Phân tích hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời kết nối vào lưới phân phối khi có hiện tượng sụt áp

Hiện tại chính sách quốc gia của Việt Nam về nhu cầu năng lượng dựa vào việc thiết lập hệ thống các nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí, một số nhà máy điện

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu là của riêng cá nhân tôi, trong luận văn có tham khảo một số tài liệu và bài báo của các tác giả trong và ngoài nước như

đã nêu trong phần cuối của bài luận văn Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có

sử dụng kết quả của người khác

Học viện

Tạ Văn Toàn

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự nỗ lực của bản thân tác giả,cần phải kể đến những sự giúp đỡ đóng góp ý kiến của các thầy cô ở Viện Điện, Viện Sau Đại Học – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các bạn đồng nghiệp cùng tập thể lớp cao học Hệ thống điện 2012B đã cung cấp kiến thức, tài liệu và các thông tin có liên quan đến đề tài này

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS.Lê Thị Minh Châu đã tận tình giúp

đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn này

Tôi cũng chân thành cảm ơn tập thể cơ quan, bạn bè, gia đình và những người thân của tôi, những người luôn ở bên cạnh an ủi và là nguồn động viên to lớn giúp tôi vượt qua những khó khăn trong thời gian qua

Vì thời gian có hạn và vấn đề nghiên cứu khá phức tạp nên bài luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô, đồng nghiệp và bạn đọc quan tâm

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 10 – 2015

Học viên

Tạ Văn Toàn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN PHÂN TÁN - NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 4

1.1 Khái niệm chung về nguồn phân tán - nguồn năng lượng mặt trời 4

1.1.1 Định nghĩa nguồn điện phân tán 4

1.1.2 Các loại nguồn phân tán – nguồn năng lượng mặt trời[NLTT] 5

1.2 Ảnh hưởng qua lại giữa hệ thống lưới điện phân phối và hệ thống năng lượng mặt trời 13

1.2.1 Ảnh hưởng của hệ thống năng lượng mặt trời đối với lưới điện 13

1.2.2 Ảnh hưởng của lưới điện đến hệ thống năng lượng mặt trời 18

1.2.3 Hành vi của năng lượng mặt trời khi gặp hiện tượng sụt áp 19

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI VÀO LƯỚI PHÂN PHỐI 21

2.1 Lưới phân phối và hệ thống bảo vệ 22

2.1.1 Tổng quan về hệ thống điện: 22

2.1.2 Lưới điện phân phối 23

2.1.3 Mô phỏng lưới điện phân phối 25

2.1.4 Hệ thống rơle bảo vệ lưới điện phân phối 27

2.1.5 Mô phỏng sự hoạt động của hệ thống bảo vệ lưới điện phân phối 29

2.2 Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời và hệ thống bảo vệ ngắt kết nối 34

2.2.1 Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời(nguồn PV) 34

2.2.2 Hệ thống bảo vệ kết nối 38

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH CÁC SỰ CỐ NGẮN MẠCH VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI

PHÁP HẠN CHẾ SỰ NGẮT KẾT NỐI KHÔNG MONG MUỐN 45

3.1 Phân tích hành vi của hệ thống năng lượng mặt trời kết nối vào lưới điện phân phối 45

3.1.1 Kịch bản thứ nhất: ngắn mạch trên nhánh 6 – có hệ thống NLMT kết nối 46

3.1.2 Kịch bản thứ 2: ngắn mạch trên nhánh 5 – không có hệ thống NLMT kết nối 48

3.2 Đề xuất phương thức cài đặt cho rơle bảo vệ kết nối để đảm bảo tính chọn lọc 52

3.2.1 Phương án phối hợp về mặt thời gian 53

3.2.2 Phương án phối hợp theo đường đặc tính LVRT 56

3.3 Kết luận 60

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

DG Nguồn điện phân tán NLMT Năng lượng mặt trời

PV Photovoltaic – Pin năng lượng mặt trời

PIProportionnel-Intégral

NM Ngắn mạch MBA Máy biến áp TTK Thứ tự không PLL Phase-Locked-Loop LVRT Low Voltage right thought ANSI 59/57 Chức năng chống quá áp và thấp áp ANSI 59N Chức năng chống quá áp thứ tự không ANSI 81 Chức năng chống quá tần và thấp tần

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Các cấu hình bảo vệ kết nối cho nguồn PV 41Bảng 3.1: Bảng tổng kết, kết quả khảo sát các dạng ngắn mạch 51Bảng 3.2: Cấu hình bảo vệ kết nối cho nguồn PV 54Bảng 3.3: Cấu hình bảo vệ kết nôi cho nguồn PV( giải pháp tăng thời gian trễ) 54

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Nhà máy điện PV trên thế giới 11

Hình 1.2: Top 10 quốc gia hàng đầu thế giới trong việc khai thác, sử dụng năng lượng mặt trời 12

Hình 2.1: Mô hình lưới điện phân phối được sử dụng trong luận văn 24

Hình 2.2: Mô hình lưới điện mô phỏng bằng phần mềm Matlap Simulink 26

Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động của rơle quá dòng pha 28

Hình 2.4: Sơ đồ khối nguyên lý làm việc của rơle quá dòng đất 29

Hình 2.5: Sơ đồ Module quá dòng pha A 30

Hình 2.6: Sơ đồ Module chức năng quá dòng đất 31

Hình 2.7: Mô hình rơle quá dòng 32

Hình 2.8: Lưới điện phân phối 33

Hình 2.9: Tín hiệu đầu ra của các Module quá dòng 33

Hình 2.10: Dòng điện bapha khi sự cố A-N tại N9 34

Hình 2.11: Sơ đồ khối nguồn điện PV 35

Hình 2.12: Mô hình điều khiển PV 35

Hình 2.13: Mô hình khối điều chỉnh P/Q bằng Matlab Simulink 37

Hình 2.14: Công suất nguồn PV biến thiên theo thời gian trong 24H 38

Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của rơ le thấp áp 42

Hình 2.17: Module xử lý của chức năng thấp áp 42

Hình 2.18: Sơ đồ nguyên lý của rơle quá điện áp thứ tự không 43

Hình 2.19: Module chức năng quá áp thứ tự không 59N 43

Hình 2.20: Module bảo vệ tách lưới cho nguồn PV 44

Hình 3.1: Lưới điện trung áp được khảo sát 46

Hình 3.2 : Dòng điện ba pha khi sự cố A- N tại N9 47

Hình 3.3:Độ lớn điện áp thứ tự không đo được tại điểm kết nối nguồn PV 47

Hình 3.4: Dòng điện của hệ thống NLMT khi sự cố A – N tại N9 48

Hình 3.5: Độ lớn dòng điện ba pha trên nhánh 5 49

Hình 3.6: Độ lớn dòng điện ba pha trên nhánh 6 49

Hình 3.7: Điện áp của hệ thống NLMT khi sự cố ba pha trên nhánh 5 50

Hình 3.8 : Điện áp của hệ thống NLMT trước và sau khi sử dụng giải pháp 55

Hình 3.9: Đặc tính LVRT đề xuất cài đặt cho nguồn lớn 5MW 56

Hình 3.10: Đặc tính LVRT đề xuất cài đặt cho rơle bảo vệ kết nối 57

Hình 3.11: Sơ đồ khối của rơ le thấp áp theo đặc tính LVRT 58

Hình 3.12: Chức năng thấp áp tác động theo đặc tính LVRT 58

Hình 3.13: Module xử lý của chức năng thấp áp theo đặc tính LVRT 59

Hình 3.14: Điện áp tại điểm đặt rơle bảo vệ kết nối nguồn PV 60

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài:

Hiện nay nhu cầu tiêu thụ điện năng gia tăng rất nhanh tuy nhiên lượng cung ứng điện (chủ yếu là từ thủy điện và nhiệt điện) không phát triển kịp Điều này khiến cho hệ thống đang trong tính trạng thiếu điện cung cấp cho phụ tải Để cải thiện được việc này vấn đề đặt ra là phải phát triển hệ thống các nguồn năng lượng điện khác trong khi các năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt Việc sử dụng các nguồn điện tại chỗ (thủy điện nhỏ, cực nhỏ, năng lượng mặt trời, gió….)được huy động để chiếm tỷ trọng đáng kể trong hệ thống nguồn cấp

Về các nguồn năng lượng tái tạo ta có các nguồn xuất phát từ mặt trời, từ gió, từ địa nhiệt, từ nướcvà năng lượng sinh khối Trong đó, nguồn năng lượng mặt trời là phạm vi nghiên cứu của đề tài này Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta, năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó,đặc biệt khi tới bề mặt trái đất Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, do đó nhu cầu năng lượng ngày càng tăng Hiện tại chính sách quốc gia của Việt Nam về nhu cầu năng lượng dựa vào việc thiết lập hệ thống các nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí, một số nhà máy điện nguyên tử … Tuy nhiên, để phát triển bền vững và đặc biệt cân bằng được năng lượng của quốc gia trong tương lai, Việt Nam đã và đang tập trung nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng mới trong đó NLMT vẫn là một nguồn năng lượng tối ưu trong tương lai do điều kiện Việt Nam đứng về phương diện địa dư và nhu cầu phát triển kinh tế Hiện nay đang phát triển chủ yếu dưới dạng các nguồn NLMT có công suất bé nối chủ yếu vào lưới hạ áp và các cánh đồng năng lượng mặt trời nối trực tiếp vào lưới trung áp

Tuy nhiên việc kết nối hệ thống NLMT vào lưới phân phối gây ra một số tác động đối với hệ thống: ảnh hưởng đến trào lưu công suất, chất lượng điện năng, hệ thống bảo vệ của lưới điện Mặt khác, các chế độ vận hành, các nhiễu loạn trên lưới điện cũng ảnh hưởng tới hệ thống NLMT Trong đề tài tác giả nghiên cứu ảnh

hưởng của hiện tượng sụt áp (do ngắn mạch) đến sự hoạt động của hệ thống NLMT Hiện nay, Việt Nam chưa có một tiêu chuẩn cụ thể để kết nối hệ thống NLMT vào lưới điện, vì vậy tác giả đã áp dụng một số tiêu chuẩn phổ biến của Pháp(DIN 0126_1, ARRETE_08, ERDF_13E) làm cơ sở cho các nghiên cứu trong luận văn Khi áp dụng các tiêu chuẩn này, đặc biệt là tiêu chuẩn về điện áp, các hố điện áp gây ra bởi sự cố ngắn mạch dẫn đến việc ngắt kết nối hàng loạt các hệ thống NLMT nối lưới bởi bảo vệ kết nối của nó Tuy nhiên, đôi khi sự ngắt kết nối này là không mong muốn, đặc biệt là sự cố ở trên xuất tuyến kế cận (không phải là xuất tuyến có NLMT kết nối vào) Trong tương lai khi tổng công suất do hệ thống NLMT cung cấp là quan trọng thì việc cắt kết nối này gây ra một lượng công suất thiếu hụt đáng

kể dẫn đến sự mất cân bằng về công suất phát/công suất tiêu thụ

Xuất phát từ lý do trên, đề tài “Phân tích hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời kết nối vào lưới phân phối khi có hiện tượng sụt áp” là hết sức cần thiết

nhằm nghiên cứu và đề ra giải pháp để tăng khả năng kết nối hệ thống NLMT vào lưới điện khi gặp nhiễu loạn xảy ra trên lưới điện

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

- Phân tích hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời kết nối với lưới phân phối khi có hiện tượng sụt áp khi có những hệ thống rơle bảo vệ

- Dựa vào kết quả phân tích xác định được các trường hợp cắt không mong muốn

hệ thống NLMT ra khỏi lưới điện khi gặp hiện tượng sụt áp

- Đề ra giải pháp để hệ thống NLMT ngắt kết nối khi sự cố trong vùng tác động của nó và giữ kết nối đối với các trường hợp ngoài vùng tác động

3 Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới:

Với mục đích như trên, nội dung cơ bản của luận văn bao gồm:

- Xây dựng mô hình lưới phân phối trung áp và và hệ thống bảo vệ lưới

- Xây dựng mô hình hệ thống năng lượng mặt trời với các bảo vệ kết nối của nó

- Áp dụng các mô hình trên để xây dựng một hệ thống năng lượng mặt trời kết nối với lưới điện trung áp Bằng cách mô phỏng sẽ phân tích được hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời kết nối với lưới phân phối trong trường hợp sụt áp (do

ngắn mạch) Kết quả mô phỏng phải chỉ ra được các trường hợp mà hệ thống

NLMT tách lưới không mong muốn

- Sau đó, ở phần cuối tác giả sẽ đề xuất phương án (cài đặt hệ thống rơle bảo vệ hợp lý) để tránh được các trường hợp tách lưới không mong muốn trên Một vài kết quả mô phỏng sẽ chứng minh hiệu quả của các phương pháp được đề xuất

4 Phương pháp nghiên cứu:

Pháp nghiên cứu chủ yếu được tác giả áp dụng trong quá trình thực hiện luận văn là sử dụng phần mềm Matlab Simulink để mô phỏng phân tích hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời kết nối với lưới phân phối khi gặp hiện tượng sụt áp Bên cạnh đó, mô phỏng sẽ chỉ ra được các trường hợp mà hệ thống năng lượng mặt trời tách lưới không mong muốn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN PHÂN TÁN - NGUỒN NĂNG

LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1 Khái niệm chung về nguồn phân tán - nguồn năng lượng mặt trời

1.1.1 Định nghĩa nguồn điện phân tán

Nguồn phân tán DG là nguồn phát có công suất nhỏ (<30MW), được lắp đặt gần nơi tiêu thụ điện năng nên loại trừ được những chi phí truyền tải và phân phối không cần thiết Hơn nữa, nó có thể làm giảm việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, tăng cường tính linh hoạt của nguồn điện và độ tin cậy cung cấp điện, giảm tổn thất điện và cải thiện điều kiện điện áp đường dây phân phối Hiện nay trên thế giới cũng chưa có định nghĩa thống nhất về nguồn điện phân tán Một số quốc gia định nghĩa nguồn điện phân tán là nguồn điện theo các thông số cơ bản như: “nguồn điện phân tán là nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo, không điều khiển tập trung…” hoặc một số khác căn cứ theo cấp điện áp mà nguồn điện đó đấu nối vào: “nguồn điện phân tán là nguồn điện đấu nối vào lưới điện cung cấp trực tiếp cho phụ tải khách hàng” Các tổ chức quốc tế cũng đưa ra những định nghĩa khác nhau về nguồn điện phân tán [IEEE 1547 2003] Các định nghĩa đó như sau:

- IEA (International Energy Agency) định nghĩa nguồn điện phân tán là nguồn điện phục vụ trực tiếp phụ tải khách hàng hoặc hỗ trợ cho lưới điện phân phối, được đấu nối vào hệ thống điện ở các cấp điện áp của lưới phân phối

- IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.) định nghĩa nguồn điện phân tán là nguồn phát điện nhỏ hơn những nhà máy điện trung tâm, thường nhỏ hơn hoặc bằng 10MW, cho phép đấu nối vào bất kỳ điểm nào trong hệ thống điện

- EPRI (Electric Power Research Institute) định nghĩa nguồn điện có công suất từ vài kW đến 50MW và/hoặc các thiết bị lưu điện có vị trí gần phụ tải khách hàng hoặc lưới phân phối và các trạm biến áp truyền tải trung gian là những nguồn điện phân tán

Như vậy, những định nghĩa về nguồn điện phân tán thường căn cứ vào quy mô công

suất và cấp điện áp đấu nối Do chưa có sự thống nhất về quy mô công suất cũng như cấp điện áp đấu nối nên một định nghĩa tổng quan về nguồn điện phân tán là cần thiết Gần đây, định nghĩa nguồn điện phân tán là nguồn điện đấu nối trực tiếp vào lưới điện phân phối hoặc đấu nối vào lưới điện của phía khách hàng (so với điểm đặt thiết bị đo đếm) được chấp nhận rộng rãi và phổ biến Do định nghĩa này xem xét nguồn điện phân tán về vị trí nguồn điện trong hệ thống điện và điểm đấu nối của nguồn điện hơn là xem xét đến quy mô công suất của nguồn điện nên có tính khái quát cao cũng như bao trùm được những đặc điểm kỹ thuật của từng loại nguồn điện này

Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng Trong khi đó các nguồn nhiên liệu như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện thì có hạn, khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời, năng lượng thủy triều, thủy điện nhỏ… là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không chỉ đối với các nước phát triển ngay cả với những nước đang phát triển Trong đó những đóng góp của nguồn điện phân tán đối với việc cung cấp điện năng cho lưới điện quốc gia là không nhỏ Dưới đây là một số loại nguồn phân tán và khả năng phát triển của chúng ở nước ta hiện nay

1.1.2 Các loại nguồn phân tán – nguồn năng lƣợng mặt trời[NLTT]

1.1.2.1 Năng lượng gió

Gió là nguồn năng lượng sạch, không tạo ra chất thải, không sinh ra SO2 ,CO2

…Gió không cần “nguyên liệu”, nó gần như vô tận, chỉ phải tốn kém cho việc đầu

tư thiết bị ban đầu Vì thế, các công nghệ tiến bộ mới cho thấy năng lượng gió sẽ có thể trở thành nguồn năng lượng quan trọng trong những thập kỷ tới Chi phí sản xuất điện từ năng lượng gió ngày càng giảm nhờ các tuabin cải tiến Sử dụng năng lượng gió không gây ra các vấn đề về môi trường

Tiềm năng gió tại Việt Nam không bằng các nước châu Âu, song so với Đông Nam Á thì lại có tiềm năng lớn bởi vì nước ta có bờ biển dài, lại nằm giữa chí

Tuyến và xich đạo, nơi có gió thổi điều hòa nhất: tại bán đảo là 860-1410 kWh/m2

/năm; khu duyên hải là 800–1000 kWh/m2/năm; một số khu vực nội địa 500 – 800kWh/m2/năm Đây là nguồn tiềm năng lớn cung cấp điện cho những khu dân

cư ven biển và hải đảo xa bờ, đáp ứng nhu cầu năng lượng cho dân sự và quân sự Hiện nay có nhà máy điện gió Tuy Phong hoạt động với công suất 120MW ở Bình Thuận sắp phát điện với 5 tuabin với công suất phát 1,5 MW/tuabin Trong tương lai gần có dự án đầu tư xây dựng nhà máy điện gió với công suất 30MW tại Khánh Hòa, dự án điện gió tại đảo Lý Sơn ở Quảng Ngãi và dự án xây dựng 20 cột gió với tổng công suất 15MW tại Quy Nhơn

Tính đến cuối năm 2003 Việt Nam đã có khoảng 1300 máy phát điện gió phát điện cỡ gia đình (công suất từ 150W đến 200 W) đã được lắp đặt sử dụng, chủ yếu

ở các vùng ven biển từ Đà Nẵng trở vào

1.1.2.2 Năng lượng mặt trời (NLMT)

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất, đang được con người đặc biệt quan tâm Việt Nam là nước có tiềm năng về NLMT tương đối cao Thiết bị sử dụng NLMT ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm có gương phản xạ và đặc biệt là hệ thống cung cấp nước nóng kiểu tấm phẳng hay kiểu ống có cánh nhận nhiệt Nhưng nhìn chung các thiết bị này giá thành còn cao, hiệu suất còn thấp nên chưa được sử dụng rộng rãi

- Giá thành thiết bị còn cao: vì hầu hết các nước đang phát triển và kém phát

triển là những nước có tiềm năng rất lớn về NLMT nhưng để nghiên cứu và ứng dụng NLMT lại đòi hỏi vốn đầu tư rất lớn, nhất là để nghiên cứu các thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí bằng NLMT cần chi phí quá cao so với thu nhập của người dân các nước nghèo

- Hiệu suất thiết bị còn thấp : nhất là các bộ thu NLMT dùng để cấp nhiệt cho

máy lạnh hấp thụ cần nhiệt độ cao trên 850C thì các bộ thu phẳng đặt cố định bình thường có hiệu suất rất thấp, do đó thiết bị lắp đặt còn cồng kềnh chưa phù hợp với nhu cầu lắp đặt và thẩm mỹ

- Việc triển khai ứng dụng thực tế còn hạn chế: về mặt lý thuyết, NLMT là

nguồn năng lượng sạch, rẻ tiền và tiềm tàng, nếu sử dụng nó hợp lý sẽ mang lại lợi ích kinh tế và môi trường rất lớn Nhưng trong thực tiễn, các thiết bị sử dụng NLMT lại có quá trình làm việc không ổn định và không liên tục, hoàn toàn biến động theo thời tiết, vì vậy rất khó ứng dụng ở quy mô công nghiệp

Các ứng dụng NLMT phổ biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau: pin mặt trời, nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT, các thiết bị sấy bằng NLMT, bếp nấu dùng NLMT, thiết bị chưng cất dùng NLMT, động cơ Stirling chạy bằng NLMT, thiết bị đun nước nóng bằng NLMT, thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT

Trong đó, pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp đặt bất kỳ đâu có ánh sáng mặt trời đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là các nước phát triển

Hiện nay có bốn ứng dụng của hệ thống pin mặt trời:

- Mạng cục bộ không nối lưới: Cung cấp điện cho việc chiếu sáng, làm lạnh và

các phụ tải khác cho các hộ gia đình cách ly ở các vùng hẻo lánh trên toàn thế giới, đặc biệt là ở các nước phát triển(những nước có những công nghệ rất thích hợp để đáp ứng nhu cầu điện cho người dân ở khu vực hẻo lánh, cách xa đường điện)

- Mạng điện toàn cục không nối lưới: Hệ thống pin mặt trời được lắp đặt trên

mặt đất, cung cấp điện cho các ứng dụng trong phạm vi rộng như truyền hình, bơm nước, hệ thống làm lạnh Vacin, các hỗ trợ về hàng hải, tín hiệu cảnh báo của hàng không và thiết bị ghi của khí tượng

- Nối lưới phân tán: Cung cấp điện cho các khu nhà ở, tòa nhà thương mại và

công nghiệp với công suất khoảng 0,4 – 100 kW Khi nhu cầu điện của phụ tải nhỏ hơn sản lượng điện do hệ thống phát ra, hệ thống sẽ cung cấp điện trở lại cho mạng lưới điện Hệ thống này được lắp đặt tại vị trí sử dụng nên tổn thất đường dây

nhỏ.So với mạng không dây, chi phí của hệ thống này thấp hơn, hiệu suất cao hơn

và sự ảnh hưởng tới môi trường ít hơn

- Nối lưới tập trung: Được lắp đặt với hai mục đích chính là nhằm thay thế các

nhà máy điện hạt nhân hoặc nhà máy điện sử dụng mạng lưới phân phối Một số nước đang ứng dụng như: Đức, Italia, Nhật Bản, Tây Ban Nha, Thụy Sĩ, Mỹ Ở Việt Nam pin mặt trời được nghiên cứu và triển khai ứng dụng muộn nhất

1.1.2.3 Nhà máy thủy điện nhỏ

Trong những năm gần đây, việc biến đổi khí hậu, dâng cao mực nước biển, tình trạng bùng nổ dân số và phát triển kinh tế làm cho vấn đề năng lượng ngày càng trở nên cấp bách Việc khai thác sử dụng thủy điện nhỏ và các nguồn năng lượng tái tạo là rất cần thiết, mặc dù dạng năng lượng này phân tán và không dễ khai thác Việt Nam là đất nước dồi dào nguồn thủy điện nhỏ và các nguồn năng lượng tái tạo, nhưng đến nay vẫn còn khai thác ít Dự kiến Viêt Nam sẽ phấn đấu để tỷ lệ năng lượng thủy điện nhỏ và các nguồn năng lượng tái tạo chiếm khoảng 3% tổng công suất điện năng tới năm 2010 và 6% vào năm 2030

Có nhiều loại tuabin khác nhau được sử dụng trong nhà máy thủy điện nhỏ như

là Pelton, Turgo, Crossflow, Francis và Kaplan.Mỗi loại được sử dụng với một độ cao mặt nước khác nhau để đảm bảo tốc độ quay thích hợp của tuabin máy phát Nguồn 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 chủ yếu 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

Một số đặc tính 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 điện phụ thuộc rất lớn vào lưu lượng nước trên sông theo mùa, theo thời điểm trong ngày

1.1.2.4 Năng lượng thủy triều và sóng

Năng lượng thủy triều hay điện thủy triều là năng lượng điện thu được từ năng lượng chứa trong khối nước chuyển động do thủy triều Hiện nay một số nơi trên thế giới đã triển khai hệ thống máy phát điện sử dụng năng lượng thủy triều Đặc biệt ở Việt Nam, có hai vùng có biên độ thủy triều đủ lớn là Quảng Ninh và Trà Vinh

Sóng đại dương sinh ra do gió, gió gây ra bởi mặt trời (chuyển động bởi các khối khí do chênh lệch nhiệt độ….) Vì vậy năng lượng sóng được xem như gián tiếp của NLMT Giống như các dòng nước chảy khác, năng lượng sóng có khả năng làm quay tuabin phát điện Công nghệ khai thác năng lượng sóng biển, nhằm góp phần hạn chế tối đa sự phát khí CO2vào môi trường sống Nhiều quốc gia đã có nhà máy điện dùng năng lượng sóng biển Việc này có thể áp dụng tốt ở vùng biển nước ta,theo số liệu khảo sát của Viện Năng lượng,Viện Khoa học công nghệ Việt Nam

1.1.2.5 Năng lượng địa nhiệt:

Năng lượng địa nhiệt là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong lòng Trái Đất Năng lượng này có nguồn gốc từ sự hình thành ban đầu của hành tinh, từ hoạt động phân hủy phóng xạ của các khoáng vật, và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ tại

bề mặt Trái Đất Có khoảng 10 GW công suất điện địa nhiệt được lắp đặt trên thế giới đến năm 2007, cung cấp 0,3% nhu cầu điện toàn cầu Thêm vào đó, 28 GW công suất nhiệt địa nhiệt trực tiếp được lắp đặt phục vụ cho sưởi, spa, các quá trình công nghiệp, lọc nước biển và nông nghiệp ở một số khu vực

Khai thác năng lượng địa nhiệt có hiệu quả về kinh tế, có khả năng thực hiện và thân thiện với môi trường, nhưng trước đây bị giới hạn về mặt địa lý đối với các khu

vực gần các ranh giới kiến tạo mảng Các tiến bộ khoa học kỹ thuật gần đây đã từng bước mở rộng phạm vi và quy mô của các tài nguyên tiềm năng này, đặc biệt là các ứng dụng trực tiếp như dùng để sưởi trong các hộ gia đình Các giếng địa nhiệt có khuynh hướng giải phóng khí thải nhà kính bị giữ dưới sâu trong lòng đất, nhưng sự phát thải này thấp hơn nhiều so với phát thải từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch thông thường Công nghệ này có khả năng giúp giảm thiểu sự nóng lên toàn cầu nếu nó được triển khai rộng rãi

1.1.2.6 Điện sinh khối (Biomass)

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, vỏ sơ bắp…) phế phẩm lâm nghiệp(lá khô,vụn gỗ…), giấy vụn, mêtan từ các bãi chôn lấp, trạm sử lý nước thải, phân từ các trại chăn nuôi gia súc, gia cầm Quá trình chính để chuyển sinh khối thành điện năng là dùng kỹ thuật đốt trực tiếp sinh khối tạo ra nhiệt lượng cho các tuabin hơi Ngoài ra còn có các kỹ thuật cung cấp điện năng sinh khối khả dụng khác đang phát triển như kỹ thuật nhiệt phân

và khí hóa

Tại Việt Nam, một nhà máy chế biến rác thành điện năng đầu tiên khởi công xây dựng tại khu Gò Cát, Tân Bình, T.P Hồ Chí Minh Nhà máy này được xây dựng với vốn 260 tỷ đồng, trong đó vốn viện trợ của Chính phủ Hà Lan là 65% Nhà máy có

ba tổ máy phát điện, công suất 2400kW Nhà máy bắt đầu chạy ổn định một tổ máy

và phát điện lên lưới quốc gia 530kW

Trong đề tài này, phạm vi nghiên cứu liên quan đến nguồn điện năng lượng mặt trời Như chúng ta đã biết nguồn năng lượng mặt trời đang phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây vì nó là nguồn năng lượng sạch và vô tận, không gây ô nhiễm cho môi trường, yên tĩnh và không gây nguy hiểm cho con người Ngoài ra, đây là nguồn năng lượng dễ cài đặt trong các tòa nhà Hiện nay nguồn PV trên thế giới đang phát triển rất nhanh

Hình 1.1: Nhà máy điện PV trên thế giới

Nhìn vào hình 1.1, ta thấy công suất nguồn NLMT kết nối vào lưới điện phân

phối của các nước trên thế giới có tốc độ phát triển rất nhanh chóng, năm 2004 chỉ khoảng 3,7GW nhưng đến năm 2014 là 177GW, hàng năm thì nguồn NLMT cung cấp cho lưới điện trên toàn thế giới khoảng 25TWh [EPIA_10] Trong giai đoạn từ năm 20042009 nguồn NLMT cũng đang phát triển, đặc biệt là giai đoạn từ năm

20102014 chúng ta thấy tốc độ phát triển nguồn NLMT là rất lớn và có sự nhảy vọt giữa các năm, bình quân hàng năm công suất nguồn NLMT tăng khoảng 30GW[REN21]

Hình 1.2: Top 10 quốc gia hàng đầu thế giới trong việc khai thác, sử dụng năng

lượng mặt trời

Nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng cao cũng như xây dựng một chiến lược phát triển bền vững, giảm thiểu tác hại của ô nhiễm môi trường, các quốc gia đang phát triển nhanh chóng gia tăng đầu tư vào phát triển năng lượng tái tạo với

mức tăng 36% lên 131,3 tỷ USD Như trên hình1.2, Đức đang là quốc gia dẫn đầu

trong việc khai thác sử dụng năng lượng mặt trời với cam kết mạnh mẽ cho việc khai thác sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo Tính đến năm 2014, công suất lắp đặt NLMT của quốc gia này đạt hơn 38GW Đức đang hướng đến mục đích sản xuất 100% sản lượng điện từ các nguồn năng lượng tái tạo vào năm 2050

Trung Quốc là quốc gia đầu tư vào năng lượng tái tạo lớn nhất trong năm 2014 với mức tăng 10,6 GW khoảng 39% so với năm 2013 với mức đầu tư 83,3 triệu USD Các quốc gia như Brazil, Ấn Độ và Nam Phi nằm trong tốp 10 nước đầu tư hàng đầu,với mức đầu tư lần lượt là 7,6 tỷ USD; 7,4 tỷ USD và 5,5 tỷ USD Bên

cạnh việc mở rộng lắp đặt hệ thống NLMT, Trung Quốc đang lên kế hoạch sẽ lắp đặt trạm năng lượng mặt trời khổng lồ trên quỹ đạo, ở độ cao 36.000 km so với mặt đất vào năm 2050 “Tổng diện tích các tấm pin năng lượng mặt trời sẽ trải rộng 5-6

km2”

Nhật Bản là quốc gia đứng thứ ba về đầu tư cho năng lượng xanh với 35,7 triệu USD, từ năm 20132014 tăng lên 9,7 GW, với những chính sách làm giảm thuế cho các dự án năng lượng tái tạo Đầu năm 2014 tập đoàn Kyocera của Nhật Bản cho biết sẽ xây dựng một mái nhà dựa trên 50.000 module thu năng lượng mặt trời nổi trên mặt hồ chứa của tập đoàn Yakamura, ước tính tạo ra hơn 15,6 MWh mỗi năm, đủ cung cấp điện cho 4.700 hộ gia đình

Năng lượng mặt trời là mô hình hiệu quả mà Việt Nam có thể áp dụng nhằm giảm bớt nhu cầu về năng lượng, nhất là trong tình hình thiếu điện và giá xăng ngày càng nên cao như hiện nay.Việt Nam hiện nay có nhiều lợi thế, với nhiều tiềm năng của các nguồn năng lượng chưa được khai thác, có mạng lưới điện quốc gia đến nhiều địa phương, có kiến thức và kinh nghiệm về kỹ thuật Điều mà Việt Nam cần hiện nay là một chính sách phù hợp để ứng dụng và phát triển những nguồn năng lượng này trong tương lai

1.2 Ảnh hưởng qua lại giữa hệ thống lưới điện phân phối và hệ thống năng lượng mặt trời

Như chúng ta đã biết nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất, nguồn năng lượng mặt trời thường có công suất nhỏ nên được nối trực tiếp vào lưới phân phối Với việc nguồn NLMT phát triển ngày càng nhiều nên việc hệ thống năng lượng mặt trời kết nối vào lưới phân phối cần được quan tâm Việc kết nối nguồn NLMT vào lưới điện lại gây ra những những ảnh hưởng qua lại

lẫn nhau

1.2.1 Ảnh hưởng của hệ thống năng lượng mặt trời đối với lưới điện

Trong lưới điện truyền thống, lưới điện phân phối thường là lưới điện thụ động, nghĩa là trên lưới điện được thiết kế không có nguồn điện kết nối vào và khi thiết kế lưới điện phân phối ta coi dòng công suất chạy theo một chiều từ hệ thống về các

phụ tải lưới điện Khi kết nối các nguồn phân tán vào lưới điện, trào lưu công suất

và điện áp không chỉ bị tác động bởi phụ tải mà còn bởi các nguồn phân tán.Vì vậy, với các đặc tính kỹ thuật đặc trưng, khi kết nối hệ thống năng lượng mặt trời vào

lưới điện phân phối sẽ dẫn đến một số vấn đề về kỹ thuật như sau[LV_BKHN]:

1.2.1.1 Tổn thất công suất trên lưới

Hệ thống NLMT kết nối vào lưới điện phân phối sẽ tác động đến tổn thất công suất trên lưới Nếu hệ thống NLMT đặt giữa nguồn cấp điện và phụ tải sẽ làm giảm công suất truyền tải từ nguồn tới vị trí đặt NLMT do đó làm giảm tổn thất công suất trên đoạn lưới này Hoặc khi phụ tải tăng cao thì sự xuất hiện của NLMT 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 lưới phân phối đến phụ tải, trong lưới phân phối thì nguồn đó thường là các trạm biến áp trung gian

Hệ thống NLMT 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 ) Nếu nguồn NLMT được kết nối ở các vị trí gần trung tâm các phụ tải tại chỗ sẽ giúp chúng ta giảm được tổn thất trên lưới điện, bởi vì dòng công suất không phải truyền

đi xa Tuy nhiên vị trí đặt các nguồn NLMT lại phụ thuộc vào các nguồn năng lượng sơ cấp, vì vậy không phải lúc nào ta cũng có thể kết nối vào các vị trí đủ xa trung tâm phụ tải Do đó nếu nguồn NLMT được kết nối vào các vị trí đủ xa trung tâm phụ tải, thì không những không làm giảm được tổn thất trên lưới điện mà nguồn NLMT còn làm tăng tổn thất công suất trên lưới điện Trong thực tế thì vị trí của NLMT được xác định để cho khi đó tổn thất trên lưới là nhỏ hơn trước khi có NLMT Việc xác định vị trí đặt tối ưu và công suất NLMT, 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 NLMT ở những khu vực có mật độ phụ tải cao hơn

1.2.1.2 Vấn đề về điện áp của lưới điện

Sự kết các nguồn NLMT vào lưới sẽ làm ảnh hưởng đến điện áp và các thiết bị điều chỉnh điện áp trên lưới Điện áp thay đổi theo công suất tác dụng và công suất

phản kháng bơm vào lưới của hệ thống NLMT Đặc biệt, trong trường hợp khi ánh nắng mặt trời chiếu mạnh nhưng công suất tiêu thụ của phụ tải thấp, điều này sẽ làm điện áp của một số nút trên lưới điện vượt quá điện áp cho phép

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

Để giữ cho điện áp của lưới điện trong giới hạn cho phép, người ta thường sử dụng các bộ điều chỉnh điện áp dưới tải và bộ điều khiển của nó để giữ cho điện áp tại một số điểm nhất định trên lưới điện trong phạm vi cho phép(đó thường là những điểm có sụt áp lớn nhất trong lưới điện) Nếu có nguồn NLMT được kết nối vào đường dây, thì bộ điều chỉnh điện áp dưới tải có thể đưa được quyết định điều chỉnh sai dẫn đến hiện tượng quá điện áp trong lưới điện

Bộ điều chỉnh điện áp thường được sử dụng các dòng điện đo được ở đầu đường dây để tính toán điện áp tại các điểm nhất định trên lưới điện, từ đó có các quyết định điều chỉnh điện áp Trước đây bộ điều chỉnh điện áp làm việc với các lưới điện hình tia, không có các nguồn điện trên đường dây Dòng điện trên lưới điện được giả thiết chạy theo một hướng, từ đầu đường dây đến cuối đường dây Do việc kết nối nguồn NLMT vào lưới điện sẽ dẫn đến dòng điện đo được ở đầu đường dây nhỏ hơn so với dòng điện thức tế chạy trên đường dây Điều này có thể dẫn đến các quyết định điều khiển điện áp sai của bộ điều chỉnh điện áp

1.2.1.3 Vấn đề hòa đồng bộ

Trong hầu hết các trường hợp việc hòa đồng bộ nguồn NLMT chỉ được tiến hành

ở vị trí đặt các nguồn NLMT.Khi máy cắt ở đường dây bị cắt ra khỏi nguồn NLMT nên được tách ra khỏi lưới điện Nhưng khả năng nguồn NLMT không đáp ứng được các phụ tải tại chỗ là tương đối cao, nên nó đã được ngắt ra bởi các thiết bị kết

nối Tuy nhiên nếu nguồn NLMT có khả năng đáp ứng các phụ tải tại chỗ, nghĩa là

có khả năng hoạt động cô lập lưới điện đã bị tách ra khỏi hệ thống, thì việc đóng lưới điện trở lại hệ thống là một vấn đề cần được quan tâm Vì có khả năng xảy ra trường hợp đóng hai lưới điện không đồng bộ với nhau, trong trường hợp như vậy thì máy cắt ở đầu đường dây sẽ không được phép đóng lại Ta cần một hệ thống kiểm tra để ngăn chặn điều này, hệ thống này sẽ kiểm tra các điều kiện hòa đồng bộ hai lưới điện sẽ nhanh hơn nếu ta có một hệ thống trao đổi thông tin giữa nguồn NLMT và trạm biến áp khu vực

1.2.1.4 Chất lượng điện năng

Tùy thuộc vào mức độ đóng góp năng lượng của nguồn NLMT vào mạng lưới phân phối và công nghệ được sử dụng cho quá trình biến đổi năng lượng mà chất lượng cung cấp điện của mạng lưới phân phối có thể bị ảnh hưởng.Sự giảm sút chất lượng điện năng cung cấp có thể ảnh hưởng đến việc đấu nối của các lưới sử dụng (lấy điện từ mạng phân phối) và ngăn cản bộ phận quản lí điều khiển mạng lưới phân phối đạt được các mục tiêu mong muốn Tác động của hiện tượng này phụ thuộc rất lớn vào năng lượng ngắn mạch có tại điểm kết nối của nguồn NLMT và do

đó trên các đường dây “yếu”, số lượng nguồn NLMT kết nối vào mạng lưới có thể

bị hạn chế Tác động cũng phụ thuộc vào công nghệ được sử dụng, đặc biệt là cho việc kết nối với mạng đường dây: ví dụ, hệ thống kết nối sử dụng một giao diện điện tử có thể giúp để giới hạn hoặc ngay cả việc ngăn ngừa sự nhấp nháy hoặc dao động điện áp nhưng nó có thể mang một số rủi ro do việc nhiễm các sóng hài Sự dao động của năng lượng được cung cấp bởi nguồn NLMT, biến đổi năng lượng và

sự biến đổi năng lượng bằng các thiết bị điện tử công suất có thể gây ra[EPU]:

1.2.1.5 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 lưới điện, còn được cung cấp năng lượng từ hệ thống NLMT 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 đương sẽ làm tăng vốn đầu tư của lưới điện Điều đó sẽ dẫn tới các bài toán về mặt kinh tế khi kết nối hệ thống NLMT vào lưới điện

1.2.1.6 Mất tính ổn định của lưới điện phân phối

Sự mất ổn định trong chế độ quá độ thông thường không phải là một vấn đề đối với các nguồn NLMT được kết nối vào lưới điện phân phối Tuy nhiên nếu nguồn NLMT được kết nối vào lưới điện phân phối thông thường thông qua một đường dây quá dài và có hệ thống bảo vệ với khoảng thời gian tác động đủ lâu có thể dẫn đến các mất ổn định trong chế độ quá độ đối với nguồn NLMT Càng có nhiều máy phát nối song song vào lưới điện càng có thể dẫn đến các nguy cơ mất ổn định hơn

Ta cần nghiên cứu ổn định của lưới điện một cách cẩn thận để quyết định có cần phải thêm các bảo vệ vào hệ thống, bảo vệ của nguồn NLMT vào lưới điện khỏi chế

độ mất ổn định Hệ thống bảo vệ của nguồn NLMT khỏi chế độ không ổn định không chỉ cần quan tâm đến các chế độ mất ổn định của bản thân nguồn NLMT, mà

còn cần quan tâm đến cả chế độ mất ổn định trên lưới phân phối do các nguồn điện lân cận gây ra

Việc kết nối nguồn NLMT vào lưới điện, ngoài những ảnh hưởng của hệ thống NLMT đối với lưới điện như đã nêu ở trên thì cũng có những ảnh hưởng của lưới điện đến hệ thống NLMT

1.2.2 Ảnh hưởng của lưới điện đến hệ thống năng lượng mặt trời

1.2.2.1 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 máy phát NLMT, 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 suy giảm mạnh có thể do sự cố ngắn mạch gây ra

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

sự cố xảy ra trong mạng lưới có thể gây ra ngừng hoạt động tạm thời của NLMT

1.2.2.2 Phát sinh nhiễu động và sóng hài bậc cao trong lưới điện

Khi kết nối nguồn NLMT một chiều vào lưới điện phân phối, ta sử dụng các bộ biến đổi từ một chiều sang xoay chiều, điều này sẽ tạo ra các song hài bậc cao trong lưới điện Nếu sử dụng quá nhiều các bộ biến đổi trong lưới điện có thể dẫn tới phát nóng quá mức cho phép trong các máy biến áp hay các máy phát điện do sóng hài bậc cao gây ra Do đó ta cần tính toán số lượng các bộ biến đổi trong lưới điện bao nhiêu thì sóng hài bậc cao trong lưới điện vẫn ở trong mức cho phép

Ngoài ra số lượng nguồn NLMT kết nối vào lưới điện phân phối lớn hoặc công suất nguồn NLMT kết nối vào lưới phân phối lớn, thì các dao động nhỏ (nhiễu động) cũng là một vấn đề với lưới điện phân phối Sự tác động qua lại giữa nguồn NLMT và các chỉnh định điều khiển không chính xác có thể là nguyên nhân dẫn đến nhiễu động trong lưới điện

1.2.2 3 Tính ổn định và khả năng của DG để chống chịu các nhiễu loạn

Sự ổn định của các bộ nghịch lưu (inveter) của hệ thống NLMT và khả năng của

nó để chống chịu các nhiễu loạn trở thành một vấn đề ngày càng quan trọng Khi các nhiễu loạn xuất hiện trên mạng lưới (ngắn mạch, đường dây quan trọng hỏng hóc, sụt áp, sự cố gây đến sự hỏng hóc của máy phát hoặc các biến động của các tải quan trọng), có thể dẫn tới việc mất mát, hỏng hóc của các nguồn NLMT và gây ra

sự mất mát của nguồn nuôi cho mạng lưới Tùy vào lượng mất mát của các DG, tình trạng mạng lưới đường dây có thể xấu hơn và trong một số trường hợp có thể dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng về ổn định Trong các tiêu chuẩn kết nối của mạng lưới phân phối, các yêu cầu thường xuyên nhắm tới khả năng của DG để vận hành trong một dải điện áp và tần số nhất định mà có thể xuất hiện trong điều kiện suy giảm tính ổn định của mạng lưới

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 hệ thống NLMT cùng với cấp điện

áp hệ thống trước khi sự cố Công suất của nguồn NLMT ngày càng lớn, mức độ ảnh hưởng ngày càng cao

1.2.2.4 Các cấp điện áp

Các cấp điện áp định mức của lưới điện là một thông số quan trọng trong việc thiết và vận hành hệ thống NLMT Đây còn là thông số cơ bản để lựa chọn tiểu chuẩn cho các loại bảo vệ kết nối phù hợp với hệ thống NLMT thiết kế

1.2.3 Hành vi của năng lƣợng mặt trời khi gặp hiện tƣợng sụt áp

Trong phần 1.2.1 và phần 1.2.2, chúng ta đã có một cái nhìn tổng quát về sự tương

tác qua lại giữa hệ thống NLMT và lưới điện phân phối Các hệ thống NLMT kết nối vào lưới có thể gây ảnh hưởng đến sự ổn định của lưới điện Mặt khác, cấu trúc lưới điện, chế độ vận hành, các nhiễu loạn gây ra bởi các sự cố là nguồn gốc làm cho hệ thống NLMT hoạt động không chính xác và gây ra sự ngắt kết nối, vì vậy đã

có rất nhiều bài báo nghiên cứu đến các ảnh hưởng này và đã đề ra các giải pháp nhằm cải thiện việc kết nối hệ thống NLMT vào lưới điên phân phối

Đề tài này cũng nằm trong bối cảnh trên nhưng phạm vi nghiên cứu được giới hạn bởi hệ thống NLMT kết nối vào lưới phân phối trung áp khi gặp hiện tượng sụt

áp trên lưới điện (gây ra bởi sự cố ngắn mạch)

Trong lưới điện, điện áp được biến đổi theo thời gian và phụ thuộc vào phụ tải hay gặp sự cố ngắn mạch Hệ thống quá tải hay sự cố ngắn mạch gây ra một hố điện

áp và thời gian kéo dài phụ thuộc vào đặc điểm lưới điện và các nguồn điện kết nối vào lưới Hiện nay, việc nghiên cứu hoạt động của hệ thống NLMT khi gặp hiện tượng sụt áp và việc giữ kết nối hệ thống NLMT khi gặp các nhiễu loạn gây ra bởi các sự cố đã có rất nhiều bài báo trên thế giới viết về vấn đề này, và các bài báo này chỉ ra rằng các bộ nghịch lưu (inverter) của hệ thống NLMT rất nhạy cảm với các

hố điện áp dẫn đến việc ngắt kết nối hàng loạt hệ thống NMMT ra khỏi lưới

Trong luận văn này, khi nghiên cứu và phân tích hành vi của hệ thống NLMT khi gặp hố điện áp, tác giả còn xét đến các yếu tố ảnh hưởng đến sự hoạt động của

hệ thống NLMT (cấu trúc bộ inverter và hệ thống điều khiển, vị trí và loại ngắn mạch- ba pha , hai pha chạm đất,hai pha, một pha chạm đất), cấu trúc lưới điện (lưới phân phối thành thị, hệ thống bảo vệ lưới điện, hệ thống bảo vệ kết nối của hệ thống NLMT) Bên cạnh đó, tác giả còn chỉ ra cụ thể một số ngắt kết nối không mong muốn của hệ thống năng lượng mặt trời ra khỏi lưới

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT

NỐI VÀO LƯỚI PHÂN PHỐI

Việc hệ thống hóa và mô hình hóa giữ vai trò quan trọng trong các nghiên cứu

mô phỏng hệ thống NLMT kết nối vào lưới điện khi gặp hiện tượng sụt áp Một mô hình tổng thể sẽ mô tả các phần tử để phục vụ cho việc nghiên cứu đề tài này gồm :

- Lưới phân phối trung áp 22kV

- Hệ thống bảo vệ lưới phân phối

- Hệ thống năng lượng mặt trời

- Hệ thống bảo vệ kết nối

Tất cả các mô phỏng này sẽ được thực hiện bằng phần mềm Matlab Simulink Trong phạm vi nghiên cứu đề tài này tác giả chủ yếu sử dụng khối chức năng

SimPowerSystems là khối chức năng ứng dụng của Simulink trong lĩnh vực mô

phỏng hệ thống điện [SPS] Khối chức năng này cung cấp cho chúng ta các linh kiện, các thiết bị cần thiết để lắp ráp một hệ thống điện Ngoài ra chúng ta cũng có thể tạo ra các khối riêng để phục vụ cho công việc lập trình của mình.Sau đây chúng

ta sẽ tìm hiểu về các khối chức năng cơ bản này

- Thư viện Electrical Sources: Trong thư viện này cung cấp cho chúng ta các

nguồn điện thường sử dụng trong hệ thống điện như: Nguồn áp xoay chiều, một chiều, các loại nguồn có thể điều khiển được…

- Thư viện Applicatoion Libraries: Trong thư viện này chứa các khối ứng dụng

của ngành điện như: máy phát điện sử dụng năng lượng gió, hệ thống sử dụng điện

tử công suất FACTS…

- Thư viện Extra Library : Trong thư viện này cung cấp cho người sử dụng một

số công cụ cần thiết trong việc điều khiển hệ thống điện

- Thư viện Machines: Trong thư viện này cung cấp cho chúng ta một số loại máy

điện như: động cơ đồng bộ một pha hay ba pha, động cơ bước, tuabin máy phát…

- Thư viện Elements: Đây là thư viện cung cấp cho chúng ta các thiết bị trong hệ

thống điện như : máy cắt, dường dây truyền tải, hệ thống nối đất, các loại tải…

- Thư viện Powergui: Đây là một giao diện mô phỏng để tính toán các bài toán

trong hệ thống điện như: xác lập cấu hình của hệ thống, tính phân bố công suất và khởi động động cơ, phân tích chuỗi Fourier…

- Thư viên Measurements: Thư viện này cung cấp cho ta các thiết bị đo thông

dụng trong hệ thống điện như: Máy đo dòng, đo áp, đo điện kháng, máy đo dòng điện điện áp ba pha, thiết bị đo đa năng…

- Thư viện Power Electronics: Đây là một công cụ hỗ trợ cho việc mô phỏng các

vấn đề của hệ thống điện sử dụng cacslinh kiện điện tử công suất như: IGBT, Mosfet, Thyristor, IGBT/Diode, GTO Dioed, Three- Level Bridge…

2.1 Lưới phân phối và hệ thống bảo vệ

2.1.1 Tổng quan về hệ thống điện:

Hệ thống điện là một dây chuyền sản xuất và truyền tải năng lượng điện có quy

mô rất lớn, về cả không gian địa lý cũng như số lượng phần tử trong hệ thống điện Điện năng được sản xuất tại các nhà máy điện, qua lưới điện truyền tải với điện áp cao và công suất lớn, sau đó qua các máy biến áp hạ áp để đưa xuống lưới điện phân phối với cấp điện áp thấp hơn để cung cấp cho các phụ tải dùng điện Về cơ bản, có thể chia một hệ thống điện thành các khâu như sau[LUOI_TB]:

- Phát điện: Tại các nhà máy điện, các dạng năng lượng sơ cấp (than, dầu đối với

các nhà máy nhiệt điện, nước đối với các nhà máy thủy điện, gió đối với phong điện,…) được biến đổi thành năng lượng điện thông qua hệ thống tua bin và máy phát điện Do đặc điểm các nhà máy phát điện thường ở gần với nơi có nguồn năng lượng sơ cấp nên rất xa so với các phụ tải điện, do đó cần có khâu truyền tải điện có công suất lớn và điện áp cao Điện áp đầu cực của các tổ máy phát điện thường thấp (15kV, 18kV,…), do đó cần nâng cao điện áp qua các máy biến áp tăng áp đầu cực trước khi kết nối với lưới điện truyền tải

- Truyền tải: Theo thông tư 12/2010/TT-BCT[TT12] quy định về lưới điện

truyền tải thì hệ thống điện truyền tải bao gồm tất cả các đường dây, trạm biến áp có cấp điện áp 220kV, 500kV và cấp điện áp 110kV có chức năng truyền tải để tiếp nhận công suất từ các nhà máy điện vào lưới điện quốc gia Tiếp sau khâu phát điện,

năng lượng điện được đẩy lên lưới điện truyền tải với công suất lớn và điện áp cao Lưới điện truyền tải được kết nối mạch vòng, nhằm mục đích tăng độ tin cậy cung cấp điện và nâng cao tính ổn định hệ thống điện

- Phân phối: Theo thông tư 32/2010/TT-BCT[TT32] quy định hệ thống điện phân

phối bao gồm tất cả các đường dây và trạm biến áp có cấp điện áp 35kV trở xuống

và các đường dây 110kV có chức năng phân phối điện.Sau khi điện năng được truyền tải trên các lưới điện điện áp cao (500kV, 220kV, 110kV), tại các máy biến

áp 110kV điện năng được hạ áp xuống các cấp điện áp thấp hơn 35kV, 22kV, 10kV Sau đó qua các đường dây trung áp này để đưa điện đến nơi gần với phụ tải dùng điện.Tùy thuộc vào điện áp định mức của các phụ tải điện mà tại đây sẽ có các máy

là có máy phát DG (Distributed Generator)bao gồm các nhà máy điện nhỏ, pin mặt

trời PV, phong điện,…

Trong luận văn này, tác giả sẽ trình bày chi tiết về một môhình tổng thể củahệ thống NLMT đấu nối vào một lưới điện phân phối với mục đích để nghiên cứu các hành vi của hệ thống NLMT (bao gồm cả hệ thống rơle bảo vệ) trong một số trường hợp sự cố ở lưới điện trung áp Do đó, trong các mục tiếp theo này tác giả sẽ chỉ trình bày chi tiết về lưới điện phân phối và mô hình của hệ thống NLMT

2.1.2 Lưới điện phân phối

Như đã nói ở trên, tại Việt Nam lưới điện phân phối bao gồm các đường dây và trạm biến áp có cấp điện áp 35, 22, 10, 6, 0.4kV.Mục đích của lưới điện phân phối

là phân phối điện năng từ lưới điện truyền tải, qua các đường dây trung áp để đưa điện đến với các phụ tải điện Theo các văn bản hiện hành về vận hành hệ thống điện hiện nay, quy định ở lưới điện phân phối không được vận hành mạch vòng (chỉ

vận hành mạch tia) và chỉ được kết vòng trong một số trường hợp, nhưng cũng chỉ trong thời gian rất ngắn Do đó mô hình về lưới điện phân phối cũng tương đối đơn giản

Đối với lưới điện phân phối hiện nay, để cung cấp điện cho các phụ tải ở nông thôn vẫn dùng các đường dây trên không, do đó xác xuất sự cố thoáng qua cao, vì vậy mà hệ thống tự động đóng lại (auto recloser) vẫn được sử dụng Tuy nhiên đối với lưới điện phân phối cung cấp điện cho các phụ tải ở thành thị thì các đường dây trên không dần được thay thế bằng cáp ngầm (đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện, mỹ quan đô thị).Theo các quy định hiện hành về vận hành các đường dây có cáp là không được đặt tự động đóng lại đường dây Do đó, việc lựa chọn mô hình lưới điện phân phối (thành thị hay nông thôn) cũng sẽ ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu

Trong luận văn này, tác giả lựa chọn mô hình lưới điện phân phối ở thành thị để

áp dụng cho nghiên cứu của mình trong luận văn:

Hình 2.1: Mô hình lưới điện phân phối được sử dụng trong luận văn

2.1.3 Mô phỏng lưới điện phân phối

Trong phần này, bằng việc sử dụng công cụ Simulink (trong bộ phần mềm

Matlab) tác giả sẽ mô phỏng lưới điện phân phối ở hình 2.1 để quan sát sự làm việc

của hệ thống rơle bảo vệ của nó

Lưới điện trung áp 22kV bao gồm 6 xuất tuyến đường dây trung áp với cấp điện

áp 22kV (từ nhánh_01 đến nhánh_06).Trong đó, các phụ tải ở nhánh_06 được mô

phỏng chi tiết như hình 2.1, các phụ tải của 5 xuất tuyến còn lại được quy thành phụ

tải tương đương ở đầu nhánh

Các thông số của đường dây đồng nhất từ nguồn đến phụ tải, trong Simulink cáp 240mm2 sẽ được mô phỏng bằng khối đường dây 3 pha hình PI Three – Phase PI

section line

Hình 2.2: Mô hình lưới điện mô phỏng bằng phần mềm Matlap Simulink

Lưới điện ba pha bao gồm 53 nút, chiều dài dài nhất của một xuất tuyến là 4784m (nút 43 xa nguồn nhất) Tất cả phụ tải được mô phỏng bằng khối tổng trở

RLC 3 phaThree phase parallel RLC load, các phụ tải nối vào nhánh 6 (nhánh

nghiên cứu) có tổng công suất tác dụng là 4,372 MW, tổng công suất phản kháng là 0,974MWAr Tổng công suất tác dụng của các nhánh còn lại (nhánh 1 đến nhánh 5)

là 7.5MW và tổng công suất phản kháng là 1.5MVAr

Ở nhánh_06, tác giả có đưa vào hai nguồn điện PV được đấu nối vào lưới điện trung áp tại điểm N14 và N30

2.1.4 Hệ thống rơle bảo vệ lưới điện phân phối

Hiện nay, tại Việt Nam có hai hình thức vận hành lưới điện trung áp: Trung tính cách điện và trung tính nối đất Đối với trường hợp vận hành bình thường của hai chế độ này là giống nhau

- Lưới điện trung tính nối đất (cấp điện áp 22kV): Khi sự cố ngắn mạch mộtpha,

dòng ngắn mạch có trị số lớn và rơle quá dòng sẽ đảm bảo độ nhạy để tác động

- Lưới điện trung tính cách điện (cấp điện áp 35kV, 10kV, 6kV): Khi sự cố

chạm đất mộtpha, dòng ngắn mạch qua các bảo vệ có trị số bé và rơle quá dòng sẽ không đủ độ nhạy để tác động Lưu ý đối với lưới điện có trung tính cách đất khi sự

cố một pha chạm đất thì điện áp hai pha còn lại sẽ tăng lên 3 lần so với Uđm, do

đó cần đầu tư cách điện tăng lên để đảm bảo khi có sự cố chạm đất thì không bị phá hỏng cách điện trên hai pha còn lại

Do đó, đối với mỗi cấp điện áp ở trung áp lại có các phương thức bảo vệ khác nhau[BVHTĐ], [GTRL]:

 Lưới điện trung tính nối đất:

Đối với lưới điện trung tính nối đất được trang bị bảo vệ quá dòng, với các chức năng:

- Quá dòng pha: có hai ngưỡng cài đặt: ngưỡng cắt nhanh 0s và ngưỡng cắt có thời gian

- Quá dòng đất: cũng được cài đặt có hai ngưỡng, ngưỡng cắt nhanh 0s và ngưỡng có thời gian

 Lưới điện trung tính cách đất:

Ngoài việc cài đặt chức năng quá dòng pha (dùng để tác động khi có sự cố pha – pha), thì còn được trang bị bảo vệ quá áp thứ tự không để cảnh bảo khi có sự cố chạm đất một pha Do đó trong trường hợp chạm đất một pha thì rơle quá áp thứ tự không sẽ gửi tín hiệu cảnh báo và vẫn cho phép vận hành Trong thời gian mà đơn

vị quản lý vận hành lưới điện vẫn chưa tìm ra điểm chạm đất thì trong thời gian đó

vẫn còn tồn tại điểm sự cố và gây nguy hiểm cho con người cũng như thiết bị gần đấy Do đó, hiện nay vẫn đang thực hiện đề án để xóa bỏ lưới điện trung tính cách đất

Trong nội dung của luận văn tác giả sẽ sử dụng mô hình lưới phân phối 22kV là lưới trung tính nối đất, do đó dưới đây tác giả sẽ trình bày chi tiết về hệ thống bảo

vệ cho lưới điện này:

2.1.4.1 Chức năng bảo vệ quá dòng pha

Nguyên lý bảo vệ dựa vào quá dòng pha là một nguyên lý rất phổ biến và dễ sử dụng Đơn giản nhất có thể nhìn thấy tại các thiết bị hạ áp là cầu chì và aptomat Nguyên lý quá dòng pha rất đơn giản: Có một biến dòng TI đặt tại vị trí thiết bị cần được bảo vệ, từ TI đưa tín hiệu vào rơle quá dòng Tại rơle quá dòng, sẽ phân tích dạng sóng của dòng điện để xác định được độ lớn của thành phần dòng điện 50Hz, nếu độ lớn dòng điện lớn hơn giá trị dòng điện cài đặt Iset, rơle sẽ đếm thời gian và tác động nếu giá trị dòng điện vẫn duy trì lớn hơn giá trị cài đặt sau khoảng thời gian cài đặt tset Sơ đồ khối nguyên lý làm việc của rơle quá dòng như sau:

Hình 2.3: Nguyên lý hoạt động của rơle quá dòng pha

2.1.4.2 Chức năng bảo vệ quá dòng đất

Khác với nguyên lý bảo vệ quá dòng pha, nguyên lý bảo vệ quá dòng đất đặc biệt nhạy với các sự cố chạm đất Trong nhiều trường hợp khi sự cố ngắn mạch mộtpha, dòng ngắn mạch có giá trị tương đối bé và có khi không đủ độ nhạy để tác động thì chức năng quá dòng đất lại có thể tác động Nguyên lý của làm việc của