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

Chia sẻ: Sở Trí Tu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

45
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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

PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 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 1 Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Tp.HCM, Tổng công ty Điện lực Tp.HCM; 2 Viện Kỹ thuật, Trƣờng Đại học Công nghệ Tp. Hồ Chí Minh Email: *phucld@hcmpc.com.vn, **duong.1041030@yahoo.com TÓM TẮT Dòng điện sự cố trong lƣới điện hạ áp (Microgrid - MG) bao gồm dòng điện từ nguồn lƣới 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 phƣơng pháp phân tích ngắn mạch truyền thống không còn phù hợp khi lƣới 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 phƣơng pháp phân tích ngắn mạch nhanh, đơn giản và tự động dành cho lƣới 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). Lƣới điện xoay chiều hạ áp đƣợc dùng trong nghiên cứu có quy mô nhỏ, với cấp điện áp 380/220V, vận hành trong chế độ hòa lƣới, và đƣợc trang bị hệ thống SCADA. Nhờ vào phƣơng pháp phân tích ngắn mạch đƣợc đề xuất, ngƣỡng cắt ngắn mạch của các relay quá dòng sẽ tự điều chỉnh để phù hợp với hiện trạng vận hành của MG. Từ khóa: Lƣới 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 lƣới và vận hành độc lập. Trong chế độ vận hành độc lập của MG, tổng giá trị dòng sự cố đƣợc 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, nhƣ đã trình bày trong tài liệu [1-7]. Trong chế độ hòa lƣới, dòng sự cố bên trong MG thay đổi đáng kể bởi vì sự tham gia của cả nguồn lƣới 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 trƣờng hợp nêu trên đều gây ảnh hƣởng nghiêm trọng đến độ tin cậy của relay bảo vệ hiện hữu nhƣ 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 trƣớc đó và đòi hỏi một phƣơng 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. 1349
2. PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH NGẮN MẠCH ĐƠN GIẢN VÀ TỰ ĐỘNG CHO MICROGRID VẬN HÀNH HÕA LƢỚI Mô hình MG rất đa dạng và trạng thái vận hành của DG, tải, bộ lƣu 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 đƣợc cài đặt để giám sát tình trạng vận hành của các DG, có khả năng tự động điều phối trị số bảo vệ tƣơng ứng với những thay đổi trong lƣới điện MG. Trong lƣới điện MG, tổng dòng điện sự cố ghi nhận đƣợc bởi relay r trong chế độ vận hành hòa lƣới đƣợc tính toán nhƣ sau: n I =I +  (kri * I nm-DGi * trang_thai_van_hanh_DG_thu_i) (1) nm-relay-r nm-luoi i=1 Trong đó, Inm-relay-r là tổng dòng điện sự cố mà relay r ghi nhận đƣợc; Inm-luoi là dòng điện sự cố góp từ nguồn lƣới , n là tổng số lƣợng IBDG và RBDG trong MG; kri là hệ số phản ánh dòng ngắn mạch của DG thứ i vào relay r; Inm-DGi là giá trị dòng sự cố góp bởi DG thứ i; và trang_thai_van_hanh_ DG_thu_i thể hiện tình trạng kết nối/không kết nối của DG thứ i vào MG. Giả định sự cố xảy ra bên trong lƣới MG, dòng ngắn mạch tính toán Inm-luoi đƣợc dựa vào định lý Thevenin: Vnut-sc =Vnut-truoc-sc +Znut * Inut-sc (2) Trong đó, Vnut-sc là các giá trị điện áp pha tại các nút trong quá trình xảy ra sự cố; Vnut-truoc-sc là các giá trị điện áp nút trƣớc sự cố; Inut-sc là một dãy giá trị dòng sự cố chạy ra từ các pha tại nút sự cố trong quá trình xảy ra sự cố; Znut là ma trận tổng trở Thevenin. Khi có sẵn giá trị Znut và Vnut-truoc-sc, dòng ngắn mạch Inm-luoi đƣợc tính toán theo công thức số (3): V -V I = nut-truoc-sc nut-sc (3) nm-luoi Znut +Znm với Znm là tổng trở ngắn mạch tại nút sự cố. Đối với dạng ngắn mạch bất đối xứng, các ma trận tổng trở Thevenin thứ tự thuận, thứ tự nghịch, thứ tự không Znut012 cần đƣợc 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) đƣợc viết lại nhƣ sau: 012 =V 012 Vnut-sc 012 012 nut-truoc-sc - Znut * Inut-sc (4) Khi tính toán dòng ngắn mạch tại nhiều vị trí khác nhau trong MG xoay chiều, công thức (3) đƣợc viết lại nhƣ sau: V I = th nm-luoi Z th (5) Trong đó, Vth là điện áp Thevenin tƣơng đƣơng của nguồn lƣới và Zth là tổng trở Thevenin tính từ nguồn lƣới đến điểm sự cố. Dòng ngắn mạch thứ tự thuận I1nmIBDG của IBDG đƣợc giới hạn bằng 2.0 pu. Dòng ngắn mạch thứ tự nghịch I2nmIBDG đƣợc xác định thấp hơn 5% so với dòng ngắn mạch thứ tự thuận I1nmIBDG. Giá trị dòng ngắn mạch thứ tự không I0nmIBDG phụ thuộc vào kiểu nối đất của IBDG. Y012IBDG là ma trận tổng dẫn của IBDG. 1350
Để đơn giản việc trình bày, kri sẽ đƣợc xác định theo dạng ngắn mạch ba pha, do đó chỉ quan tâm đến thành phần thứ tự thuận. I nm-DGi-relay-r Kri = (6) I nm-DGi Giá trị điện áp của DG đƣợc giả định là giống nhau. Cách xác định hệ số dòng ngắn mạch kri:  Z   ht  I nm-DGi-relay-r  DGi + Zht  Z  * I K = ri = (7) I nm-DGi I nm-DGi nm-relay-r Nhìn chung, ma trận hệ số dòng ngắn mạch đƣợc tính toán để mô tả sức ảnh hƣởng của nhiều DG đến các relay đƣợc trình bày trong công thức (8). Ma trận này đƣợc hiện chứa ―n‖ DG và ―m‖ relay: K K K   ...11 1i ... 1n ...   K =  Kr1 Kri Krn  (8)  ... ... ...  K Kmi Kmn   m1  Giá trị dòng ngắn mạch của n DG có thể đƣợc biểu diễn dƣới dạng vector Inm-DG với kích thƣớc là [1,n] (một cột và n hàng) nhƣ biểu thức (9): I   nm-DG1 ...    I nm-DG =  I nm-DGi  (9)  ...  I   nm-DGn  Từ công thức (8) và (9), dòng ngắn mạch do ―n‖ DG phát ra mà ―m‖ relay có thể ghi nhận đƣợc biểu diễn theo công thức (10): I n   nm  DGi-relay-1   i=1  K K K  I   ...   11 1i 1n   nm-DG1  I   ... ... ...   ... n   nm  DGi-relay-r  =  Kr1 Kri Krn  *  I nm-DGi  (10)  i=1   ... ... ...   ...   ...   I   Km1 Kmi Kmn   I    nm-DGn   nm n DGi-relay-m      i=1  Trong đó, tổng dòng ngắn mạch ghi nhận bởi relay thứ r đƣợc tính toán bằng công thức (11), lƣu ý rằng công thức (10) không xem xét sự có mặt của nguồn lƣới. I =I +...+I nmn DGi-relay-r nm-DG1-relay-r nm-DGn-relay-r (11) i=1 Do đó, công thức (1) sẽ đƣợc viết lại thành: 1351
I   nm-DG1   ...  m n  I nm-DGi  = I nm-luoi +   (kri *I nm-DGi * trang_thai_van_hanh_DG_thu_i) (12)  ...  r=1i=1 I   nm-DGn  I  K K K  I * trang_thai_DG1   nm-luoi-relay-1   11 1i 1n nm-DG1  ...   ... ... ...   ...   =  I nm-luoi-relay-i  +  Kr1 Kri Krn  *  I nm-DGi * trang_thai_DGi      ...   ... ... ...   ...   I nm-luoi-relay-n   Km1 Kmi Kmn   I nm-DGn * trang_thai_DGn       3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN Hình 1 là sơ đồ nguyên lý một sợi của lƣới điện MG 380V xoay chiều, relay i giám sát dòng ngắn mạch theo hƣớng thuận (hƣớng từ nguồn lƣới đi vào điểm ngắn mạch) và relay j đang 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 của DG thứ i ảnh hƣởng đến relay j là bằng 0. Tƣơng tự, hệ số điều phối dòng ngắn mạch theo hƣớng nghịch kij của DG thứ j ảnh hƣởng đến relay thứ i là bằng 0. Nguồn DGi DGj lưới 11,4kV Inm_DGj_relayj Inm_DGi_relayi ZDGi ZDGi Inm_lưới_relayi Inm_hướng_thuận_relayi MBA 11,4kV/ 380V Inm_hướng _nghịch_relayj Nút i Nút j Relay i Relay j Vị trí Zij/2 sự cố Zij/2 Znm_DGi Znm_DGj Hình 1. Dòng ngắn mạch hƣớng thuận và nghịch trên trục chính của lƣới điện MG Kết quả tính toán dòng ngắn mạch tại các vị trí đặt relay trong Hình 1 đƣợc thể hiện dƣới bảng sau: Ứng dụng phƣơng pháp Hƣớng dòng Loại DG trong lƣới tính toán ngắn mạch đề xuất ngắn mạch điện MG Nhìn bởi Relay i Nhìn bởi Relay j IBDG thứ i và 3706A 0A Dòng ngắn mạch xuất IBDG thứ j phát từ nguồn lƣới đến điểm ngắn mạch IBDG thứ i và 3376A 0A IBDG thứ j 1352
Ứng dụng phƣơng pháp Hƣớng dòng Loại DG trong lƣới tính toán ngắn mạch đề xuất ngắn mạch điện MG Nhìn bởi Relay i Nhìn bởi Relay j IBDG thứ i và 3706A 0A IBDG thứ j IBDG thứ i và 3376A 0A IBDG thứ j Min:180A 0A IBDG thứ i Max: 300A Dòng ngắn mạch xuất (kji = 0) (kii = 1) phát từ DG thứ i 535A 0A RBDG thứ i (kii = 0.356) (kji = 0) Min: 276A 0A IBDG thứ j Max: 460A Dòng ngắn mạch xuất (kij = 0) (kjj = 1) phát từ DG thứ j 0A 1460A RBDG thứ j (kij = 0) (kij = 0.762) Nhƣ đã thể hiện trong Hình 1, dòng ngắn mạch tham gia vào sự cố của DG thứ i, thứ j và nguồn lƣới 11,4kV đƣợc nhìn thấy bởi relay i và j đƣợc tính toán theo phƣơng pháp tính toán tự động và đơn giản. Phƣơng 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 hƣởng đến relay bảo vệ trong MG nhƣ sau: Khi IBDG thứ i và thứ j đƣợc sử dụng trong lƣới điện 380V AC, tổng dòng ngắn mạch mà relay thứ i và thứ j quan sát đƣợc sẽ là: Isc_relay_thứ_i = 3706 * 1 + 1 * 300 = 4006A; Isc_relay_thứ_j = 460A. Khi RBDG thứ i và thứ j đƣợc sử dụng trong MG, dòng ngắn mạch mà relay thứ i và thứ j quan sát đƣợc sẽ là: Isc_relay_thứ_i = 3376 * 1 + 535 = 3911A; Isc_relay_thứ_j = 1460A. Khi IBDG thứ i và RBDG thứ j đƣợc sử dụng trong hệ thống, dòng ngắn mạch đƣợc quan sát bởi relay thứ i và thứ j sẽ là: Isc_relay_thứ_i = 3706 * 1*300 = 4006A; Isc_relay_thứ_j = 1460A. Khi RBDG thứ i và IBDG thứ j đƣợc sử dụng trong hệ thống, dòng ngắn mạch đƣợc quan sát bởi relay thứ i và thứ j sẽ là: Isc_relay_thứ_i = 3376 * 1 + 535 = 3911A; 1353
Isc_relay_thứ_j = 460A. 4. KẾT LUẬN Nghiên cứu này đã trình bày phƣơng pháp tính toán ngắn mạch đơn giản và tự động cho hệ thống bảo vệ quá dòng trong lƣới điện MG nối lƣới quy mô nhỏ, có xem xét sự tích hợp của RBDG và IBDG. Ƣu điểm của phƣơng pháp này có thể tóm tắt nhƣ sau: 1. Tính toán tự động và đơn giản dòng ngắn mạch từ RBDG, IBDG và từ nguồn lƣới nhờ vào sự hỗ trợ của hệ thống truyền dữ liệu (đặc biệt là hệ thống điều khiển trung tâm của MG); 2. Ngƣỡng/trị số dòng tác động của relay quá dòng trong MG hạ thế nối lƣới 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 lƣới ảnh hƣởng 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 phƣơng pháp tính toán ngắn mạch đơn giản và tự động cho lƣới MG nối đất lặp lại đã đƣợc nghiên cứu. trong đó, mô–đun OC/DOC là bảo vệ chính; mô–đun 46, 47, 3I0 hoặc 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 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. 1354