Nghiên cứu các vấn đề đảm bảo chất lượng điện năng trong lưới phân phối có xét đến nguồn phân tán
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.48 MB, 116 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Nguyễn Bá Nhân
NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ ĐẢM BẢO
CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI
CÓ XÉT ĐẾN NGUỒN PHÂN TÁN
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG HỆ THỐNG ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN
KHOA HỌC :
TS. Lã Minh Khánh
Hà Nội – 2011
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Nguyễn Bá Nhân
NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ ĐẢM BẢO
CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI
CÓ XÉT ĐẾN NGUỒN PHÂN TÁN
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện hướng Hệ thống điện
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT ĐIỆN HƯỚNG HỆ THỐNG ĐIỆN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA
HỌC :
TS. Lã Minh Khánh
Hà Nội – 2011
LỜI CÁM ƠN
Để hoàn thành được luận văn, ngoài sự nỗ lực phấn đấu của bản thân, tác giả
nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ của nhiều thầy giáo, cô giáo, bạn bè và
đồng nghiệp.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS. Lã Minh Khánh,
người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như
làm luận văn. Tác giả cũng xin chân thành cám ơn các thầy giáo, cô giáo trong bộ
môn Hệ thống điện – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tác giả trong
quá trình học tập và làm luận văn. Đồng thời tác giả cũng xin gửi tới bạn bè, đồng
nghiệp đã trao đổi, giúp đỡ tác giả tháo gỡ nhiều vướng mắc trong quá trình học tập.
Do kiến thức còn hạn chế nên bản luận văn khó có thể tránh khỏi những sai
sót, tác giả rất mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy giáo, cô giáo trong
bộ môn Hệ thống điện và những ai quan tâm.
Xin chân thành cám ơn!
Tác giả luận văn
Nguyễn Bá Nhân
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, những vấn đề được trình bày trong luận văn này là nghiên
cứu của riêng cá nhân tôi, các kết quả tính toán trong luận văn là trung thực và chưa
được công bố trong bất kỳ một tài liệu nào. Có tham khảo một số tài liệu và bài báo
của các tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản. Tôi xin chịu hoàn toàn trách
nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của người khác.
Hà Nội, ngày…tháng…năm 2011
Tác giả luận văn
Nguyễn Bá Nhân
MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
Lời cám ơn
Lời cam đoan
Danh mục các ký hiệu, các chữ cái viết tắt
4
Danh mục các bảng
5
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
6
MỞ ĐẦU
7
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN
13
1.1 Khái niệm và phân loại về nguồn phân tán
14
1.1.1 Tua bin khí
16
1.1.2 Máy phát điện Diesel
17
1.1.3 Quang điện
18
1.1.4 Tuabin gió
19
1.1.5 Pin nhiên liệu
21
1.1.6 Thủy điện nhỏ
22
1.1.7 Một số nguồn phân tán khác
24
1.2 Ảnh hưởng của nguồn phân tán đến hệ thống điện sãn có
26
1.2.1 Đặc điểm
26
1.2.2 Lợi ích của nguồn phân tán
27
1.2.3 Tác động của nguồn phân tán
29
1.3 Hiện trạng và xu hướng phát triển nguồn điện phân tán ở Việt Nam
32
1.3.1 Hiện trạng phát triển nguồn phân tán ở Việt Nam
32
1.3.2 Tiềm năng phát triển nguồn phân tán tại Việt Nam
34
1.3.3 Kế hoạch phát triển nguồn phân tán tại Việt Nam
37
1.4 Các vấn đề tồn tại cân nghiên cứu khi ứng dụng nguồn phân tán vào
lưới điện phân phối ở Việt Nam
38
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CG
Center generation – Nguồn phát điện trung tâm
CHP
Đồng phát nhiệt – điện
CP
Conection Point – Điểm kết nối
DG
Distributed generation – Nguồn điện phân tán
EVN
Tập đoàn Điện lực Việt Nam
HTCCĐ
Hệ thống cung cấp điện
LPP
Lưới phân phối
MFĐ
Máy phát điện
NLSK
Năng lượng sinh khối
PCC
Point of common conection – Điểm kết nối chung
TĐN
Thủy điện nhỏ
WP
Nguồn điện gió
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 : Kế hoạch phát triển nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo giai đoạn
2011-2020 có xét đến năm 2030.
Bảng 2.1: Quy định vùng tần số và điện áp làm việc của nguồn điện trên lưới
Bảng 2.2 Quy định về độ biến dạng sóng hài trên lưới điện
Bảng 2.3: Yêu cầu trang bị hệ thống bảo vệ và hệ thống thông tin liên lạc khi đấu
nối nguồn điện phân tán
Bảng 3.1: Biểu đồ công suất phát của Thủy Điện Khe Soong, Tiên Yên, Quảng
Ninh ngày 13/09/2010
Bảng 3.2: Bán điện năng theo 5 thành phần phụ tải
Bảng 3.3: Đồ thị phụ tải điển hình của các thành phần phụ tải tỉnh Quảng Ninh
Bảng 3.4: Đồ thị phụ tải địa phương tỉnh Quảng Ninh
Bảng 3.5: Đồ thị phụ tải tỷ lệ theo công suất max của tỉnh Quảng Ninh
Bảng 3.6: Điện áp tại các nút lộ 371-E56 trong các chế độ vận hành
Bảng 3.7: Bảng tính công suất phát 1 tổ máy tuabin gió
Bảng 3.8: Bán điện năng theo 5 thành phần phụ tải
Bảng 3.9: Đồ thị phụ tải địa phương tỉnh Ninh Thuận
Bảng 3.10: Đồ thị phụ tải tỷ lệ theo công suất max của tỉnh Ninh Thuận
Bảng 3.11: Bảng điện áp tại các nút trong từng giờ vận hành
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vào những thập niên gần đây, sự tăng trưởng mạnh của kinh tế thế giới đã
gây ra nhiều áp lực về vấn đề năng lượng và môi trường toàn cầu. Trữ lượng dầu
mỏ, than đá đang dần cạn kiệt, chỉ có thể đáp ứng nhu cầu sử dụng của thế giới
trong vòng hơn 30 năm nữa [10]. Bên cạnh đó việc sử dụng than đá và dầu mỏ là
những nguồn nhiên liệu khai thác ở dạng hoá thạch đã và đang thải một lượng lớn
khí gây hiệu ứng nhà kính, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường. Vì thế, việc
tìm kiếm và ứng dụng các năng lượng thân thiện với môi trường là xu hướng tất yếu
và cấp bách đáp ứng yêu cầu về năng lượng cho cuộc sống và môi trường bền vững
Với xu thế phát triển nguồn điện như hiện nay trên thế giới, trong lưới điện
phân phối xuất hiện ngày càng nhiều các nguồn điện phân tán công suất nhỏ kết nối
vào [10]. Tỷ trọng điện năng phát ra từ các nguồn điện phân tán trong tổng điện
năng của toàn hệ thống ngày càng lớn, và tốc độ tăng trưởng đặc biệt nhanh trong
các năm gần đây. Hệ thống điện Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế đó, với
tiềm năng về thủy điện nhỏ, năng lượng gió, và năng lượng mặt trời cao, việc tích
hợp các nguồn điện phân tán vào hệ thống điện hiện có đã nhận được nhiều sự quan
tâm sâu sắc.
Tuy nhiên sự xuất hiện của các nguồn điện phân tán có công suất nhỏ trong
hiện có cũng đặt ra nhiều vấn đề kỹ thuật cần được quan tâm nghiên cứu, nhất là
trong lưới điện phân phối. Nguyên nhân chính của các vấn đề này là việc lưới điện
phân phối sẵn có vốn không được thiết kế để tích hợp các nguồn điện phân tán với
công suất phụ thuộc nhiều vào các yếu tố môi trường. Các lưới điện phân phối sẵn
có cũng là lưới điện dạng thụ động, nghĩa là trên lưới điện khi thiết kế chỉ bao gồm
các phụ tải điện, không có các nguồn điện kết nối vào. Nếu có nhiều nguồn điện
phân tán được kết nối vào có thể dẫn đến các chế độ vận hành không cho phép cũng
như có thể gây ra những hư hỏng cho các thiết bị làm việc trên lưới điện phân phối.
Đối với những lưới điện cụ thể khi tích hợp nguồn điện phân tán cần phải thực hiện
những nghiên cứu mô phỏng để nhận biết và đề ra các giải pháp nhằm giải quyết
các vấn đề kỹ thuật có thể nảy sinh nhằm đảm bảo kết nối một cách tốt nhất nguồn
điện phân tán vào lưới điện phân phối.
Nguồn điện phân tán khi đấu nối vào lưới điện hiện tại có thể làm nảy sinh
các vấn đề kỹ thuật liên quan tới chất lượng điện năng được cung cấp trong lưới,
làm giảm độ tin cậy cung cấp điện, giảm hiệu quả truyền tải điện, gây ra quá điện áp
cũng như ảnh hưởng đến các hệ thống bảo vệ [3], [4], [10]. Đề tài trong luận văn
được lựa chọn nhằm đánh giá một số ảnh hưởng có thể của nguồn điện phân tán đến
chất lượng điện năng trong lưới điện phân phối của Việt Nam.
2. Lịch sử nghiên cứu
Cùng với sự phát triển của nguồn điện phân tán trong lưới điện, đặc biệt là
lưới điện phân phối trong thời gian gần đây, đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng
và yêu cầu kỹ thuật khi tích hợp nguồn điện phân tán vào hệ thống điện sẵn có. Các
nghiên cứu thường tập trung vào các hướng nghiên cứu bao gồm:
-
Phân tích các đặc điểm kỹ thuật của các dạng nguồn điện phân tán [10], [15].
-
Đánh giá tiềm năng khai thác các dạng nguồn điện phân tán.
-
Đánh giá kinh tế đối với việc ứng dụng nguồn điện phân tán trong hệ thống
điện.
-
Vấn đề tối ưu hóa việc sử dụng nguồn điện phân tán trong hệ thống điện.
-
Đánh giá hệ thống bảo vệ cũng như đảm bảo độ tin cậy cho lưới điện khi có
nguồn phân tán (thiếu công suất, sự cố nguồn, ngắn mạch trên lưới…) [17].
-
Vấn đề sóng hài và sụt giảm điện áp ngắn hạn trong lưới điện phân phối khi
có nguồn phân tán.
-
Vấn đề điểu chỉnh tần số và điện áp trong lưới điện độc lập với nguồn điện
nhỏ.
Tuy nhiên vẫn chưa có nhiều nghiên cứu mô phỏng cụ thể cho các chế độ
hoạt động của lưới điện phân phối Việt Nam nhằm đánh giá ảnh hưởng của các
dạng nguồn điện phân tán sau khi kết nối với lưới điện sẵn có. Đề tài lựa chọn trong
luận văn đi theo hướng đánh giá chất lượng điện năng, cụ thể trong đó là đánh giá
chất lượng điện áp trong các lưới phân phối có nguồn phân tán với các tính toán mô
phỏng cụ thể cho lưới điện phân phối của Việt Nam. Các mô phỏng dự kiến được
thực hiện cho các dạng nguồn năng lượng phân tán điển hình hiện có là thủy điện
nhỏ (Tiên Yên - Quảng Ninh) và năng lượng gió (Ninh Thuận).
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Luận văn lựa chọn đề tài nghiên cứu là đánh giá chất lượng điện năng trong
lưới điện phân phối có nguồn phân tán tại Việt Nam.
Do nguồn phân tán thường được đấu nối vào lưới điện phân phối nên ảnh
hưởng tới chất lượng điện áp trong lưới rõ rệt hơn nhiều đối với ảnh hưởng tới tần
số hệ thống (do tần số được bảo đảm bởi hệ thống điện) trừ những lưới điện độc lập
(những lưới điện này không nằm trong phạm vi nghiên cứu của đề tài.
Luận văn cũng tập trung mô phỏng ảnh hưởng của chế độ làm việc của
nguồn điện phân tán đối với chế độ điện áp tại các nút phụ tải khi có sự thay đổi về
công suất phát của nguồn phân tán. Các đánh giá về độ không đối xứng của điện áp
do các chế độ làm việc bất thường của nguồn điện, ảnh hưởng của sóng hài (độ
không sin của điện áp), sụt giảm điện áp ngắn hạn (voltage sag) khi có sự cố...
không thuộc phạm vi nghiên cứu của luận văn.
Đối tượng nghiên cứu trong đề tài là lưới điện phân phối trong quy hoạch có
nguồn phân tán (chủ yếu là thủy điện nhỏ và điện gió do các nguồn phân tán như
địa nhiệt, điện mặt trời… vẫn còn rất ít tại Việt Nam)
Mục đích nghiên cứu của luận văn nhằm đánh giá ảnh hưởng của nguồn điện
phân tán đến chế độ điện áp, trên cơ sở tính toán cho 1 số lưới phân phối đã quy
hoạch. Từ các nghiên cứu này có thể có được một số đánh giá chung về khả năng
điều chỉnh điện áp trong lưới phân phối sẵn có sau khi có nguồn phân tán.
4. Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả
Các tính toán mô phỏng trong luận văn nhằm làm sáng tỏ những luận điểm
sau:
-
Tìm hiểu và đánh giá các yêu cầu kỹ thuật đối với việc tích hợp nguồn điện phân
tán vào lưới điện phân phối.
-
Hệ thống truyền tải và phân phối điện hiện có được thiết kế không dựa trên cơ
sở có sự tích hợp của nguồn điện phân tán trong tương lai, dẫn đến những ảnh
hưởng nhất định đến chất lượng điện năng trong lưới điện, đặc biệt là chế độ
điện áp, sau khi có nguồn điện phân tán.
-
Ảnh hưởng chủ yếu của nguồn điện phân tán là chế độ điện áp của lưới điện đấu
nối do làm thay đổi một cách cục bộ phân bố công suất trong lưới điện phân
phối.
-
Mức độ ảnh hưởng của nguồn điện phân tán trong lưới điện phân phối phụ thuộc
vào tỷ lệ công suất của nguồn phân tán đối với nguồn điện truyền thống; loại
nguồn điện phân tán (năng lượng sơ cấp, loại máy phát, hệ số công suất, khả
năng điều chỉnh...); vị trí của nguồn điện phân tán trong lưới điện phân phối;
-
Ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đến chế độ điện áp trong lưới điện có thể
được quản lý bằng các thiết bị điều chỉnh điện áp phù hợp.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu áp dụng trong luận văn bao gồm nghiên cứu tìm
hiểu lý thuyết, thu thập dữ liệu thực tế và tính toán mô phỏng nhằm đánh giá chế độ
mạng lưới điện.
Các nghiên cứu lý thuyết trong luận văn bao gồm:
-
Tổng quan kiến thức về nguồn điện phân tán, hiện trạng ứng dụng và phát
triển nguồn điện phân tán tại Việt Nam. Đánh giá các dạng nguồn phân tán
chủ yếu tại Việt Nam.
-
Tìm hiểu những yêu cầu kỹ thuật nhằm đấu nối nguồn phân tán vào lưới
phân phối của Việt Nam và thế giới.
-
Tìm hiểu về các tiêu chuẩn chất lượng điện năng nói chung và yêu cầu về
chế độ điện áp được áp dụng cho lưới điện phân phối tại Việt Nam.
Các số liệu cần được thu thập, đánh giá và xử lý gồm có:
-
Sơ đồ và số liệu của lưới phân phối điện có nguồn phân tán (thủy điện nhỏ và
nhà máy điện gió),
-
Biểu đồ phát công suất của nguồn phân tán dưới dạng ngày điển hình, các
chế độ đặc biệt,
-
Biểu đồ công suất các thành phần phụ tải của lưới điện phân phối và điện
năng tiêu thụ.
Các bước tính toán mô phỏng cần thực hiện bao gồm:
-
Thành lập quy trình tính toán đánh giá cho dạng nguồn và lưới cụ thể
-
Xây dựng mô hình tính toán cho mạng lưới điện đã có số liệu
-
Xây dựng biểu đồ phụ tải và biểu đồ công suất phát
-
Tính toán chế độ của lưới điện
-
Phân tích đánh giá các kết quả nhận được
6. Bố cục luận văn
Bản luận văn bao gồm các phần nội chính được sắp xếp như sau:
a. Phần mở đầu:
-
Lý do chọn đề tài.
-
Lịch sử nghiên cứu.
-
Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu.
-
Tóm tắt cô đọng các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả.
-
Phương pháp nghiên cứu.
b. Phần nội dung:
-
Chương 1: Tổng quan về nguồn điện phân tán, hiện trạng ứng dụng nguồn
phân tán trong hệ thống điện Việt Nam.
-
Chương 2: Vấn đề đảm bảo điện áp trong lưới điện phân phối khi xét đến
nguồn phân tán.
-
Chương 3: Tính toán mô phỏng chế độ làm việc của mạng lưới điện khi có
nguồn điện phân tán.
c. Phần kết luận:
-
Các đánh giá chung về ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đến chất lượng
điện năng của lưới điện phân phối sẵn có.
-
Các kết luận và kiến nghị.
-
Các hướng nghiên cứu tiếp theo.
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN
Tại Việt Nam, khái niệm về nguồn phân tán đã xuất hiện trong một số nghiên
cứu, bài báo để chỉ các nguồn điện có quy mô nhỏ [10]. Nguồn phân tán vẫn còn là
một khái niệm mới trong hệ thống điện hiện nay, mặc dù ý tưởng đằng sau khái
niệm nguồn điện phân tán đã có từ khá lâu. Trong những ngày đầu của quá trình
phát hệ thống điện, ngồn của hệ thống chủ yếu là các nguồn điện nhỏ. Những nhà
máy điện đầu tiên chỉ phát điện cho các khách hàng ở vùng lân cận của nhà máy.
Những lưới điện đầu tiên là các lưới điện một chiều và vị vậy điện áp của lưới điện
bị giới hạn bằng điện áp phát của máy phát do chưa có các máy biến áp nâng áp
cũng như dòng điện xoay chiều. Ngoài ra, khoảng cách truyền tải cũng bị giới hạn
bởi tổn thất điện áp trên đường dây, vì vậy một nhà máy điện chỉ có thể cung cấp
điện cho một vùng phụ tải xung quanh nhà máy mà không thể truyền tải đi xa được.
Để đáp ứng nhu cầu phụ tải thay đổi trong ngày người ta sử dụng cac thiết bị lưu trữ
điện năng tại chỗ để hỗ trợ như ắcquy… Sau đó, các tiến bộ khoa học kỹ thuật, như
sự ra đời của lưới điện xoay chiều, đã cho phép điện năng được truyền đi xa, chi phí
sản xuất và truyền tải điện năng cũng giảm dẫn đến nhu cầu xây dựng các nhà máy
điện lớn để cung cấp cho nhiều phụ tải với khoảng cách xa hơn. Dần dẫn dẫn đến sự
hình thành của một hệ thống điện phức tạp như ngày nay, bao gồm hệ thống lưới
điện truyền tải và phân phối chằng chịt và các nhà máy điện có công suất lớn. Sự
cân bằng giữa cung và cầu trong hệt thống điện đạt được nhờ sự phối hợp tác động
của các nhà máy điện trong hệ thống để đáp ưng nhu cầu cho sự thay đổi của phụ tải
trong hệ thống. Sự đảm bảo trong nguồn điện cung cấp được tăng lên, khi có sự cố
của nguồn này thì được bù đắp bới một nguồn khác trong hệ thống. Sự xuất hiện
của dòng điện xoay chiều cùng với lưới điện truyền tải điện áp cao nối liền các hệ
thống điện của các vùng với nhau đã giúp tiết kiệm được chi phí sản xuất.
Vào cuối thế kỷ 20, những tiến bộ của khoa học kỹ thuật, sự thay đổi của nền
kinh tế và sự điều tiết của thị trường đã dẫn đến việc các nguồn điện phân tán
(nguồn điện có công suất nhỏ) lại nhận được sự quan tâm trở lại [18], [19], [20],
[21]. Có 5 lý do cơ bản kết hợp lại tạo ra sự thay đổi này, bao gồm:
-
Sự phát triển trong công nghệ phát điện của nguồn điện phân tán,
-
Nhu cầu xây dựng mới lưới điện truyền tải mới để đáp ứng nhu cầu phụ tải
ngày càng tăng trong khi lưới điện truyền tải đã rất lớn và phức tạp,
-
Nhu cầu khách hàng đối với dịch vụ cung cấp điện có độ tin cậy cao tăng lên,
-
Sự thành lập và phát triển của thị trường điện tự do,
-
Những yêu cầu của môi trường và các vấn đề đối với sự thay đổi khí hậu.
Nhằm tìm hiểu các tác động của nguồn điện phân tán, chương này sẽ giới
thiệu sơ lược về nguồn điện phân tán để làm cơ sở tìm hiểu cho các chương tiếp
theo.
1.1 Khái niệm và phân loại về nguồn phân tán
Bên cạnh cấu trúc truyền thống của lưới điện phân phối (LPP), kết nối từ các
trạm biến áp (TBA) trung gian tới các khách hàng dùng điện thì ngày càng có nhiều
các nguồn điện có công suất vừa và nhỏ kết nối vào lưới điện. Các nguồn điện này
phát triển rải rác khắp nơi theo điều kiện địa lý của từng địa phương gần với khu
vực phụ tải nên được gọi tên là nguồn phân tán (Distributed Generations - DG) [18].
Một số tài liệu định nghĩa nguồn phân tán là nguồn điện với một số đặc điểm cơ bản
như “là nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo, không điều khiển tập trung” [VNL],
hoặc căn cứ theo cấp điện áp của lưới điện mà nguồn điện đấu nối vào “lưới điện
trực tiếp cung cấp điện cho các phụ tải điện là khách hàng” [18]. Các tổ chức quốc
tế cũng có những định nghĩa khác nhau về nguồn điện phân tán [18], [19], [21].
Tuy rằng hiện nay chưa có một định nghĩa chung cụ thể nào về nguồn phân tán
nhưng mọi khái niệm đều hướng đến “nguồn điện phân tán là các nguồn phát
điện nhỏ được đấu nối vào lưới phân phối và khu vực phụ tải điện”[10], [18].
Đây được coi là định nghĩa phù hợp nhất cho nguồn điện phân tán hiện nay,
trong định nghĩa không đưa ra các giới hạn về điện áp kết nối, công nghệ phát điện
cũng như công suất của nguồn điện phân tán; đồng thời định nghĩa đã nêu bật được
đặc điểm quan trọng nhất của nguồn điện phân tán là khoảng cách đến phụ tải gần
hơn so với các nguồn điện tập trung khác.
Nguồn điện phân tán có thể được chia ra làm hai nhóm chính theo công nghệ
chế tạo:
- Nguồn năng lượng tái tạo: Điện gió, điện sinh khối, điện mặt trời, địa nhiệt,
thủy điện nhỏ, điện thủy triều.
- Nguồn năng lượng không tái tạo: Pin nhiên liệu, động cơ đốt trong
(Diezen), tua bin hơi.
DG tái tạo đang được thúc đẩy phát triển nhanh chóng do các tác động tích
cực đến môi trường.
Với sự đa dạng về các nguồn điện phân tán như vậy trong tương lai mạng
điện sẽ giống như một mạng internet trong đó các nguồn phân tán được kết nối ở
khắp nơi giống như máy vi tính.
Hệ thống điện lúc này là sự kết hợp giữa các DG và CG( center generation).
Các CG được kết nối với lưới điện áp cao (thường là từ 110kV trở lên) cung cấp
điện cho các trung tâm, vùng miền tiêu thụ công suất lớn, trong khi đó các DG chủ
yếu được kết nối vào lưới điện từ 35kV trở xuống cung cấp điện cho các nơi xa lưới
điện, các cụm phụ tải vừa và nhỏ…Bên cạnh đó một số nguồn phân tán nhỏ như:
Máy phát Diesel, điện mặt trời, pin nhiên liệu… thường được nối trực tiếp vào lưới
hạ thế 0,4kV cung cấp điện cho các khách hàng nhỏ như hộ gia đình hoặc các tòa
nhà chung cư, các nhà máy sản xuất nhỏ...
DG được kết nối với LPP thông qua điểm kết nối (CP) và điểm kết nối chung
(PCC). Cách thức và thiết bị đấu nối DG phụ thuộc vào tiêu chuẩn được áp dụng
trên lưới tuy nhiên ở đầu ra trạm kết nối DG luôn bao gồm các thiết bị đóng cắt và
bảo vệ.
1.1.1. Tuabin khí.
Hình 1.1: Tuabin khí GT13E2
Công nghệ tuabin khí là những tuabin 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 điện. Có các loại tuabin nhỏ khác nhau
như tuabin khí và tuabin đốt. Tuabin khí luôn được sử dụng trên 1MW nhưng ngày
nay chúng có thể được sử dụng các 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 bảo dưỡng
- Chi phí đầu tư thấp và giá thành thấp so với một vài công nghệ DG khác.
Nhược điểm:
- Gây tiếng ồn lớn, chúng đời hỏi cách âm tốt nên có thể gây giảm hiệu quả
nhiên liệu.
- Hiệu suất thấp hơn so với một số loại DG khác.
1.1.2. Máy phát điện Diesel.
Hình 1.2: Máy phát điện Diesel Cummins
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 này được 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 khép kín. Công suất của máy phát điện Diesel nằm trong khoảng từ 3kVA đến
3000kVA.
Ưu điểm:
- Chi phí chế tạo thấp, bảo dưỡng đơn giản.
- Thời gian khởi động nhanh.
Nhược điểm:
- Gây ô nhiễm môi trường, tiếng ồn lớn.
- Chất lượng điện năng không cao như một số công nghệ chuyển đổi như pin
nhiên liệu và tuabin nhỏ.
1.1.3. Quang điện.
Hình 1.3: Pin quang điện
Quang điện là cục pin hình vuông hoặc hình tròn, được làm bằng chất lỏng
tinh thể silicon. Những cục pin này được kết nối với nhau thành module hoặc panel
và các module này được kết nối thành một hàng để tạo ra năng lượng cần thiết.
Những cục pin này hấp thụ năng lượng từ ánh sáng mặt trời, ở đấy lượng tử ánh
sáng tác động đến dòng electron biến đổi thành điện năng. Thông thường một dãy
pin cung cấp khoảng 12V, công suất từ 20W-100kW.
Ưu điểm:
- Không mất tiền mua nhiên liệu và bảo dưỡng.
- Không gây ô nhiễm môi trường.
- Độ bền cao và đáng tin cậy.
Nhược điểm:
- Hiệu quả thấp.
- Chi phí ban đầu cao.
- 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.
1.1.4. Tuabin gió.
Hình 1.4: Nguyên lý cấu tạo Tuabin gió
Đối với tuabin gió, động năng dòng không khí được chuyển đổi thành điện
năng, Công suất của các tuabin gió ngày càng tăng lên trong vòng 2 thập kỷ qua
cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật. Công suất của tuabin gió từ 5kW đến vài
MW, để có những tuabin lớn hơn thì tập hợp thành một nhóm cac tuabin gió với
nhau trong một trại gió (nhà máy điện gió) và nó sẽ cung cấp năng lượng lớn hơn
cho lưới điện. Các tuabin gió loại nhỏ có công suất dưới 50kW được sử dụng cho
gia đình, viễn thông hoặc bơm nước, đôi khi cũng được dùng để nối với máy phát
điện diesel, pin và hệ thống quang điện. Các hệ thống này được gọi là hệ thống lai
gió và điển hình là sử dụng cho các vùng sâu, vùng xa, những địa phương chưa có
lưới điện, những nơi mà mạng điện quốc gia không thể nối tới khu vực này.
Loại máy phát điện phổ biến nhất được áp dụng cho tổ tuabin-máy phát điện
gió là máy phát không đồng bộ. Nếu một máy phát không đồng bộ được nối trực
tiếp với tuabin thì một bộ khởi động mềm cần được trang bị để giảm thiều dòng
khởi động của máy phát. Trong điều kiện vận hành bình thường, máy phát được nối
trực tiếp có thể làm cho mức độ nhấp nháy điện tăng lên theo sự biến đổi của dòng
công suất tác dụng.
Gần đây công nghệ nghịch lưu hiện đại đã được áp dụng trong các hệ thống
điều chỉnh tốc độ và công suất đầu ra có thể được giữ gần như không đổi so với sự
thay đổi tốc độ gió. Với sự xuất hiện của hệ thống này thì cả máy phát đồng bộ và
không đồng bộ đều có thể được áp dụng.
Công suất cơ lấy ra từ tuabin gió phụ thuộc vào diện tích quét của cánh quạt
và tỉ lệ bậc ba với tốc độ gió theo công thức như sau [12], [24]:
P = 1/2Cp.ρ.A.V3
Trong đó:
(1.1)
ρ: mật độ dòng không khí, kg/m3.
A: diện tích quét gió của cánh quạt, m2.
V: tốc độ gió, m/s.
Cp: hệ số công suất của tuabin gió (Cp = 0,2÷0,5).
Ở tốc độ gió 6m/s thì năng lượng tương ứng là 132W/m2, khi V=12m/s thì
năng lượng tương ứng là 1053W/m2.
Ưu điểm:
- Không cần nạp nhiên liệu.
- Không gây ô nhiễm môi trường.
- Phù hợp với các vùng sâu, vùng xa.
Nhược điểm:
- Phụ thuộc vào thời tiết và điều kiện địa lý.
- Vốn đầu tư lớn.
- Cần khoảng không lớn.
- Ngoài ra thì tiếng ồn từ cánh quạt cũng rất đáng kể.
Hiện nay Đức là quốc gia có công suất lắp đặt nguồn điện gió lớn nhất (tổng
cộng có khoảng 14640 tuabin gió với tổng công suất đặt là 24247MW – cuối năm
2007 chiếm 37% tổng công suất điện gió toàn châu Âu). Ở Việt Nam hiện nay cũng
đang triển khai nhiều dự án điện gió như ở Phương Mai – Bình Định có công suất
50,4MW, dự án điện gió 30MW ở Ninh Thuận, dự án điện gió 30MW ở Bình
Thuận…
1.1.5. Pin nhiên liệu.
Pin nhiên liệu biến đổi năng lượng hóa học của nhiên liệu, ví dụ như hidro
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 (hidro) và chất ôxi (ôxy) được đưa
vào từ bên ngoài. 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 hidro và ôxy nhờ
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 mà 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 PME (Proton exchange membrane – tế bào nhiên liệu màng trao
đổi bằng proton). Các hệ thống pin nhiên liệu được phân loại theo nhiều cách khác
nhau: AFC (Alkaline fuel cell – tế bào nhiên liệu kiềm), PMEFC (Proton exchange
membrane fuel cell – trao đổi hạt nhân qua màng lọc) công suất vào khoảng
3÷250kW, PAFC (Phosphoric acid fuel cell - tế bào nhiên liệu axit phosphoric)
công suất vào khoảng 100÷200kW, MCFC (Molten carbonate fuel cell – tế bào
nhiên liệu carbonat nóng chảy) có công suất vào khoảng 250kW÷10MW, SOFC
(Solid oxide fuel cell – tế bào nhiên liệu oxit rắn) có công suất vào khoảng
1kW÷10MW, DMFC (Direct methanol fuel cell – tế bào nhiên liệu methanol trực
tiếp) có công suất vào khoảng 300kW÷2,8MW.
Ưu điểm:
- Hiệu suất cao hơn so với các nguồn phát thông thường ( đạt từ 40%÷70%).
- Không gây ồn ào và ô nhiễm môi trường.
Nhược điểm:
- Cần dòng điện tử trên bề mặt để điều chỉnh điện áp ra.
1.1.6. Thủy điện nhỏ.
Thủy điện nhỏ là thủy điện có công suất ≤ 30MW. Theo thống kê, đến cuối
năm 2007 nước ta hiện có khoảng 95 trạm thủy điện nhỏ đã kết lưới với tổng công
suất đặt là 115MW hiện đang hoạt động ổn định, trong đó có 50% các trạm thủy
điện nhỏ nằm ở khu vực miền núi phía Bắc.
TĐN chủ yếu là loại thủy điện lợi dụng trực tiếp dòng chảy, không tạo thành
hồ chứa hoặc hồ chứa dung tích rất nhỏ. Loại thủy điện này thường bao gồm các
đập nhỏ và hầu như không gây ảnh hưởng đến môi trường. TĐN thường được thiết
kế với cột nước thấp, nằm trên những dòng sông nhỏ với độ dốc không lớn lắm, có
thể sử dụng toàn bộ hay một phần lưu lượng của dòng sông.
Hình 1.5: Mô hình thủy điện nhỏ
Đặc điểm của TĐN là công suất ở mỗi thời điểm phụ thuộc vào lưu lượng
nước thiên nhiên, hầu như không đổi trong phạm vi một ngày đêm. Vì vậy công
suất cả trạm TĐN trong phạm vi một ngày đêm có thể xem là cố định và luôn làm
việc ở phần gốc của đồ thị phụ tải.
Do không có khả năng điều tiết nên công suất thiết kế và công suất đảm bảo
của TĐN cố định trong ngày đêm, nhưng trong những ngày khác nhau thì khác nhau
theo điều kiện thủy văn.
Công suất của trạm TĐN xác định theo biểu thức:
P = 9,81.η.Q.H (kW)
Trong đó:
(1.2)
η : hiệu suất biến đổi năng lượng
Q : lưu lượng nước, m3/s
H : chiều cao cột nước, m
Do tính đa đạng của TĐN và đáp ứng nhu cầu sử dụng TĐN của nhiều loại
đối tượng khác nhau và tùy thuộc vào quy mô công suất, TĐN cũng được phân làm
3 loại: thủy điện nhỏ (Small hydropower), thủy điện mini (mini hydropower), thủy
điện cực nhỏ (micro hydropower).
Ở Việt Nam, TĐN tập trung chủ yếu ở các vùng núi phía Bắc, miền Trung và
Tây Nguyên, rất thuận lợi cho quá trình điện khí hóa nông thôn, đặc biệt là các khu
vực xa lưới điện có mật độ phụ tải nhỏ.
Ưu điểm:
- Chi phí nhân công thấp bởi vì các nhà máy này thường được tự động hóa
cao và có ít người làm việc tại chỗ khi vận hành thông thường.
- Các nhà máy TĐN có tuổi thọ lớn hơn các nhà máy nhiệt điện.
- Lợi ích lớn nhất của TĐN là hạn chế giá thành nhiên liệu, tận dụng tối đa
nguồn tài nguyên hiện có.
Nhược điểm:
- Ảnh hưởng đến cân bằng sinh thái, môi trường của dòng sông.
- Ảnh hưởng đến việc tái định cư dân chúng sống trong vùng hồ chứa.
1.1.7. Một số nguồn phân tán khác.
a. Năng lượng sinh khối.
Sinh khối chứa năng lượng hóa học, nguồn năng lượng mặt trời tích lũy
trong thực vật qua quá trình quang hợp. Sinh khối là các phế phẩm từ nông nghiệp
(rơm rạ, bã mía, …), phế phẩm lâm nghiệp (lá khô, vụn gỗ,…), giấy vụn, meetan
thừ các bãi chôn lấp, trạm xử lý nước thải, phân từ các trang trại gia súc, gia cầm.
Nhiên liệu sinh khối có thể ở dạng rắn, lỏng, khí… được đốt để phóng thích
năng lượng. Sinh khối, đặt biệt là gỗ, than gỗ (charcoal) cung cấp phần năng lượng
đáng kể trên thế giới. Hiện nay, gỗ vẫn được sử dụng làm nhiên liệu phổ biến ở các
nước đang phát triển. Sinh khối cũng có thể chuyển thành dạng nhiên liệu lỏng như
mêtanol, êtanol dùng trong các động cơ đốt trong, hay dạng khí sinh học (biogas)
ứng dụng cho nhu cầu năng lượng ở quy mô gia đình.
Ưu điểm:
Về kinh tế:
- Phát triển nông thôn là một trong các lợi ích chính của phát triển năng
lượng sinh khối, tạo thêm công ăn việc làm cho người lao động.
- Thúc đẩy sự phát triển của công nghiệp năng lượng và công nghiệp sản
xuất các thiết bị chuyển hóa năng lượng…
- Giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch.
Về mặt môi trường:
- NLSK có thể tái sinh được.
- NLSK tận dụng chất thải làm nhiên liệu. Do đó vừa làm giảm lượng rác
vừa biến chất thải thành sản phẩm hữu ích.
Về mặt kỹ thuật:
- Có chỉ số cetan cao hơn Diesel.
- Sinh khối rất linh động có thể trộn vào diesel theo bất kì tỉ lệ nào.
- Có điểm chớp cháy cao hơn diesel, đốt cháy hoàn toàn, an toàn trong tồn
chứa và sử dụng.
Nhược điểm :
- Năng lượng sinh khối khi cháy sẽ phát thải khí bụi và khí SO2 vào môi
trường. Mức độ phát thải phụ thuộc vào nguyên liệu sinh khối, công nghệ và biện
phát kiểm soát ô nhiễm.
- Sản xuất năng lượng từ gỗ có thể gây thêm các áp lực cho rừng…
b. Địa nhiệt.
Nhiệt năng được khai thác ở dưới sâu trong lòng đất. Do cấu tạo của trái đất,
magma trong lòng đất hâm nóng những khối đá và các dòng nước ngầm. Một số các
dòng nước ngầm thóa lên gần bề mặt qua các vết rạng trong lòng đất và được giữ lại
