Luận văn thạc sĩ thiết bị mạng và nhà máy điện khảo sát mô hình dg phân tích ngắn mạch và ảnh hưởng của dg lên phối hợp bảo vệ

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu thiết bị mạng và nhà máy điện khảo sát mô hình dg phân tích ngắn mạch và ảnh hưởng của dg lên phối, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Đặng Tuấn Khanh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoàng Việt
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
• Đề tài: Phân Tích Ngắn Mạch Trong Thiết Bị Mạng Và Nhà Máy Điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN PHÂN BỐ
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Định nghĩa nguồn phân bố
• 1.3. Các nguồn năng lượng có thể sử dụng cho DG
• 1.3.1. Pin quang điện
• 1.3.2. Năng lượng nhiệt quang
• 1.3.3. Năng lượng gió
• 1.3.4. Tổ hợp nhiệt điện
• 1.3.5. Pin nhiên liệu
• 1.3.6. Năng lượng sinh khối
• 1.3.6.1. Khái niệm năng lượng sinh khối
• 1.3.6.2. Sản xuất điện từ năng lượng sinh khối
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH VÀ PHỐI HỢP BẢO VỆ
• 2.1. Giải thuật tính toán dòng ngắn mạch
• 2.2. Phối hợp bảo vệ khi không có DG
• 2.2.1. Phối hợp cầu chì và cầu chì
• 2.2.2. Phối hợp Recloser và cầu chì
• 2.2.2.1. Phối hợp cầu chì phía tải
• 2.2.2.2. Phối hợp với cầu chì phía nguồn
• 2.2.3. Phối hợp Recloser và Rơle
• 2.3. Phối hợp bảo vệ khi có DG
• 2.4. Một số vấn đề ảnh hưởng DG
• 2.4.1. Khi ngắn mạch xảy ra đường dây lân cận
• 2.4.1.1. Mô tả mạch
• 2.4.1.2. Tính toán cỡ DG
• 2.4.2. Giảm khả năng nhận biết dòng ngắn mạch
• 2.4.3. Ngắn mạch xảy ra trong vùng của DG
• 2.4.4. Ảnh hưởng của DG liên quan đến Rơle dòng điện
• 2.4.5. Số lượng DG cần thêm vào hệ thống
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ
• 3.1. Các dạng mô hình cấu trúc máy phát điện gió
• 3.1.1. Dạng máy phát điện gió có Stato kết nối trực tiếp với hệ thống
• 3.1.2. Dạng máy phát điện gió kết nối với hệ thống thông qua bộ biến đổi AC/DC/AC
• 3.1.3. Cấu trúc máy phát điện gió có Stato kết nối với hệ thống
• 3.1.4. Cấu trúc máy phát điện gió có Stato và Roto đều kết nối vào hệ thống
• 3.2. Mô hình máy phát điện gió
• 3.3. Bộ bánh răng
• 3.4. Bộ điều khiển bánh răng
• 3.5. Bộ biến đổi (Điện tử công suất)
• 3.6. Hệ thống
• 4. CHƯƠNG 4: TƯƠNG ĐƯƠNG HỆ THỐNG NHIỀU MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ
• 4.1. Tương đương hệ thống nhiều máy phát điện gió
• 4.1.1. Các máy phát liên kết với nhau theo dạng nối tiếp
• 4.1.2. Các máy phát liên kết với nhau theo dạng song song
• 4.1.3. Các máy phát liên kết dạng song song nhưng mỗi nhánh gồm nhiều máy phát
• 4.1.4. Các máy phát vừa kết nối song song vừa nối tiếp
• 5. CHƯƠNG 5: KHẢO SÁT MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ KẾT NỐI VỚI LƯỚI PHÂN PHỐI
• 5.1. Khảo sát cánh đồng gió 6 MW nối với lưới phân phối
• 5.1.1. Đáp ứng của tuabin khi thay đổi tốc độ gió
• 5.1.1.1. Khi vận hành ở chế độ điều chỉnh điện áp
• 5.1.1.2. Khi vận hành ở chế độ điều chỉnh Var
• 5.1.2. Sự quá tốc của tuabin khi có cơn gió có vận tốc lớn
• 5.1.3. Sự cố ngắn mạch một pha chạm đất xảy ra tại thanh cái 25 kV
• 5.1.3.1. Khi vận hành ở chế độ điều chỉnh điện áp
• 5.1.3.2. Khi vận hành ở chế độ điều chỉnh Var
• 5.1.4. Sự cố ngắn mạch ba pha hoặc hai pha xảy ra tại thanh cái 25 kV
• 5.1.4.1. Khi thời gian sự cố > 0.2 (s)
• 5.1.4.2. Khi thời gian sự cố < 0.2 (s)
• 5.1.5. Sự cố ngắn mạch hai pha chạm nhau chạm đất tại thanh cái 25 kV
• 5.2. Khảo sát cánh đồng gió gồm ba nhóm (2*1.5MW) kết nối vào lưới phân phối
• 5.2.1. Đáp ứng của tuabin
• 5.2.2. Sự cố ngắn mạch
• 5.2.2.1. Sự cố ngắn mạch hai pha chạm nhau chạm đất tại đầu cực nhóm hai diễn ra trong 0.2 (s)
• 5.2.2.2. Sự cố ngắn mạch hai pha chạm nhau chạm đất tại đầu cực nhóm hai diễn ra trong 0.3 (s)
• 5.2.2.3. Sự cố ngắn mạch một pha diễn ra trong 0.5 (s) tại đầu cực nhóm hai có sử dụng STATCOM
• 5.2.2.4. Sự cố ngắn mạch ba pha diễn ra trong 0.5 (s) tại đầu cực nhóm hai có sử dụng STATCOM
• 5.2.3. Ảnh hưởng của STATCOM

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Phân Tích Ngắn Mạch

Phân tích ngắn mạch là một phần quan trọng trong thiết kế và vận hành của thiết bị mạng và nhà máy điện. Nó giúp xác định các điều kiện hoạt động của hệ thống điện khi xảy ra sự cố ngắn mạch. Việc này không chỉ đảm bảo an toàn cho thiết bị mà còn bảo vệ người vận hành. Phân tích ngắn mạch cho phép các kỹ sư đánh giá khả năng chịu đựng của các thiết bị điện và xác định các biện pháp bảo vệ cần thiết. Theo đó, việc thực hiện phân tích hệ thống điện là rất cần thiết để đảm bảo tính ổn định và an toàn cho toàn bộ hệ thống.

1.1 Định Nghĩa Phân Tích Ngắn Mạch

Phân tích ngắn mạch được định nghĩa là quá trình xác định dòng điện ngắn mạch trong một hệ thống điện khi có sự cố xảy ra. Điều này bao gồm việc tính toán các thông số như dòng điện ngắn mạch tối đa, điện áp và các yếu tố khác ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống. Việc này giúp các kỹ sư thiết kế các thiết bị bảo vệ phù hợp, đảm bảo rằng hệ thống có thể hoạt động an toàn trong mọi tình huống. Bảo vệ ngắn mạch là một phần không thể thiếu trong thiết kế hệ thống điện, giúp ngăn ngừa thiệt hại cho thiết bị và đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

1.2 Tầm Quan Trọng Của Phân Tích Ngắn Mạch

Tầm quan trọng của phân tích ngắn mạch không chỉ nằm ở việc bảo vệ thiết bị mà còn ở việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điện. Khi thực hiện phân tích này, các kỹ sư có thể xác định được các điểm yếu trong hệ thống và đưa ra các giải pháp cải thiện. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu rủi ro mà còn tiết kiệm chi phí vận hành. Hơn nữa, việc quản lý năng lượng hiệu quả cũng phụ thuộc vào khả năng phân tích và dự đoán các tình huống ngắn mạch có thể xảy ra trong hệ thống.

II. Các Phương Pháp Phân Tích Ngắn Mạch

Có nhiều phương pháp khác nhau để thực hiện phân tích ngắn mạch trong hệ thống điện. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với từng loại hệ thống và yêu cầu cụ thể. Các phương pháp phổ biến bao gồm phương pháp dòng điện, phương pháp điện áp và phương pháp mô hình hóa. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa kết quả phân tích và đảm bảo tính chính xác trong việc dự đoán các tình huống có thể xảy ra.

2.1 Phương Pháp Dòng Điện

Phương pháp dòng điện là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong phân tích ngắn mạch. Phương pháp này dựa trên việc tính toán dòng điện ngắn mạch tối đa có thể xảy ra trong hệ thống. Các kỹ sư sử dụng các công thức và mô hình để xác định các thông số cần thiết, từ đó đưa ra các biện pháp bảo vệ phù hợp. Phương pháp này thường được áp dụng cho các hệ thống điện lớn, nơi mà dòng điện ngắn mạch có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho thiết bị.

2.2 Phương Pháp Điện Áp

Phương pháp điện áp tập trung vào việc phân tích các thay đổi về điện áp trong hệ thống khi xảy ra ngắn mạch. Phương pháp này giúp xác định các điểm yếu trong hệ thống và đưa ra các giải pháp cải thiện. Việc phân tích điện áp cũng giúp đảm bảo rằng các thiết bị bảo vệ hoạt động hiệu quả trong mọi tình huống. Điều này rất quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của hệ thống điện và đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

III. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Phân Tích Ngắn Mạch

Phân tích ngắn mạch có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành điện. Nó không chỉ giúp bảo vệ thiết bị mà còn tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điện. Các kỹ sư có thể sử dụng kết quả phân tích để thiết kế các thiết bị bảo vệ phù hợp, từ đó giảm thiểu rủi ro và chi phí vận hành. Hơn nữa, việc thực hiện phân tích ngắn mạch định kỳ cũng giúp phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn trong hệ thống, từ đó có biện pháp khắc phục kịp thời.

3.1 Bảo Vệ Thiết Bị

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của phân tích ngắn mạch là bảo vệ thiết bị trong hệ thống điện. Khi xảy ra ngắn mạch, dòng điện có thể tăng lên mức nguy hiểm, gây hư hỏng cho các thiết bị. Việc phân tích giúp xác định các điểm yếu trong hệ thống và đưa ra các biện pháp bảo vệ cần thiết. Điều này không chỉ giúp bảo vệ thiết bị mà còn đảm bảo an toàn cho người vận hành.

3.2 Tối Ưu Hóa Hiệu Suất

Phân tích ngắn mạch cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điện. Các kỹ sư có thể sử dụng kết quả phân tích để điều chỉnh các thông số trong hệ thống, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động. Việc này không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu chi phí vận hành. Hơn nữa, việc tối ưu hóa hiệu suất cũng giúp nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của các nguồn điện phân tán (Distributed Generation - DG) từ quy mô nhỏ dưới 5 kW đến các cụm công suất lớn trên 25 MW đang định hình lại cấu trúc vận hành của lưới điện truyền thống. Trước đây, hệ thống điện Việt Nam chủ yếu dựa vào các nhà máy nhiệt điện và thủy điện tập trung có quy mô công suất rất lớn từ hàng trăm megawatt đến hàng gigawatt như Hòa Bình với 8 tổ máy, Trị An với 4 tổ máy, hay Phả Lại với 6 tổ máy. Tuy nhiên, xu hướng tích hợp các dạng năng lượng tái tạo như pin quang điện với hiệu suất pin khoảng 16%, năng lượng gió cho sản lượng điện tăng 110% so với tuabin tốc độ cố định, hoặc pin nhiên liệu SOFC đạt hiệu suất tới 70% đã làm biến đổi căn bản dòng công suất trên lưới phân phối.

Vấn đề nghiên cứu cốt lõi nảy sinh khi nguồn DG hòa lưới sẽ bơm thêm dòng ngắn mạch vào hệ thống, làm phá vỡ sự phối hợp bảo vệ đã được thiết lập chặt chẽ giữa máy cắt, thiết bị tự đóng lại (Recloser) và cầu chì. Mục tiêu nghiên cứu cụ thể của đề tài là xây dựng mô hình toán học giải thuật ngắn mạch có xét đến kết nối DG, phân tích các kịch bản sự cố trên lưới phân phối trung thế 13,2 kV và 25 kV, đồng thời xác định ngưỡng công suất giới hạn của DG nhằm duy trì độ dự trữ thời gian bảo vệ an toàn. Nghiên cứu được triển khai tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong mốc thời gian hoàn thành vào tháng 7 năm 2007. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc nâng cao chỉ số độ tin cậy cung cấp điện, ngăn chặn tình trạng cắt nhầm lộ dây không sự cố và giảm thiểu thiệt hại kinh tế do mất điện diện rộng cho khách hàng tiêu thụ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết mạch điện tương đương Thevenin kết hợp phương pháp ma trận tổng trở nút Zbus và thuật toán rút gọn Kron để mô hình hóa sự thay đổi trở kháng khi bổ sung nút phát điện mới vào hệ thống. Các khái niệm nền tảng bao gồm: nguồn phân tán (DG) kết nối trực tiếp tại cấp phân phối với dải công suất phân loại từ dưới 5 kW đến 25 MW; đặc tuyến thời gian - dòng điện (T-I) của thiết bị bảo vệ với hai đường đặc tính nóng chảy tối thiểu MM và cắt hoàn toàn TC của cầu chì; cùng hiện tượng suy giảm độ nhạy rơle (desensitization / blinding of protection) do dòng sự cố từ DG làm thay đổi điện áp phân bố tại điểm ngắn mạch.

Mô hình nghiên cứu khảo sát toàn diện các dạng DG dựa trên máy phát đồng bộ, máy phát không đồng bộ nguồn kép và nguồn phát tích hợp bộ biến đổi điện tử công suất AC/DC/AC. Đối với nguồn điện gió, đề tài áp dụng mô hình khí động học tuabin gió có điều khiển góc quay cánh (pitch control) và điều khiển trượt (stall control), kết hợp thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh STATCOM để duy trì ổn định điện áp nút 25 kV khi xảy ra nhiễu loạn hoặc sự cố lưới.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được thu thập từ thông số kỹ thuật thực tế của lưới phân phối trung thế 13,2 kV, lưới 25 kV và lưới hạ thế 0,48 kV, kết hợp hệ thống đặc tuyến bảo vệ tiêu chuẩn của máy cắt nguồn CO-8, Recloser loại 140-A và cầu chì tự rơi 80k. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm một sơ đồ lưới phân phối 13,2 kV điển hình với 5 nút phụ tải trọng yếu và một mô hình cánh đồng điện gió công suất 6 MW gồm 3 nhóm tổ máy (mỗi nhóm gồm 2 x 1,5 MW).

Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu định đoạn điển hình (purposive sampling), tập trung vào các cấu hình phân phối hình tia có tiềm năng tích hợp năng lượng tái tạo cao nhất để phản ánh đầy đủ các trạng thái vận hành xung yếu. Đề tài lựa chọn phương pháp phân tích mô phỏng số thông qua phần mềm chuyên dụng của ngành điện kết hợp giải thuật đại số ma trận. Lý do lựa chọn phương pháp này là tính chính xác cao trong việc tái hiện quá trình quá độ điện từ, tính toán tức thời dòng ngắn mạch ba pha đối xứng và ngắn mạch không đối xứng (một pha chạm đất, hai pha chạm đất) mà không làm gián đoạn việc cấp điện trên lưới thực tế. Toàn bộ quá trình tính toán và mô phỏng được thực hiện liên tục trong thời gian 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Luận văn đã lượng hóa cụ thể mức độ tác động của nguồn DG lên dòng sự cố và tính chọn lọc của hệ thống bảo vệ thông qua các phát hiện quan trọng:

• Sự tham gia của DG làm tăng dòng ngắn mạch tổng tại điểm lỗi nhưng lại làm suy giảm mạnh dòng điện chạy qua thiết bị bảo vệ đầu nguồn. Khi xảy ra ngắn mạch tại thanh cái hạ áp 0,48 kV, dòng ngắn mạch chạy qua máy cắt CB2 khi chưa có DG đạt 5011 A, nhưng khi có DG tham gia cấp điện thì dòng qua CB2 giảm mạnh xuống còn 3160 A, tương đương mức suy giảm 36,94%.
• Trên lưới phân phối 13,2 kV, khi xảy ra sự cố trên đường dây lân cận với tổng dòng ngắn mạch 2987 A (nguồn chính đóng góp 2270 A và trạm DG đóng góp 717 A), thời gian tác động của máy cắt CO-8 là 1,68 giây và Recloser 140-A cũng là 1,68 giây. Độ dự trữ thời gian giữa hai thiết bị bị triệt tiêu hoàn toàn về mức 0 giây, dẫn đến việc Recloser cắt nhầm lộ dây lành và làm mất điện phụ tải lân cận.
• Công suất cực đại cho phép của trạm phát DG phụ thuộc trực tiếp vào dòng ngắn mạch hệ thống; ví dụ với dòng ngắn mạch nguồn 2080 A và dòng ngắn mạch cực đại của DG là 600 A ở điện kháng quá độ x'd = 0,2 đơn vị tương đối, công suất cực đại của DG bị giới hạn nghiêm ngặt ở mức 2,74 MVA để duy trì tính phối hợp bảo vệ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi của sự suy giảm độ nhạy rơle là do dòng ngắn mạch do DG bơm vào điểm sự cố làm tăng điện áp dư tại nút kết nối, từ đó làm giảm độ dốc sụt áp nhìn từ nguồn chính và làm giảm dòng điện qua máy cắt phân đoạn. Kết quả này hoàn toàn nhất quán với các nghiên cứu quốc tế về tích hợp năng lượng tái tạo, đồng thời bổ sung minh chứng định lượng giá trị cho hệ thống lưới điện phân phối tại Việt Nam.

Về mặt biểu diễn trực quan, các dữ liệu này được thể hiện rõ nét qua biểu đồ đặc tuyến thời gian - dòng điện (T-I) đa lớp, so sánh giữa đường cong cắt nhanh của Recloser 140-A và đường cong nóng chảy tối thiểu MM của cầu chì 80k. Trên biểu đồ phối hợp, tại ngưỡng dòng ngắn mạch dưới 2000 A, Recloser tác động cắt nhanh trước cầu chì, nhưng khi dòng ngắn mạch vượt quá 2000 A, cầu chì sẽ nóng chảy hoàn toàn trước khi Recloser kịp chuyển sang chu kỳ cắt chậm. Ngoài ra, bảng tổng hợp phân tích quá độ điện áp nút 25 kV cho thấy khi có sự hỗ trợ của thiết bị bù tĩnh STATCOM, thời gian phục hồi điện áp sau sự cố ngắn mạch hai pha chạm đất kéo dài 0,5 giây được rút ngắn rõ rệt, giúp tuabin gió 1,5 MW duy trì liên kết lưới mà không bị cắt do quá tốc độ.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm đảm bảo lưới phân phối vận hành an toàn và tin cậy khi tích hợp nguồn năng lượng phân tán, luận văn đưa ra bốn nhóm giải pháp hành động cụ thể:

1. Hiệu chỉnh thông số và phối hợp lại thiết bị bảo vệ: Các Công ty Điện lực địa phương cần chủ trì rà soát lại toàn bộ đặc tuyến T-I của Recloser và cầu chì trên các xuất tuyến có DG, đảm bảo khoảng thời gian dự trữ tối thiểu từ 0,3 đến 0,5 giây giữa các cấp bảo vệ, thực hiện kiểm tra định kỳ 6 tháng một lần.
2. Giới hạn quy mô công suất hòa lưới của trạm phát DG: Đơn vị điều độ hệ thống điện cần áp dụng công thức tính toán công suất cực đại (như mức trần 2,74 MVA đối với nút lưới 13,2 kV có dòng ngắn mạch 2080 A) nhằm khống chế mức đóng góp dòng sự cố của DG không vượt quá 30% dòng định mức của thiết bị đóng cắt, áp dụng ngay trong giai đoạn thẩm định thỏa thuận đấu nối dự án mới.
3. Lắp đặt thiết bị bù công suất phản kháng nhanh STATCOM: Các chủ đầu tư trang trại điện gió và điện mặt trời cần trang bị hệ thống STATCOM tại thanh cái 25 kV hoặc 110 kV để ổn định điện áp nút trong ngưỡng dao động không quá 5% khi xảy ra sự cố quá độ, triển khai trong vòng 12 tháng kể từ khi phê duyệt thiết kế kỹ thuật.
4. Nâng cấp hệ thống rơle bảo vệ quá dòng có hướng: Tập đoàn Điện lực cần trang bị rơle kỹ thuật số có chức năng định hướng dòng công suất tại các điểm đấu nối DG công suất từ 500 kW trở lên, hoàn thành lộ trình hiện đại hóa lưới điện trong giai đoạn từ 2 đến 3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng chuyên môn cao cho bốn nhóm đối tượng:

1. Kỹ sư thiết kế và quy hoạch hệ thống điện: Nắm vững phương pháp ma trận tổng trở Zbus và thuật toán rút gọn Kron để tính toán chính xác dòng ngắn mạch, từ đó xác định vị trí và công suất hòa lưới tối ưu cho các trạm phát DG trên lưới trung thế 13,2 kV đến 22 kV.
2. Kỹ sư quản lý vận hành và bảo vệ rơle tại các công ty điện lực: Ứng dụng quy trình phối hợp giữa Recloser 140-A, cầu chì 80k và máy cắt CO-8 để cài đặt lại ngưỡng tác động, khắc phục triệt để hiện tượng cắt nhầm hoặc mất tính chọn lọc khi sự cố xảy ra trên các lộ dây lân cận.
3. Các chủ đầu tư và đơn vị phát triển trang trại điện gió, điện mặt trời: Hiểu rõ cơ chế quá tốc của tuabin gió và vai trò của hệ thống STATCOM trên thanh cái 25 kV để thiết kế cấu hình đấu nối đáp ứng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về giải tỏa công suất.
4. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện: Sử dụng công trình như một tài liệu tham khảo chuẩn mực về mô hình hóa máy phát điện gió (tổ hợp 6 MW, tuabin 1,5 MW), phân tích quá độ điện từ và bảo vệ lưới điện thông minh.

Câu hỏi thường gặp

Nguồn phân tán (DG) làm thay đổi dòng ngắn mạch của lưới điện phân phối như thế nào? Khi xảy ra sự cố, DG cùng bơm dòng ngắn mạch vào điểm lỗi, làm tăng tổng dòng sự cố tại nút nhưng lại làm giảm dòng từ nguồn chính qua máy cắt. Ví dụ tại thanh cái hạ áp 0,48 kV, dòng qua máy cắt phân đoạn giảm từ 5011 A xuống còn 3160 A (giảm 36,94%).

Tại sao Recloser và cầu chì dễ mất tính chọn lọc khi có nguồn DG đấu nối vào lưới? Dòng ngắn mạch do DG bơm thêm khiến cầu chì phải chịu dòng tổng trong khi Recloser chỉ chịu dòng thành phần. Thực tế tính toán cho thấy ở mức dòng vượt quá 2000 A, cầu chì 80k có thể bị nổ đứt trước khi Recloser 140-A kịp thực hiện chu kỳ cắt nhanh đối với các sự cố thoáng qua.

Công suất cực đại của một trạm phát DG được xác định dựa trên những yếu tố nào? Công suất DG bị khống chế bởi dòng ngắn mạch nguồn, điện áp nút và điện kháng quá độ của máy phát. Ví dụ với lưới 13,2 kV có dòng ngắn mạch hệ thống 2080 A và x'd = 0,2 đơn vị tương đối, công suất cực đại của DG bị giới hạn ở mức 2,74 MVA để duy trì thời gian dự trữ bảo vệ.

Giải pháp sử dụng thiết bị STATCOM mang lại lợi ích gì cho các cánh đồng điện gió? Trong cánh đồng gió 6 MW gồm 3 nhóm 2 x 1,5 MW, thiết bị STATCOM cung cấp khả năng bơm công suất phản kháng cực nhanh khi xảy ra ngắn mạch trên thanh cái 25 kV kéo dài 0,5 giây, giúp giữ vững điện áp nút, ngăn ngừa tuabin bị quá tốc và duy trì kết nối lưới an toàn.

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của các công nghệ DG tái tạo khác nhau như thế nào? Pin quang điện đạt hiệu suất tế bào khoảng 16% và bộ nghịch lưu khoảng 85%, cho sản lượng 800 kWh/kW/năm. Trong khi đó, hệ thống nhiệt quang đạt 35%, tuabin gió tốc độ thay đổi tăng 110% sản lượng so với loại tốc độ cố định, và pin nhiên liệu SOFC đạt hiệu suất tới 70%.

Kết luận

Tổng kết toàn bộ công trình nghiên cứu, năm đóng góp học thuật và thực tiễn cốt lõi bao gồm:

• Xây dựng thành công thuật toán mở rộng ma trận tổng trở Zbus qua công thức rút gọn Kron để tính toán chính xác dòng ngắn mạch đa điểm khi tích hợp nguồn DG.
• Định lượng chính xác mức suy giảm độ nhạy của thiết bị bảo vệ đầu nguồn, điển hình là mức giảm dòng sự cố qua máy cắt phân đoạn từ 5011 A xuống 3160 A.
• Xác lập mối quan hệ định lượng giữa công suất giới hạn của DG (mức trần 2,74 MVA trên lưới 13,2 kV) với thời gian phối hợp dự trữ giữa Recloser và máy cắt nguồn.
• Khảo sát toàn diện đáp ứng động học và quá độ ngắn mạch của cánh đồng điện gió 6 MW trên thanh cái 25 kV dưới các chế độ điều khiển điện áp và công suất phản kháng.
• Chứng minh hiệu quả vượt trội của thiết bị bù tĩnh STATCOM trong việc duy trì ổn định điện áp nút và chống quá tốc cho tuabin gió trong các sự cố ngắn mạch kéo dài từ 0,2 đến 0,5 giây.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là thiết lập cơ sở lý thuyết và công cụ tính toán hoàn chỉnh giúp các kỹ sư điện lực giải quyết xung đột phối hợp bảo vệ khi phát triển nguồn năng lượng phân tán. Trong lộ trình 1 đến 2 năm tới, các đơn vị vận hành lưới cần khẩn trương số hóa sơ đồ phối hợp bảo vệ và ứng dụng rơle tự thích nghi cho toàn bộ các xuất tuyến tích hợp năng lượng tái tạo. Hãy liên hệ các trung tâm nghiên cứu chuyên ngành điện để tiếp nhận chuyển giao mô hình tính toán và nâng cao độ tin cậy lưới điện ngay hôm nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Hình 1.8: Caùc nguoàn naêng löôïng sinh khoái Hieän nay naêng löôïng sinh khoái ñöôïc söû duïng raát roäng töø nhaø beáp ñeán saûn xuaát ra ñieän naêng döôùi daïng nguyeân lieäu. Noù ñöôïc ñoát tröïc tieáp ñeå taïo ra nhieät phuïc vuï saûn xuaát vaø naáu aên trong gia ñình. Noù goùp phaàn giaûi quyeát caùc vaán ñeà veà moâi tröôøng, tieát kieäm naêng löôïng vaø tieát kieäm nguyeân vaät lieäu. Vì vaäy vieäc loaïi boû caùc chaát thaûi theo quan nieäm truyeàn thoáng laø hoaøn toaøn baát hôïp lyù vaø ñaõ ñöôïc thay theá baèng khaùi nieäm taïo ra giaù trò cho chaát thaûi baèng caùch bieán chuùng thaønh caùc saûn phaåm coù ích nhö bieán caùc chaát thaûi höõu cô trong noâng nghieäp vaø coâng nghieäp thaønh caùc chaát ñoát “ngheøo” maø ta coù theå taän duïng ñöôïc.

™ Nhöõng lôïi ích veà kinh teá vaø moâi tröôøng Naêng löôïng sinh khoái coù theå caïnh tranh vôùi xaêng daàu Nhöõng saûn phaåm coù nguoàn goác töø naêng löôïng sinh khoái coù theå sinh ra naêng löôïng töông ñöông vôùi xaêng daàu coù giaù dao ñoäng töø 0.91$/galon vaøo naêm 2015, trong khi ñoù giaù cuûa saûn phaåm xaêng vaøo khoaûng 0. Ñaây laø möùc giaù coù theå caïnh tranh vôùi saûn phaåm xaêng daàu. Naêng löôïng sinh khoái - Nguoàn thu nhaäp môùi cuûa noâng daân : GVHD: TS.Nguyễn Hoàng Việt 11 HVTH:Đặng Tuấn Khanh Luận văn tốt nghiệp Chương 1 Theo öôùc tính caùc saûn phaåm naêng löôïng sinh khoái coù töø noâng nghieäp coù theå ñaït ñeán 200 trieäu taán vaøo naêm 2025. Vôùi möùc giaù 40 $/taán thì toång thu nhaäp seõ laø 5.

Tuy nhieân saûn löôïng naøy chæ baèng 1/6 so vôùi toång saûn löôïng naêng löôïng sinh khoái maø ngöôøi noâng daân taïo ra vaøo naêm 2050. Khi ñoù thò tröôøng naêng löôïng sinh khoái seõ mang laïi nhieàu lôïi nhuaän cho ngöôøi noâng daân vì ngoaøi nguoàn thu töø noâng saûn hoï coøn thu ñöôïc lôïi nhuaän töø caùc chaát thaûi cuûa noâng saûn nhö voû, thaân caây… Sinh khoái vaø moâi tröôøng Sinh khoái haáp thuï CO2 trong suoát quaù trình phaùt trieån, vaø thaûi ra moâi tröôøng raát ít löôïng CO2 khi bò ñoát chaùy neân goùp phaàn laøm giaûm aûnh höôûng cuûa hieäu öùng nhaø kính. Maët khaùc, naêng löôïng sinh khoái khoâng chöùa löu huyønh vaø khi ñoát chaùy chæ sinh ra moät löôïng nhoû CO, ñaëc bieät khoâng sinh ra caùc chaát ñoäc haïi. Vì vaäy duøng naêng löôïng sinh khoái thì muïc tieâu giaûm oâ nhieãm khoâng khí seõ ñöôïc caûi thieän so vôùi duøng naêng löôïng coù nguoàn goác töø xaêng daàu.

™ Caùc phöông phaùp saûn xuaát nhieân lieäu sinh khoái Ñoát tröïc tieáp : ñaây laø phöông phaùp ñôn giaûn vaø coå ñieån nhaát ñeå taïo ra naêng löôïng töø nguyeân lieäu sinh khoái. Goã, chaát thaûi gia suùc hay chaát thaûi cuûa noâng nghieäp ñöôïc thu gom laïi vaø saáy khoâ, sau ñoù ñem ñi ñoát. Thoâng thöôøng goã ñöôïc ñoát trong caùc loø söôûi ñeå söôûi aám vaø ñun naáu thöùc aên, nhöng noù cuõng coù theå ñöôïc duøng ñeå cung caáp nhieät cho caùc ngaønh coâng nghieäp vaø saûn xuaát ñieän naêng. Goã ñöôïc ñun thaønh than seõ trôû thaønh nhieân lieäu maø khi ñoát seõ taïo ra ít khoùi hôn vaø nhieät löôïng ñöôïc söû duïng hieäu quaû hôn.

Ñieàu naøy goùp phaàn caûi thieän ñöôïc tình traïng oâ nhieãm moâi tröôøng. Phaân huûy khí (Anaerobic digestion ): laø phöông phaùp duøng vi khuaån phaân huûy chaát thaûi ñaëc bieät laø phaân huûy caùc loaïi phaân vaø caùc chaát thaûi coù daïng buøn. Phöông phaùp naøy taïo ra saûn phaåm laø khí meâtan - thaønh phaàn chính trong khí ñoát töï nhieân. Chaát khí naøy cuõng ñöôïc duøng cho vieäc söôûi aám, naáu aên vaø saûn xuaát ñieän.Nguyễn Hoàng Việt 12 HVTH:Đặng Tuấn Khanh Luận văn tốt nghiệp Chương 1 Hình 1.9 Leân men chaát thaûi Phöông phaùp leân men : laø phöông phaùp duøng men ñeå leân men chaát thaûi, ñaëc bieät laø caùc chaát thaûi noâng saûn coù haøm löôïng ñöôøng cao.

Saûn phaåm thu ñöôïc chöùa haøm löôïng ethel alcohol vaø ethanol cao coù theå chöng caát vaø söû duïng laøm nhieân lieäu cho caùc loaïi xe. Xe coä thöôøng söû duïng hoån hôïp goàm 10% ethanol vaø 90% xaêng daàu. Phöông phaùp khí hoùa vaø hoùa loûng : laø phöông phaùp duøng hoaù chaát vaø nhieät ñeå chuyeån ñoåi sinh khoái töø daïng raén sang daïng loûng vaø khí coù naêng löôïng cao hôn. Caùc saûn phaåm loûng vaø khí naøy ñöôïc söû duïng döôùi hình thöùc nhö nhieân lieäu daàu thoâ.

™ Nhöõng thuaän lôïi vaø khoù khaên khi söû duïng naêng löôïng sinh khoái a) Thuaän lôïi: - Nguoàn nguyeân lieäu sinh khoái nhieàu vaø coù ôû khaép nôi : chaát thaûi cuûa gia suùc, chaát thaûi noâng nghieäp töø caùc noâng traïi, raùc sinh hoaït ôû thaønh thò… - Raát reõ vaø ñoâi khi…mieãn phí - Coù theå taùi taïo ñöôïc - Coâng ngheä, kyõ thuaät ñôn giaûn deã aùp duïng - Saûn phaåm ñöôïc cheá taïo ña daïng ôû theå raén, loûng vaø khí deã löu tröõ, buoân baùn cuõng nhö söû duïng GVHD: TS.Nguyễn Hoàng Việt 13 HVTH:Đặng Tuấn Khanh Luận văn tốt nghiệp Chương 1 b) Khoù khaên : - Khi ñoát sinh khoái thaûi khí CO2 vaø buïi tro ra moâi tröôøng goùp phaân gaây neân hieäu öùng nhaø kín vaø oâ nhieãm moâi tröôøng. - Khai thaùc goã laøm caïn kieät taøi nguyeân röøng gaây ra luõ luït - Söû duïng caây vaø chaát thaûi cuûa gia suùc cheá bieán nhieân lieäu seõ laøm maát ñi nguoàn phaân boùn cho ñaát troàng, töø ñoù ñaát trôû neân baïc maøu vaø cho naêng suaát thaáp. - Nhieân lieäu sinh khoái cung caáp naêng löôïng ít hôn nhieân lieäu hoaù thaïch ôû cuøng moät theå tích - Giaù thaønh nhieân lieäu sinh khoái cao hôn nhieân lieäu hoaù thaïch 1.2 Saûn xuaát ñieän töø nguyeân lieäu sinh khoái ™ Tình hình saûn xuaát “ñieän sinh khoái” treân theá giôùi Ñieän naêng sinh khoái laø moät daïng naêng löôïng ñieän môùi ñaõ ñöôïc coâng nhaän coù saûn löôïng khoaûng 11000 MW, chieám hôn 1% toång dung löôïng cuûa tuï buø ñöôïc laép ñaët treân löôùi ôû Myõ. Hieän taïi vieäc phaùt ñieän baèng naêng löôïng môùi chieám khoaûng 11% trong ñoù naêng löôïng sinh khoái ñöùng ôû vò trí thöù hai chæ sau thuûy ñieän.10 Tình hình saûn xuaùt naêng löôïng sinh khoái theá giôùi GVHD: TS.Nguyễn Hoàng Việt 14 HVTH:Đặng Tuấn Khanh Luận văn tốt nghiệp Chương 1 Söï thuaän lôïi cuûa vieäc phaùt ñieän baèng nhieân lieäu sinh khoái mang laïi moät soá aùp duïng coù tính kinh teá haáp daãn nhö keát hôïp phaùt ñieän giöõa hôi/nhieät vaø ñieän cuûa moät soá ngaønh coâng nghieäp.

Vaøo cuoái naêm 1998, caùc nhaø maùy ñieän sinh khoái ôû Myõ saûn xuaát gaàn 1900 MW vôùi nguyeân lieäu chuû yeáu laø goã, trong khi ñoù neáu keát hôïp giöõa saûn xuaát ñieän baèng nguyeân lieäu goã vaø saûn löôïng ñieän coù ñöôïc cuûa ngaønh coâng nghieäp giaáy thì seõ ñaït ñöôïc 5500 MW. Quaù trình chính ñeå chuyeån sinh khoái thaønh ñieän naêng laø duøng kyõ thuaät ñoát tröïc tieáp sinh khoái taïo ra nhieät löôïng cho caùc tuabin hôi. Moät trong nhöõng kyõ thuaät ñoát tröïc tieáp laø keát hôïp giöõa sinh khoái vaø boät than ñaù ñang ñöôïc aùp duïng ôû moät soá nhaø maùy ñieän nôi maø ñang phaûi ñoái dieän vôùi vieäc phaûi tieát kieäm nhieân lieäu hoaù thaïch vaø giaûm thaûi ra moâi tröôøng caùc chaát oâ nhieãm nhö SO2, NO2, CO2. Ngoaøi ra coøn coù caùc kyõ thuaät cung caáp ñieän naêng sinh khoái khaû duïng khaùc ñang phaùt trieån nhö kyõ thuaät nhieät phaân vaø khí hoùa.

Kyõ thuaät khí hoùa sinh khoái ñöôïc xem laø moät giaûi phaùp trieån voïng nhaát ñeå naâng ñieän sinh khoái leân moät taàm cao môùi. Höôùng phaùt trieån töông lai cuûa ñieän sinh khoái laø taïo ra moät ngaønh coâng nghieäp naêng löôïng döïa vaøo caùc noâng traïi chuyeân troàng caùc loaïi caây nguyeân lieäu cuûa naêng löôïng sinh khoái nhö caùc loaïi caây phaùt trieån nhanh (caây döông, caây lieãu), caùc loaïi coû thaân meàm (switchgrass) vaø coû linh laêng (alfalfa). Xu höôùng naøy chuyeån ngaønh coâng nghieäp ñieän sinh khoái töø vò trí leä thuoäc vaøo vieäc vaän chuyeån nguyeân lieäu trong röøng vaø caùc chaát thaûi cuûa noâng nghieäp ôû caùc caùnh ñoàng ñeán nhaø maùy ñieän trôû thaønh caùc nhaø maùy coù nguoàn cung caáp chuyeân duïng, vaø theo caùch naøy chuùng ta coù theå môû roäng quy moâ nguoàn taøi nguyeân taùi taïo coù töø caùc noâng traïi.Nguyễn Hoàng Việt 15 HVTH:Đặng Tuấn Khanh Luận văn tốt nghiệp Chương 1 ™ Moâ hình saûn xuaát “ñieän sinh khoái” Hình 1.11 Moâ hình saûn xuaát ñieän sinh khoái Nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa traïm phaùt “sinh khoái” Raùc sau khi ñöôïc thu gom vaø ñöa ñeán baõi raùc seõ ñöôïc choân laáp trong caùc hoá choân laáp nhaèm taïo khí. Sau thôùi gian töø 3 ñeán 5 naêm seõ ñöôïc söû duïng.

Löôïng khí naøy ñöôïc laáy ra töø hoá choân laáp thoâng qua caùc gieáng khoan, sau ñoù qua heä thoáng caùc ñöôøng oáng ñeán heä thoáng laøm laïnh nhaèm loaïi boû hôi nöôùc. Luùc naøy luoàng khí ñaõ ñöôïc loaïi boû hôi nöôùc seõ qua heä thoáng chieát xuaát ga loaïi boû caùc taïp khí, luùc naøy ta ñöôïc löôïng khí metan theo yeâu caàu (50 – 60%) , löôïng khí naøy laïi ñöôïc daãn theo caùc ñöôøng oáng ñeán maùy phaùt ñieän chaïy baèng gas, ñieän aùp ñaàu ra cuûa maùy phaùt ñieän seõ qua heä thoáng taêng aùp sau ñoù hoaø vaøo löôùi ñieän. Caùc phaàn taïp khí cuõng nhö khí dö thöøa seõ ñöôïc ñoát hoaëc söû duïng vaøo caùc muïc ñích khaùc trong saûn xuaát nhö : taïo gas töø cacbonic … GVHD: TS.Nguyễn Hoàng Việt 16 HVTH:Đặng Tuấn Khanh Luận văn tốt nghiệp Chương 2 Chương 2 TÍNH TOAÙN NGẮN MẠCH VAØ PHOÁI HÔÏP BAÛO VEÄ 2.1) Giôùi thieäu: Phöông phaùp phaân tích doøng söï coá ñaõ ñöôïc nghieân cöùu kyõ töø laâu. Phaàn naøy ñöa ra moät vaán ñeà môùi trong phaân tích doøng söï coá, ñoù laø tính toaùn ñoä taêng doøng ngaén maïch khi coù DG keát noái vaøo maïng ñieän.

Ñeå tính toaùn doøng ngaén maïch taïi moät thanh caùi heä thoáng, ta söû duïng moâ hình ñôn giaûn Thevenin. Vôùi moâ hình naøy, heä thoáng ñöôïc xem nhö moät ñieän aùp noái tieáp vôùi moät toång trôû heä thoáng. Toång trôû heä thoáng laø toång trôû Thevenin nhìn töø choã xaûy ra söï coá veà heä thoáng khi caùc nguoàn bò noái taét. Ñieän aùp Thevenin laø ñieän aùp taïi choã ngaén maïch tröôùc söï coá.

Toång trôû Thevenin ñôn giaûn laø phaàn töû j,j cuûa ma traän toång trôû Zbus; j laø thanh caùi söï coá. Ma traän Zbus moâ hình hoùa toaøn boä heä thoáng (bao goàm maïng truyeàn taûi, maïng truyeàn taûi thöù caáp, maïng phaân phoái, vaø baát kyø maùy phaùt naøo coù trong heä thoáng). Caùc maùy phaùt ñöôïc moâ hình hoùa laø moät ñieän khaùng quaù ñoä.3 ñöa ra moät heä thoáng phaân phoái khoâng söï coá vaø moät DG ñöôïc noái keát taïi thanh caùi k. Giaû söû heä thoáng khoâng coù DG taïi thanh caùi k ñöôïc moâ hình laø ma traän toång trôû Zorig.

Sau khi laép ñaët DG taïi thanh caùi k, moät thanh caùi môùi p ñöôïc boå sung vaøo heä thoáng. ÔÛ ñaây ta seõ giaûi quyeát cuï theå söï coá ba pha ñoái xöùng.