Nghiên cứu, đánh giá vận hành lưới phân phối điện có các nguồn phân tán (tt)

MỞ ĐẦU Với xu thế phát triển nguồn điện như hiện nay, trong lưới điện phân phối ngày càng xuất hiện nhiều các nguồn điện phân tán công suất nhỏ kết nối vào.. Hệ thống điện Việt Nam cũng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-

NGUYỄN VĂN QUỲNH

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ VẬN HÀNH LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN CÓ CÁC NGUỒN PHÂN TÁN

Chuyên ngành : Thiết bị, mạng & Nhà máy điện

Mã số : 60.52.50

THÁI NGUYÊN - 2013

Luận văn được hoàn thành tại Khoa Sau Đại học, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Cán bộ HDKH : PGS.TS Trần Bách

Phản biện 1 : PGS.TS Võ Quang Lạp

Phản biện 2 : TS Nguyễn Quân Nhu

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn, họp tại Khoa Sau

Đại học, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Vào 17 giờ 30 phút ngày 24 tháng 01 năm 2013

Có thể tìm hiểu Luận văn tại Trung tâm Học liệu - Đại học Thái Nguyên và

MỞ ĐẦU

Với xu thế phát triển nguồn điện như hiện nay, trong lưới điện phân phối ngày càng xuất hiện nhiều các nguồn điện phân tán công suất nhỏ kết nối vào Tỷ trọng điện năng từ các nguồn phân tán trong tổng điện năng của toàn hệ thống điện ngày càng lớn Hệ thống điện Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế đó, với tiềm năng về thủy điện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng mặt trời cao, việc tích hợp các nguồn phân tán vào hệ thống điện hiện có đã nhận được nhiều sự quan tâm sâu sắc

Tuy nhiên, sự xuất hiện của các nguồn phân tán có công suất nhỏ trong hệ thống điện hiện có cũng đặt ra nhiều vấn đề kỹ thuật cần được quan tâm nghiên cứu, nhất là trong lưới điện phân phối Nguyên nhân chính của các vấn đề này là việc lưới điện phân phối hiện có vốn không được thiết kế tích hợp các nguồn phân tán với công suất phụ thuộc nhiều vào yếu tố môi trường Trên lưới điện phân phối khi thiết kế chỉ bao gồm các phụ tải điện, không có các nguồn điện kết nối vào Nếu có nhiều nguồn phân tán được kết nối vào có thể dẫn đến các chế độ vận hành không cho phép cũng như có thể gây hư hỏng cho các thiết bị làm việc trên lưới điện phân phối cũng như hư hỏng chính nguồn điện Đối với những lưới điện cụ thể, khi tích hợp nguồn phân tán cần phải thực hiện những nghiên cứu mô phỏng để nhận biết và đề ra các giải pháp nhằm giải quyết các vấn đề kỹ thuật có thể nảy sinh nhằm đảm bảo kết nối một cách tốt nhất nguồn phân tán vào lưới điên phân phối

Nguồn phân tán khi đấu nối vào lưới điện hiện tại có thể làm nảy sinh các vấn đề kỹ thuật liên quan đến chất lượng điện năng được cung cấp trong lưới, làm giảm độ tin cậy cung cấp điện, giảm hiệu quả truyền tải điện, gây ra quá điện áp cũng như ảnh hưởng tới các thông số bảo vệ

Đề tài trong luận văn được lựa chọn nhằm mục đích tìm hiểu, học tập

và nghiên cứu sự vận hành của lưới phân phối điện khi có các nguồn điện phân tán kết nối vào Vận dụng vào thực tế, dùng phần mềm tính toán lưới điện MATPOWER chạy trong môi trường của MATLAB để tính toán, đánh giá sự ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đến chất lượng điện áp và tổn thất công suất trong lưới điện 22kV của tỉnh Hưng Yên

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

VÀ NGUỒN ĐIỆNPHÂN TÁN 1.1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

1.1.1 Định nghĩa Lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối (LPP) là một phần của Hệ thống điện, làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, các trạm khu vực hay thanh cái của nhà máy điện cấp điện cho phụ tải LPP là khâu cuối

cùng của hệ thống điện đưa điện năng trực tiếp đến người tiêu dùng

1.1.2 Phân loại Lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối gồm hai phần:

- LPP trung áp chủ yếu ở các cấp điện áp 6kV, 10kV, 22kV, 35kV phân phối điện cho các trạm biến áp trung áp/hạ áp và các phụ tải cấp điện

áp trung áp

- LPP hạ áp có cấp điện áp 380/220V cấp điện cho các phụ tải hạ áp

1.1.3 Vai trò của Lưới điện phân phối

LPP làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, trạm

khu vực hay thanh cái của các nhà máy điện cho các phụ tải điện

1.1.4 Các phần tử chính của Lưới điện phân phối

1.1.5 Cấu trúc của Lưới điện phân phối

Cấu trúc của LPP bao gồm cấu trúc tổng thể và cấu trúc vận hành

1.1.6 Đặc điểm của Lưới điện phân phối

LPP được phân bố trên diện rộng, thường vận hành không đối xứng

và có tổn thất lớn Qua nghiên cứu cho thấy tổn thất thấp nhất trên LPP vào

khoảng 4%

1.1.7 Hệ thống phân phối điện tại Việt Nam

1.1.7.1 Tình hình phát triển lưới điện phân phối ở nước ta

Cùng với sự đổi mới và phát triển kinh tế, quá trình phát triển và điện khí hoá của nước ta đã có những thay đổi quan trọng, góp phần thúc đẩy

sự phát triển của các ngành kinh tế, cải thiện mức sống về vật chất và tinh thần cho nhân dân, đặc biệt là nông dân Hiện nay 100% số huyện trong cả

1.1.7.2 Tình hình phát triển phụ tải điện

Theo kết quả nghiên cứu của đề tài KHCN – 0907, “Dự báo nhu cầu phụ tải trong giai đoạn 2000 – 2020” do Viện Chiến lược phát triển, Bộ Kế hoạch và Đầu tư xây dựng với 2 phương án: phương án cao và phương án

cơ sở Trong đó lấy nhịp độ phát triển dân số trong 25 năm (1996 - 2020)

được dự báo bình quân là 1,72%/năm

1.1.8 Kết luận

1.2 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN (DG)

1.2.1 Định nghĩa nguồn điện phân tán

Trong luận văn này, tác giả sử dụng định nghĩa nguồn phân tán như định nghĩa trong tiêu chuẩn IEEE 1547: “Nguồn phân tán là loại nguồn kết nối trực tiếp tới hệ thống phân phối Nguồn phân tán bao gồm máy phát điện và các công nghệ dự trữ năng lượng – Distributed Resource: sources

of electric power that are not directly connected to a bulk power transmisstion system Distributed Resource includes both generators and

energy storage technologies”

1.2.2 Đặc điểm công nghệ nguồn phát điện phân tán

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

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

- Nhóm nguồn năng lượng không tái tạo: Động cơ đốt trong (Diesel),

pin nhiện liệu, tua bin hơi

1.2.3 Một số loại nguồn phát điện phân tán

1.2.3.1 Máy phát điện Diesel

1.2.3.2 Máy phát điện tuabin khí

1.2.3.3 Pin nhiên liệu

1.2.3.4 Nguồn điện mặt trời

1.2.3.5 Máy phát điện tuabin gió

1.2.3.6 Thuỷ điện nhỏ

1.2.3.8 Năng lượng sinh khối

1.2.3.9 Năng lượng địa nhiệt

1.2.4 Hiện trạng và xu hướng phát triển nguồn phân tán tại Việt Nam

1.2.4.1 Hiện trạng phát triển nguồn phân tán tại Việt Nam

Trong những năm gần đây, mối quan tâm về DG tại Việt Nam ngày càng nhiều khi mà nhu cầu về các nguồn phát điện tại chỗ đang gia tăng Những nguồn điện phân tán như: điện gió, điện mặt trời, thủy điện nhỏ,

điện sinh khối, … đang được chú ý quan tâm hơn cả

1.2.4.2 Tiềm năng phát triển nguồn điện phân tán tại Việt Nam

* Tiềm năng năng lượng gió

* Tiềm năng năng lượng mặt trời

* Tiềm năng năng lượng thủy điện nhỏ

* Tiềm năng năng lượng sinh khối

1.2.4.3 Kế hoạc phát triển nguồn phân tán ở nước ta

Dự báo công suất của các nguồn phân tán có tiềm năng ở nước ta tính đến năm 2030 (hình 1.23)

Hình 1.23: Dự báo công suất các nguồn phân tán tại Việt Nam

đến năm 2030

Trước thực trạng đó, việc phát triển các nguồn điện phân tán đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế Tuy nhiên, việc phát triển nguồn điện phân tán sẽ gặp rất nhiều khó khăn về kỹ thuật, đặc biệt việc làm ảnh hưởng tới chất lượng điện năng của hệ thống điện hiện có, vấn đề về công nghệ và kỹ thuật trong việc kết nối DG với lưới điện hiện

có cũng cần được quan tâm

Trong phạm vi của Luận văn, Tác giả đề cập đến vấn đề chính đó là kết nối các DG với lưới điện phân phối Các yêu cầu kỹ thuật và những ảnh hưởng của DG khi kết nối vào lưới điện phân phối

CHƯƠNG 2:

CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT VÀ TIÊU CHUẨN KẾT NỐI NGUỒN

ĐIỆN PHÂN TÁN VỚI LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

2.1 CÁC TIÊU CHUẨN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

Trong phần này sẽ trình bày các tiêu chuẩn chất lượng điện năng đang được sử dụng cho Hệ thống điện Việt Nam, nhằm mục đích nghiên cứu các thông số dự kiến sẽ mô phỏng và đánh giá khi đấu nối nguồn phân

tán vào lưới điện phân phối Việt Nam

2.1.2 Tiêu chuẩn về điện áp

2.1.2.1 Độ lệch điện áp so với điện áp định mức của lưới điện

Độ lệch điện áp là một trong những tiêu chuẩn chất lượng điện áp quan trọng Việc giữ độ lệch điện áp trong phạm vi cho phép đối với mỗi khách hàng của hệ thống điện cũng là một trong những yêu cầu bắt buộc

đối với việc vận hành lưới điện

2.1.2.2 Độ dao động điện áp

Tốc độ biến thiên từ Umin đến Umax không nhỏ hơn 1%/s Dao động điện áp gây dao động ánh sáng, làm hại mắt ngưới lao động, gây nhiễu radio, ti vi và các thiết bị điện tử, … Vì vậy độ dao động điện áp được hạn

chế trong miền cho phép

2.1.2.3 Độ không đối xứng

Điện áp không đối xứng làm giảm hiệu quả công tác và tuổi thọ của các thiết bị dùng điện, giảm khả năng tải của lưới điện và gây tổn thất điện năng

2.2.3.1 Máy cắt của tổ máy phát điện

2.2.3.2 Khả năng phát công suất tác dụng

2.2.3.3 Trong điều kiện vận hành bình thường

2.2.3.4 Các điều kiện để nhà máy điện đấu nối vào lưới điện phân phối

có khả năng cung cấp công suất phản kháng

2.2.5.2 Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp tại điểm đấu nối

2.2.5.3 Vấn đề đỉnh nhọn điện áp bất thường

2.2.6 Nhấp nháy điện áp

2.2.6.1 Mức nhấp nháy điện áp

2.2.6.2 Mức nhấp nháy tại điểm đấu nối

2.3 MỘT SỐ QUY ĐỊNH KỸ THUẬT TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA CÁC QUỐC GIA TRÊN THẾ GIỚI

2.3.1 Tiêu chuẩn kết nối và yêu cầu kỹ thuật của các nước trên Thế Giới

2.3.1.1 Công suất đặt

Khả năng tải của máy biến áp, cáp, dây dẫn, thiết bị chuyển mạch

được sử dụng để xác định mức công suất cực đại của DG mà có thể lắp đặt

2.3.1.2 Cấp điện áp kết nối DG

Do công suất phát hạn chế, DG thường được kết nối với mạng trung

áp và hạ áp Tuy nhiên không có mức giới hạn điện áp cực đại khi kết nối

Để có thể hoà đồng bộ DG với lưới điện, điện áp ra của DG và điện

áp vào của lưới phải có cùng điện áp, tần số, thứ tự pha và góc pha Nếu hội tụ đủ những điều kiện này DG có thể được đưa vào để hoà đồng bô với lưới với mức điện áp dao động nằm trong phạm vi ±5% tại PCC

2.3.2 Quy định đấu nối của hệ thống điện các nước Bắc Âu

Tài liệu tham khảo [19]

2.4 ĐÁNH GIÁ CHUNG VỀ NHỮNG YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI

VỚI NGUỒN PHÂN TÁN

Khi các DG được đấu nối vào lưới điện, chúng sẽ có tác động đáng

kể đến chế độ vận hành của hệ thống điện: chất lượng điện năng, tổn thất điện năng, … do hầu hết các nguồn phân tán đều có công suất hạn chế và công suất phát phụ thuộc nhiều vào các yếu tố địa lý, thời tiết, môi trường,

…

CHƯƠNG 3:

NHỮNG ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN ĐẾN VẬN

HÀNH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 3.1 KHÁI QUÁT CHUNG

Khi DG được kết nối vào lưới phân phối điện nó sẽ đem lại một số ảnh hưởng tích cực đến lưới:

- Giảm tổn thất điện năng;

- Nâng cao độ tin cậy của lưới phân phối điện;

- Nâng cao chất lượng điện áp;

- Giải phóng khả năng tải của lưới phân phối điện;

- Trì hoãn thời gian nâng cấp lưới điện;

- Lắp đặt dễ dàng và nhanh chóng do sản xuất các phần tử theo mô đun;

- Giảm được chi phí do không phải tải điện xa, điện áp cao;

- Thân thiện với môi trường nếu năng lượng tái tạo được sử dụng;

- Dễ vận hành do độ phức tạp thấp

3.2 VẤN ĐỀ TỔN THẤT CÔNG SUẤT TRÊN LƯỚI ĐIỆN

Tuỳ vào vị trí, công suất đặt của DG và cấu trúc của lưới điện mà DG

có tác dụng làm giảm hoặc tăng tổn thất công suất Vị trí đặt của DG được xác định sao cho khi đó tổn thất trên lưới phải nhỏ hơn trước khi có DG Việc xác định tối ưu vị trí đặt và công suất DG, 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 DG ở các khu vực có mật độ phụ tải cao hơn [25]

3.3 CÁC VẤN ĐỀ VỀ ĐIỆN ÁP

DG không điều chỉnh trực tiếp điện áp của LPP nhưng nó có thể làm cho điện áp trên lưới tăng lên hoặc giảm đi phụ thuộc vào loại DG, phương pháp điều chỉnh DG, công suất phát và các thông số của lưới và tải Ảnh hưởng của DG lên sự thay đổi điện áp khi DG chỉ phát công suất tác dụng (cosϕ=1) nhỏ hơn so với khi DG phát hoặc tiêu thụ cả công suất phản kháng

3.3.1 Vấn đề gia tăng điện áp

3.3.2 Mức độ suy giảm nhanh điện áp

3.3.3 Sự dao động điện áp

3.3.4 Mức độ không sin sóng điện áp

3.4 ẢNH HƯỞNG CỦA DG ĐẾN DÒNG ĐIỆN SỰ CỐ VÀ CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ

Vấn đề về bảo vệ là vấn đề cần đặc biệt quan tâm khi kết nối DG vào lưới điện Khi kết nối DG vào lưới điện, trong chế độ sự cố, DG 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

3.4.1 Dòng điện tăng cao trong các trường hợp sự cố

3.4.2 Ảnh hưởng của DG đến sự phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ

3.4.3 Ảnh hưởng của DG đến sự làm việc của thiết bị tự động đóng lại 3.4.4 Biện pháp hạn chế ảnh hưởng của DG trong chế độ sự cố lưới điện

3.5 ẢNH HƯỞNG CỦA DG ĐẾN ĐỘ TIN CẬY CUNG CẤP ĐIỆN

Độ tin cậy của hệ thống phân phối điện là một chỉ tiêu quan trọng trong quy hoạch và vận hành hệ thống Với sự xuất hiện của DG trên lưới,

độ tin cậy cung cấp điện có thể được cải thiện hoặc không Điều đó phụ thuộc vào cấu trúc của lưới điện, vị trí đấu nối, công suất lắp đặt và công

nghệ của DG

3.5.1 Độ tin cậy cung cấp điện

3.5.2 Các hệ số đánh giá độ tin cậy cung cấp điện

3.6 ẢNH HƯỞNG CỦA DG ĐẾN CÁC VẤN ĐỀ VỀ KINH TẾ VÀ MÔI TRƯỜNG

3.7.1 Các hệ số ảnh hưởng của DG tới lưới phân phối điện

3.7.1.1 Tổn thất công suất tác dụng và công suất phản kháng

k k

losses Re

losses Re 1

k k

losses Im

losses Im 1

3.7.1.2 Chất lượng điện áp của lưới điện

1 NN

1 i

k i o

k

0

U

U U

max 1 IVD

1 NN U

U U

max 1

IVR

1 NN 1 i

min k i

min k i k

(3.28)

3.7.1.3 Khả năng tải của dây dẫn

NL

1 m m

k m m

k m k

CCn

n J , CC

J max 1 IC

k SCabc

0 SCabci

k SCabci k

*

*

I I I

I max 1 3

ISC = −   (3.30)

0 SC

k SC

0 SC

k SC k

*

* i i

I I I

I max 1 1 ISC

3.7.2 Đánh giá bằng hệ số đa mục tiêu

IMOk = w1ILpk + w2ILqk + w3IVDk + w3IVRk + w5ICk + w6ISC3k + +w7ISC1k (3.32)

Trong đó :

7 1 i

i =

∑

=

; wi ∈ [0,1]

Y& & =& = && (4.1)

4.1.3 Phương trình cân bằng công suất nút khi có kết nối DG

Phương trình cân bằng công suất cho nút k:

− +

=

m k , C m

Ckm 2 k k

sh 2 k m

k , C m

km

Ckm m

k , C m

k k

sh k m

k , C m

km k

k k

k k

2

B U j

Y U S

I U 3 I

U 3 S

− ϕ

− θ

− ϕ

− θ

− ϕ

k , C m

2 m

k , C m

Ckm 2 km

km km m k m

m k , C

m

km 2

k

k sh m

k , C m

2 km km km m k m

m k ,

C

m

km 2

k

Y Im U 2

B U j ) sin(

Y U U sin

Y U

Q

Y Re U ) cos(

Y U U os

c Y U

P

k

k k

(4.11)

4.1.4 Phương pháp Newton – Raphson

4.1.5 Giới thiệu về chương trình tính toán Matpower 4.0

Luận văn sử dụng chương trình tính toán lưới điện MATPOWER chạy trong môi trường MATLAB để nghiên cứu ảnh hưởng của DG đến chất lượng điện áp và tổn thất công suất trong lưới phân phối điện Chương

trình MATPOWER tính toán theo phương pháp đã trình bày ở trên

4.2 ẢNH HƯỞNG CỦA DG ĐẾN VIỆC CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP VÀ GIẢM TỔN THẤT CÔNG SUẤT TRÊN LƯỚI ĐIỆN 4.2.1 Chỉ tiêu đánh giá hiệu quả cải thiện điện áp

1 k

k P U VI

N 1 i i

N 1 i

i i i

i 2

i 2

KDGi KDG 3 I R D