Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam đang chứng kiến sự gia tăng nhanh chóng nhu cầu sử dụng điện năng, với tốc độ tiêu thụ điện năng tăng gấp đôi so với mức tăng trưởng GDP. Theo báo cáo của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), trong 7 tháng đầu năm 2022, sản lượng điện toàn hệ thống đạt 158,02 tỷ kWh, trong đó điện mặt trời chiếm 10,47% với 16,54 tỷ kWh. Sự phát triển mạnh mẽ của điện mặt trời áp mái tại các đô thị lớn như Hà Nội đã tạo ra nhiều cơ hội nhưng cũng đặt ra thách thức lớn đối với hệ thống điện phân phối, đặc biệt là hệ thống bảo vệ rơ le (RLBV).

Nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của điện mặt trời áp mái đến hệ thống bảo vệ rơ le trên xuất tuyến 35kV 370 E1.4 Hà Đông, nhằm xác định công suất lắp đặt tới hạn của nguồn điện mặt trời để đảm bảo hệ thống bảo vệ hoạt động chính xác, an toàn và ổn định. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích dòng ngắn mạch, thời gian tác động của RLBV trong các kịch bản sự cố khác nhau, sử dụng phần mềm mô phỏng ETAP để đánh giá sự phối hợp bảo vệ trên lưới phân phối tại Hà Nội.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ giúp đảm bảo vận hành an toàn, tin cậy cho hệ thống điện phân phối mà còn hỗ trợ các nhà quản lý và kỹ sư trong việc điều chỉnh, thiết kế hệ thống bảo vệ phù hợp với xu hướng phát triển năng lượng tái tạo, góp phần thúc đẩy phát triển bền vững ngành điện Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết lưới điện phân phối trung áp: Bao gồm cấu trúc lưới điện, đặc điểm vận hành và các loại bảo vệ phổ biến như bảo vệ quá dòng có thời gian, bảo vệ quá dòng cắt nhanh, bảo vệ chạm đất, và thiết bị tự động đóng lại (Recloser). Lưới phân phối trung áp tại Việt Nam thường có điện áp 6kV đến 35kV, với cấu trúc hình tia hoặc mạch vòng kín vận hành hở.

  • Mô hình hệ thống điện mặt trời áp mái: Hệ thống điện mặt trời gồm pin mặt trời, bộ điều khiển sạc MPPT, bộ nghịch lưu (inverter), ắc quy và các phụ kiện khác. Phân loại hệ thống gồm hệ thống độc lập (off-grid) và hệ thống kết nối lưới (on-grid). Nguồn điện mặt trời kết nối lưới có ảnh hưởng đến dòng ngắn mạch, chất lượng điện năng và sự phối hợp bảo vệ.

  • Khái niệm bảo vệ rơ le và phối hợp bảo vệ: Rơ le bảo vệ quá dòng có nhiệm vụ phát hiện và cách ly sự cố trên lưới điện. Sự phối hợp bảo vệ đảm bảo các thiết bị bảo vệ hoạt động theo thứ tự ưu tiên, tránh cắt điện diện rộng không cần thiết. Sự xuất hiện của nguồn điện mặt trời làm thay đổi dòng sự cố, ảnh hưởng đến độ nhạy và phạm vi bảo vệ của rơ le.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ lưới điện phân phối xuất tuyến 35kV 370 E1.4 Hà Đông, bao gồm thông số kỹ thuật đường dây, máy biến áp, rơ le bảo vệ và các nguồn điện mặt trời áp mái đang vận hành.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm mô phỏng ETAP để tính toán dòng ngắn mạch trong các kịch bản sự cố khác nhau (ngắn mạch 3 pha, 2 pha, chạm đất) tại các vị trí khác nhau trên lưới điện có và không có nguồn điện mặt trời. Phân tích sự thay đổi dòng sự cố, thời gian tác động của rơ le và sự phối hợp bảo vệ.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình lưới điện được xây dựng dựa trên dữ liệu thực tế của xuất tuyến 35kV 370 E1.4 Hà Đông, đại diện cho lưới phân phối trung áp tại khu vực đô thị Hà Nội. Các kịch bản sự cố được giả định tại nhiều điểm khác nhau để đánh giá toàn diện ảnh hưởng của nguồn điện mặt trời.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2022-2023, bao gồm thu thập dữ liệu, mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Gia tăng dòng ngắn mạch do nguồn điện mặt trời: Kết quả mô phỏng cho thấy dòng ngắn mạch tại các điểm sự cố tăng trung bình từ 10% đến 25% khi có nguồn điện mặt trời áp mái kết nối, đặc biệt tại các vị trí gần nguồn NLMT. Ví dụ, dòng ngắn mạch 3 pha tại nút 4 tăng từ 3,2 kA lên 3,9 kA trong kịch bản có nguồn NLMT.

  2. Giảm phạm vi bảo vệ của rơ le quá dòng: Sự đóng góp dòng sự cố từ nguồn điện mặt trời làm giảm dòng điện sự cố đo được tại đầu đường dây, khiến rơ le bảo vệ quá dòng có thể bỏ sót các sự cố có tổng trở lớn ở cuối đường dây. Phạm vi bảo vệ giảm khoảng 15-20% so với khi không có nguồn NLMT.

  3. Ảnh hưởng đến sự phối hợp bảo vệ giữa các đường dây: Nguồn điện mặt trời làm thay đổi thời gian tác động của các thiết bị bảo vệ, gây ra hiện tượng cắt không mong muốn hoặc cắt chậm. Ví dụ, tự động đóng lại trên đường dây số 2 cần điều chỉnh thời gian trễ tăng 0,5-1 giây để tránh cắt nhầm khi sự cố xảy ra trên đường dây số 1.

  4. Giảm độ nhạy của bảo vệ chạm đất: Dòng điện thứ tự không giảm do sự chia sẻ dòng điện giữa máy biến áp nguồn NLMT và hệ thống, làm giảm khả năng phát hiện sự cố chạm đất nhỏ. Thời gian tác động của rơ le chạm đất tăng trung bình 10-15% khi có nguồn NLMT.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các ảnh hưởng trên là do nguồn điện mặt trời áp mái cung cấp dòng điện ngắn mạch bổ sung trong các chế độ sự cố, làm thay đổi đặc tính dòng điện tại các điểm bảo vệ. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành điện về tác động của nguồn năng lượng tái tạo đến hệ thống bảo vệ.

Việc giảm phạm vi bảo vệ và độ nhạy của rơ le có thể dẫn đến nguy cơ không phát hiện kịp thời sự cố, gây mất an toàn và giảm độ tin cậy cung cấp điện. Sự thay đổi trong phối hợp bảo vệ đòi hỏi phải điều chỉnh lại các thông số cài đặt rơ le và thiết bị tự động đóng lại để đảm bảo hoạt động chính xác.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh dòng ngắn mạch và thời gian tác động của rơ le trong các kịch bản có và không có nguồn NLMT, cũng như bảng tổng hợp các giá trị dòng sự cố và thời gian cắt tương ứng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh thông số rơ le bảo vệ quá dòng và chạm đất: Cần rà soát và hiệu chỉnh lại dòng khởi động và thời gian tác động của rơ le để đảm bảo phạm vi bảo vệ không bị thu hẹp khi có nguồn điện mặt trời áp mái. Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể: Công ty Điện lực Hà Nội.

  2. Áp dụng bảo vệ quá dòng có hướng: Thay thế hoặc bổ sung bảo vệ quá dòng không hướng bằng bảo vệ có hướng để nâng cao độ chính xác trong phát hiện sự cố và phối hợp bảo vệ giữa các đường dây. Thời gian thực hiện: 12 tháng; Chủ thể: Ban kỹ thuật lưới điện.

  3. Tăng cường giám sát và mô phỏng định kỳ: Sử dụng phần mềm mô phỏng như ETAP để đánh giá ảnh hưởng của các nguồn NLMT mới kết nối, từ đó kịp thời điều chỉnh hệ thống bảo vệ. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: Trung tâm điều độ hệ thống điện.

  4. Xác định công suất lắp đặt tới hạn của nguồn điện mặt trời: Dựa trên kết quả mô phỏng, công suất tới hạn trên xuất tuyến 35kV 370 E1.4 Hà Đông được xác định khoảng X MW để không ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống bảo vệ. Việc này giúp quản lý và quy hoạch nguồn NLMT hiệu quả. Thời gian thực hiện: 3 tháng; Chủ thể: Sở Công Thương và EVN.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư vận hành và bảo trì lưới điện phân phối: Nắm bắt ảnh hưởng của nguồn điện mặt trời đến hệ thống bảo vệ, từ đó điều chỉnh thiết bị bảo vệ phù hợp, nâng cao độ tin cậy vận hành.

  2. Nhà quản lý ngành điện và quy hoạch năng lượng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách phát triển nguồn điện mặt trời áp mái, xác định công suất lắp đặt tối ưu, đảm bảo an toàn và hiệu quả hệ thống điện.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tham khảo phương pháp mô phỏng, phân tích ảnh hưởng của nguồn năng lượng tái tạo đến hệ thống điện phân phối, phục vụ cho các nghiên cứu chuyên sâu.

  4. Nhà cung cấp thiết bị bảo vệ và inverter: Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và ảnh hưởng của nguồn điện mặt trời đến hệ thống bảo vệ để phát triển sản phẩm phù hợp, đáp ứng tiêu chuẩn vận hành.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nguồn điện mặt trời áp mái ảnh hưởng như thế nào đến hệ thống bảo vệ rơ le?
    Nguồn điện mặt trời cung cấp dòng ngắn mạch bổ sung trong sự cố, làm tăng dòng sự cố tổng thể và thay đổi đặc tính dòng điện tại điểm bảo vệ, dẫn đến giảm phạm vi bảo vệ và độ nhạy của rơ le.

  2. Công suất lắp đặt tới hạn của nguồn điện mặt trời là gì?
    Là mức công suất tối đa của nguồn điện mặt trời kết nối vào lưới phân phối mà không làm ảnh hưởng đến hoạt động chính xác của hệ thống bảo vệ. Nghiên cứu xác định công suất tới hạn khoảng X MW trên xuất tuyến 35kV 370 E1.4 Hà Đông.

  3. Tại sao cần điều chỉnh lại thông số rơ le khi có nguồn điện mặt trời?
    Do dòng sự cố thay đổi, rơ le có thể không phát hiện được sự cố hoặc cắt nhầm, gây mất an toàn và giảm độ tin cậy. Điều chỉnh giúp đảm bảo rơ le hoạt động chính xác, phối hợp tốt với các thiết bị khác.

  4. Bảo vệ quá dòng có hướng có ưu điểm gì?
    Bảo vệ quá dòng có hướng giúp xác định chính xác hướng dòng sự cố, nâng cao độ chọn lọc và giảm thiểu cắt nhầm, đặc biệt hiệu quả khi có nhiều nguồn điện phân tán như điện mặt trời.

  5. Phần mềm ETAP được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    ETAP được dùng để mô phỏng lưới điện, tính toán dòng ngắn mạch và thời gian tác động của rơ le trong các kịch bản sự cố khác nhau, giúp đánh giá ảnh hưởng của nguồn điện mặt trời đến hệ thống bảo vệ.

Kết luận

  • Nguồn điện mặt trời áp mái làm tăng dòng ngắn mạch và ảnh hưởng đến phạm vi, độ nhạy của hệ thống bảo vệ rơ le trên lưới phân phối trung áp.
  • Phạm vi bảo vệ của rơ le giảm khoảng 15-20%, đòi hỏi phải điều chỉnh thông số bảo vệ để đảm bảo an toàn vận hành.
  • Sự phối hợp bảo vệ giữa các thiết bị trên lưới điện bị ảnh hưởng, cần áp dụng bảo vệ quá dòng có hướng và điều chỉnh thời gian tác động.
  • Công suất lắp đặt tới hạn của nguồn điện mặt trời trên xuất tuyến 35kV 370 E1.4 Hà Đông được xác định để không gây ảnh hưởng đến hệ thống bảo vệ.
  • Các bước tiếp theo bao gồm điều chỉnh thiết bị bảo vệ, giám sát thường xuyên và quy hoạch công suất NLMT phù hợp nhằm đảm bảo vận hành ổn định, tin cậy.

Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn quan trọng cho việc phát triển hệ thống điện phân phối tích hợp năng lượng tái tạo tại Việt Nam. Đề nghị các đơn vị liên quan áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành hệ thống điện.