Phân tích ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đến hệ thống bảo vệ rơle trên lưới điện phân phối
Tất cả các phần tử trên lưới điện phân phối (LĐPP) đều cần được bảo vệ và giám sát để
đảm bảo cung cấp điện liên tục và an toàn cho cả khách hàng sử dụng điện và đơn vị cung cấp
điện. Một số dạng sự cố có thể xảy ra như ngắn mạch (NM) chạm đất của lưới điện ngầm, xuất
tuyến (XT) bị hỏng do quá trình xây dựng các công trình lân cận hoặc do quá tải so với dòng điện
tải cho phép của dây dẫn Hệ thống bảo vệ rơle (BVRL) được áp dụng trong hệ thống điện cần
phải đảm bảo các yêu cầu: tin cậy, chính xác, an toàn, nhanh và kinh tế.
Hiện nay hệ thống BVRL hoạt động tin cậy, dễ dàng bởi vì các phần tử trên LĐPP chỉ có
dòng công suất qua nó theo một hướng từ nguồn đến nơi sử dụng điện. Sự tồn tại dòng công suất
chạy một hướng này là do việc sử dụng dạng cấu trúc LĐPP được vận hành theo dạng hình tia và
chỉ kết nối với các khách hàng sử dụng điện [1, 2]. Tuy nhiên, điều này sẽ thay đổi trong tương
lai khi thị trường điện phát triển chuyển sang hình thức bán lẻ thì một lượng lớn các nguồn điện
phân tán (DG) sẽ đổ vào lưới điện hạ áp và trung áp trong LĐPP. Do đó, dòng công suất chạy qua
các phần tử không chỉ là một hướng mà có thể là hai hướng.
Vì vậy, bài báo này nghiên cứu khảo sát các ảnh hưởng của nguồn DG đến sự làm việc
của hệ thống bảo vệ rơle trên lưới điện phân phối. Từ đó đưa ra những giải pháp nhằm khắc phục
được những ảnh hưởng đó nhằm đảm bảo tính chất chọn lọc của bảo vệ rơle trên lưới điện phân
phối có nguồn DG.
Trang 1
Trang 2
Trang 3
Trang 4
Trang 5
Trang 6
Trang 7
Trang 8
Tóm tắt nội dung tài liệu: Phân tích ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đến hệ thống bảo vệ rơle trên lưới điện phân phối
từ nguồn điện lưới thông qua các máy biến áp (MBA). Nguồn điện lưới là nguồn chính góp phần vào các sự cố NM trên LĐPP. Điều này sẽ bị thay đổi khi các nguồn DG kết nối với LĐPP như trên hình 4. Hình 4. Sự tham gia của nguồn DG vào lưới điện Trong sơ đồ này nguồn DG được kết nối với XT số 1 trong khi sự cố xảy ra trên XT số 2. Chuyển sơ đồ trên thành sơ đồ tương đương với sự cố được thể hiện trong hình 5. Bằng cách chuyển đổi sơ đồ mạch trong hình 5 thành mạch tương đương Thevenin [2] (thể hiện trong hình 6) khá đơn giản được thực hiện để tính toán. Các phương trình tương ứng của mạch điện Thevenin này tổng hợp dòng NM tại vị trí sự cố trên XT2 được thể hiện trong phương trình (1) và (2). Khảo sát một lưới điện có điện áp 13 kV. Số liệu của các phần tử trên lưới điện là: Hình 5. Sự tham gia dòng điện NM của DG Hình 6. Sơ đồ thevenin NM 3 pha siêu quá độ 3 2. Phân tích ảnh hưởng của DG đến BVRL 2.1. Sự tham gia dòng điện NM của DG LĐPP điển hình được cấp nguồn từ nguồn điện lưới thông qua các máy biến áp (MBA). Nguồn điện lưới là nguồn chính góp phần vào các sự cố NM trên LĐPP. Điều này sẽ bị thay đổi khi các nguồn DG kết nối với LĐPP như trên hình 4. Trong sơ đồ này nguồn DG được kết nối với XT số 1 trong khi sự cố xảy ra trên XT số 2. Chuyển sơ đồ trên thành sơ đồ tương đương với sự cố được thể hiện trong hình 5. Bằng cách chuyển đổi sơ đồ mạch trong hình 5 thành mạch tương đương Thevenin [2] (thể hiện trong hình 6) khá đơn giản được thực hiện để tính toán. Các phương trình tương ứng của mạch điện Thevenin này tổng hợp dòng NM tại vị trí sự cố trên XT2 được thể hiện trong phương trình (1) và (2). ( )1 2 1 grid DG feeder th feeder grid DG feeder Z Z Z Z Z Z Z Z += + + + (1) ( ) ( ) 1 2 1 13 f grid DG feederL f th feeder grid DG feeder grid DG feeder U Z Z ZU I Z Z Z Z Z Z Z Z + +′′ = = + + + + (2) Khảo sát ột điện áp 13 kV. Số liệu của cá phần tử trên lưới điện là: Sgrid = 320 MVA; Ugrid = 13 kV; R/X = 0,35; SDG = 2,7 MVA; X”DG = 0,168 p.u; Rstator = 0,0504 p.u; cosφ = 1.0; XT 1: L = 2 km; XLPE–150; XT 2: L = 4 km, XLPE–150. Các kết quả trong hình 7, 8 và 9 cho thấy sự tác động của nguồn DG khi kết nối với lưới điện khi xảy ra sự cố NM 3 pha. Từ hình 7 ta thấy rằng dòng NM tăng lên ở cả đầu và cuối của XT 2 khi có càng nhiều nguồn DG được kết nối vào XT số 1. Điều này là do sự góp phần của các nguồn DG khi xảy ra sự cố trên XT số 2. Dòng điện NM trên XT số 1 tăng lên cùng với số nguồn DG được kết nối vào và đến một giá trị nào đó có thể sẽ xảy ra tác động cắt nhầm bởi vì giá trị dòng điện có thể vượt quá giá trị dòng điện khởi động của rơle quá dòng. Trong hình 9 mô tả sự góp phần của nguồn điện lưới, từ hình này cho chúng ta thấy sự đóng góp của nguồn điện lưới sẽ suy giảm đối với mỗi một nguồn DG kết nối bổ sung vào lưới điện phân phối. Điều này là đúng khi một sự cố xảy ra ở một vị trí cách xa trạm biến áp nguồn mà khi đó sẽ làm cho bảo vệ bị mù không phát hiện được sự cố xảy ra. Cả hai ZXT2 Zgrid Uf If’’ Hì h 6 S đồ th i NM 3 h iê á độ ZXT1 ZDG ZXT2 Ugrid UDG Igrid If’’ IDG Hì h 5 S th i dò điệ NM ủ DG Zgrid ZXT1 ZDG R1 R2 XT 1 XT 2 DG Igrid IDG Hình 4. Sự tham gia của nguồn DG vào lưới điện Grid 42 Sgrid = 320 MVA; Ugrid = 13 kV; R/X = 0,35; SDG = 2,7 MVA; X”DG = 0,168 p.u; Rstator = 0,0504 p.u; cosφ = 1.0; XT 1: L = 2 km; XLPE–150; XT 2: L = 4 km, XLPE–150. Các kết quả trong hình 7, 8 và 9 cho thấy sự tác động của nguồn DG khi kết nối với lưới điện khi xảy ra sự cố NM 3 pha. Từ hình 7 ta thấy rằng dòng NM tăng lên ở cả đầu và cuối của XT 2 khi có càng nhiều nguồn DG được kết nối vào XT số 1. Điều này là do sự góp phần của các nguồn DG khi xảy ra sự cố trên XT số 2. Dòng điện NM trên XT số 1 tăng lên cùng với số nguồn DG được kết nối vào và đến một giá trị nào đó có thể sẽ xảy ra tác động cắt nhầm bởi vì giá trị dòng điện có thể vượt quá giá trị dòng điện khởi động của rơle quá dòng. Trong hình 9 mô tả sự góp phần của nguồn điện lưới, từ hình này cho chúng ta thấy sự đóng góp của nguồn điện lưới sẽ suy giảm đối với mỗi một nguồn DG kết nối bổ sung vào lưới điện phân phối. Điều này là đúng khi một sự cố xảy ra ở một vị trí cách xa trạm biến áp nguồn mà khi đó sẽ làm cho bảo vệ bị mù không phát hiện được sự cố xảy ra. Cả hai trường hợp bảo vệ tác động nhầm và bảo vệ mù sẽ được giải thích trong phần dưới đây. Hình 7. Dòng điện NM siêu quá độ trên XT 2 2.2. Gây tác động nhầm Các nguyên nhân gây ra tác động nhầm được thể hiện trong hình 4. Một vị trí sự cố NM được tạo ra trên XT số 2 tạo nên dòng NM được cung cấp bởi hai nguồn là nguồn điện lưới và nguồn DG. Từ hình 4 ta thấy các nguồn DG sẽ cung cấp dòng điện NM mà hướng của dòng điện này là từ XT 1 đến XT 2 và dòng NM này sẽ được phát hiện bởi các rơle quá dòng trên XT 1. Sự cố này sẽ dẫn đến hậu quả là gây ra ngắt kết nối không cần thiết trên XT bình thường 1 được thể Hình 9. Sự tham gia của nguồn lưới vào NM siêu quá độ Hình 8. Sự tham gia của các DG vào dòng điện NM siêu quá độ Ngô Minh Khoa, Trần Xuân Khoa, Lê Hữu Lương 43 Tập 10, Số 4, 2016 hiện trong hình 8. Vấn đề này có thể càng trầm trọng hơn khi một sự cố trên XT 2 và càng gần với trạm biến áp nguồn và phụ thuộc vào các vấn đề đảm bảo tính chất chọn lọc có liên quan hệ thống bảo vệ rơle trên lưới điện. Tác động nhầm có thể giải quyết bằng cách tăng giá trị dòng điện khởi động của rơle quá dòng bảo vệ tại XT 1. Đây là điều không mong muốn khi tăng dòng điện khởi động của rơle đối với các sự cố xảy ra ở xa XT 1. Trong suốt quá trình xảy ra các sự cố này, cường độ dòng điện sự cố sẽ bé và nhỏ hơn giá trị của dòng điện khởi động của rơle khi ta đặt giá trị dòng điện khởi động của rơle quá cao. Một giải pháp khác có thể là sử dụng rơle quá dòng kết hợp với các bộ phận định hướng công suất. Rơle này có thể nhận biết được hướng của sự cố đến từ nguồn điện lưới hoặc từ các nguồn DG. Điều này nhằm mục đích tăng tính chọn lọc cho các sơ đồ bảo vệ rơle. Nhược điểm duy nhất của rơle có hướng này là chi phí đầu tư vào các máy biến điện áp cùng với các máy biến dòng điện đang hoạt động hiện tại để rơle làm việc một cách chính xác. Cần lưu ý rằng vấn đề này chỉ xảy ra khi rơle quá dòng bảo vệ cho XT 1 được cài đặt với thời gian cắt nhanh (t =0.0 s), mà ở đó các nguồn DG có thể cung cấp dòng điện có cường độ lớn trong khoảng thời gian dài khi xảy ra NM. Điều này là đặc biệt đúng đối với các nguồn DG ứng dụng công nghệ máy điện đồng bộ nhưng có thể sẽ khác đối với các nguồn DG ứng dụng công nghệ máy điện không đồng bộ. Dạng thứ hai có thể điều chỉnh sự tham gia của dòng điện NM của các nguồn điện DG trong suốt quá trình xảy ra NM bởi vì chúng sử dụng các bộ điều khiển điện tử công suất. 2.3. Gây bảo vệ “mù” Trên hình 10 thể hiện khái niệm bảo vệ mù đối với một sơ đồ bảo vệ quá dòng. Trong ví dụ này các nguồn DG được kết nối (XT 3) với trạm biến áp nguồn khi mà sự cố NM xảy ra trên XT 2 [4]. Nguồn điện lưới kết nối ở một vị trí cách xa khoảng vài km thông qua XT 1. Tất cả các XT đều được bảo vệ bởi rơle quá dòng và được kết nối với XT 1. Cũng như trường hợp bảo vệ tác động nhầm đã trình bày ở mục trên, cả hai nguồn điện lưới và nguồn DG sẽ góp phần tham gia dòng điện đến vị trí NM. Sự tham gia dòng điện NM của cả hai nguồn này sẽ làm cho cường độ dòng điện NM lớn hơn so với trường hợp khi không có sự tham gia của các nguồn DG. Tuy nhiên cường độ dòng điện NM được đo bởi các rơle quá dòng sẽ nhỏ hơn trong trường hợp khi có các nguồn DG được kết nối vào lưới điện. Hình 11. Sự tham gia của nguồn điện lưới vào NM siêu quá độ Hình 10. Sự cố mù của bảo vệ rơle khi không nhận biết được NM xảy ra 44 Trong hình 11 thể hiện một trường hợp mà ở đó rơle bảo vệ bị mù do sự tham gia dòng điện NM của nguồn điện DG. Các thông số sau đây được áp dụng trong ví dụ này: Sgrid=320 MVA; Ugrid=13kV; R/X=0,4737; SDG=2,7 MVA; X”DG=0,168 p.u; Rstator=0,0504 p.u; cosφ=1.0; XT 1: L =12 km, XLPE–150; XT 2: L=12 km, XLPE–150; XT 3: L = 0,05 km, XLPE–150.Rơle quá dòng được áp dụng trong trường hợp này có dòng điện khởi động bằng 1,5 lần so với giá trị dòng điện định mức của XT 1. Đây là dòng điện sự cố nhỏ nhất (I>) có thể được phát hiện bởi các rơle quá dòng và các chức năng khác chẳng hạn như bảo vệ dự phòng cho bảo vệ cắt nhanh (I>>). Trong ví dụ này, XT 1 và 2 có chiều dài tương ứng là 12 km. Nguồn điện lưới có công suất NM nhỏ nhất có thể cung cấp được lựa chọn trong ví dụ này. Độ lớn của công suất NM của nguồn trong trường hợp này sẽ ảnh hưởng đến khả năng bảo vệ mù. Khi có nhiều nguồn DG được kết nối với trạm biến áp nguồn thì sự tham gia vào dòng điện NM của nguồn điện lưới sẽ bị suy giảm trong suốt thời gian ngắn mạch xảy ra trên XT 2. Bởi vì rơle quá dòng dựa trên sự tham gia dòng điện của nguồn điện lưới để tác động một cách chính xác, một điều rất quan trọng là cường độ dòng điện này sẽ không nhỏ hơn giá trị khởi động của bảo vệ quá dòng (I>). Tuy nhiên trong ví dụ trên, một tình huống sẽ xảy ra là khi rơle quá dòng bị mù khi một sự cố xảy ra ở một vị trí xấp xỉ khoảng hơn 8,3 km trên XT 2. Bởi vì bảo vệ mù nên sự cố sẽ không được phát hiện bởi rơle quá dòng và không thể thực hiện việc phối hợp bảo vệ bởi sơ đồ bảo vệ rơle. Điều này sẽ gây nguy hiểm cho nhân viên bảo trì làm việc trên LĐPP. Vị trí mà ở đó xuất hiện bảo vệ mù sẽ thay đổi khi có nhiều hay ít số lượng các nguồn DG được kết nối vào lưới điện như thể hiện trong hình 11. Bảo vệ mù xảy ra trên các XT rất dài hoặc khi sự tham gia của các nguồn DG với lượng công suất đủ lớn tại một vị trí nhất định nào đó trên LĐPP chính là nguyên nhân gây nên sự cố bảo vệ mù càng cao. Trường hợp này có thể được giải quyết bằng cách giảm dòng điện khởi động của rơle quá dòng của XT 1. Cần lưu ý rằng có sự khác biệt với sự tăng dòng điện khởi động của rơle để giải quyết vấn đề sự cố cắt nhầm. Một giải pháp khác có thể được thực hiện bằng một rơle bảo vệ sâu ở bên trong XT sau các nguồn DG với dòng điện khởi động nhỏ hơn để đảm bảo tính chọn lọc và tin cậy của hệ thống bảo vệ rơle. Cũng giống như trường hợp bảo vệ tác động nhầm, sự tham gia dòng điện NM của các nguồn DG trong suốt thời gian NM là một yếu tố quan trọng quyết định đến việc có xảy ra bảo vệ mù hay không. Các nguồn DG ứng dụng công nghệ máy điện đồng bộ sẽ có sự tham gia dòng điện NM cao hơn so với các nguồn DG ứng dụng công nghệ máy điện không đồng bộ. 2.4. Ảnh hưởng đến bảo vệ quá dòng cắt nhanh Các rơle quá dòng bảo vệ cho hệ thống điện chống lại các sự cố quá dòng do quá tải hoặc do NM. Khi có nhiều rơle được lắp đặt ở phía cuối nguồn của một XT thì hệ thống bảo vệ có tính chọn lọc được thực hiện bởi sự trợ giúp của các dòng điện khởi động và sự phân cấp thời gian như đề cập ở phần trước. Cũng có thể tạo ra hệ thống bảo vệ mà chỉ áp dụng sự phân cấp dòng điện giữa các rơle mà ở đó sự phân cấp về thời gian được loại trừ. Đối với dạng sơ đồ bảo vệ này, tất cả rơle quá dòng được cài đặt bởi dòng điện khởi động cắt nhanh (I>>) bằng với độ lớn của dòng điện NM được tính toán tại vị trí NM 80% chiều dài của XT được bảo vệ như trên hình 12. Ngô Minh Khoa, Trần Xuân Khoa, Lê Hữu Lương 45 Tập 10, Số 4, 2016 Sự phân cấp dòng điện này chỉ áp dụng cho các hệ thống bảo vệ mà ở đó sự sai khác về cường độ dòng điện NM giữa hai nút của một XT là đủ lớn để phân biệt (thường là 1 kA). Thời gian tác động cho mỗi rơle quá dòng có thể được cài đặt bằng thời gian cắt nhanh (t=0.0s) mà không làm mất đi tính chọn lọc của bảo vệ rơle. Ưu điểm của dạng bảo vệ này là tốc độ sẽ nhanh hơn so với bảo vệ áp dụng phân cấp thời gian.Nhược điểm của dạng bảo vệ này là phụ thuộc rất nhiều vào độ lớn của dòng điện NM được tính toán trước đó, rất có thể sẽ làm cho các XT ngừng hoạt động khi công suất NM của nguồn điện lưới thay đổi. Trong ví dụ như hình 12 [2], sự cố NM 3 pha được thiết lập tại mỗi vị trí trên XT giữa nút A và nút D mà ở đó cường độ dòng điện được tính toán và thể hiện trong hình 13 trong các trường hợp nguồn DG được ngắt ra khỏi lưới, hoạt động một phần hoặc hoạt động hết công suất tại nút B. Từ hình vẽ cho thấy cường độ dòng điện sự cố sẽ tăng lên do sự tham gia dòng sự cố của các nguồn DG. Điều này cần đặc biệt chú ý đối với các sự cố xảy ra gần nút B, việc tăng dòng điện sự cố đồng nghĩa với việc thiết lập lại dòng điện khởi động đối với các rơle quá dòng 2 và 3. Điều này xảy ra bởi vì dòng điện NM qua hai rơle 2 và 3 đều được cung cấp bởi hai nguồn đó là nguồn điện lưới và các nguồn DG. Trường hợp này sẽ dẫn đến bảo vệ sẽ mất tính chọn lọc khi các rơle không được điều chỉnh phù hợp. Dòng điện qua rơle 1 (chỉ có dòng của nguồn điện lưới đi qua) được thể hiện trong hình 14. Từ hình vẽ cho ta thấy rằng cho dù có hay không có sự tham gia của các nguồn DG thì với một sự cố xảy ra ở giữa hai nút A và B thì cường độ dòng điện sự cố qua rơle 1 là không đổi. Điều này có ý nghĩa là rơle 1 sẽ hoạt động chính xác ngay cả khi có nhiều nguồn DG kết nối vào nút B. Hình 12. Bảo vệ phân cấp dòng điện cắt nhanh Hình 14. Sự tham gia của nguồn điện lưới vào NM siêu quá độ Hình 13. Dòng điện NM siêu quá độ được quan sát bởi XT 46 3. Kết luận Từ các kết quả phân tích được từ các mô hình đề xuất và kết quả mô phỏng, ta thấy khi có nguồn DG tham gia vào LĐPP thì tùy trường hợp cụ thể mà dòng điện NM sẽ tăng lên hoặc giảm xuống so với trường hợp không có DG. Khi đó sẽ gây tác động nhầm hay gây “mù” một số vùng của rơle quá dòng và ngoài ra nó cũng ảnh hưởng đến bảo vệ quá dòng cắt nhanh gây ra những thiệt hại nặng nề trên hệ thống điện. Từ những kết quả phân tích và nghiên cứu trên ta có thể đề xuất những phương pháp khắc phục nhằm hạn chế các trường hợp tác động không chính xác của rơle bảo vệ quá dòng khi có DG tham gia vào LĐPP trong các hướng nghiên cứu tiếp theo. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Hoàng Việt, Bảo vệ rơle và tự động hóa trong hệ thống điện, Nxb Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, (2005). 2. A. K. Pradhan, Fault direction estimation in radial Distribution system using phase change in sequence current, IEEE transaction on power delivery, Vol. 22, Iss. 4,pp. 2065 - 2071, (2007). 3. Muhammad Shoaib Almas, Over-Current Relay Model Implementation for Real Time Simulation & Hardware-In-the-Loop (HIL) Validation, IECON 2012 - 38th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, pp. 4789 – 4796, (2012). 4. Ruud Braat, Future energy systems and the protection of the electrical gird, Master of science at the Delft University of Technology, (2015) 5. Sahebrao V. Chakor; Tanuja N. Date, Optimum coordination of directional overcurrent relay in presence of distributed generation using genetic algorithm, 10th International Conference on Intelligent Systems and Control (ISCO), pp. 1 - 5, (2016). Ngô Minh Khoa, Trần Xuân Khoa, Lê Hữu Lương
File đính kèm:
- phan_tich_anh_huong_cua_nguon_dien_phan_tan_den_he_thong_bao.pdf