Nghiên cứu và đánh giá các ảnh hưởng của nguồn điện phân tán với mạng lưới phân phối

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

Bách Khoa Hà Nội.
Hiện đang công tác tại Trường Đại Học Điện Lực
Xin cam đoan Đề tài “Nghiên cứu và đánh giá các ảnh hưởng của nguồn điện phân
tán với mạng lưới phân phối” do giảng viên, TS. Lê Việt Tiến hướng dẫn là nghiên cứu

của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2014

Học viên

Trịnh Minh Tuấn


MỤC LỤC
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt

......................................................................07

Danh mục các bảng biểu ........................................................................................08
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
..............................................................................09
Mở đầu

.................................................................................................................11

Chương 1. Tổng quan về lưới điện phân phối và nguồn phân tán

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

8

DANH MỤC CÁC KỸ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu, chữ viết tắt
CC
CHP
DG
ĐSK
FCL
GA
LPP
MBA
MPĐ
MPĐB
MPKĐB
TBA
TĐL
TĐN
WF
WT

Trịnh Minh Tuấn

Nghĩa tiếng Việt
Cầu chì
Đồng phát nhiệt điện
Nguồn phát phân tán
Điện sinh khối
Thiết bị hạn chế dòng sự cố

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

Bảng 3.8. Định dạng dữ liệu tải PQ (PQ.con) .........................................................86
Bảng 3.9. Định dạng dữ liệu máy phát PQ (PQgen.con) ........................................87
Bảng 3.10. Định dạng dữ liệu tổng dẫn shunt (Shunt.con) ......................................88
Bảng 3.11. Định dạng dữ liệu vùng miền (Area.con và Region.con) ...................89
Bảng 4.1. Số liệu lưới thử nghiệm .........................................................................97
Bảng 4.2 - Mức độ cải thiện điện áp sau khi kết nối DG .......................................103
Bảng 4.3 Mức giảm tổn thất công suất sau khi kết nối DG ...................................106
Bảng 4.4 Hệ số đánh giá phương án (IMO) .......................................................109
Bảng 4.5. Số liệu lưới thử nghiệm IEEE-14 ........................................................110
Bảng 4.6. Số liệu phụ tải các nút lưới thử nghiệm IEEE-14 .................................111
Bảng 4.7. Hệ số cải thiện chất lượng điện áp (VIimp) ............................................115
Bảng 4.8. Hệ số giảm tổn thất công suất (LLIimp) .................................................115

Trịnh Minh Tuấn

Luận văn KTĐ11B - 54


10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Lưới điện phân phối hình tia không phân đoạn ....................................16
Hình 1.2. Lưới điện phân phối hình tia có phân đoạn ............................................16
Hình 1.3. Lưới điện phân phối kín vận hành hở .....................................................16
Hình 1.4. Sơ đồ lưới cung cấp điện trong tương lai có sự tham gia của các DG ....23
Hình 1.5. Điểm kết nối (CP) và điểm kết nối chung (PCC) ...................................23
Hình 1.6. Mặt cắt dọc hộp tổ hợp tuabin – máy phát điện gió ..............................24
Hình 1.7. Đặc tính công suất của động cơ gió .........................................................25
Hình 1.8 . Sơ đồ nguyên lý của loại tuabin gió tốc độ không đổi ..........................26
Hình 1.9 . Sơ đồ nguyên lý của loại tuabin gió DFIG ...........................................27

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

Luận văn KTĐ11B - 54


11

Hình 3.14 – Các mô hình tuabin gió ....................................................................77
Hình 3.15 – Các mô hình khác ..............................................................................78
Hình 4.1 – Sơ đồ lưới điện tính toán
................................................................97
Hình 4.2 – Biểu đồ điện áp nút trên lưới điện .......................................................98
Hình 4.3. TH1: PDG = 30%PL, đấu vào nút 11 .......................................................99
Hình 4.4. TH2: PDG = 50%PL, đấu vào nút 11 .......................................................100
Hình 4.5. TH3: PDG = 100%PL, đấu vào nút 11 ....................................................100
Hình 4.6. TH4: PDG = 30%PL, phân đều cho nút 6, 11 ..........................................101
Hình 4.7. TH5: PDG = 30%PL, phân đều cho nút 6, 11, 14 ....................................101
Hình 4.8. TH6: PDG = 50%PL, phân đều cho nút 6, 11 ..........................................102
Hình 4.9. TH7: PDG = 50%PL, phân đều cho nút 6, 11, 14 ....................................102
Hình 4.10. TH8: PDG = 100%PL, phân đều cho nút 6, 11 ......................................103
Hình 4.11. TH9: PDG = 100%PL, phân đều cho nút 6, 11, 14 ................................103
Hình 4.12. Điện áp các nút khi tăng dần mức độ thâm nhập của DG .................105
Hình 4.13. Điện áp các nút khi tăng dần mức độ phân tán của DG ....................106
Hình 4.14. Biểu đồ mô tả mức độ cải thiện điện áp khi lưới có kết nối DG ..........106
Hình 4.15. Mức giảm tổn thất công suất tác khi khi có DG tham gia nối lưới .....107
Hình 4.16. Tổn thất công suất trên lưới khi thay đổi mức DGdis (PDG = 30% PL) 107
Hình 4.17. Tổn thất công suất trên lưới khi thay đổi mức độ thâm nhập của DG (P DG
= (30;50;100)% PL)
....................................................................................108
Hình 4.18 – Áp dụng hệ số đa mục tiêu để lựa chọn phương án ..........................109
Hình 4.19. Sơ đồ lưới điện thử nghiệm IEEE-14 ................................................110
Hình 4.20. Điện áp các nút trong trường hợp khi chưa có DG .............................112

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 cung cấp khu vực 110kV, là phần lưới điện từ các trạm trung gian
khu vực hoặc từ thanh cái cao áp các nhà máy điện cung cấp điện cho các
trạm trung gian địa phương.

-

Lưới phân phối là phần lưới điện sau các trạm biến áp trung gian địa
phương, kết nối trực tiếp với lưới truyền tải để cấp điện tới các phụ tải
tiêu thụ điện. Lưới phân phối được phân chia thành lưới phân phối trung
áp (6, 10, 15, 22, 35kV) và lưới phân phối hạ áp (0,4/0,22kV).

Lưới điện phân phối trung áp (phạm vi nghiên cứu của đề tài-sau đây gọi tắt
là Lưới điện phân phối - LPP) làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung
gian (hoặc trạm khu vực hoặc thanh cái nhà máy điện) cho các phụ tải. Lưới phân
phối có nhiệm vụ chính trong việc đảm bảo chất lượng phục vụ phụ tải, bao gồm cả
chất lượng điện áp và độ tin cậy cung cấp điện. Các khối cơ bản của LPP là:
-

Trạm biến áp trung gian, biến đổi điện năng sơ cấp máy biến áp (MBA) ở
các cấp điện áp cao (110kV, 220kV) cấp cho các LPP địa phương, và
thường là nâng cao khả năng điều chỉnh điện áp cho lưới cao áp phía sơ
cấp MBA.


15

-

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

kéo theo là độ tin cậy cung cấp điện giảm do khi chạm đất 1 pha cũng tương đương
là ngắn mạch 1 pha, lưới sẽ bị cắt điện để đảm bảo an toàn cho thiết bị trên lưới.
Tuy nhiên, dòng điện chạm đất tăng quá cao cũng sẽ dẫn tới sự già hóa của MBA

Trịnh Minh Tuấn

Luận văn KTĐ11B - 54


16
nguồn và cáp điện, hoặc gây điện áp cảm ứng lớn tới đường dây bên cạnh và đường
dây điện thoại.
Phương thức trung tính nối đất qua tổng trở là sự bổ sung cho trường hợp
trung tính nối đất trực tiếp khi dòng điện chạm đất 1 pha là quá cao và thường được
sử dụng cho lưới điện 22kV. Tổng trở nối đất sẽ được tính toán và lựa chọn để đảm
bảo hiệu quả tối ưu về mặt kinh tế và kỹ thuật.
Phương thức trung tính nối đất qua cuộn dập hồ quang khi được lựa chọn sẽ
mang lại những lợi ích như: Dập nhanh hồ quang khi chạm đất một pha, dòng chạm
đất rất nhỏ có khi bị triệt tiêu, độ sụt áp nhỏ, không gây nhiễu đường dây điện thoại.
Tuy vậy, nó vẫn có những nhược điểm như: khi chạm đất pha lành chịu điện áp dây,
sự cố hồ quang dao động gây quá điện áp trên cách điện, cuộn dập hồ quang phải
được điều chỉnh để thích nghi với cấu trúc vận hành của lưới, sơ đồ bảo vệ phức tạp
và khó tìm chỗ chạm đất, giá thành cao.
Mỗi một phương thức nối đất đều có những ưu nhược điểm riêng và trong
từng trường hợp cụ thể thì một phương thức nào đó sẽ được chọn. Đối với lưới điện
22kV hiện đang rất phổ biến trên lưới điện Việt Nam và là sự lựa chọn cho tương
lai của LPP tại Việt Nam, phương thức nối đất nối đất trực tiếp và nối đất qua tổng
trở được lựa chọn cho từng trường hợp cụ thể.
1.1.2. Sơ đồ lưới điện phân phối
Lưới điện phân phối với mật độ khá dày đặc, là lưới trung gian kết nối giữa

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

TBPĐ

TBPĐ

Điểm
mở

TBPĐ

Hình 1.3. Lưới điện phân phối kín vận hành hở

Trịnh Minh Tuấn

Luận văn KTĐ11B - 54


18
1.1.3. Các chế độ làm việc và yêu cầu của lưới điện phân phối
1.1.3.1 Định nghĩa chế độ làm việc
Tập hợp các quá trình điện xảy ra trên lưới điện trong một khoảng thời gian
nhất định gọi là chế độ làm việc của lưới điện, các thông số xuất hiện khi hệ thống
điện làm việc: f, U, I, P, Q.. tại mỗi điểm trên lưới gọi là thông số chế độ của lưới
điện. Các thông số này biến thiên liên tục theo thời gian và dựa vào sự biến thiên
này để phân chia chế độ làm việc của lưới điện.
Chế độ xác lập
Chế độ xác lập là chế độ trong đó các thông số biến đổi nhỏ quanh giá trị
trung bình, nên có thể là không đổi.
Chế độ làm việc cơ bản của lưới điện là chế độ làm việc xác lập bình thường,
trong đó lưới điện cung cấp điện cho phụ tải điện với cấu trúc đầy đủ và chất lượng
điện năng đạt yêu cầu.

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

19
Chế độ quá độ
Chế độ quá độ là chế độ trong đó các thông số chế độ biến đổi theo thời gian.
-

Chế độ quá độ bình thường xảy ra khi phụ tải biến đổi giá trị yêu cầu do
quy luật sinh hoạt và sản xuất, khi đó điện áp cũng biến đổi theo và được
điều chỉnh bởi thiết bị điều chỉnh điện.

-

Chế độ quá độ sự cố xảy ra khi ngắn mạch, chạm đất pha…trong chế độ
này, dòng điện và điện áp biến đổi mạnh, lưới điện có thể phải cắt bộ
phận sự cố để đảm bảo an toàn, đưa lưới điện về chế độ xác lập sau sự cố.

1.1.3.2. Các yêu cầu của lưới điện phân phối
Lưới điện phân phối có mật độ khá dày đặc, cung cấp điện năng cho phụ tải
với chất lượng điện năng đảm bảo, độ tin cậy cao, an toàn và đem lại cho doanh
nghiệp kinh doanh điện lợi nhuận cao nhất trong toàn bộ thời gian vận hành:
- Chất lượng điện năng bao gồm chất lượng điện áp và chất lượng tần số,
phải đảm bảo chúng phải thỏa mãn các tiêu chuẩn về độ lệch và độ dao động. Riêng
với điện áp, nó còn phải đảm bảo độ không đối xứng và độ không sin.
- An toàn điện gồm có an toàn cho thiết bị phân phối điện, cho hệ thống điện,
cho người vận hành và người dùng điện.
- Độ tin cậy cung cấp điện cao, cần được xem xét chọn mức tin cậy hợp lý về
kinh tế, thể hiện trong việc lựa chọn phương án lưới điện.
- Tổn thất điện năng trên lưới là nhỏ nhất.
Bên cạnh đó, khả năng tải của lưới điện cũng cần được đảm bảo, đó là dòng
điện hoặc dòng công suất mà đường dây hoặc MBA tải được mà không vi phạm các
tiêu chuẩn kỹ thuật. Trên LPP, khả năng tải được tính theo phát nóng và điều kiện

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.

Trong phạm vi 80÷120% điện áp định mức, thì sự phụ thuộc của các thành
phần phụ tải hỗn hợp vào điện áp có thể được mô tả thông qua quan hệ sau [24]:

a

U 
P
  Pđm
U
 đm 

b

U 
;Q  
  Qđm
U
 đm 

(1.1)

Trong (1.1) a=0,6÷1,4 và b=1,5÷3,2, giá trị trung bình của a = 1 và b = 2 có
thể được sử dụng trong những trường hợp trung, có nghĩa là công suất tác dụng tiêu

Trịnh Minh Tuấn

Luận văn KTĐ11B - 54


21

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

pv
1,6
1,2
2,0
0,2
0,1
1,9
1,8

pf
0
3.0
0
1,6
0,6
2,1
2,2

qv
0
-0,1
0
1,5
2,8
-0,5
-0,3

qf
0

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

1.2. CÁC NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN
1.2.1 Định nghĩa nguồn điện phân tán (DG)
Vài thập kỷ nay, hệ thống cung cấp điện bao gồm các khâu phát điện, truyền
tải và phân phối. Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của nhiều công
nghệ mới, nhiều loại nguồn điện phân tán đã được ứng dụng thành công
Trong nhiều tài liệu, nhiều thuật ngữ và định nghĩa được sử dụng để định
nghĩa nguồn phân tán. Ví dụ, thuật ngữ được sử dụng nước Anglo-Saxon là “nguồn
phát nhúng vào”, ở phía bắc Châu Mỹ gọi là “nguồn phân tán” và ở Châu Âu và khu
vực Châu Á gọi là “nguồn phi tập trung” được sử dụng để chỉ chung cho loại nguồn
phát. Bên cạnh cấu trúc truyền thống của lưới điện phân phối, kết nối từ các trạm
biến áp trung gian tới các khách hàng dùng điện thì ngày càng có nhiều các nguồn
phát điện nhỏ được kết nối vào lưới. Các nguồn phát điện này rải rác khắp nơi theo
điều kiện địa lý của địa phương gần với khu vực phụ tải nên được định nghĩa với
tên gọi là nguồn phát điện phân tán (sau đây được gọi tắt là nguồn phân tán). Tuy
rằng hiện nay chưa có một định nghĩa nào thống nhất về nguồn phân tán nhưng mọi
ý tưởng đều hướng đến các nguồn phát điện được đấu nối vào lưới điện phân phối
trung áp và hạ áp. Trong luận văn này sẽ định nghĩa nguồn phân tán theo mục đích
chung: “ Nguồn phân tán là một loại nguồn kết nối trực tiếp tới hệ thống phân phối
hoặc thiết lập phía sau công tơ khách hàng”.
Hơn nữa, nguồn phân tán có thể được định nghĩa như một nguồn phát hoặc
trạm trung gian cung cấp cho phụ tải, thường đặt tại phía khách hàng. Ngoài ra nó
có thể định nghĩa như một vài mô hình nguồn phát tại vị trí hoặc gần trung tâm phụ
tải. Nó có thể là nguồn năng lượng mới như thủy điện cực nhỏ, mặt trời, gió và
quang năng hoặc nguồn nhiên liệu như pin nhiên liệu và tuabin khí. Nó có thể được
hiểu như là một nguồn phát điện với quy mô nhỏ.
1.2.2 Những lợi ích của nguồn phân tán


Phát triển công nghệ nguồn phân tán, hạn chế xây dựng đường dây truyền
tải mới, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng, tạo một thị

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].



DG có thể giảm giá điện bán buôn từ lưới cung cấp điện, dẫn đến giảm nhu
cầu cung cấp điện.



DG có thể đảm bảo việc cung cấp điện năng cho khách hàng với yêu cầu
chất lượng điện áp tốt hơn so với lưới điện bình thường [9].



Kết hợp với nguồn phân tán, chúng ta có một lưới điện cực nhỏ hoạt động
độc lập của hệ thống từ lợi ích cung cấp và có thể ngăn ngừa thiết bị hư
hỏng từ điện áp thấp.



Khi số lượng DG tham gia nhiều trong lưới điện sẽ có thể nâng cao chất
lượng điện áp vận hành, cung cấp công suất trong quá trình sự cố để cải
thiện độ võng điện áp trên đường dây. Hơn nữa, DG nâng cao độ tin cậy
cấp điện rõ rệt khi một máy phát dự phòng khởi động chỉ trong vòng vài
phút [13].



Sự bổ sung của DG làm đa dạng hoá nguồn cung cấp năng lượng sơ cấp
giúp chúng ta tránh phụ thuộc vào các dạng nguồn năng lượng tập trung.



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].



Tạo ra sự méo dạng sóng hài trên lưới điện do các bộ biến đổi điện tử công
suất hiện đại giao tiếp với lưới điện [13].



Làm tăng mức độ dòng sự cố do tổng trở sự cố bị giảm khi DG mắc song
song với lưới điện [13].



Dòng chảy công suất trên lưới thay đổi hướng của nó so với ban đầu nếu
công suất phát của nguồn phát lớn hơn công suất phụ tải cục bộ tại nơi nó
được gắn vào [13].

1.2.4 Đặc điểm công nghệ nguồn phân tán
DG có thể là nguồn năng lượng tái tạo hoặc không tái tạo. Quá trình khai thác
công nghệ DG có thể phân thành các loại chính là: động cơ đốt trong, tuabin khí,
động cơ Stirling, pin nhiên liệu và các nguồn năng lượng tái tạo. DG tái tạo đang
được thúc đẩy phát triển nhờ hiệu quả tác động đến môi trường, chủ yếu như: Pin
quang điện; tua bin gió; Tổ hợp nhiệt điện CHP; Pin nhiên liệu; Năng lượng sinh
khối; Thủy điện nhỏ… Có các loại DG khác nhau từ cấu trúc và thời điểm công
nghệ đưa ra.

Trịnh Minh Tuấn

Luận văn KTĐ11B - 54


25

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

khép kín. Công suất của máy phát điện Diesel từ 3-1500kVA.
Trịnh Minh Tuấn

Luận văn KTĐ11B - 54


27
* Ưu điểm:
- Chi phí chế tạo thấp và bảo dưỡng đơn giản.
- Thời gian khởi động nhanh.
* Nhược điểm:
- Gây ô nhiễm môi trường, ồn ào và rung động.
- Chất lượng điện năng không cao như một số công nghệ chuyển đổi
như pin nhiên liệu và tuabin nhỏ.
c. 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 panen
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 dẫy
pin cung cấp khoảng 12V, công suất 20W-100kW.
* Ưu điểm:
- Không mất tiền mua nhiên liệu và bảo dưỡng.
- Không gây ô nhiễm.
- Độ bền cao và đáng tin cậy.
* Nhược điểm:
- Hiệu quả thấp (trong phòng thí nghiệm đạt 24% và trong thực tế đạt
10%).
- Chí phí ban đầu cao.

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

Luận văn KTĐ11B - 54


29
trại 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 dùng để nối với máy phát diezen, 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 không
thể nối tới các khu vực này.
Loại máy phát điện phổ dụng 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 thiểu 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 sau:

1
P  Cp    A V 3
2
Trong đó:

 = mật độ không khí, kg/m3.
A = diện tích quét gió của cánh quạt, m2.

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

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

Trịnh Minh Tuấn

Luận văn KTĐ11B - 54


31
nhiên liệu kiềm); PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - trao đổi hạt
nhân qua mạng lọc), công suất vào khoảng 3-250kW; PAFC (Phosphoric acid fuel
cell - tế bào nhiên liệu axit phosphoric), công suất vào khoảng từ 100-200kW;
MCFC (Molten carbonate fuel cell - tế bào nhiên liệu carbonat nóng chảy), công
suất vào khoảng 250kW-10MW; SOFC (Solid oxide fuel cell - tế bào nhiên liệu
oxit rắn), công suất vào khoảng 1kW-10MW; DMFC (Direct methanol fuel cell - tế
bào nhiên liệu methanol trực tiếp), có công suất vào khoảng từ 300kW-2,8MW.
* Ưu điểm:
- Hiệu suất cao hơn so với các nguồn phát thông thường (hiệu suất
vào khoảng từ 40% đến 70%).
- Không gây ồn ào và không gây ô nhiễm môi trường.
* Nhược điểm:
- Cần dòng điện tử trên bề mặt để điều chỉnh điện áp ra.
f. Thủy điện nhỏ

Thủy điện nhỏ là loại thủy điện có công suất ≤ 30MW. Từ lâu, thuỷ điện nhỏ
đã được sử dụng ở Việt Nam nhằm giải quyết nhu cầu năng lượng ở quy mô gia
đình và cộng đồng nhỏ, chủ yếu là vùng trung du miền núi. Thuỷ điện nhỏ có sức
cạnh tranh so với các nguồn năng lượng khác do điện từ đó có giá thành cạnh tranh,
trung bình khoảng 4 cent (600 đồng)/KWh. Ước tính Việt Nam có khoảng 480 trạm

Trịnh Minh Tuấn

Luận văn KTĐ11B - 54