Tìm hiểu về Bảo vệ ROCOF

Triển khai trên qui mô lớn các nguồn phát năng lượng tái tạo đang trở nên nền tảng cho việc chuyển dịch lưới điện sang sử dụng năng lượng bền vững trong tương lai. Cho dù các tiến bộ trong lĩnh vực này là rất tích cực, vẫn tồn tại khá nhiều các thách thức và định hướng kỹ thuật trong việc sử dụng các phương pháp bảo vệ truyền thống để duy trì độ ổn định và tin cậy trên lưới điện phân phối. Đối với các lưới điện phân phối có các nguồn phát được bố trí rộng khắp trên hệ thống, cần có các kỹ thuật bảo vệ mới để phát hiện các tình huống tách đảo, trong đó kỹ thuật bảo vệ thụ động chủ đạo hiện có là Tốc độ thay đổi tần số, hay ROCOF. Trong bài viết hôm nay chúng tôi trình bày lướt qua về tính năng này.

Tình huống ứng dụng

Đã qua rồi thời của các hệ thống nguồn phát tập trung truyền thống. Ở Queensland, tổng công suất phát từ điện mặt trời áp mái đã vượt quá 4GW (theo https://www.dnrme.qld.gov.au/energy/initiatives/solar-future), một con số lớn hơn bất kỳ một nhà máy điện qui ước nào ở Australia. Các nguồn phát năng lượng phân tán qui mô lớn cũng đang hình thành với tốc độ đáng kinh ngạc, vì chi phí biên của năng lượng này có thể nói gần như bằng không, một khi chi phí đầu tư để triển khai trạm phát điện gió hay năng lượng mặt trời qui mô lớn đã hoàn vốn.

Đặt tính kinh tế sang một bên, việc duy trì độ ổn định của lưới khi nguồn phát được lắp đặt phân tán trên lưới là thử thách mới cho các kỹ sư bảo vệ. Một trong các vấn đề phát sinh là hiện tượng hình thành “đảo”, một tình huống trong đó một phần của lưới điện bị tách rời khỏi phần còn lại của hệ thống điện lực, và chỉ được cung cấp bởi nguồn phân tán địa phương (DER) mà thôi.

Từ góc độ kỹ thuật, để một lưới đã tách đảo này tiếp tục hoạt động, công suất thực và phản kháng tiêu thụ của phụ tải phải gần bằng với công suất nguồn phát- Một tình huống tưởng chừng không thể xảy ra; các báo cáo sự cố tại Brazil và Tây Ban Nha cho thấy các trạng thái “đảo” này có thể duy trì trong một thời gian đáng kể (Dysko © 2013). Cho dù xác suất gây tổn hại/ hư hỏng thiết bị trong trạng thái tách đảo vẫn còn là vấn đề tranh cãi, các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hữu ở hầu hết các quốc gia đều qui định rằng trạng thái tách đảo phải được phát hiện và nguồn phát phải được ngắt ra vì các lý do an toàn.

Để giải quyết thách thức này, một bộ các tính năng bảo vệ đã được phát triển để phát hiện tình huống tách đảo của các nguồn phát tương ứng. ROCOF là một kỹ thuật chống tách đảo tiên tiến, cùng với các kỹ thuật thụ động khác như Bảo vệ Dịch chuyển góc pha điện áp và Ngược Công suất phản kháng. Các kỹ thuật bảo vệ chủ động cũng xuất hiện, chủ yếu dựa vào các khí cụ điện tử công suất như các bộ nghịch lưu; tuy nhiên để dùng cho rơ le và máy cắt hiện nay, các phương pháp thụ động vẫn hiện chiếm đa số. Các kỹ thuật bảo vệ thụ động cũng có giới hạn của nó, nhưng bằng việc nắm rõ các nguyên lý hoạt động của loại bảo vệ này, các kỹ sư có thể tối ưu hóa hiệu quả của các tính năng này và đưa ra đánh giá thận trọng và an toàn trong việc ứng dụng chúng.

Giải thích ROCOF

Về cơ bản, bảo vệ ROCOF xác định tần số của tín hiệu điện áp tại một thời điểm, so sánh nó với giá trị tần số trong một khoảng thời gian để có được ước tính của sự biến đổi tần số theo thời gian. Nguyên lý hoạt động đơn giản của nó dựa trên giả thuyết một hệ thống ổn định cần có nguồn và tải cân bằng nhau, và nếu các yếu tố này trở nên mất cân bằng, tần số sẽ hoặc là tăng lên, hoặc là giảm xuống dựa trên nguồn phát ở trạng thái dư thừa hay thiếu hụt công suất. Trong tình huống một bộ phận của lưới điện có trang bị nguồn phát phân tán bị tách đảo, khả năng xuất hiện mất cân bằng nguồn-tải là khá cao, do đó tần số sẽ điều chỉnh theo, và chính sự biến đổi tần số này sẽ được rơ le bảo vệ phát hiện và máy phát được ngắt ra khỏi lưới điện bị tách đảo. Dĩ nhiên nguyên tắc này cũng chính là vấn đề lớn nhất của ROCOF- Nếu một lưới điện sau khi tách đảo vẫn ở trạng thái nguồn phát và phụ tải cân bằng, ROCOF sẽ không thể phát hiện trạng thái này. Các kỹ sư bảo vệ cần phải lưu ý tình huống không phát hiện được này để thiết kế hệ thống bảo vệ tương ứng.

Trong đó:

Việc mất cân bằng giữa tải và nguồn phát càng lớn, giá trị ROCOF ước tính trong khoảng thời gian bắt đầu tách đảo càng cao. Cũng cần phải lưu ý rằng các tình huống giảm áp mạnh nhưng thoáng qua có thể xảy ra khi có thao tác đóng cắt trên lưới, dẫn đến giá trị ROCOF cũng rất cao nhưng thoáng qua, đây không phải là các tình huống bảo vệ này cần tác động. Do đó, thời gian tác động của bảo vệ ROCOF thường áp dụng là 500ms, vì các tình huống thấp điện áp không liên quan đến tách đảo sẽ không kéo dài lâu như vậy.

Khi quán tính của lưới không còn, ROCOF thường tăng lên, dẫn đến dao động tần số rộng hơn khi có nhiễu động trên lưới. Trạng thái ROCOF cao có thể là tình huống nguy hiểm cho các nguồn phát truyền thống, vì hiện tượng trượt- cực từ có thể xảy ra ở khoảng 1,5 đến 2 Hz/s, và trong tình huống hệ số công suất nhanh pha, trượt cực từ có thể xảy ra ở 1 Hz/s (Palermo, 2016). Các tiêu chuẩn cho các giá trị cài đặt ROCOF là không thống nhất, nhưng một số ví dụ về ngưỡng giới hạn có thể được tham khảo theo qui định về ROCOF của một số nước như Ireland là 0,5 Hz/s, Bắc Ireland là 1 Hz/s. Ở Vương quốc Anh, tiêu chuẩn quốc gia cho tất cả các nhà máy điện mới được đưa vào sử dụng sau tháng Bảy 2016 là 1 Hz/s trong khoảng 500ms. Qui chuẩn Lưới điện quốc gia Australia qui định tiêu chuẩn tối thiểu là 1Hz/s trong 1 s, và 4Hz/ trong 250ms. Các cơ quan quản lý lưới phân phối cũng có qui tắc giới hạn của riêng họ, vốn thường khắt khe hơn các cơ quan điều độ lưới điện quốc gia. Các giới hạn ở Australia được cho trong Bảng 1

*Tiêu chuẩn có thể thay đổi. Để biết số liệu hiện tại, xác nhận với cơ quan quản lý địa phương.

Các thông tin trên có ý nghĩa thế nào cho các dự án tích hợp nhà máy điện năng lượng tái tạo và phân tán?

Ở Australia, bắt buộc các nhà máy điện phân tán cỡ lớn phải có bảo vệ ROCOF. Dù các số liệu vận hành nói trên có thể được thay đổi, tất cả các dự án đều được yêu cầu có khả năng phát hiện và tác động bảo vệ theo các giới hạn này.

Do các nhà máy năng lượng tái tạo thường có dòng sự cố lớn nhất thấp hơn so với các máy phát đồng bộ, Recloser OSM của NOJA Power được sử dụng ngày càng nhiều như là máy cắt kết nối lưới cho các ứng dụng này. Tủ điều khiển RC-20 của NOJA Power có chức năng ROCOF trong cấu hình tiêu chuẩn, và tủ RC-10/RC-15 được tích hợp chức năng này từ phiên bản phần mềm 1.24. Với việc các tính năng này có trong sản phẩm chính, các kỹ sư bảo vệ có thể đáp ứng các yêu cầu của Cơ quan Điều hành thị trường năng lượng Australia (AEMO) thông qua việc sử dụng một thiết bị tiêu chuẩn có tích hợp sẵn tính năng cần thiết.

“Chức năng ROCOF có sẵn cho tất cả khách hàng sử dụng sản phẩm RC-10, RC-15 và RC-20 của chúng tôi”, Tổng giám đốc điều hành tập đoàn NOJA Power Neil O’Sullivan cho biết.

“Các thiết bị trước đây cũng có thể cập nhật chức năng này thông qua việc nâng cấp phần mềm miễn phí. Vì ROCOF thường được cơ quan chức năng bắt buộc phải có, các recloser của chúng tôi có thể được dùng để tách các phần mạng bị tách đảo nhằm tuân tủ qui định điều độ.”

Tài liệu tham khảo
Dysko, A. (2013), Loss of Mains Protection, University of Strathclyde Engineering presentation.

Palermo, J. (2016). International review of frequency control adaptation. 179.