BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------------
TRỊNH MINH TUẤN
NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN
ĐIỆN PHÂN TÁN VỚI MẠNG LƯỚI PHÂN PHỐI
Chuyên ngành:
Kỹ thuật điện
Mã đề tài:
KTĐ11B-54
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. Lê Việt Tiến
HÀ NỘI, 2014
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Trịnh Minh Tuấn
Sinh ngày 12 tháng 11 năm 1982
Học viên lớp đào tạo sau đại học Hệ thống điện - Khoá 2011B - Trường Đại học
1.1. Giới thiệu chung về lưới phân phối
............................................................13
1.2. Các nguồn phát điện phân tán
..................................................................21
Chương 2. Các ảnh hưởng của nguồn phân tán tới lưới điện phân phối
2.1. Khái quát chung ............................................................................................36
2.2. Tổn thất công suất trên lưới ............................................................................37
2.3. Các vấn đề về điện áp .....................................................................................40
2.4. Vấn đề về dòng sự cố và bảo vệ rơ le .............................................................48
2.5. Độ tin cậy cung cấp điện
............................................................................55
2.6. Vấn đề về kinh tế và môi trường
..................................................................61
2.7. Đánh giá ảnh hưởng của DG bằng hệ số đa mục tiêu ....................................63
Chương 3. Chương trình phân tích hệ thống điện PSAT
3.1 Giới thiệu chung về PSAT ...........................................................................68
3.2 Làm việc với PSAT ........................................................................................71
3.3 Tổ chức dữ liệu trong PSAT .........................................................................78
Chương 4. Đánh giá hiệu quả của DG trong việc nâng cao chất lượng điện
năng trên lưới phân phối
4.1. Bài toán phân bố dòng công suất .................................................................90
4.2. Hiệu quả của DG trong việc cải thiện chất lượng điện áp và giảm tổn thất trên
đường dây ..................................................................................................95
Kết luận
...........................................................................................................117
Phụ lục. Dữ liệu và kết quả tính toán ................................................................119
Tài liệu tham khảo ..............................................................................................164
Thuật toán di truyền
Lưới điện phân phối
Máy biến áp
Máy phát điện
Máy phát điện đồng bộ
Máy phát điện không đồng bộ
Trạm biến áp
Tự đóng lặp lại
Thủy điện nhỏ
Trang trại gió
Tuabin gió
Luận văn KTĐ11B - 54
9
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Hệ số thống kê cho một số phụ tải thông dụng ....................................20
Bảng 1.2. Dãy công suất tương ứng của các công nghệ nguồn phân tán ...............32
Bảng 1.3. Công suất đặt của các nhà máy địa nhiệt trên thế giới ...........................33
Bảng 2.1 - Giới hạn méo sóng hài cho phép theo IEC-61000-3-6 ........................47
Bảng 2.2. Ví vụ về các hệ số đa mục tiêu ..............................................................67
Bảng 3.1. Một số Toolbox trên môi trường Matlab ................................................71
Bảng 3.2. Định dạng dữ liệu nút (Bus.con) ............................................................78
Bảng 3.3. Định dạng dữ liệu đường dây (Line.con) ................................................80
Bảng 3.4. Định dạng dữ liệu đường dây phụ (Lines.con) ........................................81
Bảng 3.5. Định dạng dữ liệu máy biến áp (Line.con) .............................................82
Bảng 3.6. Định dạng dữ máy phát nút cân bằng (SW.con) ....................................83
Bảng 3.7. Định dạng dữ liệu máy phát PV (PV.con) ...............................................85
Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý của loại tuabin gió kết nối trực tiếp ...........................28
Hình 1.11. Sơ đồ trạm thủy điện nhỏ ....................................................................31
Hình 1.12.Sơ đồ mô hình cung cấp điện bằng khí Biogass ...................................32
Hình 2.1. DG làm giảm công suất trên đoạn lưới từ hệ thống tới .......................37
Hình 2.2. Phân bố hợp lý các DG trên lưới sẽ giảm được tổn thất
.....................39
so với đặt tập trung
Hình 2.3 – Điện áp nút tăng lên tại nút có đấu nối DG ...........................................42
Hình 2.4. Ảnh hưởng của DG tới sự phối hợp giữa các bảo vệ ............................50
Hình 2.5 – Sự phối hợp giữa TĐL và CC trên lưới điện hình tia ...........................52
Hình 2.6 - DG làm việc song song với lưới .............................................................56
Hình 2.7 - Chế độ vận hành cô lập của DG làm tăng độ tin cậy CCĐ ...................57
Hình 2.8 - Cách thức đặt TĐL có thể làm tăng độ tin cậy của lưới ........................58
Hình 2.9 - Lưới hình tia đơn giản không có dao phân đoạn trục chính ..................59
Hình 2.10 - Phân chia các phân đoạn và các điểm tải trên lưới hình tia .................59
Hình 3.1 – Cấu trúc chung của PSAT ..................................................................70
Hình 3.2 – Giao diện chính của PSAT .................................................................72
Hình 3.3 – Màn hình chính của thư viện SIMULINK ..........................................73
Hình 3.4 – Thư viện kết nối ..................................................................................74
Hình 3.5 – Các phần tử và thiết bị tĩnh .................................................................74
Hình 3.6 – Dữ kiện cho bài toán CPF và OPF .....................................................75
Hình 3.7 – Máy cắt và điểm sự cố .......................................................................75
Hình 3.8 – Các khối đo đếm ................................................................................75
Hình 3.9 – Các mô hình phụ tải điện ...................................................................75
Hình 3.10 – Các mô hình máy điện .....................................................................76
Hình 3.11 – Các cấu trúc điều khiển .....................................................................76
Hình 3.12 – Mô hình máy biến áp có điều chỉnh .................................................76
Hình 3.13 – Các mô hình thiết bị FACT ..............................................................77
Trịnh Minh Tuấn
Hình 4.21. Quan hệ điện áp nút trong các trường hợp kết nối DG, P DG=30%PL ...113
Hình 4.22. Tổn thất công suất trên các nhánh đường dây trong các trường hợp kết
nối DG, PDG=30%PL ............................................................................................113
Hình 4.23. Quan hệ điện áp nút trong các trường hợp kết nối DG, P DG=50%PL ..114
Hình 4.24. Tổn thất công suất trên các nhánh đường dây trong các trường hợp kết
nối DG, PDG=50%PL ............................................................................................114
Hình 4.25. Hệ số cải thiện điện áp nút theo mức độ thâm nhập của DG .............115
Hình 4.26. Hệ số giảm tổn thất công suất trên các nhánh đường dây trong các
trường hợp kết nối DG, PDG=50%PL .................................................................116
Trịnh Minh Tuấn
Luận văn KTĐ11B - 54
14
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ NGUỒN PHÂN TÁN
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Lưới điện là tập hợp toàn bộ các đường dây và trạm biến áp kết nối với nhau
theo những nguyên tắc nhất định có chức năng truyền tải điện năng từ nơi sản xuất
tới nơi tiêu thụ. Mỗi loại lưới lại có các tính chất vật lý và quy luật hoạt động khác
nhau [1]. Trên hệ thống điện Việt Nam, lưới điện được chia ra thành 3 loại lưới
chính:
-
Lưới truyền tải 200kV ÷ 500kV nối liền các nhà máy điện với nhau và
với các nút phụ tải khu vực – các trạm biến áp trung gian khu vực, tạo ra
hệ thống điện lớn.
Lưới phân phối trung áp thường được thiết kế dưới dạng đường dây trên
không hoặc cáp ngầm, có cấp điện áp 6,10,15,22 hoặc 35kV, được thiết
kế phù hợp với địa hình từng khu vực và cấp điện cho các trạm biến áp
phân phối hạ áp.
-
Trạm biến áp phân phối hạ áp, với mật độ dày đặc trên LPP, biến đổi điện
năng từ cấp điện áp trung áp xuống cấp điện áp 0,4kV cấp điện trực tiếp
cho phụ tải.
1.1.1. Đặc điểm công nghệ lưới phân phối điện trung áp
Công nghệ của LPP thường tồn tại ở hai dạng là 3 pha 3 dây, và 3 pha 4 dây
và điều này liên quan trực tiếp tới phương thức nối đất trung tính của MBA nguồn
(MBA tại trạm trung gian).
Đối với cấu hình 3 dây pha, MBA tại trạm trung gian sẽ có trung tính nối đất
qua tổng trở Z và không có dây trung tính đi học theo lưới điện. Cấu hình 3 pha 4
dây với dây trung tính đi dọc theo lưới điện thì trung tính MBA trung gian sẽ được
nối đất trực tiếp. Các phương thức nối đất trung tính MBA trung gian là: Trung tính
cách đất (Z=∞), trung tính nối đất trực tiếp (Z=0); trung tính nối đất qua điện kháng
(Z=R hoặc Z=R+jX); hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang (Petersen) [1].
Trung tính cách đất (Z=∞) chỉ thực hiện được khi dòng điện chạm đất do
điện dung sinh ra trên lưới nhỏ hơn giá trị giới hạn cho phép, và khi đó lưới điện
vẫn tiếp tục được vận hành, đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện. Tuy nhiên, khi chạm
đất 1 pha cũng có nghĩa là các pha còn lại sẽ phải chịu điện áp dây, khiến cho các
thiết bị trên lưới bị quá áp và cộng hưởng điện gây nguy hiểm. Đồng thời, cách điện
của lưới cũng phải được tính theo điện áp dây sẽ gây tốn kém về vốn đầu tư.
Với phương thức trung tính nối đất trực tiếp (Z=0) thì giá thành lưới điện sẽ
được đảm bảo do cách điện trên lưới chỉ phải chịu điện áp pha. Tuy nhiên, bất lợi
các trạm biến áp trung gian (nguồn) và các khách hàng tiêu thụ điện năng (phụ tải).
Cấu trúc của LPP được chia làm ba loại chính là: cấu trúc hình tia không phân đoạn
(hình 1.1), cấu trúc hình tia có phân đoạn (hình 1.2) và cấu trúc mạch vòng kín vận
hành hở (hình 1.3).
Ở các đô thị lớn, LPP thường là lưới cáp điện ngầm với mật độ phụ tải rất
cao, độ tin cậy cung cấp điện được yêu cầu cao nên cấu trúc thường gặp của lưới là
cấu trúc mạch vòng kín vận hành hở.
Ở các vùng nông thôn thì LPP lại là lưới trên không với mật độ phụ tải
không cao, không có đòi hỏi cao về độ tin cậy cung cấp điện cao như lưới thành phố
Trịnh Minh Tuấn
Luận văn KTĐ11B - 54
17
nên cấu trúc lưới được lựa chọn là cấu trúc hình tia. Các trục chính được yêu cầu có
các thiết bị phân đoạn để tăng độ tin cậy. Các thiết bị phân đoạn có thể là dao cách
ly, cầu dao phụ tải, thiết bị tự động đóng lại (TĐL) hoặc cao hơn có thể là máy cắt
phân đoạn.
Hình 1.1. Lưới điện phân phối hình tia không phân đoạn
TBPĐ
TBPĐ
TBPĐ
Hình 1.2. Lưới điện phân phối hình tia có phân đoạn
TBPĐ
Chế độ xác lập có thể là chế độ xác lập đối xứng hoặc không đối xứng. Đối
với LPP (3 pha 3 dây) thì chế độ làm việc chủ yếu là chế độ đối xứng vì phụ tải
được cấp qua MBA 3 pha và phía hạ áp các hộ dùng điện được phân đều cho các
pha.
Trong các chế độ xác lập thì các chế độ sau được quan tâm hơn cả:
-
Chế độ max: là chế độ dùng để chọn hoặc kiểm tra kỹ thuật dây dẫn và
thiết bị phân phối điện, tính tổn thất công suất và tổn thất điện năng.
Trên lưới phân phối, chế độ max của từng phần tử và chế độ max chung
của toàn lưới điện (mức điện áp trên lưới là thấp nhất, tổn thất công suất
là lớn nhất) là không trùng nhau về thời gian vì công suất yêu cầu lớn
nhất của từng phụ tải không xảy ra đồng thời.
-
Chế độ min: là chế độ của lưới điện trong đó mức điện áp trên lưới là cao
nhất, với trường hợp riêng là chế độ không tải.
-
Chế độ xác lập sau sự cố: là khi một hay hơn 1 phần tử lưới điện bị sự cố
không tham gia vận hành. Chế độ sự cố ở thời điểm max chung được
quan tâm chính.
Trịnh Minh Tuấn
Luận văn KTĐ11B - 54
điện áp, tổn thất điện áp trên đường dây phải nhỏ hơn giá trị cho phép, trong điều
kiện bình thường và sự cố, đảm bảo chất lượng điện áp ở phụ tải.
Trịnh Minh Tuấn
Luận văn KTĐ11B - 54
20
1.1.4. Phụ tải của lưới điện phân phối
Phụ tải điện là công suất tác dụng (P) và phản kháng (Q) yêu cầu đối với lưới
điện ở điện áp và tần số danh định tại một điểm nào đó trên lưới điện (gọi là điểm
tải) và trong một khoảng thời gian nào đó.
Trong các giá trị của phụ tải thì quan trọng nhất là phụ tải cực đại (max) là
công suất yêu cầu lớn nhất đối với lưới điện trong một chu kỳ vận hành nhất định.
Giá trị phụ tải đó thường được lấy là giá trị trung bình lớn nhất trong vòng 30 phút
của đồ thị phụ tải thực. Đây chính là giá trị công suất gây lên tổn thất điện áp lớn
nhất trên lưới phân phối.
Lưới điện phân phối cung cấp điện tới một lượng lớn và đa dạng về các loại
phụ tải, như: sinh hoạt, thương mại, công nghiệp, nông nghiệp và các thành phần
khác. Các phụ tải này có những tính chất và đặc điểm riêng về điện tạo lên những
đặc tính khác nhau của các lộ đường dây cấp điện cho chúng. Và do đó các lộ
đường dây sẽ được phân loại theo từng loại phụ tải mà chúng cấp điện tới. Trong
một trạm trung gian với nhiều lộ xuất tuyến cấp điện cho các loại phụ tải, việc phân
loại lộ xuất tuyến đó phụ thuộc vào phần trăm phụ tải trên tổng số phụ tải được cấp
điện [24].
Trên toàn bộ lưới thì đặc tính phụ tải của lưới sẽ thay đổi theo số hộ phụ tải
được cấp điện từ lưới. Khi số hộ tiêu thụ tăng lên tức là mức ảnh hưởng của chúng
tới các chế độ của lưới điện sẽ giảm đi. Phụ tải trên lưới có thể được chia thành phụ
tải động, phụ tải nhiệt, phụ tải chiếu sáng và các tổn thất trên lưới.
thụ tỉ lệ bậc nhất với điện áp trong khi công suất phản kháng yêu cầu của phụ tải lại
thay đổi theo bình phương điện áp.
Một trong những đặc điểm của phụ tải là biến đổi theo tần số và điện áp tại
điểm nối vào lưới điện. Phụ tải cơ sở có giá trị ở U đm và fđm. Khi điện áp và tần số
lệch khỏi định mức thì giá trị thực tế của phụ tải sẽ biến đổi theo quan hệ [1]:
P Kp U f
pv
pf
(1.2)
Q Kq U f
qv
qf
Trong đó Kp và Kq là các hệ số phụ thuộc giá trị định mức của phụ tải. Còn
các hệ số pv, pf, qv và qf là các hệ số thống kê đặc trưng cho các loại thiết bị dùng
điện. Bảng 1.1 cho các giá trị của một số phụ tải.
Bảng 1.1. Hệ số thống kê cho một số phụ tải thông dụng
Phụ tải
Đèn sợi đốt
Đèn huỳnh quang
Máy sưởi (bình đun nước)
Động cơ KĐB ½ tải
Động cơ KĐB đầy tải
Lò nung
Nhà máy nhôm
2,8
0
-0,3
1,8
0
0,6
Khi có nhiều thiết bị điện dùng điện đối với một điểm tải, các hệ số pv, pf,
qv và qf có thể tính theo phương pháp trung bình toán học như sau:
pv
pv P
P
i
i
(1.3)
i
Trong đó Pi là công suất của phụ tải thứ i.
Trịnh Minh Tuấn
Luận văn KTĐ11B - 54
22
Trịnh Minh Tuấn
Luận văn KTĐ11B - 54
23
trường điện có tính cạnh tranh và giải quyết những vấn đề về thay đổi khí
hậu, môi trường [28].
Tránh được chi phí đầu tư xây dựng, cải tạo đường dây truyền tải và phân
phối khi lắp đặt nguồn mới gần phụ tải [28].
DG có thể làm dự phòng cấp điện và có thể tăng hiệu quả sử dụng năng
lượng.
DG kết hợp với những nhà máy điện có thể giảm tổn thất trên đường dây
truyền tải, nâng cao chất lượng điện áp và tăng lợi ích về kinh tế.
Mang lại nhiều sự lựa chọn nguồn cung cấp điện cho khách hàng khi thị
trường điện hình thành [9].
Các nguồn năng lượng tái tạo góp phần làm giảm phát thải khí gây hiệu ứng
nhà kính, giúp môi trường trong sạch hơn [9].
Trịnh Minh Tuấn
Luận văn KTĐ11B - 54
24
1.2.3 Tổng quan các ảnh hưởng của nguồn phân tán
Sự khởi động không đúng lúc của các nguồn DG có tính cảm ứng lớn có thể
làm cho các điện áp bị hạ thấp dẫn tới ảnh hưởng đến các phụ tải nhạy cảm
và trục trặc của rơle bảo vệ.
DG có thể cũng ảnh hưởng tới sự hoạt động ổn định của lưới điện phân
phối.
Gây ra sự gia tăng độ lớn toàn bộ các dòng điện chảy trong mạng, điều này
dẫn đến những phần tử trong mạng sẽ gần đạt đến giới hạn nhiệt độ của
chúng. Gây ra các dao động điện áp và độ võng điện áp lớn trong lưới điện
trong quá trình vận hành, khởi động hay dừng do sự cố của DG [13].
Hình 1.4: Nguồn phát điện hiện tại và trong tương lai
Trịnh Minh Tuấn
Luận văn KTĐ11B - 54
26
a. Tuabin khí
Công nghệ tuabin khí là những tua bin nhỏ có động cơ sử dụng nhiên liệu khí
sinh học, khí ga tự nhiên, khí đốt và dầu lửa. Với tuabin đơn giản bao gồm một máy
nén, một buồng đốt, tuabin nhỏ và máy phát. Có các loại tuabin nhỏ khác nhau hoạt
động như tuabin khí và tuabin đốt. Tuabin khí luôn được sử dụng trên 1MW nhưng
ngày nay chúng ta có thể sử dụng module nhỏ hơn với công suất từ 20kW đến
500kW.
* Ưu điểm:
- Độ bền cao và ít phải bảo dưỡng.
- Chắc chắn, dễ lắp đặt, dễ sửa chữa.
- Chi phí đầu tư thấp và giá thành thấp so với một vài công nghệ nguồn phân
tán khác.
* Nhược điểm:
- Ồn ào, chúng đòi hỏi cách âm lớn có thể làm giảm hiệu quả nhiên
liệu.
- Hiệu suất nhiên liệu thấp so với một số loại DG khác.
b. Máy phát điện Diesel
Máy phát điện Diesel là một loại động cơ đốt trong, sử dụng dầu diesel hoặc
khí ga tự nhiên làm nhiên liệu, hiện nay loại máy phát này sử dụng rất rộng rãi. Hầu
hết các máy phát điện này đều sử dụng động cơ 4 kỳ và hoạt động trong 4 chu kỳ
Trịnh Minh Tuấn
Luận văn KTĐ11B - 54
28
- Đòi hỏi phải có nơi lưu trữ và chuyển đổi thiết bị.
- Công suất thấp.
- Phụ thuộc vào thời tiết và điều kiện địa lý.
d. Tuabin gió
Theo thống kê của ngành điện, sản lượng điện năng sản xuất từ sức gió hiện nay
trên thế giới tăng liên tục, năm 1994 là 3.527,5MW; năm 1997 là 7.500MW và hiện
nay là trên 10.000MW... Sử dụng nguồn điện bằng sức gió không lo hết nhiên liệu
hay cạn kiệt nguồn nước như thủy điện và nhiệt điện, đặc biệt là không gây những
tác động đáng kể đến môi trường. Mặc dù Việt Nam không có nhiều tiềm năng gió
như các nước châu Âu song so với Đông Nam Á thì lại có tiềm năng tốt nhất. Đáng
tiếc là cho tới nay phong điện ở Việt Nam vẫn chưa phát triển tương xứng với tiềm
năng sẵn có.
Năng lượng gió không phải là một dạng mới, nó đã được sử dụng trong nhiều
thập kỉ qua. Tua bin gió bao gồm các bộ phận chính: Bộ đo lường tốc độ gió
(Anemometer), cánh quạt (Blades), bộ hãm (Brake), bộ điều khiển (Controller), hộp
bánh răng (Gear box), máy phát (Generator), trục truyền động của máy phát ở tốc
độ cao (High-speed shaft), trục quay tốc độ thấp (Low-speed shaft), vỏ (Nacelle),
bước răng (Pitch), trụ đỡ (Tower). Công suất tua bin gió 5kW đến vài MW, để có
những tuabin lớn hơn thì tập hợp thành một nhóm các tuabin gió với nhau trong một
Trịnh Minh Tuấn
V = tốc độ gió, m/s.
Cp = hệ số công suất cơ của tuabin gió (Cp = 0.2 ÷ 0.5).
Ở tốc độ gió 6m/s thì năng lượng tương ứng là 132 W/m2, khi V=12m/s thì
năng lượng tương ứng là 1053 W/m2.
* Ưu điểm:
- Không cần nạp nhiên liệu
- Không gây ô nhiễm môi trường.
Trịnh Minh Tuấn
Luận văn KTĐ11B - 54
30
- Phù hợp lắp đặt cho các khu vực vùng sâu, vùng xa.
* Nhược điểm:
- Phụ thuộc vào thời tiết và điều kiện địa lý.
e. Pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu (fuel cell) biến đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu, thí dụ
như là hiđrô trực tiếp thành năng lượng điện. Không giống như các loại pin bình
thường khác hoặc ắc quy, pin nhiên liệu không bị mất điện và cũng không có khả
năng tích điện. Pin nhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên liệu (hiđrô) và chất ôxi
(ôxy) được đưa từ ngoài vào. Về phương diện hóa học pin nhiên liệu là phản ứng
ngược lại của sự điện phân. Trong quá trình điện phân nước bị tách ra thành khí
hiđrô và khí ôxy nhờ vào năng lượng điện. Pin nhiên liệu lấy chính hai chất này
biến đổi chúng thành nước. Qua đó, trên lý thuyết, chính phần năng lượng điện đã
đưa vào sẽ được giải phóng nhưng thật ra vì những thất thoát qua các quá trình hóa
học và vật lý năng lượng thu được ít hơn. Các loại pin nhiên liệu đều cùng chung
một nguyên tắc được mô tả dựa vào tế bào nhiên liệu PEM (Proton Exchange
Trịnh Minh Tuấn
Luận văn KTĐ11B - 54
Copyright: Tài liệu đại học ©