Đăng ký thành viên

Bài viết này giải thích cách thiết kế các hệ thống PV lớn kết nối với các đường dây phân phối trung áp có thể bao gồm nhiều chiến lược khác nhau để bố trí thiết bị chống sét. Việc đánh giá đúng hệ thống và thiết kế có thể giúp giảm số lượng các thành phần thiết bị phân phối, giảm các mức cách điện của thiết bị cần thiết và cuối cùng là giảm chi phí hệ thống.

Sự phát triển của các hệ thống phát điện quang điện (PV) liên kết cấp phân phối trung áp đã tăng đáng kể và hiện nay các hệ thống PV cấp tòa nhà quy mô nhỏ gần như phổ biến. Các hệ thống lớn hơn này có quy mô từ 2MW đến 30MW và kết nối với các đường dây phân phối điện lực có điện áp từ 12,47kV đến 34,5kV trong các ứng dụng điển hình của Mỹ. Mặc dù các hệ thống quy mô điện lực cung cấp chi phí triển khai thấp hơn trên mỗi kW so với các hệ thống PV quy mô nhỏ, nhưng vẫn cần phải đầu tư vốn đáng kể.

Các hệ thống này thường bao gồm lắp đặt đường dây phân phối trên không mới, dao cách ly cũng như các thiết bị đo lường và bảo vệ. Từ tủ đóng cắt, người ta sử dụng lưới thu sét của cáp ngầm để kết nối từng máy biến áp tăng áp PV. Mỗi máy biến áp tăng áp kết nối với một hoặc nhiều bộ biến tần PV, chuyển đổi nguồn điện DC (một chiều) PV thành nguồn điện AC (xoay chiều) để đưa vào lưới điện. Hình 1 thể hiện cấu trúc thiết kế điển hình này, bao gồm một số thiết bị chống sét trong đường dẫn điện (điện áp trung áp, hạ áp và DC).

Hình 1: Cấu hình thiết kế nghiên cứu trường hợp.

Điều đáng chú ý là trên các đoạn đường dây trên không, người ta sử dụng nhiều thiết bị chống sét tuần tự, một bộ cho mỗi cột điện. Tủ đóng cắt liên kết bao gồm các thiết bị chống sét và mỗi lưới thu sét của cáp có ​​một bộ thiết bị chống sét duy nhất trên máy biến áp tăng áp PV cuối cùng. Tất cả các máy biến áp PV giữa tủ đóng cắt liên kết và máy biến áp cuối cùng trong lưới thu sét đều không có thiết bị chống sét vì mỗi lộ xuất tuyến của máy biến áp thông qua kết nối đều có một cáp liên kết chiếm giữ. Bằng cách sử dụng nghiên cứu trường hợp của một hệ thống thực tế, bài viết sẽ xem xét một chiến lược thiết kế điển hình bằng cách mô hình hóa hệ thống và đánh giá tỷ lệ bảo vệ cho vị trí, thông số danh định và cấu hình thiết bị chống sét thay thế.

Tham số hệ thống

 Hệ thống PV 10MW kết nối với đường dây phân phối trên không 34,5kV hiện có. Như thể hiện trong Hình 1, kết nối bao gồm một số thiết bị lắp trên cột điện, mỗi thiết bị bao gồm một thiết bị chống sét. Có thêm hai thiết bị chống sét bổ sung, một ở tủ đóng cắt và một ở máy biến áp cuối cùng.

Hệ thống phân phối nối đất chắc chắn theo các tiêu chuẩn điện lực và không được thiết kế để vận hành lưới điện siêu nhỏ độc lập. Người ta đặt mỗi bộ biến tần PV 2MW và máy biến áp tăng áp cách xa tủ đóng cắt chính và cung cấp nguồn điện qua lưới thu sét cáp đồng 1/0 34,5kV với tổng chiều dài 472m. Chỉ có máy biến áp 4 có thiết bị chống sét lắp ở ống lót. Phía thứ cấp của máy biến áp, mỗi bộ biến tần bao gồm thiết bị bảo vệ chống sét (SPD) hạ áp AC và tại đầu vào của biến tần là SPD DC. SPD AC và DC là phương án được lựa chọn để mua từ nhà chế tạo biến tần theo thông lệ tiêu chuẩn. Hộp kết hợp DC không bao gồm SPD DC.

Để đánh giá hiệu quả của phương pháp thiết kế chống sét thông thường, người ta mô phỏng một cú sét đánh trực tiếp trên đường dây trên không đến cực kết nối. Dòng điện xung là 20kA sử dụng dạng sóng 8/20µs tiêu chuẩn theo dạng sau:

trong đó; Im = 20kA, α = -72274/giây và β = -98417/giây. Định thời gian xung để bắt đầu ở điện áp pha-a đỉnh.

Mỗi mức cách điện cơ bản (BIL) của thiết bị được chỉ ra bên dưới, cũng như tỷ lệ bảo vệ bắt buộc (PR), trong đó tính PR theo công thức sau:

Thiết bị sẽ được coi là được bảo vệ đầy đủ nếu PR ≥ 1,15.

Cấu hình thiết kế

Cân nhắc rằng mỗi cột điện của công ty điện lực đều có bộ thiết bị chống sét riêng, phân tích sẽ xem xét lợi ích chung của việc lắp đặt cả bốn thiết bị chống sét, được thêm vào tuần tự từng bộ một, cho đến máy biến áp xa nhất cuối cùng trong lưới thu sét. Trước tiên, phân tích sẽ xem xét hệ thống đường dây điện trên không, sau đó bao gồm hệ thống phát điện PV bằng cách sử dụng phương pháp tuần tự này.

Thiết bị chống sét lắp trên cột điện

Như thể hiện trong Hình 2, mỗi cột điện bao gồm cả thiết bị lắp trên cột điện và thiết bị chống sét giống hệt nhau. Mỗi cột điện đường dây trên không cách nhau khoảng 9m và không thể ngắt kết nối một phân đoạn đường dây trên không hoặc vận hành hệ thống mà không có các phân đoạn đường dây với thiết bị đang hoạt động.

Hình 2: Hệ thống kết nối đường dây điện trên không

Người ta áp dụng rộng rãi cấu hình này trong các hệ thống PV có phạm vi kích thước này, tuy nhiên, các cấu hình thay thế sử dụng bộ ngắt mạch chạm chập lắp trên bệ kết hợp với bộ ngắt kết nối, thiết bị đo lường và thiết bị chống sét trong một gói thiết bị hoặc chỉ một thiết bị chống sét duy nhất trên cột điện kết nối. Đối với cấu hình này, trong thời gian bảo trì hệ thống PV hoặc nếu công ty điện lực yêu cầu tách hệ thống khỏi công ty điện lực, dao cách ly cột điện nâng sẽ mở.

Để đánh giá hiệu quả tương đối của hệ thống chống sét trong cấu hình này, người ta mô phỏng một cú sét đánh trực tiếp vào đường dây đến tại cột điện kết nối mà không có chống sét. Ảnh hưởng của cú sét đánh 20kA dẫn đến điện áp tăng đột biến 350kV tại tủ đóng cắt chính, cao hơn đáng kể so với thông số danh định BIL của thiết bị 34,5kV và chắc chắn biện minh cho việc lắp đặt chống sét trong hệ thống.

Xem xét cột điện liên kết gần nhất với hệ thống đường dây trên không liên kết, phân tích đầu tiên bao gồm các thiết bị chống sét tại cột điện liên kết, các lần phân tích liên tiếp, mỗi lần bổ sung thêm một thiết bị chống sét trên cột điện tiếp theo gần hơn với hệ thống phát điện PV. Ban đầu, thử nghiệm cung cấp các kết quả cho sự tăng vọt điện áp giả định hệ thống phát điện PV bị ngắt kết nối. Người ta báo cáo V_đỉnh tại vị trí trong hệ thống trải qua điện áp xung cao nhất. Trong hầu hết các trường hợp, tỷ lệ bảo vệ là đủ để bảo vệ thiết bị phân phối. Cần lưu ý rằng có thể sử dụng các thông số danh định thấp hơn của thiết bị chống sét trong hệ thống, điều này sẽ làm tăng tỷ lệ bảo vệ.

Đối với cấu hình này, trong thời gian bảo trì hệ thống PV hoặc nếu công ty điện lực yêu cầu hệ thống phải tách khỏi công ty điện lực, dao cách ly cột điện nâng sẽ mở. Trong quá trình vận hành bình thường, dao cách ly cột điện nâng sẽ đóng và các thiết bị chống sét bổ sung sẽ là một phần của mạch điện.

Chống sét cho hệ thống thu sét PV

Khi dao cách ly cột điện nâng đóng, tủ đóng cắt chính của hệ thống PV được cấp điện và điều này bổ sung thêm một bộ chống sét có thông số danh định kV thấp hơn vào hệ thống. Hơn nữa, khi cấp điện lưới thu sét cho hệ thống PV, các chống sét chính của máy biến áp cũng góp phần bảo vệ hệ thống.

Hình 3: Cấp điện toàn bộ hệ thống

Điều đáng chú ý là điện áp đỉnh tại máy biến áp 1 là 91kV trong khi điện áp đỉnh tại máy biến áp 4 là 86kV. Điện áp thứ cấp máy biến áp đỉnh tại máy biến áp 1 là 23kV và 21kV đối với máy biến áp 4 không có SPD tại đầu vào biến tần.

SPD biến tần PV

Khi biến tần đang hoạt động, hệ thống điện áp xoay chiều hạ áp được bảo vệ bởi SPD loại II của bộ biến tần nằm ở phần AC đầu vào của bộ biến tần. Vì sự tăng vọt điện áp tại thời điểm này trong hệ thống xấp xỉ 20kV và điện áp danh định của bộ biến tần là 2,5kV nên việc lựa chọn SPD AC tại đầu ra của mỗi bộ biến tần theo khuyến nghị là hợp lý. Bộ biến tần cũng bao gồm một SPD DC loại II đặt trên mỗi đầu vào DC. Người ta mô phỏng sét đánh vào chính hiện trường PV tương tự như sét đánh ở phía AC.

Trong hệ thống điển hình này, lưới thu sét DC bao gồm một mạng lưới các hộp kết hợp DC với chiều dài cáp trung bình là 122m từ bộ kết hợp đến bộ biến tần. Mặc dù người ta khuyến nghị SPD cấp bộ kết hợp, nhưng ứng dụng này không sử dụng chúng và điện áp tăng đột biến tại các hộp kết hợp là 2,2kV, nằm trong khả năng của hệ thống.

Kết quả

Rõ ràng là một thiết bị chống sét đơn lẻ tại cột kết nối có thể bảo vệ thiết bị nhưng không đủ để vượt qua tiêu chí tỷ lệ bảo vệ. Tuy nhiên, hai hoặc nhiều thiết bị chống sét trong hệ thống dễ dàng cung cấp khả năng bảo vệ đầy đủ, mặc dù lợi nhuận giảm dần khi bổ sung thêm các thiết bị chống sét. Rõ ràng là cần có SPD AC ở đầu ra AC của bộ biến tần vì thiết bị điện tử công suất không được đánh giá là có thể chịu được các điện áp tăng vọt tương tự như máy biến áp. Có một số câu hỏi phổ biến xung quanh vị trí, thông số danh định và số lượng thiết bị chống sét trong cấu hình thiết kế này. Những câu hỏi này được đánh giá bên dưới.

Cấu hình thiết kế thay thế

Phần này đánh giá các cấu hình thay thế phổ biến của cùng một nguồn điện PV cơ bản mà sử dụng ít bộ chống sét, thông số danh định thay thế và vị trí thiết bị chống sét thay thế hơn.

Cấu hình thay thế phổ biến nhất là loại bỏ hệ thống chống sét lắp trên nhiều cột điện và lắp đặt một thiết bị chống sét duy nhất tại cột điện liên kết. Theo truyền thống, tủ đóng cắt chính bao gồm một bộ thiết bị chống sét và một bộ thiết bị chống sét duy nhất đặt tại máy biến áp đầu tiên hoặc cuối cùng trong lưới thu sét.

Các thiết bị chống sét thứ cấp của máy biến áp và thiết bị chống sét DC được khuyến nghị tại biến tần và thường được áp dụng. Rõ ràng là việc sử dụng thiết bị chống sét liên kết có giá trị danh định MCOV lớn hơn so với điện áp L-L của hệ thống sẽ không đạt tiêu chuẩn bảo vệ (như đã chỉ ra trước đó). Do đó, để sử dụng một thiết bị chống sét duy nhất tại cột điện liên kết, cần có thông số danh định chống sét thay thế. Trong trường hợp này, với hệ thống điện đã nối đất chắc chắn, thông số danh định chống sét truyền thống sẽ là 30kV và 24,4 MCOV. Hệ thống được bảo vệ khi sử dụng lựa chọn này.

Điều đáng chú ý là việc đặt thiết bị chống sét máy biến áp gần nhất với đường dây trên không đến bảo vệ đầy đủ cho máy biến áp 1 nhưng máy biến áp 4 lại chịu điện áp cao hơn nhiều. Trong trường hợp này, máy biến áp 4 vẫn được bảo vệ, tuy nhiên nếu thiết bị chống sét đường dây đến tăng lên MCOV 45kV 36,5kV, máy biến áp 4 sẽ chịu điện áp 133kV và PR là 1,13. Điều này làm sáng tỏ một điểm quyết định quan trọng. Để tiết kiệm thiết kế chống sét, người ta định kích thước các thiết bị chống sét theo cấu hình nối đất hệ thống và các chế độ vận hành dự kiến. Trong trường hợp nối đất chắc chắn hệ thống điện và hệ thống PV không cần phải cô lập hệ thống thu sét, có thể định kích thước các thiết bị chống sét cho hệ thống nối đất chắc chắn và có thể sử dụng ít thiết bị chống sét hơn. Tuy nhiên, nếu hệ thống được định dạng cô lập và hệ thống thu sét trong chế độ cô lập không nối đất hiệu quả, thì thông số danh định chống sét phải tăng lên để tránh hư hỏng do quá áp tạm thời (TOV). Điều này sẽ làm tăng thông số danh định thiết bị chống sét và có thể dẫn đến việc cần bổ sung thêm các thiết bị chống sét để giảm sự tăng vọt điện áp và tăng PR. Trong các trường hợp được đánh giá, vị trí tối ưu cho lưới thu sét là ở cuối hệ thống cáp trên máy biến áp sơ cấp cuối cùng. Điện áp thứ cấp của máy biến áp nằm trong thông số danh định của hệ thống máy biến áp trong từng trường hợp.

Như đã lưu ý trước đó, đầu ra AC của biến tần yêu cầu một SPD Loại II để bảo vệ các thiết bị điện tử công suất. Trong mọi trường hợp, thiết bị chống sét sơ cấp của máy biến áp tự nó không đủ để bảo vệ biến tần. Phương án thiết kế còn lại là bổ sung thêm các SPD DC bên trong hộp kết hợp ngoài các SPD DC cần thiết tại biến tần. Việc sử dụng các SPD tại cả biến tần và hộp kết hợp sẽ làm giảm sự tăng vọt điện áp tại cả biến tần và bộ kết hợp, tạo ra sự tăng vọt điện áp lần lượt là 1,2kV và 1,5kV. Việc bổ sung các SPD kết hợp có thể là cần thiết nếu đặt thiết bị đo lường trong các bộ kết hợp và điều chỉnh giới hạn điện áp tăng vọt thấp hơn.

Kết luận

Như với hầu hết các thiết kế, có nhiều giải pháp khác nhau để giải quyết các vấn đề về chống sét. Cần phải đánh giá cẩn thận hệ thống và phương pháp nối đất của nó để đảm bảo phối hợp cách điện phù hợp.

Cụ thể, cần cân nhắc những vấn đề sau:

1. Xác nhận nối đất hệ thống và áp dụng thiết bị chống sét và SPD với thông số danh định phù hợp với điện áp hoạt động. Điều này phải bao gồm cả trường hợp chế độ cô lập (nếu có) và chế độ bình thường.

2. Thực hiện nghiên cứu phối hợp cách điện để xác định vị trí SPD và thiết bị chống sét thích hợp bằng cách sử dụng các mẫu thiết kế tiêu chuẩn có thể dẫn đến thiết kế quá mức và tăng chi phí.

3. Xác định vị trí thiết bị chống sét của lưới thu sét tại máy biến áp cuối cùng trong bộ thu sét.

4. Trang bị cho biến tần SPD loại II ở đầu ra AC và đầu vào DC.