5. Phƣơng pháp nghiên cứu
3.2.5. Công suất phản kháng
Trong lƣới điện xoay chiều 3 pha của một nhà máy công nghiệp thông thƣờng luôn tồn tại hai loại công suất:
Công suất tác dụng (kW) là công suất sinh ra công có ích trong các phụ tải.
Công suất phản kháng (kVAr) loại điện cảm là công suất vô ích, gây ra do tính cảm ứng của các loại phụ tải dây quấn nhƣ mô tơ, ballast đèn cao áp... Công suất này không tiêu thụ nhiên liệu của nguồn điện,
đƣợc bù quá mức, sẽ sinh ra công suất phản kháng loại điện dung. Công suất phản kháng loại điện dung ngoài các tác hại nói trên còn tăng cƣờng tác hại của các thành phần nhiễu sóng tần số cao (do dung kháng của tụ giảm đi ở tần số cao hơn).
Các máy phát không đồng bộ chỉ tiêu thụ công suất phản kháng, còn các máy phát đồng bộ thì có thể phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng. Vì vậy nhu cầu công suất phản kháng của máy phát điện không đồng bộ của các tuabin gió tốc độ cố định (Loại A) đƣợc bổ xung một phần từ các bộ tụ bù. Do đó, hệ số công suất nói chung vào khoảng 0,96. Tuabin gió tốc độ thay đổi với hệ thống biến tần PWM (loại C và D) có một biến tần để điều khiển công suất phản kháng. Vì vậy, các tuabin gió có hệ số công suất nói chung là 1,00. Nhƣng các hệ thống biến tần cũng cung cấp khả năng kiểm soát điện áp bằng công suất phản kháng (tiêu thụ công suất phản kháng). Các tuabin gió có thể điều khiển công suất phản kháng trên một phạm vi rộng (cảm và điện dung). Đặc biệt là ở các tuabin gió sử dụng động cơ không đồng bộ nguồn kép DFIG và động cơ đồng bộ. Do đó nó có thể điều khiển điện áp và để giữ điện áp ổn định hơn ở điểm kết nối lƣới điện của tuabin gió hoặc trang trại gió.
Nhƣ vậy để hạn chế ảnh hƣởng của công suất phản kháng ta nên lựa chọn cấu hình tuabin gió sử dụng động cơ đồng bộ (loại D) và DFIG (loại C).
3.2.6. Các vấn đề về bảo vệ lưới điện
Vấn đề về bảo vệ là vấn đề cần đặc biệt quan tâm khi kết nối tuabin gió vào lƣới điện. Khi kết nối tuabin gió vào lƣới điện, trong chế độ sự cố, tuabin gió có thể làm giảm bớt mức độ suy giảm điện áp, tuy nhiên cũng ảnh hƣởng tới sự phân bố dòng sự cố với mức độ phức tạp tăng lên. Mặt khác tuabin gió cũng là một loại nguồn phân tán (DG) do đó nó mang các đặc điểm của DG trong vấn đề bảo vệ lƣới điện.
Lƣới phân phối điện đƣợc mô tả bằng dung lƣợng ngắn mạch, tức là không bao giờ đƣợc vƣợt quá dòng điện sự cố lớn nhất, liên quan tới định mức của thiết bị đóng cắt và khả năng chịu đựng cơ khí và nhiệt của tất cả các thiết bị và các cấu trúc đƣợc tiêu chuẩn hóa. Các tuabin gió thƣờng đƣợc đấu nối vào lƣới phân phối điện và có đóng góp đáng kể vào mức độ sự cố tổng của lƣới điện, về cơ bản đƣợc xác định bằng cách kết hợp mức độ đóng góp dòng ngắn mạch của phần lƣới phía
trƣớc (nguồn từ các trạm trung gian) và các tuabin gió hay các DG khác trong lƣới phân phối điện.
Theo nhƣ cấu trúc truyền thống của lƣới phân phối điện là các sơ đồ lƣới hình tia hoặc mạch vòng kín vận hành hở. Nhƣ vậy, trong chế độ làm việc bình thƣờng cũng nhƣ trong chế độ sự cố, dòng điện chạy theo một chiều duy nhất từ nguồn (TBA trung gian) tới phụ tải.
Nếu nhƣ có sự cố xảy ra gần với phụ tải thì thiết bị bảo vệ phụ tải gần nhất về phía nguồn sẽ tác động, nếu không thì bảo vệ cấp trên sẽ tác động để cô lập phần lƣới bị sự cố hoặc loại trừ sự cố. Khi trên lƣới phân phối điện có xuất hiện các tuabin gió, sự phân bố dòng điện trên lƣới sẽ thay đổi. Do các tuabin gió đƣợc đấu nối song song với lƣới nên làm giảm tổng trở sự cố của lƣới và làm tăng dòng sự cố. Đối với lƣới có cấu hình phức tạp hơn thì dòng cấp của tuabin gió tới điểm sự cố cũng có mức độ phức tạp tăng lên, ảnh hƣởng tới tính chọn lọc của bảo vệ.
Chính vì vậy khi kết nối tuabin gió vào lƣới phân phối điện thì nhất thiết phải đảm bảo đƣợc tính chọn lọc và đảm bảo mức độ sự cố phải thấp hơn giá trị thiết kế ban đầu của lƣới, dƣới các điều kiện bất lợi nhất.
3.2.6.1. Mức dòng ngắn mạch
Mức độ dòng công suất ngắn mạch tại một thời điểm nhất định trong lƣới điện là một thƣớc đo sự mạnh hay yếu của lƣới điện đó. Nó không phải là một tham số trực tiếp về chất lƣợng điện năng song lại có những ảnh hƣởng nặng nề. Khả năng hấp thụ các rối loạn liên quan đến mức công suất ngắn mạch của lƣới là một vấn đề quan trọng. Bất kỳ một điểm (p) trong mạng điện có thể đƣợc mô hình hóa bởi một mạch tƣơng đƣơng nhƣ trong hình 3.8. Theo quan điểm điện áp thì các điểm ở xa sẽ có điện áp không đổi nghĩa là không phụ thuộc vào điện áp tại (p). Các điểm từ xa này đƣợc chỉ định USC và mức công suất dòng ngắn mạch tại (p) trong lƣới trung thế có thể tính bằng:
Hình 3.8. Mạch tương đương
Sự thay đổi về tải (hoặc sản suất) tại (p) làm thay đổi dòng điện làm thay đổi điện áp ∆U trên trở kháng tuyến ZSC. Điện áp trong (p) là sự chênh lệch điện áp giữa USC và ∆U và sẽ là đáng lo ngại đối với ngƣời tiêu dùng kết nối mạng. Lƣới mạnh hoặc yếu là các thuật ngữ ngữ hay đƣợc sử dụng trong kết nối tuabin gió. Điều đó đƣợc thể hiện rõ qua hình 3.8, nếu trở kháng ZSC là nhỏ, sự thay đổi điện áp trong (p) sẽ nhỏ ( lƣới điện mạnh), nếu ZSC là lớn sự thay đổi điện áp sẽ rất lớn. Mạnh hay yếu là những thuật ngữ có tính chất tƣơng đối. Với bất kỳ tuabin gió nào có công suất lắp đặt là P (MW) tỉ lệ :
RSC=SSC/P
là một thƣớc đo độ mạnh hay yếu của lƣới. Lƣới điện là mạnh nếu RSC trên 20 đến 25 lần, là yếu nếu RSC dƣới 8-10 lần. Tùy thuộc vào loại thiết bị điện trong tuabin gió mà đôi khi chúng vẫn đƣợc dùng trong lƣới điện yếu. Việc bảo trì nên luôn luôn đƣợc thực hiện, cho từng tuabin gió hoặc một số tuabin gió có xu hƣớng lo ngại hơn trong hệ thống nhiều tuabin gió.
3.2.6.2. Thay đổi phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ
Tuabin gió là một loại nguồn phân tán nên khi tham gia lƣới điện cùng với các nguồn điện phân tán khác hay trên lƣới điện có nhiều nhà máy điện gió kết nối thì sẽ làm thay đổi phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ.
Trong hình vẽ 3.9. mô tả cấu hình lƣới điện có kết nối với các nguồn phát điện phân tán. Khi chƣa có DG1 thì nếu sự cố xảy ra ở N1, cầu chì CA sẽ tác động cắt mạch sự cố trƣớc cầu chì CB. Khi có DG1 thì dòng sự cố lại chạy từ DG1 tới điểm sự cố N1 khiến cho cầu chì CB có thể cắt trƣớc cầu chì CA, làm cho tính chọn lọc mất đi.
Hình 3.9. Ảnh hưởng của DG tới sự phối hợp giữa các bảo vệ
Việc kết nối các DG vào lƣới điện đòi hỏi cần phải xem xét lại khoảng thời gian phối hợp giữa các bảo vệ ở đƣờng dây lân cận, vì ảnh hƣởng của các DG đến sự phối hợp của các bảo vệ không chỉ giới hạn trong đƣờng dây mà các DG kết nối vào. Sự cố ở đƣờng dây lân cận có thể khiến cho các bảo vệ ở đƣờng dây có các DG kết nối vào hoạt động. Điều này là không mong muốn vì sự cố đó không nằm trong phạm vi bảo vệ của các thiết bị bảo vệ trên đƣờng dây có các DG kết nối vào, và sẽ dẫn đến việc ngừng cung cấp điện cho các phụ tải khi đƣờng dây đó không hề bị sự cố.
Trong trƣờng hợp lƣới điện trên hình 3.9, xét thêm trƣờng hợp sự cố ở điểm N2. Dòng sự cố cấp đến điểm N2 là dòng sự cố đến từ hai nguồn là: hệ thống và nguồn điện phân tán (chỉ có DG2 và DG3). Thông thƣờng ta mong muốn rằng thiết bị tự động đóng lại (TĐL) sẽ tác động để loại trừ sự cố (giả sử là sự cố thoáng qua). Tuy nhiên do có sự đóng góp của DG2 vào sự cố nên có thể CC sẽ tác động trƣớc TĐL để cách ly sự cố, làm giảm độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải sau CC. Trong trƣờng hợp TĐL tác động trƣớc nhƣng nhờ có DG2, hồ quang cháy tại điểm N2 vẫn
Cũng đồng thời với sự xuất hiện của DG3, dòng sự cố chạy qua cả các máy cắt BB và BA, và nếu dòng đủ lớn sẽ khiến các máy cắt này tác động, gây nên tình trạng cắt cả những vùng không tồn tại sự cố, giảm thấp độ tin cậy cung cấp. Một sự phối hợp các thiết bị bảo vệ thích hợp cho tất cả các chế độ sự cố trên lƣới điện là rất khó khăn. Do đó trong trƣờng hợp này ngƣời ta thƣờng thay thế các bảo vệ quá dòng không hƣớng trên các đƣờng dây bằng các bảo vệ quá dòng có hƣớng. Việc thêm các bảo vệ quá dòng có hƣớng tại các máy cắt đầu đƣờng dây sẽ giúp ta giải quyết đƣợc vấn đề này.
3.2.6.3. Máy cắt không mong muốn
Sự tăng lên về dòng điện sự cố trên lƣới làm thay đổi cách thức hệ thống bảo vệ kiểm soát sự cố (cài đặt rơ le, thiết bị TĐL, dung lƣợng cắt ngắn mạch của máy cắt và cầu chì). Trong hình 3.9 chỉ ra mối liên hệ giữa việc DG2 đƣợc lắp đặt gần với trạm trung gian (hệ thống nguồn của lƣới phân phối). Khi có sự cố ở các lộ đƣờng dây khác, hƣớng dòng sự cố chạy từ DG2 qua thiết bị bảo vệ, máy cắt BB, tới điểm sự cố. Để hạn chế nhƣợc điểm này thì cần phải trang bị rơle quá dòng có hƣớng, và sẽ phải cấu hình lại rơ le bảo vệ cho lộ này.
3.2.6.4. Tác động đến sự làm việc của tự động đóng lại
Thông thƣờng, tuabin gió cũng nhƣ các DG khác sẽ phải phát hiện sự cố và ngắt kết nối với hệ thống trong khoảng thời gian tác động của TĐL và mất một khoảng thời gian để TĐL loại trừ sự cố. Nếu nhƣ không thực hiện đƣợc các bƣớc nhƣ vậy, DG vẫn kết nối với lƣới trong thời gian ngắt của TĐL và duy trì hồ quang tại điểm sự cố khiến cho quá trình đóng lặp lại của TĐL không thành công, và sự cố sẽ đƣợc xem là sự cố vĩnh cửu chứ không phải sự cố thoáng qua (nhƣ chính bản thân của sự cố). Khoảng thời gian tác động của TĐL đƣợc quy định thƣờng nhỏ hơn hoặc bằng 1 giây.
Hình 3.10-Sự phối hợp giữa TĐL và CC trên lưới điện hình tia 3.2.6.4.1. Sự phối hợp giữa tự động đóng lại và cầu chì
Cũng trong hình 3.10, ta xét trƣờng hợp sự cố tại điểm N2, cầu chì chỉ tác động đối với các sự cố lâu dài trong phạm vi bảo vệ của nó. Đối với các sự cố thoáng qua, tự động đóng lại sẽ tác động nhanh để tách sự cố ra khỏi lƣới điện và sự cố có thể bị dập tắt. Khi chƣa có DG3, dòng điện sự cố từ nguồn chạy qua thiết bị tự động đóng lại (TĐL) và cầu chì CC đến điểm sự cố. Trong khoảng thời gian tác động của mình, TĐL sẽ cắt sự cố tức thì và tiến hành đóng lại sau đó. Điều đó đảm bảo nếu đó là sự cố thoáng qua thì tình trạng cấp điện cho phụ tải sẽ đƣợc khôi phục bình thƣờng.Nếu nhƣ sự cố là vĩnh cửu thì cầu chì CC khi đó sẽ tác động và cách ly hoàn toàn vùng sự cố ra khỏi lƣới, theo cách thức kết hợp của TĐL và CC.
Trƣờng hợp khi có DG3 kết nối, dòng điện sự cố chạy qua cầu chì CC là tổng hợp dòng sự cố đóng góp từ nguồn (HT) và nguồn phân tán (DG3) và có giá trị lớn hơn dòng điện sự cố chạy qua TĐL. Khi mức độ đóng góp của DG3 vào dòng sự cố đủ lớn, CC có thể tác động nhanh hơn cả TĐL lại hoặc tác động đồng thời với tự động đóng lại trong các sự cố thoáng qua.Trong khi đó các sự cố thoáng qua lại chiếm đến 70% - 80% các sự cố xảy ra tại các tuyến đƣờng dây, điều đó đồng
3.2.6.4.2 Tự động đóng lại tác động với các sự cố ngoài vùng bảo vệ
Xét lại trƣờng hợp kết nối nguồn DG3 vào sau tự động đóng lại (TĐL) trên lƣới. Nếu sự cố xảy ra ở phía trƣớc của TĐL sẽ có dòng điện sự cố chạy qua TĐL do các nguồn DG3 gây ra. Và khi dòng điện sự cố đó là đủ lớn vƣợt quá giá trị dòng điện tác động nhỏ nhất của TĐL khiến cho TĐL sẽ tác động, và rõ ràng đó là điều không mong muốn do sự cố đó là ngoài vùng bảo vệ của TĐL. Ta có thể khắc phục hiện tƣợng này bằng cách trang bị cho tự động đóng lại trên đƣờng dây các bảo vệ có hƣớng.
3.2.6.4.3 Ngăn cản tự động đóng lại thành công
Nhƣ đã đề cập đến ở trên, với sự xuất hiện của DG và đóng góp vào điểm sự cố thì sau khi TĐL tác động nhanh tách phần bị sự cố ra khỏi lƣới điện, hồ quang tại vị trí xảy ra sự cố thoáng qua sẽ bị duy trì (không đƣợc dập tắt ngay sau khi TĐL tác động). Điều đó làm cho cảm nhận của TĐL khi đóng lại sẽ nhƣ là trƣờng hợp ngắn mạch vĩnh cửu, đóng lại sẽ không thành công. Trong trƣờng hợp này, DG đã ngăn cản tự động đóng lại thành công, làm giảm độ tin cậy cung cấp điện và tăng thời gian mất điện của các phụ tải.
Ngoài ra tự động đóng lại không thành công cũng làm tăng thêm các áp lực đối với các thiết bị điện cụ thể ở đây là tự động đóng lại, bởi vì tự động đóng lại tác động thì đó là đóng lại một sự cố vào hệ thống.
3.2.6.4.4 Tự động đóng lại không đồng bộ
Ngoài việc ngăn cản tự động đóng lại thành công, nguồn điện phân tán còn có thể gây ra hiện tƣợng tự động đóng lại hai lƣới điện không đồng bộ với nhau. Nhƣ đã trình bày ở trên khi tự động đóng lại tác động nhằm cô lập sự cố thoáng qua, tuy nhiên trong lƣới điện vẫn còn nguồn điện phân tán tiếp tục cấp năng lƣợng cho dòng điện sự cố, nhƣng ngay cả khi sự cố thoáng qua đã biến mất (hồ quang điện tại vị trí sự cố bị tắt) thì nguồn điện phân tán vẫn tiếp tục cấp điện cho phần lƣới điện bị cô lập. Phần lƣới điện này sẽ có tần số khác với tần số của hệ thống. Do đó khi tự động đóng lại tác động sẽ đóng lại hai lƣới điện không đồng bộ, hiện tƣợng này rất nguy hiểm nếu tại thời điểm tự động đóng lại tác động hai lƣới điện lại nghịch pha
nhau. Việc này dẫn đến quá điện áp, quá dòng điện và momen xoắn lớn xuất hiện trên các trục của thiết bị quay. Các hiện tƣợng này gây ra các hƣ hỏng nặng cho các máy điện quay và máy phát điện quay.
3.2.6.5. Thay đổi vùng tác động của rơle bảo vệ
Nếu DG đƣợc kết nối ở giữa máy cắt và điểm sự cố thì sẽ làm thu hẹp vùng tác động của rơ-le, làm tăng thời gian tác động loại trừ sự cố. Xét trong trƣờng hợp trên hình 3.10 khi có DG3 và sự cố xảy ra tại điểm N2, khi đó dòng điện qua bảo vệ rơle sẽ nhỏ hơn khi chƣa có DG3, làm co vùng tác động của bảo vệ. Điều đó làm tăng nguy cơ sự cố tổng trở cao không đƣợc phát hiện và do đó, bảo vệ dự phòng sẽ tác động để loại trừ sự cố.
Một vấn đề khác nữa cũng cần phải quan tâm khi kết nối DG vào lƣới, ảnh hƣởng tới bảo vệ trên lƣới là bảo vệ chống vận hành cô lập (Anti-islanding protection). Trong khi cô lập, một phần của lƣới vẫn đƣợc cấp điện từ nguồn DG mà không kết nối với lƣới điện chính. Bên cạnh các vấn đề liên quan về chất lƣợng điện năng, vấn đề an toàn của lƣới điện yêu cầu việc ngắt kết nối DG cần phải