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!
Trang 11349
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH ĐƠN GIẢN VÀ TỰ ĐỘNG PHỤC VỤ CHỈNH ĐỊNH TRỊ SỐ BẢO VỆ CỦA RELAY QUÁ DÕNG TRONG LƯỚI ĐIỆN MICROGRID KHI HÕA LƯỚI
1Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Tp.HCM, Tổng công ty Điện lực Tp.HCM;
2 Viện Kỹ thuật, Trường Đại học Công nghệ Tp Hồ Chí Minh
Email: *phucld@hcmpc.com.vn, **duong.1041030@yahoo.com
TÓM TẮT
Dòng điện sự cố trong lưới điện hạ áp (Microgrid - MG) bao gồm dòng điện từ nguồn lưới và dòng điện từ các nguồn phát điện phân tán (DGs - Distributed Generators) Có thể thấy rằng, dòng điện sự cố trong MG thay đổi phụ thuộc vào vị trí sự cố, các dạng sự cố, mật độ phân bố của các DGs ứng dụng công nghệ điện
tử công suất IBDG (Inverter-Based Distributed Generators) và các DG có phần tử quay RBDG (Rotating-Based Distributed Generators) Việc sử dụng phương pháp phân tích ngắn mạch truyền thống không còn phù hợp khi lưới điện MG có sự xuất hiện của cả loại nguồn phát điện phân tán nêu trên Chính vì thế, 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 Nhờ vào phương pháp phân tích ngắn mạch được đề xuất, ngưỡng cắt ngắn mạch của các relay quá dòng sẽ tự điều chỉnh để phù hợp với hiện trạng vận hành của MG
Từ khóa: Lưới điện MG xoay chiều, phân tích ngắn mạch, bảo vệ MG, vận hành MG, và relay bảo vệ
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Các relay bảo vệ dành cho MG cần phải thiết kế để vận hành ở cả hai chế độ là vận hành hòa lưới và vận hành độc lập Trong chế độ vận hành độc lập của MG, tổng giá trị dòng sự cố được giới hạn bởi các inverter tích hợp trong các DG và không đủ cao để có thể kích hoạt các relay bảo vệ truyền thống hoạt động, như đã trình bày trong tài liệu [1-7] Trong chế độ hòa lưới, dòng sự cố bên trong MG thay đổi đáng
kể bởi vì sự tham gia của cả nguồn lưới và các DG Có thể thấy rằng, giá trị dòng sự cố phụ thuộc vào vị trí sự cố, dạng sự cố, mật độ phân bố của các IBDG và RBDG Những trường hợp nêu trên đều gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ tin cậy của relay bảo vệ hiện hữu như đã trình bày trong tài liệu [8] Tóm lại, những thay đổi bất kỳ trong dòng ngắn mạch đều dẫn đến việc relay bảo vệ hoạt động sai mục đích cài đặt trước đó và đòi hỏi một phương pháp phân tích ngắn mạch thích hợp, có khả năng xem xét cả sự tham gia của các nguồn phát phân tán RBDG và IBDG
Trang 21350
2 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGẮN MẠCH ĐƠN GIẢN VÀ TỰ ĐỘNG CHO MICROGRID VẬN HÀNH HÕA LƯỚI
Mô hình MG rất đa dạng và trạng thái vận hành của DG, tải, bộ lưu điện BESS lại luôn thay đổi tùy thuộc vào mục đích vận hành Việc vận hành của DG có thể bị gián đoạn bất kỳ lúc nào bởi yếu tố thời tiết Nhằm nâng cao độ tin cậy và tính ổn định trong việc vận hành MG, hệ thống điều khiển trung tâm được cài đặt để giám sát tình trạng vận hành của các DG, có khả năng tự động điều phối trị số bảo vệ tương ứng với những thay đổi trong lưới điện MG Trong lưới điện MG, tổng dòng điện sự cố ghi nhận được bởi
relay r trong chế độ vận hành hòa lưới được tính toán như sau:
n
I nm-relay-r = I + (k * I ri nm-DGi * trang_thai_van_hanh_DG_thu_i)
Trong đó, I nm-relay-r là tổng dòng điện sự cố mà relay r ghi nhận được; I nm-luoi là dòng điện sự cố góp từ
hiện tình trạng kết nối/không kết nối của DG thứ i vào MG
Giả định sự cố xảy ra bên trong lưới MG, dòng ngắn mạch tính toán I nm-luoi được dựa vào định lý Thevenin:
V nut-sc =V nut-truoc-sc +Z nut nut-sc * I (2)
Trong đó, V nut-sc là các giá trị điện áp pha tại các nút trong quá trình xảy ra sự cố; V nut-truoc-sc là các giá trị
xảy ra sự cố; Z nut là ma trận tổng trở Thevenin Khi có sẵn giá trị Z nut và V nut-truoc-sc , dòng ngắn mạch I nm-luoi
được tính toán theo công thức số (3):
V nut-truoc-sc nut-sc -V
I nm-luoi = Z
+Znm
Đối với dạng ngắn mạch bất đối xứng, các ma trận tổng trở Thevenin thứ tự thuận, thứ tự nghịch, thứ tự
012
cần được tính toán (1 đại diện cho thành phần thứ tự thuận, 2 đại điện cho thành phần thứ tự nghịch, 0 đại diện cho thành phần thứ tự không), công thức số (2) được viết lại như sau:
V nut-sc =V nut-truoc-sc nut -Z * I nut-sc (4) Khi tính toán dòng ngắn mạch tại nhiều vị trí khác nhau trong MG xoay chiều, công thức (3) được viết lại như sau:
Vth
I nm-luoi =
lưới đến điểm sự cố
Trang 31351
Để đơn giản việc trình bày, k ri sẽ được xác định theo dạng ngắn mạch ba pha, do đó chỉ quan tâm đến thành phần thứ tự thuận
Inm-DGi-relay-r
K = ri
Zht
I nm-DGi-relay-r Z DGi +Z ht
K = ri I = I * I nm-relay-r
Nhìn chung, ma trận hệ số dòng ngắn mạch được tính toán để mô tả sức ảnh hưởng của nhiều DG đến các
relay được trình bày trong công thức (8) Ma trận này được hiện chứa ―n‖ DG và ―m‖ relay:
K 11 K 1i K 1n
K = r1 ri rn
K m1 K mi Kmn
(8)
(một cột và n hàng) như biểu thức (9):
Inm-DG1
I
I nm-DG = nm-DGi
Inm-DGn
(9)
Từ công thức (8) và (9), dòng ngắn mạch do ―n‖ DG phát ra mà ―m‖ relay có thể ghi nhận được biểu diễn
theo công thức (10):
I n
nm DGi-relay-1
11 1i 1n nm-DG1
I n
nm DGi-relay-r r1 ri rn nm-D
K m1 K mi Kmn
I n
nm DGi-relay-m i=1
Gi Inm-DGn
(10)
Trong đó, tổng dòng ngắn mạch ghi nhận bởi relay thứ r được tính toán bằng công thức (11), lưu ý rằng
công thức (10) không xem xét sự có mặt của nguồn lưới
I nm n DGi-relay-r = I nm-DG -relay-r + +I nm-DGn-relay-r
Do đó, công thức (1) sẽ được viết lại thành:
Trang 41352
1 1
Inm-DG1
I nm-DGi = I + (k *I ri nm-DGi * trang_thai_van_hanh_DG_thu_i)
nm-luoi r= i=
Inm-DGn
3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
Hình 1 là sơ đồ nguyên lý một sợi của lưới điện MG 380V xoay chiều, relay i giám sát dòng ngắn mạch theo hướng thuận (hướng từ nguồn lưới đi vào điểm ngắn mạch) và relay j đang quan sát dòng ngắn mạch theo hướng nghịch (hướng từ DG j phát vào điểm ngắn mạch) Hệ số điều phối dòng ngắn mạch theo
Nguồn
11,4kV
MBA 11,4kV/
380V
Z ij /2
I nm
Z nm_DGi Z nm_DGj
Vị trí
sự cố
DGi
Z ij /2
Hình 1 Dòng ngắn mạch hướng thuận và nghịch trên trục chính của lưới điện MG
Kết quả tính toán dòng ngắn mạch tại các vị trí đặt relay trong Hình 1 được thể hiện dưới bảng sau:
Hướng dòng
ngắn mạch
Loại DG trong lưới điện MG
Ứng dụng phương pháp tính toán ngắn mạch đề xuất
Dòng ngắn mạch xuất
phát từ nguồn lưới đến
điểm ngắn mạch
IBDG thứ i và
IBDG thứ i và
Trang 51353
Hướng dòng
ngắn mạch
Loại DG trong lưới điện MG
Ứng dụng phương pháp tính toán ngắn mạch đề xuất
IBDG thứ i và
IBDG thứ i và
Dòng ngắn mạch xuất
phát từ DG thứ i
IBDG thứ i
Min:180A Max: 300A
(k ii = 1)
0A
(k ji = 0)
(k ii = 0.356)
0A
(k ji = 0)
Dòng ngắn mạch xuất
phát từ DG thứ j
(k ij = 0)
Min: 276A Max: 460A
(k jj = 1)
(k ij = 0)
1460A
(k ij = 0.762)
Như đã thể hiện trong Hình 1, dòng ngắn mạch tham gia vào sự cố của DG thứ i, thứ j và nguồn lưới 11,4kV được nhìn thấy bởi relay i và j được tính toán theo phương pháp tính toán tự động và đơn giản
Phương pháp tính toán tự động và đơn giản cho thấy sự hiệu quả trong việc xác định hệ số điều phối của
cả IBDG và RBDG, mà những hệ số này vốn ảnh hưởng đến relay bảo vệ trong MG như sau:
Khi IBDG thứ i và thứ j được sử dụng trong lưới điện 380V AC, tổng dòng ngắn mạch mà relay thứ i và thứ j quan sát được sẽ là:
I sc_relay_thứ_i = 3706 * 1 + 1 * 300 = 4006A;
Isc_relay_thứ_j = 460A
Khi RBDG thứ i và thứ j được sử dụng trong MG, dòng ngắn mạch mà relay thứ i và thứ j quan sát được
sẽ là:
I sc_relay_thứ_i = 3376 * 1 + 535 = 3911A;
Isc_relay_thứ_j = 1460A
Khi IBDG thứ i và RBDG thứ j được sử dụng trong hệ thống, dòng ngắn mạch được quan sát bởi relay thứ
i và thứ j sẽ là:
I sc_relay_thứ_i = 3706 * 1*300 = 4006A;
Isc_relay_thứ_j = 1460A
Khi RBDG thứ i và IBDG thứ j được sử dụng trong hệ thống, dòng ngắn mạch được quan sát bởi relay thứ
i và thứ j sẽ là:
I sc_relay_thứ_i = 3376 * 1 + 535 = 3911A;
Trang 61354
Isc_relay_thứ_j = 460A
4 KẾT LUẬN
Nghiên cứu này đã trình bày phương pháp tính toán ngắn mạch đơn giản và tự động cho hệ thống bảo vệ quá dòng trong lưới điện MG nối lưới quy mô nhỏ, có xem xét sự tích hợp của RBDG và IBDG Ưu điểm của phương pháp này có thể tóm tắt như sau:
1 Tính toán tự động và đơn giản dòng ngắn mạch từ RBDG, IBDG và từ nguồn lưới nhờ vào sự hỗ trợ của hệ thống truyền dữ liệu (đặc biệt là hệ thống điều khiển trung tâm của MG);
2 Ngưỡng/trị số dòng tác động của relay quá dòng trong MG hạ thế nối lưới quy mô nhỏ có thể tự động hiệu chỉnh hiệu quả thông qua hệ số phân phối dòng ngắn mạch của tất cả các DG và nguồn lưới ảnh hưởng đến nó;
3 Có thể ứng dụng hiệu quả cho các MG có cấu trúc khác nhau và dễ dàng thích ứng với những thay đổi trong MG bằng việc sử dụng hệ thống điều khiển trung tâm của MG để giao tiếp với tất cả nguồn phát điện phân tán (DGs) và relay bảo vệ
Việc ứng dụng phương pháp tính toán ngắn mạch đơn giản và tự động cho lưới MG nối đất lặp lại đã được
phương án bảo vệ dự phòng
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Distribution Network based on Minimum Area and its Application‖, China International Conference on Electricity Distribution (CICED) 2012 Shang hai, Sep 10-14, 2012
Electrical and automation institute of Tianjin University, 05, 2011
Li Xi, ―An accurate fault location method of smart distribution network‖, 2014 China International
10.1109/CICED.2014.6991842
distribution network‖, 2014 Electric Power Quality and Supply Reliability Conference (PQ), 11-13 June 2014
The 22rd International Conference on Electricity Distribution, CIRED 2013, pp 1–4
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 analysis-based 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