dòng lƣới điện MG nối lƣới quy mơ nhỏ, có xem xét tích hợp RBDG IBDG Ƣu điểm phƣơng pháp tóm tắt nhƣ sau: Tính tốn tự động đơn giản dòng ngắn mạch từ RBDG, IBDG từ nguồn lƣới nhờ vào hỗ trợ hệ thống truyền liệu (đặc biệt hệ thống điều khiển trung tâm MG); Ngƣỡng/trị số dòng tác động relay dòng MG hạ nối lƣới quy mơ nhỏ tự động hiệu chỉnh hiệu thơng qua hệ số phân phối dịng ngắn mạch tất DG nguồn lƣới ảnh hƣởng đến nó; Có thể ứng dụng hiệu cho MG có cấu trúc khác dễ dàng thích ứng với thay đổi MG việc sử dụng hệ thống điều khiển trung tâm MG để giao tiếp với tất nguồn phát điện phân tán (DGs) relay bảo vệ Việc ứng dụng phƣơng pháp tính tốn ngắn mạch đơn giản tự động cho lƣới MG nối đất lặp lại đƣợc nghiên cứu đó, mơ–đun OC/DOC bảo vệ chính; mơ–đun 46, 47, 3I0 3V0 đƣợc sử dụng làm phƣơng án bảo vệ dự phòng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tan Zhihai, Ge Liang, Sun Qiupeng, Zhao Fengqing, Li Zhihong, ―Simplified Model of Distribution Network based on Minimum Area and its Application‖, China International Conference on Electricity Distribution (CICED) 2012 Shang hai, Sep 10-14, 2012 [2] Lu Xin, ―Study on distribution network fault location based on fault indicator‖, Master thesis Electrical and automation institute of Tianjin University, 05, 2011 [3] Tan Zhihai, Ge Liang, Kang Taileng, Zhao Fengqing, Zhao Yu, Huang Xiaoyun, Peng Feijin, and Li Xi, ―An accurate fault location method of smart distribution network‖, 2014 China International Conference on Electricity Distribution (CICED), 23-26 Sept 2014, DOI: 10.1109/CICED.2014.6991842 [4] Osmo Siirto, Jukka Kuru, and Matti Lehtonen, ―Fault location, isolation and restoration in a city distribution network‖, 2014 Electric Power Quality and Supply Reliability Conference (PQ), 11-13 June 2014 [5] E Coster, W Kerstens, and T Berry, ―Self-healing distribution networks using smart controllers‖, The 22rd International Conference on Electricity Distribution, CIRED 2013, pp 1–4 [6] G D Ferreira et al ―Impedance-based fault location for overhead and underground distribution systems‖ The Proc North Amer Power Symp., Champaign, IL, USA, Sep 2012, pp 1–6 [7] M.-S Choi, S.-J Lee, S.-I Lim, D.-S Lee, and X Yang, ―A direct three-phase circuit analysisbased fault location for line-to-line fault‖, IEEE Trans Power Del., 2007, vol 22, no 4, pp 2541– 2547 [8] J C S Souza, M A P Rodrigues, M T Schilling, and M B D C Filho, ―Fault location in electrical power systems using intelligent systems techniques‖ IEEE Trans Power Del., 2001, vol 16, no 1, pp 59–67 1354 ... Hình 1, dòng ngắn mạch tham gia vào cố DG thứ i, thứ j nguồn lƣới 11,4kV đƣợc nhìn thấy relay i j đƣợc tính tốn theo phƣơng pháp tính tốn tự động đơn giản Phƣơng pháp tính tốn tự động đơn giản cho... phát vào điểm ngắn mạch) Hệ số điều phối dòng ngắn mạch theo hƣớng thuận kji DG thứ i ảnh hƣởng đến relay j Tƣơng tự, hệ số điều phối dòng ngắn mạch theo hƣớng nghịch kij DG thứ j ảnh hƣởng đến relay. .. đơn giản tự động cho hệ thống bảo vệ dòng lƣới điện MG nối lƣới quy mơ nhỏ, có xem xét tích hợp RBDG IBDG Ƣu điểm phƣơng pháp tóm tắt nhƣ sau: Tính tốn tự động đơn giản dòng ngắn mạch từ RBDG,