I. Tổng Quan Về Mô Phỏng Rơle Bảo Vệ trong Micro Grid
Luận văn tập trung vào nghiên cứu sự phối hợp giữa các bảo vệ quá dòng, bảo vệ so lệch dọc, cùng với độ chính xác và tin cậy của rơle bảo vệ khi có sự cố từ trên đường dây hoặc từ nhà máy năng lượng tái tạo điện gió Micro Grid. Mục tiêu là mô phỏng lại đường dây và các sự cố trên đường dây truyền tải sử dụng phần mềm Matlab Simulink. Nghiên cứu này dựa trên các tài liệu lý thuyết trong và ngoài nước, đặc biệt là sách 'Design, modeling and evaluation of protective relays for power systems' của nhóm tác giả M Kezunovic. Matlab Simulink được sử dụng để xây dựng mô hình thuật toán của các rơle bảo vệ, từ đó mô phỏng lại đường dây, hệ thống Micro Grid và các sự cố ngắn mạch. Cuối cùng, so sánh, đối chiếu kết quả và đưa ra nhận xét.
1.1. Lý Do Chọn Nghiên Cứu Mô Phỏng Hệ Thống Điện
Trong quá trình vận hành hệ thống điện, các sự cố ngắn mạch, quá tải và các tình huống làm việc bất thường của các phần tử có thể xảy ra. Sự cố thường đi kèm với sự tăng đột ngột của dòng điện và giảm điện áp. Việc nghiên cứu giải thuật, nguyên lý hoạt động của bảo vệ quá dòng và bảo vệ so lệch dọc bằng Matlab/Simulink cho phép xây dựng mô hình rơle bảo vệ dựa trên các giải thuật khác nhau. Kết hợp với các khối thiết bị có sẵn trong thư viện mô phỏng, có thể tiến hành mô phỏng các dạng sự cố và phân tích sự làm việc của rơle. Điều này giúp đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến sự làm việc của rơle bảo vệ và đưa ra các điều chỉnh phù hợp.
1.2. Mục Tiêu và Ý Nghĩa Thực Tiễn Của Mô Phỏng Rơle
Đề tài 'Mô phỏng hệ thống rơle bảo vệ bằng Matlab Simulink và ứng dụng mô phỏng vào mạng lưới Micro Grid' được thực hiện nhằm tìm hiểu giải thuật số, sơ đồ logic của rơle bảo vệ quá dòng và rơle bảo vệ so lệch dọc. Đồng thời, thực hiện các mô phỏng sự làm việc của chúng dựa trên MATLAB/Simulink. Từ đó, áp dụng mô phỏng bảo vệ so lệch dọc vào hệ thống lưới điện Micro Grid có máy phát điện gió. Việc mô phỏng giúp đánh giá hiệu quả của các thuật toán bảo vệ rơle trong các điều kiện vận hành khác nhau.
II. Bảo Vệ Quá Dòng Điện Nguyên Tắc Tính Toán Cơ Bản
Bảo vệ quá dòng điện (BVQDĐ) là loại bảo vệ tác động khi dòng điện qua chỗ đặt thiết bị bảo vệ tăng quá giá trị định trước. BVQDĐ có thể là bảo vệ dòng điện cực đại (BVDĐCĐ) hoặc bảo vệ dòng điện cắt nhanh (BVCN). Sự khác biệt nằm ở cách đảm bảo yêu cầu tác động chọn lọc và vùng bảo vệ tác động. BVDĐCĐ sử dụng thời gian trễ thích hợp để đảm bảo tác động chọn lọc, trong khi BVCN chọn dòng khởi động thích hợp. Vùng bảo vệ của BVDĐCĐ bao gồm cả phần tử được bảo vệ và lân cận, còn BVCN chỉ bảo vệ một phần của phần tử được bảo vệ.
2.1. Phân Loại và Nguyên Tắc Tác Động Của Bảo Vệ Quá Dòng
Với bảo vệ dòng điện cực đại, khi làm việc có thời gian trì hoãn lại được chia thành 2 loại tương ứng với cách lựa chọn thời gian trì hoãn. Khi thời gian trì hoãn được lựa chọn một cách độc lập không phụ thuộc vào các thông số khác trong quá trình hoạt động ta có loại “rơle đặc tính thời gian độc lập”. Khi thời gian trì hoãn phụ thuộc dòng điện qua bảo vệ ta có loại “rơle đặc tính thời gian phụ thuộc”. Bảo vệ dòng điện cực đại gồm 2 bộ phận chính: Bộ phận khởi động và bộ phận tạo thời gian trì hoãn.
2.2. Tính Toán Dòng Khởi Động Cho Rơle Bảo Vệ Quá Dòng
Theo nguyên tắc tác động, dòng khởi động I kd của bảo vệ phải lớn hơn dòng điện phụ tải cực đại qua chỗ đặt bảo vệ. Tuy nhiên, việc lựa chọn dòng khởi động còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác. Đối với các rơle quá dòng điện, dòng điện khởi động thường được chọn theo điều kiện: I kd = (kat × kmm × I lvmax)/ktv. Trong đó các hệ số kat, kmm, ktv được chọn dựa trên các yếu tố như dòng điện làm việc lớn nhất, hệ số an toàn, hệ số mở máy của phụ tải.
III. Mô Phỏng Rơle Bảo Vệ So Lệch Ứng Dụng trong Micro Grid
Bảo vệ so lệch là một phương pháp bảo vệ hệ thống điện dựa trên việc so sánh dòng điện vào và ra khỏi một vùng được bảo vệ. Nếu có sự khác biệt đáng kể giữa hai dòng điện này, điều đó chỉ ra có sự cố xảy ra trong vùng và rơle bảo vệ sẽ tác động. Mô phỏng rơle bảo vệ so lệch trong Matlab Simulink giúp kiểm tra và đánh giá hiệu quả của thuật toán bảo vệ trong các tình huống khác nhau, đặc biệt trong mạng lưới Micro Grid với nhiều nguồn năng lượng phân tán.
3.1. Nguyên Tắc Hoạt Động và Sơ Đồ Mạch Bảo Vệ So Lệch
Bảo vệ so lệch hoạt động dựa trên nguyên tắc so sánh dòng điện vào và dòng điện ra khỏi một vùng bảo vệ. Khi không có sự cố, tổng dòng điện vào bằng tổng dòng điện ra và rơle không tác động. Tuy nhiên, khi xảy ra sự cố bên trong vùng bảo vệ, sự khác biệt giữa dòng điện vào và dòng điện ra sẽ tạo ra dòng điện so lệch, làm rơle tác động và cắt mạch.
3.2. Các Biện Pháp Nâng Cao Độ Nhạy Cho Bảo Vệ So Lệch
Để nâng cao độ nhạy và tính đảm bảo của bảo vệ so lệch, một số biện pháp thường được sử dụng. Ví dụ, nối các rơle qua máy biến dòng trung gian bão hòa (MBI). Các loại MBI bao gồm MBI bão hòa loại thường và MBI loại tác động mạnh. Ngoài ra, sử dụng rơle so lệch có hãm cũng là một giải pháp hiệu quả để tránh tác động sai do dòng không cân bằng.
3.3. Ứng Dụng Bảo Vệ So Lệch Trong Mạng Lưới Micro Grid
Việc ứng dụng bảo vệ so lệch trong mạng lưới Micro Grid là rất quan trọng để bảo vệ các thành phần như máy phát, máy biến áp và đường dây. Micro Grid thường có nhiều nguồn năng lượng phân tán, do đó sự phối hợp bảo vệ trở nên phức tạp. Mô phỏng giúp kiểm tra và tối ưu hóa các cài đặt của rơle so lệch để đảm bảo tác động chính xác và nhanh chóng khi có sự cố.
IV. Matlab Simulink Công Cụ Mô Phỏng Hệ Thống Rơle Bảo Vệ
Matlab Simulink là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng hệ thống điện, bao gồm cả rơle bảo vệ. Với Simulink, có thể xây dựng mô hình chi tiết của các rơle, đường dây, máy biến áp và các thành phần khác của hệ thống điện. Sau đó, tiến hành mô phỏng các sự cố khác nhau và phân tích hoạt động của rơle bảo vệ.
4.1. Xây Dựng Mô Hình Rơle Quá Dòng Trong Simulink
Để xây dựng mô hình rơle quá dòng trong Simulink, cần thiết lập các thông số đầu vào như dòng điện định mức, thời gian tác động, và các thông số của đường dây. Sau đó, sử dụng các khối chức năng có sẵn trong thư viện Simulink để mô phỏng các thành phần của rơle, bao gồm bộ phận khởi động, bộ phận tạo thời gian trễ và bộ phận cắt.
4.2. Thiết Lập Thông Số và Xây Dựng Sơ Đồ Mô Phỏng
Việc thiết lập thông số cho các khối nguồn, đường dây, phụ tải là bước quan trọng để đảm bảo tính chính xác của mô phỏng. Thông số đường dây bao gồm điện trở, điện cảm và điện dung trên một đơn vị chiều dài. Thông số phụ tải bao gồm công suất tác dụng và công suất phản kháng.
4.3. Lưu Đồ Giải Thuật Rơle Quá Dòng trong Simulink
Lưu đồ giải thuật của rơle quá dòng mô tả quá trình hoạt động của rơle từ khi phát hiện dòng điện vượt quá ngưỡng đặt đến khi phát tín hiệu cắt. Lưu đồ này bao gồm các bước như đo dòng điện, so sánh với ngưỡng đặt, tạo thời gian trễ và phát tín hiệu cắt nếu dòng điện vượt quá ngưỡng trong thời gian trễ.
V. Kết Quả Mô Phỏng Đánh Giá Phân Tích Hoạt Động Rơle Bảo Vệ
Các kết quả mô phỏng từ Matlab Simulink cung cấp thông tin quan trọng về hoạt động của rơle bảo vệ trong các tình huống khác nhau. Phân tích các kết quả mô phỏng giúp đánh giá tính chọn lọc, độ nhạy và thời gian tác động của rơle. Điều này rất quan trọng để đảm bảo hệ thống điện được bảo vệ hiệu quả.
5.1. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng Rơle Quá Dòng
Các kết quả mô phỏng rơle quá dòng cho thấy dòng điện qua các bảo vệ khi hệ thống làm việc bình thường và khi xảy ra sự cố ngắn mạch. Tín hiệu Trip từ bảo vệ cho biết thời điểm rơle tác động cắt mạch. Phân tích các tín hiệu này giúp đánh giá khả năng bảo vệ của rơle.
5.2. Đánh Giá Ảnh Hưởng Của Tần Số Đến Bảo Vệ So Lệch
Sự thay đổi tần số có thể ảnh hưởng đến hoạt động của bảo vệ so lệch, đặc biệt trong mạng lưới Micro Grid với các nguồn năng lượng tái tạo. Việc mô phỏng với tần số thay đổi giúp đánh giá ảnh hưởng này và điều chỉnh các cài đặt của rơle để đảm bảo hoạt động ổn định.
VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Về Mô Phỏng Rơle
Luận văn đã đưa ra được một số kết quả cơ bản đánh giá được tính chọn lọc và thời gian tác động của Rơle bảo vệ quá dòng và Rơle bảo vệ so lệch dọc ứng dụng trên mạng lưới Micro Grid. Tuy nhiên, kết quả mô phỏng còn một số thiếu sót nhất định như chưa thể lập trình mô phỏng hoàn chỉnh đối với một lưới điện Micro Grid với đầy đủ các chức năng bảo vệ đã đề ra.
6.1. Các Kết Luận Chính Từ Nghiên Cứu Mô Phỏng Rơle
Kết quả nghiên cứu đã đánh giá được khả năng làm việc của các thuật toán bảo vệ trong mạng lưới Micro Grid, tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế cần khắc phục. Các kết quả thu được là tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo.
6.2. Hướng Phát Triển Tiềm Năng Cho Mô Phỏng Bảo Vệ Rơle
Phát triển mô phỏng các chức năng bảo vệ khác để ứng dụng trên mạng lưới Micro Grid. So sánh đặc tính làm việc, độ tin cậy, độ nhạy, tính chọn lọc giữa các bảo vệ. Nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của các nguồn năng lượng tái tạo đến hoạt động của hệ thống bảo vệ.
