Trong hệ thống điện hiện đại, nguồn năng lượng tái tạo ngày càng giữ vai trò quan trọng. Các nguồn như điện mặt trời, điện gió hay hệ thống lưu trữ thường không thể kết nối trực tiếp vào lưới vì đặc tính điện áp và tần số không đồng bộ với hệ thống.
Để hòa lưới, chúng phải đi qua bộ nghịch lưu, hay còn gọi là inverter. Tập hợp các nguồn sử dụng bộ nghịch lưu để kết nối vào lưới được gọi chung là Inverter-Based Resources (IBR).
Xem thêm:
Tủ RMU là gì và các loại tủ RMU phổ biến
2 công nghệ then chốt được sử dụng trong các bộ ngắt mạch điện
Tại sao relay quá dòng 50/51 thường dùng làm bảo vệ chính cho lưới điện hình tia?
Lợi ích của Inverter có nhiều MPPT độc lập cho hệ thống năng lượng mặt trời
Năm khí tượng điển hình là gì tầm quan trọng của nó
Sự khác biệt với máy phát đồng bộ
Máy phát đồng bộ có rotor quay, trữ năng lượng dưới dạng quán tính và từ thông. Khi sự cố ngắn mạch xảy ra, máy phát có khả năng cấp dòng rất lớn, thường gấp nhiều lần dòng định mức. Nhờ đó, các rơle bảo vệ dựa vào biên độ dòng sự cố có thể làm việc ổn định.
Ngược lại, IBR không có cơ cấu cơ khí lưu trữ quán tính. Dòng điện do IBR cung cấp được kiểm soát bởi bộ điều khiển của nghịch lưu. Khi xảy ra sự cố, bộ điều khiển giới hạn dòng để bảo vệ phần tử bán dẫn. Vì vậy, dòng sự cố từ IBR thường chỉ đạt khoảng 1,1 đến 1,3 lần dòng định mức. Chính đặc tính này khiến nhiều sơ đồ bảo vệ truyền thống trở nên thiếu tin cậy khi tỷ lệ IBR trong hệ thống tăng cao.
Phản ứng của IBR với sự cố ngắn mạch
IBR thường được điều khiển theo hai chế độ: grid-following (GFL) và grid-forming (GFM). Trong chế độ GFL, bộ nghịch lưu bám theo điện áp và tần số từ lưới điện, hoạt động giống một nguồn dòng. Chế độ này thích hợp khi hệ thống đã có nguồn tham chiếu mạnh từ máy phát đồng bộ.
Ngược lại, trong chế độ GFM, IBR chủ động tạo điện áp và tần số tại điểm nối lưới. Khi đó, nó đóng vai trò tương tự một máy phát đồng bộ ảo. GFM duy trì ổn định điện áp và tần số khi hệ thống thiếu nguồn tham chiếu. Sự phân biệt giữa hai chế độ GFL và GFM rất quan trọng trong thiết kế điều khiển và bảo vệ, vì phản ứng của chúng với sự cố hoàn toàn khác nhau.
Khi một sự cố ngắn mạch xảy ra trong hệ thống, máy phát đồng bộ phản ứng bằng cách đẩy ra dòng sự cố lớn trong vài chu kỳ đầu. Dòng này có thể duy trì ở mức cao cho đến khi bảo vệ tác động. Điều này đảm bảo rơle khoảng cách hoặc rơle quá dòng có đủ tín hiệu để nhận diện sự cố.
Trong khi đó, với IBR, dòng ngắn mạch bị hạn chế bởi bộ điều khiển. Sau khi sự cố xuất hiện, dòng điện chỉ tăng nhẹ rồi nhanh chóng bị kẹp lại ở mức định trước. Như vậy, tín hiệu dòng để rơle nhận biết không còn rõ rệt. Hiện tượng này giải thích vì sao sự cố trong lưới điện nhiều IBR thường không được phát hiện kịp thời bởi bảo vệ truyền thống.
Đặc tính khi xảy ra sự cố đứt dây trong nguồn năng lượng tái tạo
Một trường hợp đặc biệt là sự cố đứt dây dẫn. Khi dây bị đứt, dòng điện trong pha sự cố giảm mạnh và chỉ còn lại dòng điện dung của đường dây. Đây là dòng có đặc tính dung kháng, tức lệch pha −90° so với điện áp.
Trong nghiên cứu, góc trở kháng được xác định bằng công thức:
θ_z=θ_v − θ_i
Trong đó, θ_v là góc điện áp và θ_i là góc dòng điện của pha đang xét. Nếu θ_z rơi vào khoảng từ −90° đến −80°, sự cố đứt dây được khẳng định. Việc phát hiện dựa vào góc trở kháng này tận dụng đặc tính phản ứng nhanh của IBR, giúp phân biệt sự cố đứt dây với các hiện tượng giảm tải thông thường.
Ý nghĩa của đặc tính dung kháng
Sau khi dây dẫn bị đứt, phần đường dây còn lại đóng vai trò như một mạch điện dung nối với nguồn. Do đó, dòng còn lại chính là dòng điện dung. Công thức tính dòng điện dung được biểu diễn như sau:
I_c=j*ω*C_L*V_LN
Trong đó, ω là tần số hệ thống, C_L là điện dung toàn tuyến và V_LN là điện áp dây – trung tính tại đầu nguồn. Dòng điện dung này tạo nên đặc tính pha −90°, một dấu hiệu đặc trưng cho sự cố đứt dây khi có IBR.
Tác động đến bảo vệ hệ thống điện
Đặc tính hạn chế dòng của IBR khiến các phương pháp bảo vệ dựa vào biên độ dòng trở nên kém hiệu quả. Đồng thời, việc phân biệt giữa sự cố và các biến động phụ tải cũng khó khăn hơn. Vì vậy, cần phát triển các phương pháp bảo vệ mới khai thác tín hiệu đặc trưng của IBR như số lần qua điểm không, sự thay đổi nhanh góc trở kháng hoặc đặc tính dòng dung.
Những phương pháp này giúp rút ngắn thời gian phát hiện sự cố, có thể chỉ trong một chu kỳ điện. So với các kỹ thuật truyền thống mất hàng chục mili giây đến hàng trăm mili giây, cách tiếp cận này nâng cao đáng kể độ an toàn và tin cậy cho lưới điện nhiều IBR.