Nghiên cứu các vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng trong lưới phân phối có xét đến nguồn phân tán

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CG Center generation – Nguồn phát điện trung tâm CHP Đồng phát nhiệt – điện CP Conection Point – Điểm kết nối DG Distributed generation – Nguồn điệ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành được luận văn, ngoài sự nỗ lực phấn đấu của bản thân, tác giả nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ của nhiều thầy giáo, cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Lã Minh Khánh, người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như làm luận văn Tác giả cũng xin chân thành cám ơn các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập và làm luận văn Đồng thời tác giả cũng xin gửi tới bạn bè, đồng nghiệp đã trao đổi, giúp đỡ tác giả tháo gỡ nhiều vướng mắc trong quá trình học tập

Do kiến thức còn hạn chế nên bản luận văn khó có thể tránh khỏi những sai sót, tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy giáo, cô giáo trong

bộ môn Hệ thống điện và những ai quan tâm

Xin chân thành cám ơn!

Tác giả luận văn

Nguyễn Bá Nhân

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, những vấn đề được trình bày trong luận văn này là nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, các kết quả tính toán trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ một tài liệu nào Có tham khảo một số 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

Hà Nội, ngày…tháng…năm 2011

Tác giả luận văn

Nguyễn Bá Nhân

MỤC LỤC

TrangTrang phụ bìa

Lời cám ơn Lời cam đoan Danh mục các ký hiệu, các chữ cái viết tắt 4

Danh mục các bảng 5

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 6

MỞ ĐẦU 7

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN 13

1.1 Khái niệm và phân loại về nguồn phân tán 14

1.2.2 Lợi ích của nguồn phân tán 27

1.2.3 Tác động của nguồn phân tán 29

1.3 Hiện trạng và xu hướng phát triển nguồn điện phân tán ở Việt Nam 32

1.3.1 Hiện trạng phát triển nguồn phân tán ở Việt Nam 32

1.3.2 Tiềm năng phát triển nguồn phân tán tại Việt Nam 34

1.3.3 Kế hoạch phát triển nguồn phân tán tại Việt Nam 37

1.4 Các vấn đề tồn tại cân nghiên cứu khi ứng dụng nguồn phân tán vào

lưới điện phân phối ở Việt Nam 38

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CG Center generation – Nguồn phát điện trung tâm CHP Đồng phát nhiệt – điện

CP Conection Point – Điểm kết nối

DG Distributed generation – Nguồn điện phân tán EVN Tập đoàn Điện lực Việt Nam

HTCCĐ Hệ thống cung cấp điện

LPP Lưới phân phối

MFĐ Máy phát điện

NLSK Năng lượng sinh khối

PCC Point of common conection – Điểm kết nối chung TĐN Thủy điện nhỏ

WP Nguồn điện gió

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 : Kế hoạch phát triển nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo giai đoạn

2011-2020 có xét đến năm 2030

Bảng 2.1: Quy định vùng tần số và điện áp làm việc của nguồn điện trên lưới

Bảng 2.2 Quy định về độ biến dạng sóng hài trên lưới điện

Bảng 2.3: Yêu cầu trang bị hệ thống bảo vệ và hệ thống thông tin liên lạc khi đấu

nối nguồn điện phân tán

Bảng 3.1: Biểu đồ công suất phát của Thủy Điện Khe Soong, Tiên Yên, Quảng

Ninh ngày 13/09/2010

Bảng 3.2: Bán điện năng theo 5 thành phần phụ tải

Bảng 3.3: Đồ thị phụ tải điển hình của các thành phần phụ tải tỉnh Quảng Ninh Bảng 3.4: Đồ thị phụ tải địa phương tỉnh Quảng Ninh

Bảng 3.5: Đồ thị phụ tải tỷ lệ theo công suất max của tỉnh Quảng Ninh

Bảng 3.6: Điện áp tại các nút lộ 371-E56 trong các chế độ vận hành

Bảng 3.7: Bảng tính công suất phát 1 tổ máy tuabin gió

Bảng 3.8: Bán điện năng theo 5 thành phần phụ tải

Bảng 3.9: Đồ thị phụ tải địa phương tỉnh Ninh Thuận

Bảng 3.10: Đồ thị phụ tải tỷ lệ theo công suất max của tỉnh Ninh Thuận

Bảng 3.11: Bảng điện áp tại các nút trong từng giờ vận hành

và cấp bách đáp ứng yêu cầu về năng lượng cho cuộc sống và môi trường bền vững

Với xu thế phát triển nguồn điện như hiện nay trên thế giới, trong lưới điện phân phối xuất hiện ngày càng nhiều các nguồn điện phân tán công suất nhỏ kết nối vào [10] Tỷ trọng điện năng phát ra từ các nguồn điện phân tán trong tổng điện năng của toàn hệ thống ngày càng lớn, và tốc độ tăng trưởng đặc biệt nhanh trong các năm gần đây Hệ thống điện Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế đó, với tiềm năng về thủy điện nhỏ, năng lượng gió, và năng lượng mặt trời cao, việc tích hợp các nguồn điện phân tán vào hệ thống điện hiện có đã nhận được nhiều sự quan tâm sâu sắc

Tuy nhiên sự xuất hiện của các nguồn điện phân tán có công suất nhỏ trong hiện có cũng đặt ra nhiều vấn đề kỹ thuật cần được quan tâm nghiên cứu, nhất là trong lưới điện phân phối Nguyên nhân chính của các vấn đề này là việc lưới điện phân phối sẵn có vốn không được thiết kế để tích hợp các nguồn điện phân tán với công suất phụ thuộc nhiều vào các yếu tố môi trường Các lưới điện phân phối sẵn

có cũng là lưới điện dạng thụ động, nghĩa là trên lưới điện khi thiết kế chỉ bao gồm các phụ tải điện, không có các nguồn điện kết nối vào Nếu có nhiều nguồn điện phân tán được kết nối vào có thể dẫn đến các chế độ vận hành không cho phép cũng như có thể gây ra những hư hỏng cho các thiết bị làm việc trên lưới điện phân phối

Đối với những lưới điện cụ thể khi tích hợp nguồn điện phân tán cần phải thực hiện những nghiên cứu mô phỏng để nhận biết và đề ra các giải pháp nhằm giải quyết các vấn đề kỹ thuật có thể nảy sinh nhằm đảm bảo kết nối một cách tốt nhất nguồn điện phân tán vào lưới điện phân phối

Nguồn điện phân tán khi đấu nối vào lưới điện hiện tại có thể làm nảy sinh các vấn đề kỹ thuật liên quan tới chất lượng điện năng được cung cấp trong lưới, làm giảm độ tin cậy cung cấp điện, giảm hiệu quả truyền tải điện, gây ra quá điện áp cũng như ảnh hưởng đến các hệ thống bảo vệ [3], [4], [10] Đề tài trong luận văn được lựa chọn nhằm đánh giá một số ảnh hưởng có thể của nguồn điện phân tán đến chất lượng điện năng trong lưới điện phân phối của Việt Nam

- Phân tích các đặc điểm kỹ thuật của các dạng nguồn điện phân tán [10], [15]

- Đánh giá tiềm năng khai thác các dạng nguồn điện phân tán

- Đánh giá kinh tế đối với việc ứng dụng nguồn điện phân tán trong hệ thống điện

- Vấn đề tối ưu hóa việc sử dụng nguồn điện phân tán trong hệ thống điện

- Đánh giá hệ thống bảo vệ cũng như đảm bảo độ tin cậy cho lưới điện khi có nguồn phân tán (thiếu công suất, sự cố nguồn, ngắn mạch trên lưới…) [17]

- Vấn đề sóng hài và sụt giảm điện áp ngắn hạn trong lưới điện phân phối khi

có nguồn phân tán

- Vấn đề điểu chỉnh tần số và điện áp trong lưới điện độc lập với nguồn điện nhỏ

Tuy nhiên vẫn chưa có nhiều nghiên cứu mô phỏng cụ thể cho các chế độ hoạt động của lưới điện phân phối Việt Nam nhằm đánh giá ảnh hưởng của các dạng nguồn điện phân tán sau khi kết nối với lưới điện sẵn có Đề tài lựa chọn trong luận văn đi theo hướng đánh giá chất lượng điện năng, cụ thể trong đó là đánh giá chất lượng điện áp trong các lưới phân phối có nguồn phân tán với các tính toán mô phỏng cụ thể cho lưới điện phân phối của Việt Nam Các mô phỏng dự kiến được thực hiện cho các dạng nguồn năng lượng phân tán điển hình hiện có là thủy điện nhỏ (Tiên Yên - Quảng Ninh) và năng lượng gió (Ninh Thuận)

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Luận văn lựa chọn đề tài nghiên cứu là đánh giá chất lượng điện năng trong lưới điện phân phối có nguồn phân tán tại Việt Nam

Do nguồn phân tán thường được đấu nối vào lưới điện phân phối nên ảnh hưởng tới chất lượng điện áp trong lưới rõ rệt hơn nhiều đối với ảnh hưởng tới tần

số hệ thống (do tần số được bảo đảm bởi hệ thống điện) trừ những lưới điện độc lập (những lưới điện này không nằm trong phạm vi nghiên cứu của đề tài

Luận văn cũng tập trung mô phỏng ảnh hưởng của chế độ làm việc của nguồn điện phân tán đối với chế độ điện áp tại các nút phụ tải khi có sự thay đổi về công suất phát của nguồn phân tán Các đánh giá về độ không đối xứng của điện áp

do các chế độ làm việc bất thường của nguồn điện, ảnh hưởng của sóng hài (độ không sin của điện áp), sụt giảm điện áp ngắn hạn (voltage sag) khi có sự cố không thuộc phạm vi nghiên cứu của luận văn

Đối tượng nghiên cứu trong đề tài là lưới điện phân phối trong quy hoạch có nguồn phân tán (chủ yếu là thủy điện nhỏ và điện gió do các nguồn phân tán như địa nhiệt, điện mặt trời… vẫn còn rất ít tại Việt Nam)

Mục đích nghiên cứu của luận văn nhằm đánh giá ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đến chế độ điện áp, trên cơ sở tính toán cho 1 số lưới phân phối đã quy hoạch Từ các nghiên cứu này có thể có được một số đánh giá chung về khả năng điều chỉnh điện áp trong lưới phân phối sẵn có sau khi có nguồn phân tán

4 Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

Các tính toán mô phỏng trong luận văn nhằm làm sáng tỏ những luận điểm sau:

- Tìm hiểu và đánh giá các yêu cầu kỹ thuật đối với việc tích hợp nguồn điện phân tán vào lưới điện phân phối

- Hệ thống truyền tải và phân phối điện hiện có được thiết kế không dựa trên cơ

sở có sự tích hợp của nguồn điện phân tán trong tương lai, dẫn đến những ảnh hưởng nhất định đến chất lượng điện năng trong lưới điện, đặc biệt là chế độ điện áp, sau khi có nguồn điện phân tán

- Ảnh hưởng chủ yếu của nguồn điện phân tán là chế độ điện áp của lưới điện đấu nối do làm thay đổi một cách cục bộ phân bố công suất trong lưới điện phân phối

- Mức độ ảnh hưởng của nguồn điện phân tán trong lưới điện phân phối phụ thuộc vào tỷ lệ công suất của nguồn phân tán đối với nguồn điện truyền thống; loại nguồn điện phân tán (năng lượng sơ cấp, loại máy phát, hệ số công suất, khả năng điều chỉnh ); vị trí của nguồn điện phân tán trong lưới điện phân phối;

- Ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đến chế độ điện áp trong lưới điện có thể được quản lý bằng các thiết bị điều chỉnh điện áp phù hợp

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu áp dụng trong luận văn bao gồm nghiên cứu tìm hiểu lý thuyết, thu thập dữ liệu thực tế và tính toán mô phỏng nhằm đánh giá chế độ mạng lưới điện

Các nghiên cứu lý thuyết trong luận văn bao gồm:

- Tổng quan kiến thức về nguồn điện phân tán, hiện trạng ứng dụng và phát triển nguồn điện phân tán tại Việt Nam Đánh giá các dạng nguồn phân tán chủ yếu tại Việt Nam

- Tìm hiểu những yêu cầu kỹ thuật nhằm đấu nối nguồn phân tán vào lưới phân phối của Việt Nam và thế giới

- Tìm hiểu về các tiêu chuẩn chất lượng điện năng nói chung và yêu cầu về chế độ điện áp được áp dụng cho lưới điện phân phối tại Việt Nam

Các số liệu cần được thu thập, đánh giá và xử lý gồm có:

- Sơ đồ và số liệu của lưới phân phối điện có nguồn phân tán (thủy điện nhỏ và nhà máy điện gió),

- Biểu đồ phát công suất của nguồn phân tán dưới dạng ngày điển hình, các chế độ đặc biệt,

- Biểu đồ công suất các thành phần phụ tải của lưới điện phân phối và điện năng tiêu thụ

Các bước tính toán mô phỏng cần thực hiện bao gồm:

- Thành lập quy trình tính toán đánh giá cho dạng nguồn và lưới cụ thể

- Xây dựng mô hình tính toán cho mạng lưới điện đã có số liệu

- Xây dựng biểu đồ phụ tải và biểu đồ công suất phát

- Tính toán chế độ của lưới điện

- Phân tích đánh giá các kết quả nhận được

- Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

- Phương pháp nghiên cứu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN

Tại Việt Nam, khái niệm về nguồn phân tán đã xuất hiện trong một số nghiên cứu, bài báo để chỉ các nguồn điện có quy mô nhỏ [10] Nguồn phân tán vẫn còn là một khái niệm mới trong hệ thống điện hiện nay, mặc dù ý tưởng đằng sau khái niệm nguồn điện phân tán đã có từ khá lâu Trong những ngày đầu của quá trình phát hệ thống điện, ngồn của hệ thống chủ yếu là các nguồn điện nhỏ Những nhà máy điện đầu tiên chỉ phát điện cho các khách hàng ở vùng lân cận của nhà máy Những lưới điện đầu tiên là các lưới điện một chiều và vị vậy điện áp của lưới điện

bị giới hạn bằng điện áp phát của máy phát do chưa có các máy biến áp nâng áp cũng như dòng điện xoay chiều Ngoài ra, khoảng cách truyền tải cũng bị giới hạn bởi tổn thất điện áp trên đường dây, vì vậy một nhà máy điện chỉ có thể cung cấp điện cho một vùng phụ tải xung quanh nhà máy mà không thể truyền tải đi xa được

Để đáp ứng nhu cầu phụ tải thay đổi trong ngày người ta sử dụng cac thiết bị lưu trữ điện năng tại chỗ để hỗ trợ như ắcquy… Sau đó, các tiến bộ khoa học kỹ thuật, như

sự ra đời của lưới điện xoay chiều, đã cho phép điện năng được truyền đi xa, chi phí sản xuất và truyền tải điện năng cũng giảm dẫn đến nhu cầu xây dựng các nhà máy điện lớn để cung cấp cho nhiều phụ tải với khoảng cách xa hơn Dần dẫn dẫn đến sự hình thành của một hệ thống điện phức tạp như ngày nay, bao gồm hệ thống lưới điện truyền tải và phân phối chằng chịt và các nhà máy điện có công suất lớn Sự cân bằng giữa cung và cầu trong hệt thống điện đạt được nhờ sự phối hợp tác động của các nhà máy điện trong hệ thống để đáp ưng nhu cầu cho sự thay đổi của phụ tải trong hệ thống Sự đảm bảo trong nguồn điện cung cấp được tăng lên, khi có sự cố của nguồn này thì được bù đắp bới một nguồn khác trong hệ thống Sự xuất hiện của dòng điện xoay chiều cùng với lưới điện truyền tải điện áp cao nối liền các hệ thống điện của các vùng với nhau đã giúp tiết kiệm được chi phí sản xuất

Vào cuối thế kỷ 20, những tiến bộ của khoa học kỹ thuật, sự thay đổi của nền kinh tế và sự điều tiết của thị trường đã dẫn đến việc các nguồn điện phân tán

(nguồn điện có công suất nhỏ) lại nhận được sự quan tâm trở lại [18], [19], [20], [21] Có 5 lý do cơ bản kết hợp lại tạo ra sự thay đổi này, bao gồm:

- Sự phát triển trong công nghệ phát điện của nguồn điện phân tán,

- Nhu cầu xây dựng mới lưới điện truyền tải mới để đáp ứng nhu cầu phụ tải ngày càng tăng trong khi lưới điện truyền tải đã rất lớn và phức tạp,

- Nhu cầu khách hàng đối với dịch vụ cung cấp điện có độ tin cậy cao tăng lên,

- Sự thành lập và phát triển của thị trường điện tự do,

- Những yêu cầu của môi trường và các vấn đề đối với sự thay đổi khí hậu Nhằm tìm hiểu các tác động của nguồn điện phân tán, chương này sẽ giới thiệu sơ lược về nguồn điện phân tán để làm cơ sở tìm hiểu cho các chương tiếp theo

1.1 Khái niệm và phân loại về nguồn phân tán

Bên cạnh cấu trúc truyền thống của lưới điện phân phối (LPP), kết nối từ các trạm biến áp (TBA) trung gian tới các khách hàng dùng điện thì ngày càng có nhiều các nguồn điện có công suất vừa và nhỏ kết nối vào lưới điện Các nguồn điện này phát triển rải rác khắp nơi theo điều kiện địa lý của từng địa phương gần với khu vực phụ tải nên được gọi tên là nguồn phân tán (Distributed Generations - DG) [18] Một số tài liệu định nghĩa nguồn phân tán là nguồn điện với một số đặc điểm cơ bản như “là nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo, không điều khiển tập trung” [VNL], hoặc căn cứ theo cấp điện áp của lưới điện mà nguồn điện đấu nối vào “lưới điện trực tiếp cung cấp điện cho các phụ tải điện là khách hàng” [18] Các tổ chức quốc

tế cũng có những định nghĩa khác nhau về nguồn điện phân tán [18], [19], [21] Tuy rằng hiện nay chưa có một định nghĩa chung cụ thể nào về nguồn phân tán

nhưng mọi khái niệm đều hướng đến “nguồn điện phân tán là các nguồn phát điện nhỏ được đấu nối vào lưới phân phối và khu vực phụ tải điện”[10], [18]

Đây được coi là định nghĩa phù hợp nhất cho nguồn điện phân tán hiện nay, trong định nghĩa không đưa ra các giới hạn về điện áp kết nối, công nghệ phát điện cũng như công suất của nguồn điện phân tán; đồng thời định nghĩa đã nêu bật được đặc điểm quan trọng nhất của nguồn điện phân tán là khoảng cách đến phụ tải gần hơn so với các nguồn điện tập trung khác

Nguồn điện phân tán có thể được chia ra làm hai nhóm chính theo công nghệ chế tạo:

- Nguồn năng lượng tái tạo: Điện gió, điện sinh khối, điện mặt trời, địa nhiệt, thủy điện nhỏ, điện thủy triều

- Nguồn năng lượng không tái tạo: Pin nhiên liệu, động cơ đốt trong (Diezen), tua bin hơi

DG tái tạo đang được thúc đẩy phát triển nhanh chóng do các tác động tích cực đến môi trường

Với sự đa dạng về các nguồn điện phân tán như vậy trong tương lai mạng điện sẽ giống như một mạng internet trong đó các nguồn phân tán được kết nối ở khắp nơi giống như máy vi tính

Hệ thống điện lúc này là sự kết hợp giữa các DG và CG( center generation) Các CG được kết nối với lưới điện áp cao (thường là từ 110kV trở lên) cung cấp điện cho các trung tâm, vùng miền tiêu thụ công suất lớn, trong khi đó các DG chủ yếu được kết nối vào lưới điện từ 35kV trở xuống cung cấp điện cho các nơi xa lưới điện, các cụm phụ tải vừa và nhỏ…Bên cạnh đó một số nguồn phân tán nhỏ như: Máy phát Diesel, điện mặt trời, pin nhiên liệu… thường được nối trực tiếp vào lưới

hạ thế 0,4kV cung cấp điện cho các khách hàng nhỏ như hộ gia đình hoặc các tòa nhà chung cư, các nhà máy sản xuất nhỏ

DG được kết nối với LPP thông qua điểm kết nối (CP) và điểm kết nối chung (PCC) Cách thức và thiết bị đấu nối DG phụ thuộc vào tiêu chuẩn được áp dụng

trên lưới tuy nhiên ở đầu ra trạm kết nối DG luôn bao gồm các thiết bị đóng cắt và bảo vệ

1.1.1 Tuabin khí

Hình 1.1: Tuabin khí GT13E2

Công nghệ tuabin khí là những tuabin nhỏ có động cơ sử dụng nhiên liệu khí sinh học, khí ga tự nhiên, khí đốt và dầu lửa với tuabin đơn giản bao gồm một máy nén, một buồng đốt, tuabin nhỏ và máy phát điện Có các loại tuabin nhỏ khác nhau như tuabin khí và tuabin đốt Tuabin khí luôn được sử dụng trên 1MW nhưng ngày nay chúng có thể được sử dụng các module nhỏ hơn với công suất từ 20kW đến 500kW

- Gây tiếng ồn lớn, chúng đời hỏi cách âm tốt nên có thể gây giảm hiệu quả nhiên liệu

- Hiệu suất thấp hơn so với một số loại DG khác

1.1.2 Máy phát điện Diesel

Hình 1.2: Máy phát điện Diesel Cummins

Máy phát điện Diesel là một loại động cơ đốt trong, sử dụng dầu Diesel hoặc khí ga tự nhiên làm nhiên liệu, hiện nay loại máy này được sử dụng rất rộng rãi Hầu hết các máy phát điện này đều sử dụng động cơ 4 kỳ và hoạt động trong 4 chu

kỳ khép kín Công suất của máy phát điện Diesel nằm trong khoảng từ 3kVA đến 3000kVA

Ưu điểm:

- Chi phí chế tạo thấp, bảo dưỡng đơn giản

- Thời gian khởi động nhanh

Nhược điểm:

- Gây ô nhiễm môi trường, tiếng ồn lớn

- Chất lượng điện năng không cao như một số công nghệ chuyển đổi như pin nhiên liệu và tuabin nhỏ

1.1.3 Quang điện

Hình 1.3: Pin quang điện

Quang điện là cục pin hình vuông hoặc hình tròn, được làm bằng chất lỏng tinh thể silicon Những cục pin này được kết nối với nhau thành module hoặc panel

và các module này được kết nối thành một hàng để tạo ra năng lượng cần thiết Những cục pin này hấp thụ năng lượng từ ánh sáng mặt trời, ở đấy lượng tử ánh sáng tác động đến dòng electron biến đổi thành điện năng Thông thường một dãy pin cung cấp khoảng 12V, công suất từ 20W-100kW

Ưu điểm:

- Không mất tiền mua nhiên liệu và bảo dưỡng

- Không gây ô nhiễm môi trường

- Độ bền cao và đáng tin cậy

Nhược điểm:

- Hiệu quả thấp

- Chi phí ban đầu cao

- Đòi hỏi phải có nơi lưu trữ và chuyển đổi thiết bị

- Công suất thấp

- Phụ thuộc vào thời tiết và điều kiện địa lý

1.1.4 Tuabin gió

Hình 1.4: Nguyên lý cấu tạo Tuabin gió

Đối với tuabin gió, động năng dòng không khí được chuyển đổi thành điện năng, Công suất của các tuabin gió ngày càng tăng lên trong vòng 2 thập kỷ qua cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật Công suất của tuabin gió từ 5kW đến vài

MW, để có những tuabin lớn hơn thì tập hợp thành một nhóm cac tuabin gió với nhau trong một trại gió (nhà máy điện gió) và nó sẽ cung cấp năng lượng lớn hơn cho lưới điện Các tuabin gió loại nhỏ có công suất dưới 50kW được sử dụng cho gia đình, viễn thông hoặc bơm nước, đôi khi cũng được dùng để nối với máy phát điện diesel, pin và hệ thống quang điện Các hệ thống này được gọi là hệ thống lai

gió và điển hình là sử dụng cho các vùng sâu, vùng xa, những địa phương chưa có lưới điện, những nơi mà mạng điện quốc gia không thể nối tới khu vực này

Loại máy phát điện phổ biến nhất được áp dụng cho tổ tuabin-máy phát điện gió là máy phát không đồng bộ Nếu một máy phát không đồng bộ được nối trực tiếp với tuabin thì một bộ khởi động mềm cần được trang bị để giảm thiều dòng khởi động của máy phát Trong điều kiện vận hành bình thường, máy phát được nối trực tiếp có thể làm cho mức độ nhấp nháy điện tăng lên theo sự biến đổi của dòng công suất tác dụng

Gần đây công nghệ nghịch lưu hiện đại đã được áp dụng trong các hệ thống điều chỉnh tốc độ và công suất đầu ra có thể được giữ gần như không đổi so với sự thay đổi tốc độ gió Với sự xuất hiện của hệ thống này thì cả máy phát đồng bộ và không đồng bộ đều có thể được áp dụng

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 như sau [12], [24]:

P = 1/2Cp.ρ.A.V3 (1.1) Trong đó: ρ: mật độ dòng không khí, kg/m3

A: diện tích quét gió của cánh quạt, m2

V: tốc độ gió, m/s

Cp: hệ số công suất của tuabin gió (Cp = 0,2÷0,5)

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

Ưu điểm:

- Không cần nạp nhiên liệu

- Không gây ô nhiễm môi trường

- Phù hợp với các vùng sâu, vùng xa

Nhược điểm:

- Phụ thuộc vào thời tiết và điều kiện địa lý

- Vốn đầu tư lớn

- Cần khoảng không lớn

- Ngoài ra thì tiếng ồn từ cánh quạt cũng rất đáng kể

Hiện nay Đức là quốc gia có công suất lắp đặt nguồn điện gió lớn nhất (tổng cộng có khoảng 14640 tuabin gió với tổng công suất đặt là 24247MW – cuối năm

2007 chiếm 37% tổng công suất điện gió toàn châu Âu) Ở Việt Nam hiện nay cũng đang triển khai nhiều dự án điện gió như ở Phương Mai – Bình Định có công suất 50,4MW, dự án điện gió 30MW ở Ninh Thuận, dự án điện gió 30MW ở Bình Thuận…

1.1.5 Pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu biến đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu, ví dụ như hidro trực tiếp thành năng lượng điện Không giống như các loại pin bình thường khác hoặc ắc quy, pin nhiên liệu không bị mất điện và cũng không có khả năng tích điện Pin nhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên liệu (hidro) và chất ôxi (ôxy) được đưa vào từ bên ngoài Về phương diện hóa học pin nhiên liệu là phản ứng ngược lại của

sự điện phân Trong quá trình điện phân nước bị tách ra thành hidro và ôxy nhờ năng lượng điện Pin nhiên liệu lấy chính hai chất này biến đổi chúng thành nước Qua đó, trên lý thuyết, chính phần năng lượng điện đã đưa vào sẽ được giải phóng nhưng thật ra vì những thất thoát qua các quá trình hóa học và vật lý mà năng lượng thu được ít hơn

Các loại pin nhiên liệu đều cùng chung một nguyên tắc được mô tả dựa vào

tế bào nhiên liệu PME (Proton exchange membrane – tế bào nhiên liệu màng trao đổi bằng proton) Các hệ thống pin nhiên liệu được phân loại theo nhiều cách khác nhau: AFC (Alkaline fuel cell – tế bào nhiên liệu kiềm), PMEFC (Proton exchange membrane fuel cell – trao đổi hạt nhân qua màng lọc) công suất vào khoảng

3÷250kW, PAFC (Phosphoric acid fuel cell - tế bào nhiên liệu axit phosphoric) công suất vào khoảng 100÷200kW, MCFC (Molten carbonate fuel cell – tế bào nhiên liệu carbonat nóng chảy) có công suất vào khoảng 250kW÷10MW, SOFC (Solid oxide fuel cell – tế bào nhiên liệu oxit rắn) có công suất vào khoảng 1kW÷10MW, DMFC (Direct methanol fuel cell – tế bào nhiên liệu methanol trực tiếp) có công suất vào khoảng 300kW÷2,8MW

Ưu điểm:

- Hiệu suất cao hơn so với các nguồn phát thông thường ( đạt từ 40%÷70%)

- Không gây ồn ào và ô nhiễm môi trường

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 hay một phần lưu lượng của dòng sông

Hình 1.5: Mô hình thủy điện nhỏ

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 ngày khác nhau thì khác nhau theo điều kiện thủy văn

Công suất của trạm TĐN xác định theo biểu thức:

P = 9,81.η.Q.H (kW) (1.2) Trong đó: η : hiệu suất biến đổi năng lượng

Q : lưu lượng nước, m3/s

H : chiều cao cột nước, m

Do tính đa đạng của TĐN và đáp ứng nhu cầu sử dụng TĐN của nhiều loại đối tượng khác nhau và tùy thuộc vào quy mô công suất, TĐN cũng được phân làm

3 loại: thủy điện nhỏ (Small hydropower), thủy điện mini (mini hydropower), thủy điện cực nhỏ (micro hydropower)

Ở Việt Nam, TĐN tập trung chủ yếu ở các vùng núi phía Bắc, miền Trung và Tây Nguyên, rất thuận lợi cho quá trình điện khí hóa nông thôn, đặc biệt là các khu vực xa lưới điện có mật độ phụ tải nhỏ

Ưu điểm:

- Chi phí nhân công thấp bởi vì các nhà máy này thường được tự động hóa cao và có ít người làm việc tại chỗ khi vận hành thông thường

- Các nhà máy TĐN có tuổi thọ lớn hơn các nhà máy nhiệt điện

- Lợi ích lớn nhất của TĐN là hạn chế giá thành nhiên liệu, tận dụng tối đa nguồn tài nguyên hiện có

Nhược điểm:

- Ảnh hưởng đến cân bằng sinh thái, môi trường của dòng sông

- Ảnh hưởng đến việc tái định cư dân chúng sống trong vùng hồ chứa

1.1.7 Một số nguồn phân tán khác

a Năng lượng sinh khối

Sinh khối chứa năng lượng hóa học, nguồn năng lượng mặt trời tích lũy trong thực vật qua quá trình quang hợp Sinh khối là các phế phẩm từ nông nghiệp (rơm rạ, bã mía, …), phế phẩm lâm nghiệp (lá khô, vụn gỗ,…), giấy vụn, meetan thừ các bãi chôn lấp, trạm xử lý nước thải, phân từ các trang trại gia súc, gia cầm Nhiên liệu sinh khối có thể ở dạng rắn, lỏng, khí… được đốt để phóng thích năng lượng Sinh khối, đặt biệt là gỗ, than gỗ (charcoal) cung cấp phần năng lượng đáng kể trên thế giới Hiện nay, gỗ vẫn được sử dụng làm nhiên liệu phổ biến ở các nước đang phát triển Sinh khối cũng có thể chuyển thành dạng nhiên liệu lỏng như mêtanol, êtanol dùng trong các động cơ đốt trong, hay dạng khí sinh học (biogas) ứng dụng cho nhu cầu năng lượng ở quy mô gia đình

- NLSK có thể tái sinh được

- NLSK tận dụng chất thải làm nhiên liệu Do đó vừa làm giảm lượng rác vừa biến chất thải thành sản phẩm hữu ích

Về mặt kỹ thuật:

- Có chỉ số cetan cao hơn Diesel

- Sinh khối rất linh động có thể trộn vào diesel theo bất kì tỉ lệ nào

- Có điểm chớp cháy cao hơn diesel, đốt cháy hoàn toàn, an toàn trong tồn chứa và sử dụng

Nhược điểm :

- Năng lượng sinh khối khi cháy sẽ phát thải khí bụi và khí SO2 vào môi trường Mức độ phát thải phụ thuộc vào nguyên liệu sinh khối, công nghệ và biện phát kiểm soát ô nhiễm

- Sản xuất năng lượng từ gỗ có thể gây thêm các áp lực cho rừng…

b Địa nhiệt

Nhiệt năng được khai thác ở dưới sâu trong lòng đất Do cấu tạo của trái đất, magma trong lòng đất hâm nóng những khối đá và các dòng nước ngầm Một số các dòng nước ngầm thóa lên gần bề mặt qua các vết rạng trong lòng đất và được giữ lại

trong các khối đất 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 11MW Với khoảng 8000 MW công suất điện được sản xuất ở 20 nước trên thế giới , điện địa nhiệt đã chiếm khoảng 0,2% tổng công suất điện toàn thế giới, trong đó Hoa Kỳ là nước dẫn đầu

c Đồng phát nhiệt - điện (CHP)

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

Ở quy mô lớn hơn, công nghệ CHP đã phát triển mạnh trong công nghệ năng lượng,

nó sử dụng năng lượng sơ cấp : than, dầu, khí để phát điện Phần nhiệt thừa sau khi phát điện đùng để cấp nhiệt cho phụ tải Các công nghệ phát điện CHP bao gồm, động cơ Diesel, động cơ khí tự nhiên, tuabin khí, tuabin hơi, tuabin cực nhỏ và pin nhiên liệu

Ưu điểm :

- Có hiệu suất sử dụng năng lượng cao 70-80%

- Lượng khí CO2 phát thải bằng ½ so với công nghệ truyền thống

Nhược điểm :

- Chi phí kết nối lưới điện

- Quy định về môi trường

- Chi phí công nghệ

Đã ngăn CHP được áp dụng rộng rãi

1.2 Đặc điểm và ảnh hưởng của nguồn phân tán đến hệ thống điện sẵn có

1.2.1 Đặc điểm :

Nguồn điện phân tán thường là những nguồn có công suất nhỏ, được đấu nối trực tiếp vào lưới điện phân phối

1.2.2 Lợi ích của nguồn phân tán

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của nhiều công nghệ mới, nhiều loại nguồn điện phân tán đã được ứng dụng thành công Nguồn DG đang được phát triển mạnh mẽ do nhu cầu ngày càng cao của phụ tải trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt…Với sự xuất hiện của các DG và đặc biệt

là các nguồn năng lượng tái tạo đã đem lại các lợi ích cơ bản như:

1 Nâng cao độ tin cậy của lưới điện

Độ tin cậy của lưới điện là chỉ tiêu đánh giá khả năng cung cấp điện liên tục của lưới điện cho các phụ tải điện Độ tin cậy của lưới điện phụ thuộc vào độ tin cậy của từng phần tử của lưới điện như: các nhà máy điện, các đường dây truyền tải, các trạm biến áp, lưới điện phân phối…Để đảm bảo độ tin cậy cho hệ thống điện ngoài các phần tử truyền thống người ta còn lắp đặt thêm các phần tử dự phòng Mục đích chung là đảm bảo cung cấp điện cho phụ tải một cách liên tục, nếu có vấn đề nào đó xảy ra thì phải đảm bảo vấn đề đó nhanh chóng được giải quyết và tác động ít nhất đến phụ tải

Như đã đề cập ở trên, nguồn điện phân tán ngày nay chủ yếu được sử dụng như các nguồn điện tại chỗ của khách hàng, để cung cấp cho các nhu cầu khác như: nhu cầu về dự phòng công suất, nhu cầu về cung cấp điện liên tục,…Do đó nguồn điện phân tán có khả năng giúp nâng cao độ tin cậy của lưới điện theo cách gián tiếp hoặc trực tiếp

2 Làm giảm các yêu cầu công suất đỉnh

Nhu cầu công suất của phụ tải thay đổi bất thường trong khoảng thời gian 24 giờ Nhu cầu thấp nhất vào lúc nửa đêm khi các phụ tải điện thương mại và tiêu dùng hoạt động ít Phụ tải thường đạt đỉnh vào lúc chiều tối, đặc biệt là mùa hè Theo thống kê trong khoảng 80% thời gian sử dụng điện, phụ tải toàn hệ thống chỉ

bằng 60% công suất của hệ thống Đây là một sự lãng phí lớn cho vốn đầu tư vào việc xây dựng các nhà máy điện để tập trung nâng cao công suất của hệ thống

Sự giảm nhu cầu công suất đỉnh tại chỗ ở các lưới điện phân phối sẽ tác động đến lưới điện phía truyền tải, làm giảm các nhu cầu công suất đỉnh tại các trạm biến

áp khu vực Điều này không chỉ giúp giảm được nhu cầu công suất đỉnh của hệ thống qua đó giúp giảm chi phí cho đầu tư nguồn điện mà còn giúp ta giảm được công suất truyền tải trên lưới điện, giảm tổn thất trên lưới truyền tải và giúp giảm chi phí đầu tư cho lưới truyền tải

3 Lợi ích của nguồn điện phân tán trong cung cấp các dịch vụ phụ trợ

Các dịch vụ phụ trợ là các dịch cần thiết để hỗ trợ cho lưới điện do các nhà cung cấp điện cung cấp cho khách hàng, nhằm cung cấp cho khách hàng điện có chất lượng điện năng tốt hơn và độ tin cậy cao hơn…Các dịch vụ phụ trợ rất phong phú và đa dạng ví dụ: hỗ trợ điệ áp lưới, nguồn điện dự phòng…

Mặc dù nguồn điện phân tán không thường xuyên được sử dụng để cung cấp các dịch vụ phụ trợ cho lưới điện, nhưng nguồn điện phân tán có khả năng cung cấp cho lưới điện tại chỗ các dịch vụ hỗ trợ điện áp và nguồn điện dự phòng, nếu nguồn điện phân tán được kết nối vào trong các lưới điện có yêu cầu về dịch vụ phụ trợ và các nguồn điện phân tán được đặt dưới sự điều khiển của các người vận hành hệ thống để có thể được huy động khi cần thiết Ngoài ra nguồn điện phân tán còn có thể cung cấp các dịch vụ phụ trợ khác như hỗ trợ điều chỉnh để cho các rung động tần số đáp ứng được yêu cầu của phụ tải…

4 Nâng cao chất lượng điện năng

Các nguồn điện phân tán được kết nối vào lưới điện sẽ giúp điều chỉnh điện

áp tại khu vực tốt hơn, làm giảm được các dao động về điện áp Trong các trường hợp mất cân bằng công suất tác dụng trên lưới điện dẫn đến độ lệch tần số tăng lên thì nguồn phân tán có thể giúp giảm nhẹ sự mất cân bằng công suất tác dụng, nghĩa

là độ lệch tần số cũng giảm xuống Hay như nguồn điện phân tán có thể vận hành độc lập với lưới điện để cung cấp cho các phụ tải tại chỗ trong các trường hợp cần

thiết giảm giảm thời gian mất điện của các phụ tải…qua đó nâng cao chất lượng điện năng phục vụ của lưới điện

Ngoài ra nguồn điện phân tán còn có tác động tích cực khác như: việc sử dụng nguồn điện phân tán sẽ giúp chúng ta đa dạng hóa được các nguồn năng lượng

sơ cấp sử dụng để phát điện, qua đó nâng cao được an ninh năng lượng quốc gia, đông thời các nguồn năng lượng tái tạo là một nguồn năng lượng sơ cấp của nguồn điện phân tán nên việc sử dụng nguồn điện phân tán sẽ giúp chúng ta giảm được phát thải khí nhà kính trong quá trình sản xuất điện năng; ngoài ra nguồn điện phân tán sử dụng các nguồn năng lượng sơ cấp mà các nguồn điện tập trung không thể sử dụng được vì vậy nguồn điện phân tán giúp chúng ta tận dụng được các nguồn năng lượng quốc gia; ngoài ra trong một số trường hợp nguồn điện phân tán có hiệu suất cao hơn cac nguồn năng lượng tập trung khác như nguồn điên phân tán CHP – Cogeneration Combined Heat and Power

1.2.3 Tác động của nguồn phân tán

Tuy nhiên do suất đầu tư ban đầu cao, phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên, nên khi tham gia vào lưới điện cũng đặt ra một số vấn đề quan tâm như:

- Các chỉ tiêu về kinh tế - xã hội khi nguồn DG kết nối với lưới điện, đặc biệt

là ở khu vực nông thôn, miền núi nằm xa lưới, có mật độ phụ tải nhỏ

- Các nguồn phân tán cũng có ảnh hưởng tới cấu trúc lưới điện, ổn định điện

áp, thay đổi dòng ngắn mạch và hệ thống bảo vệ rơle, máy biến áp vận hành với chế

độ dòng công suất ngược so với thiết kế ban đầu, dao động điện áp trong các chế độ làm việc của nguồn điện, tác động đến một số chỉ tiêu của chất lượng điện năng đối với khách hàng dùng điện và các nhà cung cấp điện…

1 Quá tải lưới điện

Đầu nối nguồn điện phân tán vào lưới phân phối sẽ làm thay đổi dòng công suất trên lưới điện Trong nhiều trường hợp những thay đổi này là tích cực khi làm giảm dòng công suốt mang tải của lưới điện Tuy nhiên, nếu quy hoạch lưới điện

phân phối không được thực hiện tốt hoặc phương án đấu nối chưa xem xét tính toán

kĩ thì nguồn phân tán sẽ làm tăng dòng công suất trên lưới Dòng công suất khi nguồn điện đi vào hoạt động có thể vượt giá trị mang tải định mức các thiết bị trên lưới điện, gây quá tải cục phân phối trong một số chế độ vận hành

2 Điều khiển điện áp

Trong các chế độ hoạt động khác nhau của nguồn điện phân phối, những nguồn điện này sẽ tác động đến quá trình điều khiển điện áp của lưới điện Nguồn điện này có thể làm điện áp trên lưới tăng cao, sụt xuống thấp hoặc gây dao động điện áp trên lưới điện

Điện áp tăng cao: Nguồn điện phân tán phát công suất tác dụng và công suất phản kháng vào hệ thống, có xu hướng làm tăng giá trị điện áp trên dưới Đối với lưới phân phối trung áp, đơn vị vận hành lưới điện thường không áp dụng phương pháp điều chỉnh điện áp dưới tải Phương pháp điều chỉnh điện áp này khiến điện áp trên lưới phân phối trung áp chỉ có thể thích ứng với những biến đổi nhỏ của nguồn phân tán mà không làm điện áp trên lưới vượt ra ngoài dải điện áp cho phép Trong khi công suất phát của nguồn phân tán lại có thể thay đổi liên tục theo từng giờ, theo từng ngày Do đó, điện áp trên lưới điện có nguồn điện phân tán đầu nối vào thường tăng cao trong một số chế độ vận hành của lưới điện

Điện áp giảm thấp: Điện áp trên lưới phân phối có thể đột ngột giảm thấp do một số nguyên nhân như quá trình khởi động nguồn phân tán, khi đóng cắt một nhánh, khởi động động cơ, cắt máy phát điện ra khỏi lưới, hoặc khi xảy ra ngắn mạch trên lưới Các nguồn điện phân tán sử dụng máy phát điện không đồng bộ nếu không được bù khi hoạt động sẽ tiêu thụ một lượng công suất phản kháng nhất định Gây ra hiện tượng sụt giảm điện áp trên lưới, ảnh hưởng tới khả năng làm việc của các thiết bị phụ tải Trường hợp nặng hơn có thể xảy ra sụp đổ điện áp của các nguồn phân tán

3 Ảnh hưởng tới hệ thống bảo vệ

Nguồn điện phân tán được đấu nối vào lưới điện phân phối sẽ làm tăng dòng ngắn mạch trên lưới điện khi vận hành đặc biệt tại các vị trí gần điểm đấu nối Dòng ngắn mạch trên lưới tăng là do dòng điện từ máy phát khi có sự cố Nếu dòng ngắn mạch trên lưới trước khi nguồn phân tán mới đấu nối đã gần đạt đến giá trị dòng ngắn mạch quy định thì giá trị dòng ngắn mạch trên lưới có thể vượt giá trị quy định khi nguồn điện mới này được đấu nối vào lưới

Thay đổi hệ thống bảo vệ của lưới điện: tăng dòng ngắn mạch trên lưới sẽ tấc động đến hệ thống bảo vệ của lưới điện như làm thay đổi sự phối hợp của hệ thống của thiết bị bảo vệ, thay đổi tính chọn lọc của rơ-le, thay đổi đặc tính thời gian của thiết bị tự động đóng lại, thay đổi đến sự an toàn của hệ thống bảo vệ và thay đổi vùng tác động của rơ-le bảo vệ

4 Ảnh hưởng khác đến chất lượng điện năng

Sóng hài: Trong hệ thống điện, lý tưởng là điện áp tại điểm bất kỳ đều có dạng hình sin với tần số danh định (50Hz hoặc 60Hz) Tuy nhiên trên thực tế rất khó đạt được điều này do trong hệ thống có thành phần sóng hài làm biến dạng sóng điện áp Nguồn phát ra sóng hài có thể là nguồn phân tán sử dụng mạch nghịch lưu, bóng đèn huỳnh quang, thiết bị thay đổi vận tốc động cơ điện… Các nguồn này sinh

ra thành phần sóng hài và có thể bơm chúng vào trong lưới điện Loại sóng ài và mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào công nghệ của các bộ chỉnh lưu nghịc lưu và sơ

đồ kết nối Những dạng nguồn điện phân tán có thể nguồn phát ra sóng hài bao gồm

hệ thống pin nhiên liệu, hệ thống PV Ngoài ra các máy phát điện quay cũng có thể

là nguồn phát sóng hài, phụ thuộc vào thiết kế cuộn dây, từ hóa lõi thép…

Độ nhấp nháy điện áp: Độ nhấp nháy điện áp là những dao động nhanh của điện áp trên lưới phân phối Những dao động này có thể làm giảm chất lượng điện năng cấp cho khách hàng khi ánh sáng từ bóng đèn sợi đốt nhấp nháy thay đổi vì là ánh sáng liên tục Những dao động với tần số khoảng 8Hz trở xuống sẽ gây những bất tiện này

Vấn đề nhấp nháy điện áp suất hiện liên quan đến tua-bin gió Trong lịch sử phát triển của nguồn phân tán, những dự án tua-bin gió đầu tiên chính là nguyên nhân gây ra nhấp nháy điện áp cho lưới phân phối Kết quả là đến nay nhiều người vẫn gắn nguyên nhân hiện tượng nhấp nháy điện áp với các dự án điện gió Tua-bin gió sử dụng tua-bin có vận tốc cố định với máy phát không đồng bộ là nguyên nhân chính gây ra nhấp nháy điện áp do những đặc tính điện của loại động cơ này Tuy nhiên, phần lớn các dự án điện gió hiện nay sử dụng tua-bi gió có vận tốc thay đổi, công suất phát của những máy phát loại này ổn định nên không còn gây ra nhấp nháy điện áp

Mất cân bằng pha điện áp và dòng điện: Khi đấu nối các nguồn phân tán một pha vào trong lưới điện, như hệ thống pin mặt trời, sẽ gây ra mất cân bằng điện áp trong hệ thống Mất cân bằng điện áp gây ra quá nhiệt trên động cơ và máy phát không đồng bộ vì máy điện không đồng bộ có thành phần điện kháng thứ tự nghịch thấp Ngoài ra các máy điện đồng bộ và các bộ chỉnh lưu điện tử cũng rất nhạy cảm với mất cân bằng điện áp

Dòng điện một chiều: dòng điện một chiều khi xuất hiện trên lưới trung áp là nguyên nhân gây ra bão hòa từ trong cuộn dây máy biến áp Hiện tượng bão hòa này làm twang độ biến dạng trong lưới điện Nguồn điện với những bộ nghịch lưu đấu nối trực tiếp vào lưới điện không qua máy biến áp sẽ phát một lượng đáng kể dòng điện một chiều vào lưới điện phân phối Thành phần một chiều này có thể làm cuộn dây trong máy biến áp phân phối bị bão hòa

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

1.3.1 Hiện trạng 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 380MW, 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 – 50,4MW, Phước Ninh – 20MW, Phú Quý – 1000MW…), điện mặt trời ở khu vực Tây Nguyên khi đi vào vận hành sẽ đóng vai trò quan trọng đáng

kể 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 năm 2025 là 4051MW, trong đó giai đoạn 2006-2015 là 2451MW và giai đoạn 2015-2025 là 1600MW Như vậy, LPP của Việt Nam trong tương lai không xa sẽ có những thay đổi đáng kể về cấu hình và các vấn đề kỹ thuật liên quan khác tới khai thác, vận hành mạng điện

Các dự án thủy điện nhỏ đấu nối vào lưới phân phối chủ yếu tập trung tại khu vực Tây Bắc, Bắc Trung Bộ, Trung Trung Bộ và khu vực Tây Nguyên Đây cũng chính là những khu vực có tiềm năng để phát triển nguồn phân tán thủy điện nhỏ trong tương lai

Thực tế vận hành các công trình thủy điện nhỏ cho thấy, các công trình này

có ý nghĩa quan trọng đối với lưới điện phân phối mà những nguồn điện này đấu nối vào như : đảm bảo cung cấp điện cho phụ tải địa phương vào giờ cao điểm, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, cải thiện chất lượng điện áp của lưới phân phối trong một số chế độ làm việc, giảm tổn thất điện năng trên lưới phân phối, cung cấp điện năng đáng kể vào lưới điện quốc gia Tuy nhiên, ngồn phân tán thủy điện nhỏ cũng

đã có những tác đông nhất định tới lưới điện Do thủy điện nhỏ có khả năng điều tiết kém nên tại khu vực Tây Nguyên một số trạm 110kV bị đầy hoặc quá tải vào mùa khô khi các thủy điện này ngừng chạy nhưu TBA Buôm Mê Thuột, EAKar Vào mùa mưa Khi huy động cao công suất những nguồn thủy điện nhỏ này khiến điện áp tại mốt số điểm trên lưới phân phối tăng cao Tổng công suất đảm bảo của thủy điện nhỏ thấp hơn nhiều so với tổng công suất đặt của chúng nên công suất khả dụng không cao…

1.3.2 Tiềm năng phát triển nguồn phân tán tại Việt Nam

Dưới đây sẽ phân tích lợi ích của một số dạng nguồn phân tán được đánh giá

là có tiềm năng và có tính khả thi nhất trong quá trình phát triển tại Việt Nam: Ðiện gió, thuỷ điện nhỏ và điện mặt trời dưới góc độ cung cấp điện năng và bảo vệ môi trường

Nguồn điện gió

Trong chương trình đánh giá về năng lượng cho Châu Á, Ngân hàng Thế giới

đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Ðông Nam Á, trong đó có Việt Nam Theo tính toán của nghiên cứu này thì Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất, tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW

Ưu điểm dễ thấy nhất của điện bằng sức gió là không tiêu tốn nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường như các nhà máy nhiệt điện, dễ chọn địa điểm và tiết kiệm đất xây dựng Các trạm điện bằng sức gió có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện, như vậy sẽ tránh được chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện Ngày nay, điện bằng sức gió đã trở nên rất phổ biến, thiết bị được sản xuất hàng loạt, công nghệ lắp ráp đã hoàn thiện, nên chi phí cho việc hoàn thành một trạm điện bằng sức gió hiện nay chỉ bằng 1/5 so với năm 1986

Trạm điện bằng sức gió có thể đặt ở những địa điểm và vị trí khác nhau, với những giải pháp rất linh hoạt và phong phú Các trạm điện bằng sức gió đặt ở ven biển cho sản lượng cao hơn các trạm nội địa vì bờ biển thường có gió mạnh Giải pháp này tiết kiệm đất xây dựng, đồng thời việc vận chuyển các cấu kiện lớn trên biển cũng thuận lợi hơn trên bộ Dải bờ biển VN trên 3.000km có thể tạo ra công suất hàng tỉ kW điện bằng sức gió Ðặt một trạm điện bằng sức gió bên cạnh các trạm bơm thủy lợi ở xa lưới điện quốc gia sẽ tránh được việc xây dựng đường dây tải điện với chi phí lớn gấp nhiều lần chi phí xây dựng một trạm điện bằng sức gió Việc bảo quản một trạm điện bằng sức gió cũng đơn giản hơn việc bảo vệ đường dây tải điện rất nhiều

Tuy nhiên, gió là dạng năng lượng mang tính bất định cao, nên khi đầu tư vào lĩnh vực này cần có các số liệu thống kê đủ tin cậy Nhưng chắc chắn chi phí đầu tư cho điện bằng sức gió thấp hơn so với thủy điện Toàn bộ chi phí cho một trạm điện bằng sức gió 5 MW khoảng 3.000.000 euro Với 500 trạm điện bằng sức gió loại 5 MW sẽ có công suất 2,5 triệu kW, lớn hơn công suất thủy điện Sơn La, tổng chi phí sẽ là 1,875 tỉ USD, chi phí này nhỏ hơn 2,4 tỉ USD là dự toán xây dựng nhà máy thủy điện Sơn La

Nguồn thuỷ điện nhỏ

Nước ta có tiềm năng thuỷ điện nhỏ (TÐN) phong phú Theo đánh giá sơ bộ, trữ năng kinh tế, kỹ thuật của TÐN vào khoảng 1,6-2x106 kW lắp máy, có khả năng cung cấp 6-8x109 kWh mỗi năm Nguồn TÐN đóng vai trò ngày càng lớn trong hệ thống điện phân phối, với công suất đặt ngày càng gia tăng và số điểm khai thác ngày càng nhiều Theo đánh giá của ngành năng lượng thì tổng tiềm năng kinh tế của thuỷ điện nhỏ khoảng 2000 MW, chiếm 10% tổng tiềm năng kinh tế của nguồn thuỷ năng Việt Nam và là nguồn có tổng công suất lớn nhất trong các nguồn năng lượng tái tạo (hình 1) Nguồn thuỷ năng này phân bố chủ yếu ở vùng núi phía Bắc, miền Trung, Tây Nguyên, rất thuận lợi cho quá trình Ðiện khí hoá nông thôn, đặc biệt là các khu vực xa lưới có mật độ phụ tải nhỏ

Hình 1.6 : Dự báo công suất nguồn điện phân tán tại Việt Nam đến năm 2030

Thuỷ điện nhỏ ở nước ta chủ yếu là loại hình lợi dụng trực tiếp dòng chảy, không tạo thành hồ chứa hoặc hồ chứa dung tích rất nhỏ Loại thuỷ điện này thường bao gồm các đập nhỏ và hầu như không gây ảnh hưởng đến môi trường Những nhà máy thuỷ điện kiểu “run of river” này được thiết kế với cột nước thấp, nằm trên những dòng sông nhỏ với độ dốc không lớn lắm, và có thể sử dụng toàn bộ lưu lượng sông hoặc một phần lưu lượng Do đó thuỷ điện nhỏ không phải là phiên bản thu nhỏ của các thuỷ điện lớn Như vậy, việc phát triển thuỷ điện nhỏ không vấp phải các vấn đề về môi trường như ở các hồ chứa thuỷ điện lớn Việc xây dựng một trạm thuỷ điện nhỏ không ảnh hưởng nhiều đến cuộc sống dân cư xung quanh, đến quy hoạch lãnh thổ, ô nhiễm đất đai

Ðối với các hồ chứa thuỷ điện nhỏ công suất đến 30 MW thì các hồ chứa thuỷ điện thu thập nước mưa để sau đó có thể sử dụng cho sinh hoạt và tưới tiêu Nhờ việc tích trữ nước, các hồ chứa ngăn chặn việc ngập úng do xả toàn bộ khối nước và giảm khả năng ngập lụt và hạn hán Hơn nữa, điện năng được phát từ các nhà máy thuỷ điện nhỏ có thể được đưa vào lưới nhanh hơn các nguồn năng lượng khác Khả năng tăng công suất của thủy điện từ 0 lên cực đại là nhanh chóng và có thể dự đoán trước, cho phép thuỷ điện đáp ứng các mức thay đổi phụ tải và cung cấp các dịch vụ phụ thuộc điện năng để giữ cân bằng giữa nguồn cấp và nhu cầu phụ tải Trong suốt vòng đời của trạm thuỷ điện, các trạm này sản sinh một lượng rất nhỏ các khí gây hiệu ứng nhà kính (GHGs), bù lại việc phát thải GHG từ các nhà máy nhiệt điện chạy than, dầu và khí đốt, thuỷ điện có thể làm chậm lại việc cảnh báo toàn cầu về GHG Mặc dù mới chỉ có 33% các nguồn năng lượng thuỷ điện được khai thác và phát triển trên thế giới, nhưng đã giúp toàn thế giới tránh phải đốt tương đương 4,5 triệu thùng dầu mỗi ngày

Nguồn điện mặt trời

Việt Nam là nước nhiệt đới, tiềm năng bức xạ mặt trời vào loại cao trên thế giới, đặc biệt ở các vùng miền phía Nam có nhiều nắng (số giờ nắng khoảng 1600-

2600 giờ/năm) Vào năm 2007, mức sản xuất hệ thống biến năng lượng mặt trời

(PV) thành điện năng trên toàn thế giới đạt đến mức 850 MW, tăng 39% so với năm

2004 Quốc gia có mức tăng trưởng nhanh nguồn năng lượng trên là Nhật Bản, 45%, và Châu Âu, 40% Những ưu điểm chính của nguồn năng lượng mặt trời là: Không làm ô nhiễm không khí; không tạo ra hiệu ứng nhà kính; không tạo ra phế thải rắn và khí như các nguồn năng lượng do than đá, khí đốt, và năng lượng nguyên tử; các hệ thống PV này có thể thiết lập ngay tại khu đông đúc gia cư, hay ngay trên nóc các chung cư hay các toà nhà lớn

Mặc dù hiện nay giá thành của việc thiết lập một hệ thống PV cao hơn 10 lần

so với một nhà máy nhiệt điện dùng than đá, 2 lần so với nhà máy nguyên tử, 4 lần

so với nhà máy dùng khí tái lập (renewable gas), nhưng hệ thống PV một khi đã được thiết lập thì chi phí điện năng sử dụng sẽ được giữ cố định trong vòng 20 năm sau đó vì hệ thống không cần đến nhu cầu nguyên liệu và các PV đã được bảo đảm vận hành suốt đời

Nếu tính một dự án điện mặt trời có vòng đời 20 năm, thì việc lắp đặt để cung cấp điện và nhiệt năng có hiệu quả cao Hơn nữa, năng lượng trên có thể được

dự trữ để dùng trong thời gian trời không đủ nắng hoặc chuyển tải điện năng dư thừa vào lưới điện

Như vậy có thể thấy nguồn điện phân tán có một tiềm năng phát triển và ứng dụng lớn tại Việt Nam hiện nay Trong giai đoạn sắp tới, phát triển nguồn điện phân tán là một xu thế mạnh mẽ nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày càng đa dạng và đang gia tăng nhanh chóng của Việt Nam

1.3.3 Kế hoạch phát triển nguồn phân tán ở Việt Nam

Theo những nghiên cứu trong Quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030 [10], nguồn điện phân tán bao gồm chủ yếu là nguồn thủy điện nhỏ và các dạng năng lượng tái tạo khác sẽ chiếm từ 3-5% tổng điên năng sản xuất của toàn hệ thống điện trong tương lai trong giai đoạn này Trong đó, thủy điện nhỏ và điện gió sẽ chiếm phần lớn trong tỉ trọng những nguồn

điện phân tán sử dụng năng lượng tái tạo Chi tiết kế hoạch phát triển nguồn điên phân tán được trình bày trong bảng sau :

Bảng 1.1 : Kế hoạch phát triển nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo giai đoạn

2011-2020 có xét đến năm 2030

Loại năng lượng

Tổng tiềm năng kinh tế - kỹ thuật (MW)

Tổng tiềm năng kinh tế - kỹ thuật khai thác (2011-2030)

2015

2011- 2020

2016- 2025

2021- 2030

2026-Tổng khai thác (2011- 2030)

1.4.1 Bảo đảm chất lượng điện năng khi có nguồn phân tán

Trước đây khi chưa có nguồn điện phân tán kết nối vào lưới điện, thì việc điều chỉnh điện áp của lưới điện phân phối được thực hiện bằng các bộ điều chỉnh điện áp dưới tải đặt tại các trạm biến áp Nhưng khi kết nối nguồn điện phân tán (nguồn phân tán có máy phát điện đồng bộ) vào lưới điện phân phối, thì nguồn điện phân tán cũng cung câp công suất phản kháng lên lưới do đó có tham gia vào quá trình điều khiển điện áp trong lưới điện

Các máy phát điện đồng bộ đều được trang bị bộ điều chỉnh điện áp, bộ tự động điều chỉnh điện áp tác động đến điện áp đầu cực máy phát thông qua dòng điện kích từ Dòng điện kích từ của máy phát thay đổi, dẫn đến dòng công suất nguồn điện phân tán cung cấp cho lưới điện thay đổi, qua đó tác động đến điện áp của lưới điện Tuy nhiên, công suất tác dụng của nguồn điện phân tán cung cấp cho lưới điện thường là cố định, do chủ sở hữu của nguồn điện phân tán quyết định khi

ký kết hợp đồng mua bán điện dựa trên các yếu tố kinh tế Do đó người ta thường điều chỉnh hệ số công suất của nguồn điện phân tán qua đó thay đổi công suất phản kháng nguồn phân tán cung cấp cho lưới điện

Việc phối hợp điều khiển giữa nguồn điện phân tán và bộ điều chỉnh dưới tải

ở trạm biến áp sẽ giúp ta điều chỉnh điện áp của lưới điện Ta nhận thấy rằng khi kết nối thêm nguồn điện phân tán vào lưới điện sẽ giúp ta điều khiển điện áp của lưới điện tốt hơn, nhưng việc phối hợp giữa nguồn phân tán và bộ điều chỉnh dưới tải như thế nào cho hợp lý là một thách thức và ta không thể sử dụng bộ điều khiển điện áp khi chưa có nguồn điện phân tán để điều chỉnh điện áp của lưới điện được nữa Ta cần phải tìm một bộ điều khiển khác để phối hợp điều khiển giữa nguồn điện phân tán và bộ điều chỉnh điện áp dưới tải

Để nguồn điện không gây quá tải cục bộ cho lưới phân phối khi được đấu nối vào lưới điện trung áp, cần phải tiến hành lập và triển khai đúng theo quy hoạch lưới điện phân phối trung áp Trong quá trình lập quy hoạch lưới điện trung áp cần xem xét, tính toán đến khả năng nguồn điện phân tán có thể phát triển trong tương lai Từ đó đưa ra kế hoạch xây dựng mới hoặc cải tạo lưới điện để trong các chế độ vận hành khác nhau đảm bảo lưới điện vận hành trong giới hạn mang tải cho phép khi xuất hiện nguồn điện phân tán đấu nối vào Như vậy, phát triển nguồn điện phân tán phải nằm trong quy hoạch phát triển lưới điện phân phối trung áp của địa phương

Để giảm thiểu ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đến chát lượng điện năng gồm đồ nhấp nháy điện áp, sóng hài, mất cân bằng pha điện áp và dòng điện…,

những quy định với tiêu chuẩn cụ thể áp dụng cho tất cả các loại nguồn điện phan tán khác nhau Thông thường những tiêu chuẩn này thường được lấy theo các tiêu chuẩn quốc tế đang hiện hành

1.4.2 Ảnh hưởng của nguồn phân tán đến dòng điện ngắn mạch

Khi có nguồn điện phân tán kết nối vào lưới điện phân phối thì dòng điện trong các chế độ sự cố của lưới điện tăng lên Bởi vì khi xảy ra sự cố, nguồn điện phân tán sẽ trở thành một nguồn cung cấp năng lượng cho sự cố bên cạnh hệ thống điện nên dòng điện sự cố tổng hợp do hai thành phần dòng điện sự cố tạo thành, thành phần dòng điện sự cố từ hệ thống và thành phần dòng điện sự cố từ các nguồn điện phân tán Do dòng điện sự cố trong lưới điện tăng lên nên ta cần phải kiểm tra lại giới hạn chịu đựng của các thiết bị trong lưới điện, cũng như cần phải tính toán chỉnh định lại thông số của các thiết bị bảo vệ trên lưới điện để các thiết bị này tác động đúng và không bỏ qua các sự cố trên lưới điện khi lưới điện có nguồn điện phân tán kết nối vào

Trước hết, trong quy hoạch phát triển lưới điện phân phối cần thiết phải có những tính toán và đánh giá tác động về thay đổi dòng ngắn mạch trên lưới điện khi đấu nối nguồn điện phân tán vào lưới điện phân phối Kết quả tính toán trong quy hoạc là cơ sở để đơn vị quản lý lưới điện đánh giá trước những ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đối với lưới điện phân phối địa phương Đơn vị quản lý lưới điện phân phối sẽ có căn cứ để trao đổi, phân phối với đơn vị quản lý vận hành nguồn điện phân tán hiện có, chủ đầu tư dự án nguồn điện phân tán dự kiến về phương án đấu nối Từ đó, các bên sẽ cùng nhau đưa ra giải pháp cụ thể và phân chia trách nhiệm để giải quyết những ảnh hưởng nếu có Ví dụ nếu có nguồn điện phân tán đấu nối vào một xuất tuyến trung áp bên đơn vị phân phối điện sẽ có trách nhiệm tính toán bổ sung chức năng bảo vệ quá dòng có hưởng để đảm bảo tính chọn lọc của rơ le, lắp đặt thêm bảo vệ dự phòng để đảm bảo vùng bảo vệ của rơ le… Bên phía nhà máy điện phải trang bị hệ thống bảo vệ điện áp cao, bảo vệ điện áp thấp, bảo vệ tần số thấp…