Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn thủy điện nhỏ tới các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của lưới điện trung áp bình gia

TRƯỜ CT U C T U TC --------------------------------------- U Ễ U Ì BÌ CỨU Ả ƯỞ CỦA UỒ T Ủ Ỏ TỚ C C C Ỉ T U TẾ T U T CỦA LƯỚ TRU BÌNH GIA Ngành: ỹ thuật điện Mã số: 8 52 02 01 LU VĂ T C SĨ OA - 2020 C TRƯỜ CT U C T U TC --------------------------------------- U Ễ U Ì BÌ CỨU Ả ƯỞ CỦA UỒ T Ủ Ỏ TỚ C C C Ỉ T U TẾ T U T CỦA LƯỚ TRU BÌNH GIA Ngành: ỹ thuật điện Mã số: 8 52 02 01 LU VĂ T C SĨ OA C GƯỜI HƯỚ G DẪ KHOA HỌC S. Vũ Vă - 2020 ắ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, các nội dung nghiên cứu và kết quả đƣợc trình bày trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trƣớc đây. Tác giả luận văn 1 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ 1 MỤC LỤC ........................................................................................................... 2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................................. 5 DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................. 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................... 6 MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 8 I. Lý do chọn đề tài ........................................................................................ 8 II. Mục đích nghiên cứu ................................................................................ 9 III. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .......................................................... 9 VI. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................ 9 CHƢƠNG 1. LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP VÀ NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN ......... 10 1.1 Tổng quan về lƣới điện trung áp .......................................................... 10 1.1.1 Định nghĩa lƣới điện trung áp ......................................................... 10 1.1.2 Phân loại lƣới điện trung áp ............................................................ 10 1.1.3 Vai trò của lƣới điện trung áp ......................................................... 10 1.1.4 Các phần tử chính của lƣới điện trung áp ........................................ 11 1.1.5 Cấu trúc của lƣới điện trung áp ....................................................... 12 1.1.6 Đặc điểm của lƣới điện trung áp ..................................................... 16 1.2 Nguồn điện phân tán ............................................................................. 17 1.2.1 Định nghĩa nguồn điện phân tán ..................................................... 17 1.2.2 Phân loại nguồn điện phân tán ........................................................ 17 1.2.3 Công nghệ nguồn điện phân tán ...................................................... 19 1.2.3.1 1.2.3.2 1.2.3.3 1.2.3.4 1.2.3.5 1.2.3.6 1.2.3.7 1.2.3.8 1.2.3.9 Máy phát điện Diesel (Diesel Generators) ................................... 19 Máy phát điện tua-bin khí (Gas turbine Generator) ...................... 20 Pin nhiên liệu (Fuel Cells) ........................................................... 21 Nguồn điện mặt trời (Solar Power) .............................................. 22 Máy phát điện tua-bin gió (Wind Turbine Generator) .................. 24 Thủy điện nhỏ (Small Hydro Turbines)......................................... 27 Năng lượng điện thủy triều (Tidal Energy) ................................... 29 Năng lượng sinh khối (Biomass Energy) ...................................... 31 Năng lượng địa nhiệt (Geothermal Energy) ................................. 32 1.3 Hiện trạng lƣới điện trung áp và nguồn phân tán tại Việt Nam ......... 34 1.3.1 Tình hình phát triển lƣới điện trung áp của nƣớc ta ......................... 34 1.3.2 Tình hình phát triển phụ tải điện ..................................................... 34 2 1.3.3 Hiện trạng phát triển nguồn phân tán tại Việt Nam ......................... 35 1.3.4 Tiềm năng phát triển nguồn phân tán tại Việt Nam ......................... 35 1.3.4.1 1.3.4.2 1.3.4.3 1.3.4.4 1.3.4.5 Năng lượng gió ............................................................................ 35 Năng lượng mặt trời..................................................................... 36 Thủy điện nhỏ .............................................................................. 37 Năng lượng sinh khối ................................................................... 38 Kế hoạch phát triển nguồn phân tán ở nước ta ............................. 39 1.3.5 Nhận xét ......................................................................................... 40 1.4 Kết luận chƣơng 1 ................................................................................. 40 CHƢƠNG 2. ẢNH HƢỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN ĐẾN CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ KỸ THUẬT CỦA LĐTA ........................................................ 42 2.1 Đặt vấn đề.............................................................................................. 42 2.2 Ảnh hƣởng tới tổn thất công suất ......................................................... 43 2.3 Ảnh hƣởng tới chất lƣợng điện áp ....................................................... 45 2.3.1 Chỉ tiêu chất lƣợng điện áp ............................................................. 45 2.3.2 Ảnh hƣởng của DG tới chất lƣợng điện áp ...................................... 47 2.3.2.1 Gia tăng điện áp .......................................................................... 47 2.3.2.2 Suy giảm nhanh điện áp ............................................................... 47 2.3.2.3 Dao động điện áp......................................................................... 47 2.4 Ảnh hƣởng do gây ra sóng hài.............................................................. 48 2.5 Ảnh hƣởng đến dòng ngắn mạch và làm việc của thiết bị bảo vệ ....... 48 2.5.1 Dòng điện tăng cao trong các trƣờng hợp sự cố .............................. 49 2.5.2 Ảnh hƣởng của DG đến sự phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ .......... 49 2.5.3 Ảnh hƣởng của DG đến sự làm việc của thiết bị tự động đóng lại. .. 50 2.5.4 Biện pháp hạn chế ảnh hƣởng của DG trong chế độ sự cố lƣới điện 51 2.6 Ảnh hƣởng đến độ tin cậy cung cấp điện ............................................. 51 2.6.1 Độ tin cậy cung cấp điện ................................................................ 51 2.6.2 Các hệ số đánh giá độ tin cậy cung cấp điện ................................... 52 2.7 Ảnh hƣởng đến các chỉ tiêu kinh tế ...................................................... 54 2.7.1 Những lợi ích về kinh tế ................................................................. 54 2.7.2 Những hạn chế ............................................................................... 55 2.8 Ảnh hƣởng đến vấn đề ô nhiễm môi trƣờng ........................................ 55 2.8.1 Những lợi ích về môi trƣờng .......................................................... 55 2.8.2 Những hạn chế ............................................................................... 56 2.9 Đánh giá ảnh hƣởng của DG bằng hệ số đa mục tiêu ......................... 56 2.9.1 Các hệ số ảnh hƣởng của DG tới lƣới điện trung áp ........................ 56 3 2.9.2 Tổn thất công suất tác dụng và công suất phản kháng ..................... 56 2.9.3 Chất lƣợng điện áp của lƣới điện .................................................... 57 2.9.4 Khả năng tải của dây dẫn ................................................................ 58 2.9.5 Ngắn mạch ..................................................................................... 58 2.9.6 Đánh giá bằng hệ số đa mục tiêu .................................................... 59 2.10Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................................... 60 CHƢƠNG 3. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA DG TỚI CHẤT LƢỢNG ĐIỆN ÁP VÀ TỔN THẤT CÔNG SUẤT TRONG LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP BÌNH GIA ................................................................................................................... 61 3.1 Đặt vấn đề.............................................................................................. 61 3.2 Phƣơng pháp và công cụ tính toán ....................................................... 61 3.2.1 Phƣơng pháp tính toán .................................................................... 61 3.2.1.1 3.2.1.2 3.2.1.3 3.2.1.4 Ma trận tổng dẫn nút ................................................................... 62 Các loại nút của lưới điện ............................................................ 62 Phương trình cân bằng công suất nút khi có kết nối DG............... 63 Phương pháp Newton-Raphson (NR) ........................................... 64 3.2.2 Giới thiệu về phần mềm mô phỏng LĐPP PSS/Adept..................... 66 3.2.2.1 Chức năng của PSS/Adept. ........................................................... 66 3.2.2.2 Các bước thực hiện ...................................................................... 66 3.3 Ảnh hƣởng của DG đến chất lƣợng điện áp và tổn thất công suất của LĐTA Bình Gia. .................................................................................... 70 3.3.1 Nguồn cung cấp .............................................................................. 70 3.3.2 Sơ đồ và thông số của lƣới điện ...................................................... 70 3.3.3 Thông số của DG trong khu vực ..................................................... 77 3.3.4 Kết quả mô phỏng .......................................................................... 78 3.3.4.1 Chế độ tính toán........................................................................... 78 3.3.4.2 Đánh giá chất lượng điện áp ........................................................ 79 3.3.4.3 Đánh giá tổn thất công suất ......................................................... 85 3.3.5 Kết luận .......................................................................................... 86 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................ 87 KẾT LUẬN: ................................................................................................ 87 HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO: ..................................................... 87 KIẾN NGHỊ: ............................................................................................... 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................. 88 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DG: Nguồn điện phân tán. ĐD: Đƣờng dây. FCL: Thiết bị hạn chế dòng sự cố. LĐPP: LĐPP LĐTA: Lƣới điện trung áp. LI: Hệ số giảm tổn thất công suất. MC: Máy cắt. NLSK: Năng lƣợng sinh khối. PCC: Điểm kết nối. PQ: Nút phụ tải PV: Nút nguồn phát. TBPĐ: Thiết bị phân đoạn. TĐN: Thuỷ điện nhỏ. TĐL: Thiết bị tự động đóng lặp lại đƣờng dây tải điện. VP: Hệ số cải thiện chất lƣợng điện áp của lƣới điện VI: Đại lƣợng đặc trƣng cho chất lƣợng điện áp của xuất tuyến. 5 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Dải công suất tƣơng ứng của các công nghệ DG ....................... 18 Bảng 1.2: Kế hoạch phát triển nguồn điện sử dụng năng lƣợng tái tạo giai đoạn 2011 – 2020 có xét đến năm 2030. ............................................................ 40 Bảng 3.1: Thông số phụ tải của lƣới điện .................................................. 71 Bảng 3.2: Thông số đƣờng dây.................................................................. 74 Bảng 3.3: Kết quả tính toán tổn thất công suất .......................................... 86 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ lƣới phân phối hình tia. .................................................... 14 Hình 1.2: Sơ đồ lƣới phân phối hình tia có phân đoạn. .............................. 14 Hình 1.3: Sơ đồ lƣới kín vận hành hở do một nguồn cung cấp................... 14 Hình 1.4: Sơ đồ lƣới kín vận hành hở do 2 nguồn cung cấp độc lập. ......... 15 Hình 1.5: Sơ đồ lƣới điện kiểu đƣờng trục................................................. 15 Hình 1.6: Sơ đồ lƣới điện có đƣờng dây dự phòng chung. ......................... 15 Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống phân phối điện................................................... 16 Hình 1.8: Điểm kết nối (CP) và điểm kết nối chung (PCC) ....................... 18 Hình 1.9: Máy phát điện Diesel ................................................................. 19 Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lý máy phát điện tua-bin khí. ............................. 20 Hình 1.11: Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu. ........ 22 Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện mặt trời. .................................. 22 Hình 1.13: Hệ thống điện mặt trời tại Việt Nam ........................................ 23 Hình 1.14: Hình ảnh nhà máy điện gió. ..................................................... 24 Hình 1.15: Nguyên lý cấu tạo của tổ hợp tua-bin – máy phát điện gió. ...... 25 Hình 1.16: Công trình xây dựng nhà máy thủy điện nhỏ............................ 28 Hình 1.17: Nhà máy điện thủy triều kiểu đập ở cửa sông Rance (Pháp)..... 29 Hình 1.18: Hệ thống máy phát tua-bin thủy triều. ...................................... 30 Hình 1.19: Mô hình phát điện sử dụng khí Biogass. .................................. 31 Hình 1.20: Nhà máy điện sử dụng các dạng năng lƣợng sinh khối. ............ 31 6 Hình 1.21: Nguyên lý sản xuất điện từ năng lƣợng địa nhiệt. .................... 32 Hình 1.22: Nhà máy địa nhiệt điện. ........................................................... 33 Hình 1.23: Dự báo công suất các nguồn phân tán tại Việt Nam đến năm 2030. ................................................................................................................. 39 Hình 2.1: Phân bố hợp lý các DG trên lƣới để giảm tổn thất ...................... 44 Hình 3.1: Sơ đồ các bƣớc thực hiện tính toán bằng PSS/Adept .................. 67 Hình 3.2: Giao diện xác định thƣ viện dây dẫn .......................................... 67 Hình 3.3: Giao diện xác định các thuộc tính của lƣới điện ......................... 68 Hình 3.4: Giao diện thiết lập thông số từng phần tử của lƣới điện ............. 68 Hình 3.5: Giao diện hộp tùy chọn chƣơng trình tính toán .......................... 68 Hình 3.6: Hiển thị kết quả tính toán trên sơ đồ .......................................... 69 Hình 3.7: Hiển thị kết quả tính toán trên của số progress view .................. 69 Hình 3.8: Hiển thị kết quả tính toán trên cửa sổ report .............................. 70 Hình 3.9: Sơ đồ lƣới điện huyện Bình Gia................................................. 73 Hình 3.10: Đồ thị phụ tải ngày điển hình ................................................... 76 Hình 3.11: Đặc tính công suất phát của TĐN ............................................ 78 Hình 3.12: Kết quả tính toán điện áp nút trong chế độ phụ tải cực đại - 19h mùa hè (TH1- không có TĐN)........................................................................... 80 Hình 3.13: Kết quả tính toán điện áp nút trong chế độ phụ tải cực đại - 19h mùa hè (TH2- có TĐN) ..................................................................................... 81 Hình 3.14: So sánh điện áp nút trong chế độ phụ tải cực đại - 19h mùa hè 82 Hình 3.15: So sánh điện áp nút trong chế độ phụ tải cực tiểu - 3h mùa hè . 82 Hình 3.16: So sánh điện áp nút trong chế độ phụ tải cực đại - 19h mùa đông .......................................................................................................................... 83 Hình 3.17: Điện áp nút trong chế độ phụ tải cực tiểu - 1h mùa đông ......... 84 7 MỞ ĐẦU I. Lý do chọn đề tài DG là nguồn điện đƣợc kết nối trực tiếp với LĐPP hoặc cung cấp trực tiếp cho khách hàng sử dụng các nguồn năng lƣợng tái tạo với công nghệ mới nhƣ điện mặt trời, điện gió, điện địa nhiệt, tuabin khí, pin nhiên liệu hay nhà máy điện-nhiệt kết hợp hoặc máy phát diesel và thủy điện nhỏ [3] [27][30]. Nguồn này đƣợc lắp đặt gần nơi tiêu thụ nên loại trừ đƣợc những chi phí đầu tƣ lƣới điện, chi phí truyền tải và phân phối, tăng cƣờng linh hoạt và độ tin cậy của LĐPP, giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng, cải thiện độ lệch điện áp nút và giảm ô nhiễm môi trƣờng. Những năm gần đây, công nghệ DG phát triển rất nhanh với chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật ngày càng nâng cao đồng thời vấn đề ô nhiễm môi trƣờng cũng đƣợc quan tâm. Do đó, DG sử dụng nguồn năng lƣợng tái tạo đã đƣợc nhiều nhà khoa học nghiên cứu và từng bƣớc đƣợc ứng dụng thành công tại nhiều nƣớc trên thế giới. Trong thập kỷ qua, tổng nguồn năng lƣợng tái tạo trên toàn thế giới đã tăng từ 1226.8GW năm 2010 tới 2536.8GW vào năm 2019, tốc độ tăng trƣởng đạt tốc độ tăng 10.7% mỗi năm [5][20][24][25][26]. Ngoài ra, thủy điện nhỏ và các DG sử dụng năng lƣợng hóa thạch nhƣ máy phát tuabin khí, máy phát diesel, pin nhiên liệu cũng đƣợc nghiên cứu và phát triển rất mạnh mẽ [3][10][23][30]. DG nói chung và DG sử dụng các nguồn tái tạo nói riêng cũng đƣợc sử dụng và có vai trò ngày càng quan trọng trong hệ thống điện Việt Nam. Hiện nay, nhiều dự án sử dụng DG đang đƣợc triển khai trong phạm vi cả nƣớc [14]. Nƣớc ta có nguồn năng lƣợng tái tạo khá phong phú, năm 2010 có công suất là 8814MW đã tăng tới 24519MW năm 2019, tốc độ tăng trƣởng đạt 17.8% mỗi năm. Trong đó, các DG sử dụng năng lƣợng tái tạo mới chiếm phần rất nhỏ, năm 2010 tổng công suất của các nguồn này đạt 3,5% và dự báo đến năm 2020 đạt 4,5% tƣơng ứng 3375,0MW [14]. Trong những năm trƣớc đây, phần lớn DG là nguồn thủy điện nhỏ còn năng lƣợng mặt trời với công nghệ pin mặt trời đã tăng trƣởng vƣợt bậc trong vài năm gần đây, năm 2017 mới đạt công suất là 106MW nhƣng tới năm 2019 đã lắp đặt đƣợc tới 5695MW, chiếm tỷ trọng lớn trong các nguồn năng lƣợng tái tạo [25][26]. Tuy nhiên, sự xuất hiện của DG trong hệ thống điện hiện tại cũng đặt ra nhiều vấn đề kỹ thuật cần đƣợc quan tâm nghiên cứu, nhất là trong LĐTA. Nguyên nhân chính của các vấn đề này là việc LĐTA hiện tại vốn không đƣợc thiết kế tích hợp các DG với công suất phụ thuộc nhiều vào yếu tố môi trƣờng. Do đó, khi DG tham gia vào LĐTA hiện tại có thể làm nảy sinh các vấn đề kỹ 8 thuật liên quan đến chất lƣợng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện, hiệu quả truyền tải điện cũng nhƣ ảnh hƣởng tới chế độ làm việc của các hệ thống bảo vệ. Với những phân tích trên, đề tài đƣợc lựa chọn cho luận văn nhằm mục đích tìm hiểu, nghiên cứu những ảnh hƣởng của DG khi đấu nối vào LĐTA hiện có nói chung và tính toán, đánh giá ảnh hƣởng của DG đến chất lƣợng điện áp và tổn thất công suất trong LĐTA khu vực Bình Gia thuộc Công ty Điện lực Lạng Sơn. Từ đó, giúp cho cơ quan quản lý xây dựng đƣợc kế hoạch vận hành lƣới điện này đảm bảo chất lƣợng điện năng, an toàn, tin cậy và có hiệu quả cao. II. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu đặc tính vận hành của các DG và LĐPPTA. Trên cơ sở đó, mô hình hóa đặc tính vận hành của DG và LĐPP, lựa chọn công cụ tính toán để đánh giá ảnh hƣởng của các DG khi đấu nối với LĐPPTA. - Ứng dụng vào thực tế, tính toán và đánh giá ảnh hƣởng của thủy điện nhỏ tới các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của LĐPPTA Bình Gia. Từ đó, lựa chọn đƣợc phƣơng thức vận hành tối ƣu cho LĐPPTA Bình Gia. III. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: LĐPPTA nói chung và LĐPPTA khu vực huyện Bình Gia, tỉnh Lạng Sơn. - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu các phƣơng pháp mô hình hóa đặc tính vận hành của DG và LĐPPTA, các phƣơng pháp và công cụ tính toán thông số chế độ của LĐPPTA. Đánh giá hiện trạng và đề xuất phƣơng thức vận hành tối ƣu cho LĐPPTA Bình Gia. VI. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu lựa chọn các phƣơng pháp mô hình hóa đặc tính vận hành của các DG và LĐPPTA. Từ đó, lựa chọn đƣợc giải pháp phù hợp cho mỗi loại nguồn DG và LĐPPTA. - Ý nghĩa thực tiễn: Tính toán áp dụng cho LĐPPTA thực tiễn nhằm lựa chọn đƣợc phƣơng thức vận hành tối ƣu cho LĐPPTA với thủy điện nhỏ của LĐPP khu vực Bình Gia. 9 CHƢƠNG 1. LƢỚI ĐIỆN TRUNG ÁP VÀ NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN 1 Chương 1, Equation Chapter 1 Section 1 1.1 Tổng quan về lƣới điện trung áp 1.1.1 Định nghĩa lưới điện trung áp Lƣới điện trung áp (LĐTA) là một phần của hệ thống điện, làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, các trạm khu vực hay thanh cái của nhà máy điện cấp điện cho phụ tải. LĐTA là khâu cuối cùng của hệ thống điện đƣa điện năng trực tiếp đến ngƣời tiêu dùng [1]. Tính đến nay lƣới điện trung áp đã trải khắp các xã trên đất nƣớc, tuy nhiên còn một số thôn, bản vẫn chƣa đƣợc dùng điện lƣới quốc gia mà họ vẫn phải dùng điện từ các thuỷ điện nhỏ hoặc máy phát điện diesel. 1.1.2 Phân loại lưới điện trung áp Lƣới điện trung áp chủ yếu ở các cấp điện áp 6kV, 10kV, 22kV, 35kV phân phối điện cho các trạm biến áp trung áp/hạ áp và các phụ tải cấp điện áp trung áp [1][11][13]. Phân loại LĐTA trung áp theo 3 dạng: - Theo đối tƣợng và địa bàn phục vụ, có 3 loại: + Lƣới phân phối thành phố; + Lƣới phân phối nông thôn; + Lƣới phân phối xí nghiệp. - Theo thiết bị dẫn điện: + Lƣới phân phối trên không; + Lƣới phân phối cáp ngầm. - Theo cấu trúc hình dáng: + Lƣới hở (hình tia) có phân đoạn và không phân đoạn. + Lƣới kín vận hành hở; + Sơ đồ hình lƣới; 1.1.3 Vai trò của lưới điện trung áp LĐTA làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, trạm khu vực hay thanh cái của các nhà máy điện cho các phụ tải điện. 10 LĐTA đƣợc xây dựng, lắp đặt phải đảm bảo nhận điện năng từ một hay nhiều nguồn cung cấp và phân phối đến các hộ tiêu thụ điện. Đảm bảo cung cấp điện tiêu thụ sao cho ít gây ra mất điện nhất, đảm bảo cho nhu cầu phát triển của phụ tải. Đảm bảo chất lƣợng điện năng cao nhất về ổn định tần số và ổn định điện áp trong giới hạn cho phép. LĐTA trung áp có tầm quan trọng đặc biệt đối với hệ thống điện: - Trực tiếp đảm bảo chất lƣợng điện áp cho phụ tải. - Giữ vai trò rất quan trọng trong đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải. Có đến 98% điện năng bị mất là do sự cố và ngừng điện kế hoạch lƣới phân phối. Mỗi sự cố trên LĐTA trung áp đều có ảnh hƣởng rất lớn đến sinh hoạt của nhân dân và các hoạt động kinh tế, xã hội. - Sử dụng tỷ lệ vốn rất lớn: khoảng 50% vốn cho hệ thống điện (35% cho nguồn điện, 15% cho lƣới hệ thống và lƣới truyền tải). - Tỷ lệ tổn thất điện năng rất lớn: khoảng 40-50% tổn thất điện năng xảy ra trên LĐTA. Và tổn thất kinh doanh cũng chỉ xảy ra này. - LĐTA gần với ngƣời dùng điện, do đó vấn đề an toàn điện cũng là rất quan trọng. 1.1.4 Các phần tử chính của lưới điện trung áp Các phần tử chủ yếu trong LĐTA bao gồm [11][19]: - Máy biến áp trung gian và máy biến áp phân phối. - Thiết bị dẫn điện: Đƣờng dây tải điện. - Thiết bị đóng cắt và bảo vệ: Máy cắt, dao cách ly, cầu chì, chống sét van, áp tô mát, hệ thống bảo vệ rơ le, giảm dòng ngắn mạch. - Thiết bị điều chỉnh điện áp: Thiết bị điều áp dƣới tải, thiết bị thay đổi đầu phân áp ngoài tải, tụ bù ngang, tụ bù dọc, thiết bị đối xứng hóa, thiết bị lọc sóng hài bậc cao. - Thiết bị đo lƣờng: Công tơ đo điện năng tác dụng, điện năng phản kháng, đồng hồ đo điện áp và dòng điện, thiết bị truyền thông tin đo lƣờng... - Thiết bị giảm tổn thất điện năng: Tụ bù. 11 - Thiết bị nâng cao độ tin cậy: Thiết bị tự động đóng lại, thiết bị tự đóng nguồn dự trữ, máy cắt hoặc dao cách ly phân đoạn, các khớp nối dễ tháo trên đƣờng dây, kháng điện hạn chế ngắn mạch, ... - Thiết bị điều khiển từ xa hoặc tự động: Máy tính điện tử, thiết bị đo xa, thiết bị truyền, thu và xử lý thông tin, thiết bị điều khiển xa, thiết bị thực hiện, ... Mỗi phần tử trên lƣới điện đều có các thông số đặc trƣng (công suất, điện áp định mức, tiết diện dây dẫn, điện kháng, điện dung, dòng điện cho phép, tần số định mức, khả năng đóng cắt ...) đƣợc chọn trên cơ sở tính toán kỹ thuật. Những phần tử có dòng công suất đi qua (máy biến áp, dây dẫn, thiết bị đóng cắt, máy biến dòng, tụ bù ...) thì thông số của chúng ảnh hƣởng trực tiếp đến thông số chế độ (điện áp, dòng điện, công suất) nên đƣợc dùng để tính toán chế độ làm việc của LĐTA. Nói chung, các phần tử chỉ có 2 trạng thái: Làm việc và không làm việc. Một số ít phần tử có nhiều trạng thái nhƣ: Hệ thống điều áp, tụ bù có điều khiển, mỗi trạng thái ứng với một khả năng làm việc. Một số phần tử có thể thay đổi trạng thái trong khi mang điện (dƣới tải) nhƣ: Máy cắt, áp tô mát, các thiết bị điều chỉnh dƣới tải. Một số khác có thể thay đổi khi cắt điện nhƣ: Dao cách ly, đầu phân áp cố định. Máy biến áp và đƣờng dây nhờ các máy cắt có thể thay đổi trạng thái dƣới tải. Nhờ các thiết bị phân đoạn, đƣờng dây tải điện đƣợc chia thành nhiều phần tử của hệ thống điện. Không phải lúc nào các phần tử của lƣới phân phối cũng tham gia vận hành, một số phần tử có thể nghỉ vì lý do sự cố hoặc lý do kỹ thuật, kinh tế khác. Ví dụ tụ bù có thể bị cắt lúc phụ tải thấp để giữ điện áp, một số phần tử của lƣới không làm việc để LĐTA vận hành hở theo điều kiện tổn thất công suất nhỏ nhất. 1.1.5 Cấu trúc của lưới điện trung áp Cấu trúc của LĐTA bao gồm cấu trúc tổng thể và cấu trúc vận hành [11][19]. - Cấu trúc tổng thể: Là cấu trúc bao gồm tất cả các phần tử và sơ đồ lƣới đầy đủ. Muốn lƣới điện có độ tin cậy cung cấp điện cao thì cấu trúc tổng thể phải là cấu trúc thừa. Thừa về số phần tử, về khả năng tải của các phần tử, thừa về khả năng lập sơ đồ. Ngoài ra trong vận hành còn phải dự trữ các thiết bị thay thế và vật liệu để sửa chữa. Trong một chế độ vận hành 12 nhất định chỉ cần một phần của cấu trúc tổng thể là đủ đáp ứng nhu cầu, đa phần đó là cấu trúc vận hành. - Cấu trúc vận hành: Là một phần của cấu trúc tổng thể, có thể là một hay một vài phần tử của cấu trúc tổng thể và gọi đó là một trạng thái của lƣới điện. Cấu trúc vận hành bình thƣờng gồm các phần tử và các sơ đồ vận hành do ngƣời vận hành lựa chọn. Có thể có nhiều cấu trúc vận hành thỏa mãn điều kiện kỹ thuật, ngƣời ta phải chọn cấu trúc vận hành tối ƣu theo điều kiện kinh tế nhất (tổn thất nhỏ nhất). Khi xảy ra sự cố, một phần tử đang tham gia vận hành bị hỏng thì cấu trúc vận hành bị rối loạn, ngƣời ta phải nhanh chóng chuyển qua cấu trúc vận hành sự cố bằng cách thay đổi các trạng thái phần tử cần thiết. Cấu trúc vận hành sự cố có chất lƣợng vận hành thấp hơn so với cấu trúc vận hành bình thƣờng. Trong chế độ vận hành sau sự cố có thể xảy ra mất điện phụ tải. Cấu trúc vận hành sự cố chọn theo độ an toàn cao và khả năng thao tác thuận lợi. Ngoài ra, cấu trúc LĐTA còn có thể có các dạng nhƣ: - Cấu trúc tĩnh: Với cấu trúc này LĐTA không thể thay đổi sơ đồ vận hành. Khi cần bảo dƣỡng hay sự cố thì toàn bộ hoặc một phần LĐTA phải ngừng cung cấp điện. Cấu trúc dạng này chính là LĐTA hình tia không phân đoạn và hình tia phân đoạn bằng dao cách ly hoặc máy cắt. - Cấu trúc động không hoàn toàn: Trong cấu trúc này, LĐTA có thể thay đổi sơ đồ vận hành ngoài tải, tức là khi đó LĐTA đƣợc cắt điện để thao tác. Đó là lƣới điện trung áp có cấu trúc kín vận hành hở. - Cấu trúc động hoàn toàn: Đối với cấu trúc dạng này, LĐTA có thể thay đổi sơ đồ vận hành ngay cả khi lƣới đang trong trạng thái làm việc. Cấu trúc động đƣợc áp dụng là do nhu cầu ngày càng cao về độ tin cậy cung cấp điện. Ngoài ra cấu trúc động cho phép vận hành kinh tế LĐTA, trong đó cấu trúc động không hoàn toàn và cấu trúc động hoàn toàn mức thấp cho phép vận hành kinh tế lƣới điện theo mùa, khi đồ thị phụ tải thay đổi đáng kể. Cấu trúc động ở mức cao cho phép vận hành lƣới điện trong thời gian thực. LĐTA trong cấu trúc này phải đƣợc thiết kế sao cho có thể vận hành kín trong thời gian ngắn để thao tác sơ đồ. Một số dạng sơ đồ cấu trúc LĐTA: - Lưới hình tia (Hình 1.1): Lƣới này có ƣu điểm là rẻ tiền nhƣng độ tin cậy rất thấp. 13 MC ĐD Nguồn P1 P2 P3 P4 P… Pn Hình 1.1: Sơ đồ lƣới phân phối hình tia. - Lưới hình tia phân đoạn (Hình 1.2): Độ tin cậy cao hơn. Phân đoạn lƣới phía nguồn có độ tin cậy cao do sự cố hay dừng điện công tác các đoạn lƣới phía sau, vì nó ảnh hƣởng ít đến các phân đoạn trƣớc. ĐD MC Nguồn P1 P2 TBPĐ P3 P4 P… Hình 1.2: Sơ đồ lƣới phân phối hình tia có phân đoạn. Pn - Lưới kín vận hành hở do một nguồn cung cấp (Hình 1.3): Có độ tin cậy cao hơn nữa do mỗi phân đoạn đƣợc cấp điện từ hai phía. Lƣới điện này có thể vận hành kín cho độ tin cậy cao hơn nhƣng phải trang bị máy cắt và thiết bị bảo vệ có hƣớng nên đắt tiền. Vận hành hở độ tin cậy thấp hơn một chút do phải thao tác khi sự cố nhƣng rẻ tiền, có thể dùng dao cách ly tự động hay điều khiển từ xa. MC Nguồn ĐD TBPĐ ĐD TBPĐ MC MC ĐD TBPĐ ĐD Hình 1.3: Sơ đồ lƣới kín vận hành hở do một nguồn cung cấp. - Lưới kín vận hành hở cấp điện từ 2 nguồn độc lập (hình 1.4): Lƣới điện này phải vận hành hở vì không đảm bảo điều kiện vận hành song song lƣới điện ở các điểm phân đoạn, khi thao tác có thể gây ngắn mạch. 14 MC ĐD Nguồn 1 TBPĐ ĐD TBPĐ MC ĐD Nguồn 2 TBPĐ ĐD Hình 1.4: Sơ đồ lƣới kín vận hành hở do 2 nguồn cung cấp độc lập. - Lưới điện kiểu đường trục (Hình 1.5): Cấp điện cho một trạm cắt hay một trạm biến áp, từ đó có các đƣờng dây cấp điện cho các trạm biến áp phụ tải. Trên các đƣờng dây cấp điện không có nhánh rẽ, loại này có độ tin cậy cao. Thƣờng dùng để cấp điện cho các xí nghiệp hay các nhóm phụ tải xa trạm nguồn và có yêu cầu công suất lớn. MC Nguồn MC ĐD1 MC ĐD2 MC MC MC Hình 1.5: Sơ đồ lƣới điện kiểu đƣờng trục. - Lưới điện có đường dây dự phòng chung (Hình 1.6): Có nhiều đƣờng dây phân phối đƣợc dự phòng chung bởi một đƣờng dây dự phòng. Lƣới điện này có độ tin cậy cao và rẻ hơn kiểu một đƣờng dây dự phòng cho một đƣờng dây nhƣ ở trên (Hình 1.5). Loại này đƣợc dùng tiện lợi cho lƣới điện cáp ngầm. Nguồn Đƣờng dây dự phòng Hình 1.6: Sơ đồ lƣới điện có đƣờng dây dự phòng chung. 15 Lƣới điện trong thực tế là tổ hợp của 6 loại lƣới điện trên. Áp dụng cụ thể cho lƣới điện trên không hay lƣới điện cáp ngầm khác nhau và ở mỗi hệ thống điện có kiểu sơ đồ riêng. Lƣới điện có thể điều khiển từ xa nhờ hệ thống SCADA và cũng có thể đƣợc điều khiển bằng tay. Các thiết bị phân đoạn phải là loại không đòi hỏi bảo dƣỡng định kỳ và xác suất sự cố rất nhỏ đến mức coi nhƣ tin cậy tuyệt đối. - Sơ đồ hình lưới (Hình 1.7): Đây là dạng cao cấp nhất và hoàn hảo nhất của lƣới phân phối trung áp. Lƣới điện có nhiều nguồn, nhiều đƣờng dây tạo thành các mạch kín có nhiều điểm đặt thiết bị phân đoạn. Lƣới điện bắt buộc phải điều khiển từ xa với sự trợ giúp của máy tính và hệ thống SCADA. Hiện đang nghiên cứu loại điều khiển hoàn toàn tự động. Nguồn 2 Nguồn 1 Nguồn 3 TBPĐ Nguồn 4 Hình 1.7: Sơ đồ hệ thống phân phối điện. Trong sơ đồ, các vị trí cắt đƣợc chọn theo điều kiện tổn thất điện năng nhỏ nhất cho chế độ bình thƣờng, chọn loại theo mùa trong năm và chọn theo điều kiện an toàn cao nhất khi sự cố. 1.1.6 Đặc điểm của lưới điện trung áp LĐTA đƣợc phân bố trên diện rộng, thƣờng vận hành không đối xứng và có tổn thất lớn. Qua nghiên cứu cho thấy tổn thất thấp nhất trên LĐTA vào khoảng 4% [11][19]. Vấn đề tổn thất trên LĐTA liên quan chặt chẽ đến các vấn đề kỹ thuật của lƣới điện từ giai đoạn thiết kế đến vận hành. Do đó, trên cơ sở các số liệu về tổn thất có thể đánh giá sơ bộ chất lƣợng vận hành của LĐTA. Trong những năm gần đây, LĐTA của nƣớc ta phát triển mạnh, các Công ty Điện lực cũng đƣợc phân cấp mạnh mẽ về quản lý. Vì vậy, chất lƣợng vận hành của 16 LĐTA đƣợc câng cao rõ rệt, tỷ lệ tổn thất điện năng giảm mạnh song vẫn còn rất khiêm tốn. 1.2 Nguồn điện phân tán Những năm gần đây, nhiều công nghệ nguồn điện phân tán đã đƣợc ứng dụng thành công trong hệ thống điện. Khi tham gia trong hệ thống, nguồn điện phân tán sẽ làm thay đổi trào lƣu công suất, thay đổi lộ trình và thông số nâng cấp của đƣờng dây, trạm biến áp nguồn. Tuy nhiên, nguồn điện phân tán thƣờng có vốn đầu tƣ lớn, công suất phát có thể không ổn định phụ thuộc vào nguồn năng lƣợng sơ cấp. Thông số của LĐTA nhƣ tổn thất công suất, tổn thất điện năng và chất lƣợng điện áp sẽ thay đổi dƣới tác động của nguồn điện phân tán. Do đó, cần nghiên cứu ảnh hƣởng của nguồn này tới các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của LĐTA. 1.2.1 Định nghĩa nguồn điện phân tán Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của nhiều công nghệ mới, nhiều loại nguồn điện phân tán đã đƣợc ứng dụng thành công. Nhu cầu về năng lƣợng tăng cao, các vấn đề bất cập từ việc phát triển nguồn năng lƣợng truyền thống, cũng nhƣ những ƣu điểm của nguồn điện phân tán, đang là động lực thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các nguồn điện phân tán. Trong nhiều tài liệu khác nhau, nhiều thuật ngữ và tên gọi khác nhau đƣợc sử dụng để định nghĩa nguồn điện phân tán. Các tên gọi thƣờng đƣợc sử dụng là: “nguồn phát nhúng vào – Embedded Generation”, “nguồn phát phân tán – Distributed Genneration (DG) hay Dispersed Generation”, “nguồn phi tập trung – Decentralized Generation” [21][30]. Nói chung, nguồn phân tán có thể đƣợc hiểu nhƣ là một nguồn phát điện với quy mô nhỏ đƣợc đấu nối vào hệ thống lƣới phân phối. Trong luận văn này, tác giả sử dụng định nghĩa nguồn phân tán nhƣ định nghĩa trong tiêu chuẩn IEEE 1547: “Nguồn phân tán là loại nguồn kết nối trực tiếp tới hệ thống phân phối. Nguồn phân tán bao gồm máy phát điện và các công nghệ dự trữ năng lƣợng. 1.2.2 Phân loại nguồn điện phân tán Nguồn phân tán có thể chia ra làm hai nhóm chính theo công nghệ chế tạo [3][28][30]: - Nhóm nguồn năng lƣợng tái tạo: Điện gió, điện mặt trời, thủy điện nhỏ, điện sinh khối, địa nhiệt điện, điện thủy triều. 17 - Nhóm nguồn năng lƣợng không tái tạo: Động cơ đốt trong (Diesel), pin nhiện liệu, tua bin hơi. Trong đó các DG tái tạo đang đƣợc ƣu tiên thúc đẩy phát triển nhanh chóng do các tác động tích cực của chúng đến môi trƣờng. Các công nghệ DG và dải công suất thông thƣờng đƣợc chỉ ra trong Bảng 1.1 Bảng 1.1: Dải công suất tƣơng ứng của các công nghệ DG Loại DG Thủy điện nhỏ Thủy điện rất nhỏ Điện gió Pin quang điện Điện mặt trời Dải công suất 1 - 100MW 25kW - 30MW 200W - 3MW 20W - 100kW 1 - 80MW Loại DG Điện sinh khối Pin nhiên liệu Địa nhiệt Năng lƣợng biển Dải công suất 100kW - 20MW 1kW - 5MW 5MW - 1000MW 100kW - 1MW Đƣờng dây kết nối DG Dao cách ly Lƣới điện phân phối trung áp Điểm kết nối (CP) Hệ thống bảo vệ kết nối Máy cắt Đo đếm Điểm kết nối chung (PCC) G G Hình 1.8: Điểm kết nối (CP) và điểm kết nối chung (PCC) Với sự đa dạng về các DG nhƣ vậy, trong tƣơng lai mạng điện sẽ giống nhƣ một mạng Internet trong đó các DG đƣợc kết nối ở khắp nơi giống nhƣ máy vi tính. Hệ thống điện lúc này là sự kết hợp của các DG và các nguồn phát điện trung tâm. Các nguồn phát điện trung tâm đƣợc kết nối vào lƣới điện áp cao (thƣờng từ 110kV trở lên) cung cấp điện cho các trung tâm, vùng miền tiêu thụ công suất lớn, trong 18