Quy định đấu nối các nhà máy điện năng lượng mặt trời vào hệ thống điện

Trong bài viết sẽ trình bày các quy định đấu nối của các nhà máy điện mặt trời vào hệ thống tại các nước, cũng như Việt Nam, cùng với các đặc điểm kĩ thuật liên quan. Các quy định đấu nối đều có điểm chung ở việc phản ánh mức xâm nhập ngày càng tăng của các nguồn phát năng lượng tái tạo vào hệ thống điện, và tập trung vào các vấn đề tần số, điều khiển công suất tác dụng, điện áp, điều khiển công suất phản kháng, chất lượng điện (họa tần, mức nhấp nháy điện áp), và đặc biệt về yêu cầu lướt qua sự cố.

TÓM TẮT – Trong các năm qua sự xâm nhập của các nguồn phát từ năng lượng tái tạo vào hệ thống điện đã không ngừng tăng lên trong tổng thể các nguồn phát điện tại các nước Mức độ thâm nhập ngày càng cao của các nhà máy điện mặt trời, nhà máy năng lượng gió đã và đang đặt ra các vấn đề, cùng với nguy cơ đến sự mất ổn định của hệ thống điện do tính không ổn định nguồn công suất phát phụ thuộc nhiều vào thời tiết, đặc biệt trong trường hợp xảy ra các sự cố trên lưới điện Từ nhiều năm trước, tại các nước đã ban hành các qui định kĩ thuật cho việc đấu nối các nhà máy điện năng lượng mặt trời với lưới điện, ở mức điện áp đấu nối trung áp hay hạ áp Trong bài báo sẽ trình bày các qui định đấu nối của các nhà máy điện mặt trời vào hệ thống tại các nước, cũng như Việt Nam, cùng với các đặc điểm kĩ thuật liên quan Các qui định đấu nối đều có điểm chung ở việc phản ánh mức xâm nhập ngày càng tăng của các nguồn phát năng lượng tái tạo vào hệ thống điện, và tập trung vào các vấn đề tần số, điều khiển công suất tác dụng, điện áp, điều khiển công suất phản kháng, chất lượng điện (họa tần, mức nhấp nháy điện áp), và đặc biệt về yêu cầu lướt qua sự cố.

Từ khóa: năng lượng tái tạo, mức xâm nhập, qui định đấu nối, nhà máy điện mặt trời, khả năng lướt qua sự cố

PGS.TS NGUYỂN HỮU PHÚC

Trường ĐH Bách Khoa – ĐH Quốc Gia TP HCM

QUI ĐỊNH ĐẤU NỐI CÁC NHÀ MÁY ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN

1 GIỚI THIỆU

Các nhà máy phát điện mặt trời (NMĐMT)

theo kĩ thuật quang điện (biến đổi trực tiếp

năng lượng mặt trời thành năng lượng điện)

(photovoltaic power plants) hiện đóng vai trò

ngày càng tăng, trong số các nguồn phát năng

lượng tái tạo phân tán được tích hợp vào các

nguồn phát điện truyền thống trong hệ thống

điện Đặc điểm của các NMĐMT là hầu hết

điện năng được sản xuất ra đều được đấu nối ở

cấp điện áp hạ áp hay trung áp, gần với các hộ

tiêu thụ, do đó hầu như không gây ra quá tải

đối với đường dây truyền tải Mặt khác, nguồn

điện từ các NMĐMT đều được sản xuất ban

ngày, khi nhu cầu tải đang tăng cao, do đó sản

lượng điện được sản xuất sẽ có giá trị cao Tuy

vậy, mức độ xâm nhập (penetration level) ngày

càng cao của các NMĐMT đã và đang đặt ra các

vấn đề, và các nguy cơ đến sự mất ổn định của

hệ thống điện, đặc biệt trong trường hợp khi có

các sự cố trên lưới điện Các qui định đấu nối

(grid codes) (QĐĐN) hiện nay thường yêu cầu

việc đấu nối các NMĐMT vào lưới điện trung

áp tương tự như ở việc đấu nối các nhà máy

điện truyền thống vào cấp điện áp cao Điều

này qui định các NMĐMT được đấu nối vào

mạng trung áp phải có khả năng giúp vào việc

ổn định lưới và không được cắt NMĐMT khỏi

lưới điện trong thời gian xảy ra sự cố trên lưới

điện Yêu cầu này là khác biệt lớn so với các qui

định đấu nối trước đây trong tình hình nguồn

phát từ năng lượng tái tạo vào hệ thống còn

chiếm tỉ trọng không đáng kể, khi đó cho phép NMĐMT cắt đấu nối trong trường hợp xảy ra

sự cố trên lưới Qui định này có ảnh hưởng rất đáng kể đến thiết kế của các NMĐMT [1] Thực tế cho thấy việc đấu nối NMĐMT với lưới điện đặt ra nhiều thách thức trong điều khiển và vận hành, vì vậy việc đấu nối này cần tuân thủ các QĐĐN quốc gia Theo SANDIA (Sandia National Laboratories- Hoa Kì) [4] các

hệ thống phát quang điện (HTPQĐ) thường được phân loại theo các qui mô: dân dụng (residential), phi dân dụng (non-residential)

và qui mô lớn hoặc nhà máy điện (large/ utility scale) Với qui mô dân dụng là HTPQĐ lắp đặt trên mái nhà ở, thường có công suất nhỏ hơn

10 kW HTPQĐ qui mô phi dân dụng được lắp trên các trên nóc các công trình lớn với công suất từ vài chục kW đến vài MW, trong khi với HTPQĐ qui mô lớn hoặc nhà máy điện thường

có công suất từ vài chục MW đến vài trăm MW [6] Các NMĐMT có thể được đấu nối với

hệ thống điện ở cấp hạ áp hoặc trung áp tùy thuộc vào công suất của nhà máy Các QĐĐN của Đức và các nước Tây Âu [7] và SANDIA [4] đề cập đến các yêu cầu kĩ thuật để đấu nối NMĐMT vào điện áp trung áp, trong khi IEEE 929-2000 [5] chủ yếu với các quy định đấu nối của các NMĐMT với lưới điện hạ áp, và được điều chỉnh thích hợp trong trường hợp đấu nối vào lưới điện trung áp

Bài báo sẽ trình bày các vấn đề và yêu cầu liên quan đến việc đấu nối của các NMĐMT

vào lưới điện theo các QĐĐN khác nhau, chủ

yếu tại các quốc gia Tây Âu và Hoa Kỳ, tại các

quốc gia này các NMĐMT đã và đang được tích

hợp ngày càng nhiều vào hệ thống điện, cũng

như theo các tiêu chuẩn quốc tế IEC hay IEEE

Bài báo xem xét các tác động của các mức điện

áp lên các QĐĐN, cũng như các yêu cầu vận

hành và điều khiển trong điều kiện làm việc

bình thường và trong điều kiện sự cố, và yêu

cầu về truyền thông, liên lạc SCADA trong các

NMĐMT

II QUI ĐỊNH ĐẤU NỐI

Sau đây là các nét chính trong QĐĐN

đang hiệu lực tại một số quốc gia khi đấu nối

NMĐMT với lưới điện hạ áp hay trung áp

Thông thường, các QĐĐN bao gồm các yêu cầu

kĩ thuật trong hai điều kiện vận hành: khi lưới

điện làm việc bình thường và khi xảy ra sự cố

A Trong điều kiện làm việc bình thường

Khi lưới điện làm việc bình thường các yêu

cầu của QĐĐN thể hiện qua các mục: độ lệch

tần số, độ lệch điện áp, điều khiển công suất tác

dụng và điều khiển công suất phản kháng, dòng

ngắn mạch giới hạn, chất lượng điện năng (họa

tần, nhấp nháy điện áp)

A.1 Độ lệch tần số

Theo IEEE 929-2000, NMĐMT công suất

nhỏ (< 1 MW) khi đấu nối vào lưới điện hạ

áp phải làm việc bình thường trong dải tần số

từ 59.3 Hz (98.83%) đến 60.5 Hz (100.83%),

ở tần số danh định 60 Hz Điều này có nghĩa

NMĐMT phải cắt ra khỏi lưới khi tần số giảm

xuống còn 59.2 Hz (98,66%) hay khi tăng cao

lên 60.6 Hz (101%) Khi tần số nằm ngoài dải

giới hạn trên, biến tần NMĐMT phải cắt ra

khỏi lưới điện trong vòng 6 chu kì (100 ms)

Trong khi đó, IEC 61727 [6] qui định dải tần số

từ 49 Hz (98%) đến 51 Hz (102%), ở tần số danh

định 50 Hz, và khi tần số hệ thống nằm ngoài

dải giới hạn trên, biến tần phải cắt ra khỏi lưới

điện trong vòng 10 chu kì (200 ms)

Khi NMĐMT đấu nối vào lưới điện trung

áp, độ lệch tần số cho phép được cho trong

Bảng 1, theo các QĐĐN của Đức, Pháp, Tây

Ban Nha [1]

BẢNG 1 Dải tần số làm việc theo QĐĐN tại

Đức, Pháp, Tây Ban Nha khi đấu nối NMĐMT

vào lưới điện trung áp

Dải tần số < f < 47.5

51.5

48 < f

< 51 47.5 < f < 52 Thời gian

cắt khi vượt tần số (over-frequency trip time)

10 chu kì

Không

áp dụng

Không

áp dụng

Thời gian cắt khi dưới tần

số (under-frequency trip time)

10 chu kì

Không

áp dụng

Không

áp dụng

Theo SANDIA và Western Electricity Coordinating Council (WECC) và The North American Electric Reliability Corporation (NERC) [8] các qui định về tần số khi đấu nối NMĐMT quy mô lớn vào lưới điện trung áp cần phải nằm trong dải tần số cho phép như trong Hình 1 và Bảng 2

BẢNG 2 Dải tần số làm việc của QĐĐN theo WECC (frequency ride-through requirements) ở tần số 60 Hz

Dải tần số theo QĐĐN WECC Giới hạn dưới tần số trên tần sốGiới hạn

Thời gian cắt lớn nhất (chu kì)

> 59.4 60 đến < 60.6 dụng (liên Không áp

tục)

Hình 1 Đường cong NERC PRC-024 (frequency

ride-through curves) ở tần số 60 Hz

Theo trên, rõ ràng có sự khác biệt khá nhiều

về qui định độ lệch tần số trong các QĐĐN tại

các quốc gia khác nhau

A.2 Độ lệch điện áp

Theo IEEE 929-2000, một NMĐMT công

suất nhỏ khi đấu nối với lưới điện ở cấp hạ

áp phải làm việc bình thường trong dải điện

áp 106-132V tại điểm nối chung (PCC= point

of common coupling), tức 88% đến 110% ở

điện áp danh định 120 V Điều đó có nghĩa là

NMĐMT sẽ cắt khỏi hệ thống, khi điện áp làm

việc nằm ngoài các giới hạn này, với thời gian

cắt đấu nối cho trong Bảng 3 Đối với cấp điện

áp hạ áp khác với 120 V, tỉ lệ 88% - 110% điện áp

danh định vẫn được áp dụng Theo IEC 61727

dải điện áp cho các NMĐMT đấu nối với lưới

hạ áp là từ 85% đến 110% của điện áp hạ áp

danh định, với thời gian cắt khỏi lưới điện cho

trong Bảng 4 khi điện áp làm việc lệch khỏi các

giới hạn điện áp cho phép

Bảng 3 Dải điện áp làm việc của QĐĐN theo

IEEE 929-2000 ở cấp hạ áp 120 V, tần số 60 Hz

Điện áp tại PCC (điện

áp 120 V) Thời gian cắt lớn nhất (chu kì)

88.33% < V < 110% Làm việc bình thường

Bảng 4 Dải điện áp làm việc của QĐĐN theo

IEC 61627 ở cấp điện áp hạ áp, tần số 60 Hz

Điện áp làm việc Thời gian cắt nhỏ nhất (chu kì)

85% < V < 110% Làm việc bình thường

Bảng 5 Dải điện áp làm việc tại các quốc gia

có mức xâm nhập cao của NMĐMT

80% < V <

110% 85% < V < 110% 90% < V < 110%

Ở những nước với mức xâm nhập của NMĐMT khá cao trong hệ thống điện, theo QĐĐN giới hạn điện áp sẽ như trong Bảng 5, khi các NMĐMT đấu nối vào lưới điện hạ áp Trong Bảng 5, mức tăng điện áp tối đa cho phép gây ra bởi các HTQĐ cần nhỏ hơn 3% và được tính toán dựa vào công suất ngắn mạch tại điểm PCC và công suất biểu kiến của NMĐMT [6]

A.3 Điều khiển công suất tác dụng

Các QĐĐN yêu cầu 2 chế độ điều khiển công suất tác dụng khi đấu nối NMĐMT vào lưới trung áp Chế độ vận hành 1 là khi nhà máy hoạt động với công suất phát ra không đổi, trong khi chế độ 2 là khi nhà máy được yêu cầu

để tham gia vào việc điều khiển tần số của lưới điện Trong chế độ 2 cần điều khiển công suất phát của NMĐMT bằng cách giảm công suất với các mức theo bội số của 10% của công suất định mức Thông thường, các mức đặt công suất là 100%, 60%, 30% và 0% của công suất đặt của NMĐMT [1] Hình 3 và Hình 4 lần lượt cho thấy mức giảm công suất phát tác dụng đối với các nhà máy điện năng lượng gió NMĐNLG và NMĐMT theo mức tăng tần số

Hình 2 Điều khiển công suất tác dụng-tần số đối với

NMĐNLG

Hình 3 Điều khiển công suất tác dụng-tần số đối với

NMĐMT

Về mặt vận hành, khi tần số hệ thống cao

hơn hay thấp hơn tần số danh định có nghĩa

công suất phát ra của hệ thống đang lớn hơn

hay nhỏ hơn, so với công suất yêu cầu của

phụ tải Trong hệ thống điện làm việc với các

nhà máy điện từ nguồn năng lượng tái tạo, với

NMĐNLG chẳng hạn, đứng về quan điểm an

ninh và ổn định của hệ thống điện, cần có các

nhà máy điện trong hệ thống với mức độ dự

trữ quay (spinning reserve) luôn sẵn sàng đáp

ứng nhanh khi có sự thay đổi về tần số trên hệ

thống, bằng cách giảm hoặc tăng sản lượng của

các nhà máy này một cách tự động như trong

Hình 2 Đường liền nét trên Hình 2 của QĐĐN

cho NMNLG là quan hệ công suất phát theo tần

số khi NMNLG làm việc trong chế độ vận hành

1, khi đó nhà máy hoạt động với công suất phát

ra không đổi theo giới hạn công suất của nhà

máy (capacity limit) cho đến tần số 50.2 Hz, sau

đó công suất phát sẽ giảm xuống trong khoảng

tần số 50.2 đến 51.2 Hz, và hoàn toàn cắt khỏi

lưới điện khi tần số lớn hơn 51.3 Hz Đường

đứt nét là khi NMNLG làm việc trong chế độ

vận hành 2 theo mức đặt 50% công suất định

mức trong dải chết (dead band) 49.7 đến 50.3

Hz, và khi tần số ra ngoài dải này công suất

phát ra thay đổi theo tần số, bắt đầu trong dải

tần từ 48.7 đến 51.3 Hz Các yêu cầu này cũng

được áp dụng tương tự cho các NMĐMT như

trong Hình 3 Hình 3 cho thấy NMĐMT có

công suất phát tác dụng được điều khiển theo

tần số, và công suất phát NMĐMT phải được

giảm theo độ dốc 40%*Pm/ Hz khi tần số tăng

cao hơn 100.4% tần số danh định (50.2 Hz, ở

tần số hệ thống 50 Hz), với Pm là công suất đang

phát vào lưới Công suất phát của nhà máy được

điều khiển tăng khi tần số thấp dưới 100.1%

Khi tần số cao trên 103% hoặc thấp dưới 95%,

NMĐMT phải được cắt khỏi lưới [1]

A.4 Điều khiển công suất phản kháng

Các NMĐMT đấu nối với lưới điện trung

áp phải có khả năng phát công suất phản kháng

vào lưới điện, tại bất kì điểm làm việc nào, nhằm

đạt hệ số công suất trong khoảng 0.95 trễ và

0.95 sớm [1,7], để hỗ trợ cho việc ổn định điện

áp lưới trong điều kiện làm việc bình thường

Theo QĐĐN công suất phản kháng được phát

ra trong thời gian NMĐMT làm việc, nghĩa là

nhà máy không có yêu cầu phải phát công suất

phản kháng về đêm Điểm đặt công suất phát

phản kháng có thể là một trong các chế độ sau

[4,7]:

• hệ số công suất cố định

• hệ số công suất thay đổi, tùy theo công suất

tác dụng (Hình 4)

• công suất phản kháng MVAR không đổi

• công suất phản kháng thay đổi tùy vào điện áp (Hình 5 và Hình 6)

Thông thường, nhà máy phải có khả năng phát ra công suất phản kháng trong vòng vài

phút và lặp lại, trong trường hợp cần thiết

Để cải thiện điện áp trong trường hợp ngắn mạch đối xứng trên lưới, hay khi lưới mang tải lớn ổn định, QĐĐN của Đức cho NMĐMT đấu nối vào lưới trung áp cần phát ra dòng phản kháng theo quan hệ dòng- độ giảm áp phần trăm, như trong Hình 5 [1] Đường màu đỏ trên Hình 5 cho thấy, nếu ngoài dải chết của điện

áp (voltage dead band) trong khoảng 0.9-1.1

Uđm, và khi điện áp giảm nhiều hơn 10% điện

áp định mức, bộ điều khiển sẽ phản ứng sao cho NMĐMT phải phát dòng phản kháng vào phía điện áp thấp (trung áp) của máy biến áp với giá trị dòng ít nhất bằng 2% giá trị dòng định mức, cho mỗi phần trăm độ giảm điện áp [4, 7], và nhà máy phải có khả năng phát dòng phản kháng theo yêu cầu vào lưới trong thời khoảng 20 ms Trường hợp cần thiết, nhà máy phải có khả năng cung cấp dòng phản kháng

Hình 4 Quan hệ cosφ theo công suất P của NMĐMT đấu

nối vào lưới trung áp.

Hình 5 Quan hệ dòng phát phản kháng theo độ giảm điện áp phần trăm, theo QĐĐN Đức đối với NMĐMT đấu

nối vào lưới trung áp

bằng 100% dòng điện định mức Trong trường

hợp sự cố không đối xứng, dòng phát phản

kháng không được vượt quá các giá trị gây ra

điện áp cao hơn 110% điện áp danh định, đối

với các pha không bị sự cố

Theo QĐĐN Tây Ban Nha, quan hệ dòng

phát phản kháng theo thay đổi điện áp được xác

định bởi đường gãy ABCD (Hình 6) Trong điều

kiện quá áp dòng phản kháng được xác định

bởi đoạn D’C’, đối xứng với đoạn CD của đường

ABCD Rơle điều khiển tác động cắt NMĐMT

khỏi lưới khi điện áp làm việc vượt quá 1.3 p.u

điện áp danh định

Khi NMĐMT đấu nối với lưới điện hạ áp,

nhà máy phải làm việc ở hệ số công suất cao

hơn 0.85 (trễ hay sớm) khi công suất phát tác

dụng lớn hơn hơn 10% công suất định mức

Thông thường, hầu như các bộ biến tần trong

NMĐMT được thiết kế để làm việc với hệ số

công suất gần bằng 1 Một số HTQĐ với thiết

kế đặc biệt để phát công suất phản kháng nằm

ngoài giới hạn trên cần được sự đồng ý của cơ

quan quản lí hệ thống điện [5]

A.5 Giới hạn dòng ngắn mạch

Dòng điện ngắn mạch có thể vượt quá giới

hạn qui định tại điểm đấu nối của NMĐMT

Với các nhà máy điện thông thường với các máy

phát đồng bộ, dòng ngắn mạch có thể lên đến 8

lần dòng định mức, tuy vậy với một NMĐMT,

dòng điện ngắn mạch không khác nhiều với

dòng định mức [6] Do đó, không cần đến

thiết bị giới hạn dòng điện ngắn mạch cho các

NMĐMT

A.6 Chất lượng điện

A.6.1 Họa tần

Các thành phần họa tần trong dòng điện phát ra bởi NMĐMT phải phù hợp với điều 10 của IEEE Std 519-1992 [9] Các giới hạn họa tần được tóm tắt như sau:

• Phần trăm tổng méo dạng dòng họa tần tại PCC phải nhỏ hơn 5%, so với dòng họa tần cơ bản ở công suất định mức biến tần

• Giới hạn thành phần dòng họa tần riêng lẻ được liệt kê trong Bảng 6, ở các mức điện áp khác nhau từ 120 V đến 69 kV và lớn hơn Thành phần dòng họa tần bậc chẵn phải nhỏ hơn 25% giới hạn họa tần bậc lẻ cho trong Bảng 6

Các giới hạn trên là cho các biến tần 6 xung, tuy vậy Tiêu chuẩn IEEE [9] cũng đưa ra công thức chuyển đổi cho các biến tần có số xung lớn hơn 6, cũng cho các giới hạn họa tần khác nhau cho các cấp điện áp khác nhau tại điểm PCC (Bảng 7)

Bảng 6 Giới hạn dòng họa tần theo IEEE

929-1992 đối với biến tần 6 xung

Bảng 7 Giới hạn điện áp họa tần theo IEEE 519-1992

Điện áp tại PCC

Giới hạn méo dạng điện áp riêng lẻ (%)

Tổng méo dạng điện áp (THD %)

69 KV và

69.001 KV

Lớn hơn

A.6.2 Nhấp nháy điện áp

Mức nhấp nháy điện áp (voltage flicker) biểu hiện cho sự thay đổi có tính chu kì của biên độ điện áp ảnh hưởng đến thay đổi cường

độ sáng của đèn sợi đốt, và có thể ảnh hưởng đến hoạt động của một số thiết bị điện như máy tính, thiết bị đo lường và thiết bị liên lạc Bất

Hình 6 Quan hệ dòng phản kháng NMĐMT phát vào

lưới trung áp theo thay đổi điện áp, theo QĐĐN của

Tây Ban Nha

kỳ mức nhấp nháy điện áp nào do việc đấu nối

của các biến tần vào hệ thống đều không được

phép vượt quá giới hạn cho phép Trong Hình 7

[1], mức nhấp nháy khi NMĐMT làm việc với

lưới điện không được vượt quá đường bao gây

khó chịu cho việc nhìn (irritation border lines),

nhằm giảm thiểu các hiệu ứng gây hại cho người

sử dụng trên hệ thống điện

Trong điều kiện vận hành bình thường, mức

nhấp nháy điện áp tại mọi điểm đấu nối không

được vượt quá giới hạn quy định cho trong

Bảng 8 [2], trong đó:

a) Mức nhấp nháy điện áp ngắn hạn (Pst) là

giá trị đo được trong khoảng thời gian 10 phút

bằng thiết bị đo tiêu chuẩn theo IEC 868 Pst95%

là ngưỡng giá trị của Pst sao cho trong khoảng

95 % thời gian đo (ít nhất một tuần) và 95 % số

vị trí đo Pst không vượt quá giá trị này;

Bảng 8 Mức nhấp nháy điện áp đối với lưới

phân phối

b) Mức nhấp nháy điện áp dài hạn (Plt) được

tính từ 12 kết quả đo Pst liên tiếp (trong khoảng

thời gian 02 giờ), theo công thức:

3

12 1

3

12

=

∗

=

j stj

P

khoảng 95 % thời gian đo (ít nhất 01 tuần) và 95% số vị trí đo Plt không vượt quá giá trị này

B Trong điều kiện xảy ra sự cố trên lưới

Hiện nay các QĐĐN đều yêu cầu khả năng lướt qua sự cố (fault ride-through capability= FRT) đối với các NMĐMT công suất lớn đấu nối vào lưới điện trung áp, với mục đích NMĐMT vẫn phải làm việc với lưới điện trong thời gian

sự cố thoáng qua trên lưới, và đồng thời hỗ trợ

ổn định lưới Trước đây, khi mức độ xâm nhập của nhà máy điện năng lượng tái tạo vào hệ thống điện là chưa đáng kể, các QĐĐN thường không đặt ra yêu cầu về FRT Ngày nay, khi mà khi mức độ xâm nhập của nhà máy điện năng lượng tái tạo vào hệ thống điện ngày càng tăng lên, việc một NMĐMT công suất tương đối lớn lại bị cắt ra khỏi lưới ngay khi có sự cố xảy ra, thay vì lẽ ra phải tiếp tục làm việc trên lưới và giúp hệ thống quay về điểm hoạt động ở trạng thái ổn định, rõ ràng sẽ dẫn đến sự ổn định lưới

bị ảnh hưởng theo chiều hướng càng xấu hơn

Vì thế yêu cầu FRT có liên quan mật thiết đến cách thức NMĐMT phải tiếp tục làm việc trong trường hợp điện áp trên hệ thống điện giảm thấp do sự cố là nhằm duy trì tính

ổn định lưới, độ tin cậy và an ninh hệ thống điện Thường yêu cầu FRT được mô tả qua một đường cong cho trong QĐĐN, với dạng cơ bản như trong Hình 8 [6]: với các điểm làm việc nằm trên đường liền nét, NMĐMT vẫn đấu nối với lưới điện, trong khi với các điểm làm việc nằm dưới đường liền nét, NMĐMT sẽ phải cắt ra khỏi lưới điện Tuy vậy, tại mỗi quốc gia QĐĐN lại có thể thêm các ràng buộc khác cho đường cong FRT, cho việc đấu nối và cắt khỏi lưới điện của nhà máy Bốn tham số chính qui định các yêu cầu FRT: điện áp nhỏ nhất trong thời gian diễn ra sự cố (Vmin), thời gian diễn ra sự cố, thời gian phục hồi điện áp và điện áp trạng thái ổn định (Vss) (Hình 8) Các yêu cầu về FRT được

áp dụng cho cả NMĐNLG và NMĐMT

Đối với NMĐNLG, các thông số FRT theo một số QĐĐN đựợc cho trong Bảng 9, và Hình

9 thể hiện các giới hạn FRT đối với NMĐMT theo QĐĐN của các quốc gia (Đức, Ý, Tây Ban Nha, Hoa Kì, Úc, Đan Mạch, Nhật Bản), và Hình

10 cho QĐĐN của Đức (hiện nay là qui định có tính nghiêm ngặt nhất) Theo Hình 10, NMĐMT không được cắt khỏi lưới khi điểm làm việc nằm trên đường biên 1, nghĩa là nhà máy sẽ không được cắt ra ngay cả khi điện áp giảm xuống mức 0% của điện áp danh định trong khoảng thời gian 150 ms sau thời điểm xảy ra sự cố (fault occurrence), tức 7.5 chu kỳ đối với 50Hz Thời gian phục hồi điện áp không được vượt quá 1500

Hình 7 Đường cong giới hạn của mức nhấp nháy điện áp

ms (75 chu kỳ trên hệ thống 50Hz) với mức điện

áp tối thiểu cho phép khi quay về trạng thái ổn

định bằng 90% điện áp định mức Bên dưới

đường biên 3 (liền nét, màu xanh biển) không

có yêu cầu duy trì đấu nối với lưới điện Trong

khu vực nằm trên đường 2 và dưới đường 1, có

các tùy chọn sau tùy theo thỏa thuận với trung

tâm điều độ hệ thống điện: hoặc vẫn tiếp tục phát

điện khi có sự cố ngắn mạch, hoặc thực hiện cắt

mạch trong thời gian ngắn, tối đa 2 giây, hoặc

đường 2 có thể được thay đổi, tùy vào quan điểm

đấu nối Dưới đường biên 2 có thể chấp nhận cắt

mạch NMĐMT trong thời gian ngắn hay kéo dài

C Yêu cầu tích hợp SCADA

QĐĐN yêu cầu về đảm bảo thông tin liên

lạc giữa NMĐMT và công ti quản lí lưới điện

truyền tải nhằm bảo đảm độ tin cậy của hệ thống

Các dữ liệu trên hệ thống SCADA được chia sẻ

với mục đích giám sát theo thời gian thực các

hoạt động và điều khiển (đóng, cắt, điều phối

công suất phát,…), đánh giá trạng thái nhằm

xác định độ ổn định thời gian thực, sơ đồ ứng

cứu khi sự cố, truyền thông, các vấn đề an toàn

(đóng/cắt thiết bị) Hệ thống SCADA nội bộ

trong NMĐMT bao gồm bộ thu thập dữ liệu,

RTU, bộ truyền thông có khả năng đo lường và

thu thập dữ liệu về nhiệt độ các tấm pin, bức xạ

mặt trời, điện áp và dòng điện một chiều, điện

áp và dòng điện xoay chiều của biến tần, trạng

thái các rơle,… Bộ thu thập dữ liệu bao gồm

các biến dòng (DCT và ACT), biến điện áp và

bộ phận truyền thông RS485 hay Ethernet như

trên Hình 12 [10]

Hình 11 cho thấy đường cong yêu cầu FRT

theo các QĐĐN NERC PRC-024-1

Bảng 9 Các yêu cầu FRT đối với NMĐNLG tùy theo QĐĐN tại các quốc gia

QĐĐN Thời gian sự cố

(ms)

Thời gian sự

cố (chu kì,

50 Hz)

Điện áp nhỏ nhất (% điện

áp danh định Vnom)

Thời gian phục hồi điện

áp (sec)

Đan

Tây Ban

D Quy định kỹ thuật đấu nối nguồn phân tán vào hệ thống điện tại Việt Nam

Hiện nay, Việt Nam chưa ban hành Quy trình hướng dẫn chi tiết về yêu cầu kỹ thuật cho việc đấu nối các nhà máy điện sử dụng nguồn năng lượng mặt trời nói riêng, nhà máy điện sử dụng nguồn năng lượng tái tạo nói chung Các chỉ tiêu kỹ thuật cho việc đấu nối điện mặt trời đang được xác định theo Thông tư số 39/2015/ TT-BCT ban hành ngày 18/11/2015 về Quy định hệ thống điện phân phối, và Thông tư số 25/2016/TT-BCT ban hành ngày 30/11/2016 về Quy định hệ thống điện truyền tải Sau đây là trích dẫn Mục 4 về yêu cầu kỹ thuật đối với nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời, Điều 42 Thông tư 39/2015/TT-BCT [2]

Hình 10 Các thông số theo yêu cầu FRT theo QĐĐN Đức

Hình 8 Dạng tổng quát đường cong lướt qua sự cố (FRT)

Hình 9 So sánh các đường cong FRT theo các QĐĐN

khác nhau

Mục 4 YÊU CẦU KỸ THUẬT ĐỐI VỚI

NHÀ MÁY ĐIỆN GIÓ, NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT

TRỜI

Điều 42 Yêu cầu kỹ thuật đối với nhà máy

điện gió, nhà máy điện mặt trời

1 Nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời

phải có khả năng duy trì vận hành phát công

suất tác dụng trong dải tần số từ 49 Hz đến 51

Hz theo các chế độ sau:

a) Chế độ phát tự do: Vận hành phát điện

công suất lớn nhất có thể theo sự biến đổi của

nguồn năng lượng sơ cấp (gió hoặc mặt trời);

b) Chế độ điều khiển công suất phát

Nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời

phải có khả năng điều chỉnh phát công suất tác

dụng theo lệnh của Cấp điều độ có quyền điều

khiển phù hợp với sự biến đổi của nguồn năng lượng sơ cấp trong thời gian không quá 30 giây với độ sai số trong dải ± 1% công suất định mức,

cụ thể như sau:

- Phát công suất theo đúng lệnh điều độ trong trường hợp nguồn sơ cấp biến thiên bằng hoặc lớn hơn giá trị dự báo;

- Phát công suất lớn nhất có thể trong trường hợp nguồn sơ cấp biến thiên thấp hơn giá trị dự báo

2 Trong chế độ vận hành bình thường, nhà

máy điện gió và nhà máy điện mặt trời phải có khả năng phát công suất tác dụng và đảm bảo không bị ảnh hưởng do điện áp tại điểm đấu nối thay đổi trong dải cho phép quy định tại Điều 6 của Thông tư này

3 Nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời

tại mọi thời điểm đang nối lưới phải có khả năng duy trì vận hành phát điện trong thời gian tối thiểu tương ứng với các dải tần số vận hành theo quy định tại Bảng 10

4 Khi tần số hệ thống điện lớn hơn 51 Hz,

nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời phải giảm công suất tác dụng với tốc độ không nhỏ hơn 1% công suất định mức mỗi giây Mức giảm công suất tương ứng với tần số được xác định theo công thức sau, trong đó:

Bảng 10 Thời gian tối thiểu duy trì vận hành phát điện của nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời tương ứng với các dải tần số của hệ thống điện Dải tần số của

hệ thống điện duy trì tối thiểuThời gian

- ΔP: Mức giảm công suất phát tác dụng (MW);

- Pm: Công suất tác dụng tương ứng với thời điểm trước khi thực hiện giảm công suất (MW);

- fn: Tần số hệ thống điện trước khi thực hiện giảm công suất (Hz)

5 Nhà máy điện gió và nhà máy điện mặt

trời phải có khả năng điều chỉnh công suất phản kháng và điện áp như sau:

a) Trường hợp nhà máy điện phát công suất

Hình 11 Yêu cầu FRT theo QĐĐN (NERC) PRC-024-1

Hình 12 SCADA trong NMĐMT

tác dụng lớn hơn hoặc bằng 20 % công suất

tác dụng định mức và điện áp trong dải vận

hành bình thường, nhà máy điện phải có khả

năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng

trong dải hệ số công suất 0.95 (ứng với chế độ

phát công suất phản kháng) đến 0.95 (ứng với

chế độ nhận công suất phản kháng) tại điểm

đấu nối (PCC) ứng với công suất định mức;

b) Trường hợp nhà máy điện phát công

suất tác dụng nhỏ hơn 20 % công suất định

mức, nhà máy điện có thể giảm khả năng nhận

hoặc phát công suất phản kháng phù hợp với

đặc tính của tổ máy phát điện;

c) Trường hợp điện áp tại điểm đấu nối

trong dải ± 10 % điện áp định mức, nhà máy

điện phải có khả năng điều chỉnh điện áp tại

điểm đấu nối với độ sai lệch không quá ± 0.5

% điện áp định mức (so với giá trị đặt điện áp)

trong toàn bộ dải làm việc cho phép của tổ

máy phát điện và hoàn thành trong thời gian

không quá 02 phút;

d) Trường hợp điện áp tại điểm đấu nối

biến thiên ngoài dải ±10 % điện áp định mức,

nhà máy điện phải có khả năng điều chỉnh

công suất phản kháng ở mức tối thiểu 2 % so

với công suất phản kháng định mức tương ứng

với mỗi % điện áp biến thiên tại điểm đấu nối

6 Nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời

tại mọi thời điểm đang nối lưới phải có khả

năng duy trì vận hành phát điện tương ứng với

dải điện áp tại điểm đấu nối trong thời gian

như sau:

a) Điện áp dưới 0.3 pu, thời gian duy trì tối

thiểu là 0.15 giây;

b) Điện áp từ 0.3 pu đến dưới 0.9 pu, thời

gian duy trì tối thiểu được tính theo công thức

sau:

Tmin = 4U – 0.6, trong đó:

- Tmin (giây): Thời gian duy trì phát điện tối

thiểu;

- U (pu): Điện áp thực tế tại điểm đấu nối

tính theo đơn vị pu

c) Điện áp từ 0.9 pu đến dưới 1.1 pu, nhà

máy điện gió và nhà máy điện mặt trời phải duy

trì vận hành phát điện liên tục;

d) Điện áp từ 1.1 pu đến dưới 1.15 pu, nhà

máy điện gió và nhà máy điện mặt trời phải duy

trì vận hành phát điện trong thời gian 3 giây;

e) Điện áp từ 1.15 pu đến dưới 1.2 pu, nhà

máy điện gió và nhà máy điện mặt trời phải duy

trì vận hành phát điện trong thời gian 0.5 giây

7 Nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời

phải đảm bảo không gây ra thành phần thứ tự nghịch của điện áp pha tại điểm đấu nối quá 1

% điện áp danh định Nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời phải có khả năng chịu được thành phần thứ tự nghịch của điện áp pha tại điểm đấu nối tới 3 % điện áp danh định đối với cấp điện áp từ 220 kV trở lên

8 Tổng mức biến dạng sóng hài do nhà máy

điện gió, nhà máy điện mặt trời gây ra tại điểm đấu nối không vượt quá giá trị 3 %

9 Mức nhấp nháy điện áp do nhà máy điện

gió, nhà máy điện mặt trời gây ra tại điểm đấu nối không được vượt quá giá trị quy định tại Điều 9 Thông tư này

Bảng 11 Mức nhấp nháy điện áp đối với

lưới truyền tải

Trong đó: Plt95% là ngưỡng giá trị của Plt sao cho trong khoảng 95 % thời gian đo (ít nhất 01 tuần) và 95 % số vị trí đo Plt không vượt quá giá trị này; Pst95% là ngưỡng giá trị của Pst sao cho trong khoảng 95 % thời gian đo (ít nhất 1 tuần) và 95 % số vị trí đo Pst không vượt quá giá trị này

III ĐÁNH GIÁ VỀ NHỮNG QUY ĐỊNH

KĨ THUẬT ĐỐI VỚI NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN

Về cơ bản, quy định kĩ thuật đối với nguồn điện phân tán khi đấu nối vào lưới điện phân phối của Việt Nam được thể hiện trong thông

tư 39/2015/TT-BCT đã đáp ứng được những yêu cầu cần thiết khi đấu nối nguồn điện phân tán vào lưới phân phối trung áp Đánh giá về những yêu cầu kĩ thuật khi đấu nối nguồn điện phân tán vào hệ thống điện của Việt Nam và một số quốc gia trên thế giới được trình bày như sau [3]:

1 Tiêu chuẩn về tần số Thông tư 39/2015/TT-BCT quy định dải tần số làm việc bình thường của nguồn điện phân tán rộng hơn so với tiêu chuẩn của Hoa Kì nhưng lại hẹp hơn so với tiêu chuẩn của một số quốc gia Tây và Bắc Âu

2 Tiêu chuẩn về điện áp

Thông tư 39/2015/TT-BCT quy định dải

điện áp làm việc của nguồn điện phân tán tại

điểm đấu nối nhà máy điện với lưới điện là

+10% và -5% Trong khi Hoa Kì, Anh và các

quốc gia Bắc Âu quy định dải làm việc bình

thường này là +5% và -10% Như vậy quy định

về dải điện áp làm việc của nhà máy điện trong

lưới phân phối không chỉ gây khó khăn cho vận

hành nguồn điện phân tán đấu nối vào lưới

điện trung áp (giới hạn dưới cao) mà còn có thể

ảnh hưởng đến chất lượng điện năng cung cấp

cho khách hàng trên lưới trung áp ( giới hạn

trên cao)

3 Yêu cầu về hệ thống bảo vệ

Mặc dù yêu cầu về hệ thống bảo vệ giữa các

quốc gia không có sự thống nhất nhưng các

quốc gia này đều yêu cầu nguồn điện phân tán

phải trang bị một số loại bảo vệ với thông số

cụ thể Trong khi đó thông tư 39/2015/TT-BCT

chưa đề cập đến những yêu cầu này Thông tư

39/2015/TT-BCT đưa việc trang bị hệ thống

bảo vệ của nguồn điện phân tán là thỏa thuận

giữa đơn vị phân phối điện và khách hàng

4 Tiêu chuẩn về chất lượng điện

Các tiêu chuẩn về chất lượng điện năng được

trình bày trong thông tư 39/2015/TT-BCT đã

bám sát với các tiêu chuẩn quốc tế mà nhiều

quốc gia đang áp dụng và phù hợp với điều kiện

thực tế của Việt Nam

IV KẾT LUẬN

Hiện nay các QĐĐN cho NMĐMT tại

một số quốc gia qui định các yêu cầu chi

tiết về mặt kĩ thuật khi các nhà máy điện

từ nguồn năng lượng tái tạo được đấu nối

vào lưới điện trung hay hạ áp Các qui định

này phản ánh mức xâm nhập ngày càng tăng

của các nguồn phát năng lượng tái tạo vào

hệ thống điện Nhìn chung, các QĐĐN đều

tập trung vào các vấn đề: điều khiển tần số/

công suất tác dụng, điện áp/ công suất phản

kháng, chất lượng điện (họa tần, mức nhấp

nháy điện áp), và đặc biệt về yêu cầu lướt qua

sự cố FRT Các QĐĐN được trình bày trong

thông tư 39/2015/TT-BCT tương đối bám sát

với các tiêu chuẩn quốc tế mà nhiều quốc gia

đang áp dụng và phù hợp với điều kiện thực

tế của Việt Nam, và cơ bản, quy định kĩ thuật

đối với nguồn điện phân tán khi đấu nối vào

lưới điện phân phối của Việt Nam được thể hiện trong thông tư trên có thể đáp ứng được những yêu cầu cần thiết khi đấu nối nguồn điện phân tán vào lưới phân phối trung áp

TÀI LỆU THAM KHẢO

[1] Overview of Grid Code and Operational Requirements of Grid-Connected Solar PV Power Plants; H Khairy1, M EL-Shimy, G Hashem; Industry Academia Collaboration Conference (IAC), 2015, Energy and Sustainable Development Track, Apr 6-8, Cairo- Egypt, http://www.iacconf.com/

[2] Thông tư 39/2015/TT-BCT của Bộ Công Thương

[3] Đề Tài “Đánh Giá Ảnh Hưởng của Nhà Máy Điện Mặt Trời Đầm An Khê Đến Lưới Điện Khu Vực Quảng Ngãi”; Trương Ngọc Trọng; tháng 04.2018, Đại Học Đà Nẵng

[4] Utility-Scale Photovoltaic Procedures and Interconnection Requirements, A Ellis, et al., Sandia Report SANDIA 2012- 2090, February 2012

[5] IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems- IEEE Std 929-2000 ,

[6] IEC 61727 Photovoltaic (PV) Systems- Characteristics of the Utility Interface, International Electrotechnical Commission, 2004

[7] New German Grid Codes for Connecting

PV Systems to the Medium Voltage Power Grid; E Troester; 2nd International Workshop

on Concentrating Photovoltaic Power Plants: Optical Design,

Production, Grid Connection, 2009

[8] Draft on Generator Frequency and Voltage Protective Relay Settings (2013), Std N.E.R.C PRC-024-1/Draft 6

[9] IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems, IEEE Std 519-1992, pp.1- 112, 1993

[10] IEEE Guide for Monitoring, Information Exchange, and Control of Distributed Resources Interconnected with Electric Power Systems, IEEE Std 1547.3-2007, pp.1-158, 2007