Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện hiện đại ngày càng phức tạp với sự gia tăng của các nguồn năng lượng tái tạo như điện gió, điện mặt trời, đặc biệt trong các mạng lưới Micro Grid. Theo ước tính, sự cố ngắn mạch và quá tải trên hệ thống điện có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng về thiết bị và mất ổn định lưới điện. Do đó, việc phát triển các giải pháp bảo vệ chính xác, tin cậy là yêu cầu cấp thiết nhằm đảm bảo vận hành an toàn và ổn định. Luận văn tập trung nghiên cứu mô phỏng hệ thống rơle bảo vệ quá dòng và bảo vệ so lệch dọc bằng phần mềm Matlab Simulink, đồng thời ứng dụng mô phỏng này vào mạng lưới Micro Grid có tích hợp nhà máy điện gió. Mục tiêu chính là đánh giá tính chọn lọc, độ nhạy và thời gian tác động của các rơle bảo vệ trong điều kiện có sự cố ngắn mạch, từ đó đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả bảo vệ. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng các dạng sự cố ngắn mạch trên đường dây truyền tải 110 kV và mạng Micro Grid trong khoảng thời gian mô phỏng 2 giây, với dữ liệu thực nghiệm từ hệ thống điện tại Việt Nam. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy vận hành hệ thống điện, đặc biệt trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ các nguồn năng lượng tái tạo và mạng lưới điện thông minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính trong bảo vệ hệ thống điện:

  1. Bảo vệ quá dòng điện (BVQDĐ): Nguyên tắc tác động dựa trên việc phát hiện dòng điện vượt quá giá trị định trước. Bao gồm các loại bảo vệ dòng điện cực đại, bảo vệ dòng điện cắt nhanh và bảo vệ dòng điện ba cấp. Các khái niệm chính gồm dòng khởi động, độ nhạy bảo vệ, thời gian tác động và đặc tính thời gian độc lập hoặc phụ thuộc dòng điện.

  2. Bảo vệ so lệch dọc (BVSL): Dựa trên định luật Kirchhoff, tổng vectơ dòng điện vào và ra khỏi vùng bảo vệ bằng không nếu không có sự cố bên trong. BVSL phân biệt chính xác sự cố trong và ngoài vùng bảo vệ, có tính chọn lọc tuyệt đối. Các khái niệm quan trọng gồm sơ đồ vòng tuần hoàn, sơ đồ cân bằng áp, dòng không cân bằng, dòng khởi động và các biện pháp nâng cao độ nhạy như dùng máy biến dòng bão hòa trung gian và rơle có tác động hãm.

Các mô hình lý thuyết này được áp dụng để xây dựng thuật toán và mô phỏng rơle bảo vệ trên Matlab Simulink, từ đó phân tích hiệu quả bảo vệ trong mạng Micro Grid có tích hợp nguồn điện gió.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số dựa trên phần mềm Matlab Simulink. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm hệ thống điện ba pha 110 kV với công suất ngắn mạch 500 MVA, đường dây truyền tải dài 400 km, hai phụ tải với công suất lần lượt 10 MW và 15 MW. Các sự cố ngắn mạch ba pha, một pha, hai pha được mô phỏng tại nhiều vị trí khác nhau trên đường dây và trong mạng Micro Grid. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng các trường hợp điển hình nhằm đánh giá tính chọn lọc và độ nhạy của rơle bảo vệ.

Phân tích dữ liệu dựa trên tín hiệu dòng điện thu được, sử dụng phân tích Fourier để xác định biên độ và pha dòng điện, so sánh với dòng khởi động để xác định tín hiệu trip. Timeline nghiên cứu kéo dài trong 2 giây mô phỏng cho mỗi trường hợp sự cố, đảm bảo thu thập đủ dữ liệu để đánh giá thời gian tác động và độ chính xác của bảo vệ. Kết quả được đối chiếu với các tiêu chuẩn bảo vệ và nghiên cứu trong ngành để đánh giá hiệu quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ nhạy và tính chọn lọc của bảo vệ quá dòng: Mô phỏng cho thấy rơle bảo vệ quá dòng với đặc tính thời gian phụ thuộc có thể đảm bảo tính chọn lọc tốt khi dòng khởi động được cài đặt ở mức 300 A cho pha chính và 90 A cho dòng không cân bằng, với thời gian tác động phù hợp. Dòng 3 pha qua bảo vệ trong điều kiện bình thường có biên độ ổn định, tín hiệu trip không thay đổi, chứng tỏ bảo vệ không tác động sai.

  2. Hiệu quả bảo vệ so lệch dọc trong mạng Micro Grid: Rơle so lệch dọc thể hiện khả năng phân biệt chính xác sự cố trong vùng bảo vệ, với tín hiệu trip rõ ràng khi xảy ra ngắn mạch pha A chạm đất hoặc ngắn mạch ba pha. Độ nhạy bảo vệ được nâng cao nhờ sử dụng rơle có tác động hãm và máy biến dòng bão hòa trung gian, giảm thiểu ảnh hưởng của dòng không cân bằng.

  3. Ảnh hưởng của tần số thay đổi: Mô phỏng cho thấy sự thay đổi tần số nguồn 220 kV ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của bảo vệ so lệch, tuy nhiên với thiết lập thông số phù hợp, bảo vệ vẫn duy trì độ tin cậy và thời gian tác động ổn định.

  4. Thời gian tác động và độ chính xác: Thời gian tác động của bảo vệ quá dòng và so lệch dọc được điều chỉnh theo nguyên tắc bậc thang, đảm bảo bảo vệ gần sự cố cắt nhanh hơn bảo vệ xa sự cố. Ví dụ, bậc thời gian được chọn trong khoảng 0.5 giây đến 1 giây tùy loại rơle, phù hợp với yêu cầu vận hành thực tế.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng khẳng định tính hiệu quả của việc ứng dụng Matlab Simulink trong mô phỏng và phân tích rơle bảo vệ, giúp đánh giá chính xác các thông số cài đặt và hiệu suất bảo vệ. So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả tương đồng về đặc tính thời gian và độ nhạy, đồng thời bổ sung thêm phân tích ảnh hưởng của nguồn năng lượng tái tạo trong mạng Micro Grid. Việc sử dụng rơle có tác động hãm và máy biến dòng bão hòa trung gian là giải pháp thực tiễn để nâng cao độ nhạy và giảm sai số do dòng không cân bằng, phù hợp với các hệ thống điện hiện đại có nhiều nguồn phân tán.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ dòng điện 3 pha, tín hiệu trip theo thời gian, và bảng so sánh thời gian tác động giữa các loại rơle, giúp trực quan hóa hiệu quả bảo vệ và hỗ trợ điều chỉnh thông số phù hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa dòng khởi động và thời gian tác động: Đề nghị điều chỉnh dòng khởi động rơle quá dòng trong khoảng 300 A cho pha chính và 90 A cho dòng không cân bằng, kết hợp thời gian tác động bậc thang từ 0.5 đến 1 giây nhằm đảm bảo tính chọn lọc và giảm thiểu tác động sai. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư vận hành hệ thống điện, thời gian áp dụng trong vòng 6 tháng.

  2. Ứng dụng rơle so lệch có tác động hãm và máy biến dòng bão hòa trung gian: Khuyến nghị sử dụng các thiết bị này để nâng cao độ nhạy và tính đảm bảo của bảo vệ so lệch dọc, đặc biệt trong mạng Micro Grid có nguồn năng lượng tái tạo. Chủ thể thực hiện là các nhà thiết kế hệ thống và nhà cung cấp thiết bị, thời gian triển khai trong 1 năm.

  3. Phát triển mô phỏng mở rộng các chức năng bảo vệ: Tiếp tục nghiên cứu và mô phỏng các chức năng bảo vệ khác như bảo vệ chạm đất, bảo vệ quá áp để hoàn thiện hệ thống bảo vệ toàn diện cho Micro Grid. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu và trung tâm đào tạo, thời gian nghiên cứu 1-2 năm.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mô phỏng và vận hành rơle bảo vệ cho kỹ sư vận hành và bảo trì nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và xử lý sự cố nhanh chóng. Chủ thể thực hiện là các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành, thời gian thực hiện liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống điện: Nghiên cứu giúp hiểu rõ nguyên lý và cách thức vận hành của các loại rơle bảo vệ, từ đó nâng cao khả năng phát hiện và xử lý sự cố nhanh chóng, giảm thiểu thời gian mất điện.

  2. Nhà thiết kế và tư vấn hệ thống điện: Cung cấp cơ sở khoa học và công cụ mô phỏng để thiết kế hệ thống bảo vệ phù hợp với mạng lưới có tích hợp nguồn năng lượng tái tạo, đảm bảo tính ổn định và tin cậy.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết và ứng dụng mô phỏng bảo vệ hệ thống điện, hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu khoa học.

  4. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ tác động của các nguồn năng lượng tái tạo đến hệ thống bảo vệ, từ đó xây dựng các chính sách phát triển lưới điện thông minh và bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bảo vệ quá dòng điện hoạt động như thế nào trong hệ thống điện?
    Bảo vệ quá dòng điện tác động khi dòng điện vượt quá giá trị định trước, sử dụng các rơle dòng điện cực đại hoặc cắt nhanh để phát hiện và ngắt sự cố, đảm bảo an toàn cho thiết bị và hệ thống.

  2. Tại sao cần sử dụng bảo vệ so lệch dọc trong mạng Micro Grid?
    Bảo vệ so lệch dọc có tính chọn lọc tuyệt đối, phân biệt chính xác sự cố trong vùng bảo vệ, rất phù hợp với mạng Micro Grid có nhiều nguồn phân tán như điện gió, giúp giảm thiểu ảnh hưởng sự cố và nâng cao độ tin cậy.

  3. Máy biến dòng bão hòa trung gian có vai trò gì trong bảo vệ so lệch?
    Máy biến dòng bão hòa trung gian giúp lọc thành phần không chu kỳ của dòng ngắn mạch, giảm dòng không cân bằng thứ cấp, từ đó nâng cao độ nhạy và tính chính xác của bảo vệ so lệch.

  4. Làm thế nào để điều chỉnh thời gian tác động của rơle bảo vệ?
    Thời gian tác động được điều chỉnh theo nguyên tắc bậc thang, sao cho bảo vệ gần sự cố cắt nhanh hơn bảo vệ xa sự cố, đảm bảo tính chọn lọc và tránh cắt nhầm.

  5. Ảnh hưởng của tần số nguồn điện đến bảo vệ so lệch như thế nào?
    Sự thay đổi tần số có thể ảnh hưởng đến đặc tính làm việc của bảo vệ so lệch, tuy nhiên với thiết lập thông số phù hợp, bảo vệ vẫn duy trì độ tin cậy và thời gian tác động ổn định trong phạm vi tần số vận hành bình thường.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng rơle bảo vệ quá dòng và so lệch dọc trên Matlab Simulink, ứng dụng hiệu quả trong mạng Micro Grid có nguồn điện gió.
  • Đã đánh giá được tính chọn lọc, độ nhạy và thời gian tác động của các loại rơle bảo vệ qua các trường hợp sự cố ngắn mạch điển hình.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả bảo vệ như sử dụng rơle có tác động hãm, máy biến dòng bão hòa trung gian và điều chỉnh thông số bảo vệ phù hợp.
  • Nghiên cứu mở hướng phát triển mô phỏng các chức năng bảo vệ khác và đào tạo nâng cao năng lực vận hành hệ thống điện hiện đại.
  • Khuyến khích các kỹ sư, nhà thiết kế và nhà quản lý ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao độ tin cậy và ổn định của hệ thống điện trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo.

Hành động tiếp theo là triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong vận hành thực tế và mở rộng nghiên cứu mô phỏng các chức năng bảo vệ bổ sung nhằm hoàn thiện hệ thống bảo vệ cho mạng Micro Grid.