Phát hiện hiện tượng tách đảo đối với nhà máy thủy điện nhỏ kết nối với lưới điện phân phối

Hiện tượng tách đảo xảy ra khi một phần của hệ thống điện phân phối trở nên bị cô lập với phần còn lại của hệ thống điện nhưng vẫn tiếp tục được cấp năng lượng bởi các nguồn điện phân tá

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

MỞ ĐẦU vii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN 1

1.1 Phân loại nguồn phân tán 1

1.2 Máy phát điện sử dụng động cơ đốt trong 1

1.3 Máy phát điện tua-bin khí 3

1.4 Thủy điện nhỏ 4

1.5 Pin nhiên liệu (Fuel cell) 6

1.6 Nguồn điện sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) 7

1.7 Tuabin gió 10

1.8 Kết luận chương 13

CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ TỚI CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA LƯỚI PHÂN PHỐI 14

2.1 Khái quát chung 14

2.2 Các điều cần chú ý khi kết nối thủy điện nhỏ vào lưới phân phối 14

2.3 Phân tích chi tiết các ảnh hưởng của thủy điện nhỏ 15

2.3.1 Tổn thất công suất trên lưới 15

2.3.2 Các vấn đề về điện áp 16

2.3.3 Vấn đề về dòng điện sự cố và bảo vệ rơle 21

2.4 Vận hành tách đảo các nguồn điện phân tán công suất nhỏ 28

2.4.1 Hiện tượng tách đảo 29

2.4.2 Các rủi ro khi vận hành tách đảo không dự định 30

2.5 Kết luận chương 31

CHƯƠNG 3 CÁC KỸ THUẬT PHÁT HIỆN TÁCH ĐẢO ĐỐI VỚI NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ 32 3.1 Phân loại sơ bộ các kỹ thuật phát hiện tách đảo 32

3.2 Giải pháp phát hiện tách đảo dựa theo thông tin liên lạc từ xa 32

3.2.1 Sơ đồ truyền tín hiệu trên đường dây điện (thông tin tải ba) 33

3.2.2 Sơ đồ truyền tín hiệu cắt liên động 34

3.3 Giải pháp phát hiện tách đảo dựa theo tín hiệu đo lường tại chỗ 35

3.3.1 Phương pháp phát hiện tách đảo thụ động 35

3.3.2 Phương pháp phát hiện tách đảo chủ động 38

3.3.3 Phương pháp hỗn hợp 39

3.4 Chi tiết phương pháp phát hiện tách đảo thụ động sử dụng rơle ROCOF 39

3.4.1 Nguyên tắc hoạt động của rơle ROCOF 39

3.4.2 Phân tích mối liên hệ giữa các thông số cài đặt trong rơle ROCOF 40

3.5 Kết luận chương 41

CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN ĐỐI VỚI NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN NHỎ NẬM ĐÔNG & NẬM TỤC 43

4.1 Giới thiệu về lưới điện khảo sát 43

4.1.1 Sơ đồ lưới điện 43

4.1.2 Các thông số chính trong lưới điện 43

4.2 Mô phỏng lưới điện 46

4.2.1 Phần mềm PSCAD/EMTDC 46

4.2.2 Các giả thiết khi mô phỏng 46

4.2.3 Mô phỏng các phần tử 47

4.2.4 Tổng hợp sơ đồ mô phỏng lưới điện trong PSCAD 52

4.3 Các giá trị cài đặt đối với rơle ROCOF 54

4.4 Mô phỏng kiểm chứng và đánh giá kết quả 56

4.4.1 Các kịch bản mô phỏng 56

4.4.2 Kết quả mô phỏng với Kịch bản I (tách đảo tại mức tải khác nhau) 58

4.4.3 Kết quả mô phỏng với Kịch bản II (ngắn mạch tại phía 110kV và 35kV) 61

4.5 Kết luận chương 62

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI 63

5.1 Kết luận chung 63

5.2 Đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHỤ LỤC 66

Phụ lục 1: Kết quả mô phỏng với Kịch bản I (Tách đảo tại các mức công suất phụ tải khác nhau) 66

Phụ lục 2: Kết quả mô phỏng với Kịch bản II (Ảnh hưởng của ngắn mạch đến sự làm việc của rơle ROCOF) 71

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi Nội dung luận văn có trích dẫn và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm, tạp chí, bài báo và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Trần Hoài Đức

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1.1 Sơ đồ phân loại các loại nguồn phân tán 1

Hình 1.2.1 Hoạt động của tuabin sử dụng động cơ đốt trong 2

Hình 1.3.1 Mô hình nguồn phát điện tuabin khí chu trình nhiệt điện hỗn hợp với nhiên liệu là khí biogas 3

Hình 1.4.1 Mô hình nhà máy thủy điện kiểu đập 5

Hình 1.4.2 Mô hình nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn 5

Hình 1.5.1 Nguyên lý làm việc của pin nhiên liệu loại axit phosphoric 6

Hình 1.6.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống PV tích hợp 8

Hình 1.6.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống PV phát điện tập trung 9

Hình 1.6.3 Sơ đồ nguyên lý nhà máy nhiệt điện NLMT 10

Hình 1.7.1 Mô hình tua-bin gió có vận tốc không đổi 10

Hình 1.7.2 Mô hình tua-bin gió có vận tốc biến đổi chỉnh lưu toàn phần 11

Hình 1.7.3 Mô hình tua-bin gió có vận tốc biến đổi chỉnh lưu một phần 12

Hình 2.3.1 Thủy điện nhỏ làm giảm công suất trên đoạn lưới từ hệ thống 16

Hình 2.3.2 Điện áp nút tăng lên tại nút có đấu nối thủy điện nhỏ 18

Hình 2.3.3 Ảnh hưởng của thủy điện nhỏ tới sự phối hợp giữa các bảo vệ 23

Hình 2.3.4 Sự phối hợp giữa TĐL và CC trên lưới điện hình tia 24

Hình 2.3.5 Ví dụ về phương thức kết nối giữa nguồn điện nhỏ và trạm phân phối 28

Hình 3.1.1 Phân loại các kỹ thuật phát hiện hiện tượng tách đảo 32

Hình 3.2.1 Sử dụng tín hiệu truyền qua đường dây tải điện để phát hiện hiện tượng tách đảo 33

Hình 3.2.2 Sơ đồ truyền tín hiệu tách đảo khi lưới điện không là hình tia 34

Hình 3.2.3 Sơ đồ cắt liên động khi phát hiện tách đảo 35

Hình 3.4.1 Sơ đồ lưới điện có máy phát kết nối lưới 39

Hình 3.4.2 Sơ đồ logic hoạt động của rơle ROCOF 40

Hình 4.1.1 Sơ đồ một sợi lưới điện được khảo sát 45

Hình 4.2.1 Giao diện chương trình PSCAD/EMTDC 46

Hình 4.2.2 Mô hình mô phỏng lưới hệ thống 47

Hình 4.2.3 Mô hình máy phát thuỷ điện nhỏ 47

Hình 4.2.4 Mô hình máy biến áp 48

Hình 4.2.5 Mô hình dây dẫn 48

Hình 4.2.6 Mô hình phụ tải điện 49

Hình 4.2.7 Mô hình bộ kích từ 51

Hình 4.2.8 Mô hình bộ điều tốc 52

Hình 4.2.9 Sơ đồ mô phỏng lưới điện bằng phần mềm PSCAD/EMTDC 53

Hình 4.4.1 Sơ đồ đơn giản của lưới điện cần đánh giá 57

Hình 4.4.2 Diễn biến điện áp khi xảy ra tách đảo với tải dân cư và mức tải là 100% 58

Hình 4.4.3 Diễn biến tần số khi tách đảo với mức tải 100% và tải loại dân cư 59

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.5.1 Đặc tính kỹ thuật của một số loại pin nhiên liệu 7

Bảng 4.2.1 Hệ số của các loại phụ tải điển hình 49

Bảng 4.3.1 Giá trị cài đặt của rơle ROCOF cho thủy điện Nậm Đông và Nậm Tục 56

Bảng 4.4.1 Kết quả mô phỏng tách đảo với các mức tải và tính chất tải khác nhau 59

MỞ ĐẦU

Sự tiến bộ trong công nghệ mới như pin nhiên liệu, tuabin gió, pin quang điện và các cải tiến mới trong điện tử công suất, nhu cầu của khách hàng về chất lượng điện năng tốt hơn và độ tin cậy được buộc ngành điện phải chuyển dịch sang các nguồn phát điện phân tán Do đó các nguồn thủy điện nhỏ gần đây đã đạt được rất nhiều sự chú ý và đầu tư do quy định thị trường và vấn đề môi trường Hiện tượng tách đảo xảy ra khi một phần của hệ thống điện phân phối trở nên bị cô lập với phần còn lại của hệ thống điện nhưng vẫn tiếp tục được cấp năng lượng bởi các nguồn điện phân tán Một yêu cầu quan trọng để kết nối một thủy điện nhỏ vào hệ thống điện phân phối là khả năng của hệ thống bảo vệ để phát hiện hiện tượng tách đảo Việc để các nguồn phân tán vận hành tiếp tục khi tách lưới có thể gây nguy hiểm đến an toàn cho việc thao tác sửa chữa trên lưới, gây các vấn đề về đồng bộ khi có sử dụng các thiết bị tự động đóng lại trên lưới, do đó các nguồn phân tán nên được ngắt kết nối trong vòng 100ms đến không quá 2 giây sau khi mất nguồn cung cấp chính Để đạt được mục tiêu đó, mỗi nguồn phát điện phân tán phải được trang

bị một thiết bị phát hiện tách đảo ví dụ như rơle dựa theo tốc độ biến thiên tần số ROCOF

Nội dung nghiên cứu được trình bày trong luận văn gồm các mục sau đây:

+ Giới thiệu về nguồn phân tán và các đặc tính kỹ thuật

+ Các vấn đề liên quan tới việc tích hợp và vận hành lưới điện có nguồn điện phân tán

+ Hiện tượng tách đảo và sự cần thiết phải phát hiện tách đảo

+ Khảo sát về kỹ thuật phát hiện hiện tượng tách đảo khác nhau

+ Phân tích chi tiết về phương pháp phát hiện tách đảo dựa trên tốc độ biến thiên của tần số

+ Tính toán áp dụng cho mô hình của nhà máy thủy điện nhỏ Nậm Đông và Nậm Tục thuộc lưới điện Yên Bái Đề xuất các giá trị chỉnh định cho rơle phát hiện tách đảo tại các nhà máy này Đồng thời xây dựng mô hình mô

phỏng và chạy các kịch bản mô phỏng để kiểm chứng tính khả thi, hiệu của quả các giá trị cài đặt

+ Kết luận chung và đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN 1.1 Phân loại nguồn phân tán

Các loại nguồn phân tán sử dụng nhiều công nghệ khác nhau, trong đó công nghệ sử dụng máy phát truyền thống đã được hoàn thiện như động cơ đốt trong, tua-bin khí… và các công nghệ khác đang được phát triển như pin nhiên liệu, pin mặt trời, tua-bin gió Mỗi loại nguồn phân tán đều có những ưu điểm, hạn chế về đặc tính kĩ thuật và tính kinh tế Sự lựa chọn công nghệ là nhân tố chính để quyết định

về công suất và vị trí lắp đặt của nguồn phân tán [1] Dưới đây là phân loại một số nguồn điện phân tán chính hiện có trên thế giới Phần lớn những loại nguồn điện này đã xuất hiện và đang được phát triển trong hệ thống điện của Việt Nam

Hình 1.1.1 Sơ đồ phân loại các loại nguồn phân tán

1.2 Máy phát điện sử dụng động cơ đốt trong

Động cơ pittông, công nghệ đầu tiên của các loại nguồn phân tán, được phát triển hơn 100 năm, được tiêu thụ nhanh trên thị trường bởi có tính cạnh tranh và độtin cậy cao, tuổi thọlớn và ít phải bảo dưỡng Động cơ đốt trong được sửdụng rộng rãi, có công suất từ vài chục kW (tua bin siêu nhỏ) cho tới 60 MW Nhược điểm lớn nhất của động cơ này là tiếng ồn, chi phí bảo dưỡng lớn, và khí thải lớn Lượng phát thải này có thể giảm được bằng cách thay đổi đặc tính đốt của động

cơ Chi phí lắp đặt và vận hành của động cơ này phụ thuộc vào lượng khí phát thải muốn cắt giảm

Động cơ đốt trong là công nghệ đã được kiểm chứng qua thực tế với tính cạnh tranh cao, dải công suất rộng, có khả năng khởi động nhanh, hiệu suất cao (lên tới 43% cho các hệ thống diesel lớn, 80% đối với micro turbine), và độ tin cậy cao trong vận hành Hầu hết các động cơ đốt trong sử dụng cho việc phát điện đều dùng động cơ bốn kỳ Các động cơ này sử dụng khí tự nhiên, khí biogas hoặc dầu diesel làm nhiên liệu

Nguồn điện có động cơ sử dụng khí tư nhiên có hiệu suất cao và phát thải ít khí NOx hơn động cơ dùng dầu diesel

Loại nguồn điện này hiện nay được sử dụng rộng rãi trong cả nước trong đó chủyếu đóng vai trò là nguồn điện dự phòng hoặc cấp điện cho khu vực chưa có điện lưới quốc gia (khu vực hải đảo ) Một số ít nguồn điện loại này được đấu nối vào lưới điện trung áp có khả năng hoạt động song song với lưới điện khu vực tại một số thời điểm phụ tải đỉnh theo yêu cầu của đơn vị phân phối điện

Hình 1.2.1 Hoạt động của tuabin sử dụng động cơ đốt trong

Một số đặc tính của máy phát điện sử dụng động cơ đốt trong:

+ Hiệu suất cao, chi phí đầu tư thấp và chi phí sản xuất điện cạnh tranh

so với nhiều + loại công nghệ sử dụng trong nguồn phân tán khác

+ Thời gian khởi động ngắn nên có thể sử dụng để phủ đỉnh đồ thị phụ tải hoặc thích hợp cho dự phòng quay

+ Phát thải khí CO và NOx nhiều hơn so với tuabin khí

+ Chất lượng điện năng không được cao

+ Có khả năng hoạt động độc lập và có khả năng khởi động “đen” (black start)

1.3 Máy phát điện tua-bin khí

Tuabin khí là các thiết bị sử dụng không khí nén dưới áp suất cao kết hợp với nhiên liệu khí hoặc nhiên liệu lỏng được đánh lửa tạo thành hỗn hợp cháy dưới nhiệt độ và áp suất cao Hỗn hợp này được phun trực tiếp vào các cánh tuabin để làm quay máy phát điện Loại tuabin khí này được phát triển đầu tiên cho các động cơmáy bay, sau đó được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy nhiệt điện Đặc biệt là công nghệ chu trình nhiệt điện hỗn hợp Nhiên liệu của máy phát điện tua-bin khí có thể là khí tự nhiên, dầu diezel, khí biogas (khí sinh học) Hiệu suất của các tuabin khí phụ thuộc vào chế độ hoạt động Hiệu suất cao nhất khi tuabin khí làm việc ở chế độ phụ tải cực đại và giảm dần khi phụ tải giảm Khi giá thành của các nhiên liệu khí rẻ, các tuabin khí chu trình hỗn hợp được sử dụng để phủ đáy của đồ thị phụ tải

Hình 1.3.1 Mô hình nguồn phát điện tuabin khí chu trình nhiệt điện hỗn hợp với nhiên liệu

tập trung thì khả năng phát triển nguồn điện sử dụng máy phát điện tua-bin khí với nhiên liệu sơ cấp là khí sinh học là hoàn toàn khả thi trong tương lai không xa

Một số đặc tính của Tuabin khí:

+ Chi phí lắp đặt thấp, chi phí nhiên liệu hợp lý,

+ Lượng khí phát thải nhỏ,

+ Thích hợp cho chu trình nhiệt điện hỗn hợp,

+ Thời gian khởi động, thay đổi công suất nhỏ,

+ Hiệu suất điện thấp hơn nhiều so với hiệu suất của cả chu trình nhiệt điện hỗn hợp

1.4 Thủy điện nhỏ

Nhà máy thủy điện nhỏ biến đổi năng lượng thế năng của nước thành cơ năng quay tuabin máy phát để sản xuất ra điện Công suất điện được tạo ra bởi thế năng của nước được tính theo công thức:

P = η*ρ*g*Q*H Trong đó: P là công suất điện được tạo ra,

W; η là hiệu suất tuabin;

ρlà khối lượng riêng của nước, kg/m3;

Phân loại các nhà máy thủy điện nhỏ:

+ Theo dòng chảy:

- Thủy điện kiểu đập

- Thủy điện kiểu kênh dẫn

+ Theo công suất nhà máy:

- Từ 2.5MW tới 30MW: nhà máy thủy điện nhỏ

- Từ 100kW tới 2.5MW: nhà máy thủy điện mini

- Nhỏ hơn 100kW: máy phát thủy điện cực nhỏ

Hình 1.4.1 Mô hình nhà máy thủy điện kiểu đập

Nguồn điện thủy điện nhỏ hiện nay đang phát triển nhanh và rộng rãi trên toàn quốc Hàng năm có thêm hàng chục nhà máy thủy điện nhỏ được đưa vào vận hành, bổ sung lượng công suất và điện năng đáng kể vào hệ thống điện quốc gia Các nguồn điện này được đấu nối chủyếu vào lưới điện trung áp, tập trung phần lớn tại khu vực miền núi phía Bắc, Bắc Trung Bộ, Trung Trung Bộ và Tây Nguyên

Hình 1.4.2 Mô hình nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn

Một số tính chất của thủy điện nhỏ:

+ Linh hoạt trong vận hành, có dự trữ quay nên có khả năng dự phòng cho các trường hợp sự cố,

+ Thủy điện kiểu kênh dẫn thân thiện với môi trường do không làm biến đổi dòng chảy, không ảnh hưởng tới khu vực hạ lưu

+ Có ý nghĩa rất lớn trong chương trình điện khí hóa nông thôn và khu vực miền núi Ngoài nhiệm vụ phát điện, một số nhà máy thủy điện còn làm nhiệm vụ điều tiết thủy lợi

+ Các nhà máy thủy điện nhỏ thường có hồ chứa nhỏ hoặc không có hồ chứa nên công suất phát điện phụ thuộc rất lớn vào lưu lượng nước trên sông theo mùa, theo thời điểm trong ngày

1.5 Pin nhiên liệu (Fuel cell)

Pin nhiên liệu biến đổi khí hydrô hoặc nhiêu liệu có chứa hydrô thành năng lượng điện và nhiệt thông qua phản ứng hóa học của hydrô với oxi thành nước Các phản ứng hóa học như sau:

Trên cực anode: H2  4H+ + 4e-

Trên cực cathode: O2 + 4H+ + 4e-  2H2O

Toàn bộ phản ứng: 2H2 + O2  2H2O + t0

Hình 1.5.1 Nguyên lý làm việc của pin nhiên liệu loại axit phosphoric

Ưu điểm của pin nhiêu liệu này là hiệu suất cao, vận hành không có tiếng ồn,

và không gây ô nhiễm môi trường do nhiên liệu sử dụng là hydrô Nhiên liệu hydrô

được chiết suất từ khí tự nhiên, dầu mỏ, và biomass Các loại pin nhiên liệu chính được trình bày trong Bảng 1.5.1 dưới đây

Bảng 1.5.1 Đặc tính kỹ thuật của một số loại pin nhiên liệu

Loại Điện cực việc (°F) [33] Nhiệt độ làm Hiệu suất điện Lĩnh vực ứng dụng

Phosphoric

Acid (PAFC)

Phosphoric acid

Solid Oxide

(SOFC)

Inert metal oxides

600-1000 60% (hybrid) Phát điện

Alkaline

(AFC)

Potassium hydroxide

phát điện

Hiện nay, Việt Nam chưa có hệ thống pin nhiên liệu công suất lớn đấu nối, hoạt động song song trên lưới điện do giá thành của loại nguồn điện này còn rất cao Khi yêu cầu về độ tin cậy cung cấp điện ngày càng cao, khái niệm “lưới điện thông minh” bắt đầu được giới thiệu rộng rãi tại các thành phố lớn thì khả năng xuất hiện của hệ thống pin nhiên liệu trong hệ thống điện Việt Nam sẽ không còn xa

Một số tính chất của pin Hydrô:

+ Hiệu suất cao so với các loại máy phát truyền thống (lớn hơn 60%),

+ Tiếng ồn và mức độ ô nhiễm thấp, độ tin cậy cao nên thường được sử dụng làm nguồn điện dự phòng tại khu vực đô thị hoặc trong “lưới điện thông minh”,

+ Điện kháng bên trong máy phát tăng theo thời gian, vì vậy các thiết bị điện

tử công suất phải được sử dụng để điều chỉnh điện áp

1.6 Nguồn điện sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT)

Nguồn điện sử dụng năng lượng mặt trời gồm hai loại chính: nguồn điện pin NLMT (PV) và nhà máy nhiệt điện NLMT

Nguồn điện PV:gồm các dàn pin NLMT được đấu nối với nhau, mỗi dàn pin NLMT được ghép từ các miếng pin rời rạc nối với nhau để biến đổi bức xạmặt trời thành dòng điện một chiều Trong pin mặt trời, điện áp được hình thành bằng các electron và các hố điện tích ở trạng thái mất cân bằng khi có bức xạ mặt trời chiếu vào Pin mặt trời tạo ra dòng điện một chiều và chỉ phát điện khi có ánh sáng mặt trời Do đó cần sử dụng bộ nghịch lưu để chuyển đổi thành dòng xoay chiều và các

bộ tích điện để phát điện vào thời điểm khác

Hệ thống PV đấu nối vào lưới điện được chia làm hai loại chính là hệ thống

PV tích hợp, PV phát điện tập trung Đối với hệ thống PV tích hợp, điện năng sản xuất bằng các tấm pin năng lượng mặt trời thông qua bộ nghịch lưu biến đổi thành dòng điện xoay chiều Tại tủ phân phối, một phần điện năng được sử dụng cho các thiết bị trong một tòa nhà hoặc khu vực dân cư Phần điện năng dư thừa sẽ nạp điện các bộ tích điện như ac quy hoặc phát lên lưới điện, bán lại điện cho các công ty điện lực

Hình 1.6.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống PV tích hợp

Đối với hệ thống PV phát điện tập trung, điện năng có thể được lưu trữ trong các bộ acquy hoặc phát trực tiếp lên lưới điện

Hình 1.6.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống PV phát điện tập trung

Hiện nay, nguồn điện PV đang được ứng dụng tại một số khu vực mà lưới điện quốc gia không thể cấp điện như khu vực hải đảo, vùng núi cao Quy mô những nguồn điện này không lớn, đấu nối vào lưới hạ áp cấp điện cho một khu vực dân cư và hoạt động độc lập với lưới điện quốc gia Tuy nhiên, Việt Nam có tiềm năng lớn để phát triển nguồn năng lượng mặt trời nên hiện nay đã có một số dự án nguồn điện PV có quy mô lớn, đấu nối vào lưới điện quốc gia đang dự kiến được triển khai

Một số tính chất của nguồn điện pin NLMT:

+ Chi phí vận hành thấp, không có khí thải,

+ Độ tin cậy cao và ít phải bảo dưỡng,

+ Chất lượng điện năng không cao,

+ Hiệu suất trong phòng thí nghiệm là 24% nhưng trong thực tế là 10%, + Chi phí đầu tư cao, công suất phát thấp so với các dạng nguồn phân tán khác do phụ thuộc vào thời tiết và thời gian trong ngày

Nhà máy nhiệt điện NLMT: Hoạt động với nguyên lý như một nhà máy nhiệt điện thông thường trong đó năng lượng sơ cấp biến đổi nước thành hơi là nhiệt năng từánh sáng mặt trời Nguyên lý hoạt động của nhà máy được trình bày trong Hình 1.6.3 Hiện nay Việt Nam chưa có nhà máy nhiệt điện NLMT nhưng qua nghiên cứu bước đầu cho thấy có một số địa điểm thích hợp để xây dựng nhà máy điện loại này tại khu vực Trung Trung Bộ và Nam Trung Bộ

Hình 1.6.3 Sơ đồ nguyên lý nhà máy nhiệt điện NLMT

1.7 Tuabin gió

Năng lượng gió được xếp vào nguồn phân tán vì công suất và vị trí của nhiều trang trại gió thích hợp khi đấu nối vào lưới điện phân phối Tuabin gió gồm rôto, máy phát, cánh quạt, các thiết bị định hướng và ghép nối Khi gió thổi vào các cánh quạt theo nguyên lý động lực học làm quay rôto Lượng công suất điện phát ra phụ thuộc vào tốc độ gió và diện tích bao phủ của vùng cánh quạt Hiện nay, có nhiều phân loại khác nhau về mô hình tua-bin máy phát điện gió nhưng có thể chia làm ba loại chính sau:

Tua-bin gió có vận tốc không đổi (Fixed-Speed Wind Turbine)

Hình 1.7.1 Mô hình tua-bin gió có vận tốc không đổi

Trong mô hình này, máy phát điện không đồng bộ được nối trực tiếp với lưới như trong hình vẽ trên Bộ điều tốc (Gear-box) có vai trò biến đổi tăng tốc độ quay của tuabin gió phù hợp với tốc độ của rô-to máy phát điện Máy biến áp được sử

dụng để nâng điện áp máy phát lên điện áp của lưới điện đấu nối hoặc điện áp hệ thống gom Trong mô hình này, hệ thống tụ được đặt tại đầu ra của máy phát để bù công suất phản kháng mà máy phát không đồng bộ tiêu thụ Tốc độ của máy phát được xác định bởi tần số của hệ thống và số đôi cực của máy phát Đây chính là mô hình đơn giản nhất và có giá thành thấp nhất trong các mô hình máy phát điện gió nhưng mô hình này có rất nhiều hạn chế Trong đó hạn chế lớn nhất là mô hình này không có khả năng điều khiển công suất phản kháng (hay hệ số công suất) của máy phát, do đó mô hình này đòi hỏi phải có nguồn công suất phản kháng trong hệ thống

có khả năng điều khiển được

Tua-bin gió có vận tốc biến đổi chỉnh lưu toàn phần (Variable-Speed Wind Turbine with Full Converter)

Hình 1.7.2 Mô hình tua-bin gió có vận tốc biến đổi chỉnh lưu toàn phần

Trong mô hình này, máy phát điện được nối với lưới qua một bộ chỉnh lưu điện tử công suất Bộ chỉnh lưu công suất này được nối trực tiếp với stato của máy phát nên bộ chỉnh lưu công suất này phải có khả năng biến đổi toàn bộ công suất từ máy phát điện phát lên lưới Máy phát điện trong mô hình này có thểlà máy phát không đồng bộ hoặc máy phát đồng bộ Bộ điều tốc trong mô hình này có thể được loại bỏ hoặc đơn giản hóa nếu sử dụng máy phát đồng bộ nhiều cực Mô hình tua-bin gió này có khả năng linh hoạt về điều khiển công suất phản kháng Hạn chế của

mô hình này là công suất phát phụ thuộc vào công suất của hệ thống chỉnh lưu nên

sẽ làm tăng giá thành đầu tư và tăng tổn thất qua bộ chỉnh lưu đối với tua-bin gió có công suất lớn

Tua-bin gió có vận tốc biến đổi chỉnh lưu một phần (Variable-Speed Wind Turbine with Doubly-FedInduction Generator)

Hình 1.7.3 Mô hình tua-bin gió có vận tốc biến đổi chỉnh lưu một phần

Mô hình này cũng sử dụng một bộ chỉnh lưu điện tử công suất nhưng điểm khác nhau chính so với mô hình chỉnh lưu toàn phần là bộ chỉnh lưu này được nối với rô-to của máy phát không đồng bộ, còn stato của máy phát được nối trực tiếp với lưới Mô hình này không những giữ được khả năng điều chỉnh công suất phản kháng của máy phát mà còn giảm chi phí đầu tư và tổn thất công suất qua bộ chỉnh lưu điện tử công suất do chỉ một phần công suất công suất của máy phát (thông thường từ 20-30 %) đi qua bộ biến đổi này Mô hình này thích hợp cho những tua-bin gió có công suất lớn

Việt Nam hiện có duy nhất một nhà máy điện gió đang hoạt động đấu nối vào lưới điện 110kV: dự án Nhà máy phong điện Tuy Phong - Bình Thuận 20x1,5

MW (công suất cả dự án) của Công ty cổ phần Năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) Hiện nay có năm tuabin gió (5x1,5 MW) đang vận hành hòa điện, đấu nối

và cung cấp điện cho hệ thống điện quốc gia từ tháng 8/2009 Ngoài ra còn có nhiều

dự án điện gió khác đang được triển khai đầu tư sẽ sớm đưa các nhà máy điện bin gió này vào vận hành như nhà máy điện gió Phước Hữu, nhà máy điện gió Ninh Thuận

tua-Một số đặc tính của năng lượng gió:

+ Không phát thải ra khí thải ô nhiễm

+ Không thể sử dụng với các ứng dụng trong chu trình nhiệt điện hỗn hợp (CHP),

+ Lượng điện sản xuất phụ thuộc vào tốc độ gió, do đó không thể sử dụng

để phủ đỉnh đồ thị phụ tải,

+ Các tuabin gió sử dụng máy phát không đồng bộ để sản xuất ra công suất tác dụng nhưng lại tiêu thụ công suất phản kháng,

+ Gây ra dao động điện áp do công suất phát thay đổi theo tốc độ gió, + Ngoài ra, tua-bin gió còn có thể gây ra tiếng ồn hoặc ảnh hưởng đến cảnh quan của khu vực được lắp đặt

1.8 Kết luận chương

Nguồn điện phân tán đã và đang cho thấy những ưu điểm và những lợi ích thiết thực Trong đó, năng lượng tái tạo được đặc biệt chú trọng do có tiềm năng to lớn và thân thiện với môi trường Trên thế giới, nguồn năng lượng phân tán đang được phát triển mạnh mẽ với sự quan tâm sâu sắc và những chính sách phù hợp Tiềm năng về nguồn năng lượng tái tạo của nước ta rất dồi dào Nếu được ưu tiên, chú trọng phát triển, sẽ đem lại nguồn lợi to lớn, khắc phục tình trạng thiếu điện, và giảm ô nhiễm môi trường

Tuy nhiên việc phát triển nguồn điện phân tán sẽ gặp rất nhiều các khó khăn về kỹ thuật, đặc biệt là việc ảnh hưởng tới chất lượng điện năng của hệ thống hiện có Vì vậy cần phải phân tích, đánh giá cụ thể để đưa ra những quy hoạch tối ưu cho việc phát triển này Trong Chương 2 sẽ trình bày những ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của lưới điện phân phối nơi các nguồn phân tán thường được kết nối vào

CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ TỚI CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA LƯỚI PHÂN PHỐI

2.1 Khái quát chung

Các lợi ích của thủy điện nhỏ

a Lợi ích về mặt độ tin cậy và an toàn:

+ Tăng khả năng an toàn trong các trường hợp phụ tải tăng đến mức giới hạn

+ Giảm nhẹ nghẽn mạch trên lưới truyền tải và lưới phân phối + Giảm độ tán xạ của nguồn phát

b Lợi ích về kinh tế

+ Giảm chi phí cho tổn thất điện năng + Giảm chi phí vốn cho nâng cấp nguồn điện, lưới truyền tải và phân phối

+ Chi phí vận hành thấp hơn do giảm được công suất đỉnh

+ Giảm chi phí nhiên liệu do nâng được hiệu suất chung

+ Giảm diện tích đất cho nguồn điện

c Lợi ích về giảm phát thải khí thải:

+ Giảm tổn thất điện năng trên đường dây điện

+ Giảm khí thải ô nhiễm

d Lợi về chất lượng điện năng:

+ Cải thiện đồ thị điện áp

+ Giảm dao động điện áp

+ Giảm độ không sin của điện áp

2.2 Các điều cần chú ý khi kết nối thủy điện nhỏ vào lưới phân phối

Tuy nhiên, khi kết nối thủy điện nhỏ vào lưới điện còn phải tuân thủ các tiêu chuẩn kết nối và ràng 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 thủy điện nhỏ 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 kết 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 thủy điện nhỏ thường được kết nối chủ yếu là ở lưới điện phân phối trung áp với cấp điện áp từ 6kV đến 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 Tuy nhiên khi mức độ thâm nhập của thủy điện nhỏ 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 đến môi trường và biến đổi khí hậu, sự thâm nhập của thủy điện nhỏ vào lưới còn làm phát sinh những vấn đề kỹ thuật cần phải quan tâm, đó là [2]:

+ 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 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.:

2.3 Phân tích chi tiết các ảnh hưởng của thủy điện nhỏ

2.3.1 Tổn thất công suất trên lưới

Thủy điện nhỏ xuất hiện sẽ làm thay đổi dòng công suất trên lưới Nếu thủy điện nhỏ đặt giữa nguồn cấp điện và phụ tải sẽ làm giảm công suất truyền tải từ nguồn tới vị trí đặt thủy điện nhỏ do đó làm giảm tổn thất công suất trên đoạn lưới này Hoặc khi phụ tải tăng cao thì sự xuất hiện của thủy điện nhỏ 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

thủy điện nhỏ còn tùy thuộc vào công suất của nó so với nhu cầu tăng thêm của phụ tải

Thủy điện nhỏ 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 của thủy điện nhỏ được xác định để cho khi đó tổn thất trên lưới là nhỏ hơn trước khi có thủy điện nhỏ Việc xác định tối ưu vị trí đặt và công suất thủy điện nhỏ, có xét đến 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 thủy điện nhỏ ở các khu vực có mật độ phụ tải cao hơn

Xét lưới đơn giản như trong Hình 2.3.1, để cấp cho phụ tải tại nút 3, khi chưa

có thủy điện nhỏ thì hệ thống (HT) sẽ phải cấp tới một lượng công suất :

điện nhỏ không cấp đủ cho phụ tải tại nút 3 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

2.3.2 Các vấn đề về điện áp

Thủy điện nhỏ không điều chỉnh trực tiếp điện áp của lưới điện phân phối Điều này được giải thích như là tác dụng ngăn cản sự điều chỉnh khép kín (tự động hoặc bằng tay) công suất phản kháng của thủy điện nhỏ khi có sự thay đổi điện áp Điều này không có nghĩa là thủy điện nhỏ không ảnh hưởng tới điện áp lưới điện Cho dù thủy điện nhỏ không điều khiển trực tiếp điện áp trên lưới nhưng thủy điện nhỏ có thể làm cho điện áp trên lưới tăng lên hoặc giảm đi phụ thuộc vào loại thủy điện

Hình 2.3.1 Thủy điện nhỏ làm giảm công suất trên đoạn lưới từ hệ thống

nhỏ, phương pháp điều chỉnh thủy điện nhỏ, công suất phát và các thông số của lưới

và tải Ảnh hưởng của thủy điện nhỏ lên sự thay đổi điện áp là nhỏ hơn khi thủy điện nhỏ chỉ phát công suất tác dụng (cos =1) so với khi thủy điện nhỏ 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 thủy điện nhỏ, các máy phát này thường được vận hành trong chế độ điều khiển hệ số cos 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 thủy điện nhỏ tiêu thụ công suất phản kháng, điện áp có thể giảm Nếu một thủy điện nhỏ phát công suất phản kháng, ảnh hưởng của thủy điện nhỏ là giống như các tụ điện tĩnh, điện áp có thể tăng lên

Thủy điện nhỏ cũng ảnh hưởng tới tổn thất điện áp trên các lộ đường dây, làm thay đổi đặc tính điện áp Thủy điện nhỏ ảnh hưởng tới việc giảm tổn thất điện áp cũng giống như các giàn tụ bù đặt cùng vị trí Điểm khác biệt là thủy điện nhỏ 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 thủy điện nhỏ 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 điện áp trên đường dây

Thủy điện nhỏ 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 thủy điện nhỏ lớn thì công suất phát từ thủy điện nhỏ không chỉ làm thay đổi dòng công suất trong lưới mà cả ở lưới truyền tải Nếu thủy điện nhỏ 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 điện áp có thể tăng lên trên lưới phân phối, nhưng tổn thất điện áp trên lưới truyền tải thì giảm xuống Điều này sẽ có ích nếu lưới truyền tải đang ở

tình trạng đầy tải, mặt khác tổn thất điện áp tăng lên trên lưới phân phối sẽ là vấn

đề lớn đối với các công ty phân phối điện Mặt khác, khi công suất thủy điện nhỏ 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 thủy điện nhỏ 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 làm gia tăng mức độ không chắc chắn của ổn định hệ thống điện khi có nhiễu loạn xảy ra

Sự gia tăng điện áp

Như đã đề cập, với các thủy điện nhỏ là các máy phát đồng bộ có thể phát công suất tác dụng, phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng có thể làm tăng điện áp

ở vùng có điện áp thấp nhưng cũng có thể làm tăng điện áp cục bộ trên lưới điện

Để hiểu về ảnh hưởng của thủy điện nhỏ đến điện áp của lưới, ta xét mô hình kết nối thủy điện nhỏ vào lưới điện như hình 2.3 [20]

Công suất bơm vào nút j là:

S inj P inj jQ inj (P DG jQ TD) (P Lj jQ Lj)

Trong đó:

inj

S là công suất biểu kiến của thủy điện nhỏ bơm vào lưới

PTĐ, QTĐ: là công suất tác dụng và công suất phản kháng của thủy điện nhỏ

PLj, QLj: là công suất tác dụng và công suất phản kháng của phụ tải

Vì dòng điện trên nhánh ij là

j

inj inj

inj

U

) jQ P (

ij inj ij inj i

j

inj inj

ij ij i ij inj i j

U

)XQRP(jU

)XQRP(U

U

)jQP)(

jXR(UZIUU

) X Q R P (

j  Trong hệ đơn vị tương đối, độ lớn điện áp được lấy là

1 p.u, giá trị điện áp tăng lên ở điểm kết nối thủy điện nhỏ U Uj Ui không

được vượt quá 2%:

U

X ).

Q Q ( R ).

P P ( 100 U

U

2

ij Lj DG ij

Lj DG

Sự suy giảm nhanh điện áp

Sự suy giảm nhanh điện áp là sự suy giảm điện áp trong thời gian ngắn và thường kết thúc từ 0,5 chu kỳ dòng điện (0,1 giây) tới 1 giây hoặc từ hàng chục mili giây tới hàng trăm mili giây Số lần suy giảm nhanh điện áp có thể xảy ra khi mở một nhánh, khi xảy ra ngắn mạch, hoặc khi khởi động một máy phát thủy điện nhỏ, hoặc máy phát trung tâm lớn bị sự cố Mức suy giảm từ 0,9 pu đến 0,85 pu thường

do đóng cắt tải, trong khi đó những sự suy giảm mạnh có thể do dác sự cố ngắn mạch gây ra

Sự suy giảm nhanh điện áp có thể dẫn đến trục trặc của rơle bảo vệ hoặc một

sự cố xảy ra trong mạng lưới có thể gây ra ngừng hoạt động tạm thời các thủy điện nhỏ

Sự dao động điện áp

Sự dao động điện áp là sự thay đổi có tính hệ thống biên độ và hình dáng của sóng điện áp hoặc một chuỗi các thay đổi ngẫu nhiên về điện áp, biên độ điện áp thường không vượt quá giới hạn qui định là từ 0,9 pu đến 1,1 pu

Sự biến đổi công suất phát của một số máy phát thủy điện nhỏ có thể gây ra sự dao động điện áp Điều này có thể gây ra sự không ổn định của điện áp khi cung cấp cho người tiêu dùng Thủy điện nhỏ có công suất đầu ra dao động như là gió hoặc

hệ thống pin quang điện có thể gây ra những dao động điện áp lưới ngẫu nhiên trong phạm vi từ vài giây đến một giờ Phụ thuộc vào công suất đầu ra của DG, cùng với đặc tính của lưới phân phối và tính chất tải, quá áp hoặc kém áp kéo dài trong một vài phút có thể xảy ra Trong trường hợp đó việc kết nối thủy điện nhỏ có thể được kết hợp với việc tích trữ điện năng và quản lý phụ tải

Độ không sin sóng điện áp (hài bậc cao xuất hiện)

Do đa số các thủy điện nhỏ sử dụng bộ biến đổi DC/AC nên các sóng hài bậc cao được sinh ra bởi bộ biến đổi sẽ được bơm vào lưới Các sóng hài này làm méo dạng sóng cơ bản của điện áp và dòng điện làm tăng tổn thất trong các thiết bị điện

từ trên lưới và tăng tổn thất trong lưới điện

2.3.3 Vấn đề về dòng điện sự cố và bảo vệ rơle

Vấn đề về bảo vệ là vấn đề cần đặc biệt quan tâm khi kết nối thủy điện nhỏ vào lưới điện Khi kết nối thủy điện nhỏ vào lưới điện, trong chế độ sự cố, thủy điện nhỏ có thể làm giảm bớt mức độ suy giảm điện áp, tuy nhiên cũng ảnh hưởng tới sự phân bố dòng sự cố với mức độ phức tạp tăng lên

Lưới phân phối điện được mô tả bằng dung lượng ngắn mạch, tức là không bao giờ được vượt quá dòng điện sự cố lớn nhất, liên quan tới định mức của thiết bị đóng cắt và khả năng chịu đựng cơ khí và nhiệt của tất cả các thiết bị và các cấu trúc được tiêu chuẩn hóa Các thủy điện nhỏ thường được đấu nối vào lưới phân phối điện và có đóng góp đáng kể vào mức độ sự cố tổng của lưới điện, về cơ bản được xác định bằng cách kết hợp mức độ đóng góp dòng ngắn mạch của phần lưới phía trước (nguồn từ các trạm trung gian) và các thủy điện nhỏ khác nhau trong lưới phân phối điện

Theo như cấu trúc truyền thống của lưới phân phối điện là các sơ đồ lưới hình tia hoặc mạch vòng kín vận hành hở Như vậy, trong chế độ làm việc bình thường cũng như trong chế độ sự cố, dòng điện chạy theo một chiều duy nhất từ nguồn (TBA trung gian) tới phụ tải Nếu như có sự cố xảy ra gần với phụ tải thì thiết bị bảo vệ phụ tải gần nhất về phía nguồn sẽ tác động, nếu không thì bảo vệ cấp trên sẽ tác động để loại cô lập phần lưới bị sự cố hoặc loại trừ sự cố Khi trên lưới phân phối điện có xuất hiện các thủy điện nhỏ, sự phân bố dòng điện trên lưới sẽ thay đổi Do các thủy điện nhỏ được đấu nối song song với lưới nên làm giảm tổng trở

sự cố của lưới làm tăng dòng sự cố Đối với lưới có cấu hình phức tạp hơn thì dòng cấp của thủy điện nhỏ tới điểm sự cố cũng có mức độ phức tạp tăng lên, ảnh hưởng tới tính chọn lọc của bảo vệ Chính vì vậy, khi kết nối thủy điện nhỏ vào lưới phân phối điện thì nhất thiết phải đảm bảo được tính chọn lọc và đảm bảo mức độ sự cố phải thấp hơn giá trị thiết kế ban đầu của lưới, dưới các điều kiện bất lợi nhất

Dòng điện tăng cao trong các trường hợp sự cố

Trong các chế độ ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch ngoài việc được cung cấp năng lượng từ hệ thống, còn được cung cấp năng lượng từ các nguồn phân tán Do

đó dòng điện trong các chế độ sự cố ngắn mạch trên lưới điện sẽ tăng lên Khi đó, với tính chất của lưới phân phối thì sự gia tăng giá trị dòng sự cố cần đảm bảo ba điều kiện:

+ Một là, dòng điện sự cố không được vượt quá dòng điện ngắn mạch định mức của thiết bị

+ Hai là, thiết bị bảo vệ quá dòng điện có khả năng cắt sự cố tương đương với mức độ của dòng điện ngắn mạch

+ Ba là, phải có sự phối hợp chặt chẽ, thích hợp giữa thiết bị bảo vệ trên lưới điện như: rơle, tự động đóng lại, cầu chì và các thiết bị bảo vệ quá dòng khác

Nếu dòng sự cố tăng quá cao và có thể cao hơn dòng cắt ngắn mạch của máy cắt sẽ dẫn đến hư hỏng cho thiết bị và mất an toàn cho người vận hành Khi đó, nếu tiến hành thay thế các thiết bị có khả năng chịu đựng dòng ngắn mạch tương ứng sẽ làm tăng vốn đầu tư của lưới điện Điều đó sẽ dẫn tới các bài toán về mặt kinh tế khi kết nối các nguồn phân tán vào lưới điện

Trên thực tế, mức độ tăng của dòng điện sự cố phụ thuộc công suất, mức độ thâm nhập, công nghệ và giao diện kết nối của thủy điện nhỏ cùng với cấp điện áp

hệ thống trước khi sự cố Công suất của nguồn thủy điện nhỏ ngày cang lớn, mức

độ ảnh hưởng ngày càng tăng

Thay đổi sự phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ

Trong Hình 2.3.3 mô tả cấu hình lưới điện có kết nối với các nguồn phát điện phân tán Khi chưa có TD1 thì nếu sự cố xảy ra ở N1, cầu chì CA sẽ tác động cắt ngắn mạch sự cố trước cầu chì CB Khi có TD1 thì dòng sự cố lại chạy từ TD1 tới điểm sự cố N1 khiến cho cầu chì CB có thể cắt trước cầu chì CA, làm cho tính chọn lọc mất đi

Việc kết nối nguồn điện phân tán vào lưới điện đòi hỏi cần phải xem xét lại khoảng thời gian phối hợp giữa các bảo vệ đường dây lân cận, vì ảnh hưởng của nguồn điện phân tán tới sự phối hợp của các bảo vệ không chỉ giới hạn trong đường dây mà nguồn điện phân tán kết nối vào Sự cố ở đường dây lân cận có thể khiến cho các bảo vệ ở đường dây có nguồn điện phân tán kết nối vào hoạt động Điều này là không mong muốn vì sự cố đó không nằm trong phạm vi bảo vệ của các thiết

bị bảo vệ trên đường dây có nguồn điện phân tán kết nối vào, và sẽ dẫn đến việc ngừng cung cấp điện cho các phụ tải trong khi đường dây đó không hề bị sự cố Trong trường hợp lưới điện trên Hình 2.3.3, xét thêm trường hợp sự cố ở điểm N2 Dòng sự cố cấp đến điểm N2 là dòng sự cố đến từ hai nguồn là: hệ thống và nguồn điện phân tán (chỉ có TD2 và TD3) Thông thường ta mong muốn rằng TĐL

sẽ tác động để loại trừ sự cố (giả sử là sự cố thoáng qua) Tuy nhiên do có sự đóng góp của TD2 vào sự cố nên có thể CC sẽ tác động trước TĐL để cách ly sự cố, làm giảm độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải sau CC Trong trường hợp TĐL tác động trước nhưng nhờ có TD2, hồ quang cháy tại điểm N2 vẫn duy trì, khi đó sự cố vẫn chưa được loại trừ, TĐL đóng lại vào sự cố là điều không mong muốn Cũng đồng thời với sự xuất hiện của TD3, dòng sự cố chạy qua cả các máy cắt BB và BA, và nếu dòng đủ lớ sẽ khiến các máy cắt này tác động, gây nên tình trạng cắt tất cả những vùng không tồn tại sự cố, giảm thấp sự tin cậy cung cấp điện

Hình 2.3.3 Ảnh hưởng của thủy điện nhỏ tới sự phối hợp giữa các bảo vệ

Một sự phối hợp các thiết bị bảo vệ thích hợp cho tất cả các chế độ sự cố trên lưới điện là rất khó khăn Do đó trong trường hợp này người ta thường thay thế các bảo vệ quá dòng không hướng trên đường dây bằng các bảo vệ quá dòng có hướng Việc thêm các bảo vệ quá dòng có hướng tại các máy cắt đầu đường dây sẽ giúp ta giải quyết được vấn đề này

Máy cắt tác động không mong muốn

Sự tăng lên về dòng điện sự cố trên lưới làm thay đổi cách thức hệ thống bảo

vệ kiểm soát sự cố (cài đặt rơle, thiết bị TĐL, dung lượng cắt ngắn mạch của máy cắt và cầu chì Trong Hình 2.3.3 chỉ ra mối liên hệ giữa việc TD2 được lắp đặt gần với trạm trung gian (hệ thống nguồn của lưới phân phối) Khi có sự cố ở các lộ đường dây khác, hướng dòng sự cố chạy từ TD2 qua nhiều thiết bị bảo vệ, máy cắt

BB tới điểm sự cố Để hạn chết nhược điểm này thì cần phải trang bị rơle quá dòng

có hướng và sẽ phải cấu hình lại rơle bảo vệ cho lộ này

Ảnh hưởng đến sự làm việc của thiết bị tự động đóng lại

Thông thường, DG sẽ phải phát hiện sự cố và ngắt kết nối với hệ thống trong khoảng thời gian tác động của TĐL và mất một khoảng thời gian để TĐL loại trừ sự

cố Nếu như không thực hiện được các bước như vậy, DG vẫn kết nối với lưới trong thời gian ngắt của TĐL và duy trì hồ quang tại điểm sự cố khiến cho quá trình đóng lặp lại của TĐL không thành công, và sự cố sẽ được xem là sự cố vĩnh cửu chứ không phải là sự cố thoáng qua (như chính bản thân của sự cố) Khoảng thời gian tác động của TĐL được quy định thường nhỏ hơn hoặc bằng 1 giây

Hình 2.3.4 Sự phối hợp giữa TĐL và CC trên lưới điện hình tia

Sự phối hợp giữa tự động đóng lại và cầu chì

Cũng trong Hình 2.3.4, ta xét trường hợp sự cố tại điểm N2, cầu chì chỉ tác động đối với các sự cố lâu dài trong phạm vi bảo vệ của nó Đối với các sự cố thoáng qua, tự động đóng lại sẽ tác động nhanh để tách sự cố ra khỏi lưới điện và sự

cố có thể bị dập tắt Khi chưa có TD3, dòng điện sự cố từ nguồn chạy qua thiết bị tự động đóng lại (TĐL) và cầu chì CC đến điểm sự cố Trong khoảng thời gian tác động của mình, TĐL sẽ cắt sự cố tức thì tình trạng cấp điện cho phụ tải sẽ được khôi phục bình thường Nếu như sự cố là vĩnh cửu thì cầu chì CC khi đó sẽ tác động

và cách ly hoàn toàn vùng sự cố ra khỏi lưới, theo cách thức kết hợp của TĐL và

CC

Trường hợp khi TD3 kết nối, dòng điện sự cố chạy qua cầu chì CC là tổng hợp dòng sự có đóng góp từ nguồn (HT) và nguồn phân tán (TD3) và có giá trị lớn hơn dòng điện sự cố chạy qua TĐL Khi mức độ đóng góp của TD3 vào dòng sự cố đủ lớn, CC có thể tác động nhanh hơn cả TĐL lại hoặc tác động đồng thời với tự đóng lại trong sự cố thoáng qua Trong khi đó các sự cố thoáng qua lại chiếm đến 70-80% các sự cố xảy ra tại các tuyến đường dây, điều đó đồng nghĩa rằng độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải đằng sau CC sẽ giảm thấp Chính vì vậy, sự phối hợp giữa cầu chì và tự động đóng lại sẽ cần phải được tính toán và cài đặt lại cho phù hợp trong từng trường hợp cụ thể

Tự động đóng lại tác động với các sự cố ngoài vùng bảo vệ

Xét lại trường hợp kết nối nguồn TD3 vào sau tự động đóng lại (TĐL) trên lưới Nếu sự cố xảy ra ở phía trước của TĐL sẽ có dòng điện sự cố chạy qua TĐL

do các nguồn TD3 gây ra Và khi dòng điện sự cố đó là đủ lớn vượt quá giá trị dòng điện tác động nhỏ nhất của TĐL khiến cho TĐL sẽ tác động, và rõ ràng đó là điều không mong muốn do sự cố đó là ngoài vùng bảo vệ của TĐL Ta có thể khắc phục hiện tượng này bằng cách trang bị cho tự động đóng lại trên đường dây các bảo vệ

có hướng

Ngăn cản tự động đóng lại thành công

Như đã đề cập ở trên, với sự xuất hiện của thủy điện nhỏ và đóng góp vào điểm sự cố thì sau khi TĐL tác động nhanh tách phần bị sự cố ra khỏi lưới điện, hồ quang tại vị trí xảy ra sự cố thoáng qua sẽ bị duy trì (không được dập tắt ngay sau khi TĐL tác động) Điều đó làm cho cảm nhận của TĐL khi đóng lại sẽ như là trường hợp ngắn mạch vĩnh cửu, đóng lại sẽ không thành công Trong trường hợp này, thủy điện nhỏ đã ngăn cản tự động đóng lại thành công, làm giảm độ tin cậy cung cấp điện và tăng thời gian mất điện của phụ tải Ngoài ra tự động đóng lại không thành công cũng làm tăng thêm các áp lực đối với các thiết bị điện cụ thể ở đây là tự động đóng lại, bởi vì tự động đóng lại tác động thì đó là đóng lại một sự cố vào hệ thống

vị trí sự cố bị tắt) thì nguồn điện phân tán vẫn tiếp tục cấp điện cho phần lưới điện

bị cô lập Phần lưới điện này sẽ có tần số khác với tần số của hệ thống Do đó khi tự động đóng lại tác động sẽ đóng lại hai lưới điện không đồng bộ, hiện tượng này rất nguy hiểm nếu tại thời điểm tự động đóng lại tác động hai lưới điện lại nghịch pha nhau Việc này dẫn đến quá điện áp, quá dòng điện và momen xoắn lớn xuất hiện trên các trục của thiết bị quay Các hiện tượng này gây ra hư hỏng nặng cho các máy điện quay và máy phát điện quay

Thay đổi vùng tác động của rơle bảo vệ

Nếu thủy điện nhỏ được kết nối ở giữa máy cắt và điểm sự cố thì sẽ làm thu hẹp vùng tác động của rơle, làm tăng thời gian tác động loại trừ sự cố Xét trong trường hợp trên Hình 2.3.4 khi có TD3 và sự cố xảy ra tại điểm N2, khi đó dòng điện qua bảo vẹ rơle sẽ nhỏ hơn khi chưa có TD3, làm cho vùng tác động của bảo

vệ Điều đó làm tăng nguy cơ sự cố tổng trở cao không được phát hiện và do đó, bảo vệ dự phòng sẽ tác động để loại trừ sự cố

Một vấn đề khác nữa cũng cần phải quan tâm khi kết nối thủy điện nhỏ vào lưới, ảnh hưởng tới bảo vệ trên lưới là bảo vệ chống vận hành cô lập (Anti-islanding protection) Trong khi cô lập, một phần của lưới vẫn được cấp điện từ nguồn thủy điện nhỏ mà không kết nối với lưới điện chính Bên cạnh các vấn đề liên quan về chất lượng điện năng, vấn đề an toàn của lưới điện yêu cầu việc ngắt kết nối thủy điện nhỏ cần phải nhanh và tin cậy Do đó, tình trạng vận hành cô lập không mong muốn phải luôn được phát hiện bởi thủy điện nhỏ Bảo vệ cô lập được xem là gặp vấn đề trong trường hợp các máy phát đồng bộ công suất lớn Trong trường hợp phụ tải của phần lưới bị cô lập phù hợp vứi công suất phát tạm thời của thủy điện nhỏ thì tình trạng vận hành cô lập có thể không bị phát hiện Thông thường, tình trạng cô lập được cho là có thể phát hiện được bằng các rơle điện áp và tần số đặt ở đầu cực khối thủy điện nhỏ Các phương pháp dựa trên chẳng hạn như ROCOF (mức độ thay đổi tần số) hoặc véc tơ xung được phát triển để đảm bảo việc phát hiện tình trạng cô lập là tin cậy Các phương pháp này tin cậy hơn các phương pháp rơle tần số và điện áp phẳng, nhưng chúng vẫn còn tồn tại vùng không phát hiện Một sự phối hợp các thiết bị bảo vệ thích hợp cho tất cả các chế độ sự cố trên lưới điện là rất khó khăn Do đó trong trường hợp này người ta thường thay thế các bảo

vệ quá dòng không hướng

Thay đổi phương thức nối đất của hệ thống

Lựa chọn tổ đấu dây của máy biến áp kết nối các nguồn điện nhỏ tới hệ thống

có ảnh hưởng lớn đến chế độ vận hành khi tách đảo

Hình 2.3.5 trình bày một số phương thức kết nối có thể gây vấn đề phương thức nối đất

Hình 2.3.5 Ví dụ về phương thức kết nối giữa nguồn điện nhỏ và trạm phân phối

Máy biến áp của phía nguồn điện nhỏ được giả thiết nối tam giác/sao hoặc tam giác/tam giác, phương thức này có ưu điểm là khi sự cố chạm đất tại phía trạm phân phối thì phía máy phát không cung cấp dòng chạm đất và ngược lại khi sự cố chạm đất trong khu vực máy phát cũng sẽ không có dòng chạm đất cấp tời từ phía nguồn

hệ thống

Khi xảy ra chạm đất trên đường dây, chỉ có bảo vệ phía hệ thống tác động, phía nguồn điện nhỏ vẫn vận hành Do đã bị mất điểm nối đất (tại trạm phân phối phía hệ thống), nên cả hệ thống cô lập còn lại trở thành vận hành ở chế độ trung tính cách điện Điều này có thể làm cho điện áp trên hai pha còn lại bị tăng cao, gây nguy hiểm cho cách điện của các máy biến áp dọc đường dây, có thể gây phóng điện các sứ dọc đường dây

Các phương thức nối dây khác của máy biến áp đều không bị ảnh hưởng bởi hiện tượng này

2.4 Vận hành tách đảo các nguồn điện phân tán công suất nhỏ

2.4.1 Hiện tượng tách đảo

Tách đảo là một chế độ của hệ thống điện, trong đó một phần của hệ thống điện được tách ra hoàn toàn khỏi lưới hệ thống về phần điện, và được cấp điện bởi một hay một vài nguồn DG kết nối với lưới cục bộ đó Theo tiêu chuẩn IEEE 1547, thì tách đảo có thể được phân làm hai loại đó là: (1) tách đảo không dự định (unintentional islanding) và (2) tách đảo có dự định (intentional islanding)

a Tách đảo không dự định

Đối với tách đảo không dự định, thường xảy ra khi có sự cố phía lưới hệ thống Khi này, máy cắt tại đầu cực máy biến áp trạm trung gian có thể tác động, cắt các lộ đường dây có chứa các DG Trong khi đó, các máy phát DG vẫn được kết nối vào lưới cục bộ mà không bị tách ra Trường hợp này rất nguy hiểm cho cả thiết bị

và người vận hành, vì vậy, thường được yêu cầu loại trừ trong vòng 2 giây kể từ khi hình thành tách đảo

Cấp độ nguy hiểm của tách đảo không dự định phụ thuộc nhiều vào các yếu

tố như: (1) Điều kiện vận hành trước khi xảy ra tách đảo; (2) Loại sự cố và vùng sự

cố gây ra tách đảo; (3) Thời gian phát hiện tách đảo; (4) Các tác động đóng cắt sau

sự cố; và (5) Các loại DG nối vào lưới tách đảo Khi xảy ra tách đảo, cần tuân thủ các quy trình vận hành để tránh các sự cố đáng tiếc có thể xảy ra

2.4.2 Các rủi ro khi vận hành tách đảo không dự định

Các rủi ro gây ra bởi tách đảo được phân tích tương đối kỹ trong các tài liệu

đã được công bố Nếu tách đảo là không dự định, các vấn đề khi vận hành lưới điện trở nên nghiêm trọng hơn Theo đó, các vấn đề chính bao gồm:

+ Vấn đề nối đất trung tính của lưới: Trong chế độ vận hành bình thường,

lưới điện phân phối đa số được nối đất trung tính tại trạm biến áp trung gian Khi sự

cố, do tách đảo, máy cắt mở, lưới tách đảo mất liên lạc với máy trạm biến áp trung gian, hay mất nối đất điểm trung tính Khi không có trung tính nối đất, điện áp bằng một cách nào đó có thể lệch nhiều so với giá trị định mức (ví dụ: nếu có sự cố chạm đất 1 pha, các bảo vệ sẽ không tác động do dòng điện thứ tự không nhỏ và điện áp pha-đất lúc này có giá trị bằng điện áp pha-pha) Điện áp này gây nguy hiểm quá áp cho cách điện trong lưới

+ Các sự cố có thể không được phát hiện: Các rơ le bảo vệ được cài đặt để

làm việc trong chế độ làm việc bình thường có trị số cài đặt lớn, do nguồn sự cố cấp bởi hệ thống là lớn Khi tách đảo, nguồn cấp trong chế độ sự cố là các DG, nhỏ hơn rất nhiều so với hệ thống Do vậy, các chỉnh định của rơ le là không đủ để chúng tác động khi có sự cố trong lưới tách đảo

+ Mất đồng bộ khi tự đóng lại: Khi có sự cố, giả sử máy cắt tại trạm biến áp

trung gian tách ra Lúc này, lưới bị tách đảo sẽ có quá độ, do đó sẽ mất đồng bộ với

hệ thống Nếu các máy cắt hoặc tự đóng lại tác động đóng mạch trước khi các DG kịp tách ra khỏi lưới, thì do không đồng bộ, sẽ có các xung quá dòng và quá áp chạy trong mạch, gây nguy hiểm cho cả máy phát và các thiết bị trong toàn hệ thống

+ Quá điện áp hoặc thấp điện áp: Khi có tách đảo, các máy phát DG tự nuôi

lưới tách đảo Do đó, nếu các bộ điều khiển điện áp không tốt, thì điện áp sẽ vượt ra ngoài dải trị số cho phép Điều này gây nguy hiểm cho các thiết bị điện trong lưới tách đảo

+ Chất lượng điện năng của nguồn cấp điện: Trong mạch tách đảo, xảy ra

quá trình quá độ, và có các hiện tượng dao động điện áp Điều này hiển nhiên ảnh hưởng không tốt đến chất lượng cung cấp điện của nguồn điện

+ Nguy hiểm đối với người vận hành: Sau khi xảy ra sự cố và máy cắt phía

cao áp đã cắt ra, người vận hành sẽ tin tưởng rằng lưới đã hoàn toàn mất điện, và thao tác với lưới không có điện mà không biết rằng vẫn còn có các DG đang cấp điện vào phía trung áp Điều này dẫn tới vận hành nhầm quy trình, và có thể ảnh hưởng tới tính mạng người vận hành hoặc thao tác sửa chữa trên lưới

2.5 Kết luận chương

Chất lượng điện năng luôn là một vấn đề lớn, cần quan tâm trong vận hành hệ thống điện Khi đấu nối DG vào hệ thống hiện có, chất lượng điện năng một cách nào đó sẽ bị thay đổi; chiều hướng thay đổi này có thể là tích cực hoặc không tốt Trong chương này, một số ảnh hưởng chính của DG tới chất lượng điện năng và quá trình vận hành khi đấu nối DG vào lưới đã được trình bày

Tách đảo là một vấn đề tương đối mới trong hệ thống điện Việt Nam Vận hành lưới điện trong chế độ này giúp duy trì cấp điện cho một số phụ tải địa phương, tuy nhiên cũng chứa nhiều nhược điểm đối với yếu tố an toàn cho con người và thiết bị Do vậy, cần phải nghiên cứu các phương pháp để sớm phát hiện hiện tượng tác đảo Chương 3 sẽ trình bày các phương pháp phát hiện tách đảo và các ưu nhược điểm của từng phương án, từ đó đề xuất nội dung nghiên cứu áp dụng của luận văn trong các chương tiếp theo

CHƯƠNG 3 CÁC KỸ THUẬT PHÁT HIỆN TÁCH ĐẢO ĐỐI VỚI

NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ 3.1 Phân loại sơ bộ các kỹ thuật phát hiện tách đảo

Cơ sở chính của việc phát hiện tình trạng tách đảo là giám sát các thông số đầu ra thủy điện nhỏ và các thông số hệ thống từ đó quyết định có hay không một tình trạng tách đảo đã xảy ra từ sự thay đổi của các tham số này

Giải pháp phát hiện tách đảo có thể được chia thành:

+ Giải pháp điều khiển từ xa (Remote techniques)

+ Giải pháp dựa trên đo lường thông số tại chỗ (Local techniques) Giải pháp địa phương (tại chỗ) này có thể được chia thành:

- Các kỹ thuật thụ động (Passive techniques)

- Các kỹ thuật chủ động (Active techniques)

- Các kỹ thuật lai (Hybrid techniques)

Hình 3.1.1 thể hiện sự phân loại các kỹ thuật này

Phương pháp phát hiện tách đảo

Giải pháp từ xa Giải pháp tại chỗ

Kỹ thuật thụ động

Kỹ thuật chủ động Kỹ thuật lai

Hình 3.1.1 Phân loại các kỹ thuật phát hiện hiện tượng tách đảo

Các phần tiếp theo sẽ trình bày chi tiết các phương pháp phát hiện tách đảo làm cơ sở áp dụng cho phần nghiên cứu chính của luận văn

3.2 Giải pháp phát hiện tách đảo dựa theo thông tin liên lạc từ xa

Kỹ thuật phát hiện hiện tượng tách đảo từ xa dựa trên cơ chế truyền thông tin liên lạc giữa các công ty điện lực và các nguồn thủy điện nhỏ Mặc dù những kỹ thuật này có thể có độ tin cậy tốt hơn so với các kỹ thuật phát hiện tách đảo địa phương, tuy nhiên rất tốn kém về mặt chi phí lắp đặt, vận hành

Chi tiết của một số kỹ thuật phát hiện tách đảo từ xa như sau: