Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo ngày càng mạnh mẽ, nguồn năng lượng phân tán (Distributed Generation - DG) đã trở thành xu hướng tất yếu trong ngành năng lượng toàn cầu. Ước tính đến năm 2025, năng lượng tái tạo phân tán sẽ cung cấp khoảng một phần ba tổng lượng điện trên thế giới, với công suất điện gió và quang điện vượt qua khí đốt và than đá. Tại Việt Nam, với tiềm năng địa lý và khí hậu thuận lợi, việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như điện gió và điện mặt trời được xem là chiến lược quan trọng nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển kinh tế bền vững.

Tuy nhiên, sự tích hợp nguồn phân tán vào lưới điện truyền tải, đặc biệt là lưới điện 110kV, đã đặt ra nhiều thách thức về chất lượng điện năng và hệ thống bảo vệ. Đặc biệt, chức năng bảo vệ khoảng cách (distance protection) trong lưới điện 110kV chịu ảnh hưởng lớn do sự thay đổi hướng công suất và đặc tính không ổn định của nguồn phân tán. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá chi tiết ảnh hưởng của nguồn năng lượng gió lên chức năng bảo vệ khoảng cách trong lưới điện 110kV, đồng thời đề xuất giải pháp hiệu chỉnh các thông số bảo vệ nhằm đảm bảo tính chính xác và an toàn cho hệ thống.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nguồn phân tán có công suất phát dưới 30MW, chủ yếu là nguồn điện gió 1MW, trong hệ thống lưới điện 110kV tại khu vực miền Nam Việt Nam. Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng ETAP để xây dựng mô hình lưới điện đơn giản hóa, lưới điện chuẩn IEEE 30 nút và lưới điện thực tế thuộc Tổng Công ty Điện lực miền Nam. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả bảo vệ lưới điện truyền tải khi tích hợp nguồn phân tán, góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Bảo vệ rơle trong hệ thống điện: Hệ thống bảo vệ rơle có nhiệm vụ phát hiện và cô lập phần tử bị sự cố nhằm đảm bảo vận hành an toàn, tin cậy. Trong lưới điện truyền tải 110kV, bảo vệ khoảng cách (F21) là chức năng bảo vệ quan trọng, hoạt động dựa trên nguyên lý đo tổng trở từ vị trí rơle đến điểm sự cố.

  • Lý thuyết bảo vệ khoảng cách: Rơle khoảng cách đo điện áp và dòng điện tại vị trí bảo vệ, tính toán tổng trở và so sánh với giá trị cài đặt để xác định sự cố. Đặc tuyến bảo vệ phổ biến là đặc tuyến MHO với góc nhạy từ 60° đến 85°. Các vùng bảo vệ được thiết lập với các mức trở kháng và thời gian tác động khác nhau nhằm đảm bảo tính chọn lọc và độ nhạy.

  • Ảnh hưởng của nguồn phân tán: Nguồn phân tán có thể làm thay đổi dòng ngắn mạch, phân bố công suất và hướng dòng điện trong lưới, gây ảnh hưởng đến hiệu suất và độ chính xác của rơle khoảng cách. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng dòng ngắn mạch tổng tăng lên nhưng dòng từ hệ thống có thể giảm, dẫn đến rơle có thể không tác động hoặc tác động sai lệch.

  • Mô hình mô phỏng ETAP: Phần mềm ETAP được sử dụng để mô phỏng chức năng bảo vệ khoảng cách, cho phép cấu hình thông số rơle, mô phỏng các điều kiện sự cố và phân tích kết quả nhằm tối ưu hóa cài đặt bảo vệ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu thực tế từ lưới điện 110kV khu vực miền Nam Việt Nam, thông số đường dây, máy biến áp, rơle bảo vệ và đặc tính nguồn phân tán (điện gió 1MW).

  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn ba mô hình lưới điện để phân tích gồm lưới điện đơn giản hóa, lưới điện chuẩn IEEE 30 nút và lưới điện thực tế. Việc chọn mẫu nhằm đảm bảo tính đại diện và khả năng so sánh kết quả.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm ETAP để xây dựng mô hình, mô phỏng các trường hợp sự cố ngắn mạch với và không có nguồn phân tán tích hợp. Phân tích các thông số dòng điện, điện áp, thời gian tác động của rơle và máy cắt để đánh giá ảnh hưởng của nguồn phân tán.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 9/2023 đến tháng 12/2023, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nguồn phân tán đến dòng ngắn mạch: Khi tích hợp nguồn phân tán 1MW vào lưới điện đơn giản hóa, dòng ngắn mạch tổng tăng từ 2,44 kA lên 3,92 kA, tuy nhiên dòng từ hệ thống giảm từ 2,44 kA xuống 2,39 kA. Điều này làm cho rơle bảo vệ phía thượng nguồn có thể không tác động hoặc tác động trễ hơn, trong khi rơle phía hạ nguồn có thể tác động vượt ngưỡng, gây mất chọn lọc bảo vệ.

  2. Phân bố công suất và dòng điện: Kết quả mô phỏng cho thấy khi công suất nguồn phân tán tăng dần từ 1MW đến 5MW, dòng điện từ nguồn phân tán đến bus tăng tương ứng, ảnh hưởng đến phân bố công suất và dòng ngắn mạch trên các đường dây. Ví dụ, dòng từ Bus_2 đến Bus_3 giảm nhẹ khi dòng từ nguồn phân tán tăng lên, thể hiện sự thay đổi hướng dòng điện.

  3. Thời gian tác động của rơle và máy cắt: Thời gian khởi động và tác động của rơle R23 và R34 không thay đổi đáng kể khi tích hợp nguồn phân tán 1MW, vẫn đảm bảo tính chọn lọc và phối hợp bảo vệ. Cụ thể, thời gian khởi động của rơle MC34 là 20ms, thời gian tác động là 120ms; rơle MC23 khởi động 420ms, tác động 520ms.

  4. Hiệu quả mô hình mô phỏng: Mô hình lưới điện IEEE 30 nút và lưới điện thực tế cũng cho kết quả tương tự, cho thấy mô hình mô phỏng ETAP có khả năng phản ánh chính xác ảnh hưởng của nguồn phân tán lên chức năng bảo vệ khoảng cách.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các ảnh hưởng trên là do nguồn phân tán phát dòng ngược vào lưới điện, làm thay đổi hướng và phân bố dòng điện, từ đó ảnh hưởng đến phép đo trở kháng của rơle khoảng cách. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng phù hợp với nhận định rằng dòng ngắn mạch tổng tăng nhưng dòng từ hệ thống giảm, gây ra hiện tượng tác động sai hoặc trễ của rơle.

Việc duy trì thời gian tác động và phối hợp bảo vệ trong điều kiện tích hợp nguồn phân tán 1MW cho thấy các cài đặt rơle hiện tại vẫn có thể đáp ứng yêu cầu bảo vệ trong phạm vi công suất phân tán nhỏ. Tuy nhiên, khi công suất nguồn phân tán tăng cao hơn, nguy cơ mất chọn lọc và tác động sai của rơle sẽ tăng lên, đòi hỏi phải hiệu chỉnh lại các thông số bảo vệ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố dòng điện và thời gian tác động của rơle theo công suất nguồn phân tán, cũng như bảng so sánh trị số cài đặt và thời gian tác động trước và sau khi tích hợp nguồn phân tán, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng và hiệu quả các giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Hiệu chỉnh trị số cài đặt rơle khoảng cách: Đề xuất điều chỉnh các vùng bảo vệ và thời gian tác động của rơle để phù hợp với sự thay đổi dòng điện do nguồn phân tán, nhằm đảm bảo tính chọn lọc và độ nhạy. Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể: Tổng công ty Điện lực miền Nam phối hợp với các nhà cung cấp thiết bị bảo vệ.

  2. Tăng cường giám sát và phân tích dữ liệu vận hành: Áp dụng hệ thống giám sát trực tuyến để theo dõi dòng điện, điện áp và trạng thái rơle nhằm phát hiện sớm các hiện tượng bất thường do nguồn phân tán. Thời gian thực hiện: 12 tháng; Chủ thể: Ban quản lý lưới điện và đơn vị vận hành.

  3. Nâng cấp phần mềm mô phỏng và đào tạo nhân sự: Cập nhật phần mềm ETAP và các công cụ mô phỏng khác để mô phỏng chính xác hơn các tình huống phức tạp, đồng thời đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì về các kỹ thuật bảo vệ mới. Thời gian thực hiện: 9 tháng; Chủ thể: Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh và các đơn vị điện lực.

  4. Phát triển các thuật toán bảo vệ thông minh: Nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán bảo vệ dựa trên trí tuệ nhân tạo và phân tích dữ liệu lớn để tự động điều chỉnh cài đặt rơle theo điều kiện vận hành thực tế. Thời gian thực hiện: 18 tháng; Chủ thể: Các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên viên vận hành lưới điện: Nắm bắt các ảnh hưởng của nguồn phân tán đến hệ thống bảo vệ, từ đó áp dụng các giải pháp hiệu chỉnh phù hợp nhằm đảm bảo vận hành an toàn.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ tác động của năng lượng tái tạo phân tán đến hệ thống điện truyền tải, hỗ trợ xây dựng các chính sách phát triển bền vững và an toàn.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành điện – điện tử: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về bảo vệ khoảng cách và mô phỏng hệ thống điện có tích hợp nguồn phân tán, phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.

  4. Các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ: Cung cấp cơ sở dữ liệu và mô hình để phát triển các giải pháp bảo vệ thông minh, nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện trong kỷ nguyên năng lượng tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nguồn phân tán ảnh hưởng như thế nào đến bảo vệ khoảng cách?
    Nguồn phân tán làm thay đổi hướng và phân bố dòng điện trong lưới, gây sai lệch phép đo trở kháng của rơle khoảng cách, dẫn đến tác động sai hoặc trễ. Ví dụ, dòng ngắn mạch tổng tăng nhưng dòng từ hệ thống giảm, khiến rơle phía thượng nguồn không tác động đúng.

  2. Phần mềm ETAP có vai trò gì trong nghiên cứu này?
    ETAP được sử dụng để mô phỏng các tình huống sự cố và chức năng bảo vệ khoảng cách, giúp đánh giá hiệu suất bảo vệ trong điều kiện có và không có nguồn phân tán, từ đó tối ưu hóa cài đặt rơle.

  3. Làm thế nào để đảm bảo tính chọn lọc của rơle khi tích hợp nguồn phân tán?
    Cần hiệu chỉnh các vùng bảo vệ và thời gian tác động của rơle dựa trên phân tích dòng điện thực tế, đồng thời áp dụng các thuật toán bảo vệ thông minh để tự động điều chỉnh cài đặt.

  4. Nguồn phân tán có công suất bao nhiêu được nghiên cứu trong luận văn?
    Nghiên cứu tập trung vào nguồn điện gió có công suất 1MW, phù hợp với đặc điểm nguồn phân tán phổ biến trong lưới điện 110kV tại Việt Nam.

  5. Các kết quả mô phỏng có thể áp dụng thực tế như thế nào?
    Kết quả mô phỏng giúp các đơn vị điện lực điều chỉnh cài đặt bảo vệ, nâng cao độ tin cậy và an toàn vận hành lưới điện khi tích hợp nguồn phân tán, đồng thời hỗ trợ đào tạo và phát triển công nghệ bảo vệ mới.

Kết luận

  • Nguồn năng lượng phân tán, đặc biệt là điện gió 1MW, ảnh hưởng rõ rệt đến dòng ngắn mạch và phân bố công suất trong lưới điện 110kV, gây thay đổi hiệu suất bảo vệ khoảng cách.
  • Mô hình mô phỏng trên phần mềm ETAP cho thấy rơle bảo vệ vẫn duy trì được tính chọn lọc và thời gian tác động trong phạm vi công suất phân tán nhỏ.
  • Cần thiết phải hiệu chỉnh các thông số cài đặt rơle để thích ứng với sự thay đổi dòng điện do nguồn phân tán nhằm đảm bảo an toàn và tin cậy cho hệ thống.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý nhằm nâng cao hiệu quả bảo vệ, bao gồm giám sát trực tuyến, đào tạo nhân sự và phát triển thuật toán bảo vệ thông minh.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển tiếp theo trong việc ứng dụng công nghệ mới và mở rộng phạm vi nghiên cứu cho các nguồn phân tán công suất lớn hơn.

Luận văn khuyến khích các đơn vị điện lực và nhà nghiên cứu tiếp tục ứng dụng kết quả để nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện trong kỷ nguyên năng lượng tái tạo.