Tìm hiểu về Bảo vệ Dịch pha điện áp

Sự gia tăng nhanh chóng các nguồn phát phân tán (DG) đang là các điểm tin hàng ngày trên các hệ thống điện phân phối toàn cầu. Chi phí biên của các nhà máy năng lượng tái tạo thấp hơn rất nhiều so với các mô hình nhà máy điện tập trung truyền thống, dẫn đến lượng đầu tư khổng lồ trên toàn cầu vào các nguồn phát phân tán qui mô lớn như năng lượng mặt trời và gió.

Việc gia tăng các nguồn phát phân tán là một giải pháp giảm phát thải carbon dioxid, nhưng đồng thời cũng tạo nên các thách thức kỹ thuật cho các nhà cung cấp dịch vụ hay quản lý lưới điện. Các cơ quan này vẫn đang đau đầu với các vấn đề liên quan đến hiện tượng tách đảo và công suất hai chiều trên hệ thống, vốn trước đây được thiết kế dùng với các nhà máy điện tập trung.

Thách thức thường được đề cập với các nguồn phát phân tán là khái niệm tách đảo (islanding), vấn đề chúng tôi đã nêu ra trong bài viết về ROCOF, trong đó một phần của lưới phân phối bị tách rời khỏi hệ thống và tiếp tục vận hành. Đã có nhiều tranh luận về việc nên cho phép hệ thống tiếp tục vận hành ở trạng thái này hay xem nó là một tình huống mất an toàn. Phần lớn các công ty điện lực đã nhất trí rằng một khi xảy ra tình huống tách đảo, phần mạng đó phải được cách ly khỏi hệ thống- dựa trên nguyên tắc căn bản: nguồn phát phân tán là một phần tử bình thường chỉ khi nó vẫn duy trì liên kết với hệ thống. Yếu tố then chốt thúc đẩy quan điểm này là các qui chuẩn an toàn, đặc biệt trong tình huống vận hành viên cho rằng đường dây đã bị cắt điện trong khi thực tế là đường dây vẫn được cấp điện từ các nguồn khác.

Xuất phát từ nhu cầu đó, các kỹ thuật bảo vệ chống tách đảo đã hình thành, và được phân loại thành hai loại: bảo vệ chủ động và thụ động. Phương pháp bảo vệ chống tách đảo chủ động hoạt động bằng cách tạo một thay đổi vật lý phía nguồn phát, với giả định rằng quán tính của hệ thống sẽ bỏ qua các thay đổi này của nguồn phát nếu nó vẫn còn kết nối với hệ thống. Ngược lại, nếu bản thân nguồn phát phân tán có thể thay đổi đáng kể chất lượng nguồn cung cấp, nó được xem như “có thừa công suất”, nghĩa là lúc này nó đang nắm quyền điều khiển lưới địa phương, hay nói cách khách, trạng thái tách đảo đã hình thành. Phương pháp này hoạt động hiệu quả nhưng chỉ gói gọn ở các ứng dụng nguồn phát sử dụng các bộ nghịch lưu công suất mà thôi.

Các phương pháp thụ động, bao gồm các phần tử bảo vệ ROCOF và VVS, theo dõi điện áp và tần số của hệ thống để xác định xem có hiện tượng tách đảo hay không. ROCOF theo dõi sự khác nhau của tần số gây ra do sự mất cân bằng công suất giữa tải và nguồn phát, trong khí đó phần tử Dịch pha điện áp VVS theo dõi góc pha của điện áp đo tại điểm kết nối với hệ thống.

Nguyên lý hoạt động của hai phần tử này có một điểm chung: Chúng đều giả định rằng công suất nguồn phát và tải trong một lưới bị tách đảo là không cân bằng. Trong khi ROCOF kỳ vọng tần số lưới sẽ giảm xuống hay tăng lên tùy theo công suất tải khi hình thành tách đảo, VVS mặc định rằng lượng công suất đầu ra của nguồn phát (thừa hay thiếu) sẽ gây ra dịch chuyển tức thời của góc pha điện áp khi rời nguồn phát.

Bảo vệ VVS kiểm tra điện áp mỗi nửa chu kỳ tại điểm đặt thiết bị. Sử dụng điện áp của nửa chu kỳ trước làm giá trị tham chiếu, thuật toán VVS so sánh véc tơ điện áp đã dịch chuyển bao nhiêu giữa hai nửa chu kỳ liên tiếp. Trong tình huống tách đảo, mức dịch chuyển góc pha kỳ vọng nói chung là trên 12 độ (đây là chuẩn cài đặt chung cho bảo vệ VVS), cũng chính là ngưỡng để rơ le VVS kích hoạt tác động cắt.

Một ví dụ véc tơ điện áp dịch chuyển trong lúc hình thành tách đảo, lưu ý sự dịch chuyển góc pha chỉ khi công suất nguồn phát- tải là không cân bằng (Dysko ©2013)

Nguyên tắc so sánh tham số điện áp trong mỗi chu kỳ khiến VVS là một phần tử bảo vệ hoạt động rất nhanh, nhưng điều kiện chủ đạo trong hoạt động của nó là tính không cân bằng về mặt cung-cầu của lưới. Cũng cần nhắc lại rằng, cùng với ROCOF, tính năng bảo vệ này được xem như tiêu chuẩn cần có cho thiết bị kết nối nguồn phát phân tán, và cả hai có cùng một tình huống không nằm trong vùng tác động của chúng, đó là khi công suất nguồn phát và tải gần như bằng nhau. Trong thực tế, cho dù bảo vệ VVS có tốc độ rất nhanh, việc tăng công suất phát 66% cũng chỉ có thể gây ra một lượng dịch chuyển góc pha hơn 6 độ (Dysko © 2013).

Do đó, công tác phân tích các tình huống của lưới cần phải đảm bảo rằng các thông số cài đặt bảo vệ cần tính đến khả năng công suất tải/ nguồn phát là cân bằng trong trạng thái lưới bị tách đảo. Các hệ thống bảo vệ này khá hiệu quả, nhưng cần áp dụng các bước phân tích thích hợp.

“Phần tử Dịch pha điện áp VVS là một công cụ bảo vệ quan trọng để cách ly các nguồn phát phân tán trong tình huống tách đảo đối cho các kỹ sư bảo vệ công tác trong các công ty điện lực”,-Tổng giám đốc điều hành Tập đoàn NOJA Power Neil O’Sullivan cho biết.

“Các sản phẩm của chúng tôi được dùng ngày càng nhiều cho các ứng dụng kết nối với lưới trung thế cho các nguồn năng lượng tái tạo qui mô lớn, nơi mà các tính năng bảo vệ này là yêu cầu cốt yếu.”

VVS và ROCOF hiện là các tính năng bảo vệ cốt lõi cho các điểm kết nối với nguồn phát phân tán, và Recloser OSM của NOJA Power tích hợp cả hai chức năng này ở cấu hình tiêu chuẩn. Đối với các dự án nhà máy điện phân tán, Recloser OSM có thể dùng để lắp đặt tại điểm kết nối với hệ thống, đáp ứng các qui định về bảo vệ cho các nguồn phát năng lượng tái tạo thông qua sử dụng một máy cắt thân thiện với môi trường, không có SF6, chính là Recloser OSM của NOJA Power. Kiểu thiết bị đa năng năng này giúp giảm chi phí đưa vào sử dụng, đơn giản hóa công tác lắp đặt và rút ngắn thời gian hoàn vốn cho các dự án nhà máy điện dùng năng lượng tái tạo. Để biết thêm chi tiết, truy cập www.nojapower.com.vn hoặc liên hệ nhà phân phối NOJA Power gần nhất.