CUNG CẤP ĐIỆN CHO NÔNG THÔN

Điều đó gây khókhăn cho việc đầu tư có hiệu quả hệ thống cung cấp điện; - Phụ tải rất đa dạng, bao gồm các hộ dùng điện trong trong sinh hoạt, trong sản xuất như:trồng trọt, thủy lợi, ch

Chương 4

Cung cấp điện cho các điểm dân cư nông thôn và miền núi

4.1 Phụ tải của hệ thống cung cấp điện nông thôn

4.1.1.Đặc điểm của phụ tải điện nông thôn, miền núi

Hệ thống cung cấp điện cho khu vực nông thôn, miền núi có đặc điểm khác biệt, mà

có thể liệt kê một số nét cơ bản sau:

- Mật độ phụ tải thấp và phân bố không đều trên phạm vi lãnh thổ rộng lớn Điều đó gây khókhăn cho việc đầu tư có hiệu quả hệ thống cung cấp điện;

- Phụ tải rất đa dạng, bao gồm các hộ dùng điện trong trong sinh hoạt, trong sản xuất như:trồng trọt, thủy lợi, chăn nuôi, công nghiệp nhỏ, lò gạch, chế biến thực phẩm v.v

- Sự làm việc của rất nhiều thiết bị được thực hiện ở chế độ ngắn hạn với khoảng thời giannghỉ khá dài, do đó thời gian sử dụng trong ngày rất thấp, ví dụ như quá trình chế biến thức

ăn gia súc, quá trình vắt sữa v.v

- Phần lớn phụ tải điện nông nghiệp tác động theo mùa vụ, ví dụ các trạm bơm, các trạm xử

lý hạt giống, các máy thu hoạch (tuốt lúa, làm sạch sản phẩm v.v.)

- Sự chênh lệch giữa giá trị phụ tải cực đại và cực tiểu trong ngày rất lớn Điều đó dẫn đếnnhững khó khăn lớn cho việc ổn định điện áp

Ngoài những đặc điểm cơ bản của phụ tải, bản thân mạng điện nông thôn cũng cónhững nét khác biệt như:

- Do chiều dài đường dây lớn nên giá trị dòng điện ngắn mạch nhỏ, đôi khi không chênh lệchnhiều so với dòng điện làm việc, điều đó gây khó khăn cho việc lựa chọn ngưỡng bảo vệ đểđảm bảo tính chọn lọc và độ nhạy cần thiêt của bảo vệ rơle

- Điều kiện làm việc của các thiết bị điện không thuận lợi (nhiệt độ và độ ẩm cao, môi trườngkhí độc hại v.v.) Điều đó gây trở ngại cho việc bảo quản và vận hành thiết bị điện và đảmbảo điều kiện an toàn lao động

- Sự phát triển liên tục của các phụ tải, sự phát triển và mở rộng các công nghệ hiện đại, sựphát triển cơ giới hóa và tự động hóa các quá trình sản xuất đòi hỏi phải không ngừng cải tạo

và phát triển mạng điện theo những yêu cầu mới v.v

4.1.2 Phụ tải sinh hoạt và dịch vụ công cộng

Phụ tải sinh hoạt của các hộ gia đình nông dân bao gồm các thành phần: thắp sángchiếm trung bình khoảng 50÷70% tổng lượng điện năng tiêu thụ, quạt mát (20÷30)%, đunnấu (10÷20)%, bơm nước (5÷10)% và các thành phần khác Các thiết bị tiêu thụ điện chủ yếutrong các gia đình nông dân được thể hiện trong bảng 4.1:

Cùng với sự phát triển kinh tế, cơ cấu các thành phần phụ tải điện trong các hộ giađình nông dân cũng thay đổi Các thiết bị điện sử dụng cho mục đích giải trí ngày càng tăng,trong khi đó phụ tải chiếu sáng có xu hướng giảm dần Khi số liệu điều tra không đầy đủ có

thể tham khảo áp dụng một số định mức sử dụng điện dưới đây để lập qui hoạch, thiết kế các

dự án lưới điện cho khu vực nông thôn Dự báo nhu cầu điện sinh hoạt gia dụng các vùngnông thôn Việt Nam cho trong bảng 7.pl (phụ lục) Thời gian sử dụng công suất cực đại củaphụ tải sinh hoạt nằm trong khoảng TM=1600÷2000h/năm

Bảng 4.1 Phụ tải sinh hoạt

p0sh – suất tiêu thụ trung bình của hộ gia đình nông thôn, kW/hộ;

bách hóa v.v Định mức tiêu thụ cho dịch vụ công cộng nông thôn và hệ số đồng thời đượccho trong bảng 8.a.pl.

4.1.3 Phụ tải sản xuất

Phụ tải sản xuất bao gồm các thành phần phụ tải sản xuất nông nghiệp, sản xuất côngnghiệp và tiểu thủ công nghiệp

a) Phụ tải công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp

Nhu cầu phụ tải điện công nghiệp địa phương, tiểu thủ công và lâm nghiệp được xácđịnh trên cơ sở nhu cầu hiện tại và định hướng phát triển các ngành kinh tế này trên địa bàn.Tham số về phụ tải của một số thiết bị dùng trong công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp nôngthôn được thể hiện trong bảng 4.2:

Bảng 4.2 Phụ tải sản xuất công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp nông thôn

P

Trong đó:

Pni – công suất của thiết bị động lực, kW;

knc – hệ số nhu cầu, xác định theo biểu thức:

hd

sd sd

nc

n

k k

Σ

− +

ksdΣ - hệ số sử dụng tổng hợp của nhóm tải, xác định theo biểu thức (2.31)

b) Phụ tải thủy lợi

Phụ tải điện thủy lợi chủ yếu là các trạm bơm tưới và tiêu úng Các loại động cơ dùng

ở các trạm bơm thường là loại không đồng bộ công suất đặt từ 10 ÷ 75 kW

Phụ tải thủy lợi được xác định theo nhu cầu tưới và tiêu

p0tuoi và p0tieu – suất tiêu thụ công suất cho tưới và tiêu úng, kW/ha, cho trong bảng 8.b.pl.

Công suất tính toán của nhóm phụ tải thủy lợi bằng giá trị cực đại của phụ tải tướihoặc tiêu:

Bảng 4.3 Thời gian sử dụng công suất cực đại của phụ tải điện thủy lợi, TM, h/năm

700 ÷ 920

Phương pháp 2 cho phép xác định một cách gần đúng phụ tải tính toán có xét đến các

hệ số đồng thời của các nhóm tải khác nhau:

PM = kkV ( ksh.Psh + kđl.Pđl) (4.6)Trong đó :

P∑ - tổng công suất tính toán hay công suất cực đại của khu vực;

Psh - tổng nhu cầu công suất sinh hoạt gia đình và dịch vụ công cộng;

Pđl - tổng nhu cầu công suất phụ tải động lực;

kkV : hệ số đồng thời cho các loại phụ tải trong khu vực thiết kế;

ksh : hệ số đồng thời của các hộ gia đình khu vực thiết kế;

kdl : hệ số đồng thời của phụ tải động lực

Phụ tải tính toán cũng có thể được xác định theo biểu thức gần đúng sau :

Trong đó:

Pi - công suất của điểm tải thứ i

kđt - hệ số đồng thời của các phụ tải khu vực, có thể lựa chọn như sau :

+ kđt = 0,6 khi Psh ≤ 0,5 ∑Pi

+ kđt = 0,7 khi Psh = 0,7 ∑Pi

+ kđt = 0,9 khi Psh = ∑Pi

Các trường hợp khác kđt có thể nội suy

4.2 Lựa chọn nguồn điện

4.2.1 Các nguồn điện cơ bản

Tùy theo đặc điểm địa lý của các vùng nông thôn, việc cung cấp điện được thực hiệnvới nhiều phương án khác nhau như: các trạm phát Điesel, trạm thủy điện nhỏ, trạm phongđiện v.v Phụ thuộc vào tiềm năng khai thác nguồn năng lượng tái tạo người ta xây dựng cácphương án kết hợp các nguồn phát điện hỗn hợp: thuỷ điện nhỏ – pin mặt trời; phong điện –pin mặt trời; thuỷ điện nhỏ – Điesel; phong điện – Điesel; pin mặt trời – Điesel với quy môcông suất hợp lý, đảm bảo cung cấp đủ điện cho nhu cầu phụ tải Dưới đây sẽ giới thiệu một

số phương án sử dụng nguồn năng lượng tại chỗ

4.2.1.1 Phương án cung cấp điện từ lưới quốc gia bằng mạng điện đơn giản

Đối với các vùng xa trung tâm có thể áp dụng phương pháp truyền tải điện năng bằngmạng điện đơn giản, tức là mạng điện ít dây dẫn, có thể là hai (2D) hoặc một pha (1D) Ở cácloại mạng điện này người ta sử dụng đất làm một dây dẫn Để có thể truyền dẫn điện trongđất cần phải xây dựng ở trạm phát và trạm thu các hệ thống tiếp địa (HTTĐ) Dòng điện đượctruyền từ trạm phát đến trạm thu bằng dây dẫn và trở về qua các HTTĐ và vùng đất giữa haitrạm trong mạng điện 1D, dòng điện 2 pha đi theo đường dây trên không, còn pha còn lạidòng điện đi trong đất (mạng 2D), (hình 4.1)

Do sự tác động điện từ, đường đi qua của dòng điện trong đất lặp lại hoàn toàn hành

vi của tuyến đường dây trên không Độ sâu thâm nhập của dòng điện trong đất phụ thuộc vàođiện trở suất, tần số dòng điện, có thể xác định theo biểu thức:

m f

h=5 , 08 10 2 ρđ ,

; (4.8) Trong đó : ρđ - điện trở suất của đất ,Ω.m; f - tần số dòng điện, Hz

Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạng dùng đất làm một dây dẫn:

a) sơ đồ mạng điện 2D và b) Sơ đồ mạng điện 1D

Đối với dòng điện tần số công nghiệp thì:

m

h=71,842 ρđ , ; (4.9)Mật độ dòng điện đi vào lòng đất giảm dần theo độ sâu và chiều rộng, tức là mật độdòng điện ngay tại nơi tiếp xúc với HTTĐ sẽ lớn nhất và giảm dần theo độ sâu và xa Mật độdòng điện tại một điểm bất kỳ cách vị trí tiếp địa một khoảng r được xác định:

,

x

đ r

r

I j

π

Trong đó:

jr - mật độ dòng điện tại điểm cách vị trí tiếp địa 1 khoảng r, A/m2;

I đ - dòng điện đi xuống đất, A;

r x- bán kính hay khoảng cách từ điểm tính đến vị trí tiếp địa, m

Điện trở của 1km đường đi của dòng điện trong đất (ứng với chiều dài đường dây trên không), phụ thuộc vào tần số, điện trở suất của đất, chiều cao treo dây trên không và độ sâu thâm nhập của dòng điện, có thể xác định theo biểu thức Parson Bell:

f H f

5 15 , 13 85 ,

x oe=(29 .lg +15,7 ).10− 4,Ω/ ; (4.12) Trong đó:

h- chiều sâu thâm nhập vào lòng đất của dòng điện, m;

H- chiều cao treo dây dẫn trên không, m;

Dây đất

→ Dòng điện sơ và thứ cấp

Dòng

điện chạy trong đất

Hệ thống nối đất

Hệ thống nối đất Dây trung tính

Dây đất

Dây trung tính

Điểm phân phối trung tâm Dây pha

Hình 4.2 Sơ đồ cung cấp điện nông thôn bằng mạng điện đơn giản

dùng đất làm một dây dẫn

x oe =(1450.lg +785).10− 4,Ω/ ; (4.14)

Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện cho khu vực nông thôn bằng mạng điện đơn giảnđược thể hiện trên hình 4.2 Việc lợi dụng đất làm một trong các dây dẫn cho phép tiết kiệmđược đáng kể kim loại màu, tuy nhiên ở đây người ta phải xây dựng các hệ thống tiếp địa làmviệc, vì vậy khi lựa chọn phương án cung cấp điện tối ưu, cần xem xét so sánh lượng tiếtkiệm kim loại màu so với tượng chi phí cho hệ thống tiếp địa

4.2.1.2 Trạm phát Điesel

Trạm phát Điesel được sử dụng rộng rãi không chỉ ở các vùng sâu vùng xa, hải đảo

mà còn là nguồn dự phòng đáng tin cậy đối với mọi phương án cung cấp điện Trên thực tếhiện tại có rất nhiều loại trạm phát Điesel do các hãng khác nhau sản xuất như máy phát tựkích thích kiểu Fimag DCBS 63-4 của Đức, máy phát kiểu SSED (Đức), máy MST (TiệpKhắc), máy GTE (Rumanie), v.v Trên hình 4.3 biểu thị hình ảnh bao quát của một số cụmĐiesel thông dụng Giá thành của các cụm Điesel phụ thuộc vào công suất, mức độ trang bị

tự động hóa, loại động cơ vv…Nhìn chung hiện tại suất vốn đầu tư của tổ phát Điesel nằmtrong khoảng 350 ÷ 650 $/kW (máy phát nhỏ có đơn giá lớn)

4.2.1.3 Năng lượng Mặt Trời

Theo số liệu tính toán năng lượng bức xạ Mặt Trời trên Trái Đất khoảng 1,2⋅1014 kW,tính trung bình trên một đầu người là gần 30 MW/ng [40] Tuy nhiên hiện tại tỷ lệ sử dụng

Hình 4.3 Hình dạng bao quát của trạm phát điện điesel

năng lượng này còn quá ít Công suất phát xạ của Mặt Trời phụ thuộc vào rất nhiều yếu tốnhư vị trí, thời gian trong ngày, thời gian trong năm, các điều kiện khí hậu, thời tiết v.v.Trong đó có nhiều yếu tố tác động ngẫu nhiên.

Sự chuyển đổi từ năng lượng nhiệt của Mặt Trời thành điện năng năng có thể đượcthực hiện theo hai phương thức:

Hình 4.4 Năng lượng Mặt Trời

a) Sơ đồ nguyên lý nhà máy điện Mặt Trời; b) Sơ đồ thiết hệ thống bị điện Mặt

Trời; c) Sơ đồ nguyên lý Pin Mặt Trời

kínhlớp bán dẫn P lớp chống phản xạ

tia nắng

tiếp xúc mặt trước

lớp bán dẫn n tiếp xúc mặt sau

đường tiếp giáp

modul quang điện

công tơ sảnxuất thiết bị gia dụng

mạng điện công cộng

mạch điện xoay chiềucông tơ tiêu

thụ

mạch điện một chiều

a)

34

8

Bộ chuyển đổi năng lượng Bộ nghịch lưu

TuabinTia nắng

Máy phátMạng điện cao áp

Bình ngưngBơm cấp

Nước làm mát

Bơm đối lưu Môi chất làm mát Hơi nướcloop

NướcMáy biến áp

* Phương thức thứ nhất của nhà máy điện dùng bức xạ Mặt Trời là hệ thống làm việcnhư trạm nhiệt điện, mà trong đó lò hơi được thay bằng hệ thống kính hội tụ thu nhận nhiệtbức xạ Mặt Trời để tạo hơi nước quay tuabin (hình 4.4a).

* Phương thức thứ hai chuyển đổi quang năng thành điện năng dưới dạng pin MặtTrời (hình 4.4c) Pin Mặt Trời, còn gọi là pin quang điện, có cấu tạo gồm hai lớp bán dẫn p

và n Lớp tiếp xúc giữa gọi là lớp tiếp xúc chuyển tiếp p - n Dưới tác dụng của ánh sáng MặtTrời vào lớp chuyển tiếp p-n có sự khuếch tán của các hạt dẫn cơ bản qua lớp tiếp xúc , tạonên một điện trường và do đó sinh ra một suất điện động của quang điện Giá trị của suất điệnđộng này tăng theo sự tăng của cường độ chiếu sáng Như vậy pin Mặt Trời biến đổi trực tiếpbức xạ năng lượng Mặt Trời thành điện năng, không qua bước trung gian về nhiệt

Hiện nay, người ta đã chế tạo tế bào quang điện Mặt Trời có đường kính cỡ vài đề ximét, cho công suất cỡ 1W trong điều kiện bức xạ Mặt Trời là 1kW/m2 Tuỳ theo nhu cầu phụtải của hộ tiêu thụ mà người ta ghép các tế bào pin Mặt Trời thành các bộ, tổ hợp

Năng lượng điện do pin Mặt Trời sản xuất ra nếu không dùng hết, thì có thể đượctích trữ bằng ắc qui Nhìn chung cho đến nay Pin Mặt Trời mới chỉ được chế tạo với côngsuất nhỏ, hiệu suất thấp, giá thành cao, thường chỉ được dùng để cung cấp cho các phụ tảinhỏ ở các vùng hải đảo xa Đơn giá pin Mặt Trời trung bình khoảng 4÷6 $/W và giá thànhđiện năng khoảng 0,25÷0,40 $/kWh

4.2.1.4 Trạm phong điện

Nguyên lý làm việc chủ yếu của trạm phong điện (TPĐ) là lợi dụng sức gió để quay

hệ thống cánh quạt (trực tiếp, hoặc gián tiếp qua bộ biến tốc) làm quay máy phát điện (hình4.5) Điện năng sản xuất ra thường được tích trữ bằng ắc qui Để xác định điện năng dự kiến

ở một vị trí cụ thể, cần có dữ liệu về sự phân bố tốc độ gió theo sự phân cấp Xét đến sự biếnđổi của tốc độ gió theo thời gian Để tính toán năng lượng gió cần biết các thông tin về tốc độgió tại nơi đặt thiết bị ở độ cao tính toán Các dữ kiện tin cậy cần phải được xử lý từ số liệukhảo sát không dưới 10 năm Hiệu quả sử dụng của thiết bị gió phụ thuộc rất nhiều vào cácđiều kiện khí hậu, địa hình, các nguồn năng lượng tại chỗ, giá nhiên liệu, chính sách tài chínhv.v Công suất của động cơ gió tỷ lệ bậc ba với vận tốc, được xác định theo biểu thức:

P = 0,5.Cp.η1.η2.η3.ρk.F.νh (4.15) Trong đó:

P - công suất động cơ gió, kW;

F - bề mặt quét gió của cánh, m2;

ρk - khối lượng riêng của không khí, (ρk = 1,2kg/m 3);

Cp - hệ số công suất cực đại, (Cp= 0,59);

η1,η2,η3 - hiệu suất của bộ biến tốc, máy phát và ắc qui:

gió

máy phát Chuyển đổi điện năng

hộ dùng điện cột

Hình 4.5 Sơ đồ trạm phong điện

Để đánh giá được đầy đủ giá trị công suất của động cơ gió cần phải có đủ sô liệuthống kê về tốc độ và sự phân bố gió trong khu vực đặt thiết bị Thông thường các số liệu vềtốc độ gió được đo ở độ cao 10m, vì vậy để xác định tốc độ gió ở độ cao bất kỳ h, cần phảiquy đổi theo biểu thức thực nghiệm sau: [40].

νh = 0,1ν.hg.b, (4.16)

Trong đó:

νh - tốc độ gió ở độ cao h, m/s;

ν – tốc độ gió theo số liệu đo của trạm khí tượng ở độ cao 10m, m/s;

hg – chiều cao trục gió, m;

b – hệ số thực nghiệm, đối với khu vực mở b=0,14 [40]

Dòng năng lượng gió có mật độ ban đầu thấp, bởi vậy đòi hỏi công nghệ cao, tức là giá thành của cơ cấu đắt, điều đó làm cho giá thành điện năng gió cao Nhược điểm cơ bản của điện năng từ trạm phong điện là không ổn định, chất lượng điện thay đổi, nhưng nó có ưuđiểm là không cần nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường

Giá thành điện năng của trạm phong điện được xác định theo biểu thức:

A – điện năng sản xuất bởi trạm phong điện: A=P.T;

T – thời gian làm việc của trạm phong điện, h/năm

Zg – chi phí quy dẫn của trạm phong điện, xác định theo biểu thức:

p – hệ số tiêu chuẩn sử dụng và khấu hao thiết bị phong điện (p=0,18);

Vg – vốn đầu tư trạm phong điện, bao gồm vốn mua thiết bị, vật tư và vốn xây dựng;

Cvh – chi phí vận hành thường niên, lấy trung bình bằng 7% vốn đầu tư

Để đảm bảo sự cung cấp điện ổn định người ta thường áp dụng sơ đồ kết hợp nănglượng gió và năng lượng Mặt Trời Việc kết hợp turbine gió và module quang điện cho phépnâng cao hiệu quả sử dụng của các nguồn năng lượng này (hình 4.6)

Công suất của các trạm phong điện cần phải thỏa mãn nhu cầu phụ tải và nạp choaccquy với dung lượng đủ để cung cấp vào những lúc lặng gió Vào thời gian lặng gió cácaccquy được nạp bởi cơ cấu điện Mặt Trời

Chi phí cho các việc xây dựng các thiết bị gió được đánh giá theo các thành phần, %:

TT Chi phí cho các phần tử Tỷ lệ, % TT Chi phí cho các phần tử Tỷ lệ, %

1 Thiết bị gió 60÷70 5 Cơ sở hạ tầng (đường xá) 5÷ 7

4 Nhà trạm 2÷ 3 8 Các chi phí khác 2÷ 3

Ngay từ những năm 1994 ở Đan Mạch đã có gần 3600 trạm phong điện, đảm bảokhoảng 3% lượng điện của quốc gia này, Ở Caliphornia có trên dưới 15000 trạm phong điện.Vào khoảng thập kỷ 80 của thế kỷ trước đơn giá thiết bị phong điện khoảng 3000 $/kW vàgiá thành điện năng là 20 cent/kWh Với sự hoàn thiện công nghệ, đơn giá thiết bị phong điệnngày càng giảm Hiện nay khoảng 600÷1200 $/kW và giá thành điện năng khoảng 7÷10cent/kWh, tức gấp rưỡi so với giá thành điện năng ở nhà máy nhiệt điện (giá thành điện năngcủa nhà máy nhiệt điện khoảng 4÷6 cent/kWh)

4.2.1.5 Thủy điện nhỏ

Trạm thủy điện nhỏ làm việc theo nguyên lý chuyển đổi thế năng của dòng nướcthành điện năng (hình 4.7) Công suất của trạm phát thủy điện nhỏ có thể xác định theo biểuthức:

Trong đó:

Q – lưu lượng nước, m3/s ;

g – gia tốc trọng trường, m/s2, (hoặc N/kg) (g=9,81) ;

h – chiều cao cột nước, m

Tùy theo quy mô của các trạm thủy điện nhỏ, đơn giá của trạm thủy điện nhỏ daođộng trong khoảng 280 ÷ 800 $/kW

hđập

cơ năng điện năng

Hình 4.7 Sơ đồ trạm thủy điện nhỏ

module quang điện turbine gió

bộ điều chỉnh

bộ chuyển đổi

accquy

Hình 4.6 Sơ đồ sử dụng

các nguồn năng lượng gió

và Mặt Trời cho hộ gia

đình

Giá thành sản xuất điện năng của trạm thủy điện nhỏ được xác định theo biểu thức:

A – điện năng sản xuất tại trạm thủy điện nhỏ: A = P.T;

T – thời gian sử dụng công suất của trạm thủy điện;

Ztđ – chi phí quy dẫn của trạm thủy điện nhỏ, xác định tương tự theo biểu thức (4.18)

4.2.1.6 Năng lượng biogas

Năng lượng biogas hay còn gọi là sinh khối là năng lượng thu lại từ các loại phế thảinhư rơm rạ, bả mía, trấu, phân gia súc, rác thải vv

Khí sinh ra bởi chất thải sinh học bao gồm các thành phần: 50÷ 90% khí methan(CH4), 10÷ 40% khí dioxyde carbone (CO2), khoảng 0,1% khí hydro sulfure (H2S) và hơinước Biogas có thể sinh nhiệt và điện năng Điện năng được sản xuất bằng máy phát chạybằng gas Các loại máy phát này thường được chế tạo với công suất nhỏ khoảng vài kW, đủ

Hình 4.8 Sơ đồ mô hình cung cấp điện bằng khí biogas

để cung cấp cho một hộ gia đình Đơn giá của máy phát điện chạy gas dao động trong khoảng

800÷1200 $/kW Sơ đồ cung cấp điện bằng khí biogas được thể hiện trên hình 4.8

4.2.2 So sánh các phương án cung cấp điện

Việc thiết kế hệ thống cung cấp điện trong điều kiện kinh tế thị trường, đặc trưng bởinhiều thành phần sở hữu cần phải được thực hiện trên cơ sở các nguyên lý và phương phápphù hợp với các điều kiện này

Để đánh giá hiệu quả kinh tế của các phương án ta sử dụng chỉ tiêu chi phí quy dẫn,được xác định theo biểu thức (3.1), (xem chương 3) Đối với các vùng ở độ xa trung bình so vớilưới điện quốc gia, thì có thể so sánh các phương án cung cấp điện bằng lưới ba pha thôngthường với phương án cung cấp điện bằng lưới đơn pha, còn đối với các vùng nông thôn xatrung tâm, nơi không thể đưa điện đến từ lưới quốc gia, thì việc cung cấp điện chỉ có thể thựchiện trên cơ sở khai thác các nguồn năng lượng tại chỗ Tuy nhiên, trở ngại lớn nhất đối vớiviệc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo là vốn đầu tư ban đầu cao Mặt khác, việc so sánhkinh tế-kỹ thuật của các phương án cũng gặp nhiều khó khăn, do một số trở ngại chính, làmgiảm đi tính cạnh tranh của các nguồn năng lượng tái tạo như:

- Giá điện từ các nguồn điện truyền thống hiện nay, do nhiều nguyên khác nhau, chưaphản ảnh đúng giá trị thực tế

- Ảnh hưởng của các nguồn năng lượng đối với môi trường chưa thể xét đến một cáchđầy đủ và chính xác;

- Công nghệ năng lượng tái tạo chưa thực sự hoàn thiện và chưa hoàn toàn khuất phụcđược các nhà đầu tư

- Hiệu quả sử dụng của thiết bị gió phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện khí hậu, địahình, các nguồn năng lượng tại chỗ, giá nhiên liệu, chính sách tài chính v.v

4.2.2.1 Xác định các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của mạng điện địa phương

Giả thiết là phụ tải phân bố đều trên toàn bộ lãnh thổ cần cung cấp điện mà có thểquy về diện tích hình vuông với cạnh là 2r (hình 4.9) Diện tích của vùng quy hoạch đượcchia thành nhiều hình vuông nhỏ với các điểm tải đặt ở chính tâm

a) Chiều dài đường dây phân phối

Chiều dài của đường dây phân phối được xác định theo biểu thức:

Lf = αf.2.r N ; (4.20)Trong đó:

N – số lượng điểm tải;

r – nửa cạnh hình vuông lãnh thổ quy hoạch (hình 4.9);

αf - Hệ số hình dạng của lưới điện, phụ thuộc vào địa hình.

b) Khối lượng kim loại màu của đường đây dài l:

G = 3.Fd.L.d (4.21)Trong đó:

Hình 4.9 Sơ đồ lý

tưởng của mạng điện

2r

d – khối lượng riêng của kim loại làm dây dẫn;

Fd - diện tích của tiết diện dây dẫn;

L - chiều dài đường dây

Nếu tiết diện dây dẫn được chọn theo mật độ dòng điện J, tức là:

3

JU M d JU

Trong đó:

I – giá trị dòng điện chạy trên đường dây, A;

U - Điện áp của đường dây, kV;

cosϕ - hệ số công suất trung bình của phụ tải

Có nghĩa là số lượng kim loại màu tỷ lệ thuận với mô men tải M

M = P.LĐối với lưới điện lý tưởng mô men tải có thể xác định theo biểu thức:

U J r d JU

M d

c) Tiết diện dây dẫn đẳng trị

Từ biểu thức (4.19) ta suy ra thiết diện của dây dẫn Fdt có thể xác định:

3

l JU

3

JU

r b L

ad, bd – các hệ số kinh tế cố định và thay đổi của đường dây

e) Hao tổn công suất tác dụng trên đường dây:

3

ϕ

ρ

U

J L P

10.cos

3

ϕ

ρ

U

J M

310.cos

3

ϕ

ργ

U

J r

Ψ

; (4.26)

ρ - điện trở suất của vật liệu dây dẫn, Ω/(km.mm2)

f) Tổn thất điện năng:

ργ

10cos

3

U

J r P

= p V A c

cos.3

.(

.10cos

3

3

3

τϕ

ρ

4.2.2.1 So phương án cấp điện cho khu vực thưa dân cư bằng mạng điện đơn pha

Đối với các vùng nông thôn miền núi không quá xa hệ thống điện quốc gia, thì có thểthực hiện phương án cung cấp điện bằng mạng đơn giản Chúng ta so sánh 2 phương án:Mạng điện ba pha thông thường và mạng điện đơn pha một dây + đất (1D)

a) Chi phí quy dẫn của mạng điện ba pha thông thường

Để so sánh các phương án cung cấp điện bằng lưới ba pha thông thường và lưới đơnpha, ngoài các chi phí của đường dây như đã biết, ta cần xét đế chi phí cho hệ thống nối đất :

Zd = pd(Vnđ+ Vd) + ∆A3fc∆

Trong đó:

pd – hệ số sử dụng hiệu quả và khấu hao vốn đầu tư;

Vd - vốn đầu tư cho đường dây

Vnd- vốn đầu tư cho hệ thống nối đất ;

Vốn đầu tư cho hệ thống nối đất được xác định theo biểu thức thực nghiệm:

- Đối với mạng điện ba pha thông thường :

Vnd = 2+0,025.S, triệu đ ; (4.29)

S – công suất tính toán của mạng điện, kVA

∆A3f– tổn thất điện năng ở mạng điện ba pha thông thường, được xác định theo biểu thức:

3

2 10 3

3

−

=

∆ A f I ro L τ , kWh ; (4.30)

r 0 – điện trở tác dụng của 1km đường dây ;

L – chiều dài đường dây, km ;

τ – thời gian hao tổn cực đại, h

c∆- giá thành tổn thất điện năng, đ/kWh ;

I – dòng điện chạy trên đường dây ba pha thông thường, xác định theo biểu thức:

U

S I

3

=

S – công suất truyền tải trên đường dây, kVA;

U – điện áp dây định mức, kV

b) Chi phí quy dẫn của mạng điện đơn pha dùng đất làm một dây dẫn

Chi phí quy dẫn của mạng điện đơn pha bao gồm các thành phần: Chi phí cho hệ thống nốiđất tăng cường, chi phí cho đường dây, chi phí phụ và chi phí tổn thất điện năng

Zd1 = pd(Vnđ1+ Vd1+ Vf) + ∆Ad1c∆ (4.31)Trong đó:

Vd1 – vốn đầu tư của đường dây đơn pha;

Vnđ1 – vốn đầu tư cho hệ thống nối đất tăng cường,phục vụ cho việc dẫn điện trong đất, có thểxác định theo biểu thức thực nghiệm sau :

Vnđ1 = (3,5+0,015.S+0,003.S2)/Rtđ1, triệu đ ; (4.32)Rtđ1 – điện trở của hệ thống nối đất của mạng điện đơn pha, Ω

Rtđ1= Rtd-(0,0025.S+5.10-5S2); (4.33)Rtđ – điện trở của hệ thống nối đất bảo vệ ở mạng điện ba pha thông thường

Các biểu thức này chỉ áp dụng trong giới hạn công suất S ≤ 100 kVA, nếu công suất

S lớn thì sẽ có sai số khi áp dụng các biểu thức thực nghiệm, cần kahi thác thêm các thông tin

bổ sung để hiệu chỉnh

Vf – vốn đầu tư phụ dùng để chuyển đổi điện năng một pha về dạng ba pha , trong tính toán

có thể lấy bằng 12% vốn đầu tư của mạng điện đơn pha (Vf=12%Vd1)

Tổn thất điện năng trong mạng điện đơn pha được xác định theo biểu thức:

3 1

2 1

2 1

r0e – điện trở của “dây đất”, xác định theo biểu thức (4.13)

4.2.2.3 So phương án cấp điện cho khu vực thưa dân cư bằng nguồn điện tại chỗ

Đối với các khu vực nông thôn xa trung tâm, phương án kinh tế nhất là sử dụng cácnguồn điện tại chỗ Cho đến nay nguồn phát điện tại chỗ chủ yếu là các trạm điesel

Chi phí cho trạm điesel được xác định theo biểu thức:

Trong đó:

pdie – hệ số sử dụng hiệu quả và khấu hao vốn đầu tư của trạm điesel: p= atc+ kkh;

kkh – hệ số khấu hao thiết bị điesel;

Vđie – vốn đầu tư cho trạm điesel;

Cnl – chi phí nhiên liệu:

gnl – giá thành 1 kg nhiên liệu đ/kg;

bnl – suất chi phí nhiên liệu kg/kWh;

P – công suất tiêu thụ (phụ tải), kW;

TM – thời gian sử dụng công suất cực đại, h/năm;

Cvh – chi phí vận hành

Khi so sánh các phương án ta coi chi phí vận hành là như nhau, nên không cần xét đến thành phần này trong chi phí tính toán, như vậy chi phí tính toán cho trạm điesel sẽ là:

Zdie= pdieVdie+gnlbnl.P.TM (4.38)Giả dụ cần cung cấp điện cho một khu vực gồm N điểm tải Ta so sánh 2 phương án:

Phương án 1: Đặt cho mỗi điểm tải một máy Điesel công suất nhỏ;

Phương án 2: Đặt một trạm Điesel công suất vừa cho cả vùng Ở phương án này ngoài trạm

phát Điesel còn phải xây dựng mạng điện phân phối đến các hộ tiêu thụ

Trong phương án đầu chi phí tính toán sẽ là:

Biểu thị công suất tính toán qua mật độ phụ tải: P=γ.4r2;

Công suất tính toán của một điểm tải:

3

JU

r b

p p dΨ

U

J r

.10cos

3

3

3

τϕ

ρ

Xác định vùng cấp diện tối ưu

Đặt Z1 = Z2 và sau một vài biến đổi ta có phương trình:

3

ϕ

ρτγ

3

ϕ

ρτγ

π

r

rkt = 2 = 1,13 rf ; (4.49)

4.3 Sơ đồ cung cấp điện

Sơ đồ của hệ thống cung cấp điện nông thôn là một phần của hệ thống điện quốc gia(hình 4.10) Việc lựa chọn sơ đồ cung cấp điện cho các khu vực nông thôn dựa trên các tiêuchuẩn kỹ thuật như độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện và sự hiện diện của các nguồn

năng lượng tái sinh Bài toán này được bắt đầu từ kết quả tính toán phụ tải ở các điểm nút,sau đó giải bài toán chọn cấp điện tối ưu, chọn vị trí, công suất và số lượng máy biến áp.

Đối với các điểm tải mới, việc lựa chọn sơ đồ cung cấp điện được thực hiện trên cơ

sở so sánh kinh tế - kỹ thuật các phương án khả thi Trong sơ đồ mạng điện phát triển cầnphải giải bài toán tổng hợp cung cấp điện cho các hộ hiện tại và các hộ dùng điện mới theocác phương án phát triển mạng điện có xét đến quy hoạch phát triển điện lực nói chung củavùng và quốc gia Việc xây dựng sơ đồ cung cấp điện phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản của sơ

đồ quy hoạch phát triển kinh tế tổng thể của cả vùng và khu vực Bài toán so sánh lựa chọnphương án cung cấp điện tối ưu phải xét đến lợi ích của dự án trên cơ sở đảm bảo lợi íchchung của cả hệ thống

4.3.1 Trạm biến áp phân phối

Trạm biến áp phân phối, hay còn gọi là trạm biến áp phân phối, có nhiệm vụ tiếpnhận và biến đổi điện năng phía trung áp sang phí hạ áp để phân phối cho các hộ dùng điện(hình 4.11)

Công suất máy biến áp cần được tính toán lựa chọn sao cho có thể đáp ứng yêu cầucung cấp điện đầy đủ với chất lượng đảm bảo đối với nhu cầu phát triển của phụ tải khu vực