Xác định vị trí, dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện phân phối

Xác định vị trí, dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện phân phối Xác định vị trí, dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện phân phối Xác định vị trí, dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện phân phối Xác định vị trí, dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện phân phối

TÓM TẮT

Hệ thống điện phân phối thường được quy hoạch và quản lý theo một hướng công suất từ nguồn đến phụ tải Hiện nay, với sự phát triển của các nguồn năng lượng mới các máy phát phân tán (DG) được kết nối nhiều hơn vào hệ thống điện phân phối Việc kết nối DG vào lưới điện phân phối sẽ giúp nâng cao độ tin cậy và khả năng cung cấp điện Tuy nhiên, nó cũng đòi hỏi một cấu hình lưới hợp lý để nâng cao hiệu quả cung cấp điện

Luận văn này tiếp cận bài toán xác định vị trí và công suất máy phát điện phân tán trên lưới điện phân phối có xét đến cấu trúc vận hành lưới điện với mục tiêu

là giảm tổn thất công suất tác dụng trên hệ thống phân phối Giải pháp xác định

vị trí và công suất máy phát điện phân tán tối ưu và xác định cấu trúc vận hành được thực hiện riêng rẽ bằng hai giai đoạn sử dụng thuật toán di truyền Trong đó hai giai đoạn, giai đoạn thứ nhất sử dụng thuật toán di truyền xác định vị trí và công suất tối

ưu của các máy phát phân tán trên lưới điện phân phối kín, giai đoạn thứ hai, giải thuật di truyền được sử dụng để xác định cấu trúc vận hành hở tối ưu của hệ thống

ABSTRACT

Power distribution systems are usually planned and managed in the direction

of power from the source to the load At present, with the development of new energy sources, dispersed generators (DGs) are more connected to the distribution system Connecting DG to distribution grid will improve reliability and power supply However, it also requires a reasonable grid configuration to improve the efficiency of power supply

This paper addresses the problem of determining the location and capacity of distributed generators on distribution grid considering the structure of grid operation with the aim of reducing power loss effect on distribution network The optimal dispersion generator location and capacity determination and operational structure determination were performed separately using two phases using genetic algorithms In which two phases, the first phase uses the genetic algorithm to determine the optimal location and capacity of dispersed generators on the closed distribution grid, the second stage, the genetic algorithm used to determine the optimum operating structure of the system

MỤC LỤC

Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân

Lời cam đoan

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các nghiên cứu liên quan đã công bố 2

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài 4

1.4 Phạm vi nghiên cứu 4

1.5 Phương pháp giải quyết bài toán 4

1.6 Điểm mới của đề tài 4

1.7 Giá trị thực tiễn của đề tài 5

1.8 Bố cục của đề tài 5

Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 Tổng quan về LĐPP và DG 6

2.1.1 Đặc điểm của lưới điện phân phối 6

2.1.2 Các lý do vận hành hình tia LĐPP 6

2.1.3 Định nghĩa về DG 7

2.1.4 Một số công nghệ DG 8

2.1.4.1 Pin mặt trời (photovotaic – PV) 8

2.1.4.2 Máy Phát Turbine Gió (wind turbine – WT) 8

2.1.4.3 Pin nhiên liệu ( Fuel Cell – FC) 9

2.1.4.4 Máy phát động cơ đốt trong (Internal Combustion Engines – ICE) 10

2.1.4.5 Microturbine 11

2.1.4.6 Tủbine khí 11

2.1.5 Mục đích vận hành DG 12

2.1.6 Các tác động của DG lên lưới điện phân phối 13

2.1.7 Lợi ích kinh tế của DG trong hệ thống điện 13

2.1.7.1 Tác động lên giá điện 14

2.1.7.2 Giảm đầu tư nâng cấp hệ thống 14

2.1.7.3 Sử dụng năng lượng rác thải và nhiên liệu linh hoạt 14

2.1.7.4 Nhiệt – điện kết hợp 14

2.1.7.5 Độ tin cậy 15

2.1.7.6 Điện khí hóa các vùng nông thôn xa 15

2.1.8 Một số nguồn năng lượng tái tạo thích hợp với công nghệ DG 15

2.1.8.1 Năng lượng mặt trời 15

2.1.8.2 Năng lượng địa nhiệt 15

2.1.8.3 Năng lượng gió 16

2.1.9 Bài toán xác định số lượng, dung lượng DG có xét đến việc tái cấu hình LĐPP 16

Chương 3 : XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ CÔNG SUẤT NGUỒN PHÂN TÁN TRONG QUY HOẠCH LĐPP 18

3.1 Giới thiệu 18

3.2 Cơ sở toán học 19

3.3 Hàm mục tiêu 21

3.4 Điều kiện ràng buộc 22

3.4.1 Giới hạn công suất phát của các máy phát phân tán 22

3.4.2 Giới hạn dòng điện trên các nhánh và điện áp nút 22

3.5 Phương pháp tiếp cận 22

3.5.1 Giải thuật di truyền 22

3.5.2 Mã hóa các biến trong các giai đoạn 23

3.5.3 Phương pháp đề nghị 23

3.6 Kiểm tra kỹ thuật 24

3.6.1 Lựa chọn thông số 24

3.6.2 LĐPP 33nút 25

3.6.3 LĐPP 69 nút 29

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 32

4.1 Kết luận 32

4.2 Hướng phát triển 32

TÀI LIỆU THAM KHẢO 33

DANH DÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

- CCĐ: Cung cấp điện

- LĐPP: Lưới điện phân phối

- NCKH: Nghiên cứu khoa học

- CIGRE : Hội đồng quốc tế về các hệ thống điện lớn

- DG : Distributed generation : nguồn phân tán

- DOE : Ban năng lượng Mỹ

- EPRI : Viện nghiên cứu năng lượng Mỹ

- CIGRE : Hội đồng quốc tế về các hệ thống lơn

- FCO : Fuse cut out : Cầu chì tự rơi

- LBFCO : Load break fuse cut out : cầu chì tự rơi kết hợp cắt có tải

- ICE : Internal Combustion Engines : Máy phát động cơ đốt trong

- PV : Photovoltaic : Pin mặt trời

- WT : wind turbine : Máy Phát Turbine Gió

- FC : Fuel Cell-FC : Pin nhiên liệu

- CT : Combustion Turbine : Turbine khí

- GA : Genetic Algorithm : Thuật toán di truyền

- HSA: Harmony Search Algorithm : thuật toán tìm kiếm hài hòa

- FWA: thuật toán tối ưu pháo hoa

- CSA: giải thuật cuckoo search algorithm

- NST: Nhiễm sắc thể - PSM : Particle Swarm Method : Thuật toán bầy đàn

- SA : Simulated Annealing Method : Phương pháp mô phỏng luyện kim

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2 1 Lưới điện phân phối có các DG 13

Hình 2 2 Sơ đồ phân loại nguồn điện phân tán 17

Hình 2 3 Photovoltaic - PV 19

Hình 2 4 Wind turbine – WT 20

Hình 2 5 Pin nhiên liệu –FC 21

Hình 3 1 LĐPP kín và hở 35

Hình 3 2 Lưu đồ giải thuật đề nghị 43

Hình 3 3 Lưới điện 33 nút 45

Hình 3 4 Đặc tính hội tụ của GA trong giai đoạn – I trên LĐPP 33 nút 50

Hình 3 5 Đặc tính hội tụ của GA trong giai đoạn – II trên LĐPP 33 nút 51

Hình 3 6 Điện áp các nút trong hai giai đoạn tính toán 52

Hình 3 7 Điện áp trước và sau khi tối ưu lưới điện 52

Hình 3 8 LĐPP 69 nút 54

Hình 3 9 Đặc tính hội tụ của GA trong giai đoạn – I trên LĐPP 69 nút 57

Hình 3 10 Đặc tính hội tụ của GA trong giai đoạn – II trên LĐPP 69 nút 57

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3 1 Thông số mạng 33 nút 45

Bảng 3 2 Kết quả thực hiện hai giai đoạn trên LĐPP 33 nút 48

Bảng 3 3 So sánh kết quả thực hiện với các phương pháp trên LĐPP 33 nút 53

Bảng 3 4 Kết quả thực hiện hai giai đoạn trên LĐPP 69 nút 55

Bảng 3 5 So sánh kết quả thực hiện với các phương pháp trên LĐPP 69 nút 56

Nhu cầu tiêu thụ năng lượng điện tăng một cách nhanh chóng trên tất cả mọi lĩnh vực, từ nhu cầu thiết yếu của đời sống xã hội đến nhu cầu để phát triển kinh tế,

xã hội, khoa học công nghệ của các quốc gia, và kể cả việc để đảm bảo tốt an ninh chính trị thì an ninh năng lượng điện cũng được đặt lên hàng đầu

Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, các thiết bị sử dụng điện (đặc biệt là các thiết bị công nghệ cao) ngày càng đòi hỏi nguồn điện cung cấp phải đảm bảo về chất lượng Vấn đề đặt ra cho các Công ty sản xuất và kinh doanh điện là làm sao vừa đảm bảo đáp ứng được các vấn đề nêu trên, vừa đảm bảo lợi ích kinh tế cao nhất của nhà sản xuất, vừa đảm bảo tính cạnh tranh trong điều kiện nguồn lực tài chính có hạn Trong khi đó chiều dài, phụ tải của lưới điện phân phối phát triển một cách nhanh chóng kể cả ở khu vực thành thị lẫn nông thôn, miền núi dẫn đến công suất đỉnh chỉ xảy ra tại vài giờ trong ngày, lưới điện bị sụt áp, tổn thất truyền tải trên đường dây tăng, chi phí sản xuất điện tăng theo [16,17]

Đã có nhiều giải pháp kỹ thuật được đưa ra, như là nâng công suất các trạm trung gian, lắp đặt các hệ thống tụ bù, nâng tiết diện dây dẫn, lắp đặt các thiết bị FACTS, lắp đặt công tơ 3 giá cho khách hàng nhưng cũng chỉ giải quyết được một phần vấn đề trên Tái cấu trúc lưới điện phân phối và tối ưu vị trí máy phát điện phân tán là một trong những giải pháp để giải quyết vấn đề đã đặt ra, nhiều nhà nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu và thực nghiệm với nhiều phương pháp khác

nhau để đi đến tối ưu nhất về kết cấu lưới điện và vị trí đặt máy phát điện phân tán trên lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối có đặc điểm là vận hành phức tạp, kết cấu hình tia, hình xương cá, mạch kín nhưng thường vận hành hở, phụ tải phân bố và phát triển ít theo quy hoạch nên việc tính toán để xác định vị trí, dung lượng của các DG là khá phức tạp Vì vậy việc tìm các phương pháp, giải thuật để giải quyết vấn đề đặt ra là cần thiết, đảm bảo sao cho bài toàn tính toán đơn giản nhất, nhanh nhất và có kết quả tốt nhất đối với điều kiện đã được đặt Vấn đề đã được sự quan tâm của rất nhiều các nhà khoa học, nhà nghiên cứu, các nghiên cứu sinh và các tổ chức

Việc cải tạo nâng cấp đường dây hoặc lắp đặt thêm các trạm biến áp, đường dây truyền tải và phân phối nhằm đáp ứng nhu cầu của phụ tải trong một số giờ cao điểm làm cho chi phí vận hành tăng cao và cần phải có vốn đầu tư lớn Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nguồn điện phân tán sẽ mang lại nhiều hiệu quả khi áp dụng trên lưới điện phân phối Nguồn điện từ các DG sẽ góp phần giảm bớt gánh nặng công suất vào giờ cao điểm, giảm tổn thất trên đường dây, cải thiện chất lượng điện năng, nâng cao độ tin cậy và thân thiện với môi trường (đối với năng lượng tái tạo) Nó còn góp phần vào việc giảm áp lực đầu tư cải tạo lưới điện hiện hữu, giảm chi phí nhiên liệu, chi phí vận hành, đáp ứng tốt về khả năng dự phòng cho hệ thống và có thời gian ngắn trong việc đáp ứng nhu cầu cục bộ của từng vùng miền, đặc điểm riêng của phụ tải

Do đó, các công ty điện lực và các DG có sẵn hoặc lắp đặt thêm các DG để hỗ trợ cho hệ thống điện của họ, giảm công suất điện mua từ hệ thống truyền tải, từ đó

có thể giảm giá điện, đồng thời đối phó với tình huống tăng giá đột biến trong giờ cao điểm và trì hoãn việc xây dựng thêm đường dây mới DG là các máy phát có công suất nhỏ hơn 10MW, có giá thành rẽ, dễ vận hành và có thể xây dựng trong một thời gian ngắn DG có thể tận dụng các nguồn năng lượng tái tạo sẵn có thân thiện với môi trường như thủy năng, phong năng, quang năng công nghệ DG rất

đa dạng: nhiệt điện kết hợp, quang điện, tuabine gió, pin nhiên liệu, thủy điện công suất nhỏ, máy phát động cơ đốt trong, microturbine [8-12]

Các DG hoạt động độc lập có hiệu quả do chi phí vận hành tăng cao, công suất phát điện lại không ổn định nên độ tin cậy cung cấp điện thấp Mặc khác, DG

có trở kháng lớn, nên dòng ngắn mạch của nó rất nhỏ, do đó mức độ ảnh hưởng đến lưới điện phân phối khi nó vận hành song song là rất thấp Vì vậy, các DG thường được kết nối trực tiếp với lưới điện phân phối trung áp/ hạ áp

Sử dụng DG trong lưới điện phân phối sẽ mang lại một số lợi ích sau: giảm tải trên lưới điện, giảm tổn hao công suất và chi phí vận hành trên mạng điện, cải thiện chất lượng điện và độ tin cậy, bình ổn giá điện, cung cấp các dịch vụ hỗ trợ…

- Về phía điện lực: Giảm tải trên đường dây truyền tải; Giảm tải trên lưới phân

phối; Bình ổn giá điện; Giảm tổn hao công suất trên đường dây; Giảm chi phí vận hành;

- Về phía người tiêu dùng: Cải thiện chất lượng điện; Bình đẳng trong quyền lợi;

Cải thiện độ tin cậy

- Về mặt thương mại: Tạo một thị trường điện có tính cạnh tranh; Cung cấp các

dịch vụ khác như: công suất phản kháng, công suất dự phòng

Khi lưới điện phân phối có kết nối các DG, thì khách hàng có thể kiểm soát giá thành điện năng và chuyển đổi nguồn điện sao cho họ có lợi nhất Do đó, các điều

độ viên phải căn cứ vào cấu trúc lưới điện, dung lượng cần truyền tải, giá điện mua

từ hệ thống và từ các DG và các yêu cầu về tác động môi trường và sinh thái để đưa ra các phương án thay đổi cấu trúc lưới điện ở từng thời điểm sao cho chi phí vận hành bao gồm chi phí chuyển tải và tổn thất công suất là bé nhất, đồng thời đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật Với mục tiêu là tìm giải pháp để giảm tổn thất công suất, giảm chi phí vận hành của lưới điện phân phối trong trường hợp có các DG, đề

tài sẽ đề cập đến các phương pháp có liên quan đến vấn đề “Xác định vị trí, dung

lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện phân phối” Kết quả của bài toán sẽ

góp phần hỗ trợ cho các công ty điện lực địa phương trong công tác vận hành lưới điện phân phối

Luận văn này tiếp cận bài toán xác định vị trí và công suất máy phát điện phân tán trên lưới điện phân phối có xét đến cấu trúc vận hành lưới điện với mục tiêu

là giảm tổn thất công suất tác dụng trên hệ thống phân phối Giải pháp xác định

vị trí và công suất máy phát điện phân tán tối ưu và xác định cấu trúc vận hành được thực hiện riêng rẽ bằng hai giai đoạn sử dụng thuật toán di truyền Trong đó hai giai đoạn, giai đoạn thứ nhất sử dụng thuật toán di truyền xác định vị trí và công suất tối

ưu của các máy phát phân tán trên lưới điện phân phối kín, giai đoạn thứ hai, giải thuật di truyền được sử dụng để xác định cấu trúc vận hành hở tối ưu của hệ thống [18]

1.2 Các nghiên cứu liên quan đã công bố

Đã có nhiều NCKH về bài toán tái cấu hình LĐPP giảm tổn thất có kết nối DG hoặc không có kết nối DG cố định Phương pháp giải chủ yếu: Merlin và Back [3]

Họ giải quyết bài toán thông qua kỹ thuật heuristic rời rạc nhánh-biên Civanlar et

al [4] đề xuất một phương pháp trao đổi nhánh phương pháp meta-heuristic: GA, PSO, CSA mới đã được đề xuất để giải quyết vấn đề tối ưu hóa để có được một giải pháp tối ưu toàn cục Xét vị trí và dung lượng DG trên bài toán LĐPP hình tia, không xét sự biến đổi cấu hình của LĐPP Xét cả hai vấn đề cùng lúc: tích hợp cả hai bài toán tái cấu hình và vị trí và dung lượng DG để nâng cao hiệu quả của mạng lưới phân phối

Các tác giả Trương Quang Đăng Khoa, Phan Thị Thanh Bình, Hồng Bảo Trân trường Đại học Bách Khoa TP HCM đã nghiên cứu đề tài “Xác định dung lượng và

vị trí của máy phát phân bố (DG) tối ưu tổn thất lưới phân phối” [6] Nghiên cứu sử dụng phương pháp điểm trong để xác định vị trí và dung lượng của DG nhằm tối ưu tổn thất lưới phân phối, kết quả áp dụng trên lưới 10 nút và lưới 42 nút đạt được khá

tốt Kết quả tính toán cho thấy vị trí đặt DG tối ưu là tại nút có công suất tải tiêu thụ lớn nhất trong lưới phân phối Độ giảm tổn hao trên lưới phân phối sau khi có DG

so với trước khi có DG nhiều hay ít phụ thuộc vào lượng công suất phát ra của DG

Sự tham gia của DG vào hệ thống phân bố sẽ đạt được một số lợi ích về mặt kỹ thuật như: giảm tổn hao đường dây, cải thiện chỉ số điện áp, nâng cao chất lượng điện năng, tăng độ tin cậy trong việc truyền tải và phân phối,v.v

Các tác giả Lê Kim Hùng – Đại học Đà Nẵng, Lê Thái Thanh – Điện lực Phú Yên đã công bố nghiên cứu “Tối ưu hóa vị trí đặt và công suất phát của nguồn phân tán trên mô hình lưới điện phân phối 22kV” [7] Bài báo mô tả cách sử dụng giải thuật di truyền để tìm ra vị trí đặt và công suất phát tối ưu của nguồn phân tán trên

mô hình lưới điện phân phối 22kV Tổn thất công suất được cực tiểu hóa trong khi dạng điện áp đường dây được cải thiện tốt hơn

Nghiên cứu áp dụng trên lưới điện 20 nút kết quả đạt dược như sau:

+ Tổng công suất phát của DG là 5,4 +j2,7 (MVA)

+ Vị trí kết nối: 7, 8, 17, 20, 21

+ Tỷ lệ % giảm tổn thất là 58,46%

+ Tỷ lệ % tăng điện áp cao nhất 3,32%

Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chỉ tập trung giải quyết trên một lưới điện phân phối hình tia cố định Điều này, thực sự chưa phù hợp với bài toán thiết kế và vận hành lưới điện phân phối vì: LĐPP phải luôn chuyển tải để đảm bảo đạt được mục tiêu vận hành khi sự thay đổi của phụ tải

Việc kết hợp phương pháp Newton-Raphson trong tính toán trào lưu công suất lưới điện và giải thuật di truyền giải các bài toán tối ưu tổ hợp đã cung cấp một cách thức tìm ra các vị trí đặt và công suất phát tốt nhất cho một số lượng nguồn phân tán DG cho trước trên lưới điện phân phối Phương pháp này cho phép người vận hành có thể nghiên cứu một mạng phân phối bất kỳ Người vận hành có thể sử

dụng những thông tin về lưới điện phân phối có sẵn để lập kế hoạch cho việc kết nối

DG nhằm đạt mục tiêu giảm tổn thất, cải thiện dạng điện áp như mong muốn

Ngoài ra, nhóm tác giả César Augusto Peñuela Meneses, Member, IEEE, and José

Roberto Sanches Mantovani, Member, IEEE đã công bố nghiên cứu “Improving the Grid Operation and Reliability Cost of Distribution Systems With Dispersed Generation” nghiên cứu sử dụng giải thuật tìm kiếm Taboo để giải quyết bài toán đa mục tiêu nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi có kết nối DG vào hệ thống Nghiên cứu đưa ra một phương pháp giải quyết tối ưu hàm mục tiêu gồm các chi phí hoạt động của lưới, chi phí hệ thống bảo vệ, chi phí gián đoạn do ngừng cung cấp điện, chi phí tổn thất công suất

Mô hình toán học đề xuất được thử nghiệm trên hệ thống 135 bus trong đó bao gồm một hệ thống phân phối thực tế 13,8 kV ở Sao Paulo, Brazil Kết quả mô phỏng của một hệ thống qua kiểm tra thực tế cho thấy mô hình đề xuất có thể xác định các tác động liên quan đến độ tin cậy của hệ thống, hệ thống bảo vệ, và hiệu quả hoạt động của mạng, tất cả chỉ trong một chương trình Thông qua các phương pháp thực hiện, lợi thế đạt được là khả năng quan sát điện áp và tần số của hệ thống khi có kết nối DG Người ta thấy rằng thực hiện kết nối DG như thế này, dẫn đến chi phí hoạt động và chi phí độ tin cậy sẽ tốt hơn, bởi vì họ sử dụng các mức giá khác nhau được cung cấp bởi các nguồn phát trên diện rộng Nó cũng có thể phục

vụ nhu cầu phụ tải tăng lên một cách đột biến Tuy nhiên, thiết kế này có thể dẫn đến một hệ thống bảo vệ đắt tiền, cũng như làm giảm tỷ suất lợi nhuận trong việc phối hợp các thiết bị bảo vệ

Từ những nghiên cứu đã công bố nêu trên, trong khuôn khổ luận văn này chủ yếu tập trung vào vấn đề giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy lưới phân phối khi có kết nối DG sử dụng giải thuật di truyền, các vấn đề liên quan đến cải thiện điện áp và cải thiện vận hành lưới thông qua việc thay đổi các thiết bị bảo vệ trên hệ thống sẽ không được xem xét [18]

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu việc: Giảm tổn thất công suất và nâng cao

độ tin cậy hệ thống điện lưới điện phân phối

- Nghiên cứu việc giảm tổn thất công suất trên lưới phân phối khi có kết nối

DG vào lưới điện phân phối

- Xây dựng hàm đa mục tiêu sử dụng giải thuật Gen (GA) để giải bài toán tìm

vị trí và dung lượng thích hợp để kết nối DG nhằm giảm tổn thất công suất

- Áp dụng giải thuật vào lưới điện phân phối mẫu

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào bài toán giảm tổn thất công suất và

nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi kết nối DG nhằm cực tiểu chi phí vận hành

1.5 Phương pháp giải quyết bài toán

- Áp dụng các phương pháp giải tích mạng điện xây dựng hàm đa mục tiêu cực tiểu tổn thất công suất khi có DG

- Sử dụng giải thuật di truyền giải bài toán đa mục tiêu khi có DG

1.6 Điểm mới của đề tài

- Xây dựng hàm đa mục tiêu giải quyết vấn đề giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi có kết nối DG

- Áp dụng giải thuật di truyền tìm vị trí và dung lượng tối ưu khi kết nối DG trên lưới điện phân phối

1.7 Giá trị thực tiễn của đề tài

- Cung cấp một giải thuật tìm vị trí tối ưu lắp đặt DG giảm tổn thất trên lưới

- Góp phần vào các nghiên cứu liên quan đến DG trong lưới điện phân phối

- Làm tài liệu tham khảo cho các công tác nghiên cứu và vận hành lưới điện khi có kết nối DG

1.8 Bố cục

Đề tài dự kiến gồm 5 chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Phương pháp tiếp cận

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển

Tài liệu tham khảo

Chương 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Đặc điểm của lưới điện phân phối

Cấu trúc hệ thống điện truyền thống có dạng dọc, mạng phân phối sẽ nhận điện từ lưới truyền tải hoặc truyền tải phụ sau đó cung cấp đến hộ tiêu thụ điện Mạng phân phối có cấu trúc hình tia hoặc dạng mạch vòng nhưng vận hành trong trạng thái hở Dòng công suất trong trường hợp này đổ về từ hệ thống thông qua mạng phân phối cung cấp cho phụ tải Vì vậy, việc truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ sẽ sinh ra tổn hao trên lưới truyền tải và mạng phân phối (khoảng 10 - 15% tổng công suất của hệ thống) Với cấu trúc mới của lưới phân phối hiện nay, do có sự tham gia của các nguồn điện phân tán (distributed generation - DG), dòng công suất không chỉ đổ về từ hệ thống truyền tải mà còn lưu thông giữa các phần của mạng phân phối với nhau, thậm chí đổ ngược về lưới truyền tải Cấu trúc này được gọi là cấu trúc ngang [18]

Với cấu trúc ngang có sự tham gia của các DG, lưới điện phân phối thực hiện tốt hơn nhiệm vụ cung cấp năng lượng điện đến hộ tiêu thụ đảm bảo chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện và một số yêu cầu an toàn trong giới hạn cho phép Đồng thời mang lại nhiều lợi ích khác như: giảm tải trên lưới điện, cải thiện điện áp, giảm tổn thất công suất và điện năng, hỗ trợ lưới điện [5-9]

Vì lý do kỹ thuật, các đường dây phân phối điện luôn được vận hành hở trong mọi trường hợp, mặc dù được thiết kế theo kiểu mạch vòng để tăng độ tin cậy cung cấp điện Nhờ cấu trúc vận hành hở mà hệ thống relay bảo vệ chỉ cần sử dụng lọai relay quá dòng Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, hầu hết các tuyến dây đều có các mạch vòng liên kết với các đường dây kế cận đựơc cung cấp từ một trạm biến áp trung gian khác hay chính từ trạm biến áp có đường dây bị sự cố

Việc khôi phục lưới điện được thực hiện thông qua các thao tác đóng/cắt các cặp khóa điện nằm trên các mạch vòng, do đó trên lưới phân phối có rất nhiều khóa điện [17]

2.2 Các lý do vận hành hình tia lưới điện phân phối

Khi lưới điện được vận hành hở, tổn thất năng lượng và chất lượng điện năng luôn kém hơn một lưới điện được vận hành kín Khi có sự cố, thời gian tái lập việc cung cấp điện của lưới điện vận hành hở sẽ lâu hơn do cần có thời gian chuyển tải qua các tuyến dây khác

Tuy nhiên, do tính chất khác nhau cơ bản giữa lưới phân phối và truyền tải là:

- Số lượng phần tử như lộ ra, nhánh rẽ, thiết bị bù, phụ tải của lưới phân phối nhiều hơn lưới điện truyền tải từ 5-7 lần

- Có rất nhiều khách hàng tiêu thụ điện năng với công suất nhỏ và nằm trên diện rộng, nên khi có sự cố, mức độ thiệt hại do gián đọan cung cấp điện ở lưới điện phân phối gây ra cũng ít hơn so với sự cố của lưới điện truyền tải

Vì vậy lưới điện phân phối vận hành tia mặc dù có cấu trúc mạch vòng do các nguyên nhân sau:

- Tổng trở của lưới điện phân phối vận hành hở lớn hơn nhiều so với vận hành vòng kín nên dòng ngắn mạch bé khi có sự cố Vì vậy chỉ cần chọn các thiết bị đóng cắt có dòng ngắn mạch chịu đựng và dòng ngắn mạch bé, nên mức đầu tư giảm đáng kể

- Trong vận hành hở, các relay bảo vệ lộ ra chỉ cần dùng các lọai relay đơn giản, rẻ tiền như relay quá dòng, thấp áp…mà không nhất thiết phải trang bị các lọai relay phức tạp như relay định hướng, bảo vệ khỏang cách, so lệch… nên việc phối hợp bảo vệ relay trở nên dễ dàng hơn và mức đầu tư cũng giảm xuống

- Chỉ cần dùng các cầu chì tự rơi (FCO: Fuse cut out) hay cầu chì tự rơi kết hợp cắt có tải (LBFCO: Load break fuse cut out) để bảo vệ các nhánh rẽ hình tia trên cùng một đọan trục và phối hợp với recloser để tránh sự cố thóang qua

- Do vận hành hở, nên khi có sự cố, không bị lan tràn qua các phụ tải khác

- Do được vận hành hở, nên việc điều khiển điện áp trên từng tuyến dây dễ dàng hơn và giảm được phạm vi mất điện trong thời gian giải trừ sự cố

- Nếu chỉ xem xét giá xây dựng mới lưới điện phân phối, thì phương án kinh tế

là lưới điện hình tia

2.3 Tổng quan về nguồn điện phân tán (DG - Distributed Generation)

Khái niệm nguồn điện phân tán đã được nêu nhiều trong các quá trình nghiên cứu về DG Tuy nhiên các tác giả chưa đưa ra được định nghĩa chung cho khái niệm này Hiện nay trên thế giới cũng chưa có định nghĩa thống nhất về nguồn điện phân tán Một số quốc gia định nghĩa nguồn điện phân tán là nguồn điện theo các thông

số cơ bản như: “nguồn điện phân tán là nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo, không điều khiển tập trung ”; hoặc một số khác căn cứ theo cấp điện áp mà nguồn điện đó đấu nối vào: “nguồn điện phân tán là nguồn điện đấu nối vào lưới điện cung cấp điện trực tiếp cho phụ tải khách hàng”

Các tổ chức quốc tế cũng đưa ra những định nghĩa khác nhau về nguồn điện phân tán, chủ yếu xoay quanh về đề kích cỡ và chủng loại Các định nghĩa đó như sau:

- Ban Năng Lượng Mỹ (DOE): DG là các máy phát có công suất từ vài kW đến vài chục MW Bao gồm: máy phát điện Biomass, turbine khí, pin mặt trời, pin nhiên liệu, turbine gió, microturbine, máy phát động cơ đốt trong và các công nghệ tích trữ năng lượng

- Viện Nghiên Cứu Năng Lượng Điện Mỹ (EPRI): DG là các máy phát có

công suất từ vài kW đến 50 MW và các thiết bị tích trữ năng lượng đặt gần phụ tải, mạng phân phối hoặc truyền tải phụ dưới dạng những nguồn năng lượng phân tán

- Viện Nghiên Cứu Gas Mỹ: các máy phát có công suất từ 25 kW đến 25

MW được gọi là DG

- Thụy Điển xem các máy phát có công suất dưới 1500 kW là DG

- Trong thị trường điện nước Anh và xứ Wales: một nhà máy điện có dung lượng nhỏ hơn 100 MW không được gọi là nguồn điện tập trung Như vậy,

DG được xem là các máy phát có công suất nhỏ hơn 100 MW

- Ở New Zealand: các bộ máy phát có công suất nhỏ hơn 5 MW thường được xem là DG

- Ở Úc: máy phát dưới 30 MW gọi là DG

- Theo Hội Đồng Quốc Tế về các Hệ Thống Điện lớn (CIGRE): các nguồn điện không phải là nguồn trung tâm, được đặt gần phụ tải và nối vào mạng điện phân phối, có công suất nhỏ hơn 100 MW gọi là DG

Hình 2 1 Lưới điện phân phối có các DG

Trong cấu trúc của thị trường điện truyền thống, một công ty độc quyền kiểm soát toàn bộ nắm toàn bộ chuỗi cung ứng từ sản xuất, truyền tải đến phân phối Để chuyển đổi thành thị trường điện cạnh tranh, thì sẽ phải tái cơ cấu lại để nhiều đơn

vị khác nhau cùng tham gia phân chia và sở hữu Sự cạnh tranh giữa các công ty phát điện hoạt động trong thị trường điện làm gia tăng rủi ro cho chính họ và các đơn vị khác trong ngành công nghiệp điện, bởi vậy nên việc quản lý rủi ro đã trở thành một khía cạnh quan trọng của ngành kinh doanh điện

Mô hình phát điện phân tán: Hướng đi phù hợp với ngành Điện Việt Nam:

Mô hình phát điện phân tán (distributed generation - DG) là mô hình phát điện quy

mô nhỏ, nằm gần hoặc ngay tại điểm tiêu thụ điện năng Mặc dù mô hình có hiệu quả kinh tế không cao so với mô hình phát điện tập trung, nhưng lại có tính dự

phòng và độ tin cậy lớn trong cung ứng điện do không phụ thuộc quá nhiều vào hệ thống lưới điện truyền tải và phân phối

Các nhà máy điện luôn là một phần không tách rời của hệ thống điện Xét về mặt kinh tế, công suất các nhà máy điện càng lớn, hiệu quả kinh tế càng cao Tuy nhiên, do phụ thuộc vào nguồn cung cấp nguyên liệu sơ cấp, nên các nhà máy điện thường nằm xa phụ tải, xa các khu dân cư Hệ thống lưới điện truyền tải và phân phối sẽ đảm nhận nhiệm vụ đưa điện từ các nhà máy này tới các hộ tiêu thụ Đây là

mô hình phát điện tập trung dạng truyền thống, được sử dụng trong điều kiện chi phí vận chuyển nhiên liệu và chi phí xây dựng các nhà máy điện gần trung tâm phụ tải vượt xa chi phí xây dựng lưới truyền tải và phân phối điện [18]

Do kết cấu hạ tầng lưới điện của Việt Nam được xây dựng từ lâu, đã xuống cấp và quá tải nên việc xây dựng các nhà máy phát điện tập trung luôn đi kèm với việc xây dựng mở rộng lưới điện, đòi hỏi chi phí đầu tư cao và thời gian dài Các sự

cố trong hệ thống điện phần lớn bắt nguồn từ lưới điện truyền tải và phân phối, đặc biệt là ngắn mạch trên đường dây hay quá tải trạm biến áp Thêm vào đó, với sự phát triển của công nghệ hiện đại, chi phí sản xuất máy phát điện đã giảm nhiều, hiệu suất sử dụng đã được cải thiện rõ rệt Do đó, lưới điện đã trở thành yếu tố chủ yếu trong cơ cấu chi phí năng lượng điện và các vấn đề liên quan đến chất lượng điện năng

Do nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, hàng năm, ngành Điện Việt Nam còn phải đối mặt với thiên tai, bão lũ gây nhiều sự cố trên lưới điện nói chung

và đặc biệt là lưới điện truyền tải nói riêng Bên cạnh đó, yêu cầu đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện và chất lượng điện năng của khách hàng ngày càng cao, đòi hỏi ngành Điện phải có những bước đi phù hợp trong xây dựng hệ thống nguồn và lưới điện

Các vấn đề nêu trên là cơ sở nghiên cứu ứng dụng mô hình phát điện phân tán (distributed generation - DG) Đây là mô hình phát điện quy mô nhỏ, nằm gần hoặc ngay tại điểm tiêu thụ điện năng Mặc dù mô hình có hiệu quả kinh tế không

cao so với mô hình phát điện tập trung, nhưng lại có tính dự phòng và độ tin cậy lớn trong cung ứng điện do không phụ thuộc quá nhiều vào hệ thống lưới điện truyền tải

và phân phối

Bên cạnh đó, mô hình này mang lại khả năng sử dụng năng lượng độc lập cho khách hàng vì họ có thể điều hành máy phát điện phục vụ chính mình Việc phát triển các máy phát điện công suất nhỏ không có gì mới, máy phát điện diesel là một

ví dụ điển hình của mô hình phát điện phân tán Tuy nhiên, công nghệ phát điện công suất nhỏ trước đây có chi phí cao và hiệu suất thấp Với công nghệ hiện đại, ngày nay người ta có thể lắp đặt các máy phát điện công suất khoảng vài chục MW

có hiệu suất cao ngay gần nơi tiêu thụ điện với chi phí thấp hơn nhiều Điều này không chỉ giảm chi phí truyền tải mà còn làm giảm sự cố mất điện trên diện rộng và giảm những thiệt hại kinh tế kèm theo

Đối phó với nguy cơ biến đổi khí hậu, thiên tai và khủng bố, nhiều nước trên thế giới đã bắt đầu nghiên cứu xây dựng phương án "Quy hoạch thích ứng," bao gồm các mô hình phát điện phân tán địa phương, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các phụ tải đặc biệt quan trọng như đồn cảnh sát, cứu hoả và các bệnh viện Mô hình phát điện phân tán có thể được sử dụng ở những vùng sâu, vùng xa, hải đảo, ở những nơi mà việc đưa điện lưới đến là quá khó khăn, phức tạp và chi phí quá lớn Các nguồn năng lượng dùng cho phát điện phân tán có nhiều dạng như mô hình Đồng phát nhiệt điện, pin nhiên liệu, các xe ô tô chạy điện, các dạng năng lượng tái tạo như, năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng từ rác thải,… Hiện nay, các tuabin gió và tấm pin năng lượng mặt trời đang được sử dụng khá phổ biến trên thế giới Mô hình phát điện phân tán còn là cách tiếp cận phát triển năng lượng tái tạo mà không gây quá tải cho lưới điện Đây cũng là một trong những giải pháp mà các nước trên thế giới sử dụng với mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính Ôxtrâylia, CHLB Đức có mục tiêu sử dụng 80% năng lượng tái tạo để sản xuất điện vào năm

2050, Canada và New Zealand đưa ra con số 90% cho mục tiêu này vào năm 2025

Một trong những khó khăn lớn nhất trong việc phát triển mô hình phát điện phân tán là suất đầu tư cao Tuy nhiên, trong những năm gần đây, chi phí của công nghệ phát điện sử dụng năng lượng tái tạo đang có xu hướng giảm dần Theo Bloomberg, chi phí bình quân quy dẫn (levelized cost) của năng lượng gió trên đất liền tính đến năm 2012 đã giảm 30%, còn chi phí của các tấm pin năng lượng mặt trời giảm khoảng 80% trong cùng một khoảng thời gian (xem đồ thị)

Khi chi phí sử dụng năng lượng tái tạo và chi phí phát điện phân tán tiếp tục giảm, khả năng dự trữ năng lượng ngày càng tốt hơn khắc phục yếu điểm về tính không liên tục của các nguồn năng lượng tái tạo thì phát điện phân tán sẽ là xu thế được lựa chọn trong tương lai

Đối với Việt Nam, hệ thống lưới điện hiện tại đang chịu nhiều áp lực trong truyền tải và phân phối: Lưới điện luôn trong tình trạng quá tải, tổn thất điện còn cao, chất lượng điện năng và độ tin cậy chưa đảm bảo,… tạo ra một áp lực rất lớn cho Chính phủ, cho Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) trong việc xây dựng hệ thống lưới điện mới, cải tạo hệ thống điện cũ để có thể đáp ứng nhu cầu phụ tải ngày càng gia tăng [16, 17]

Bên cạnh đó, nhiệm vụ đưa điện về cung cấp cho khu vực vùng sâu, vùng xa, vùng nông thôn và hải đảo đang là một thách thức rất lớn đối với Việt Nam khi mà suất đầu tư xây dựng hệ thống truyền tải điện rất cao

Theo kết quả khảo sát và đánh giá, hiện nay Việt Nam là một trong những nước

có nhiều tiềm năng về phát triển các nguồn điện phân tán sử dụng năng lượng tái tạo Báo cáo đánh giá tiềm năng gió và mặt trời do tổ chức AWS Truewind (Mỹ) thực hiện cho thấy, Việt Nam có 128.000 km2 tương đương với 8% diện tích lãnh thổ đạt tốc độ gió là trên 7 m/s, ước tính, tổng công suất tiềm năng về điện gió trên toàn lãnh thổ Việt Nam khoảng 110.000 MW Tổng bức xạ năng lượng mặt trời trung bình trên lãnh thổ Việt Nam nằm trong khoảng 1346,8 - 2153,5 kWh/m2/năm, với số giờ nắng trung bình năm là 1600 - 2720 h/năm

Như vậy Việt Nam có đầy đủ các điều kiện cần thiết ứng dụng mô hình phát điện phân tán và đây là một lựa chọn hợp lý và khả thi Phát triển tốt mô hình điện phân tán sẽ giúp hệ thống điện của Việt Nam nâng cao độ tin cậy và khả năng cung cấp điện đến tất cả các vùng miền, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia

và đảm bảo phát triển bền vững

Các loại nguồn phân tán sử dụng nhiều công nghệ khác nhau, trong đó công nghệ sử dụng máy phát truyền thống như động cơ đốt trong, tua-bin khí… và các công nghệ mới , thân thiện môi trường, đang được phát triển như pin nhiên liệu, pin mặt trời, tua-bin gió Mỗi loại nguồn phân tán đều có những ưu điểm, hạn chế

về đặc tính kĩ thuật và tính kinh tế Sự lựa chọn công nghệ là nhân tố chính để quyết định về công suất và vị trí lắp đặt của nguồn phân tán Dưới đây là phân loại một số nguồn điện phân tán chính hiện có

Hình 2 2 Sơ đồ phân loại nguồn điện phân tán

Một số công nghệ DG [2-6]

- Pin mặt trời (photovoltaic - PV): Các hệ thống pin mặt trời (PV) chuyển đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành điện năng mà không cần đến quá trình đốt cháy hoặc tiêu thụ nhiên liệu Công nghệ này có chi phí vận hành và bảo trì rất thấp Công nghệ PV được sử dụng phổ biến cho các tòa nhà độc lập và các hệ thống thông tin PV được xem như một công nghệ tốt nhất cho các căn hộ và các ứng dụng thương mại nhỏ

Hiện nay, các hệ thống PV thương mại có các cấp: nhỏ (ít hơn 10 kW), trung bình (10 - 100 kW), và lớn (trên 100 kW) được nối vào hệ thống phân phối Rào cản chính hiện nay là giá thành cao trong chi phí lắp đặt (6000 - 10000 USD/ kW) Ngoài ra, việc vận hành PV còn lệ thuộc vào độ cao lắp đặt và điều kiện thời tiết

Giá sản xuất điện năng đối với PV là vào khoảng 0,3 USD/kWh [10] Giá này có thể cạnh tranh được trong các giờ tải đỉnh hoặc khi có yêu cầu cao về độ tin cậy Công nghệ PV cũng hiệu quả khi yêu cầu về bảo vệ môi trường được đặt ra Hệ thống PV có thể vận hành độc lập hoặc kết nối trực tiếp vào mạng phân phối

suất trên 500 kW Đặc tính của turbine khí động phụ thuộc vào vận tốc của gió:

 Turbine có công suất định mức 40 kW tương ứng với tốc độ gió trung bình 13,4m/s, vận tốc gió cực tiểu 3,6m/s, vận tốc gió cực đại 22,3m/s Đường kính cánh turbine là 13,2m

 Turbine có công suất định mức 95 kW tương ứng với vận tốc gió trung bình 12,9m/s, vận tốc gió cực tiểu 5,4m/s Đường kính cánh turbine 11m

 Turbine có công suất định mức 250 kW tương ứng vận tốc gió trung bình 17m/s, vận tốc gió cực tiểu 6,3m/s, vận tốc gió cực đại 26,8m/s Đường kính cánh turbine 18,3m

Công nghệ WT có giá thành lắp đặt thấp và chi phí vận hành, bảo trì rất thấp, rất thích hợp với khu vực nông thôn, vùng biển là những nơi có nguồn năng lượng gió dồi dào và mạng điện phân phối còn thưa thớt

Hình 2 4 Wind turbine – WT

- Pin nhiên liệu (Fuel Cell -FC): Các FC có thể chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng mà không cần đến quá trình đốt cháy Công nghệ FC được phát triển ban đầu cho ngành vũ trụ, sau đó, ngành vận tải đã xem nó như một công nghệ đầy hứa hẹn Từ đó, công nghệ này đã chứng tỏ có hiệu quả rất tốt, có cấu tạo nguyên khối, độ ồn rất thấp, lượng khí thải NOx, SO, CO rất thấp và có độ tin cậy cao

Có năm dạng FC chính tùy thuộc vào vật liệu chế tạo Cụ thể là: Alkaline (AFC), Molten Carbonate (MCFC), Phosphoric Acid(PAFC), Proton Exchange Membrane (PEMFC) và Solic Oxide (SOFC) Trong đó PAFC được ứng dụng nhiều nhất trong thương mại Từ 1970 đến 2003, PAFC chiếm khoảng 80% dung lượng của FC được lắp đặt Tuy nhiên, từ 2002 đến 2003, MCFC và PEMFC dần thay thế cho PAFC

Hình 2 5 Pin nhiên liệu –FC

Hiệu suất trung bình của FC trong khoảng 30 đến 55 % Đối với PAFC là 36 đến 42% PAFC có thể sản xuất nước nóng và nhiệt khi nhiệt độ vận hành của chúng đạt mức trên 200oC Sự thải CO2 phụ thuộc vào chủng loại của FC Đối với PAFC, lượng này nằm trong khoảng 430 đến 490 kg/MWh Nhiên liệu chủ yếu dùng cho FC là hydro từ khí tự nhiên Việc khởi động FC cần thời gian từ 1 đến

4 giờ do vậy nó không phù hợp cho dự phòng nóng và chỉ thích hợp cho chạy nền đối với các phụ tải cần độ tin cậy cung cấp điện cao Chi phí lắp đặt cho các bộ FC cao gấp khoảng 8 đến 11 lần so với máy phát động cơ đốt trong Chi phí đó vào khoảng 4000 USD/kW đối với bộ công suất 25 kW và khoảng 5500 USD/kW đối với bộ 200 kW Chi phí bảo trì hệ thống PV vào khoảng 0,005 đến 0,01 USD/kW

Dòng điện ngõ ra của FC là dòng một chiều, vì vậy, đối với phụ tải xoay chiều cần phải có một bộ chuyển đổi dòng điện (bộ nghịch lưu) để chuyển dòng điện sang dạng xoay chiều FC có thể vận hành độc lập hoặc kết nối với mạng phân phối tùy theo mục đích sử dụng dạng xoay chiều FC có thể vận hành độc lập hoặc kết nối với mạng phân phối tùy theo mục đích sử dụng

- Máy phát động cơ đốt trong (Internal Combustion Engines -ICE): Công nghệ dùng động cơ đốt trong (ICE) để sản xuất điện năng có thể nói là lâu đời nhất Công nghệ này sử dụng chu trình đốt cháy dầu diesel và gas để tạo lực cơ học, lực này quay máy phát điện để sản xuất ra điện năng Chi phí lắp đặt ICE tương đối thấp và cho hiệu suất tương đối cao (36 - 43% đối với máy phát Diesel và 28 - 42% đối với máy phát sử dụng gas) Thời gian khởi động và dừng máy nhỏ (khoảng 10s) thích hợp với phần tải đỉnh của hệ thống Việc kết hợp giữa nhiệt và điện của ICE mang lại hiệu suất rất cao lên đến 90% Các thuận lợi của ICE là giá rẻ và tính sẵn sàng của dịch vụ cũng như khả năng bảo trì sửa chữa của nhân viên chuyên nghiệp

Công suất trung bình của ICE vào khoảng từ vài kW đến 30 MW Tại mỹ lượng điện năng phát ra từ ICE chiếm 7% tổng sản lượng điện năng của quốc gia Tại các quốc gia như Hà Lan, Trung Quốc và Inđônêsia tỉ lệ này là 25% Chi phí lắp đặt ICE tại Thổ Nhĩ Kỳ vào khoảng 350-500 USD/kW đối với máy phát Diesel

và 600 - 1000 USD/kW đối với máy phát sử dụng gas Chi phí bảo trì khoảng 0,005

- 0,015 USD/kW [10] Vướng mắc lớn nhất đối với công nghệ ICE là vấn đề chất thải Các chất thải bao gồm: NOx, CO2 có ảnh hưởng lớn đến sức khỏe và môi trường Chi phí vận hành tương đối cao và vấn đề tiếng ồn cũng gây nên hạn chế cho ứng dụng của ICE

- Microturbine: Ban đầu microturbine được phát triển cho ngành vận tải, nhưng gần đây, nó đã đuợc sử dụng trong công nghiệp điện lực Công nghệ này có một phạm vi sử dụng nhiện liệu rất rộng: khí tự nhiên, hydrogen, propan và dầu diesel Các microturbine có thể chạy ở tải nền, công suất dự phòng, phủ tải đỉnh hoặc dưới hình thức co-gen Dung lượng của microturbine trong phạm vi từ 25 -

500 kW, hiệu suất là khoảng 15% đối với loại bình thường và 20 - 30% đối với loại

có thiết bị hồi nhiệt Khi sử dụng chu trình nhiệt - điện kết hợp, hiệu suất có thể đạt mức 85% Máy phát microturbine có lượng khí thải NOx rất thấp (0,1 kg/MWh), song lượng CO2 lại cao hơn ICE (720 kg/MWh) [10]

Chi phí lắp đặt đối với công nghệ này vào khoảng 700 - 1000 USD/kW và chi phí bảo trì từ 0,005 - 0,016 USD/kW Các ưu điểm chủ yếu của microturbine là tiếng ồn nhỏ, kích thước gọn nhẹ, ít chi tiết, chu kỳ bảo trì dài và có thể sử dụng được nhiên liệu rác thải Microturbine có thể vận hành độc lập hoặc kết nối với mạng phân phối

- Turbine khí (Combustion Turbine - CT): Turbine khí được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong ngành công nghiệp điện năng Công suất của CT từ 500 kW đến 265

MW Đối với CT công suất nhỏ hiệu suất chỉ đạt 15 - 17%, với công suất khoảng 30

MW, hiệu suất có thể đạt 45% Hiệu suất của CT tăng khi vận hành đầy tải Nếu sử dụng turbine chu trình kết hợp, hiệu suất có thể đạt 55% và chỉ sử dụng tại các nhà máy điện lớn, không sử dụng cho DG

Thuận lợi của công nghệ CT : chi phí lắp đặt thấp, giá cả khí tự nhiên tương đối rẻ, hiệu suất cao và thời gian lắp đặt tương đối ngắn Lượng khí thải CO2 khoảng 580 - 680 kg/MWh và NOx khoảng 0,3 - 0,5 kg/MWh Chi phí lắp đặt trung bình đối với turbine khí là 650 - 900 USD/kW, với chu trình kết hợp khoảng 1000 - 1200 USD/kW Chi phí bảo trì từ 0,004 - 0,005 USD/kW[10]

2.4 Lợi ích của lưới điện phân phối khi vận hành có kết nối DG [3-5]

Các ứng dụng của DG bao gồm: nhiệt - điện kết hợp, công suất dự phòng, dự phòng công suất đỉnh và vận hành độc lập Tùy vào từng ứng dụng, việc vận hành

DG có thể được mô tả tổng quát như sau:

Đầu tiên, DG được tham gia vận hành khi tải đỉnh Trong trường hợp này phụ tải của hệ thống đạt đến công suất đỉnh, hệ thống phân phối không thể thỏa mãn nhu cầu của phụ tải hoặc phải chấp nhận mua điện với giá cao Phần điện năng thiếu hụt này sẽ do các DG đảm nhiệm Hoặc trong trường hợp cần giảm tải trên lưới truyền tải do công suất truyền tải vượt quá giới hạn của đường dây, DG

cũng được vận hành để cung cấp điện đến các phụ tải bị ảnh hưởng bởi giới hạn này

Thứ hai, DG được vận hành để cung cấp điện năng với giá rẻ Công suất của phụ tải trong hệ thống thay đổi theo thời gian và phụ thuộc chủng loại, đặc tính của mỗi phụ tải Chi phí mua điện từ hệ thống truyền tải được xác định theo lượng công suất mua từ hệ thống theo từng thời điểm Vì vậy, khi DG được kết nối vào mạng phân phối và xem như một nguồn phụ, người hoạch định công tác vận hành

hệ thống có thể tận dụng giá rẻ từ một số DG nhằm giảm chi phí vận hành

Thứ ba, DG được vận hành để cung cấp điện năng khi nguồn hệ thống bị gián đoạn Khi có gián đoạn xảy ra, các phụ tải sẽ được cắt ra khỏi hệ thống bằng các thiết bị như: máy cắt, recloser và được tái cấp điện bởi các DG Trong trường hợp này, DG cải thiện độ tin cậy cung cấp điện và làm giảm chi phí bồi thường do mất điện

Khi lưới điện phân phối có các DG, các khách hàng có thể kiểm soát giá thành điện năng và chuyển đổi nguồn điện sao cho họ có lợi nhất, Do đó, các điều độ viên phải căn cứ vào cấu trúc lưới điện, dung lượng cần truyền tải, giá điện mua từ hệ thống và từ các DG và các yêu cầu về tác động môi trường và sinh thái để đưa

ra các phương án thay đổi cấu trúc lưới điện ở từng thời điểm sao cho chi phí vận hành bao gồm chi phí chuyển tải và tổn thất công suất là bé nhất, đồng thời đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật như:

- Cấu trúc vận hành hở

- Tất cả các phụ tải đều được cung cấp điện

- Các hệ thống bảo vệ relay phải thay đổi phù hợp

- Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải

- Sụt áp nằm trong phạm vi cho phép

Với những yêu cầu khi đưa thị trường bán lẻ áp dụng vào lưới điện phân phối, yếu tố huy động nguồn DG có sãn hay lắp đạt mới của khách hàng là điều cần thiết cho xã hội

- Về phía khách hàng bán điện, họ đòi hỏi làm sao bán được nhiều năng lượng nhất lên lưới với những vị trí cho phép được đấu nối lên lưới điện phân phối

- Về phía công ty điện lực, họ đòi hỏi việc đấu nối các DG phải đảm bảo việc cung cấp điện liên tục cho khách hàng mua điện và giảm tổn thất công suất trên lưới phân phối, thỏa mãn các điều kiện ràng buộc sau:

• Điện áp nút nằm trong phạm vi cho phép

• Không quá tải nhánh

• Kích cỡ các DG kết nối lên lưới không làm mất ổn định hệ thống khi có sự

cố trên lưới

Lưới điện phân phối của điện lực luôn có hoạt động chuyển tải do sự thay đổi của khách hàng Vì vậy khi xem xét các điều kiện trên, bài toán xác định vị trí của

DG cần phải xét đến bài toán tái cấu hình lưới của lưới điện phân phối

Lợi ích kinh tế của DG trong hệ thống điện: Khi DG được sử dụng trong hệ thống điện sẽ mang lại các lợi ích: tác động đến giá điện, trì hoãn việc nâng cấp hệ thống truyền tải và phân phối, sử dụng năng lượng rác thải và nhiên liệu linh hoạt, cải thiện chất lượng điện, sự sẵn sàng trong dịch vụ, kết hợp nhiệt - điện, cung cấp

điện năng với độ tin cậy cao Sau đây là một số phân tích sơ bộ

- Tác động lên giá điện: Trong các thị trường điện tự do, người vận hành hệ

thống độc lập sẽ tính tiền khách hàng bằng một giá điện dựa trên tất cả các chi phí

hỗ trợ đảm bảo cho hệ thống điện hoạt động tin cậy Các chi phí đó bao gồm: chi phí phục vụ, dự trữ vận hành, tổn thất công suất, gián đoạn truyền tải, chi phí

truyền tải và chi phí quản lý Lượng này chiếm khoảng 20% giá thành điện năng

Vì vậy, các công ty điện lực và các khách hàng lớn có thể xem xét đến việc sử dụng DG nhằm hỗ trợ cho hệ thống điện của họ, giảm công suất điện mua từ hệ thống truyền tải từ đó có thể giảm giá điện Việc tham gia của DG còn giúp đối phó với tình huống giá tăng đột biến trong giờ cao điểm

- Giảm đầu tư nâng cấp hệ thống: Khi xảy ra tình trạng tắc nghẽn truyền tải hoặc quá tải trên đường dây, thay vì cải tạo nâng cấp đường dây hoặc xây dựng thêm đường dây mới, việc sử dụng DG có thể làm trì hoãn, thậm chí loại bỏ vấn

đề này Thông thường, tình trạng quá tải chỉ xảy ra trong một số giờ cao điểm, việc nâng cấp đường dây chỉ phục vụ cho giờ cao điểm sẽ làm cho chi phí vận hành tăng cao Các công ty điện lực hoặc các khách hàng dùng điện lớn có thể tận dụng các DG sẵn có trên hệ thống hoặc lắp đặt DG tại các vị trí cần thiết Phương pháp này có thể mang lợi lợi ích về kinh tế rất lớn vì chi phí vận hành DG thường không cao hơn nhiều so với mua điện từ hệ thống truyền tải, đôi khi chi phí này rất thấp (turbine gió, turbine khí), ngược lại, tiết kiệm được một lượng khá lớn vốn đầu tư đường dây

- Sử dụng năng lượng rác thải và nhiên liệu linh hoạt: Các công nghệ DG có thể sử dụng các nguồn năng lượng có tính kinh tế thấp hoặc khó khăn trong vận chuyển Chẳng hạn như dầu mỏ có phẩm chất xấu, các khí không kinh tế trong chuyên chở thường phải đốt bỏ, các năng lượng vi sinh được cung cấp từ rác thải hoặc từ nông trại, hơi đốt từ quá trình xử lý nước phế thải v.v , các turbine khí và microturbine rất thích hợp đối với nhiên liệu loại này

Nhiệt - Điện kết hợp: Việc kết hợp nhiệt - điện mang lại hiệu suất toàn phần lên đến 90% Khi nhiệt được sản xuất ra phải dùng tại chỗ, sử dụng nhiệt - điện kết hợp là rất thích hợp Chi phí lắp đặt tăng thêm khoảng 10% nhưng bù lại chi phí nhiên liệu hầu như bằng không Tuy nhiên, công nghệ này chỉ thích hợp với các khách hàng công nghiệp có nhu cầu về nhiệt lớn

- Độ tin cậy: Độ tin cậy cung cấp điện ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí bồi