Tách đảo là một chế độ có thể xảy ra đối với nhà máy thủy điện nhỏ. Trong chế độ vận hành này, nhà máy vận hành chỉ cấp điện cho một số phụ tải lân cận và có thể thấy rằng công suất ngắn mạch thường bị giảm đáng kể so với khi nhà máy đang hoạt động nối lưới.
Để đảm bảo hệ thống rơle bảo vệ cho các phần tử chính khi xảy ra tách đảo như máy phát điện, biến áp và đường dây, hoạt động đúng như đã được thiết kế chúng ta cần phải xem xét, tính toán và chỉnh định lại giá trị cài đặt của các rơle bảo vệ nhằm loại trừ chọn lọc các sự cố, tránh các rủi ro cho hệ thống. Trong chương này, các vấn đề cần quan tâm đối với hệ thống rơle bảo vệ cho các phần tử quan trọng hoạt động trong hệ thống cô lập được đưa ra bằng việc liệt kê các chức năng bảo vệ, đồng thời phân tích sự cần thiết phải chỉnh định lại hoặc bổ sung chức năng bảo vệ một cách chi tiết.
Loại bảo vệ Bảo vệ máy phát Không cần chỉnh định lại Cần chỉnh định lại Kích hoạt thêm
chức năng bảo vệ Ghi chú
Bảo vệ chống chạm đất
90% cuộn dây stato X
Bảo vệ so lệch dọc (87G) X Bảo vệ quá dòng (50, 51V) X Bảo vệ quá dòng có hãm điện áp thấp. Bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch (46). Bảo vệ (46) nên đặt với hai cấp tác động: Bảo vệ chống sự cố không đối xứng. Bảo vệ chống mất đối xứng tải. Bảo vệ chống chạm đất cuộn dây roto (64R) X Bảo vệ chống thấp kích từ (40) X Bảo vệ chống quá kích từ X
Bảo vệ chống quá tải
máy phát X
Bảo vệ chống quá điện
áp (59) X
Nên được xem xét mở rộng tối đa phạm vi chỉnh định.
Bảo vệ tần số cao/tần
số thấp (81O/81U) X
Chỉnh định căn cứ theo khả năng điều chỉnh của máy phát.
Bảo vệ chống quá từ thông lõi từ V/f (24)
Loại bảo vệ
Bảo vệ máy biến áp Không cần chỉnh định lại Cần chỉnh định lại Kích hoạt thêm chức năng bảo vệ Ghi chú
Chức năng bảo vệ quá
dòng (50, 51) X Chức năng bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch (46). Chức năng bảo vệ so lệch (87T) Xem xét giảm hệ số hãm của bảo vệ so lệch. Chức năng bảo vệ chống quá từ thông lõi từ (bảo vệ V/f)
X
Bảng 2.3 Bảng thống kê các chức năng bảo vệ cho máy biến áp công suất nhỏ
Loại bảo vệ
Bảo vệ đường dây Không cần chỉnh định lại Cần chỉnh định lại Kích hoạt thêm chức năng bảo vệ Ghi chú
Chức năng bảo vệ quá
dòng (50, 51) X Chức năng bảo vệ quá dòng thứ tự nghịch (46). Xem xét các chức năng TĐL, cầu chì.
Bảng 2.4 Bảng thống kê các chức năng bảo vệ cho đường dây khi nhà máy vận hành ở chế độ tách đảo
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU GIẢI PHÁP PHÁT HIỆN TÁCH ĐẢO 3.1. Giới thiệu các phương pháp phát hiện tách đảo
Nguyên lý chính để phát hiện tách đảo là giám sát liên tục các thông số đầu ra của nguồn điện phân tán và các thông số của hệ thống, sự kiện tách đảo có thể được phát hiện khi có sự thay đổi về thông số hệ thống và của nhà máy theo những điều kiện đã được tính toán trước.
Phương pháp phát hiện tách đảo có thể chia ra ra hai dạng chính (Hình 3.1): Phương pháp phát hiện tách đảo dựa trên tín hiệu điều khiển từ xa
Phương pháp phát hiện tách đảo dựa trên tín hiệu đo lường tại chỗ: có thể chia thành 3 giải pháp khác nhau
- Giải pháp thụ động - Giải pháp chủ động - Giải pháp hỗn hợp
Phương pháp phát hiện tách đảo
Phương pháp dựa theo tín hiệu điều khiển từ xa
Phương pháp dự theo tín hiệu đo lường tại chỗ
Thụ động Chủ động Hỗn hợp
Hình 3.1 Các phương pháp phát hiện tách đảo
3.1.1. Phương pháp phát hiện tách đảo dựa theo tín hiệu điều khiển từ xa
Phương pháp phát hiện tách đảo từ xa dựa trên việc truyền tín hiệu điều khiển giữa điện lực và các nguồn điện phân tán đang kết nối vào hệ thống. Khi xảy ra sự cố phía hệ thống, sẽ có tín hiệu điều khiển được gửi đến nhà máy thủy điện nhỏ để ra lệnh tách nhà máy khỏi hệ thống. Mặc dù phương pháp này tốt hơn so với phương pháp tại chỗ nhưng về mặt kinh tế thì chúng khá tốn kém để thực hiện, có thể không kinh tế.
Có các phương pháp truyền tín hiệu điều khiển như sau: sơ đồ truyền tín hiệu cắt & sơ đồ truyền tín hiệu qua đường dây tải điện.
3.1.1.1. Sơ đồ truyền tín hiệu cắt
Ý tưởng chính của sơ đồ này là theo dõi tình trạng của tất cả các trạng thái của máy cắt và dao cách ly có thể tách đảo một hệ thống lưới phân phối. Để làm được như vậy ta sử dụng các hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) có sẵn trên hệ thống. Phương pháp này đòi hỏi sự tương tác tốt giữa đơn vị điện lực và các nguồn phân tán, do đó làm tăng chi phí đầu tư duy trì hệ thống cho cả đơn vị điện lực và chủ sở hữu nguồn phân tán.
3.1.1.2. Sơ đồ truyền tín hiệu qua đường dây tải điện
Một máy phát tín hiệu ở hệ thống truyền tải sẽ liên tục phát đi một tín hiệu tới các trạm phân phối điện bằng cách sử dụng các đường dây truyền tải điện như các đường truyền tín hiệu (tương tự hệ thống tải ba sử dụng trên lưới điện truyền tải). Nếu như thiết bị nhận không nhận được tín hiệu (nguyên nhân có thể do các máy cắt giữa hệ thống truyền tải và trạm phân phối đang mở), thì chứng tỏ có tách đảo xảy ra.
Receiver Load Load DG DG Receiver Breaker GRID Transmitter
Hình 3.2 Sơ đồ truyền tín hiệu trên đường dây truyền tải điện
3.1.2. Phương pháp phát hiện tách đảo dựa theo tín hiệu đo lường tại chỗ
3.1.2.1. Phương pháp phát hiện thụ động
số và độ méo của sóng hài. Các thông số thay đổi rất nhiều khi hệ thống bị tách đảo, dựa trên sự thay đổi các thông số này có thể đánh giá hệ thống có đang ở trạng thái tách đảo hay không. Việc xác định ngưỡng cài đặt để phân biệt trạng thái tách đảo là rất quan trọng để tránh tác động nhầm khi có các rối loạn khác trong hệ thống.
Phương pháp phát hiện tách đảo thụ động có thể dựa trên sự thay đổi của các thông số như:
a) Dựa theo tốc độ thay đổi của công suất đầu ra: tốc độ thay đổi của công suất đầu ra (dP/dt) của DG khi nó bị tách đảo sẽ lớn hơn nhiều so với tốc độ thay đổi của công suất đầu ra của DG khi kết nối lưới, xét với cùng một tốc độ thay đổi của tải. Tốc độ thay đổi công suất này sẽ thể hiện rõ trong trường hợp công suất của DG không đáp ứng đủ cho tải lưới phân phối đang bị tách đảo.
b) Dựa theo tốc độ thay đổi của tần số: tốc độ thay đổi của tần số (df/dt) sẽ có giá trị lớn khi nguồn DG bị tách đảo. Tốc độ thay đổi tần số (Rate of Change of Frequency - ROCOF) này có thể tính bằng công thức:
2 df P f dt HG (3.1)
Trong đó: ΔP là độ mất cân bằng công suất khi xảy ra tách đảo
H là hằng số quán tính của hệ máy phát điện,
G là công suất định mức của máy phát.
Theo công thức (3.1) thì các hệ thống có H và G nhỏ thì df/dt có giá trị lớn. Để phát hiện tách đảo dựa theo tốc độ biến thiên tần số có thể sử dụng các rơle ROCOF. Rơle ROCOF sẽ giám sát sự thay đổi của tần số và tác động nếu tốc độ thay đổi tần số df/dt cao hơn giá trị cài đặt trong một khoảng thời gian nhất định. Các giá trị cài đặt đã được tính toán và lựa chọn sao cho rơle sẽ tác động nếu có tách đảo nhưng không tác động khi tải thay đổi. Phương pháp này có độ tin cậy cao khi mức độ mất cân bằng công suất lớn nhưng có thể không hoạt động nếu công suất phát của DG phù hợp với các tải địa phương. Trong trường hợp này có thể sử dụng kết hợp với phương pháp dựa trên tốc độ thay đổi tần số theo công suất.
trong một hệ thống điện nhỏ, sẽ lớn hơn df/dP của hệ thống có công suất lớn. Người ta hoàn toàn có thể sử dụng khái niệm df/dP này để xác định tách đảo. Hơn nữa, thực nghiệm đã chứng minh rằng, nếu sự chênh lệch công suất giữa DG và tải địa phương nhỏ thì phương pháp dùng df/dP sẽ nhạy hơn rất nhiều so với phương pháp dùng df/dt.
d) Dựa theo sự thay đổi của điện áp: sau khi tách đảo xảy ra, các DG phải chịu trách nhiệm cung cấp điện cho tải trong đảo. Nếu tải có thay đổi lớn, thì tách đảo có thể dễ dàng được phát hiện bằng cách theo dõi các thông số: độ lớn điện áp, độ dịch pha, sự thay đổi của tần số. Tuy nhiên, phương pháp này có thể không hiệu quả khi sự thay đổi của tải nhỏ.
e) Dựa theo sự thay đổi của tổng trở: Tổng trở của phần bị tách khỏi lưới điện sau khi xảy ra tách đảo sẽ tăng lên so với lúc trước khi tách đảo. Do đó, việc liên tục giám sát tổng trở của nguồn sẽ cho phép phát hiện hệ thống có tách đảo hay không.
f) Dựa theo mức độ méo của sóng hài: sự thay đổi cấu hình của hệ thống bao gồm tải và nguồn sẽ làm thay đổi mức độ sóng hài trong lưới điện, đặc biệt là khi hệ thống có sự tham gia của các DG với bộ nghịch lưu. Theo dõi sự thay đổi của tổng độ méo sóng hài (TDH) của điện áp tại đầu cực DG sẽ cho phép phát hiện tách đảo của hệ thống.
3.1.2.2. Phương pháp phát hiện chủ động
Với các phương pháp phát hiện chủ động, tách đảo có thể được phát hiện ngay cả khi công suất phát của các DG và công suất tiêu thụ của tải phù hợp nhau, điều mà các phương pháp phát hiện thụ động có thể không hoạt động hiệu quả.
Một số phương pháp phát hiện tách đảo chủ động như:
a) Phát hiện tách đảo dựa trên sự trao đổi công suất phản kháng: Các DG sẽ phát ra và duy trì một dòng công suất phản kháng nhất định tại các điểm kết nối chung (PCC) giữa các DG và lưới. Dòng công suất này chỉ được duy trì khi lưới điện được kết nối. Hiện tượng tách đảo sẽ được phát hiện nếu mức độ của dòng công suất phản kháng không được duy trì ở giá trị thiết lập. Đối với các DG sử dụng máy phát điện đồng bộ, tách đảo có thể được phát hiện bằng cách cố ý thử tăng sức
điện động của máy phát trong một khoảng thời gian ngắn và theo dõi sự thay đổi của điện áp và công suất phản kháng mà DG phát ra. Nếu điện áp đầu cực có thay đổi tăng lên, trong khi công suất phản kháng lại gần như không thay đổi, điều đó chứng tỏ có tách đảo xảy ra.
b) Phát hiện tách đảo dựa trên dphương pháp đo lường tổng trở: Phương pháp này giám sát tổng trở của hệ thống, nếu có biện động tăng tổng trở thì đó là chỉ báo của hiện tượng tách đảo [12]. Một phương pháp khác là bơm một tín hiệu tần số cao vào điểm kết nối chung của DG và quan sát phần tín hiệu tần số cao chạy vào DG. Khi xảy ra tách đảo thì phần tín hiệu tần số cao chạy vào DG sẽ tăng lên đáng kể.
c) Phát hiện tách đảo dựa trên sự nhảy pha của điện áp: Bằng việc đo lường sự thay đổi tương đối của góc pha có thể giúp ta đánh giá được hệ thống có bị tách đảo hay không. Với các DG có sử dụng nghịch lưu, khi tách đảo sẽ dẫn tới có thay đổi về góc pha của điện áp. Khi DG được nối với lưới, tần số sẽ được giữ ổn định. Khi hệ thống bị tách đảo, tần số sẽ có sự thay đổi đáng kể. Với phương pháp này có thể giám sát kết hợp cả sự thay đổi góc pha của dòng điện trong các bộ nghịch lưu và tần số của lưới để phát hiện tách đảo.
3.1.2.3. Phương pháp hỗn hợp
Phương pháp hỗn hợp sử dụng cả phương pháp thụ động và phương pháp chủ động để phát hiện tách đảo. Các kĩ thuật phát hiện chủ động sẽ được thực hiện khi kĩ thuật thụ động không thể phán đoán chắc chắn có tách đảo xảy ra.
3.2. Chi tiết phương pháp phát hiện tách đảo thụ động sử dụng rơle ROCOF3.2.1. Nguyên tắc hoạt động của rơle ROCOF 3.2.1. Nguyên tắc hoạt động của rơle ROCOF
Xét sơ đồ lưới điện đơn giản như sau: một máy phát điện đồng bộ (được trang bị rơle ROCOF) kết nối với lưới phân phối tại điểm kết nối chung (Hình 3.3).
SG
PSG ROCOF CB PSYS
L PL
Main grid
Hình 3.3 Sơ đồ lưới điện có máy phát kết nối lưới Trong đó: PSG là công suất của máy phát,
PL là công suất tiêu thụ của phụ tải.
Khi hệ thống điện hoạt động bình thường thì tần số của hệ thống được giữ không đổi.
Khi máy cắt CB tác động (giả sử do sự cố từ phía lưới điện chính): máy phát và phụ tải bị tách ra khỏi lưới điện chính, tạo nên một hệ thống điện độc lập với lưới – “đảo”. Lúc này, việc mất nguồn công suất chính PSYS sẽ gây ra sự mất cân bằng công suất trong đảo, dẫn tới xảy ra quá độ trong đảo và tần số bắt đầu biến đổi. Sự thay đổi của tần số có thể được sử dụng để xác định xem có xảy ra tách đảo hay không. Tuy nhiên, nếu sự mất cân bằng công suất là nhỏ thì tần số sẽ thay đổi chậm. Do đó tốc độ thay đổi của tần số df/dt được khuyến cáo sử dụng để xác định hiện tượng tách đảo.
Rơle ROCOF tính toán sự thay đổi của tần số trong một vài chu kì, thường là từ 2 đến 40 chu kì. Tín hiệu này được xử lý bởi các bộ lọc, tín hiệu kết quả đầu ra K
(tốc độ biến thiên tần số trung bình Hz/s) sẽ được sử dụng để phát hiện tình trạng tách đảo. Nếu như giá trị của tốc độ thay đổi cao hơn ngưỡng cài đặt β của rơle thì thì rơle sẽ gửi tín hiệu cắt tới máy cắt đầu cực.
Một điểm đặc biệt quan trọng khác có sẵn trong các rơle đó là chức năng khóa theo điện áp tối thiểu. Nếu điện áp đầu cực máy phát giảm xuống dưới một mức cài đặt Vmin thì các tín hiệu từ rơle ROCOF sẽ bị khóa. Mục đích để tránh
trường hợp tác động nhầm trong quá trình máy phát khởi động hoặc khi xảy ra ngắn mạch. Sơ đồ khối của rơle ROCOF được trình bày trên Hình 3.4.
System frequency estimation df/dt calculation 1/(Tas+1) > β Vmin > AND Terminal voltage waveform
Terminal voltage magnitude (pu)
Minimal voltage setting (Hz/s)
ROCOF relay setting (Hz/s)
Trip signal
K (Hz/s) f (Hz)
Hình 3.4 Sơ đồ logic đơn giản của rơle ROCOF
3.2.2. Phân tích mối liên hệ giữa các thông số cài đặt trong rơle ROCOF
Xem xét hệ thống như trong Hình 3.3. Ở chế độ xác lập, công suất cơ PM của máy phát điện đồng bộ được cân bằng với công suất tiêu thụ PL của tải & nguồn công suất chính PSYS được cung cấp từ hệ thống. Do đó, tốc độ rotor của máy phát điện đồng bộ ω và góc pha δ là các hằng số.
Khi máy cắt CB bị cắt ra, máy phát điện đồng bộ bắt đầu chạy ở chế độ tách đảo và chịu sự mất cân bằng công suất do bị mất nguồn công suất PSYS. Sự mất cân bằng công suất ΔP chính bằng PSYS, đây là nguyên nhân gây ra quá độ trong máy phát điện đồng bộ.
Sự hoạt động của máy phát đồng bộ có thể được biểu diễn bằng các phương