Ảnh hưởng của các nguồn phát điện phân tán tới chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của lưới phân phối

MỞ ĐẦU Trong hệ thống điện ngày nay trên khắp thế giới, ngày càng có nhiều hơn các nguồn năng lượng mới, các nguồn năng lượng tái tạo có công suất nhỏ kết nối vào lưới.. Sự kết nối DG và

trường đại học bách khoa hà nội

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Nguyễn Phúc Huy

ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NGUỒN PHÁT ĐIỆN PHÂN TÁN TỚI CHỈ

TIÊU KINH TẾ, KỸ THUẬT CỦA LƯỚI PHÂN PHỐI

Chuyên ngành: Hệ thống điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ: HỆ THỐNG ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Trần Bách

Nguyễn Phúc Huy Luận văn C79 - HTĐ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, có tham khảo một số các tài liệu và bài báo của các tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của người khác

Tác giả

Nguyễn Phúc Huy

cô thuộc bộ môn Hệ thống điện – Khoa Điện – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

đã có những góp ý quý báu về nội dung của để tài Đồng thời tôi cũng xin gửi tới các bạn bè, đồng nghiệp đã cũng tôi trao đổi và giúp tôi tháo gỡ nhiều vướng mắc trong quá trình thực hiện

Cuối cùng tôi xin gửi tới gia đình và người thân, những người luôn bên cạnh tôi, là chỗ dựa tinh thần giúp tôi vượt qua những khó khăn trong thời gian qua

Nguyễn Phúc Huy Luận văn C79 - HTĐ

MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt 07

Danh mục các bảng biểu 08

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 09

Mở đầu 11

Chương 1 Tổng quan về lưới điện phân phối và nguồn phân tán 1.1 Giới thiệu chung về lưới phân phối .13

1.2 Các nguồn phát điện phân tán 21

Chương 2 Các ảnh hưởng của nguồn phân tán tới lưới điện phân phối 2.1 Khái quát chung 36

2.2 Tổn thất công suất trên lưới 37

2.3 Các vấn đề về điện áp .40

2.4 Vấn đề về dòng sự cố và bảo vệ rơ le .48

2.5 Độ tin cậy cung cấp điện 55

2.6 Vấn đề về kinh tế và môi trường 61

2.7 Đánh giá ảnh hưởng của DG bằng hệ số đa mục tiêu .63

Chương 3 Chương trình phân tích hệ thống điện PSAT 3.1 Giới thiệu chung về PSAT 68

3.2 Làm việc với PSAT .71

3.3 Tổ chức dữ liệu trong PSAT .78

Chương 4 Đánh giá hiệu quả của DG trong việc nâng cao chất lượng điện năng trên lưới phân phối 4.1 Bài toán phân bố dòng công suất 90

4.2 Hiệu quả của DG trong việc cải thiện chất lượng điện áp và giảm tổn thất trên đường dây 95

Kết luận 117

Phụ lục Dữ liệu và kết quả tính toán .119

Tóm tắt 164

Tài liệu tham khảo .166

DANH MỤC CÁC KỸ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu, chữ viết tắt Nghĩa tiếng Việt

GA Thuật toán di truyền

LPP Lưới điện phân phối

Nguyễn Phúc Huy Luận văn C79 - HTĐ

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Hệ số thống kê cho một số phụ tải thông dụng 20

Bảng 1.2 Dãy công suất tương ứng của các công nghệ nguồn phân tán .32

Bảng 1.3 Công suất đặt của các nhà máy địa nhiệt trên thế giới 33

Bảng 2.1 - Giới hạn méo sóng hài cho phép theo IEC-61000-3-6 47

Bảng 2.2 Ví vụ về các hệ số đa mục tiêu .67

Bảng 3.1 Một số Toolbox trên môi trường Matlab .71

Bảng 3.2 Định dạng dữ liệu nút (Bus.con) .78

Bảng 3.3 Định dạng dữ liệu đường dây (Line.con) .80

Bảng 3.4 Định dạng dữ liệu đường dây phụ (Lines.con) 81

Bảng 3.5 Định dạng dữ liệu máy biến áp (Line.con) .82

Bảng 3.6 Định dạng dữ máy phát nút cân bằng (SW.con) .83

Bảng 3.7 Định dạng dữ liệu máy phát PV (PV.con) 85

Bảng 3.8 Định dạng dữ liệu tải PQ (PQ.con) .86

Bảng 3.9 Định dạng dữ liệu máy phát PQ (PQgen.con) 87

Bảng 3.10 Định dạng dữ liệu tổng dẫn shunt (Shunt.con) 88

Bảng 3.11 Định dạng dữ liệu vùng miền (Area.con và Region.con) 89

Bảng 4.1 Số liệu lưới thử nghiệm 97

Bảng 4.2 - Mức độ cải thiện điện áp sau khi kết nối DG 103

Bảng 4.3 Mức giảm tổn thất công suất sau khi kết nối DG 106

Bảng 4.4 Hệ số đánh giá phương án (IMO) .109

Bảng 4.5 Số liệu lưới thử nghiệm IEEE-14 .110

Bảng 4.6 Số liệu phụ tải các nút lưới thử nghiệm IEEE-14 .111

Bảng 4.7 Hệ số cải thiện chất lượng điện áp (VIimp) 115

Bảng 4.8 Hệ số giảm tổn thất công suất (LLIimp) 115

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Lưới điện phân phối hình tia không phân đoạn .16

Hình 1.2 Lưới điện phân phối hình tia có phân đoạn 16

Hình 1.3 Lưới điện phân phối kín vận hành hở 16

Hình 1.4 Sơ đồ lưới cung cấp điện trong tương lai có sự tham gia của các DG 23

Hình 1.5 Điểm kết nối (CP) và điểm kết nối chung (PCC) .23

Hình 1.6 Mặt cắt dọc hộp tổ hợp tuabin – máy phát điện gió .24

Hình 1.7 Đặc tính công suất của động cơ gió .25

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý của loại tuabin gió tốc độ không đổi .26

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý của loại tuabin gió DFIG .27

Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý của loại tuabin gió kết nối trực tiếp 28

Hình 1.11 Sơ đồ trạm thủy điện nhỏ 31

Hình 1.12.Sơ đồ mô hình cung cấp điện bằng khí Biogass .32

Hình 2.1 DG làm giảm công suất trên đoạn lưới từ hệ thống tới 37

Hình 2.2 Phân bố hợp lý các DG trên lưới sẽ giảm được tổn thất .39

so với đặt tập trung Hình 2.3 – Điện áp nút tăng lên tại nút có đấu nối DG .42

Hình 2.4 Ảnh hưởng của DG tới sự phối hợp giữa các bảo vệ 50

Hình 2.5 – Sự phối hợp giữa TĐL và CC trên lưới điện hình tia .52

Hình 2.6 - DG làm việc song song với lưới 56

Hình 2.7 - Chế độ vận hành cô lập của DG làm tăng độ tin cậy CCĐ 57

Hình 2.8 - Cách thức đặt TĐL có thể làm tăng độ tin cậy của lưới 58

Hình 2.9 - Lưới hình tia đơn giản không có dao phân đoạn trục chính .59

Hình 2.10 - Phân chia các phân đoạn và các điểm tải trên lưới hình tia .59

Hình 3.1 – Cấu trúc chung của PSAT .70

Hình 3.2 – Giao diện chính của PSAT .72

Hình 3.3 – Màn hình chính của thư viện SIMULINK .73

Hình 3.4 – Thư viện kết nối 74

Hình 3.5 – Các phần tử và thiết bị tĩnh 74

Hình 3.6 – Dữ kiện cho bài toán CPF và OPF .75

Hình 3.7 – Máy cắt và điểm sự cố 75

Hình 3.8 – Các khối đo đếm 75

Hình 3.9 – Các mô hình phụ tải điện 75

Hình 3.10 – Các mô hình máy điện 76

Hình 3.11 – Các cấu trúc điều khiển 76

Hình 3.12 – Mô hình máy biến áp có điều chỉnh 76

Nguyễn Phúc Huy Luận văn C79 - HTĐ

Hình 3.14 – Các mô hình tuabin gió .77

Hình 3.15 – Các mô hình khác .78

Hình 4.1 – Sơ đồ lưới điện tính toán .97

Hình 4.2 – Biểu đồ điện áp nút trên lưới điện 98

Hình 4.3 TH1: PDG = 30%PL, đấu vào nút 11 .99

Hình 4.4 TH2: PDG = 50%PL, đấu vào nút 11 100

Hình 4.5 TH3: PDG = 100%PL, đấu vào nút 11 .100

Hình 4.6 TH4: PDG = 30%PL, phân đều cho nút 6, 11 .101

Hình 4.7 TH5: PDG = 30%PL, phân đều cho nút 6, 11, 14 .101

Hình 4.8 TH6: PDG = 50%PL, phân đều cho nút 6, 11 .102

Hình 4.9 TH7: PDG = 50%PL, phân đều cho nút 6, 11, 14 .102

Hình 4.10 TH8: PDG = 100%PL, phân đều cho nút 6, 11 .103

Hình 4.11 TH9: PDG = 100%PL, phân đều cho nút 6, 11, 14 .103

Hình 4.12 Điện áp các nút khi tăng dần mức độ thâm nhập của DG .105

Hình 4.13 Điện áp các nút khi tăng dần mức độ phân tán của DG .106

Hình 4.14 Biểu đồ mô tả mức độ cải thiện điện áp khi lưới có kết nối DG 106

Hình 4.15 Mức giảm tổn thất công suất tác khi khi có DG tham gia nối lưới 107

Hình 4.16 Tổn thất công suất trên lưới khi thay đổi mức DGdis (PDG = 30% PL) 107 Hình 4.17 Tổn thất công suất trên lưới khi thay đổi mức độ thâm nhập của DG (PDG = (30;50;100)% PL) 108

Hình 4.18 – Áp dụng hệ số đa mục tiêu để lựa chọn phương án .109

Hình 4.19 Sơ đồ lưới điện thử nghiệm IEEE-14 .110

Hình 4.20 Điện áp các nút trong trường hợp khi chưa có DG .112

Hình 4.21 Quan hệ điện áp nút trong các trường hợp kết nối DG, PDG=30%PL 113

Hình 4.22 Tổn thất công suất trên các nhánh đường dây trong các trường hợp kết nối DG, PDG=30%PL 113

Hình 4.23 Quan hệ điện áp nút trong các trường hợp kết nối DG, PDG=50%PL 114

Hình 4.24 Tổn thất công suất trên các nhánh đường dây trong các trường hợp kết nối DG, PDG=50%PL 114

Hình 4.25 Hệ số cải thiện điện áp nút theo mức độ thâm nhập của DG .115

Hình 4.26 Hệ số giảm tổn thất công suất trên các nhánh đường dây trong các trường hợp kết nối DG, PDG=50%PL 116

MỞ ĐẦU

Trong hệ thống điện ngày nay trên khắp thế giới, ngày càng có nhiều hơn các nguồn năng lượng mới, các nguồn năng lượng tái tạo có công suất nhỏ kết nối vào lưới Đối với lưới điện Việt Nam, xu thế đó cũng không thể tránh khỏi Đó là sự phát triển tất yếu của lưới điện do nhu cầu điện năng ngày càng tăng cao của các phụ tải điện

Tuy nhiên, trong quá trình phát triển hệ thống điện Việt Nam, sự xuất hiện của nguồn điện phân tán (DG) trong lưới điện phân phối cũng kéo theo một số vấn

đề nảy sinh khi bản thân các lưới phân phối chưa đáp ứng được sự gia tăng của nguồn và tải Sự kết nối DG vào lưới có thể làm thay đổi dòng công suất trên lưới, ảnh hưởng tới tổn thất điện áp và tổn thất công suất trên lưới, ảnh hưởng tới dòng sự

cố và độ tin cậy cung cấp điện của lưới Với sự tăng lên về mức độ thâm nhập của

DG, vấn đề về chất lượng điện áp có thể dễ dàng được khắc phục Khi số lượng DG được kết nối với lưới điện tăng lên, hướng công suất trên lưới có thể thay đổi phụ thuộc vào mức phát và tiêu thụ ở từng thời điểm cụ thể Điều này có thể làm giảm tổn thất công suất trên lưới Bên cạnh đó, sự kết nối DG còn kéo theo một số ảnh hưởng khác về môi trường và vấn đề kinh tế (đầu tư cải tạo, xây dựng mới hoặc nâng cấp lưới)

Chính vì những lý do đó, luận văn này sẽ đi vào trình bày những ảnh hưởng của DG tới các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của lưới điện, trong đó tập trung vào mối quan hệ giữa mức độ thâm nhập và vị trí kết nối của DG trên lưới điện với vấn đề

về điện áp và tổn thất công suất trên lưới Thông qua các lưới điện điển hình của IEEE và Toolbox PSAT trong môi trường Matlab, những kết luận có liên quan sẽ được đưa ra để phù hợp cho từng đối tượng như thiết kế, vận hành và khai thác lưới điện Tuy nhiên, luận văn không đề cập tới vấn đề vị trí kết nối tối ưu của DG vào lưới điện bởi trên thực tế vị trí của DG đã được xác định, và phần nào là cố định,

Nguyễn Phúc Huy Luận văn C79 - HTĐ

tùy thuộc vào tiềm năng của các các nguồn nhiên liệu sơ cấp (gió, mặt trời, sông ngòi )

Mục tiêu của luận văn

- Phân tích các ảnh hưởng của DG tới các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của lưới điện phân phối và giới thiệu các phương pháp tính toán tương ứng

- Đi sâu tính toán và phân tích ảnh hưởng của DG trong việc cải thiện chất lượng điện áp và giảm tổn thất công suất trên lưới

- Sử dụng PSAT và các lưới điện điển hình của IEEE trong tính toán

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ NGUỒN PHÂN TÁN

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Lưới điện là tập hợp toàn bộ các đường dây và trạm biến áp kết nối với nhau theo những nguyên tắc nhất định có chức năng truyền tải điện năng từ nơi sản xuất tới nơi tiêu thụ Mỗi loại lưới lại có các tính chất vật lý và quy luật hoạt động khác nhau [1] Trên hệ thống điện Việt Nam, lưới điện được chia ra thành 3 loại lưới chính:

- Lưới truyền tải 200kV ÷ 500kV nối liền các nhà máy điện với nhau và với các nút phụ tải khu vực – các trạm biến áp trung gian khu vực, tạo ra

hệ thống điện lớn

- Lưới cung cấp khu vực 110kV, là phần lưới điện từ các trạm trung gian khu vực hoặc từ thanh cái cao áp các nhà máy điện cung cấp điện cho các trạm trung gian địa phương

- Lưới phân phối là phần lưới điện sau các trạm biến áp trung gian địa phương, kết nối trực tiếp với lưới truyền tải để cấp điện tới các phụ tải tiêu thụ điện Lưới phân phối được phân chia thành lưới phân phối trung

áp (6, 10, 15, 22, 35kV) và lưới phân phối hạ áp (0,4/0,22kV)

Lưới điện phân phối trung áp (phạm vi nghiên cứu của đề tài-sau đây gọi tắt

là Lưới điện phân phối - LPP) làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung

gian (hoặc trạm khu vực hoặc thanh cái nhà máy điện) cho các phụ tải Lưới phân phối có nhiệm vụ chính trong việc đảm bảo chất lượng phục vụ phụ tải, bao gồm cả chất lượng điện áp và độ tin cậy cung cấp điện Các khối cơ bản của LPP là:

- Trạm biến áp trung gian, biến đổi điện năng sơ cấp máy biến áp (MBA) ở các cấp điện áp cao (110kV, 220kV) cấp cho các LPP địa phương, và thường là nâng cao khả năng điều chỉnh điện áp cho lưới cao áp phía sơ cấp MBA

Nguyễn Phúc Huy Luận văn C79 - HTĐ

- Lưới phân phối trung áp thường được thiết kế dưới dạng đường dây trên không hoặc cáp ngầm, có cấp điện áp 6,10,15,22 hoặc 35kV, được thiết

kế phù hợp với địa hình từng khu vực và cấp điện cho các trạm biến áp phân phối hạ áp

- Trạm biến áp phân phối hạ áp, với mật độ dày đặc trên LPP, biến đổi điện năng từ cấp điện áp trung áp xuống cấp điện áp 0,4kV cấp điện trực tiếp cho phụ tải

1.1.1 Đặc điểm công nghệ lưới phân phối điện trung áp

Công nghệ của LPP thường tồn tại ở hai dạng là 3 pha 3 dây, và 3 pha 4 dây

và điều này liên quan trực tiếp tới phương thức nối đất trung tính của MBA nguồn (MBA tại trạm trung gian)

Đối với cấu hình 3 dây pha, MBA tại trạm trung gian sẽ có trung tính nối đất qua tổng trở Z và không có dây trung tính đi học theo lưới điện Cấu hình 3 pha 4 dây với dây trung tính đi dọc theo lưới điện thì trung tính MBA trung gian sẽ được nối đất trực tiếp Các phương thức nối đất trung tính MBA trung gian là: Trung tính cách đất (Z=∞), trung tính nối đất trực tiếp (Z=0); trung tính nối đất qua điện kháng (Z=R hoặc Z=R+jX); hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang (Petersen) [1]

Trung tính cách đất (Z=∞) chỉ thực hiện được khi dòng điện chạm đất do

điện dung sinh ra trên lưới nhỏ hơn giá trị giới hạn cho phép, và khi đó lưới điện vẫn tiếp tục được vận hành, đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện Tuy nhiên, khi chạm đất 1 pha cũng có nghĩa là các pha còn lại sẽ phải chịu điện áp dây, khiến cho các thiết bị trên lưới bị quá áp và cộng hưởng điện gây nguy hiểm Đồng thời, cách điện của lưới cũng phải được tính theo điện áp dây sẽ gây tốn kém về vốn đầu tư

Với phương thức trung tính nối đất trực tiếp (Z=0) thì giá thành lưới điện sẽ

được đảm bảo do cách điện trên lưới chỉ phải chịu điện áp pha Tuy nhiên, bất lợi kéo theo là độ tin cậy cung cấp điện giảm do khi chạm đất 1 pha cũng tương đương

là ngắn mạch 1 pha, lưới sẽ bị cắt điện để đảm bảo an toàn cho thiết bị trên lưới Tuy nhiên, dòng điện chạm đất tăng quá cao cũng sẽ dẫn tới sự già hóa của MBA

nguồn và cáp điện, hoặc gây điện áp cảm ứng lớn tới đường dây bên cạnh và đường dây điện thoại

Phương thức trung tính nối đất qua tổng trở là sự bổ sung cho trường hợp

trung tính nối đất trực tiếp khi dòng điện chạm đất 1 pha là quá cao và thường được

sử dụng cho lưới điện 22kV Tổng trở nối đất sẽ được tính toán và lựa chọn để đảm bảo hiệu quả tối ưu về mặt kinh tế và kỹ thuật

Phương thức trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang khi được lựa chọn sẽ

mang lại những lợi ích như: Dập nhanh hồ quang khi chạm đất một pha, dòng chạm đất rất nhỏ có khi bị triệt tiêu, độ sụt áp nhỏ, không gây nhiễu đường dây điện thoại Tuy vậy, nó vẫn có những nhược điểm như: khi chạm đất pha lành chịu điện áp dây,

sự cố hồ quang dao động gây quá điện áp trên cách điện, cuộn dập hồ quang phải được điều chỉnh để thích nghi với cấu trúc vận hành của lưới, sơ đồ bảo vệ phức tạp

và khó tìm chỗ chạm đất, giá thành cao

Mỗi một phương thức nối đất đều có những ưu nhược điểm riêng và trong từng trường hợp cụ thể thì một phương thức nào đó sẽ được chọn Đối với lưới điện 22kV hiện đang rất phổ biến trên lưới điện Việt Nam và là sự lựa chọn cho tương lai của LPP tại Việt Nam, phương thức nối đất nối đất trực tiếp và nối đất qua tổng trở được lựa chọn cho từng trường hợp cụ thể

1.1.2 Sơ đồ lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối với mật độ khá dày đặc, là lưới trung gian kết nối giữa các trạm biến áp trung gian (nguồn) và các khách hàng tiêu thụ điện năng (phụ tải) Cấu trúc của LPP được chia làm ba loại chính là: cấu trúc hình tia không phân đoạn (hình 1.1), cấu trúc hình tia có phân đoạn (hình 1.2) và cấu trúc mạch vòng kín vận hành hở (hình 1.3)

Ở các đô thị lớn, LPP thường là lưới cáp điện ngầm với mật độ phụ tải rất cao, độ tin cậy cung cấp điện được yêu cầu cao nên cấu trúc thường gặp của lưới là cấu trúc mạch vòng kín vận hành hở

Nguyễn Phúc Huy Luận văn C79 - HTĐ

Ở các vùng nông thôn thì LPP lại là lưới trên không với mật độ phụ tải không cao, không có đòi hỏi cao về độ tin cậy cung cấp điện cao như lưới thành phố nên cấu trúc lưới được lựa chọn là cấu trúc hình tia Các trục chính được yêu cầu có các thiết bị phân đoạn để tăng độ tin cậy Các thiết bị phân đoạn có thể là dao cách

ly, cầu dao phụ tải, thiết bị tự động đóng lại (TĐL) hoặc cao hơn có thể là máy cắt phân đoạn

Hình 1.3 Lưới điện phân phối kín vận hành hở

Hình 1.1 Lưới điện phân phối hình tia không phân đoạn

1.1.3 Các chế độ làm việc và yêu cầu của lưới điện phân phối

1.1.3.1 Định nghĩa chế độ làm việc

Tập hợp các quá trình điện xảy ra trên lưới điện trong một khoảng thời gian nhất định gọi là chế độ làm việc của lưới điện, các thông số xuất hiện khi hệ thống điện làm việc: f, U, I, P, Q tại mỗi điểm trên lưới gọi là thông số chế độ của lưới điện Các thông số này biến thiên liên tục theo thời gian và dựa vào sự biến thiên này để phân chia chế độ làm việc của lưới điện

Chế độ xác lập có thể là chế độ xác lập đối xứng hoặc không đối xứng Đối với LPP (3 pha 3 dây) thì chế độ làm việc chủ yếu là chế độ đối xứng vì phụ tải được cấp qua MBA 3 pha và phía hạ áp các hộ dùng điện được phân đều cho các pha

Trong các chế độ xác lập thì các chế độ sau được quan tâm hơn cả:

- Chế độ max: là chế độ dùng để chọn hoặc kiểm tra kỹ thuật dây dẫn và thiết bị phân phối điện, tính tổn thất công suất và tổn thất điện năng Trên lưới phân phối, chế độ max của từng phần tử và chế độ max chung của toàn lưới điện (mức điện áp trên lưới là thấp nhất, tổn thất công suất

là lớn nhất) là không trùng nhau về thời gian vì công suất yêu cầu lớn nhất của từng phụ tải không xảy ra đồng thời

- Chế độ min: là chế độ của lưới điện trong đó mức điện áp trên lưới là cao nhất, với trường hợp riêng là chế độ không tải

- Chế độ xác lập sau sự cố: là khi một hay hơn 1 phần tử lưới điện bị sự cố không tham gia vận hành Chế độ sự cố ở thời điểm max chung được quan tâm chính

Nguyễn Phúc Huy Luận văn C79 - HTĐ

Chế độ quá độ

Chế độ quá độ là chế độ trong đó các thông số chế độ biến đổi theo thời gian

- Chế độ quá độ bình thường xảy ra khi phụ tải biến đổi giá trị yêu cầu do quy luật sinh hoạt và sản xuất, khi đó điện áp cũng biến đổi theo và được điều chỉnh bởi thiết bị điều chỉnh điện

- Chế độ quá độ sự cố xảy ra khi ngắn mạch, chạm đất pha…trong chế độ này, dòng điện và điện áp biến đổi mạnh, lưới điện có thể phải cắt bộ phận sự cố để đảm bảo an toàn, đưa lưới điện về chế độ xác lập sau sự cố

1.1.3.2 Các yêu cầu của lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối có mật độ khá dày đặc, cung cấp điện năng cho phụ tải với chất lượng điện năng đảm bảo, độ tin cậy cao, an toàn và đem lại cho doanh nghiệp kinh doanh điện lợi nhuận cao nhất trong toàn bộ thời gian vận hành:

- Chất lượng điện năng bao gồm chất lượng điện áp và chất lượng tần số, phải đảm bảo chúng phải thỏa mãn các tiêu chuẩn về độ lệch và độ dao động Riêng với điện áp, nó còn phải đảm bảo độ không đối xứng và độ không sin

- An toàn điện gồm có an toàn cho thiết bị phân phối điện, cho hệ thống điện, cho người vận hành và người dùng điện

- Độ tin cậy cung cấp điện cao, cần được xem xét chọn mức tin cậy hợp lý về kinh tế, thể hiện trong việc lựa chọn phương án lưới điện

- Tổn thất điện năng trên lưới là nhỏ nhất

Bên cạnh đó, khả năng tải của lưới điện cũng cần được đảm bảo, đó là dòng điện hoặc dòng công suất mà đường dây hoặc MBA tải được mà không vi phạm các tiêu chuẩn kỹ thuật Trên LPP, khả năng tải được tính theo phát nóng và điều kiện điện áp, tổn thất điện áp trên đường dây phải nhỏ hơn giá trị cho phép, trong điều kiện bình thường và sự cố, đảm bảo chất lượng điện áp ở phụ tải

1.1.4 Phụ tải của lưới điện phân phối

Phụ tải điện là công suất tác dụng (P) và phản kháng (Q) yêu cầu đối với lưới điện ở điện áp và tần số danh định tại một điểm nào đó trên lưới điện (gọi là điểm tải) và trong một khoảng thời gian nào đó

Trong các giá trị của phụ tải thì quan trọng nhất là phụ tải cực đại (max) là công suất yêu cầu lớn nhất đối với lưới điện trong một chu kỳ vận hành nhất định Giá trị phụ tải đó thường được lấy là giá trị trung bình lớn nhất trong vòng 30 phút của đồ thị phụ tải thực Đây chính là giá trị công suất gây lên tổn thất điện áp lớn nhất trên lưới phân phối

Lưới điện phân phối cung cấp điện tới một lượng lớn và đa dạng về các loại phụ tải, như: sinh hoạt, thương mại, công nghiệp, nông nghiệp và các thành phần khác Các phụ tải này có những tính chất và đặc điểm riêng về điện tạo lên những đặc tính khác nhau của các lộ đường dây cấp điện cho chúng Và do đó các lộ đường dây sẽ được phân loại theo từng loại phụ tải mà chúng cấp điện tới Trong một trạm trung gian với nhiều lộ xuất tuyến cấp điện cho các loại phụ tải, việc phân loại lộ xuất tuyến đó phụ thuộc vào phần trăm phụ tải trên tổng số phụ tải được cấp điện [24]

Trên toàn bộ lưới thì đặc tính phụ tải của lưới sẽ thay đổi theo số hộ phụ tải được cấp điện từ lưới Khi số hộ tiêu thụ tăng lên tức là mức ảnh hưởng của chúng tới các chế độ của lưới điện sẽ giảm đi Phụ tải trên lưới có thể được chia thành phụ tải động, phụ tải nhiệt, phụ tải chiếu sáng và các tổn thất trên lưới

Trong phạm vi 80÷120% điện áp định mức, thì sự phụ thuộc của các thành phần phụ tải hỗn hợp vào điện áp có thể được mô tả thông qua quan hệ sau [24]:

đm b

đm đm

a

đm

Q U

U Q ; P U

Nguyễn Phúc Huy Luận văn C79 - HTĐ

thụ tỉ lệ bậc nhất với điện áp trong khi công suất phản kháng yêu cầu của phụ tải lại

thay đổi theo bình phương điện áp

Một trong những đặc điểm của phụ tải là biến đổi theo tần số và điện áp tại

điểm nối vào lưới điện Phụ tải cơ sở có giá trị ở Uđm và fđm Khi điện áp và tần số

lệch khỏi định mức thì giá trị thực tế của phụ tải sẽ biến đổi theo quan hệ [1]:

( ) ( ) ( ) ( )qv qf

pf pv f U Kq Q

f U Kp P

Trong đó Kp và Kq là các hệ số phụ thuộc giá trị định mức của phụ tải Còn

các hệ số pv, pf, qv và qf là các hệ số thống kê đặc trưng cho các loại thiết bị dùng

điện Bảng 1.1 cho các giá trị của một số phụ tải

Bảng 1.1 Hệ số thống kê cho một số phụ tải thông dụng

Khi có nhiều thiết bị điện dùng điện đối với một điểm tải, các hệ số pv, pf,

qv và qf có thể tính theo phương pháp trung bình toán học như sau:

P pv

Trong đó Pi là công suất của phụ tải thứ i

1.2 CÁC NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN

1.2.1 Định nghĩa và đặc điểm công nghệ

1.2.1.1 Định nghĩa

Bên cạnh cấu trúc truyền thống của LPP, kết nối từ các trạm biến áp trung gian tới các khách hàng dùng điện thì ngày càng có nhiều các nguồn phát điện nhỏ được kết nối vào lưới Các nguồn phát điện này rải rác khắp nơi theo điều kiện địa

lý của địa phương gần với khu vực phụ tải nên được định nghĩa với tên gọi là nguồn

phát điện phân tán (sau đây được gọi tắt là nguồn phân tán - DG) Tuy rằng hiện

nay chưa có một định nghĩa nào thống nhất về DG nhưng mọi ý tưởng đều hướng đến các nguồn phát điện được đấu nối vào LPP trung áp và hạ áp

Các DG hiện nay đang thu hút được nhiều sự quan tâm của nhiều quốc gia và toàn thế giới bởi những lợi ích mà nó mang lại Với sự xuất hiện của các DG và đặc biệt là các nguồn năng lượng tái tạo đã đem tới hai nhóm lợi ích cơ bản:

- Tăng cường an ninh năng lượng nhờ việc giảm được sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch, khí ga và than đá

- Giảm phát thải hiệu ứng nhà kính, đặc biệt là khí CO2 từ việc đốt các nhiên liệu hóa thạch

Những lợi ích khác của DG bao gồm những lợi ích về năng lượng và những lợi ích về lưới điện Khách hàng sử dụng DG để giảm bớt gánh nặng công suất vào giờ cao điểm, giảm tổn hao đường dây, cải thiện chất lượng điện năng, tăng cường

độ tin cậy Nhà cung cấp sử dụng DG để giảm áp lực về đầu tư cải tạo lưới điện, giảm chi phí nhiên liệu, chi phí vận hành và chi phí dự phòng

Lợi ích cơ bản nhất của các DG là nguồn tái tạo đó là không phát thải khí hiệu ứng nhà kính cũng như là không cần với nhiên liệu hóa thạch Một lợi ích khác

đó là chi phí nhiên liệu rất nhỏ (hầu như không có đối với điện mặt trời, gió) Điều này sẽ giảm được chi phí vận hành và rủi ro khi vận hành Hạn chế lớn nhất đó chính là vốn đầu tư ban đầu thường rất lớn hơn so với các DG không tái tạo Chẳng hạn đối với nhiệt điện khí, chi phí xây dựng hệ thống là 500EUR/MW, tuy nhiên

Nguyễn Phúc Huy Luận văn C79 - HTĐ

Bên cạnh đó là những bất lợi của DG về chi phí cho kết nối, đo đếm và cân

bằng

1.2.2.1 Đặc điểm công nghệ nguồn phát điện phân tán

Các mô hình công nghệ DG được phân thành hai nhóm chính:

- Nguồn tái tạo: Điện gió, điện sinh khối (Biomass), điện mặt trời, địa

nhiệt, thủy điện nhỏ và cực nhỏ, điện thủy triều và sóng biển

- Nguồn không tái tạo (sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm nhiên liệu sơ

cấp): Pin nhiên liệu, động cơ đốt trong, tuabin hơi (combustion turbines)

trong đó các DG là các nguồn năng lượng tái tạo đang được thúc đẩy phát triển nhờ hiệu quả tác động tới môi trường

Các công nghệ DG và dãy công suất thông thường được chỉ ra trong bảng

dưới đây [3]

Bảng 1.2 Dãy công suất tương ứng của các công nghệ DG

Pin quang điện 20W – 100kW Năng lượng biển 100kW – 1MW Điện mặt trời 1-80MW

Với sự đa dạng về các nguồn phát điện nhỏ phân tán như vậy thì trong tương

lai, lưới điện sẽ giống như một mạng Internet, trong đó các nguồn phát điện sẽ

giống như các máy vi tính ở khắp mọi nơi kết nối tới (hình 1.4)

Hệ thống điện lúc này là sự kết hợp các DG và các CG Các CG được kết nối

vào lưới điện áp cao (≥ 110kV) cung cấp điện cho các trung tâm, vùng miền, tiêu

thụ công suất lớn trong khi các DG được kết nối vào lưới điện trung thế từ 35kV trở

xuống Bên cạnh đó thì một số nguồn nhỏ như: máy phát Diesel, điện mặt trời, pin

nhiên liệu được nối trực tiếp vào lưới hạ thế 0,4kV cung cấp điện cho các khách

hàng nhỏ như hộ gia đình hoặc toà nhà chung cư

Hình 1.4 Sơ đồ lưới cung cấp điện trong tương lai có sự tham gia của các DG (1.Phụ tải

công nghiệp; 2.Phụ tải dân dụng, thương mại và dịch vụ; 3.Các nhà máy điện lớn truyền thống (CG); 4.Phát điện kết hợp Tuabin khí công suất nhỏ; 5.Phát điện mini; 6.Phát điện bằng Tuabin gió; 7.Điện mặt trời; 8.Pin nhiên liệu; 9.Phát điện bằng động cơ piston;

10.Các thiết bị tích trữ điện năng; 11.Phát điện biogas)

Hình 1.5 Điểm kết nối (CP) và điểm kết nối chung (PCC)

Trạm kết nối

Máy cắt

Dao cách ly Đường dây

kết nối DG

Điểm kết nối (CP)

Điểm kết nối chung (PCC)

Nguyễn Phúc Huy Luận văn C79 - HTĐ

DG được kết nối với LPP thông qua điểm kết nối (CP) và điểm kết nối chung (PCC) Cách thức đấu nối DG vào lưới phân phối được thể hiện trong hình 1.5 Thiết bị được sử dụng cho việc kết nối DG với lưới phụ thuộc vào tiêu chuản được

áp dụng trên lưới Tuy nhiên, ở đầu ra trạm kết nối DG luôn bao bồm các thiết bị đóng cắt/bảo vệ và các thiết bị đo đếm

1.2.2 Điện gió

1.2.2.1 Khái niệm chung

Đối với tuabin gió,

động năng dòng không khí

được biến đổi thành điện

năng Công suất của các

tuabin gió ngày càng tăng lên

trong vòng 2 thập kỷ qua với

công suất lớn nhất một tổ

tuabin gió – máy phát đã lên

tới 4 MW Đối với các tổ có

công suất nhỏ hơn, cấu hình

thường gặp là loại tuabin

“đứng” (stall regulated turbin – không quay) tốc độ cố định Các tuabin lớn hơn 1

MW được trang bị hệ thống điều chỉnh tốc độ để đáp ứng được ứng lực cơ khí tăng lên Các tuabin đơn lẻ thường được kết nối vào lưới phân phối trung áp Riêng đối với các nhà máy điện gió lớn (tổ hợp kết nối của nhiều tuabin gió), nếu cần thiết có thể nối lên lưới truyền tải

Tháp đặt hộp tổ hợp tuabin-máy phát thường được đặt trên trụ thép có thể cao tới 100m, có trang bị các bậc thang để dẫn người vận hành, bảo dưỡng lên trên Các bộ phận chính của hộp tổ hợp tuabin-máy phát như trên hình 1.6 bao gồm: rô-to

và cánh quạt (rotor and wings), vỏ hộp máy (nacelle), hộp bánh răng truyền động (gear box) và máy phát điện (generator)

Hình 1.6 – Mặt cắt dọc hộp tổ hợp tuabin – máy

phát điện gió

Công suất cơ lấy ra từ tuabin gió phụ thuộc vào diện tích quét của cánh quạt

và tỉ lệ bậc ba với tốc độ gió, theo công thức [24]:

Cp = hệ số công suất cơ của tuabin gió (Cp = 0.2 ÷ 0.5)

Ở tốc độ gió 6m/s thì năng lượng tương ứng là 132 W/m2, khi ν =12m/s thì năng lượng tương ứng là 1053 W/m2

Nguồn điện gió có ưu điểm là không tiêu thụ nhiên liệu và không gây ô nhiễm môi trường nhưng nhược điểm cơ bản của điện gió là không ổn định, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng Một vấn đề khác nữa là tiếng ồn từ cánh quạt của tuabin gió cũng cần được quan tâm thỏa đáng

Công thức (1.4) được tính ứng với tốc độ gió nhất định Tuy nhiên tốc độ gió lại thường xuyên thay đổi Nếu tính một cách chính xác cần xác định chế độ gió tại rất nhiều thời điểm khác nhau trong ngày (thường được xác định theo giờ)

max

i n igio

v

v P

trong đó:

Pigio: công suất máy phát gió tại mức vận tốc i,

kW

vi: vận tốc gió tại thời điểm i, m/sec

vmax: vận tốc gió cực đại, m/sec

Pn: công suất đặt của máy phát, kW

Hình 1.7: Đặc tính công suất của động cơ gió

Hiện nay Đức là Quốc gia có công suất lắp đặt nguồn điện gió lớn nhất (tổng cộng có 14.640 tuabin gió với tổng công suất lắp đặt là 24.247 MW (cuối 2007), chiếm 37% tổng công suất toàn Châu Âu) Ở Việt Nam hiện nay đang triển khai

Nguyễn Phúc Huy Luận văn C79 - HTĐ

nhiều dự án như nhà máy điện gió Phương Mai ở Bình Định có công suất 50,4 MW;

dự án điện gió 20 MW ở Ninh Thuận, 30 MW ở Bình Thuận…

1.2.2.2 Phân loại máy phát điện gió

Hiện nay, các tuabin gió đang phát triển với mức độ cao và chủ yếu ở 3 cấu hình chính, biến đổi năng lượng gió thành điện năng

A) Loại A – Constant Speed Wind Turbine

Hình 1.8 – Sơ đồ nguyên lý của loại tuabin gió tốc độ không đổi

Mô hình loại này được phát triển từ Đan Mạch, có cấu tạo gồm một máy phát điện không đồng bộ (MPKĐB - là loại máy điện cảm ứng rô-to lồng sóc), biến đổi năng lượng cơ học thành điện năng Hộp bánh răng có tác dụng khớp tốc độ của rô-

to tuabin gió và máy phát điện do chúng có tốc độ vận hành khác nhau

Máy phát điện trượt nhẹ theo lượng công suất đầu ra và do đó không hẳn là tốc độ của máy phát điện là không đổi Tuy nhiên, sự thay đổi tốc độ này nằm trong giới hạn 1÷2% nên loại tuabin gió này được coi là có tốc độ không đổi hoặc cố định [26]

Mặc dù có cấu tạo đơn giản, chắc chắn, nhưng mô hình loại này có những nhược điểm sau:

- Không thể điều chỉnh được công suất tối ưu;

- Ứng lực tác động lên hệ thống lớn khi tốc độ thay đổi đột ngột;

- Không có khả năng điều chỉnh tích cực do tần số và điện áp stato cố định theo lưới

MPKĐB thường tiêu thụ công suất phản kháng Mức tiêu thụ công suất phản kháng phụ thuộc vào điện áp nút, công suất tác dụng P và tốc độ của rô-to Do vậy, MPKĐB không được sử dụng để điều chỉnh điện áp Lượng công suất phản kháng của MPKĐB tiêu thụ trong phần lớn các trường hợp được bù bằng tụ bù Theo đó, công suất phản kháng chỉ trao đổi giữa MPKĐB và tụ bù, làm giảm lượng Q trên lưới và tăng hệ số công suất cosϕ trên lưới, giảm tổn thất điện áp

Để nâng cao khả năng điều chỉnh điện áp trong trường hợp này, ta sử dụng các bộ tụ bù đóng cắt hoặc các giàn tụ Statcom hoặc tụ bù tĩnh (SVC)

B) Loại B – Doubly Fed Induction Generator

Mô hình loại này được trang bị một MPKĐB với cuộn dây stato của máy phát điện được nối trực tiếp với lưới điện còn cuộn dây rô-to máy phát điện được nối với bộ biến đổi công suất, sử dụng cấu hình Back-to-Back tạo thành mạch vòng điều khiển dòng Vì bộ biến đổi công suất bù lại sự sai lệch giữa tần số cơ và điện bằng cách bơm vào một dòng rô-to có tần số thay đổi nên tuabin gió làm việc với tốc độ thay đổi Điều đó có nghĩa là tốc độ cơ của rô-to có thể được điều chỉnh theo hàm mục tiêu cụ thể, như là đạt tối đa công suất nhận được và tối thiểu hóa tiếng ồn

Hình 1.9 – Sơ đồ nguyên lý của loại tuabin gió DFIG

Tốc độ của rô-to được điều chỉnh bằng cách thay đổi công suất phát có được

từ hàm mục tiêu

Nguyễn Phúc Huy Luận văn C79 - HTĐ

Việc phát công suất phản kháng có thể được điều khiển bằng dòng rô-to Trong trường hợp này, không tồn tại một quan hệ duy nhất giữa công suất phản kháng và các đại lượng khác như tốc độ rô-to và công suất tác dụng phát Thay vào

đó, ứng với một tốc độ rô-to cụ thể và mức phát công suất tác dụng tương ứng là lượng công suất phản kháng có thể được phát hoặc tiêu thụ trong một phạm vi thay đổi rộng

Tuy không phụ thuộc trực tiếp vào tốc độ rô-to và công suất phát P nhưng công suất phản kháng Q vẫn bị ảnh hưởng bởi các đại lượng đó Điều đó là do cả mômen quay MPKĐB và việc phát Q phụ thuộc trực tiếp vào dòng điện mà bộ biến đổi cấp tới rô-to Phần dòng điện sinh mômen phụ thuộc vào điểm đặt mômen mà

bộ điều khiển tốc độ rô-to nhận được từ tốc độ thực rô-to Dòng điện cần để tạo ra mômen mong muốn lại quyết định dung lượng bộ biến đổi cho khép vòng dòng điện

để phát hay tiêu thụ công suất phản kháng

Trong loại A và B, máy phát điện được thiết kế và vận hành ở hệ số công suất cosϕ = 0,9

C) Loại C – Direct Drive Wind Turbine

Hình 1.10 – Sơ đồ nguyên lý của loại tuabin gió kết nối trực tiếp

Mô hình loại này có cấu tạo gồm có một máy phát điện đồng bộ (MPĐB) nhiều cực có tốc độ quay thấp, có chiều quay cùng chiều với chiều quay của rô-to tuabin gió, biến đổi năng lượng cơ học thành điện năng

Loại này không sử dụng hộp bánh răng truyền động Đầu dây ra từ stato nối trực tiếp với lưới thông qua bộ biến đổi công suất Bộ biến đổi sử dụng loại Back-

to-Back biến đổi nguồn điện áp hoặc bộ chỉnh lưu đi-ốt với bộ biến đổi nguồn điện

áp đơn pha

Sự trao đổi công suất phản kháng giữa MPĐB với lưới điện không phụ thuộc vào đặc tính của MPĐB mà được xác định bởi đặc tính phía lưới điện của bộ bộ biến đổi MPĐB được tách biệt hoàn toàn khỏi lưới điện Do vậy, việc trao đổi công suất phản kháng giữa bản thân MPĐB và phía máy phát điện của bộ biến đổi cũng như là giữa phía lưới điện của bộ biến đổi với lưới điện là hoàn toàn tách biệt Điều này có nghĩa là hệ số công suất (cosϕ) của MPĐB và hệ số công suất (cosϕ) phía lưới điện của bộ biến đổi có thể được điều chỉnh độc lập với nhau Thông thường, máy phát điện trong trường hợp này được thiết kế và vận hành với cosϕ = 1,0

Đối với cả 3 loại mô hình, thông thường thì điện áp tại các nút được đo và làm tín hiệu điều khiển bộ điều khiển điện áp, điều khiển mức phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng Tuy nhiên trong một số trường hoặc điện áp ở một nút nào

đó lân cận với nút kết nối tuabin gió cũng được điều chỉnh do đặc tính địa phương của điện áp lưới Khi điện áp đo được quá thấp, việc phát công suất phản kháng tăng lên; khi điện áp đó quá cao thì công suất phản kháng phát lại được giảm xuống

Trong trường hợp sự cố ngắn mạch gần MPĐ, làm cho điện áp đầu cực MPĐ sụt giảm mạnh và công suất điện do MPĐ phát ra cũng sụt giảm, trong khi công suất cơ của tuabin gió vẫn được duy trì Rô-to của máy phát điện lúc này sẽ bị gia tốc và máy rơi vào trạng thái lồng tốc trong thời gian trước khi sự cố được loại trừ Sau khi sự cố được loại trừ, MPĐ lúc này yêu cầu một lượng công suất phản kháng lớn từ lưới điện để duy trì từ trường quay trong nó, và khôi phục điện áp đầu cực Nếu lượng công suất phản kháng này không được đáp ứng kịp thời khiến cho điện

áp đầu cực không khôi phục được thì MPĐ không khởi động được Để khắc phục, ngay tại điểm kết nối của điện gió thường được trang bị thiết bị bù, làm nguồn cấp công suất phản kháng tại chỗ Giá trị dung lượng bù phụ thuộc vào hệ số công suất yêu cầu, công suất phát của máy phát (hoặc trạm điện gió) và đặc điểm của lưới điện

Nguyễn Phúc Huy Luận văn C79 - HTĐ

- Phương thức thứ hai là chuyển đổi quang năng thành điện năng dưới dạng pin mặt trời Pin mặt trời có cấu tạo gồm hai lớp bán dẫn p và n Lớp tiếp xúc giữa gọi là lớp chuyển tiếp p-n Dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời vào lớp chuyển tiếp p-n có sự khuếch tán của các hạt dẫn cơ bản qua lớp tiếp xúc, tạo nên một điện trường và do đó sinh ra một suất điện động quang điện Giá trị của suất điện động này tăng theo sự tăng của cường độ chiếu sáng Như vậy Pin Mặt trời biến đổi trực tiếp bức xạ năng lượng mặt trời thành điện năng, không qua bước trung gian về nhiệt

Điện năng do pin Mặt trời sản xuất ra không dùng hết có thể được tích trữ bằng ắc qui Đặc điểm chung của nguồn điện này là công suất đặt của một tổ hợp các tấm pin Mặt trời thường khá nhỏ, thường chỉ cấp điện cho các phụ tải qui mô nhỏ và hoạt động độc lập hoặc chỉ kết nối vào lưới hạ áp Dòng điện mạch ngoài thay đổi nếu cường độ bức xạ mặt trời thay đổi dẫn đến có thể làm thay đổi điện áp

ra làm ảnh hưởng đến chất lượng điện năng Để khắc phục điều này có thể kết nối giữa nguồn cấp và phụ tải thông qua trạm sặc ắc-qui hay bộ biến đổi công suất

Chế độ phát điện của điện mặt trời (ĐMT) phụ thuộc nhiều vào cường độ bức xạ của mặt trời Số giờ có nắng trong ngày thường chỉ từ 08h sáng đến 16h chiều (tức là 09 giờ trong ngày), trong đó cường độ bức xạ cực đại đạt được vào khoảng thời gian từ 11h – 13h và cực tiểu vào lúc 08h và 16h Dựa vào cường độ bức xạ của mặt trời có thể xác định được công suất phát của ĐMT:

η

=P− P P

i bucxa dat i

ĐMT i

Pi-dat: công suất đặt của dàn Pin mặt trời, kWp

η: hiệu suất nhà máy, %

Hình 1.11 – Sơ đồ trạm thủy điện nhỏ

TĐN chủ yếu là loại thủy điện lợi dụng trực tiếp dòng chảy, không tạo thành

hồ chứa hoặc hồ chứa dung tích rất nhỏ Loại thủy điện này thường bao gồm các đập nhỏ và hầu như không gây ảnh hưởng đến môi trường TĐN thường được thiết

kế với cột nước thấp, nằm trên những dòng sông nhỏ với độ dốc không lớn lắm, có thể sử dụng toàn bộ hoặc một phần lưu lượng của dòng sông

Đặc điểm của TĐN là công suất ở mỗi thời điểm phụ thuộc vào lưu lượng nước thiên nhiên, hầu như không đổi trong phạm vi một ngày đêm Vì vậy công suất cả trạm TĐN trong phạm vi một ngày đêm có thể xem là cố định và luôn làm việc ở phần gốc của đồ thị phụ tải Do không có khả năng điều tiết nên công suất thiết kế và công suất đảm bảo của TĐN cố định trong ngày đêm, nhưng trong những

Thế năng Động năng Cơ năng Điện năng

Tuabin Máy phát

Máy biến áp Mạng điện H-cột áp

Đập

Nguyễn Phúc Huy Luận văn C79 - HTĐ

Công suất của trạm TĐN xác định theo biểu thức:

(kW) 81

,

Trong đó η là hiệu suất biến đổi năng lượng, Q là lưu lượng nước (m3/s) và

H là chiều cao cột nước (m)

Do tính đa dạng của TĐN và đáp ứng nhu cầu sử dụng TĐN của nhiều loại đối tượng khác nhau, và tùy thuộc vào qui mô công suất, TĐN cũng được phân thành 3 loại: thủy điện nhỏ (Small Hydropower), thủy điện mini (mini hydropower, thủy điện cực nhỏ (micro hydropower)

1.2.5 Một số nguồn phân tán khác

1.2.5.1 - Điện sinh khối (Biomass)

Điện sinh khối (ĐSK) là một trong những dạng năng lượng phân tán có tiềm năng phát triển rất lớn với tỉ lệ 14-15% tổng năng lượng tiêu thụ trên thế giới Điện sinh khối giữ một vai trò quan trọng trong các kịch bản năng lượng soạn thảo bởi nhiều tổ chức quốc tế và có khả năng giữ vai trò sống còn trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng của thế giới trong tương lai Lợi thế của ĐSK so với các nguồn năng lượng khác là có thể dự trữ và sử dụng khi cần, đồng thời luôn ổn định, tình hình cấp điện không bị bất thường Nguồn ĐSK chủ yếu ở Việt Nam là trấu, bã mía, sắn, ngô, … và các phụ phẩm nông nghiệp khác

Hình 1.12-Sơ đồ mô hình cung cấp điện bằng khí Biogass

1.2.5.2 - Địa nhiệt

Nhiệt năng được khai thác ở độ sau 200 m tới 3000 m trong lòng đất (càng sâu thì nhiệt độ càng cao, nhiệt độ tại tâm của trái đất có thể đạt tới 4.200 0C) Do cấu tạo của trái đất, mag-ma trong lòng đất hâm nóng những khối đá và các dòng nước ngầm Một số các dòng nước ngầm thoát lên gần bề mặt qua các vết rạng trong lòng đất và được giữ lại trong các khối đất (các hang giữa những khối đá

không thấm nước) và được gọi là những bồn địa nhiệt Đây chính là những bồn

nhiệt năng có thể khai thác để sử dụng Địa nhiệt năng được sản xuất dưới dạng nước và hơi nóng Địa nhiệt năng cũng được sử dụng để sản xuất điện

Năm 1960, nhà máy địa nhiệt lớn đầu tiên trên thế giới được khánh thành và đưa vào hoạt động tại Geysers (California – Hoa Kỳ) với công suất 11 MW Với 8.000 MW công suất điện được sản xuất tại 20 nước khắp thế giới, điện địa nhiệt đã chiếm 0,2% tổng công suất điện toàn thế giới, trong đó Hoa Kỳ là nước dẫn đầu

Bảng 1.3 Công suất đặt của các nhà máy địa nhiệt trên thế giới

Tên nước 1995

(MW)

2000 (MW)

Tên nước 1995

(MW)

2000 (MW)

Nguyễn Phúc Huy Luận văn C79 - HTĐ

1.2.5.3 - Đồng phát nhiệt-điện (CHP)

Công nghệ phát nhiệt-điện là công nghệ vừa sản xuất điện và nhiệt kết hợp

Ở qui mô lớn hơn, công nghệ CHP đã phát triển mạnh trong công nghiệp năng lượng, nó sử dụng năng lượng sơ cấp: than, dầu, khí để phát điện Phần nhiệt thừa sau khi phát điện được dùng để cung cấp nhiệt cho phụ tải nhiệt Các công nghệ phát điện CHP bao gồm, động cơ điêsel, động cơ khí tự nhiên, tuabin khí, tuabin hơi, tuabin cực nhỏ và pin nhiên liệu Ưu điểm của CHP là có hiệu suất sử dụng năng lượng cao 70-80%, lượng phát thải khí CO2 chỉ bằng ½ so với công nghệ truyền thống Tuy nhiên, một vài rào cản đối với CHP gồm có chi phí kết nối lưới điện, những vấn đề và qui định về môi trường và chi phí công nghệ đã ngăn cản CHP được áp dụng rộng rãi

1.2.6 Hiện trạng và xu hướng phát triển nguồn phân tán ở Việt Nam

Trong những năm gần đây, mối quan tâm về DG tại Việt Nam ngày càng nhiều khi mà nhu cầu về các nguồn phát điện tại chỗ đang tăng lên Những nguồn điện phân tán như: điện gió, điện mặt trời, thủy điện nhỏ, điện sinh khối… đang được chú ý quan tâm hơn cả Tính tới năm 2007, tổng công suất của DG đã được lắp đặt và đưa vào vận hành khoảng 380,5MW, trong đó nguồn Thủy điện nhỏ, điện gió chiếm tỉ trọng lớn nhất Trong một vài năm tới, các nguồn DG khác như: điện gió (Phương Mai – 50,4 MW, Phước Ninh – 20 MW, Phú Quý – 1000 MW ), điện mặt trời (1000kWp) ở khu vực Tây Nguyên khi đi vào vận hành sẽ đóng vai trò đáng kể trong việc đảm bảo nhu cầu điện năng cho các phụ tải địa phương, góp phần giảm “nhiệt” cho các hệ thống điện khu vực

Theo Tổng sơ đồ VI – Quy hoạch phát triển Điện lực Quốc gia giai đoạn

2006-2015 có xét đến 2025, mục tiêu phát triển DG đến 2025 là 4051 MW, trong đó giai đoạn 2006-2015 là 2451 MW và giai đoạn 2015-2025 là 1600 MW

Như vậy, LPP của Việt Nam trong tương lai không xa sẽ có những thay đổi đáng kể về cấu hình cũng như các vấn đề kỹ thuật liên quan tới khai thác, vận hành mạng điện

Tuy nhiên, chính do sự phức tạp và chưa thống nhất của các tiêu chuẩn kết nối DG vào lưới điện nên rất khó khăn cho chúng ta khi áp dụng Trên thế giới, các tiêu chuẩn kết nối DG chủ yếu tập trung vào các vấn đề kỹ thuật về công suất đặt, cấp điện áp kết nối, chất lượng điện năng và các vấn đề khi hòa đồng bộ vào lưới điện Tiêu chuẩn đầu tiên được đưa ra là phiên bản IEEE 1547, bao gồm các tiêu chuẩn và yêu cầu có liên quan đến lắp đặt, vận hành, kiểm tra, điều kiện an toàn…của máy phát phân tán kết nối lưới Tuy nhiên tiêu chuẩn này tập trung vào

hệ thống điện có tần số 60 Hz (Mỹ) Điều này đòi hỏi trong thời gian tới chúng ta cần có nghiên cứu và thống nhất về các yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn kết nối các máy phát phân tán với hệ thống điện ở nước ta để đảm bảo việc xây dựng và vận hành hệ thống điện an toàn, kinh tế

CHƯƠNG 2 CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NGUỒN PHÁT ĐIỆN PHÂN TÁN TỚI

LƯỚI PHÂN PHỐI

2.1 KHÁI QUÁT CHUNG

Những lợi ích mà DG mang lại cho lưới điện như đã đề cập ở trên Tuy nhiên, khi kết nối DG vào lưới điện còn phải tuân thủ các tiêu chuẩn kết nối và rằng buộc về mặt kỹ thuật và kinh tế Tùy thuộc vào cấu trúc của lưới điện mà những tiêu chuẩn cũng khác nhau và kéo theo ảnh hưởng của DG tới lưới cũng khác nhau Lưới điện phân phối bị giới hạn bởi những ràng buộc về ổn định điện áp và khả năng tải của đường dây, thiết bị Ngoài ra các tiêu chuẩn cơ bản cho phép kế nối vào lưới điện phân phối (tiêu chuẩn về cấp điện áp, tần số…) bị ảnh hưởng bởi kỹ thuật và công nghệ chế tạo

Các nguồn phân tán (DG) thường được kết nối chủ yếu là ở lưới điện phân phối trung áp với cấp điện áp từ 6kV – 35kV Những nghiên cứu trước đây cho thấy, với mức độ thâm nhập từ 10-15% của các nguồn phân tán vào lưới sẽ không

có những thay đổi đáng kể nào đối với cấu trúc lưới và hệ thống điện [3] Tuy nhiên khi mức độ thâm nhập của DG càng tăng thì mức độ ảnh hưởng lên lưới là càng lớn Khi đó, ngoài những ảnh hưởng tới tính kinh tế của lưới điện, những lợi ích và bất lợi và những vấn đề liên quan tới môi trường và biến đổi khí hậu, sự thâm nhập của

DG vào lưới còn làm phát sinh những vấn đề kỹ thuật cần phải quan tâm, đó là:

- Đặc tính điện áp thay đổi trên toàn lưới phụ thuộc vào công suất tiêu thụ

- Quá độ điện áp sẽ xảy ra do việc kết nối và ngắt kết nối các máy phát hoặc thậm chí là do quá trình vận hành máy phát phân tán

- Tăng mức độ dòng ngắn mạch sự cố

- Vấn đề về phối hợp bảo vệ giữa phía máy phát phân tán và lưới điện

- Tổn thất công suất thay đổi theo các cấp độ phụ tải

- Chất lượng, độ an toàn và độ tin cậy cung cấp điện

2.2 TỔN THẤT CÔNG SUẤT TRÊN LƯỚI

DG xuất hiện sẽ làm thay đổi dòng công suất trên lưới Nếu DG đặt giữa nguồn cấp điện và phụ tải sẽ làm giảm công suất truyền tải từ nguồn tới vị trí đặt

DG do đó làm giảm tổn thất công suất trên đoạn lưới này Hoặc khi phụ tải tăng cao thì sự xuất hiện của DG cục bộ gần phụ tải đó sẽ cấp công suất bù vào lượng tăng thêm đó, điều này đồng nghĩa với việc giảm được lượng công suất từ nguồn truyền thống tới phụ tải, trong lưới phân phối thì nguồn đó thường là các trạm biến áp trung gian Mặt khác, khi phụ tải giảm thấp thì nguồn phân tán lúc đó có thể cung cấp điện cho lưới điện Mức độ đóng góp của DG còn tùy thuộc vào công suất của

nó so với nhu cầu tăng thêm của phụ tải

Hình 2.1 - DG làm giảm công suất trên đoạn lưới từ hệ thống tới

DG có thể làm giảm hoặc tăng tổn thất công suất trên lưới phụ thuộc vào vị trí của nó trên lưới và cấu hình của lưới (cấp điện áp, sơ đồ lưới ) Trong thực tế thì

vị trí DG được xác định để cho khi đó tổn thất trên lưới là nhỏ hơn trước khi có DG Việc xác định tối ưu vị trí đặt và công suất DG, có xét đến các điều kiện vận hành khác nhau của lưới điện, sẽ đem lại kết quả tốt hơn cho bài toán giảm thiểu tổn thất công suất trên lưới Tổn thất sẽ được giảm nhiều hơn khi kết nối các DG ở các khu vực có mật độ phụ tải cao hơn [18]

Xét lưới đơn giản như trong hình 2.1, để cấp cho phụ tải tại nút 3, khi chưa

có DG thì hệ thống (HT) sẽ phải cấp tới một lượng công suất: S&1 =S&3+∆S&13 Tuy nhiên, khi có DG thì lượng công suất đó sẽ giảm đi một lượng chính là công suất của DG (S&' =S&+∆S& −S&DG

13 3

1 ) nếu như DG không cấp đủ cho phụ tải tại nút 3

Nguyễn Phúc Huy Luận văn C79 - HTĐ

Trong trường hợp này, dòng công suất trên đoạn 12 sẽ giảm và kéo theo là giảm tổn thất công suất trên đoạn này, và vị trí kết nối là có lợi

Với sự có mặt của DG, tổn thất công suất trên đường dây của LPP có thể được điều chỉnh và có thể được đánh giá thông qua hệ số tổn thất công suất trên đường dây [22]:

KDG

DG LL

LL

trong đó LLDG là tổng tổn thất công suất trên đường dây trong hệ thống có

DG và ngược lại, LLKDG là khi không có DG

Cũng theo [22], tổn thất công suất trên lưới điện còn phụ thuộc chặt chẽ với công nghệ DG được sử dụng, mức độ thâm nhập (DGpen – liên quan về công suất)

và mức độ phân tán (DGdis – liên quan tới vị trí kết nối) của DG trên lưới Mức độ thâm nhập có thể được tính toán theo hàm của tổng công suất phát của DG (P ) và DG

tổng công suất phụ tải đỉnh của lưới (P L)

% x P

P DG

L

DG

Mức độ thâm nhập của DG < 30% (PDG<0.3PL ) được coi là thấp và lý tưởng

là 100% (PDG=PL) Mức độ thâm nhập của từ 10-15% sẽ không gây ra những thay đổi về cấu trúc lưới

Mức độ phân tán của DG trên lưới là tỉ số giữa số nút kết nối DG (N ) so DG

với số nút phụ tải (N L) trên lưới điện

% x N

N DG

Mức độ phân tán của DG < 30% (N DG <0.3N L ) được coi là thấp và lý tưởng là 100% (N DG =N L) Khi DG dis =0% thì trên lưới chỉ có nguồn phát điện tập trung truyền thống

Tổn thất công suất trên lưới có thể tăng lên khi mức độ thâm nhập của DG vào lưới là lớn Điều này có thể khắc phục được nếu như DG được phân bổ hợp lý trên lưới và cung cấp đủ công suất phản kháng lên lưới (hình 2.2)

Hình 2.2 – Phân bố hợp lý các DG trên lưới sẽ giảm được tổn thất so với đặt tập trung

Trong trường hợp lưới điện gồm N nút, mục tiêu của việc đặt DG lên lưới là tổng tổn thất công suất trên lưới là nhỏ nhất Ta có thể mô tả dưới dạng mục tiêu và

mô hình cân bằng công suất nút như sau:

Nguyễn Phúc Huy Luận văn C79 - HTĐ

- Tổn thất công suất nhánh lưới (i,j):

j i ) ,

DG chỉ phát công suất tác dụng (cosϕ = 1) so với khi DG phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng

Các máy phát không đồng bộ phát công suất tác dụng nhưng lại luôn tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ thống Do vậy, các tụ điện tĩnh thường được sử dụng để

bù lại lượng công suất phản kháng tiêu thụ đó

Các máy phát đồng bộ phát công suất tác dụng và có thể phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng Khi được sử dụng như là DG, các máy phát này thường được vận hành trong chế độ điều khiển hệ số cosϕ không đổi Khi các máy phát đồng bộ tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ thống thì ảnh hưởng tới điện áp giống như trường hợp vận hành máy phát không đồng bộ tiêu thụ cùng lượng công suất phản kháng Nếu một DG tiêu thụ công suất phản kháng, điện áp có thể giảm Nếu một

DG phát công suất phản kháng, ảnh hưởng của DG là giống như các tụ điện tĩnh, điện áp có thể tăng lên

DG cũng ảnh hưởng tới tổn thất trên các lộ đường dây, làm thay đổi đặc tính điện áp DG ảnh hưởng tới việc giảm tổn thất cũng giống như các giàn tụ bù đặt cùng vị trí Điểm khác biệt là DG ảnh hưởng tới cả dòng công suất tác dụng và phản kháng trong khi các giàn tụ bù chỉ ảnh hưởng tới dòng công suất phản kháng Khi

DG được kết nối có công suất xấp xỉ bằng phụ tải địa phương và được đặt gần phụ tải thì nó có thể giảm đáng kể tổn thất trên đường dây

DG được kết nối chủ yếu với lưới phân phối điện trung áp với giới hạn công suất nhỏ Nhưng khi mức độ thâm nhập của DG lớn thì công suất phát từ DG không chỉ làm thay đổi dòng công suất trong lưới phân phối mà cả ở lưới truyền tải [19] Nếu DG được đặt xa nguồn và phát công suất ngược tới trạm nguồn hoặc thậm chí

là ngược tới lưới truyền tải thông qua máy biến áp trạm nguồn, tổn thất có thể tăng lên trên lưới phân phối, nhưng tổn thất trên lưới truyền tải thị giảm xuống Điều này

sẽ có ích nếu lưới truyền tải đang ở trong tình trạng đầy tải, mặt khác tổn thất tăng lên trên lưới phân phối sẽ là vấn đề lớn đối với các công ty phân phối điện Mặt khác, khi công suất DG phát ngược lên lưới truyền tải, sự ổn định của hệ thống, tức

là ổn định góc, tần số và điện áp sẽ bị ảnh hưởng

Sự ổn định điện áp bao gồm các điều kiện tải vận hành ổn định và mức điện

áp nằm trong phạm vi cho phép tại tất cả các nút (thanh cái) Hơn thế nữa, công suất phát từ các DG sẽ giảm công suất phát từ các nguồn phát điện tập trung (truyền thống) và số máy phát trên lưới, ảnh hưởng tới dự trữ quay hệ thống Điều này sẽ