Phát hiện hiện tượng tách đảo đối với nhà máy thủy điện nhỏ kết nối với lưới điện phân phối

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

MỤC LỤC
Chương mục

Trang

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .............................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................................... vi
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. vii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN ............................................. 1
1.1 Phân loại nguồn phân tán ............................................................................................ 1
1.2 Máy phát điện sử dụng động cơ đốt trong .................................................................. 1
1.3 Máy phát điện tua-bin khí ........................................................................................... 3
1.4 Thủy điện nhỏ ............................................................................................................. 4
1.5 Pin nhiên liệu (Fuel cell) ............................................................................................. 6
1.6 Nguồn điện sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) .................................................... 7
1.7 Tuabin gió ................................................................................................................. 10
1.8 Kết luận chương ........................................................................................................ 13
CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ TỚI CÁC CHỈ TIÊU
KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA LƯỚI PHÂN PHỐI ........................................................... 14
2.1
2.2
2.3

Khái quát chung ........................................................................................................ 14
Các điều cần chú ý khi kết nối thủy điện nhỏ vào lưới phân phối ............................ 14
Phân tích chi tiết các ảnh hưởng của thủy điện nhỏ.................................................. 15
2.3.1
Tổn thất công suất trên lưới ........................................................................... 15

2.3.2
Các vấn đề về điện áp .................................................................................... 16
2.3.3
Vấn đề về dòng điện sự cố và bảo vệ rơle ..................................................... 21
2.4 Vận hành tách đảo các nguồn điện phân tán công suất nhỏ ..................................... 28
2.4.1
Hiện tượng tách đảo ....................................................................................... 29
2.4.2
Các rủi ro khi vận hành tách đảo không dự định ........................................... 30
2.5 Kết luận chương ........................................................................................................ 31
CHƯƠNG 3
CÁC KỸ THUẬT PHÁT HIỆN TÁCH ĐẢO ĐỐI VỚI NGUỒN THỦY
ĐIỆN NHỎ
32
3.1 Phân loại sơ bộ các kỹ thuật phát hiện tách đảo ....................................................... 32
3.2 Giải pháp phát hiện tách đảo dựa theo thông tin liên lạc từ xa ................................. 32
3.2.1
Sơ đồ truyền tín hiệu trên đường dây điện (thông tin tải ba) ......................... 33
3.2.2
Sơ đồ truyền tín hiệu cắt liên động ................................................................ 34
3.3 Giải pháp phát hiện tách đảo dựa theo tín hiệu đo lường tại chỗ ............................. 35
3.3.1
Phương pháp phát hiện tách đảo thụ động ..................................................... 35
3.3.2

Phương pháp phát hiện tách đảo chủ động .................................................... 38

i

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

3.3.3
Phương pháp hỗn hợp .................................................................................... 39
3.4 Chi tiết phương pháp phát hiện tách đảo thụ động sử dụng rơle ROCOF ................ 39
3.4.1
Nguyên tắc hoạt động của rơle ROCOF ........................................................ 39
3.4.2
Phân tích mối liên hệ giữa các thông số cài đặt trong rơle ROCOF .............. 40
3.5 Kết luận chương ........................................................................................................ 41
CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN ĐỐI VỚI NHÀ MÁY THUỶ ĐIỆN NHỎ NẬM
ĐÔNG & NẬM TỤC .......................................................................................................... 43
4.1 Giới thiệu về lưới điện khảo sát ................................................................................ 43
4.1.1
Sơ đồ lưới điện ............................................................................................... 43
4.1.2
Các thông số chính trong lưới điện ................................................................ 43
4.2 Mô phỏng lưới điện .................................................................................................. 46
4.2.1
Phần mềm PSCAD/EMTDC ......................................................................... 46
4.2.2
Các giả thiết khi mô phỏng ............................................................................ 46
4.2.3
Mô phỏng các phần tử ................................................................................... 47
4.2.4
Tổng hợp sơ đồ mô phỏng lưới điện trong PSCAD ...................................... 52
4.3 Các giá trị cài đặt đối với rơle ROCOF .................................................................... 54
4.4 Mô phỏng kiểm chứng và đánh giá kết quả .............................................................. 56
4.4.1
Các kịch bản mô phỏng ................................................................................. 56

4.4.2
Kết quả mô phỏng với Kịch bản I (tách đảo tại mức tải khác nhau) ............. 58
4.4.3
Kết quả mô phỏng với Kịch bản II (ngắn mạch tại phía 110kV và 35kV) .... 61
4.5 Kết luận chương ........................................................................................................ 62
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG
LAI ....................................................................................................................................... 63
5.1 Kết luận chung .......................................................................................................... 63
5.2 Đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai ............................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 65
PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 66
Phụ lục 1: Kết quả mô phỏng với Kịch bản I (Tách đảo tại các mức công suất phụ tải khác
nhau) .................................................................................................................................... 66
Phụ lục 2: Kết quả mô phỏng với Kịch bản II (Ảnh hưởng của ngắn mạch đến sự làm việc
của rơle ROCOF) ................................................................................................................. 71

ii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi. Nội dung luận
văn có trích dẫn và sử dụng các tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tác phẩm,
tạp chí, bài báo và các trang web theo danh mục tài liệu tham khảo của luận văn.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả

Trần Hoài Đức

iii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1.1 Sơ đồ phân loại các loại nguồn phân tán ............................................................. 1
Hình 1.2.1 Hoạt động của tuabin sử dụng động cơ đốt trong ................................................ 2
Hình 1.3.1 Mô hình nguồn phát điện tuabin khí chu trình nhiệt điện hỗn hợp với nhiên liệu
là khí biogas ........................................................................................................................... 3
Hình 1.4.1 Mô hình nhà máy thủy điện kiểu đập .................................................................. 5
Hình 1.4.2 Mô hình nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn .......................................................... 5
Hình 1.5.1 Nguyên lý làm việc của pin nhiên liệu loại axit phosphoric ................................ 6
Hình 1.6.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống PV tích hợp ................................................................ 8
Hình 1.6.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống PV phát điện tập trung ............................................... 9
Hình 1.6.3 Sơ đồ nguyên lý nhà máy nhiệt điện NLMT ..................................................... 10
Hình 1.7.1 Mô hình tua-bin gió có vận tốc không đổi ......................................................... 10
Hình 1.7.2 Mô hình tua-bin gió có vận tốc biến đổi chỉnh lưu toàn phần ........................... 11
Hình 1.7.3 Mô hình tua-bin gió có vận tốc biến đổi chỉnh lưu một phần ............................ 12
Hình 2.3.1 Thủy điện nhỏ làm giảm công suất trên đoạn lưới từ hệ thống ......................... 16
Hình 2.3.2 Điện áp nút tăng lên tại nút có đấu nối thủy điện nhỏ ....................................... 18
Hình 2.3.3 Ảnh hưởng của thủy điện nhỏ tới sự phối hợp giữa các bảo vệ ........................ 23
Hình 2.3.4 Sự phối hợp giữa TĐL và CC trên lưới điện hình tia ........................................ 24
Hình 2.3.5 Ví dụ về phương thức kết nối giữa nguồn điện nhỏ và trạm phân phối ............ 28
Hình 3.1.1 Phân loại các kỹ thuật phát hiện hiện tượng tách đảo ........................................ 32
Hình 3.2.1 Sử dụng tín hiệu truyền qua đường dây tải điện để phát hiện hiện tượng tách
đảo ........................................................................................................................................ 33
Hình 3.2.2 Sơ đồ truyền tín hiệu tách đảo khi lưới điện không là hình tia .......................... 34
Hình 3.2.3 Sơ đồ cắt liên động khi phát hiện tách đảo. ....................................................... 35

Hình 3.4.1 Sơ đồ lưới điện có máy phát kết nối lưới ........................................................... 39
Hình 3.4.2 Sơ đồ logic hoạt động của rơle ROCOF ............................................................ 40
Hình 4.1.1 Sơ đồ một sợi lưới điện được khảo sát .............................................................. 45
Hình 4.2.1 Giao diện chương trình PSCAD/EMTDC ......................................................... 46
Hình 4.2.2 Mô hình mô phỏng lưới hệ thống ...................................................................... 47
Hình 4.2.3 Mô hình máy phát thuỷ điện nhỏ ....................................................................... 47
Hình 4.2.4 Mô hình máy biến áp ......................................................................................... 48
Hình 4.2.5 Mô hình dây dẫn ................................................................................................ 48

iv


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

Hình 4.2.6 Mô hình phụ tải điện .......................................................................................... 49
Hình 4.2.7 Mô hình bộ kích từ............................................................................................. 51
Hình 4.2.8 Mô hình bộ điều tốc ........................................................................................... 52
Hình 4.2.9 Sơ đồ mô phỏng lưới điện bằng phần mềm PSCAD/EMTDC .......................... 53
Hình 4.4.1 Sơ đồ đơn giản của lưới điện cần đánh giá ........................................................ 57
Hình 4.4.2 Diễn biến điện áp khi xảy ra tách đảo với tải dân cư và mức tải là 100% ......... 58
Hình 4.4.3 Diễn biến tần số khi tách đảo với mức tải 100% và tải loại dân cư ................... 59

v


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.5.1 Đặc tính kỹ thuật của một số loại pin nhiên liệu ................................................. 7
Bảng 4.2.1 Hệ số của các loại phụ tải điển hình ................................................................. 49

Bảng 4.3.1 Giá trị cài đặt của rơle ROCOF cho thủy điện Nậm Đông và Nậm Tục ........... 56
Bảng 4.4.1 Kết quả mô phỏng tách đảo với các mức tải và tính chất tải khác nhau ........... 59

vi


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

MỞ ĐẦU
Sự tiến bộ trong công nghệ mới như pin nhiên liệu, tuabin gió, pin quang
điện và các cải tiến mới trong điện tử công suất, nhu cầu của khách hàng về chất
lượng điện năng tốt hơn và độ tin cậy được buộc ngành điện phải chuyển dịch sang
các nguồn phát điện phân tán. Do đó các nguồn thủy điện nhỏ gần đây đã đạt được
rất nhiều sự chú ý và đầu tư do quy định thị trường và vấn đề môi trường. Hiện
tượng tách đảo xảy ra khi một phần của hệ thống điện phân phối trở nên bị cô lập
với phần còn lại của hệ thống điện nhưng vẫn tiếp tục được cấp năng lượng bởi các
nguồn điện phân tán. Một yêu cầu quan trọng để kết nối một thủy điện nhỏ vào hệ
thống điện phân phối là khả năng của hệ thống bảo vệ để phát hiện hiện tượng tách
đảo. Việc để các nguồn phân tán vận hành tiếp tục khi tách lưới có thể gây nguy
hiểm đến an toàn cho việc thao tác sửa chữa trên lưới, gây các vấn đề về đồng bộ
khi có sử dụng các thiết bị tự động đóng lại trên lưới, do đó các nguồn phân tán nên
được ngắt kết nối trong vòng 100ms đến không quá 2 giây sau khi mất nguồn cung
cấp chính. Để đạt được mục tiêu đó, mỗi nguồn phát điện phân tán phải được trang
bị một thiết bị phát hiện tách đảo ví dụ như rơle dựa theo tốc độ biến thiên tần số
ROCOF.
Nội dung nghiên cứu được trình bày trong luận văn gồm các mục sau đây:
+ Giới thiệu về nguồn phân tán và các đặc tính kỹ thuật.
+ Các vấn đề liên quan tới việc tích hợp và vận hành lưới điện có nguồn
điện phân tán.
+ Hiện tượng tách đảo và sự cần thiết phải phát hiện tách đảo.

+ Khảo sát về kỹ thuật phát hiện hiện tượng tách đảo khác nhau.
+ Phân tích chi tiết về phương pháp phát hiện tách đảo dựa trên tốc độ biến
thiên của tần số.
+ Tính toán áp dụng cho mô hình của nhà máy thủy điện nhỏ Nậm Đông và
Nậm Tục thuộc lưới điện Yên Bái. Đề xuất các giá trị chỉnh định cho rơle
phát hiện tách đảo tại các nhà máy này. Đồng thời xây dựng mô hình mô

vii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

phỏng và chạy các kịch bản mô phỏng để kiểm chứng tính khả thi, hiệu
của quả các giá trị cài đặt.
+ Kết luận chung và đề xuất hướng nghiên cứu trong tương lai.

viii


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN
1.1 Phân loại nguồn phân tán
Các loại nguồn phân tán sử dụng nhiều công nghệ khác nhau, trong đó công
nghệ sử dụng máy phát truyền thống đã được hoàn thiện như động cơ đốt trong, tuabin khí… và các công nghệ khác đang được phát triển như pin nhiên liệu, pin mặt
trời, tua-bin gió... Mỗi loại nguồn phân tán đều có những ưu điểm, hạn chế về đặc
tính kĩ thuật và tính kinh tế. Sự lựa chọn công nghệ là nhân tố chính để quyết định
về công suất và vị trí lắp đặt của nguồn phân tán [1]. Dưới đây là phân loại một số
nguồn điện phân tán chính hiện có trên thế giới. Phần lớn những loại nguồn điện
này đã xuất hiện và đang được phát triển trong hệ thống điện của Việt Nam.

Hình 1.1.1 Sơ đồ phân loại các loại nguồn phân tán

1.2 Máy phát điện sử dụng động cơ đốt trong
Động cơ pittông, công nghệ đầu tiên của các loại nguồn phân tán, được phát
triển hơn 100 năm, được tiêu thụ nhanh trên thị trường bởi có tính cạnh tranh và
độtin cậy cao, tuổi thọlớn và ít phải bảo dưỡng. Động cơ đốt trong được sửdụng
rộng rãi, có công suất từ vài chục kW (tua bin siêu nhỏ) cho tới 60 MW. Nhược
điểm lớn nhất của động cơ này là tiếng ồn, chi phí bảo dưỡng lớn, và khí thải lớn.
Lượng phát thải này có thể giảm được bằng cách thay đổi đặc tính đốt của động
cơ. Chi phí lắp đặt và vận hành của động cơ này phụ thuộc vào lượng khí phát
thải muốn cắt giảm.

1


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

Động cơ đốt trong là công nghệ đã được kiểm chứng qua thực tế với tính
cạnh tranh cao, dải công suất rộng, có khả năng khởi động nhanh, hiệu suất cao
(lên tới 43% cho các hệ thống diesel lớn, 80% đối với micro turbine), và độ tin
cậy cao trong vận hành. Hầu hết các động cơ đốt trong sử dụng cho việc phát điện
đều dùng động cơ bốn kỳ. Các động cơ này sử dụng khí tự nhiên, khí biogas hoặc
dầu diesel làm nhiên liệu.
Nguồn điện có động cơ sử dụng khí tư nhiên có hiệu suất cao và phát thải ít
khí NOx hơn động cơ dùng dầu diesel.
Loại nguồn điện này hiện nay được sử dụng rộng rãi trong cả nước trong đó
chủyếu đóng vai trò là nguồn điện dự phòng hoặc cấp điện cho khu vực chưa có
điện lưới quốc gia (khu vực hải đảo...). Một số ít nguồn điện loại này được đấu
nối vào lưới điện trung áp có khả năng hoạt động song song với lưới điện khu vực

tại một số thời điểm phụ tải đỉnh theo yêu cầu của đơn vị phân phối điện.

Hình 1.2.1 Hoạt động của tuabin sử dụng động cơ đốt trong

Một số đặc tính của máy phát điện sử dụng động cơ đốt trong:
+ Hiệu suất cao, chi phí đầu tư thấp và chi phí sản xuất điện cạnh tranh
so với nhiều
+ loại công nghệ sử dụng trong nguồn phân tán khác.
+ Thời gian khởi động ngắn nên có thể sử dụng để phủ đỉnh đồ thị phụ
tải hoặc thích hợp cho dự phòng quay.
+ Phát thải khí CO và NOx nhiều hơn so với tuabin khí.

2


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

+ Chất lượng điện năng không được cao.
+ Có khả năng hoạt động độc lập và có khả năng khởi động “đen”
(black start).
1.3 Máy phát điện tua-bin khí
Tuabin khí là các thiết bị sử dụng không khí nén dưới áp suất cao kết hợp với
nhiên liệu khí hoặc nhiên liệu lỏng được đánh lửa tạo thành hỗn hợp cháy dưới
nhiệt độ và áp suất cao. Hỗn hợp này được phun trực tiếp vào các cánh tuabin để
làm quay máy phát điện. Loại tuabin khí này được phát triển đầu tiên cho các động
cơmáy bay, sau đó được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy nhiệt điện. Đặc biệt là
công nghệ chu trình nhiệt điện hỗn hợp. Nhiên liệu của máy phát điện tua-bin khí có
thể là khí tự nhiên, dầu diezel, khí biogas (khí sinh học)... Hiệu suất của các tuabin
khí phụ thuộc vào chế độ hoạt động. Hiệu suất cao nhất khi tuabin khí làm việc ở
chế độ phụ tải cực đại và giảm dần khi phụ tải giảm. Khi giá thành của các nhiên

liệu khí rẻ, các tuabin khí chu trình hỗn hợp được sử dụng để phủ đáy của đồ thị
phụ tải.

Hình 1.3.1 Mô hình nguồn phát điện tuabin khí chu trình nhiệt điện hỗn hợp với nhiên liệu
là khí biogas

Hiện nay ngoài các nhà máy nhiệt điện khí lớn có vị trí quan trọng trong
hệthống điện Việt Nam, chưa có nguồn điện sử dụng máy phát điện tua-bin khí quy
mô vừa và nhỏ trong hệ thống điện. Tuy nhiên, với việc phát triển ngành chăn nuôi

3


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

tập trung thì khả năng phát triển nguồn điện sử dụng máy phát điện tua-bin khí với
nhiên liệu sơ cấp là khí sinh học là hoàn toàn khả thi trong tương lai không xa.
Một số đặc tính của Tuabin khí:
+ Chi phí lắp đặt thấp, chi phí nhiên liệu hợp lý,
+ Lượng khí phát thải nhỏ,
+ Thích hợp cho chu trình nhiệt điện hỗn hợp,
+ Thời gian khởi động, thay đổi công suất nhỏ,
+ Hiệu suất điện thấp hơn nhiều so với hiệu suất của cả chu trình nhiệt
điện

hỗn hợp.

1.4 Thủy điện nhỏ
Nhà máy thủy điện nhỏ biến đổi năng lượng thế năng của nước thành cơ
năng quay tuabin máy phát để sản xuất ra điện. Công suất điện được tạo ra bởi thế

năng của nước được tính theo công thức:
P = η*ρ*g*Q*H
Trong đó:

P là công suất điện được tạo ra,
W; η là hiệu suất tuabin;
ρlà khối lượng riêng của nước, kg/m3;
g là gia tốc trọng trường, m/s2;
Q là lưu lượng dòng chảy trên một đơn vị thời gian, m3/s;
H là độ cao mực nước, m.

Có nhiều loại tuabin khác nhau được sửdụng trong nhà máy thủy điện nhỏ
như là Pelton, Turgo, Crossflow, Francis, và Kaplan. Mỗi loại được sử dụng với
một độ cao mặt nước khác nhau để đảm bảo tốc độ quay thích hợp của tuabin máy
phát.
Phân loại các nhà máy thủy điện nhỏ:
+ Theo dòng chảy:
-

Thủy điện kiểu đập

-

Thủy điện kiểu kênh dẫn

+ Theo công suất nhà máy:

4

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

-

Từ 2.5MW tới 30MW: nhà máy thủy điện nhỏ

-

Từ 100kW tới 2.5MW: nhà máy thủy điện mini

-

Nhỏ hơn 100kW: máy phát thủy điện cực nhỏ.

Hình 1.4.1 Mô hình nhà máy thủy điện kiểu đập

Nguồn điện thủy điện nhỏ hiện nay đang phát triển nhanh và rộng rãi trên
toàn quốc. Hàng năm có thêm hàng chục nhà máy thủy điện nhỏ được đưa vào vận
hành, bổ sung lượng công suất và điện năng đáng kể vào hệ thống điện quốc gia.
Các nguồn điện này được đấu nối chủyếu vào lưới điện trung áp, tập trung phần lớn
tại khu vực miền núi phía Bắc, Bắc Trung Bộ, Trung Trung Bộ và Tây Nguyên.

Hình 1.4.2 Mô hình nhà máy thủy điện kiểu kênh dẫn

Một số tính chất của thủy điện nhỏ:

5


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

+ Linh hoạt trong vận hành, có dự trữ quay nên có khả năng dự phòng cho các
trường hợp sự cố,
+ Thủy điện kiểu kênh dẫn thân thiện với môi trường do không làm biến đổi
dòng chảy, không ảnh hưởng tới khu vực hạ lưu.
+ Có ý nghĩa rất lớn trong chương trình điện khí hóa nông thôn và khu vực
miền núi. Ngoài nhiệm vụ phát điện, một số nhà máy thủy điện còn làm
nhiệm vụ điều tiết thủy lợi.
+ Các nhà máy thủy điện nhỏ thường có hồ chứa nhỏ hoặc không có hồ chứa
nên công suất phát điện phụ thuộc rất lớn vào lưu lượng nước trên sông theo
mùa, theo thời điểm trong ngày.
1.5 Pin nhiên liệu (Fuel cell)
Pin nhiên liệu biến đổi khí hydrô hoặc nhiêu liệu có chứa hydrô thành năng
lượng điện và nhiệt thông qua phản ứng hóa học của hydrô với oxi thành nước. Các
phản ứng hóa học như sau:
Trên cực anode:

H2  4H+ + 4e-

Trên cực cathode:

O2 + 4H+ + 4e-  2H2O

Toàn bộ phản ứng: 2H2 + O2  2H2O + t0

Hình 1.5.1 Nguyên lý làm việc của pin nhiên liệu loại axit phosphoric

Ưu điểm của pin nhiêu liệu này là hiệu suất cao, vận hành không có tiếng ồn,
và không gây ô nhiễm môi trường do nhiên liệu sử dụng là hydrô. Nhiên liệu hydrô

6


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

được chiết suất từ khí tự nhiên, dầu mỏ, và biomass. Các loại pin nhiên liệu chính
được trình bày trong Bảng 1.5.1 dưới đây.
Bảng 1.5.1 Đặc tính kỹ thuật của một số loại pin nhiên liệu
Loại

Điện cực

Phosphoric
Acid (PAFC)
Molten
Carbonate
(MCFC)
Solid Oxide
(SOFC)
Alkaline
(AFC)
Proton
Exchange
Membrane
(PEM)

Phosphoric
acid
Molten alkaline
carbonate

Nhiệt độ làm
việc (°F) [33]
175-200

Hiệu suất
điện
40%

600-1000

50%

Lĩnh vực ứng
dụng
Giao thông và
phát điện
Phát điện

600-1000

60% (hybrid)

Phát điện

90-100

70%

Vũ trụ

60-100

40%

Giao thông và
phát điện

Inert metal
oxides
Potassium
hydroxide
Polymer
membrane

Hiện nay, Việt Nam chưa có hệ thống pin nhiên liệu công suất lớn đấu nối,
hoạt động song song trên lưới điện do giá thành của loại nguồn điện này còn rất cao.
Khi yêu cầu về độ tin cậy cung cấp điện ngày càng cao, khái niệm “lưới điện thông
minh” bắt đầu được giới thiệu rộng rãi tại các thành phố lớn thì khả năng xuất hiện
của hệ thống pin nhiên liệu trong hệ thống điện Việt Nam sẽ không còn xa.
Một số tính chất của pin Hydrô:
+ Hiệu suất cao so với các loại máy phát truyền thống (lớn hơn 60%),
+ Tiếng ồn và mức độ ô nhiễm thấp, độ tin cậy cao nên thường được sử dụng
làm nguồn điện dự phòng tại khu vực đô thị hoặc trong “lưới điện thông
minh”,
+

Điện kháng bên trong máy phát tăng theo thời gian, vì vậy các thiết bị điện
tử công suất phải được sử dụng để điều chỉnh điện áp.

1.6 Nguồn điện sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT)
Nguồn điện sử dụng năng lượng mặt trời gồm hai loại chính: nguồn điện pin
NLMT (PV) và nhà máy nhiệt điện NLMT.

7


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

Nguồn điện PV:gồm các dàn pin NLMT được đấu nối với nhau, mỗi dàn pin
NLMT được ghép từ các miếng pin rời rạc nối với nhau để biến đổi bức xạmặt trời
thành dòng điện một chiều. Trong pin mặt trời, điện áp được hình thành bằng các
electron và các hố điện tích ở trạng thái mất cân bằng khi có bức xạ mặt trời chiếu
vào. Pin mặt trời tạo ra dòng điện một chiều và chỉ phát điện khi có ánh sáng mặt
trời. Do đó cần sử dụng bộ nghịch lưu để chuyển đổi thành dòng xoay chiều và các
bộ tích điện để phát điện vào thời điểm khác.
Hệ thống PV đấu nối vào lưới điện được chia làm hai loại chính là hệ thống
PV tích hợp, PV phát điện tập trung. Đối với hệ thống PV tích hợp, điện năng sản
xuất bằng các tấm pin năng lượng mặt trời thông qua bộ nghịch lưu biến đổi thành
dòng điện xoay chiều. Tại tủ phân phối, một phần điện năng được sử dụng cho các
thiết bị trong một tòa nhà hoặc khu vực dân cư. Phần điện năng dư thừa sẽ nạp điện
các bộ tích điện như ac quy hoặc phát lên lưới điện, bán lại điện cho các công ty
điện lực.

Hình 1.6.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống PV tích hợp

Đối với hệ thống PV phát điện tập trung, điện năng có thể được lưu trữ trong các bộ
acquy hoặc phát trực tiếp lên lưới điện.

8

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

Hình 1.6.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống PV phát điện tập trung

Hiện nay, nguồn điện PV đang được ứng dụng tại một số khu vực mà
lưới điện quốc gia không thể cấp điện như khu vực hải đảo, vùng núi cao... Quy mô
những nguồn điện này không lớn, đấu nối vào lưới hạ áp cấp điện cho một khu vực
dân cư và hoạt động độc lập với lưới điện quốc gia. Tuy nhiên, Việt Nam có tiềm
năng lớn để phát triển nguồn năng lượng mặt trời nên hiện nay đã có một số dự án
nguồn điện PV có quy mô lớn, đấu nối vào lưới điện quốc gia đang dự kiến được
triển khai.
Một số tính chất của nguồn điện pin NLMT:
+ Chi phí vận hành thấp, không có khí thải,
+ Độ tin cậy cao và ít phải bảo dưỡng,
+ Chất lượng điện năng không cao,
+ Hiệu suất trong phòng thí nghiệm là 24% nhưng trong thực tế là 10%,
+ Chi phí đầu tư cao, công suất phát thấp so với các dạng nguồn phân
tán khác do phụ thuộc vào thời tiết và thời gian trong ngày.
Nhà máy nhiệt điện NLMT: Hoạt động với nguyên lý như một nhà máy nhiệt
điện thông thường trong đó năng lượng sơ cấp biến đổi nước thành hơi là nhiệt năng
từánh sáng mặt trời. Nguyên lý hoạt động của nhà máy được trình bày trong Hình
1.6.3. Hiện nay Việt Nam chưa có nhà máy nhiệt điện NLMT nhưng qua nghiên
cứu bước đầu cho thấy có một số địa điểm thích hợp để xây dựng nhà máy điện loại
này tại khu vực Trung Trung Bộ và Nam Trung Bộ.

9

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

Hình 1.6.3 Sơ đồ nguyên lý nhà máy nhiệt điện NLMT

1.7 Tuabin gió
Năng lượng gió được xếp vào nguồn phân tán vì công suất và vị trí của nhiều
trang trại gió thích hợp khi đấu nối vào lưới điện phân phối. Tuabin gió gồm rôto,
máy phát, cánh quạt, các thiết bị định hướng và ghép nối. Khi gió thổi vào các cánh
quạt theo nguyên lý động lực học làm quay rôto. Lượng công suất điện phát ra phụ
thuộc vào tốc độ gió và diện tích bao phủ của vùng cánh quạt. Hiện nay, có nhiều
phân loại khác nhau về mô hình tua-bin máy phát điện gió nhưng có thể chia làm ba
loại chính sau:
Tua-bin gió có vận tốc không đổi (Fixed-Speed Wind Turbine)

Hình 1.7.1 Mô hình tua-bin gió có vận tốc không đổi

Trong mô hình này, máy phát điện không đồng bộ được nối trực tiếp với lưới
như trong hình vẽ trên. Bộ điều tốc (Gear-box) có vai trò biến đổi tăng tốc độ quay
của tuabin gió phù hợp với tốc độ của rô-to máy phát điện. Máy biến áp được sử

10


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

dụng để nâng điện áp máy phát lên điện áp của lưới điện đấu nối hoặc điện áp hệ
thống gom. Trong mô hình này, hệ thống tụ được đặt tại đầu ra của máy phát để bù
công suất phản kháng mà máy phát không đồng bộ tiêu thụ. Tốc độ của máy phát
được xác định bởi tần số của hệ thống và số đôi cực của máy phát. Đây chính là mô
hình đơn giản nhất và có giá thành thấp nhất trong các mô hình máy phát điện gió

nhưng mô hình này có rất nhiều hạn chế. Trong đó hạn chế lớn nhất là mô hình này
không có khả năng điều khiển công suất phản kháng (hay hệ số công suất) của máy
phát, do đó mô hình này đòi hỏi phải có nguồn công suất phản kháng trong hệ thống
có khả năng điều khiển được.
Tua-bin gió có vận tốc biến đổi chỉnh lưu toàn phần (Variable-Speed Wind
Turbine with Full Converter)

Hình 1.7.2 Mô hình tua-bin gió có vận tốc biến đổi chỉnh lưu toàn phần

Trong mô hình này, máy phát điện được nối với lưới qua một bộ chỉnh lưu
điện tử công suất. Bộ chỉnh lưu công suất này được nối trực tiếp với stato của máy
phát nên bộ chỉnh lưu công suất này phải có khả năng biến đổi toàn bộ công suất từ
máy phát điện phát lên lưới. Máy phát điện trong mô hình này có thểlà máy phát
không đồng bộ hoặc máy phát đồng bộ. Bộ điều tốc trong mô hình này có thể được
loại bỏ hoặc đơn giản hóa nếu sử dụng máy phát đồng bộ nhiều cực. Mô hình tuabin gió này có khả năng linh hoạt về điều khiển công suất phản kháng. Hạn chế của
mô hình này là công suất phát phụ thuộc vào công suất của hệ thống chỉnh lưu nên
sẽ làm tăng giá thành đầu tư và tăng tổn thất qua bộ chỉnh lưu đối với tua-bin gió có
công suất lớn.
Tua-bin gió có vận tốc biến đổi chỉnh lưu một phần (Variable-Speed Wind
Turbine with Doubly-FedInduction Generator)

11


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

Hình 1.7.3 Mô hình tua-bin gió có vận tốc biến đổi chỉnh lưu một phần

Mô hình này cũng sử dụng một bộ chỉnh lưu điện tử công suất nhưng điểm
khác nhau chính so với mô hình chỉnh lưu toàn phần là bộ chỉnh lưu này được nối

với rô-to của máy phát không đồng bộ, còn stato của máy phát được nối trực tiếp
với lưới. Mô hình này không những giữ được khả năng điều chỉnh công suất phản
kháng của máy phát mà còn giảm chi phí đầu tư và tổn thất công suất qua bộ chỉnh
lưu điện tử công suất do chỉ một phần công suất công suất của máy phát (thông
thường từ 20-30 %) đi qua bộ biến đổi này. Mô hình này thích hợp cho những tuabin gió có công suất lớn.
Việt Nam hiện có duy nhất một nhà máy điện gió đang hoạt động đấu nối
vào lưới điện 110kV: dự án Nhà máy phong điện Tuy Phong - Bình Thuận 20x1,5
MW (công suất cả dự án) của Công ty cổ phần Năng lượng tái tạo Việt Nam
(REVN). Hiện nay có năm tuabin gió (5x1,5 MW) đang vận hành hòa điện, đấu nối
và cung cấp điện cho hệ thống điện quốc gia từ tháng 8/2009. Ngoài ra còn có nhiều
dự án điện gió khác đang được triển khai đầu tư sẽ sớm đưa các nhà máy điện tuabin gió này vào vận hành như nhà máy điện gió Phước Hữu, nhà máy điện gió Ninh
Thuận...
Một số đặc tính của năng lượng gió:
+ Không phát thải ra khí thải ô nhiễm.
+ Không thể sử dụng với các ứng dụng trong chu trình nhiệt điện hỗn hợp
(CHP),
+ Lượng điện sản xuất phụ thuộc vào tốc độ gió, do đó không thể sử dụng
để phủ đỉnh đồ thị phụ tải,

12


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

+ Các tuabin gió sử dụng máy phát không đồng bộ để sản xuất ra công suất
tác dụng nhưng lại tiêu thụ công suất phản kháng,
+ Gây ra dao động điện áp do công suất phát thay đổi theo tốc độ gió,
+ Ngoài ra, tua-bin gió còn có thể gây ra tiếng ồn hoặc ảnh hưởng đến cảnh
quan của khu vực được lắp đặt.
1.8 Kết luận chương

Nguồn điện phân tán đã và đang cho thấy những ưu điểm và những lợi ích
thiết thực. Trong đó, năng lượng tái tạo được đặc biệt chú trọng do có tiềm năng to
lớn và thân thiện với môi trường. Trên thế giới, nguồn năng lượng phân tán đang
được phát triển mạnh mẽ với sự quan tâm sâu sắc và những chính sách phù hợp.
Tiềm năng về nguồn năng lượng tái tạo của nước ta rất dồi dào. Nếu được ưu tiên,
chú trọng phát triển, sẽ đem lại nguồn lợi to lớn, khắc phục tình trạng thiếu điện, và
giảm ô nhiễm môi trường.
Tuy nhiên việc phát triển nguồn điện phân tán sẽ gặp rất nhiều các khó khăn về kỹ
thuật, đặc biệt là việc ảnh hưởng tới chất lượng điện năng của hệ thống hiện có. Vì
vậy cần phải phân tích, đánh giá cụ thể để đưa ra những quy hoạch tối ưu cho việc
phát triển này. Trong Chương 2 sẽ trình bày những ảnh hưởng của nguồn điện phân
tán đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của lưới điện phân phối nơi các nguồn phân
tán thường được kết nối vào.

13


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ TỚI CÁC
CHỈ TIÊU KINH TẾ - KỸ THUẬT CỦA LƯỚI PHÂN PHỐI
2.1 Khái quát chung
Các lợi ích của thủy điện nhỏ.
a. Lợi ích về mặt độ tin cậy và an toàn:
+ Tăng khả năng an toàn trong các trường hợp phụ tải tăng đến mức
giới hạn.
+ Giảm nhẹ nghẽn mạch trên lưới truyền tải và lưới phân phối.
+ Giảm độ tán xạ của nguồn phát.
b. Lợi ích về kinh tế
+ Giảm chi phí cho tổn thất điện năng

+ Giảm chi phí vốn cho nâng cấp nguồn điện, lưới truyền tải và phân
phối.
+ Chi phí vận hành thấp hơn do giảm được công suất đỉnh.
+ Giảm chi phí nhiên liệu do nâng được hiệu suất chung.
+ Giảm diện tích đất cho nguồn điện.
c. Lợi ích về giảm phát thải khí thải:
+ Giảm tổn thất điện năng trên đường dây điện.
+ Giảm khí thải ô nhiễm.
d. Lợi về chất lượng điện năng:
+ Cải thiện đồ thị điện áp.
+ Giảm dao động điện áp.
+ Giảm độ không sin của điện áp.
2.2 Các điều cần chú ý khi kết nối thủy điện nhỏ vào lưới phân phối
Tuy nhiên, khi kết nối thủy điện nhỏ vào lưới điện còn phải tuân thủ các tiêu
chuẩn kết nối và ràng buộc về mặt kỹ thuật và kinh tế. Tùy thuộc vào cấu trúc của
lưới điện mà những tiêu chuẩn cũng khác nhau và kéo theo ảnh hưởng của thủy điện
nhỏ tới lưới cũng khác nhau. Lưới điện phân phối bị giới hạn bởi những ràng buộc
về ổn định điện áp và khả năng tải của đường dây, thiết bị. Ngoài ra các tiêu chuẩn

14


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

cơ bản cho phép kết nối vào lưới điện phân phối (tiêu chuẩn về cấp điện áp, tần
số…) bị ảnh hưởng bởi kỹ thuật và công nghệ chế tạo.
Các nguồn thủy điện nhỏ thường được kết nối chủ yếu là ở lưới điện phân phối
trung áp với cấp điện áp từ 6kV đến 35kV. Những nghiên cứu trước đây cho thấy,
với mức độ thâm nhập từ 10-15% của các nguồn phân tán vào lưới sẽ không có
những thay đổi đáng kể nào đối với cấu trúc lưới và hệ thống điện. Tuy nhiên khi

mức độ thâm nhập của thủy điện nhỏ càng tăng thì mức độ ảnh hưởng lên lưới là
càng lớn. Khi đó, ngoài những ảnh hưởng tới tính kinh tế của lưới điện, những lợi
ích và bất lợi, và những vấn đề liên quan đến môi trường và biến đổi khí hậu, sự
thâm nhập của thủy điện nhỏ vào lưới còn làm phát sinh những vấn đề kỹ thuật cần
phải quan tâm, đó là [2]:
+ Đặc tính điện áp thay đổi trên toàn lưới phụ thuộc vào công suất tiêu thụ.
+ Quá độ điện áp sẽ xảy ra do việc kết nối và ngắt kết nối các máy phát thậm
chí là do quá trình vận hành máy phát phân tán.
+ Tăng mức độ dòng ngắn mạch sự cố.
+ Vấn đề về phối hợp bảo vệ giữa phía máy phát phân tán và lưới điện.
+ Tổn thất công suất thay đổi theo các cấp độ phụ tải.
+ Chất lượng, độ an toàn và độ tin cậy cung cấp điện.:
2.3 Phân tích chi tiết các ảnh hưởng của thủy điện nhỏ
2.3.1 Tổn thất công suất trên lưới
Thủy điện nhỏ xuất hiện sẽ làm thay đổi dòng công suất trên lưới. Nếu thủy
điện nhỏ đặt giữa nguồn cấp điện và phụ tải sẽ làm giảm công suất truyền tải từ
nguồn tới vị trí đặt thủy điện nhỏ do đó làm giảm tổn thất công suất trên đoạn lưới
này. Hoặc khi phụ tải tăng cao thì sự xuất hiện của thủy điện nhỏ cục bộ gần phụ tải
đó sẽ cấp công suất bù vào lượng tăng thêm đó, điều này đồng nghĩa với việc giảm
được lượng công suất từ nguồn truyền thống tới phụ tải, trong lưới phân phối thì
nguồn đó thường là các trạm biến áp trung gian. Mặt khác, khi phụ tải giảm thấp thì
nguồn phân tán lúc đó có thể cung cấp điện cho lưới điện. Mức độ đóng góp của

15


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

thủy điện nhỏ còn tùy thuộc vào công suất của nó so với nhu cầu tăng thêm của phụ
tải.

Hình 2.3.1 Thủy điện nhỏ làm giảm công suất trên đoạn lưới từ hệ thống

Thủy điện nhỏ có thể làm giảm hoặc tăng tổn thất công suất trên lưới phụ
thuộc vào vị trí của nó trên lưới và cấu hình của lưới (cấp điện áp, sơ đồ lưới…).
Trong thực tế thì vị trí của thủy điện nhỏ được xác định để cho khi đó tổn thất trên
lưới là nhỏ hơn trước khi có thủy điện nhỏ. Việc xác định tối ưu vị trí đặt và công
suất thủy điện nhỏ, có xét đến điều kiện vận hành khác nhau của lưới điện, sẽ đem
lại kết quả tốt hơn cho bài toán giảm thiểu tổn thất công suất trên lưới. Tổn thất sẽ
được giảm nhiều hơn khi kết nối các thủy điện nhỏ ở các khu vực có mật độ phụ tải
cao hơn.
Xét lưới đơn giản như trong Hình 2.3.1, để cấp cho phụ tải tại nút 3, khi chưa
có thủy điện nhỏ thì hệ thống (HT) sẽ phải cấp tới một lượng công suất :
S1

S3

S13 . Tuy nhiên, khi có thủy điện nhỏ thì lượng công suất đó sẽ giảm đi

một lượng chính là công suất của thủy điện nhỏ ( S1'

S3

S13

S DG ) nếu như thủy

điện nhỏ không cấp đủ cho phụ tải tại nút 3. Trong trường hợp này, dòng công suất
trên đoạn 12 sẽ giảm và kéo theo là giảm tổn thất công suất trên đoạn này và vị trí
kết nối là có lợi.

2.3.2 Các vấn đề về điện áp
Thủy điện nhỏ không điều chỉnh trực tiếp điện áp của lưới điện phân phối. Điều
này được giải thích như là tác dụng ngăn cản sự điều chỉnh khép kín (tự động hoặc
bằng tay) công suất phản kháng của thủy điện nhỏ khi có sự thay đổi điện áp. Điều
này không có nghĩa là thủy điện nhỏ không ảnh hưởng tới điện áp lưới điện. Cho dù
thủy điện nhỏ không điều khiển trực tiếp điện áp trên lưới nhưng thủy điện nhỏ có
thể làm cho điện áp trên lưới tăng lên hoặc giảm đi phụ thuộc vào loại thủy điện

16


Luận văn thạc sỹ kỹ thuật – Chuyên ngành Kỹ thuật điện - Hệ thống điện

nhỏ, phương pháp điều chỉnh thủy điện nhỏ, công suất phát và các thông số của lưới
và tải. Ảnh hưởng của thủy điện nhỏ lên sự thay đổi điện áp là nhỏ hơn khi thủy
điện nhỏ chỉ phát công suất tác dụng (cos =1) so với khi thủy điện nhỏ phát hoặc
tiêu thụ công suất phản kháng.
Các máy phát không đồng bộ phát công suất tác dụng nhưng lại luôn tiêu thụ
công suất phản kháng từ hệ thống. Do vậy, các tụ điện tĩnh thường được sử dụng để
bù lại lượng công suất phản kháng tiêu thụ đó.
Các máy phát đồng bộ phát công suất tác dụng và có thể phát hoặc tiêu thụ công
suất phản kháng. Khi được sử dụng như là thủy điện nhỏ, các máy phát này thường
được vận hành trong chế độ điều khiển hệ số cos không đổi. Khi các máy phát
đồng bộ tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ thống thì ảnh hưởng tới điện áp giống
như trường hợp vận hành máy phát không đồng bộ tiêu thụ cùng lượng công suất
phản kháng. Nếu một thủy điện nhỏ tiêu thụ công suất phản kháng, điện áp có thể
giảm. Nếu một thủy điện nhỏ phát công suất phản kháng, ảnh hưởng của thủy điện
nhỏ là giống như các tụ điện tĩnh, điện áp có thể tăng lên.
Thủy điện nhỏ cũng ảnh hưởng tới tổn thất điện áp trên các lộ đường dây, làm
thay đổi đặc tính điện áp. Thủy điện nhỏ ảnh hưởng tới việc giảm tổn thất điện áp

cũng giống như các giàn tụ bù đặt cùng vị trí. Điểm khác biệt là thủy điện nhỏ ảnh
hưởng tới cả dòng công suất tác dụng và phản kháng trong khi các giàn tụ bù chỉ
ảnh hưởng tới dòng công suất phản kháng. Khi thủy điện nhỏ được kết nối có công
suất xấp xỉ bằng phụ tải địa phương và được đặt gần phụ tải thì nó có thể giảm đáng
kể tổn thất điện áp trên đường dây.
Thủy điện nhỏ được kết nối chủ yếu với lưới phân phối điện trung áp với giới hạn
công suất nhỏ. Nhưng khi mức độ thâm nhập của thủy điện nhỏ lớn thì công suất
phát từ thủy điện nhỏ không chỉ làm thay đổi dòng công suất trong lưới mà cả ở
lưới truyền tải . Nếu thủy điện nhỏ được đặt xa nguồn và phát công suất ngược tới
trạm nguồn hoặc thậm chí là ngược tới lưới truyền tải thông qua máy biến áp trạm
nguồn, tổn thất điện áp có thể tăng lên trên lưới phân phối, nhưng tổn thất điện áp
trên lưới truyền tải thì giảm xuống. Điều này sẽ có ích nếu lưới truyền tải đang ở

17