Phân tích ngắn mạch và nghiên cứu bảo vệ rơle khi đấu nối nguồn điện phân tán vào lưới điện phân phối

Phân tích ngắn mạch và nghiên cứu bảo vệ rơle khi đấu nối nguồn điện phân tán vào lưới điện phân phối Phân tích ngắn mạch và nghiên cứu bảo vệ rơle khi đấu nối nguồn điện phân tán vào lưới điện phân phối luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

-

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

VỆ RƠLE KHI ĐẤU NỐI NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN

VÀO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố

Tác giả

Ngô Chí Trung

MỞ ĐẦU

Trong các lưới điện phân phối trên thế giới ngày nay, xuất hiện ngày càng nhiều các nguồn điện phân tán kết nối vào (nguồn điện có công suất nhỏ) Tỷ trọng điện năng phát ra từ các nguồn điện phân tán ngày càng lớn, và tốc đọ tăng tăng đặc biệt nhanh trong các năm gần đây Vì vậy, đầu tư cho nghiên cứu, chế tạo nguồn điện phân tán cũng như các nghiên cứu về việc kết nối nguồn điện phân tán vào lưới điện phân phối cũng tăng theo hàm mũ trong các năm trở lại đây Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế đó, với đặc điểm nhiều sông ngòi và trả đều theo chiều dài đất nước, nên ngày càng có nhiều các thủy điện nhỏ được kết nối vào lưới điện phân phối ở cả ba miền: Bắc, Trung và Nam Ngoài ra, nước ta cũng đang tiến hành khảo sát để tiến đến xây dựng các nhà máy điện sử dụng năng lượng tái tạo

Tuy nhiên, sự xuất hiện của nguồn điện phân tán trong lưới điện phân phối không phải không tạo ra các vấn đề đối với lưới điện phân phối Nguyên nhân chính của các vấn đề này là việc lưới điện phân phối được thiết kế là một lưới điện thụ động, nghĩa là trên lưới điện khi thiết kế được giả thiết là chỉ bao gồm các phụ tải điện, không có các nguồn điện kết nối vào Nếu có nhiều nguồn điện phân tán kết nối vào lưới điện có thể dẫn đến các chế độ vận hành không cho phép cũng như có thể gây hư hỏng cho các thiết bị điện trên lưới điện phân phối Các tác động lớn nhất của nguồn điện phân tán đến lưới điện phân phối là tác động đến dòng điện trong các sự cố ngắn mạch của lưới điện phân phối và hệ thống bảo vệ của lưới điện phân phối Vì vậy ta cần phải nghiên cứu tìm hiểu để nhận biết và đề ra các giải pháp nhằm giải quyết các vấn đề đó để kết nối một cách tốt nhất nguồn điện phân tán vào lưới điện phân phối (gây ra các tác động không đáng kế đến lưới điện phân phối)

Luận văn này nhằm vào hai mục đích Trước khi có nguồn điện phân tán kết nối vào lưới điện phân phối, các sự cố ngắn mạch trong lưới điện phân phối có thể được tính toán theo tiêu chuẩn IEC 60 909 Sau khi có nguồn điện phân tán, ta cần

có những điều chỉnh nhất định để có thể tiếp tục tính toán các sự cố ngắn mạch theo

toán ngắn mạch trên lưới điện phân phối có nguồn điện phân tán kết nối vào theo tiêu chuẩn IEC 60 909, sau đó tiến hành lập trình một phần mềm tính toán ngắn mạch dựa trên các lý thuyết trình bày ở trên Mục đích thứ hai của luận văn, chỉ ra các tác động của nguồn điện phân tán đến hệ thống bảo vệ của lưới điện phân phối khi nguồn điện phân tán được kết nối vào lưới điện phân phối

Ý nghĩa khoa học của luận văn:

Ngày càng có nhiều nguồn điện phân tán (phần lớn là các thủy điện nhỏ) được kết nối vào lưới điện phân phối trong hệ thống điện Việt Nam Việc phân tích các ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đến lưới điện phân phối sẽ làm sáng tỏ các tác động của nguồn điện phân tán đến lưới điện phân phối Các nghiên cứu của luận văn giúp hạn chế được các tác động tiêu cực của nguồn điện phân tán đến lưới điện phân phối khi được kết nối vào lưới điện phân phối khi tính toán thiết kế cũng như vận hành

Chương 1:

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN

Hiện nay nguồn điện phân tán được hiểu một cách sơ lược là để chỉ các nguồn điện có quy mô nhỏ, đây rõ ràng là một khái niệm mới trong hệ thống điện hiện nay, nhưng ý tưởng đằng sau khái niệm nguồn điện phân tán lại không mới một chút nào Trong những ngày đầu của quá trình phát hệ thống điện, nguồn của

hệ thống điện chủ yếu là các nguồn điện nhỏ Những nhà máy điện đầu tiên chỉ phát điện cho các khách hàng ở vùng lân cận của nhà máy Những lưới điện đầu tiên là các lưới điện một chiều và vì vậy điện áp của lưới điện bị giới hạn bằng với điện áp phát của máy phát do chưa có các máy biến áp nâng áp cũng như dòng điện xoay chiều Ngoài ra khoảng cách truyền tải cũng bị giới hạn bởi tổn thất điện áp trên đường dây, vì vậy một nhà máy điện chỉ có thể cung cấp điện cho một vùng phụ tải xung quang nhà máy mà không thể truyền tải đi xa được Để đáp ứng cho nhu cầu phụ tải thay đổi trong ngày người ta sử dụng các thiết bị lưu trữ điện năng tại chỗ để

hỗ trợ như là acquy… Sau đó, các tiến bộ về kỹ thuật, như ra đời của lưới điện xoay chiều, đã cho phép điện năng được chuyền đi với khoảng cách rất xa, chi phí sản xuất và truyền tải điện năng cũng giảm dẫn đến nhu cầu xây dựng các nhà máy điện lớn để cung cấp cho nhiều phụ tải hơn với khoảng cách xa hơn Dần dần dẫn đến sự hình thành của một hệ thống điện phức tạp như ngày nay, bao gồm hệ thống lưới điện truyền tải và phân phối chằng chịt và các nhà máy điện có công suất lớn

Sự cân bằng giữ cung và cầu trong hệ thống điện đạt được nhờ sự phối hợp tác động của các nhà máy điện trong hệ thống để đáp ứng cho sự thay đổi của phụ tải trong

hệ thống Sự đảm bảo về nguồn điện cung cấp được tăng lên, khi có sự cố của nguồn này thì được bù đắp bởi một nguồn khác trong một hệ thống Sự xuất hiện của dòng điện xoay chiều cùng với lưới điện truyền tải điện áp cao nối liền các hệ thống điện của các vùng với nhau đã giúp tiết kiệm được chi phí sản xuất

Vào cuối thập niên trước, những tiến bộ của khoa học kỹ thuật, sự thay đổi

nguồn điện có công suất nhỏ - lại được quan tâm trở lại Người ta đã liệt kê ra 5 lý

do cơ bản kết hợp lại tạo ra bước đột phá này, đó là: sự phát triển trong công nghệ phát điện của nguồn điện phân tán, nhu cầu xây dựng lưới điện truyền tải mới để đáp ứng phụ tải ngày càng tăng trong khi lưới điện truyền tải đã rất lớn và quá phức tạp, nhu cầu khách hàng đối với dịch vụ cung cấp điện có độ tin cậy cao tăng lên,

sự thành lập của thị trường điện tự do và những vấn đề đối với sự thay đổi khí hậu toàn cầu

Nhằm tìm hiểu các tác động của nguồn điện phân tán đối với lưới điện, chương này sẽ giới thiệu sơ lược về nguồn điện phân tán để làm cơ sở cho việc tìm hiểu về nguồn điện phân tán trong các chương tiếp theo

1.1 Định nghĩa nguồn điện phân tán

Để tìm hiều về nguồn điện phân tán, trước hết ta cần tìm hiểu xem định nghĩa thế nào là nguồn điện phân tán? Tuy nhiên hiện nay chưa có một định nghĩa thống nhất nào dành cho nguồn điện phân tán, mỗi quốc gia, mỗi tổ chức lại đưa ra một định nghĩa khác nhau dựa trên những đặc điểm nhất định của nguồn điện phân tán

Ví dụ như CIGRE (the International Council on Large Electricity System) định nghĩa các nguồn điện phân tán là các nguồn điện có công suất trong khoảng 50-100MW và thường được kết nối vào lưới điện phân phối Còn IEEE lại định nghĩa nguồn điện phân tán là các nguồn điện nhỏ hơn các nguồn điện tập trung và có thể được kết nối vào bất cứ điểm nào trên lưới điện… Tuy nhiên tựu chung lại thì nguồn điện phân tán là các nguồn điện có các đặc điểm sau:

+ Cấp điện áp kết nối: mặc dù có nhiều định nghĩa cho rằng nguồn điện

phân tán có thể kết nối vào bất cứ điểm nào trên lưới điện, nhưng nhìn chung hầu hết các định nghĩa đều cho rằng các nguồn điện phân tán được kết nối vào lưới điện phân phối Do đó các nguồn điện phân tán đều nằm gần các phụ tải điện Nhưng vì danh giới giữa lưới điện truyền tải và lưới điện phân phối chỉ mang tính tương đối nên ta khó có thể sử dụng đặc điểm này để định nghĩa cho nguồn điện phân tán

+ Công suất: Hầu hết các định nghĩa đều sử dụng công suất của nguồn điện

như là một tiêu chuẩn để định nghĩa nguồn điện phân tán Tuy nhiên ta có thể thấy

ngay sử dụng tiêu chuẩn này để định nghĩa nguồn điện phân tán là không thích hợp Công suất của nguồn điện phân tán kết nối vào lưới điện là lớn hay là nhỏ thì ta phải

so sánh với công suất của lưới điện khu vực, đồng thời công suất tối đa của nguồn điện phân tán có thể kết nối cũng phụ thuộc vào công suất của lưới điện khu vực đó Trong khi công suất của lưới điện từng khu vực lại khác nhau rất nhiều Vì vậy ta không nên sử dụng đặc điểm về công suất để định nghĩa cho nguồn điện phân tán,

do rất khó có thể đưa ra một định nghĩa đúng trong mọi trường hợp, tuy nhiên công suất của nguồn điện phân tán vẫn là một đặc điểm quan trọng để phân biệt nguồn điện phân tán với các nguồn điện tập trung khác

+ Công nghệ phát điện: Trong một số trường hợp ta có thể sử dụng công

nghệ phát điện để phân biệt nguồn điện phân tán với các nguồn điện khác Nhưng

để xây dựng một định nghĩa cho nguồn điện phân tán thì rất khó khăn, do tính đa dạng trong các công nghệ sử dụng để phát điện và dải công suất của nó, đặc biệt là trong lĩnh vực năng lượng tái tạo Nhiều trường hợp ta thấy nguồn điện phân tán sử dụng năng lượng tái tạo làm năng lượng sơ cấp, nhiều trường hợp lại không sử dụng năng lượng tái tạo

Ta cần đưa ra một định nghĩa khái quát nhất về nguồn điện phân tán, trong định nghĩa không được đưa ra các giới hạn về công suất phát, điện áp kết nối cũng như công nghệ phát điện sử dụng trong các nguồn điện phân tán Tài liệu “ distributed generation: definition, benefit and issues” đã đưa ra một định nghĩa thích hợp nhất cho nguồn điện phân tán như sau:

“ Nguồn điện phân tán là các nguồn điện được kết nối trực tiếp vào lưới điện phân phối hay được kết nối vào các khu vực phụ tải điện”

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

so với các nguồn điện tập trung khác

1.2 Các nguyên nhân thúc đẩy sự phát triển của nguồn điện phân tán

Như đã giới thiệu ở phần trước, International Energy Agency (IEA) đã đưa ra

5 nguyên nhân cơ bản nhất dẫn đến sự quan tâm trở lại đối với nguồn điện phân tán Năm nguyên nhân đó lần lượt là:

+ Sự phát triển trong công nghệ phát điện sử dụng trong nguồn điện phân tán

+ Nhu cầu cấp thiết cần xây dựng các đường dây truyền tải điện mới

+ Sự tăng trưởng của nhu cầu cấp điện với chất lượng và độ tin cậy cao + Sự hình thành của thị trường điện tự do

+ Những vấn đề đặt ra đối với biến đổi khí hậu

Tuy nhiên nếu phân tích kỹ ra thì chỉ có ba nguyên nhân cơ bản dẫn đến sự quan tâm trở lại đối với nguồn điện phân tán, đó là nguyên nhân thứ ba, thứ tư và thứ năm Còn nguyên nhân thứ nhất thì ta thấy tuy rằng các công nghệ phát điện được sử dụng ở các nguồn điện phân tán đã phát triển rất nhiều so với trước đây tuy nhiên nếu phân tích kinh tế tài chính thì nguồn điện phân tán không đem lại nhiều lợi nhuận như các nguồn điện tập trung khác Đồng thời ta thấy ảnh hưởng của nguyên nhân thứ hai không rõ rệt vì việc xây dựng các nguồn điện phân tán chỉ có thể giúp ta trì hoãn được việc xây dựng các đường dây truyền tải mới chứ không giúp ta tránh được việc xây dựng các đường dây truyền tải mới Sau đây trình bày phân tích về các nguyên nhân thúc đẩy nguồn điện phân tán phát triển:

1.2.1 Thị trường điện tự do

Khi thị trường điện tự do được hình thành, nguồn điện phân tán là một công

cụ giúp cho các nhà cung cấp điện cung cấp các dịch vụ một cách linh hoạt hơn để đáp ứng các nhu cầu đa dạng của các phụ tải Bởi vì những khách hàng khác nhau

sẽ tìm kiếm các dịch vụ cung cấp điện phù hợp nhất đối với nhu cầu của mình Nhiều khi trong cùng một khu vực nhưng nhu cầu về dịch vụ cung cấp điện của các khách hàng lại rất khác nhau, lúc này nguồn điện phân tán là một công cụ giúp nhà cung cấp đáp ứng các nhu cầu đa dạng này với chi phí cạnh tranh Nhìn ra rộng hơn, nguồn điện phân tán sẽ giúp các nhà cung cấp phản ứng một cách linh hoạt hơn với

những thay đổi của thị trường điện Bởi vì trong thị trường điện điều quan trọng nhất là phải phản ứng một cách linh hoạt nhất với những sự thay đổi trong nền kinh

tế Và nguồn điện phân tán có thể giúp cung cấp các điều này nhờ lợi thế quy mô nhỏ và thời gian xây dựng ngắn

Đối với vận hành hệ thống điện, nguồn điện phân tán là một công cụ rất hữu hiệu để dự phòng nóng và phủ đỉnh Đồng thời điều này sẽ giúp giảm được giá thành sử dụng điện năng tại các thời điểm phụ tải đỉnh, do ta tiết kiệm được chi phí khi không phải xây dựng các nhà máy điện tập trung có công suất lớn nữa mà thay vào đó là các nguồn điện phân tán có quy mô nhỏ hơn, được kết nối ở gần phụ tải

Ngoài ra nguồn điện phân tán còn giúp các nhà cung cấp tiết kiệm được chi phí bằng việc trì hoãn được việc bảo dưỡng cũng như xây mới lưới điện truyền tải, nếu ta lựa chọn vị trí đặt các nguồn điện phân tán một cách hợp lý còn giúp giảm được tổn thất trên lưới điện, cũng như giúp các nhà cung cấp cung cấp các dịch vụ phụ trợ khác cho khách hàng (như hỗ trợ điện áp, các rung động tần số nhỏ hay cung cấp điện liên tục …)

1.2.2 Độ tin cậy cung cấp điện và chất lượng điện năng

Độ tin cậy cung cấp điện thấp có thể giúp nguồn điện phân tán nhận được nhiều sự quan tâm hơn Tuy nhiên tiền đề này không xuất hiện ở các nước công nghiệp phát triển trong tương lai gần, nơi mà độ tin cậy cung cấp điện là rất cao và người tiêu dùng ít quan tâm đến các vấn đề này Nhưng khi thị trường điện tự do được hình thành đầy đủ điều này sẽ thay đổi, người tiêu dùng sẽ phải chú ý hơn đến vấn đề độ tin cậy cung cấp điện Bởi vì cung cấp điện với độ tin cậy cao đồng nghĩa với vốn cần cho đầu tư và bảo dưỡng sẽ lớn, trong khi đó yêu cầu đối với một thị trường điện cạnh tranh là giá cả phải cạnh tranh Chính vì vậy mà các nhà cung cấp điện sẽ làm giảm độ tin cậy cung cấp điện để làm giảm được chi phí sản xuất Nhưng độ tin cậy cung cấp điện lại rất quan trọng đối với các phụ tải công nghiệp Các nhà máy công nghiệp sẽ sớm nhận thấy độ tin cậy cung cấp điện thấp hơn so với nhu cầu của họ và họ sẽ tiến hành đầu tư vào các nguồn điên phân tán như là

phân tán lại là một giải pháp khác cho các vần đề của các nước đang phát triển, nơi

mà độ tin cậy của lưới điện ở dưới giá trị mong muốn của các phụ tải

Còn mối liên hệ giữa nguồn điện phân tán và chất lượng điện năng hiên nay vẫn còn nhiều ý kiến trái chiều nhau Một luồng ý kiến nhấn mạnh vào các tác dụng tích cực của nguồn điện phân tán đối với chất lượng điện năng, ví dụ như: giúp hỗ trợ điều chỉnh điện áp trong các lưới điện, hay giúp làm giảm bớt sự mất cân bằng công suất trong các chế độ mất cân bằng công suất… Tuy nhiên một luồng ý kiến khác cho rằng số lượng lớn các nguồn điên phân tán có thể dẫn đến sự không ổn định điện áp trong lưới điện, thay đổi dòng công suất của lưới, gây phức tạp cho các

hệ thống tự động hóa … Nhưng nếu sử dụng nguồn điện phân tán một cách hợp lý nhằm mục đích phát huy được các mặt tích cực và hạn chế được các mặt tiêu cực, qua đó giúp chúng ta nâng cao chất lượng điện năng của lưới điện

1.2.3 Các vấn đề về biến đổi khí hậu

Tại thời điểm hiện nay các vấn đề về biến đổi khí hậu là động lực chính dẫn đến sự quan tâm đối với nguồn điện phân tán Các chính sách mới về môi trường khiến cho các cá nhân các tổ chức trong thị trường tìm kiếm các giải pháp năng lượng sạch nhưng đồng thời cũng phải mang lại lợi nhuận Thêm vào đó hầu hết các chính phủ đều đẩy mạnh sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo (một nguồn năng lượng sơ cấp quan trọng của nguồn điện phân tán), dẫn đến sự tăng trưởng của nguồn điện phân tán

Đặc biệt tại các nơi có nhu cầu về nhiệt năng thì họ sẽ thay đổi hình thức cung cấp nhiệt trong các ống hơi và điện trên lưới điện bằng hình thức kết hợp phát

cả nhiệt và điện (Cogeneration Combined Heat and Power - CHP) So với việc cung cấp một cách riêng rẽ thì phương pháp CHP giúp chúng ta tiết kiệm được từ 10% đến 30% năm lượng sơ cấp, tùy thuộc vào quy mô cũng như hiệu suất (số liệu được trích trong tài liệu: “ distributed generation: definition, benefit and issues”)

Ngoài ra, sử dụng nguồn điện phân tán giúp ta khai thác được các nguồn nhiên liệu giá rẻ Ví dụ như các nguồn điện phân tán sử dụng khí sinh học từ rác thải để phát điện…

Kết luận: IEA đưa ra 5 nguyên nhân dẫn đến sự quan tâm trở lại đối với nguồn điện phân tán, nhưng hai nguyên nhân đầu tiên các tác động không rõ ràng đồng thời như các phân tích ở trên ta thấy hai nguyên nhân này cũng được bao hàm trong ba nguyên nhân còn lại Vậy, có ba nguyên nhân chính thúc đẩy sự phát triển của nguồn điện phân tán là: Sự hình thành của thị trường điện tự do, nhu cầu cấp điện với chất lượng và độ tin cậy cao và các vấn đề về biến đổi khí hậu Trong đó hiện nay các vấn đề về biến đổi khí hậu là nguyên nhân chính, động lực chính thúc đầy nguồn điện phân tán phát triển

1.3 Các lợi ích nguồn điện phân tán mang lại

1.3.1 Nâng cao độ tin cậy của lưới điện

Độ tin cậy của lưới điện là chỉ tiêu đánh giá khả năng cung cấp điện liên tục của lưới điện cho các phụ tải điện Độ tin cậy của lưới điện phụ thuộc vào độ tin cậy của từng phần tử của lưới điện, như các nhà máy điện, các đường dây truyền tải điện, các trạm biến áp, các lưới điện phân phối Để đảm bảo độ tin cậy cho hệ thống điện, ngoài các phần tử hoạt động thì người ta còn lắp đặt thêm các phần tử dự phòng (bao gồm dự phòng nóng và dự phòng lạnh), việc này làm cho tăng các chi phí đầu tư cũng như các chi phí vận hành bảo dưỡng hàng năm cho lưới điện Ngoài

ra độ tin cậy còn phụ thuộc vào cách thức vận hành lưới điện Ngay khi người vận hành đưa ra quyết định vận hành làm thay đổi trạng thái của lưới điện thì độ tin cậy của lưới điện cũng thay đổi theo Trong quá trình vận hành, người vận hành dựa vào các thông số trạng thái của lưới điện để đưa ra các quyết định điều khiển để nâng cao độ tin cậy của lưới điện, khi xuất hiện một vấn đề về độ tin cậy của lưới điện Mục đích chung của người vận hành trong quá trình vận hành cũng như khi ta thiết

kế xây dựng lưới điện là đảm bảo cung cấp điện cho các phụ tải một cách liên tục (đảm bảo độ tin cậy), nếu có vấn đề nảo đó xảy ra thì phải đảm bảo vấn đề đó nhanh chóng được giải quyết và tác động đến ít phụ tải nhất

Như đã đề cập ở trên, nguồn điện phân tán ngày nay được sử dụng chủ yếu như là các nguồn điện tại chỗ của khách hàng, để cung cấp cho các nhu cầu khác

cung cấp điện và nhiệt đồng thời… Do đó nguồn điện phân tán có khả năng giúp nâng cao độ tin cậy của lưới điện, một cách trực tiếp hoặc gián tiếp

+ Tác động trực tiếp: nguồn điện phân tán được sử dụng để hỗ trợ cho điện

áp của lưới điện, qua đó tránh được sự gián đoạn cung cấp điện do sụt áp quá mức gây ra, ngoài ra việc sử dụng nguồn điện phân tán làm tăng tính đa dạng của các nguồn điện cấp điện cho các phụ tải qua đó cũng nâng cao độ tin cậy cho lưới điện

+ Tác động gián tiếp: việc sử dụng nguồn điện phân tán sẽ làm giảm các áp

lực của các phần tử trên lưới điện truyền tải, kéo dài tuổi thọ cho các phần tử đó, do

đó độ tin cậy của các phần tử cũng được nâng lên Ví dụ như sử dụng nguồn điện phân tán ở lưới điện phân phối sẽ làm giảm số giờ chạy quá tải hay đầy tải của các máy biến áp trong lưới điện truyền tải, do đó kéo dài được tuổi thọ của các máy biến áp và làm tăng độ tin cậy cho phần tử này…

Tuy nhiên ngoài tác dụng nâng cao độ tin cậy, thì nguồn điện phân tán còn

có thể gây ra các vấn đề cho độ tin cậy của lưới điện, phụ thuộc vào cách sử dụng nguồn phân tán Tác động tiêu cực của nguồn điện phân tán đến độ tin cậy của lưới điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có kết cấu của lưới điện có nguồn điện phân tán kết nối vào cũng như chính bản thân nguồn điện phân tán (như: công suất của nguồn điện phân tán, vị trí của nguồn điện phân tán, đặc tính điều khiển của nguồn điện phân tán, độ tin cậy của nguồn điện phân tán …)

1.3.2 Làm giảm các yêu cầu của công suất đỉnh

Nhu cầu công suất hay phụ tải điện thay đổi bất thường trong khoảng thời gian 24 giờ Nhu cầu thấp nhất vào lúc nửa đêm, khi các phụ tải điện cho các nhu cầu thương mại và tiêu dùng ngừng hoạt động Phụ tải thường đạt đỉnh vào lúc chiều tối, và đặc biệt vào mùa hè phụ tải cực đại càng có giá trị lớn Nếu nhìn vào biểu

đồ phụ tải năm ta sẽ nhận thấy rằng, số giờ sử dụng công suất cực đại là khá nhỏ Theo thống kê trong khoảng 80% thời gian sử dụng điện phụ tải của toàn hệ thống chỉ sử dụng 60% công suất của hệ thống Đây là một sự làng phí rất lớn vốn đầu tư vào việc xây dựng các nhà máy điện tập trung để nâng cao công suất của hệ thống

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

áp khu vực Điều này không chỉ giúp giảm được nhu cầu công suất đỉnh của hệ thống qua đó giúp giảm chi phí cho đầu tư nguồn điện mà còn giúp ta giảm được công suất truyền tải trên lưới điện truyền tải dẫn đến giảm được chi phí đầu tư để nâng khả năng truyền tải của lưới điện truyền tải Vậy giảm nhu cầu công suất đỉnh giúp chúng ta giảm được chi phí đầu tư cho lưới điện truyền tải và nguồn điện, ngoài ra còn giúp chúng ta giảm được số lần bảo dưỡng lưới điện truyền tải, trì hoãn được các yêu cầu cải tạo và xây mới lưới điện truyền tải qua đó giúp chúng ta tiết kiệm chi phí vận hành và bảo dưỡng lưới điện truyền tải

Không chỉ giúp tiết kiệm chi phí, tác dụng làm giảm nhu cầu công suất đỉnh của nguồn điện phân tán còn giúp ta giảm được tổn thất công suất trên lưới điện truyền tải Tổn thất trên các đường dây truyền tải phụ thuộc vào dòng công suất chạy trên đường dây, tổn thất này chủ yếu là do phát nóng trên đường dây Đặc biệt

là tại thời điểm phụ tải đỉnh, khi đó dòng công suất truyền tải trên đường dây là lớn nhất, dẫn đến phát nóng trên đường dây cũng là lớn nhất, nghĩa là tổn thất công suất trên đường dây là lớn nhất Nếu ta giảm được công suất được truyền tải trên đường dây (công suất tác dụng hoặc công suất phản kháng hoặc cả hai) ta sẽ giảm được tổn thất công suất trên đường dây Ngoài ra việc làm giảm công suất chạy trên đường dây còn giúp giảm tổn thất công suất trong các trạm biến áp trong lưới điện truyền tải Tuy nhiên tác động làm giảm tổn thất trên lưới điện truyền tải của nguồn điện phân tán lại phụ thuộc vào công suất của nguồn điện phân tán và vị trí đặt nguồn điện phân tán so với trung tâm của phụ tải tại chỗ

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

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

Hỗ trợ điện áp là dịch vụ phụ trợ đảm bảo điện áp lưới điện luôn nằm trong giới hạn cho phép theo yêu cầu của khách hàng Ta thấy điện áp của lưới điện phụ thuộc rất nhiều vào hệ số công suất trên lưới điện (phụ thuộc vào công suất tác dụng

và phản kháng chạy trên lưới, ở đây điện áp chủ yếu phụ thuộc vào công suất phản kháng) Ta có thể thay đổi hệ số công suất trên lưới điện bằng cách đưa vào, cắt ra hoặc điều chỉnh các dòng công suất phản kháng nhận được từ các nguồn công suất phản kháng Các nguồn công suất phản kháng là các nguồn điện, các tụ bù trên lưới điện, các VAR, các máy bù đồng bộ, thậm chí có thể là các đường dây nhẹ tải Khi kết nối nguồn điện phân tán vào lưới điện thì đây có thể trở thành một nguồn cung cấp công suất phản kháng cho lưới điện giúp hỗ trợ điều chỉnh điện áp lưới điện

Nguồn điện dự phòng được chia thành hai loại là dự phòng nóng và dự phòng lạnh Nguồn điện dự phòng nóng là các nguồn điện đã sẵn sàng, cung cấp điện cho lưới điện ngay khi được yêu cầu Nguồn điện dự phòng nóng cũng được chia thành hai loại: dự phòng quay và dự phòng không quay Dự phòng quay là các nguồn điện đã được hòa sẵn vào lưới, có thể tăng công suất phát ngay lập tức khi nhận được yêu cầu, và đạt công suất cực đại trong khoảng thời gian ngắn (10 phút)

Dự phòng không quay là nguồn điện đã sẵn sàng nhưng chưa được hòa vào lưới điện, có thể huy động công suất của nguồn điện trong khoảng thời gian ngắn (10 phút) nhưng nguồn không thể phát được công suất cực đại Nguồn điện dự phòng lạnh là các nguồn điện chỉ có thể huy động công suất từ nguồn đó trong khoảng thời gian tương đối dài (tử 30 đến 60 phút)

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

1.3.4 Nâng cao được chất lượng điện năng

Đối với các ứng dụng hay các thiết bị điện của khách hàng trên lưới điện nhạy cảm với các nhiễu động tần số và nhiễu động điện áp trên lưới điện, thì nhu cầu về cung cấp điện với chất lượng cao là rất cần thiết để tránh được các hư hỏng hay ngừng cung cấp điện gây thiệt hại cho khách hàng Các xung điện áp, độ lệch tần số, các sóng hài bậc cao, các rung động nhỏ trong hệ thống và sự không cân bằng pha là các hiện tượng cần được quan tâm đến khi xét đến chất lượng điện năng, để tránh gây ra các thiệt hại về kinh tế cho khách hàng

Tuy rằng các tác động của chất lượng điện năng là rất lớn, nhưng rất khó có thể định lượng được các thiệt hại do chất lượng điện năng thấp gây ra, cũng như chi phí để nâng cao chất lượng điện năng Bởi vì các lý do sau:

+ Các vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng chỉ mang tính tức thời (một phần của một chu kỳ), rất khó có thể quan sát hay dự báo được

+ Sự thay đổi của phụ tải cũng dẫn đến sự thay đổi trong cách đánh giá chất lượng điện năng Ví dụ như, ngày nay các thiết bị điện kỹ thuật số được sử dụng rất rộng rãi, đây lại là các thiết bị điện nhạy cảm với tần số, nên độ nhạy của các phụ tải đối với các thay đổi tần số trong hệ thống tăng lên Vì vậy các yêu cầu đối với chất điện liên quan đến tần số ngày càng khắt khe hơn

+ Chất lượng điện năng còn liên quan đến các vấn đề về thiết kế Ví dụ như nếu ta thiết kế một lưới điện có tổng trở nhỏ, thì các thay đổi bất thường của dòng điện chạy trên lưới sẽ dẫn đến các thay đổi về điện áp trên lưới ít hơn so với lưới điện có tổng trở lớn

+ Nhu cầu về chất lượng điện năng của các phụ tải là không giống nhau, có phụ tải yêu cầu chất lượng điện năng rất cao trong khi có phụ tải chỉ yêu cầu chất lượng điện năng ở mức vừa phải Do đó ta không thể đưa ra một giải pháp để đáp ứng cho nhu cầu về chất lượng điện năng cho toàn bộ hệ thống, mà các vấn đề về chất lượng điện năng thường được khắc phục tại chỗ tùy theo nhu cầu của phụ tải

Ví dụ như một vài nhà máy hiện nay tự trang bị các thiết bị lọc các sóng hài bậc cao

các vấn đề về chất lượng điện Điều này khiến cho chúng ta rất khó có thể đánh giá được các chí phí để nâng cao chất lượng điện năng của lưới điện

Tùy thuộc vào các nhu cầu về chất lượng điện và cách kết nối vào lưới điện, nguồn điện phân tán có khả năng giúp chúng ta đáp ứng được các nhu cầu về chất lượng điện năng đa dạng của phụ tải Nguồn điện phân tán được kết nối vào vị trí thích hợp sẽ giúp điều chỉnh điện áp của lưới điện tốt hơn, làm giảm được các rung động về điện áp cũng như các xung điện áp trong lưới điện Trong các trường hợp mất cần bằng công suất tác dụng trong lưới điện dẫn đến độ lệch tần số tăng lên, thì nguồn điện phân tán có thể giúp làm giảm nhẹ sự mất cân bằng công suất tác dụng, nghĩa là độ lệch của tần số cũng được giảm xuống Hay như nguồn điện phân tán có thể vận hành độc lập với lưới điện để cung cấp điện cho các phụ tải tại chỗ trong các trường hợp cần thiết, làm giảm thời gian mất điện của các phụ tải…

Ngoài ra nguồn điện phân tán còn các các tác động tích cực khác như: việc

sử dụng nguồn điện phân tán sẽ giúp chúng ta đa dạng hóa được các nguồn năng lượng sơ cấp sử dụng để phát điện, qua đó nâng cao được an ninh năng lượng của quốc gia; đồng thời các nguồn năng lượng tái tạo là một nguồn năng lượng sơ cấp quan trọng của nguồn điện phân tán nên việc sử dụng nguồn điện phân tán sẽ giúp chúng ta giảm được phát thải khí nhà kính trong quá trình sản xuất điện năng; ngoài

ra nguồn điện phân tán sử dụng các nguồn năng lượng sơ cấp mà các nguồn điện tập trung không thể sử dụng được vì vậy nguồn điện phân tán giúp chúng ta tận dụng được các nguồn năng lượng của quốc gia; ngoài ra trong một số trường hợp nguồn điện phân tán có hiệu suất cao hơn các nguồn năng lượng tập trung khác như nguồn điện phân tán CHP - Cogeneration Combined Heat and Power

1.4 Các ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đối với hệ thống điện

Ngoài các tác dụng tích cực nêu trên, nguồn điện phân tán còn có các tác động tiêu cực đến hệ thống điện, bởi vì các lưới điện phân phối thường là các lưới điện thụ động, nghĩa là trên lưới điện được thiết kế không có các 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 trên lưới điện Vì vậy khi kết nối nguồn điện phân tán vào

lưới điện phân phối sẽ dẫn đến rất nhiều các vấn đề về kỹ thuật, các vấn đề đó lần lượt là:

1.4.1 Điều chỉnh điện áp lưới điện

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

Các máy phát điện đồng bộ đều được trang bị bộ điều chỉnh điện áp, bộ tự động điều chỉnh điện áp tác động đến điện áp đầu cực máy phát thông qua dòng điện kích từ Dòng điện kích từ của máy phát thay đổi, dẫn đến dòng công suất nguồn điện phân tán cung cấp cho lưới điện thay đổi, qua đó tác động đến điện áp của lưới điện Tuy nhiên công suất tác dụng nguồn điện phân tán cung cấp cho lưới điện thường là cố định, do chủ sở hữu của nguồn điện phân tán quyết định khi ký kết hợp đồng mua bán điện dựa trên các yếu tố kinh tế Do đó người ta thường điều chỉnh hệ số công suất của nguồn điện phân tán qua đó thay đổi công suất phản kháng nguồn phân tán cung cấp cho lưới điện

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

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

mà Ta cần phải tìm một bộ điều khiển khác để phối hợp điều khiển giữa nguồn điện phân tán và bộ điều chỉnh dưới tải

1.4.2 Dòng điện trong các chế độ sự cố

Khi có nguồn điện phân tán kết nối vào lưới điện phân phối thì dòng điện

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

1.4.3 Chất lượng điện năng của lưới điện

Khi kết nối các nguồn điện phân tán phát điện 1 chiều vào lưới điện phân phối, ta phải sử dụng các bộ biến đổi từ một chiều sang xoay chiều, điều này sẽ tạo

ra các sòng hài bậc cao trong lưới điện Nếu sử dụng quá nhiều các bộ biến đổi trong lưới điện có thể dẫn đến 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 là bao nhiêu thì sóng hài bậc cao trong lưới điện vẫn

ở trong mức cho phép

Ngoài ra nếu số lượng nguồn điện phân tán kết nối vào lưới điện phân phối lớn hoặc công suất của nguồn điện phân tán kết nối vào lưới điện 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 điện phân tán và các chỉnh định điều khiển không chính xác có thể là nguyên nhân dẫn đến các nhiễu động trong lưới điện

1.4.4 Hệ thống bảo vệ của lưới điện phân phối

Hệ thống bảo vệ là rất cần thiết cho cả lưới điện cũng như nguồn điện phân tán để đảm bảo sự vận hành an toàn cho lưới điện và nguồn điện phân tán Hệ thống bảo vệ của lưới điện phân phối và nguồn điện phân tán tác động qua lại với nhau và cần một sự phối hợp bảo vệ để đảm bảo hai hệ thống hoạt động tốt

Hệ thống bảo vệ của lưới điện phân phối được thiết kế để bảo vệ đối với dòng công suất chạy theo một hướng, từ hệ thống về các phụ tải trên lưới Khi kết nối nguồn điện phân tán vào lưới điện phân phối sẽ dẫn đến chiều của dòng công

suất thay đổi, chính điều này có thể khiến cho các bảo vệ của lưới điện phân phối sẽ tác động sai trong các chế độ sự cố nếu ta không có các thay đổi đối với hệ thống bảo vệ của lưới điện phân phối cho phù hợp

Nếu có sự cố xảy ra trên lưới điện phân phối, khiến cho máy cắt đầu đường dây tác động nhưng vì một lý do nào đó máy cắt của nguồn điện phân tán không tác động sẽ khiến cho sự cố trong lưới điện vẫn được cung cấp năng lượng Do đó sẽ gây ra các hư hỏng cho các thiết bị điện trên lưới điện, đồng thời cũng có thể gây hư hỏng cho máy cắt đầu đường dây khi đóng đường dây trở lại hệ thống vì khi đó máy cắt sẽ đóng vào một lưới điện đang bị sự cố Ngoài ra việc nguồn điện phân tán vẫn còn kết nối vào lưới điện sẽ gây nguy hiểm cho người vận hành khi khắc phục sự

cố, cũng như các thiết bị điện trên lưới điện do sự cố được duy trì trong một thời gian dài

Ta cũng cần xem xét lại sự phối hợp rơle và tự động đóng lại trên đường dây

để loại trừ các sự cố thoáng qua khi đường dây có nguồn điện phân tán kết nối vào Đồng thời việc đóng lưới điện trở lại hệ thống khi nguồn điện phân tán trên lưới điện vẫn còn hoạt động ( lưới điện hoạt động độc lập) cũng không đơn giản như khi lưới điện không có nguồn điện phân tán kết nối vào lưới…

1.4.5 Tổn thất công suất trên lưới điện

Nguồn điện phân tán kết nối vào lưới điện phân phối sẽ tác động đến tổn thất công suất trên lưới điện Nguồn điện phân tán có thể làm tăng hoặc làm giảm tổn thất công suất trên lưới điện tùy thuộc vào vị trí của nguồn điện phân tán và kết cấu của lưới điện Nếu nguồn điện phân tán được kết nối ở các vị trí gần trung tâm của các phụ tải tại chỗ sẽ giúp chúng ta giảm được tổn thất trên lưới điện, bời vì dòng công suất không phải truyền tải đi xa Tuy nhiên vị trí đặt các nguồn điện phân tán lại phụ thuộc vào các nguồn năng lượng sơ cấp, vì vậy không phải lúc nào ta cũng

có thể kết nối nguồn điện phân tán vào vị trí gần trung tâm của phụ tải Do đó nếu nguồn điện phân tán được kết nối vào các vị trí đủ xa trung tâm phụ tải, thì không những không làm giảm tổn thất trên lưới điện mà nguồn điện phân tán còn làm tăng

1.4.6 Sự 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 điện được kết nối vào lưới điện phân phối Tuy nhiên nếu nguồn điện phân tán được kết nối với lưới điện phân phối thông qua một đường dây quá dài và có hệ thống bảo vệ có khoảng thời gian tác động đủ lâu có thể dẫn đến các mất ổn định trong chế độ quá độ đối với các nguồn điện phân tán 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 lưới điện một cách cẩn thận để quyết định có cần phải thêm các bảo vệ vào hệ thống bảo vệ của nguồn điện phân tán cũng như lưới điện, để bảo vệ nguồn điện phân tán và lưới điện khỏi chế độ mất ổn định Hệ thống bảo vệ nguồn điện phân tán khỏi chế độ không ổn định không chỉ cần quan tâm đến các chế độ mất ổn định của bản thân nguồn điện phân tán, mà còn cần quan tâm đến cả các chế độ mất ổn định trên lưới điện phân phối do các nguồn điện lân cận gây ra

Tóm lại: Sự hình thành thị trường điện tự do, nhu cầu về cung cấp điện tốt

hơn và các vấn đề về biến đổi khí hậu là các động lực chính thúc đẩy sự phát triển của nguồn điện phân tán cũng như sự phát triển của các công nghệ phát điện của nguồn điện phân tán Tuy nhiên khi kết nối nguồn điện phân tán vào lưới điện sẽ có những ảnh hưởng nhất định đến hệ thống điện, có ảnh hưởng là tích cực có ảnh hưởng là tiêu cực Vì vậy cần nghiên cứu kỹ về ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đến hệ thống điện, nhằm phát huy các tác động tích cực và hạn chế các tác động tiêu cực Ngoài ra khi nhìn dưới khía cạnh kinh tế thì ta cần xem xét sao cho đem lại hiệu quả cao nhất Để sự tăng trưởng của nguồn điện phân tán được kiểm soát, phối hợp một cách hài hòa và có định hướng

Chương 2:

TÍNH TOÁN NGẮN MẠCH TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN

PHỐI CÓ NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN

2.1 Giới thiệu

Trong những năm gần đây, nguồn điện phân tán ngày càng phát triển mạnh, ngày càng có nhiều nguồn điện phân tán được kết nối vào lưới điện phân phối, dẫn đến ảnh hưởng của nguồn điện phân tán vào lưới điện phân phối ngày càng rõ rệt hơn Một trong hai vấn đề chính cần được quan tâm nghiên cứu là tác động của nguồn điện phân tán đối với hệ thống bảo vệ của lưới điện, trong đó có tác động của nguồn điện phân tán đến dòng điện sự cố (ngắn mạch) trong lưới điện Càng nhiều nguồn điện phân tán kết nối vào trong lưới điện phân phối, công suất tổng chạy trong lưới điện trong các chế độ sự cố càng tăng cao

Mặt khác khi thiết kế lưới điện, một trong những thông số rất quan trọng là giới hạn chịu đựng của lưới điện trong các chế độ sự cố (ngắn mạch), ví dụ như: dòng điện ngắn mạch lớn nhất trong lưới điện và dòng điện của các chế độ sự cố trong lưới điện không bao giờ được phép vượt qua giá trị này Giới hạn chịu đựng chế độ sự cố của lưới điện liên quan đến việc lựa chọn các giá trị định mức của các thiết bị đóng cắt trong lưới điện , độ bền nhiệt và độ bền cơ của các thiết bị điện trong lưới điện, cũng như các tiêu chuẩn xây dựng của lưới

Trong các lưới điện phân phối trước đây, các sự cố ngắn mạch trong lưới điện thường được cung cấp năng lượng từ hệ thống, thông thường thì các giá trị tính toán trong chế độ ngắn mạch khi chỉ có hệ thống cung cấp năng lượng cũng gần với giá trị lớn nhất cho phép Khi lưới điện có thêm nguồn điện phân tán kết nối vào, các sự cố ngắn mạch không chỉ được cung cấp năng lượng từ hệ thống mà còn được cung cấp năng lượng từ các nguồn điện phân tán Vì vậy một trong những lý do rất quan trọng giới hạn số lượng nguồn điện phân tán được phép kết nối vào lưới điện

là giới hạn chịu đựng của lưới điện phân phối trong chế độ sự cố Do đó đặt ra một

yêu cầu là cần tính toán một cách hiệu quả và chính xác dòng điện trong các chế độ

sự cố trong lưới điện

2.2 Các phương pháp tính toán ngắn mạch trong lưới điện phân phối

2.2.1 Phương pháp tính toán theo phương pháp điện áp tương đương (theo tiêu chuẩn IEC 60 909)

Theo như lý thuyết tính toán của tiêu chuẩn IEC 60 909, dòng điện ngắn mạch tại vị trí ngắn mạch F được tính toán bằng cách sử dụng điện áp tương đương,

n

cU / 3, được định nghĩa là nguồn điện áp lý tưởng đặt vào điểm ngắn mạch trong

sơ đồ thứ tự thuận, còn tất cả các nguồn điện khác trong lưới điện đều bỏ qua Trong lưới điện, tất cả các máy điện đồng bộ và không đồng bộ đều được thay bằng tổng trở trong của chúng Tùy vào yêu cầu tính toán dòng điện ngắn mạch lớn nhất hay nhỏ nhất mà hệ số điện áp c có thể nhận giá trị cmax =1,1 hoặc cmin =1, 0, đối với tất cả các cấp điện áp Nguyên lý điện áp tương đương được mô tả như hình vẽ:

Hình 2.1: Sơ đồ mô tả tính toán ngắn mạch theo phương pháp

điện áp tương đương

Và dòng điện ngắn mạch được tính toán theo công thức sau:

N

cUI

điện phõn phối mà chỉ dựng điện ỏp vận hành bỡnh thường của lưới điện và cỏc thụng

số của thiết bị trờn lưới điện Mặc dự vậy, cỏc hệ số hiệu chỉnh cho từng thiết bị nhất định là cần thiết để cú được kết quả tớnh toỏn tin cậy hơn

Ưu điểm của phương phỏp này là dễ hiểu và đơn giản trong tớnh toỏn, khụng cần xỏc định trạng thỏi của lưới điện trước khi xảy ra sự cố Tuy nhiờn nhược điểm

là khi tớnh ngắn mạch sẽ cú sai số, tuy nhiờn trong lưới điện phõn phối thỡ sai số này

là chấp nhận được

2.2.2 Tớnh toỏn ngắn mạch theo phương phỏp xếp chồng

Tớnh toỏn ngắn mạch theo phương phỏp xếp chồng gồm 3 bước:

+ Bước 1: Tớnh toỏn dũng điện và điện ỏp trong chế độ vận hành ổn định bỡnh thường trước khi xảy ra ngắn mạch

+ Bước 2: Đặt vào điểm ngắn mạch điện ỏp lỳc trước khi xảy ra ngắn mạch với dấu ngược lại Đõy là điện ỏp duy nhất trong lưới điện, tất cả cỏc mỏy phỏt và cỏc nguồn cụng suất khỏc đều bị nối ngắn mạch (nối xuống đất) + Bước 3: Áp dụng nguyờn lý xếp chồng thụng số của lưới khi ngắn mạch

F Lưới Điện

Ưu điểm của phương pháp này là dễ dàng cho tính toán và lập trình Tuy nhiên phương pháp này có một nhược điểm là phải xác định được chế độ xác lập của lưới trước khi xảy ra ngắn mạch Ngoài ra còn một câu hỏi dặt ra là: chế độ vận hành nào có dòng ngắn mạch lớn nhất, chế độ vận hành nào thì có dòng ngắn mạch là nhỏ nhất Mà các dòng ngắn mạch lớn nhất và nhỏ nhất lại rất quan trọng khi ta thiết

kế, lựa chọn và kiểm tra các thiết bị trong lưới điện

Tuy nhiên trong nội dung của luận án này, xin chỉ trình bày tính toán ngắn mạch trong lưới điện phân phối theo tiêu chuẩn IEC 60 909 Sau đó dựa vào các dựa vào các trình bày đó, đưa ra một thuật toán tính toán lưới điện phân phối có nguồn điện phân tán kết nối vào

2.3 Mô hình tính toán ngắn mạch theo tiêu chuẩn IEC 60 909

Tiêu chuẩn quốc tế IEC 60 909 được áp dụng để tính toán dòng ngắn mạch xoay chiều 3 pha ở các tần số công nghiệp thông thường là 60Hz hoặc 50Hz Mục đích của phương pháp này là đưa ra một phương pháp tính toán ngắn gọn, đơn giản, tổng quát và đạt được độ chính xác theo yêu cầu Trong phương pháp này thì chế độ

sự cố đối xứng và không đối xứng đều được xét đến, trong cả hai trường hợp đều tính toán dòng điện ngắn mạch lớn nhất và dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất Dòng điện ngắn mạch là tổng hợp của hai thành phần: một là thành phần xoay chiều chu

kỳ và một là thành phần một chiều tắt dần Tiêu chuẩn này phân biệt giữa ngắn mạch xa nguồn và ngắn mạch gần nguồn ngoài ra còn đưa ra các phương pháp tiếp cận khác nhau đối phụ thuộc vào kết cấu của lưới điện và vị trí xảy ra sự cố

Do mục đích tính toán ngắn mạch theo phương pháp IEC 60 909 là để lựa các thiết bị điện trong lưới điện, vì vậy việc tính toán dòng ngắn mạch theo miền thời gian là không cần thiết Trong hầu hết các trường hợp chỉ cần tính toán dòng ngắn mạch ba pha và dòng ngắn mạch một pha Dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất thường là dòng điện ngắn mạch một pha, "

k1

I , được sử dụng để lựa chọn thiết bị và các giá trị lắp đặt cho thiết bị bảo vệ của lưới điện Dòng điện ngắn mạch lớn nhất thường là dòng điện ngắn mạch 3 pha, "

k3

I , dùng để lựa chọn các thiết bị vận hành

của lưới điện Vì vậy việc tính toán chính xác các giá trị này là cần thiết để lựa chọn chính xác các thiết bị của lưới điện, để chúng hoạt động tin cậy và kinh tế

2.3.1 Các giả thiết gần đúng khi sử dụng phương pháp điện áp tương đương

Khi tính toán dòng điện ngắn mạch theo điện áp tương đương thì ta sử dụng các giả thiết gần đúng sau:

+ Bỏ qua các phụ tải thụ động và các điện dung của đường dây

+ Bỏ qua các ảnh hưởng của các đầu phân áp của các máy biến áp (mặc định đầu phân áp của máy biến áp ở vị trí cơ bản)

+ Bỏ qua các ảnh hưởng của kích từ của máy phát

+ Bỏ qua các ảnh hưởng của trạng thái tĩnh của lưới điện trước khi xảy ra ngắn mạch

+ Bỏ qua điện trở của hồ quang điện ngắn mạch

Chính các giả thiết gần đúng này gây ra các sai số cho phép tính toán của chúng ta, tuy nhiên trong điều kiện tính toán dòng điện ngắn mạch trong lưới điện phân phối thì các sai số này là chấp nhận được vì:

+ Lưới điện phân phối thường có vị trí xa so với các nguồn điện lớn, do đó các sự cố ngắn mạch trong lưới phân phối là các sự cố ngắn mạch xa nguồn vì vậy mà ảnh hưởng của kích từ máy phát là không rõ rệt nên ta có thể bỏ qua

+ Điện dung của các đường dây trong lưới điện phân phối thường có giá trị nhỏ, nên khi ta bỏ qua giá trị này cũng không gây ra một sai số lớn

+ Dòng điện trong lưới điện phân phối trong chế độ xác lập trươc sự cố thường có giá trị nhỏ (hàng chục A) so với dòng điện trong lưới điện trong chế độ

sự cố (hàng chục kA) Vì vậy ta khi ta bỏ qua ảnh hưởng của chế độ xác lập của lưới điện trước khi xảy ra sự cố cũng không gây ra một sai số lớn

2.3.2 Mô hình tổng trở và hệ phương trình tính toán lưới điện

Trong chế độ sự cố, điện áp tại các nút và dòng điện ngắn mạch tại các nút

có quan hệ theo hệ phương trình sau:

Trong đó: [ ]U : là vecto điện áp các nút của lưới điện trong sơ đồ tính toán ngắn

Z

Z Z Z Z Z

UZI

= với Ij = (i j, j 1,n0 ≠ = ) (2.4)

ij

Z là tổng trở tương hỗ của nút i và nút j

i ij j

UZI

sự cố thì ta có:

n f

c.UU

3

Trong đó: Un: là điện áp làm việc bình thường của lưới điện

c: là hệ số điện áp phụ thuộc vào cấp điện áp và dạng ngắn mạch muốn tính toán, và được cho theo bảng sau:

Bảng 2.1: Hệ số điện áp c

Điện áp định mức của

lưới điện (Un)

Hệ số điện áp c Tính toán dòng ngắn

mạch lớn nhất (cmax)(1)

Tính toán dòng ngắn mạch nhỏ nhất (cmin) Điện áp thấp từ 100V

Chú ý: (1) cmax×Un không được vượt quá điện áp lớn nhất cho phép

của các thiết bị vận hành trong hệ thống

(2) cmax =1, 05 áp dụng đối với các lưới điện có độ lệch điện áp cho phép là +6%

(3) cmax =1,10 áp dụng đối với các lưới điện có độ lệch điện áp cho phép là +10%

Ý nghĩa của hệ số điện áp c trong tính toán ngắn mạch theo phương pháp sử dụng điện áp tương đương:

- Điện áp tương đương sẽ có những giá trị khác nhau tùy thuộc vào thời gian ngắn mạch và trạng thái của lưới điện vào thời điểm ngắn mạch Ta khó có thể xác định chính xác là ở chế độ nào sẽ cho ta dòng ngắn mạch lớn nhất, và ở chế độ nào cho ta dòng ngắn mạch nhỏ nhất vì vậy trong công thức điện áp tương đương người ta cho thêm vào hệ số điện áp c để nhằm khắc phục sai số này

- Khi tính toán ngắn mạch theo phương pháp điện áp tương đương thì ta đã bỏ qua phản ứng của nguồn và động cơ trong quá trình ngắn mạch Vì vậy để

điện áp tương đương để chỉ rõ sự khác nhau giữ điện áp ngắn mạch ban đầu (siêu quá độ) và điện áp vận hành bình thường

- Ngoài ra khi tính toán ngắn mạch theo phương pháp điện áp tương đương ta cũng đã bỏ qua tải và điện dung của đường dây vì vậy hệ số điện áp c được cho thêm vào nhằm khắc phục sai số này

* Vecto dòng điện ngắn mạch nút [ ]I :

Do ta không xét sự cố ngắn mạch xếp chồng, tức là không xét trường hợp hai

sự cố ngắn mạch trong cùng một thời điểm, vì vậy chỉ có dòng điện ngắn mạch tại nút xảy ra sự cố ngắn mạch If ≠0, còn dòng điện ngắn mạch của các nút còn lại trong lưới điện đều bằng không Nghĩa là ta có:

f

I = 000 I 0 (2.9)

Vậy hệ phương trình (2.1) có thể được viết lại như sau:

f

n

UU

U

Ta thấy trong 3 đại lượng của phương trình (2.12) chỉ có đại lượng I là chưa f

biết Vậy dựa vào phương trình (2.12) ta tìm được dòng điện ngắn mạch tại nút sự

cố Sau đó thay giá trị vào hệ phương trình (2.11), ta sẽ tìm được vecto điện áp nút Cuối cùng ta tính toán được dòng điện phân bố trên các nhánh của sơ đồ thay thế:

Tuy nhiên chú ý rằng, giá trị tổng trở Z trong công thức (2.13) không phải ij

là tổng trở lấy trong ma trận tổng trở [Z], mà là tổng trở thực của nhánh nối giữa hai nút i và j

Dựa vào các giá trị dòng điện ta tính toán được trên sơ đồ, ta có được dòng điện ngắn mạch tại điểm ngắn mạch và dòng điện ngắn mạch phân bố trên các nhánh trong thực tế như sau:

I

I I I I I

2.3.3 Mô hình thay thế cho các phần tử của lưới điện

2.3.3.1 Đường dây trên không và cáp ngầm

Do ta tính toán ngắn mạch trên lưới điện phân phối, thường có cấp điện áp trung áp ( 35kV≤ ), nên ta bỏ qua điện dung của đường dây đối với đất Vây sơ đồ thay thế của đưởng dây trên không hoặc cáp ngầm như sau:

Trong đó: ZD =RD +jXD =(ro+jx )o  (2.15)

với r , xo o: là điện trở và điện kháng đơn vị của đường dây

: là chiều dài của đường dây

Trong hệ đơn vị tương đối:

2.3.3.2 Máy biến áp hai cuộn dây

Trong phương pháp điện áp tương đương, máy biến áp hai cuộn dây được thay thế bằng một điện trở nối tiếp với một điện kháng và nối tiếp với một máy biến

100.S

Với : ∆ PN là tổn thất công suất đồng của máy biến áp

N

u % là điện áp ngắn mạch % của máy biến áp

Trong hệ đơn vị tương đối:

Trong tính toán ngắn mạch các thông số tổn hao của máy biến áp (như R ) B

thường được bỏ qua vì chúng có ảnh hưởng nhỏ đến dòng điện ngắn mạch Khi đó

sơ đồ chỉ còn một điện kháng X nối tiếp với một máy biến áp lý tưởng Nếu tính Btoán trong hệ đơn vị tương đối, sơ đồ thay thế của máy biến áp hai cuộn dây chỉ còn một mình điện kháng *

Hình 2.5: Sơ đồ thay thế đơn giản của máy biến áp hai cuộn dây

2.3.3.3 Máy biến áp ba cuộn dây

Máy biến áp ba cuộn dây được thay thế bằng ba máy biến áp hai cuộn dây như hình vẽ Trong sơ đồ thay thế ta thấy có nút O, đây là nút giả tưởng không có thật vì vậy trong quá trình thiết lập sơ đồ cần tiến hành khử nút giả tưởng này

Khi ta bỏ qua tổn hao trong sơ đồ thay thế, thì ta sẽ có dạng đơn giản của sơ

đồ thay thế của máy biến áp 3 cuộn dây, như hình vẽ:

Trong hệ đơn vị tương đối:

2.3.3.4 Kháng điện phân đoạn

Trong lưới điện, kháng điện được mắc nối tiếp vào lưới điện, nhằm mục đích hạn chế dòng điện trong các chế độ sự cố trong lưới điện Sơ đồ thay thế kháng điện khi tính toán ngắn mạch theo phương pháp điện áp tương đương như hình vẽ:

K

dm

U

x %X

100 I U

2.3.3.5 Điện kháng của hệ thống

Vì ta muốn tìm dòng điện ngắn mạch trong lưới điện phân phối, nên kết quả mà

ta quan tâm chỉ giới hạn trong một phần của lưới điện Vì vậy ta thay thế hệ thống điện phía trên bằng một sơ đồ đẳng trị đơn giản nhất như hình vẽ

U n

jX K

Hình 2.9: Sơ đồ thay thế của nút hệ thống

Tuy nhiên trong thực tế, điện kháng của hệ thống lớn hơn điện trở của hệ thống rất nhiều (XHT ≈0,995ZHT, RHT ≈0,1XHT), vì vậy ta bỏ qua điện trở của hệ thống và hệ thống điện phía trên được thay thế bằng một điện kháng hệ thồng tính toán theo công thức:

2 HT HT

N

c.UX

S

Trong đó: SN là công suất ngắn mạch của hệ thống

Trong hệ đơn vị tương đối:

Thông thường các điện kháng siêu quá độ thường được cho trong hệ đơn vị tương đối định mức của máy phát, vì vậy khi tính toán trong hệ đơn vị tương đối khác ta cần tiến hành quy đổi

Điện kháng của máy phát đồng bộ có giá trị như bảng sau:

Bảng 2.2: Bảng điện kháng của máy phát điện đồng bộ

cực ẩn

Máy phát cực lồi có cuộn cản

Máy phát cực lồi không có cuộn cản Điện kháng đồng bộ (X ) E 110% - 280% 70% - 170% 70% - 170%

Điện trở của máy phát điện đồng bộ được tính như sau:

+ Đối với các máy phát có: SE ≥100MVA thì RE =0, 05X"E

+ Đối với các máy phát có: SE <100MVA thì RE =0,15X"E

* Máy phát không đồng bộ:

Sơ đồ thay thế của máy phát điện không đồng bộ được thay thế bằng một tổng trở như hình vẽ:

U n

~

Z E Máy phát điện không đồng bộ

Hỡnh 2.11: Sơ đồ thay thế của mỏy phỏt điện đồng bộ

Trong đú:

2 dm E

U1Z

S là cụng suất định mức của mỏy phỏt

Trong tớnh toỏn ngắn mạch, ta thường lấy tỷ số dũng điện hóm và dũng điện định mức của mỏy phỏt là:

ham dm

I8

* Cỏc mỏy phỏt kết nối với lưới điện thụng qua bộ chỉnh lưu điện tử cụng suất

Cỏc mỏy phỏt này cú thể là mỏy phỏt đồng bộ, khụng đồng bộ hoặc khụng phải là cỏc cơ cấu quay như (pin nhiờn liệu, pin quang điện …) Khi tớnh toỏn ngắn mạch theo phương phỏp điện ỏp tương đương, cỏc nguồn điện kết nối với lưới điện

thông qua một bộ chỉnh lưu điện tử công suất được xem xét như một nguồn có máy phát không đồng bộ, sử dụng mô hình thay thế và công thức tính toán của máy phát không đồng bộ để tính toán

2.3.4 Các hệ số hiệu chỉnh trở kháng

Biên độ của dòng điện ngắn mạch phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc của lưới điện (thiết kế của lưới điện), các máy phát điện hay các máy phát hợp bộ và các động cơ điện đang vận hành Ngoài ra dòng ngắn mạch còn phụ thuộc vào chế độ vận hành của lưới điện trước khi xảy ra ngắn mạch Vì vậy rất khó xác định được trạng thái của tải để dòng ngắn mạch là lớn nhất hay nhỏ nhất tại các vị trí sự cố khác nhau trên lưới điện IEC 60 909 giới thiệu cách tính toán ngắn mạch với điện

áp tương đương c.U / 3n tại vị trí sự cố Tuy nhiên theo các điều tra chỉ ra rằng hệ

số điện áp c tuy đã làm tăng độ chính xác của phép tính nhưng vẫn không đủ độ chính xác để tính toán dòng điện ngắn mạch lớn nhất, khi ta bỏ qua các quá trình trong chế độ siêu quá độ của máy phát điện, máy phát hợp bộ và ảnh hưởng của các máy biến áp

Như đã trình bày ở trên hệ số c trong bảng tại chương 1 áp dụng với: lưới điện có đọ lệch giữa điện áp lớn nhất và điện áp định mức của lưới điện trong chế

độ vận hành bình thường không quá 5% đối với lưới điện có điện áp thấp và 10% đối với lưới điện có điện áp cao.Thông thường trong các lưới điện có tần số 50Hz hoặc 60Hz thì điện áp điện áp cao nhất và điện áp thấp nhất không chênh lệch quá 10% so với điện áp định mức của lưới điện Trong các chế độ đặc biệt xảy ra với các máy phát điện hay các máy phát hợp bộ có điện kháng siêu quá độ lớn ( "

E

X ) và điện áp ngắn mạch phần trăm của máy biến áp lớn (u %N ), có thể kiến cho sụt áp trong lưới điện lớn hơn 10% Chính vì lý do này mà các hệ số hiệu chỉnh trở kháng

là cần thiết, nhằm mục đích đạt được giá trị tính toán tin cậy cho dòng điện ngắn mạch lớn nhất

Để tính toán dòng điện ngắn mạch lớn nhất và các dòng điện ngắn mạch phân bố, khi tính toán điện trở cũng như điện kháng thay thế của các phần tử cần

thiết phải đưa thêm vào các hệ số hiệu chỉnh đối với tổng trở của máy phát (K ) và E

tổng trở của máy phát hợp bộ (KKW) cùng với hệ số điện áp cực đại: cmax, đặc biệt

là khi mà điện kháng siêu quá độ "

E

X của máy phát có giá trị lớn

2.3.4.1 Hệ số hiệu chỉnh K đối với máy phát điện E

Hệ số hiệu chỉnh tổng trở của máy phát áp dụng cho các trường hợp máy phát nối trực tiếp vào lưới điện

cU

cosϕ là hệ số công suất của máy phát, ta có: 2

sinϕ = 1 cos− ϕ Trong hệ đơn vị tương đối:

2.3.4.2 Hệ số hiệu chỉnh K đối với máy biến áp hai và ba cuộn dây B

Hệ số hiêu chỉnh tổng trở đối với máy máy biến áp hai và ba cuộn dây theo IEC được tính như sau:

- Đối với máy biến áp 2 cuộn dây, có hay không có bộ điều chỉnh điện áp:

+ Hệ thống thành phần thứ tự thuận: I , I , I A1 B1 C1+ Hệ thống thành phần thứ tự nghịch: I , I , IA 2 B2 C2

Hình 2.13: Sơ đồ mô tả phương pháp thành phần đối xứng

Vecto của ba thành phần quan hệ với vecto dòng điện của ba pha như sau: