Tài liệu Nghiên cứu nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện 22kv lộ 472 thành phố lạng sơn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP MÃ MINH TÚ NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH LƢỚI ĐIỆN 22KV LỘ 472 THÀNH PHỐ LẠNG SƠN LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN Thái Nguyên – Năm 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Mã Minh Tú NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH LƢỚI ĐIỆN 22KV LỘ 472 THÀNH PHỐ LẠNG SƠN Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8.52.02.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Ngô Đức Minh Thái Nguyên – Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi là Mã Minh Tú, học viên lớp cao học K21 ngành Kỹ thuật điện, sau hai năm học tập và nghiên cứu, đƣợc sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt là thầy giáo hƣớng dẫn tốt nghiệp PGS.TS. Ngô Đức Minh, tôi đã hoàn thành chƣơng trình học tập và đề tài luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả vận hành lƣới điện 22 kV lộ 472 thành phố Lạng Sơn”. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân dƣới sự hƣớng dẫn của Thầy giáo PGS.TS. Ngô Đức Minh. Nội dung luận văn chỉ tham khảo và trích dẫn các tài liệu đã đƣợc ghi trong danh mục tài liệu tham khảo, dữ liệu thực tế do Điện lực Lạng Sơn cung cấp và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Thái Nguyên, ngày 12 tháng 07 năm 2020 Học viên Mã Minh Tú i MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................................. ii DANH MỤC HÌNH ẢNH ......................................................................................................... iv DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................................... vi MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1 ................................................................................................................................ 3 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN ...................................................................................... 3 VÀ LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 22 kV THÀNH PHỐ LẠNG SƠN ........................................... 3 1.1 Cấu trúc tổng quát của một hệ thống điện quốc gia ......................................................... 3 1.2 Một số yêu cầu cơ bản đối với hệ thống điện phân phối ................................................ 11 1.3 Giới thiệu lƣới điện phân phối 22 kV lộ 472 thành phố Lạng Sơn ................................ 18 1.3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.................................................................. 24 Kết luận chƣơng 1 ................................................................................................................ 24 CHƢƠNG 2 .............................................................................................................................. 25 CÔNG CỤ TOÁN HỌC VÀ PHẦN MỀM ỨNG DỤNG ....................................................... 25 2.1 Giới thiệu chung ............................................................................................................. 25 2.2 Công cụ toán học và phần mềm ứng dụng ..................................................................... 25 2.2.1 Giải tích lƣới điện và thuật toán áp dụng ............................................................ 25 2.2.2 Giải tích lƣới bằng phần mềm ETAP.................................................................. 26 2.3 Áp dụng ETAP mô hình hóa mô phỏng lộ 472 TP. Lạng Sơn ...................................... 26 2.3.1 Giới thiệu chung về Etap [10] ............................................................................. 26 2.3.2 Mô hình hoá lộ 472 thành phố Lạng Sơn ........................................................... 30 2.3.3 Khai báo thông số các phần tử trong sơ đồ mô phỏng ........................................ 32 2.4 Nguồn phân tán máy phát điện turbine gió .................................................................... 35 2.4.1 Đặc diểm chung về máy phát điện turbine gió ................................................... 35 2.4.2 Máy phát điện turbine gió tích hợp trong phần mềm ETAP............................... 48 Kết luận chƣơng 2 ................................................................................................................ 51 CHƢƠNG 3 ........................................................................................................................ 52 MÔ PHỎNG GIẢI TÍCH LƢỚI VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY VÀ CHẤT LƢỢNG ĐIỆN ÁP LỘ 472 .................................................................. 52 3.1 Đặt vấn đề....................................................................................................................... 52 3.2 Giải pháp điều chỉnh điện áp nguồn ............................................................................... 53 ii 3.2.1 Chế độ vận hành 1a: 105%Uđm, Smax .............................................................. 54 3.2.2 Chế độ vận hành 1b: 105%Uđm, 90%Sđm ........................................................ 65 3.3 Giải pháp tái cấu trúc lƣới .............................................................................................. 74 3.3.1 Chế độ vận hành 2a: 105%Uđm ; 90%Sđm ; nâng cấp dây dẫn ........................ 74 3.3.2 Chế độ vận hành 2b: 105%Uđm, Smax, liên lạc kết nối mạch vòng.................. 77 Nhận xét chế độ vận hành 2: ............................................................................................ 83 3.4 Giải pháp áp dụng nguồn phân tán máy phát turbine gió WTG .................................... 84 3.4.1 Chế độ vận hành 3a: Nguồn WTG đơn chiếc ..................................................... 85 3.4.2 Chế độ vận hành 3b: Vận hành nguồn WTG nhóm (Wind Farm) ...................... 88 Nhận xét chế độ vận hành 3: ............................................................................................ 91 Kết luận chƣơng 3 ................................................................................................................ 91 KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................................... 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 93 iii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. 1 Mô hình cấu trúc hệ thống điện hoàn chỉnh ....................................................3 Hình 1. 3 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điện ........................................................... 4 Hình 1. 4 Sơ đồ nguyên lý một sợi hệ thống điện phân phối ..........................................6 Hình 1. 5 Sơ đồ một sợi lộ 472 lƣới điện 22 kV thành phố Lạng Sơn .......................... 18 Hình 2. 1 Các ô cửa chính ............................................................................................. 27 Hình 2. 2 Các chức năng tính toán ................................................................................28 Hình 2. 3 Các phần tử AC ............................................................................................. 28 Hình 2. 4 Một số chức năng tính toán thông dụng ........................................................ 29 Hình 2. 5 Các thiết bị đo lƣờng, bảo vệ .........................................................................29 Hình 2. 6 Sơ đồ mô phỏng lộ 472 lƣới điện 22 kV TP.Lạng Sơn .................................31 Hình 2. 7 Khai báo thông số nguồn ...............................................................................32 Hình 2. 8 khai báo thông số tải ......................................................................................33 Hình 2. 9 Khai báo thông số đƣờng dây ........................................................................34 Hình 2. 10 Đặc tính phát công suất tác dụng phụ thuộc tốc độ gió của WTG ..............35 Hình 2. 11 Mô hình WTG có bộ biến đổi nối tiếp ........................................................ 36 Hình 2. 12 Mô hình WTG có bộ biến đổi song song - DFIG ........................................37 Hình 2. 13 Phân bố công suất trong DFIG ....................................................................37 Hình 2. 14 DFIG đƣợc chế tạo và áp dụng trong các điều kiện khác nhau...................38 Hình 2. 15 Cấu trúc mô phỏng bằng Matlab Simulink của một DFIG ......................... 40 Hình 2. 16 Kết quả mô phỏng các thông số hính vi của DFIG .....................................41 Hình 2. 17 Hình ảnh phóng to trong khoảng thời gian (0,47 ÷ 0,79)s. ......................... 42 Hình 2. 18 Kết quả mô phỏng tốc độ rotor ....................................................................42 Hình 2. 19 Kết quả mô điện áp một chiều trung gian Udc ............................................43 Hình 2. 20 Mô phỏng dòng điện pha pha Iabc converter2 – rotor ................................ 43 Hình 2. 21 Mô phỏng dòng rotor qua điểm đồng bộ t = 2.5s ........................................44 Hình 2. 22 Mô phỏng dòng rotor qua điểm đồng bộ t = 7,2s ........................................44 Hình 2. 23 Mô phỏng dòng điện Converter1.................................................................45 Hình 2. 24 Converter1 đổi chiều dòng điện tại t = 2.5s ................................................45 Hình 2. 25 Converter1 đổi chiều dòng điện tại t = 7,2s ................................................45 Hình 2. 26 Mô tả điện áp một pha nghịch lƣu trên converter1 đƣợc điều chế kiểu dạng sung SVPWM tại tốc độ gió 14m/s ...............................................................................46 iv Hình 2. 27 Mô tả điện áp một pha nghịch lƣu trên converter1 đƣợc điều chế kiểu dạng sung SVPWM tại tốc độ gió 8m/s .................................................................................46 Hình 2. 28 Mô phỏng điện áp mạch rotor – converter2 khi tốc độ rotor thay đổi, .......47 Hình 2. 29 Mô phỏng điện áp mạch rotor – converter2 khi tốc độ rotor thay đổi, .......47 Hình 2. 30 Profile WTG trong ETAP ...........................................................................49 Hình 2. 31 Cài đặt thông số vận hành cơ bản cho WTG ...............................................50 Hình 2. 32 Chọn tốc độ cơ bản cho turbine ...................................................................51 Hình 3. 1 Lƣu đồ các bƣớc nâng cao chất lƣợng điện áp và độ tin cậy lƣới điện .........53 Hình 3. 2 Mô phỏng phân bố công suất và điện áp bus chế độ vận hành 1a ................56 Hình 3. 3 Kết quả mô phỏng (Zoom) điện áp trên thanh cái - Chế độ vận hành 1a .....57 Hình 3. 4 Kết quả mô phỏng điện áp tại bus khu vực kết nối liên lạc với lộ 474 .........58 Hình 3. 5 Kết quả mô phỏng điện áp tại bus khu vực kết nối liên lạc với lộ 473 .........59 Hình 3. 6 Kết quả mô phỏng (Zoom) điện áp tại các bus cuối lộ 472 .......................... 60 Hình 3. 7 Mô phỏng phân bố công suất và điện áp bus chế độ vận hành 1a ................66 Hình 3. 8 Một số đoạn đƣờng dây trục chính phía đầu nguồn hiện cảnh báo quá tải ...67 Hình 3. 9 Kết quả mô phỏng điện áp tại bus khu vực kết nối liên lạc với lộ 472 .........68 Hình 3. 10 Kết quả mô phỏng điện áp tại bus khu vực kết nối liên lạc với lộ 474 ......75 Hình 3. 11 Kết quả mô phỏng điện áp tại bus khu vực kết nối liên lạc với lộ 473 .......76 Hình 3. 12 Kết quả mô phỏng điện áp tại bus khu vực cuối dƣờng dây lộ 472 ............76 Hình 3. 13 a,b Cấu trúc nguồn kết nối giải lập (quy đổi) ..............................................78 Hình 3. 14 Kết quả mô phỏng điện áp bus xa nguồn trên đƣờng dây 22 kV lộ 472 .....83 Hình 3. 15 Nguồn phân tán WTG trong lƣới phân phối ...............................................84 Hình 3. 16 Mô phỏng vị trí thiết lập các WTG đơn chiếc trên lộ 472 .......................... 86 Hình 3. 17 Mô phỏng chất lƣợng điện áp trạng thái thứ nhất .......................................87 Hình 3. 18 Mô phỏng chất lƣợng điện áp trạng thái thứ hai .........................................88 Hình 3. 19 Vị trí thiết lập nguồn WTG nhóm ............................................................... 89 Hình 3. 20 Mô phỏng các WTG nhóm phát công suất với trạng thái gió ngẫu nhiên ..90 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Tổng độ méo biên độ sóng hài ......................................................................13 Bảng 1. 2 Độ nhấp nháy điện áp....................................................................................14 Bảng 1. 5 Thông số phụ tải lộ 472 TP. Lạng Sơn ......................................................... 19 Bảng 1. 6 Thông số đƣờng dây lộ 472 thành phố Lạng Sơn .........................................21 Bảng 1. 7 Thông số máy biến áp lộ 472 thành phố Lạng Sơn ......................................23 Bảng 2. 1 Kiểu loại WTG trong ETAP .........................................................................50 Bảng 3. 1 Dữ liệu phụ tải cực đại Smax lộ 472 ............................................................ 54 Bảng 3. 2 Dữ liệu kết quả mô phỏng phân bố công suất trên đƣờng dây .....................61 Bảng 3. 3 Dữ liệu kết quả mô phỏng tính điện áp bus-tải .............................................63 Bảng 3. 4 Kết quả mô phỏng cân bằng công suất và thổn thất công suất .....................64 Bảng 3. 5 Dữ liệu kết quả mô phỏng phân bố công suất trên đƣờng dây .....................69 Bảng 3. 6 Dữ liệu kết quả mô phỏng tính điện áp bus-tải .............................................71 Bảng 3. 7 Kết quả mô phỏng cân bằng công suất và thổn thất công suất .....................73 Bảng 3. 8 dữ liệu kết quả giải tích phân bố dòng điện lộ 472 chế độ vận hành 2a .......75 Bảng 3. 9 Dữ liệu kết quả phân bố công suất/dòng điện trên đƣờng dây lộ 472 ..........79 Bảng 3. 10 Dữ liệu kết quả phân bố công suất và điện áp bus-tải lộ 472 .....................81 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt OTI Operation Technology, Inc EHV & HV Extra High Voltage/ High Voltage Siêu cao áp/cao áp FACTS Flexible AC Transmission Truyền tải điện xoay chiều linh hoạt HVDC High Voltage Direct Current Truyền tải điện cao áp một Transmission chiều CSTD (P) Active Power Công suất tác dụng CSPK (Q) Reaction Power Công suất phản kháng AC Alternating Current Điện xoay chiều DC Direct Current Điện một chiều SW Switching Chuyển mạch (cầu dao) G-PVA Gred-PhotoVotage Array Nguồn lai Lƣới – Pin quang điện PVA PhotoVotage Array Nguồn pin quang điện SHP Small Hydro Power station Trạm thủy điện nhỏ WTG Wind Turbine Genertor Máy phát điện turbine gió DFIG Doubly Fed Induction Renerator Máy phát điện nguồn kép vii MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu chung: Hệ thống điện Việt Nam nói chung và lƣới điện tại các tỉnh miền núi nói riêng đƣợc xây dựng và phát triển từng bƣớc qua các nhiều giai đoạn nên tồn tại nhiều bất cập. Trong đó, có nhiều đƣờng dây 22 kV cung cấp cho các trạm biến biến áp phân bố rải rác trải dài trên một phạm vi lớn hàng trăm km, đặc điểm phụ tải có tính chất không ổn định. Trong quá trình cải tạo phát triển, các nguồn phân tán sử dụng năng lƣợng tái tạo đƣợc bổ sung trong lƣới điện phân phối đã làm cho cấu trúc lƣới ban đầu trở nên lỗi thời, phát sinh nhiều bất cập, ví dụ: - Cấu trúc lƣới, và chủng loại, tiết diện dây dẫn một vài đoạn bất hợp lý. - Hạn chế tính năng làm việc, bảo vệ của các thiết bị điện. - Khó khăn trong lựa chọn phƣơng thức vận hành lƣới điện. - Chất lƣợng điện năng thấp do điện áp thay đổi tăng, giảm phụ thuộc vào thuỷ điện nhỏ kết nối lƣới. - Tổn thất điện năng trên lƣới điện lớn. Trong bối cảnh này, những lƣới điện trung thế thuộc địa bàn miền núi nói chung và cụ thể là lƣới điện 22 kV Lộ 472 thành phố Lạng Sơn cần thiết phải đƣợc kiểm soát bằng những phần mềm chuyên dụng, ví dụ nhƣ POWERWORLD, PSS-ADEPT,... hay ETAP. Thông qua đó để có thể đề xuất đƣợc những giải pháp tốt nhất cho các phƣơng án vận hành, khảo sát nhiều ứng dụng khác nhau cho hoạt động chuyên môn cả về lý thuyết và thực tiễn. 2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thực trạng vận hành lƣới điện 22 kV Lộ 472 thành phố Lạng Sơn; khảo sát các phƣơng án vận hành khác nhau, trạng thái vận hành khác nhau về thông số nguồn (TBA trung gian), thông số phụ tải, cấu trúc mạch vòng, vận hành phân cấp tụ bù, các nguồn phân tán...Trên cơ sở đó phát hiện những ƣu nhƣợc điểm, những tồn tại, bất cập của lƣới điện hiện tại. Từ đó đề xuất giải pháp khắc phục. 3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Về lý thuyết: 1 - Học viên sử dụng đƣợc phần mềm chuyên dụng ETAP cho học tập, nghiên cứu và ứng dụng trong công tác chuyên môn, nghiệp vụ. - Mô hình hóa mô phỏng đƣợc đối tƣợng nghiên cứu là lƣới điện 22 kV Lộ 472 thành phố Lạng Sơn làm cơ sở cho các nghiên cứu chuyên môn chuyên ngành. Về thực tiễn: - Đề xuất đƣợc các giải pháp nâng cao chất lƣợng điện áp và độ tin cậy cho Lộ 472 lƣới điện 22 kV thành phố Lạng Sơn. Đặc biệt là đối với các nguồn phân tán (DG) kết nối lƣới. - Cung cấp dữ liệu cho quy hoạch phát triển lƣới trong tƣơng lai, đồng thời có áp dụng nguồn phân tán khác. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu: - Khảo sát, thu thập số liệu thực tế. - Sử dụng phần mềm mô phỏng hiện đại (ETAP). - Phân tích cơ sở lý thuyết áp dụng cho đối tƣợng thực tế . - Công cụ nghiên cứu, tính toán, mô phỏng có độ tin cậy cao. - Đánh giá nêu bật đƣợc những đóng góp của đề tài, giá trị khoa học và thực tiễn đạt đƣợc. 5. Kết cấu luận văn: Tổng thể luận văn gồm các chƣơng sau: Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống điện và lƣới điện 22 kV Lạng Sơn Chƣơng 2. Công cụ toán học và phần mềm ứng dụng. Chƣơng 3. Mô phỏng giải tích lƣới và giải pháp nâng cao độ tin cậy và chất lƣợng điện áp Lộ 472. Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhƣng do điều kiện thời gian và giới hạn phạm vi nghiên cứu của một luận văn cao học, nên những kết quả đạt đƣợc và sự trình bày còn hạn chế. Kính mong nhận đƣợc đóng góp của mọi ngƣời quan tâm, đặc biệt là của Hội đồng bảo vệ luận văn tốt nghiệp thạc sỹ. Để hoàn thành đƣợc bản luận văn này, Học viên và ngƣời hƣớng dẫn xin cám ơn sự giúp đỡ đặc biệt của thầy cô khoa Điện, phòng Đào tạo trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Công ty điện lực Lạng Sơn và Điện lực Lạng Sơn, cám ơn các tác giả của tài liệu tham khảo và cám ơn OTI đã cung cấp một công cụ đắc hiệu là phần mềm ETAP cho áp dụng trong trong luận văn. 2 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 22 kV THÀNH PHỐ LẠNG SƠN 1.1 Cấu trúc tổng quát của một hệ thống điện quốc gia Điện năng là một dạng năng lƣợng đặc biệt và rất phổ biến hiện nay, điện năng có rất nhiều ƣu điểm hơn hẳn so với các dạng năng lƣợng khác nhƣ: dễ dàng chuyển hóa thành các dạng năng lƣợng khác với hiệu suất cao (cơ năng, nhiệt năng, hoá năng, quang năng...). Điện năng đƣợc sản xuất ra từ các nhà máy điện hay các trạm phát điện theo nhiều công nghệ khác nhau. Quá trình sản xuất và sử dụng điện năng của bất kể quốc gia nào trên thế giới cũng đề đƣợc thực hiện bởi một hệ thống điện. Tham khảo trên Hình 1. 1 Mô hình cấu trúc hệ thống điện hoàn chỉnh đƣợc áp dụng tại nhiều nƣớc phát triển trên thế giới. Hình 1. 1 Mô hình cấu trúc hệ thống điện hoàn chỉnh 3 Trong đó bao gồm các hạng mục chính : sản xuất, truyển tải đến phân phối và tiêu thụ điện, [1] [2] [3] . Hoạt động của hệ thống điện có một số đặc điểm chính sau đây: - Điện năng sản xuất ra nói chung, tại mọi thời điểm luôn phải bảo đảm cân bằng giữa lƣợng điện năng sản xuất ra với lƣợng điện năng tiêu thụ, tích trữ và điện năng tổn thất trên các thiết bị truyền tải và phân phối điện. - Các quá trình về điện xảy ra rất nhanh. Ví dụ: sóng điện từ hay sóng sét lan truyền trên đƣờng dây với tốc độ rất lớn xấp xỉ tốc độ ánh sáng 300.000 km /s), thời gian đóng cắt mạch điện, thời gian tác động của các bảo vệ thƣờng xẩy ra dƣới 0,5s. - Hoạt động điện lực có liên quan chặt chẽ đến nhiều kĩnh vực xã hội và kinh tế quốc dân khác nhƣ: Luyện kim, hoá chất, khai thác mỏ, cơ khí, công nghiệp nhẹ, đô thị và dân dụng,... Một hệ thống điện quốc gia bao gồm rất nhiều các phần tử đƣợc kết nối với nhau theo nguyên lý của một mạch điện dựa trên cơ sở đảm bảo tính kỹ thuật và kinh tế. Tƣơng ứng sơ đồ cấu trúc khối trên hình 1.1 [4] [2], Để tiện lợi cho việc quản trị các hoạt động điện lực, cấu trúc của một hệ thống điện thƣờng đƣợc chia thành 03 khối chính nhƣ mô tả trên Hình 1. 2 Hình 1. 2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điện 1.1.1 Khối 1 - Các nhà máy điện Khối các nhà máy điện đƣợc phân biệt thành hai loại. Thứ nhất đó là các nhà máy điện công suất lớn bao gồm các trung tâm sản xuất điện lớn, các nhà máy nhiệt điện, nhà máy điện hạt nhân, trạm thủy điện công suất lớn (Pđm ≥ 30 MW). Thứ hai đó là các nguồn điện phân tán công suất nhỏ (Pđm  30 MW). 1.1.2 Khối 2 - Hệ thống truyền tải Hệ thống truyền tải (Transmission, Subtransmisstion), đó là hệ thống các trạm biến áp và các đƣờng dây tải điện có nhiệm vụ chính là truyền tải công suất giữa các trạm biến áp, không trực tiếp kết nối với phụ tải tiêu thụ điện. Trong khối này lại đƣợc chia thành hai khối con, đó là [5], [1]: 4 - Khối truyền tải siêu cao áp (EHV transmission): bao gồm hệ thống các trạm biến áp và đƣờng dây có điện áp xoay chiều định mức Uđm ≥ 220 kV. Một số nƣớc tân tiến có sử dụng đƣờng dây truyền tải siêu cao áp một chiều HVDC. - Khối truyền tải cao áp (HV transmission): bao gồm hệ thống các trạm biến áp và đƣờng dây có điện áp xoay chiều định mức 22 kV ≤ Uđm ≤ 110 kV. 1.1.3 Khối 3 - Hệ thống điện phân phối (Electric distribution system): 1.1.3.1 Cấu trúc hệ thống điện phân phối: Trƣớc đây ở Việt Nam, phạm vi của hệ thống phân phối điện chỉ bao gồm các trạm biến áp và đƣờng dây đƣợc tính từ phía thứ cấp trạm biến áp 110 kV trở về đến các phụ tải tiêu thụ điện. Ngày nay, kể từ 01/11/2018, EVN đã có quy định mới: hệ thống phân phối điện đƣợc mở rộng thêm về phía cao áp đến thứ cấp của trạm biến áp 220 kV. Đây là một bƣớc tiến bộ có tính Hội nhập quốc tế. Trên cơ sở mô hình tổng quát của hệ thống điện quốc gia hình 1.1 và hình 1.2, cấu trúc một hệ thống phân phối điện có thể đƣợc biểu diễn dƣới dạng sơ đồ một sợi nhƣ trên hình 1.4 5 Hình 1. 3 Sơ đồ nguyên lý một sợi hệ thống điện phân phối Theo cấu trúc này, hệ thống phân phối điện có thể đƣợc phân chia thành các hệ thống phân phối con dựa trên điện áp định mức làm căn cứ: - Hệ thống phân phối điện cao thế 110 kV (High Voltage): bao gồm toàn bộ đƣờng dây và các trạm biến áp 110 kV đóng vai trò trung gian (Sup transmision line) hay (Transmision line) để cung cấp điện cho các trạm biến áp khu vực (Zone Suptation). Đối với các phụ tải lớn nhƣ các nhà máy lớn hay các khu công nghiệp có sức tiêu thụ điện cao, có thể đƣợc kết nối trực tiếp với hệ thống truyền tải con 110 kV. 6 - Hệ thống phân phối điện trung thế (Middle Voltage): bao gồm hệ thống các đƣờng dây trung thế (22 kV, 22 kV) và các trạm biến áp phân phối hạ áp cung cấp điện cho lƣới điện phân phối hạ thế (Low voltage). - Hệ thống phân phối điện hạ thế thế (Low Voltage): bao gồm hệ thống các trạm biến áp phân phối và đƣờng dây hạ thế (0,4 kV) cung cấp cho các phụ tải là điểm cuối cùng của hệ thống điện. 1.2.3.2 Các dạng nguồn điện công suất nhỏ trong hệ thống điện phân phối: Hiện nay, trong lƣới điện phân phối không chỉ có một loại nguồn cung cấp từ phía lƣới điện quốc gia mà còn có thêm các nguồn phân tán. Chính vì vậy cấu trúc lƣới đƣợc thay đổi căn bản, phân bố công suất không chỉ theo một hƣớng (one way) nhƣ trƣớc đây mà là nhiều hƣớng, thậm chí luôn thay đổi cả về độ lớn và hƣớng công suất.  Nguồn điện chính: nguồn điện chính cung cấp điện cho lƣới cho lƣới điện phân phối đƣợc chỉ định từ lƣới điện quốc gia đƣợc quy đổi về cấp điện áp trung thế cao nhất của lƣới điện đó. Trên sơ đồ nguyên lý một sợi (one line diagram) nguồn có thể đƣợc biểu diễn bởi một thanh cái (Bus). Các thông số cơ bản của nguồn bao gồm: - Cấp điện áp định mức Uđm (kV): 110 kV, 35 kV hay 22 kV - Công suất ngắn mạch SNM (MVA): 400 MVA - Tỷ số X/R Một hệ thống điện phân phối có thể bao gồm một hoặc hai nguồn chính tùy theo cấp độ tin cậy cần thiết. Trong thực tế đó là các trạm biến áp trung gian biến đổi từ cấp điện áp 110 kV hoặc 220 kV xuống cấp điện áp phân phối.  Nguồn điện phân tán (DG): trong lƣới điện phân phối còn có các nguồn phân tán khác, điển hình là: 1- Nguồn máy phát turbine gió (PVA): đó là các tổ hợp máy phát turbine gió kết hợp với Inverter DC/AC và máy biến áp tạo ra một nguồn cung cấp điện kết nối với lƣới điện phân phối. 2- Nguồn thủy điện nhỏ (SHP): đó là SHP địa phƣơng kết nối trực tiếp với lƣới điện phân phối. 3- Nguồn máy phát điện gió (WTG): đó là turbine gió công suất nhỏ, có thể là đơn chiếc hay tổ hợp nhiều chiếc (Wind Farm) kết nối với lƣới điện phân phối. 4- Nguồn máy phát diesel: loại nguồn này chủ yếu đóng vai trò dự phòng và không thể thiếu đƣợc đối với các hộ dùng điện đòi hỏi cao về chất lƣợng điện 7 năng cung cấp nhƣ: những nhà máy hay phân xƣởng sản xuất áp dụng công nghệ hiện đại, khách sạn, bệnh viện , nhà cao tầng,VV. 5- Nguồn kho điện (battery) kết hợp với biến tần DC/AC/DC: Loại nguồn này cũng đang đƣợc khuyến khích phát triển với vai trò nguồn dự phòng hoặc ứng dụng cho các giải pháp điều phối năng lƣợng hữu ích. 1.1.3.2 Phân loại thiết bị dùng điện trong hệ thống phân phối điện: Điện năng là động lực chính của các hoạt động sản xuất và đời sống sinh hoạt của con ngƣời nên các thiết bị dùng điện là rất đa dạng, phong phú, chúng có thể phân loại theo nhiều cách nhƣ sau:  Phân loại theo điện áp định mức của thiết bị: - Các thiết bị hạ áp là các thiết bị điện có điện áp định mức Uđm < 1000V. - Các thiết bị điện cao áp là các thiết bị điện có điện áp định mức Uđm > 1000V. Các thiết bị có công suất lớn, Pđm > 100kW thƣờng đƣợc chế tạo với cấp điện áp cao Uđm > 1000V.  Phân loại theo theo tần số: - Thiết bị điện có tần số công nghiệp (50Hz). - Thiết bị điện có tần số khác tần số công nghiệp. Hiện nay ở ta các nguồn điện 3 pha đều sử dụng tần số công nghiệp 50Hz. Đối với các thiết bị có tần số khác tần số công nghiệp thì thƣờng có thiết bị biến đổi kèm theo. Vì vậy, đối với cung cấp điện thì ta coi bộ biến đổi nhƣ một thiết bị dùng điện xoay chiều tần số công nghiệp bình thƣờng và việc tính toán cung cấp điện cho thiết bị tần số khác tần số công nghiệp đƣợc quy về việc tính toán cung cấp điện cho thiết bị biến đổi.  Phân loại theo nguồn cung cấp: - Thiết bị điện xoay chiều ba pha và một pha. - Thiết bị điện một chiều.  Phân loại theo chế độ làm việc: - Thiết bị điện làm việc theo chế độ dài hạn. - Thiết bị điện làm việc theo chế độ ngắn hạn. - Thiết bị điện làm việc theo chế độ ngắn hạn lặp lại.  Phân loại theo vị trí lắp đặt: 8 - Thiết bị điện lắp đặt cố định, di động. - Thiết bị điện lắp đặt trong nhà, ngoài trời. - Thiết bị điện lắp đặt ở những điều kiện đặc biệt nhƣ nóng, ẩm, bụi, có hơi và khí ăn mòn, có khí và bụi nổ. 1.2.3.4 Những hộ phụ tải điện điển hình và yêu cầu cung cấp điện : Tùy theo công nghệ hay mục đích sử dụng, mỗi loại thiết bị dùng điện phải có những tính năng đảm bảo đáp ứng đƣợc những yêu cầu đặt ra. Vì thế chúng đòi hỏi phải đƣợc cung cấp điện một cách phù hợp, thỏa mãn các tiêu chuẩn quy định chung và quy định riêng cho những trƣờng hợp đặc biệt. Sơ bộ, các thiết bị dùng điện đƣợc phân loại nhƣ sau : Các thiết bị dùng điện đều có thể gọi chung là phụ tải điện hay hộ phụ tải. Khái niệm về hộ phụ tải có tính chất tƣơng đối, một hộ phụ tải có thể là một máy, một nhóm máy hay một phân xƣởng, nhà máy xí nghiệp, các căn hộ, dẫy phố hay nhà cao tầng,VV. Đôi khi, một thiết bị cũng có thể đƣợc coi nhƣ một hộ phụ tải. Trong thực tế, hộ phụ tải thƣờng đƣợc nhóm (grouping) theo đặc điểm của thiết bị dùng điện hay nhóm theo vị trí, khu vực,VV.  Hộ phụ tải dạng nhà máy xí nghiệp công nghiệp: Đối với nhà máy, xí nghiệp công nghiệp có quy mô nhỏ có thể chỉ thiết lập một trạm biến áp phân phối. Trong khi đó một xí nghiệp công nghiệp lớn, có nhiều phân xƣởng sản xuất, mỗi phân xƣởng có thể đƣợc cung cấp điện bởi một hay nhiều trạm biến áp phân phối. Trong một phân xƣởng bao gồm nhiều máy sản xuất thƣờng đƣợc chia thành nhiều nhóm máy. Mỗi nhóm máy đƣợc cung cấp điện bởi một tủ điện (tủ động lực), các tủ động lực đƣợc cung cấp điện bởi một tủ điện tổng (tủ phân phối trung gian). Các máy sản xuất (thiết bị điện) trong phân xƣởng gồm những loại chính sau:  Máy sản xuất dùng động cơ điện : Động cơ điện là thiết bị chiếm hơn 70% tổng các thiết bị sử dụng điện trong công nghiệp, chúng có nhiều kiểu loại khác nhau : - Động cơ công suất lớn : là các động cơ xoay chiều 3 pha làm việc dài hạn. - Động cơ công suất vừa và nhỏ : bao gồm cả các động cơ xoay chiều 3 pha và động cơ một chiều.  Lò điện và các loại thiết bị gia công nhiệt khác : 9 Trong công nghiệp thƣờng dùng các loại lò điện sau đây: Lò điện trở, lò cảm ứng, lò hồ quang, lò hỗn hợp (hồ quang - điện trở). - Lò điện trở: Lò điện trở có hai loại: đốt nóng trực tiếp và gián tiếp. Công suất của lò có thể từ hàng trăm đến hàng ngàn kW, điện áp định mức thƣờng nhỏ hơn 1000V, tần số 50 Hz dùng điện 1 pha hoặc 3 pha. Hệ số công suất của loại lò đốt nóng gián tiếp phần lớn bằng 1. - Lò cảm ứng: Lò cảm ứng có 2 loại: Loại lò có lõi thép thƣờng dùng dòng điện xoay chiều tần số 50Hz, điện áp (220380) V. Công suất có thể đạt tới 2000kVA, hệ số công suất khoảng (0,20,8), thƣờng đƣợc dùng để luyện kim loại màu. Loại lò không có lõi thép cũng dùng nguồn điện nhƣ trên hoặc dùng nguồn điện có tần số cao hơn khoảng (5001000) Hz. Công suất có thể đạt tới 4500kVA, hệ số công suất rất thấp khoảng (0,050,25), thƣờng dùng để luyện thép đặc biệt hoặc kim loại màu. - Lò hồ quang: Lò hồ quang có hai loại: Đốt nóng trực tiếp và gián tiếp. Đƣợc cung cấp từ nguồn điện cao áp qua máy biến áp hạ áp. Lò hồ quang ba pha công suất có thể đạt tới 4500kVA, hệ số công suất khoảng (0,80,9). Trong quá trình vận hành thƣờng xẩy ra tình trạng ngắn mạch làm việc khi nguyên liệu chạm vào điện cực. Dòng điện ngắn mạch làm việc có thể lên tới (2,53,5) lần dòng điện định mức của lò. Đây là đặc điểm hết sức lƣu ý cho thiết kế trạm biến áp phân xƣởng và trạm biến áp trung gian. - Máy hàn điện: Có nhiều cách phân loại máy hàn điện. Theo nguồn cung cấp thƣờng chia ra loại máy hàn dùng dòng điện xoay chiều và loại máy hàn dùng dòng điện một chiều. Theo nguyên lý hàn chia ra loại hàn hồ quang và loại hàn tiếp xúc. Theo cách làm việc chia ra loại máy hàn tay và máy hàn tự động. Máy hàn điện một chiều thƣờng là một tổ máy gồm động cơ ba pha xoay chiều quay máy phát điện một chiều. Hệ số công suất lúc làm việc định mức là (0,70,8), lúc không tải khoảng 0,4. Máy hàn điện xoay chiều thƣờng là các máy biến áp hàn một pha, tần số 50 Hz, làm việc trong chế độ ngắn hạn lặp lại. Hệ số công suất của máy hàn hồ quang là (0,330,45), của máy hàn tiếp xúc là (0,40,7). Điện áp cung cấp cho chúng thƣờng là 380/220V. Đặc biệt, có máy hàn cao tần trong các dây truyền sản xuất ống thép có công suất lớn và rất lớn hàng trăm kW đến hàng nghìn kW là một tổ hớp các thiết bị gồm máy biến áp chỉnh lƣu, bộ biến đổi AC/DC, bộ tạo dao động tần số cao (150 – 600)MHz và máy biến áp xung.  Phụ tải đô thị, dân sinh: Phụ tải đô thị đƣợc kể đến là các thiết bị dùng điện trong văn phòng công sở, 10 trong căn hộ dân sinh nhƣ các máy điều hòa không khí, tủ lạnh, bình gia nhiệt, bếp điện, máy tính, máy in, đèn chiếu sáng,VV. Các thiết bị này có công suất nhỏ từ vài chục W đến và KW. Cá biệt cũng có thiết bị công suất lớn hơn đến vài chục kW. Mặc dù vậy, đối với các nhà cao tầng thì tổng phụ tải của cả tòa nhà cũng rất lớn, đến hàng MW, hay những dãy phố cũng vậy. Việc thiết kế cung cấp điện cho phụ tải dạng này phải đƣợc nghiên cứu cụ thể, đáp ứng đƣợc những yêu cầu theo từng trƣờng hợp trong thực tế.  Kho lƣu trữ điện : Ngày nay, trong xu hƣớng thông minh hóa đô thị và lƣới điện phân phối, các kho lƣu trữ điện đƣợc phát triển mạnh. Đó là các trạm biến đổi AC/DC/AC phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau nhƣ: Nạp điện cho các kho Batteries nhằm cải thiện đồ thị phụ tải ngày, nạp điện cho các tụ điện thƣơng mại phân phối cho các hộ dân cƣ dùng điện máy phát turbine gió, trạm cấp năng lƣợng các phƣơng tiện giao thông dùng điện một chiều. Các phụ tải dạng này có công suất từ một vài kW đến hàng MW. Năm 2018, hãng Tesla đã xây dựng trạm nạp điện cho Ôtô có công suất đến 3MW tại Califonia - Hoa Kỳ và tại Thƣợng Hải - Trung Quốc. 1.2 Một số yêu cầu cơ bản đối với hệ thống điện phân phối Để đánh giá chất lƣợng điện năng trong cung cấp cho các hộ tiêu thụ, các cấp quản lý ngành điện áp dụng các chỉ tiêu cơ bản dựa trên tiêu chuẩn IEC và TCVN quy định, [6]. Cụ thể, trong phạm vi đề tài này quan tâm đến đến một số chỉ tiêu cơ bản sau đây:  Một số quy định hành chính :  Đơn vị truyền tải điện: là đơn vị điện lực đƣợc cấp phép hoạt động điện lực trong lĩnh vực truyền tải điện, có trách nhiệm quản lý vận hành lƣới điện truyền tải quốc gia.  Hệ thống điện phân phối: là hệ thống điện bao gồm lƣới điện phân phối và các nhà máy điện đấu nối vào lƣới điện phân phối.  Lƣới điện phân phối: là phần lƣới điện bao gồm các đƣờng dây và trạm điện có cấp điện áp đến 110 kV.  Lƣới điện truyền tải: là phần lƣới điện bao gồm các đƣờng dây và trạm điện có cấp điện áp trên 110 kV.  Ngày điển hình: là ngày đƣợc chọn có chế độ tiêu thụ điện điển hình của phụ tải điện theo Quy định nội dung, phƣơng pháp, trình tự và thủ tục nghiên cứu phụ tải 11