Nghiên cứu vận hành tối ưu lưới điện phân phối khi sử dụng các nguồn điện phân tán và ứng dụng tại mạng điện thành phố cẩm phả

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

MAI VIỆT DŨNG

NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH TỐI ƯU
LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI KHI SỬ DỤNG
CÁC NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN VÀ ỨNG DỤNG
TẠI MẠNG ĐIỆN TP CẨM PHẢ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2016

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là
những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, được sự hướng dẫn khoa học của TS
Nguyễn Minh Ý và có tham khảo một số tài liệu. Các số liệu và kết quả nghiên cứu
nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ một
bản luận văn nào khác.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của người khác.

Thái Nguyên, Ngày

tháng năm 2016

Học viên

Mai Việt Dũng

ii


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn nhiệt tình của TS. Nguyễn Minh Ý,
giảng viên Bộ môn Hệ thống điện, Trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên Người chịu trách nhiệm hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này.
Từ đáy lòng mình, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô đã tham gia
giảng dạy trong khóa học chuyên ngành Kỹ thuật điện, đã tạo mọi điều kiện thuận
lợi giúp tôi hoàn thành khóa học này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ hành chính của khoa Điện và
Phòng Đào tạo Sau đại học đã giúp đỡ chúng tôi trong quá trình học tập tại trường.
Lời cuối cùng, tôi chân thành cảm ơn sự động viên của gia đình, bạn bè,
đồng nghiệp và những người đã tạo điều kiện rất nhiều cho tôi trong suốt chặng
đường học tập đã qua.
Thái Nguyên, Ngày

tháng năm 2016

Học viên

Mai Việt Dũng

iii


MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iii
MỤC LỤC .................................................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .....................................................vii
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................. ix
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. Mục đích nghiên cứu và lý do chọn đề tài .............................................................. 1
2. Đối tượng nghiên cứu và lý do chọn đề tài ............................................................. 2
3. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài ......................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu......................................................................................... 3
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TP CẨM PHẢ
VÀ NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN ................................................................... 4
1.1. Tổng quan về lưới điện phân phối ....................................................................... 4
1.1.1. Định nghĩa Lưới điện phân phối ....................................................................... 4
1.1.2. Phân loại Lưới điện phân phối .......................................................................... 4
1.1.3. Vai trò của Lưới điện phân phối ....................................................................... 5
1.2. Tổng quan về lưới điện phân phối TP Cẩm Phả .................................................. 5
1.2.1. Tổng quan TP Cẩm Phả .................................................................................... 5
1.2.3. Nguồn điện cấp cho Cẩm Phả ........................................................................... 6
1.2.4. Kết luận ............................................................................................................. 6
1.3. Tổng quan về nguồn điện phân tán (DG) ............................................................. 7
1.3.1. Định nghĩa nguồn điện phân tán ....................................................................... 7
1.3.2. Đặc điểm công nghệ nguồn phát điện phân tán ................................................ 8
1.3.3. Mạng điện Microgid .......................................................................................... 9
1.3.4. Một số loại nguồn phát điện phân tán ............................................................. 11
1.3.5. Xu hướng phát triển nguồn phân tán tại Việt Nam ......................................... 28
1.3.6. Kết luận ........................................................................................................... 31
iv

Chương 2. TỐI ƯU HÓA VẬN HÀNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ............... 33
2.1. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu của các loại nguồn phát......................................... 33
2.1.1. Nguồn phát thủy điện ...................................................................................... 33
2.1.2. Nhà máy nhiệt điện ......................................................................................... 34
2.1.3. Đặc tính tiêu hao nhiên liệu ............................................................................ 35
2.2. Tối ưu hóa vận hành truyền thống ..................................................................... 36
2.3. Thị trường điện và giá bán điện ......................................................................... 37
2.3.1. Thị trường điện................................................................................................ 37
2.3.2. Hiện trạng về giá điện ..................................................................................... 42
2.4. Tối ưu hóa vận hành lưới điện trong thị trường điện ......................................... 44
2.5. Mô tả bài toán nghiên cứu .................................................................................. 45
2.6. Phương pháp giải bài toán tối ưu phối hợp các tổ máy phát điện trong thị
trường điện ..................................................................................................... 49
2.7. Kết luận .............................................................................................................. 52
Chương 3. THUẬT TOÁN UNIT DECOMMITTMENT TRONG VẬN
HÀNH TỐI ƯU CÁC TỔ MÁY PHÁT ĐIỆN .......................................... 54
3.1. Đặt bài toán ........................................................................................................ 54
3.1.1. Mô hình bài toán ............................................................................................. 55
3.1.2. Tính toán lợi nhuận trong thị trường điện cạnh tranh ..................................... 57
3.2. Giải quyết bái toán ............................................................................................. 61
3.3. Thuật toán Unit Decommittment ....................................................................... 65
3.3.1. Tính toán công suất dựa vào suất tăng công suất của từng tổ máy ................. 65
3.3.2. Tính toán công suất dựa vào hàm chi phí của tổ máy ..................................... 69
3.3.3. Sơ đồ khối mô tả thuật toán ............................................................................ 72
3.4. Kết luận .............................................................................................................. 73
Chương 4. ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TRONG BÀI TOÁN MINH HOẠ ... 74
4.1. Bài toán minh họa .............................................................................................. 74
4.1.1. Trường hợp thứ nhất ....................................................................................... 76
4.1.2. Trường hợp thứ 2 (TH2) ................................................................................. 82

4.1.3. Trường hợp thứ 3 (TH3) ................................................................................. 88

v


4.2. Kết luận .............................................................................................................. 93
Chương 5. KẾT LUẬN ........................................................................................... 94
5.1. Kết luận .............................................................................................................. 94
5.2. Kiến nghị ............................................................................................................ 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 96
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 98

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
CCĐ:

Cung cấp điện.

CG:

Nguồn phát điện trung tâm.

CN:

Phụ tải công nghiệp.

DG:

Nguồn điện phân tán.

ĐD:

Đường dây.

ĐMT: Điện mặt trời.
LL:

Tổng tổn thất công suất tác dụng trên đường dây của lưới điện.

LPP:

Lưới điện phân phối.

NLSK: Năng lượng sinh khối.
NLSK: Năng lượng sinh khối.
PCC:

Điểm kết nối chung.

PQ:

Nút phụ tải

PV:

Nút nguồn phát.

SH:

Phụ tải sinh hoạt.

TĐ:

Thủy Điện.

TĐN:

Thuỷ điện nhỏ.

TM 1: Tổ máy nguồn phân tán số 1.
TM 2: Tổ máy nguồn phân tán số 2.
TM 3: Tổ máy nguồn phân tán số 3.
TM 4: Tổ máy nguồn phân tán số 4.
TM 5: Tổ máy nguồn phân tán số 5.
VI:

Đại lượng đặc trưng cho chất lượng điện áp của xuất tuyến.

VP:

Hệ số cải thiện chất lượng điện áp của lưới điện

vii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Dải công suất tương ứng của các công nghệ DG ....................................... 9
Bảng 1.2. Cường độ bức xạ trung bình tháng tại một số khu vực phía Bắc ............. 29

Bảng 1.3. Tổng bức xạ mặt trời của Móng Cái ......................................................... 29
Bảng 1.4. Kế hoạch phát triển nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo .................... 31
giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030 ............................................................. 31
Phụ lục A: Thông số tổ máy phát điện ...................................................................... 98
Phụ lục B: Thông số phụ tải ...................................................................................... 98
Phụ lục C: Thông số giá điện .................................................................................... 99
Phục lục D: Công suất phát các tổ máy sau khi tối ưu bằng thuật toán .................. 101
Phụ lục E: Mã lệnh thuật toán ................................................................................. 104

viii


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1.

Sơ đồ phân loại các nguồn phần tán ........................................................ 8

Hình 1.2.

Công nghệ điều khiển nối cho lưới điện siêu nhỏ tại Singapore ........... 10

Hình 1.3.

Công nghệ điều khiển nối cho lưới điện siêu nhỏ tại Hoa Kỳ .............. 10

Hình 1.4.

Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện mặt trời ................................................ 11

Hình 1.5.

Hệ thống điện mặt trời lớn nhất Việt Nam (tại TP Hồ Chí Minh) ........ 12

Hình 1.6.

Hình ảnh một nhà máy điện gió ............................................................ 13

Hình 1.7.

Nguyên lý cấu tạo của tổ hợp tua-bin - máy phát điện gió ................... 14

Hình 1.8.

Nhà máy điện nhiệt kết hợp................................................................... 17

Hình 1.9.

Nhà máy điện nhiệt kết hợp công suất lớn ............................................ 18

Hình 1.10. Sơ đồ nguyên lý máy phát điện tua-bin khí ........................................... 19
Hình 1.11. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu ..................... 20
Hình 1.12. Công trình xây dựng nhà máy thủy điện nhỏ ........................................ 21
Hình 1.13. Nhà máy điện thủy triều kiểu đập ở cửa sông Rance (Pháp) ................ 23
Hình 1.14. Hệ thống máy phát tua-bin thủy triều .................................................... 23
Hình 1.15. Mô hình phát điện sử dụng khí Biogass ................................................ 25
Hình 1.16. Nhà máy điện sử dụng các dạng năng lượng sinh khối ......................... 25
Hình 1.17. Nguyên lý sản xuất điện từ năng lượng địa nhiệt .................................. 27
Hình 1.18. Nhà máy địa nhiệt điện .......................................................................... 27
Hình 1.19. Dự báo công suất các nguồn phân tán tại Việt Nam đến năm 2030...... 30
Hình 2.1.

Sơ đồ thị trường phát điện cạnh tranh ................................................... 40

Hình 2.2.

Sơ đồ thị trường bán buôn điện cạnh tranh ........................................... 40

Hình 2.3.

Thị trường bán lẻ điện cạnh tranh ......................................................... 41

Hình 2.4.

Biểu đồ giá điện ..................................................................................... 43

Hình 2.5.

Lợi nhuận và chi phí .............................................................................. 47

Hình 2.6.

Đường cong nhiên liệu đầu vào- công suất phát ra ............................... 48

Hình 3.1.

Phối hợp các tổ máy phát điện trên cơ sở thị trường điện ..................... 56

Hình 3.2.

Quan hệ giữa Công suất và Giá điện ..................................................... 58

Hình 3.3.

Sơ đồ trạng thái của tổ máy với Tjup = 3(h) và Tịdown = 4(h) ................ 61

Hình 3.4.

Đồ thị giá điện ....................................................................................... 65

ix


Hình 3.5.

Công suất phát theo giá điện λ .............................................................. 66

Hình 3.6.

Công suất phát theo khả năng thực tế của máy phát ............................. 67

Hình 3.7.

Công suất phát thực tế của máy phát ..................................................... 68

Hình 3.8.

Quan hệ giữa công suất và lợi nhuận thực tế khả năng máy phát ......... 69

Hình 3.9.

Quan hệ giá điện và công suất ............................................................... 70

Hình 3.10. Quan hệ giữa công suất và lợi nhuận .................................................... 71
Hình 3.11. Quan hệ giữa công suất và lợi nhuận thực tế khả năng máy phát ......... 72
Hình 4.1.

Sơ đồ nguyên lý vị trí đặt các nguồn điện ............................................. 75

Hình 4.2.

Đồ thị giá điện trong ngày ..................................................................... 76

Hình 4.3.

Đồ thị công suất tải trong ngày ............................................................. 77

Hình 4.4.

Đồ thị công suất phát khi chưa tối ưu hóa ............................................. 78

Hình 4.5.

Đồ thị công suất phát khi tối ưu ............................................................ 79

Hình 4.6.

Đồ thị chi phí vận hành các tổ máy ....................................................... 80

Hình 4.7.

Doanh thu trong 24h .............................................................................. 81

Hình 4.8.

Giá điện trong 24h cho TH2 .................................................................. 82

Hình 4.9.

Đồ thị công suất tải cho TH2................................................................. 83

Hình 4.10. Đồ thị công suất phát khi chưa tối ưu cho TH2 .................................... 84
Hình 4.11. Công suất phát các tổ máy sau khi tối ưu cho TH2 ............................... 85
Hình 4.12. Chi phí vận hành các tổ máy trong TH2 ............................................... 86
Hình 4.13. Doanh thu trong 24h của các tổ máy ..................................................... 87
Hình 4.14. Giá điện trong 24h của TH3 .................................................................. 88
Hình 4.15. Công suất tải trong 24h của TH3........................................................... 89
Hình 4.16. Công suất phát khi chưa tối ưu trong TH3 ............................................ 90
Hình 4.17. Công suất phát các tổ máy sau khi tối ưu trong TH3 ............................ 91
Hình 4.18. Chi phí của các tổ máy trong TH3 ........................................................ 92
Hình 4.19. Doanh thu trong ngày TH3 .................................................................... 93

x


MỞ ĐẦU
1. Mục đích nghiên cứu và lý do chọn đề tài
Hệ thống truyền tải điện năng có vai trò rất quan trọng trong công cuộc công
nghiệp hoá hiện đại hoá và phát triển kinh tế, xã hội của đất nước. Nhưng trên thế
giới, hệ thống điện truyền thống chủ yếu là nhiệt điện, thủy điện và điện hạt nhân
đang gặp phải rất nhiều vấn đề như sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch, hiệu suất

thấp và ô nhiễm môi trường. Những vấn đề này dẫn đến xu hướng sử dụng những
nguồn điện phân tán trong lưới điện phân phối từ những dạng năng lượng mới và tái
tạo, như ga sinh học (biogas), tu-bin gió (wind turbine) pin mặt trời (Photovoltaic),
pin nhiên liệu (fuel cell) hay nguồn nhiệt điện (combined heat and power),…
Những nguồn điện này được gọi chung là nguồn phân tán (distributed generation).
Hệ thống điện Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế đó, với tiềm năng về thủy
điện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng mặt trời cao, việc tích hợp các nguồn phân
tán vào hệ thống điện hiện có đã nhận được nhiều sự quan tâm sâu sắc.
Thêm vào đó nguồn phân tán sẽ ngày càng được áp dụng nhiều trong hệ thống
lưới phân phối vì:
- Do thị trường có xu hướng mở cửa cho các nhà đầu tư tham gia ở tất cả các
dạng nguồn năng lượng sơ cấp.
- Nguồn năng lượng hoá thạch đang ngày càng cạn kiệt trong khi ý thức bảo
vệ môi trường của người dân ngày càng tăng lên.
- Nhu cầu của phụ tải phát triển rất nhanh trong khi việc xây dựng các nguồn
phát truyền thống công suất lớn cần nhiều thời gian.
- Nhà cung cấp sử dụng nguồn phân tán để giảm áp lực về đầu tư tái tạo lưới
điện, giảm chi phí nhiên liệu, chi phí vận hành.
- Khách hàng sử dụng nguồn phân tán để giảm bớt gánh nặng công suất vào
giờ cao điểm, giảm tổn hao trong mạng, cải thiện chất lượng điện năng, tăng cường
độ tin cậy và thân thiện với môi trường.
Tuy nhiên, sự xuất hiện của các nguồn phân tán có công suất nhỏ trong hệ
thống điện 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
1


lưới điện phân phối hiện có vốn không được thiết kế tích hợp các nguồn phân tán
với công suất phụ thuộc nhiều vào yếu tố môi trường. Trên lưới điện phân phối khi
thiết kế chỉ bao gồm các phụ tải điện, không có các nguồn điện kết nối vào. Nếu có

nhiều nguồn phân tán được kết nối vào có thể dẫn đến các chế độ vận hành không
phù hợp gây lên tổn thất về điện năng cũng như kinh tế. Đối với những lưới điện cụ
thể, khi tích hợp nguồn 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 vận hành tối ưu hóa các
nguồn điện phân tán trong hệ thống.
Với đề tài: “Nghiên cứu vận hành tối ưu lưới điện phân phối khi sử dụng
các nguồn điện phân tán và ứng dụng tại mạng điện Thành Phố Cẩm Phả” luận
văn mong muốn đóng góp một phần nhỏ những tìm tòi nghiên cứu của mình vào
việc vận hành tối ưu hóa các nguồn phân tán.
2. Đối tượng nghiên cứu và lý do chọn đề tài
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu lưới điện phân phối có sơ đồ phức tạp (hình tia, lưới kín vận
hành hở), xét đến các nguồn phân tán.
2.2. Phạm vi áp dụng
Kết quả nghiên cứu nhằm áp dụng vào thực tế các lưới điện phân phối của
Việt Nam.
2.3. Áp dụng cụ thể
Áp dụng phương pháp nghiên cứu tính toán với lưới phân phối Thành Phố
Cẩm Phả.
3. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài
- Nghiên cứu, khai thác phần mềm MATLAB để tính toán phối hợp vận hành
các nguồn phân tán.
3.2. Tính thực tiễn của đề tài
Các kết quả nghiên cứu trong đề tài có thể ứng dụng đối với vận hành tối ưu
hóa các nguồn phân tán trong 24h.

2

4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp giải tích kết hợp với mô phỏng bằng phần mềm MATLAB.
- Đưa ra kế hoạch vận hành các nguồn phân tán trong 24h của ngày kế tiếp.
- Đánh giá hiệu quả kinh tế khi vận hành tối ưu hóa các nguồn phân tán trong
lưới điện phân phôi.

3


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TP CẨM PHẢ
VÀ NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN
1.1. Tổng quan về lưới điện phân phối
1.1.1. Định nghĩa Lưới điện phân phối
Lưới điện phân phối (LPP) là một phần của Hệ thống điện, làm nhiệm vụ phân
phối điện năng từ các trạm trung gian, các trạm khu vực hay thanh cái của nhà máy
điện cấp điện cho phụ tải. LPP là khâu cuối cùng của hệ thống điện đưa điện năng
trực tiếp đến người tiêu dùng. LPP bao gồm lưới điện 110k, lưới điện trung áp và
lưới điện hạ áp. Tính đến nay lưới điện phân phối đã trải khắp các xã trên đất nước,
tuy nhiên còn một số thôn, bản vẫn chưa được dùng điện lưới Quốc gia mà họ vẫn
phải dùng điện từ các thuỷ điện nhỏ hoặc máy phát điện diesel.
1.1.2. Phân loại Lưới điện phân phối
Lưới điện phân phối gồm hai phần:
- LPP trung áp chủ yếu ở các cấp điện áp 6kV, 10kV, 22kV, 35kV, 110kV phân
phối điện cho các trạm biến áp trung áp/hạ áp và các phụ tải cấp điện áp trung áp.
- LPP hạ áp có cấp điện áp 380/220V cấp điện cho các phụ tải hạ áp.
Phân loại LPP trung áp theo 3 dạng:
- Theo đối tượng và địa bàn phục vụ, có 3 loại:
+ Lưới phân phối thành phố;
+ Lưới phân phối nông thôn;

+ Lưới phân phối xí nghiệp.
- Theo thiết bị dẫn điện:
+ Lưới phân phối trên không;
+ Lưới phân phối cáp ngầm.
- Theo cấu trúc hình dáng:
+ Lưới phân phối hở (hình tia) có phân đoạn và không phân đoạn.
+ Lưới phân phối kín vận hành hở;
+ Hệ thống phân phối điện.
4


1.1.3. Vai trò của Lưới điện phân phối
LPP làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, trạm khu vực
hay thanh cái của các nhà máy điện cho các phụ tải điện.
LPP được xây dựng, lắp đặt phải đảm bảo nhận điện năng từ một hay nhiều
nguồn cung cấp và phân phối đến các hộ tiêu thụ điện.
Đảm bảo cung cấp điện tiêu thụ sao cho ít gây ra mất điện nhất, đảm bảo cho
nhu cầu phát triển của phụ tải. Đảm bảo chất lượng điện năng cao nhất về ổn định
tần số và ổn định điện áp trong giới hạn cho phép.
LPP trung áp có tầm quan trọng đặc biệt đối với hệ thống điện:
- Trực tiếp đảm bảo chất lượng điện áp cho phụ tải.
- Giữ vai trò rất quan trọng trong đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho phụ
tải. Có đến 98% điện năng bị mất là do sự cố và ngừng điện kế hoạch lưới phân
phối. Mỗi sự cố trên LPP trung áp đều có ảnh hưởng rất lớn đến sinh hoạt của nhân
dân và các hoạt động kinh tế, xã hội.
- Sử dụng tỷ lệ vốn rất lớn: khoảng 50% vốn cho hệ thống điện (35% cho
nguồn điện, 15% cho lưới hệ thống và lưới truyền tải).
- Tỷ lệ tổn thất điện năng rất lớn: khoảng 40-50% tổn thất điện năng xảy ra
trên LPP. Và tổn thất kinh doanh cũng chỉ xảy ra trên lưới này.
- LPP gần với người dùng điện, do đó vấn đề an toàn điện cũng là rất quan trọng.

1.2. Tổng quan về lưới điện phân phối TP Cẩm Phả
1.2.1. Tổng quan TP Cẩm Phả
Là thánh phố lớn thứ 2 của tỉnh Quảng Ninh, dẫn đầu trong việc khai thác và
sản xuất than của tỉnh. Cẩm Phả có diện tích tự nhiên 486,45 km², địa hình chủ yếu
đồi núi: đồi núi chiếm 55,4% diện tích, vùng trung du 16,29%, đồng bằng 15,01%
và vùng biển chiếm 13,3%; số khách hàng sử dụng điện là 61152. Sản lượng tiêu
thụ điện là: ….. chủ yếu là phục vụ sản xuất kinh doanh than.
1.2.2. Lưới điện phân phối TP Cẩm Phả
- LPP trung áp chủ yếu ở các cấp điện áp 6kV, 22kV, 35kV phân phối điện
cho các trạm biến áp trung áp/hạ áp và các phụ tải cấp điện áp trung áp.
- LPP hạ áp có cấp điện áp 380/220V cấp điện cho các phụ tải hạ áp.

5


Phân loại LPP trung áp theo 3 dạng:
- Theo đối tượng và địa bàn phục vụ, có 3 loại:
+ Lưới phân phối trung tâm thành phố;
+ Lưới phân phối nông thôn;
+ Lưới phân phối xí nghiệp.
- Theo thiết bị dẫn điện:
+ Lưới phân phối trên không;
+ Lưới phân phối cáp ngầm.
- Theo cấu trúc hình dáng:
+ Lưới phân phối hở (hình tia) có phân đoạn và không phân đoạn.
+ Lưới phân phối kín vận hành hở;
+ Hệ thống phân phối điện.
1.2.3. Nguồn điện cấp cho Cẩm Phả
Nguồn điện cấp cho Cẩm Phả chủ yếu là nguồn điện từ các nhà máy nhiệt điện
như: Nhiệt điện Mông Dương, Nhiệt điện Cẩm Phả, Nhiệt điện Quảng Ninh. Các

nhà máy này sử dụng nguồn nhiên liệu là than đá, được khai thác trực tiếp tại địa
phương. Hiện này nguồn than đá tại Quảng Ninh đang dần cạn kiệt, việc sản xuất
than đá phục vụ cho các nhà máy điện không còn được đảm bảo. Trong năm 2015,
tập đoàn than khoáng sản Việt Nam đã phải tiến hành nhập khẩu than đá từ các
nước khác
Ngoài các nguồn điện truyền thống trên, hiện nay tại thành phố Cẩm Phả
không có nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo nào khác.
1.2.4. Kết luận
Nền kinh tế ngày càng phát triển, đời sống con người ngày càng cao dẫn đến
nhu cầu về điện năng cũng rất lớn. Bên cạnh đó, các nguồn nhiên liệu truyền thống
cung cấp cho các nhà máy điện lớn ngày một cạn kiệt và đã gây ảnh hưởng rất lớn
đến vấn đề ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu; mặt khác, việc phải xây dựng quá
nhiều các hệ thống đường dây cao áp truyền tải điện năng đi xa rất tốn kém về kinh
tế và cũng gây tổn thất rất lớn.
Nhằm góp phần giảm tải cho các nguồn phát điện trung tâm, giảm vốn đầu tư
và tổn thất công suất trên các lưới điện truyền tải, giảm sự tác động tiêu cực đến

6


môi trường. Trong những năm gần đây, với khoa học kỹ thuật cao, việc nghiên cứu
và đưa vào thử nghiệm cũng như vận hành các nguồn phát điện có công suất vừa và
nhỏ đã và đang được đặc biệt quan tâm vì nhiều ưu điểm của nó. Những nguồn phát
điện này được bố trí phân tán khắp nơi có thể, làm nhiệm vụ cung cấp điện trực tiếp
cho các phụ tải hoặc được đấu nối vào lưới điện phân phối để cung cấp điện cho
một khu vực phụ tải rộng hơn. Những nguồn phát điện này được gọi là “Nguồn
phân tán”, những ưu điểm nổi bật nhất của nó là: Các nguồn năng lượng sơ cấp của
các nguồn phân tán hầu hết là các dạng năng lượng mới và tái tạo, có trữ lượng rồi
rào, ít gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường; các nguồn này sản xuất ra điện năng
tại nơi tiêu thụ, như vậy sẽ giảm được tổn thất điện năng, chi phí không phải xây

dựng thêm các lưới truyền tải điện đi xa.
Trên Thế giới, các nguồn phân tán đã được nghiên cứu và ứng dụng rất sớm.
Tại Việt Nam, khái niệm về nguồn phân tán tuy còn mới mẻ nhưng cũng đang được
quan tâm nghiên cứu rất nhiều, có nhiều nghiên cứu đã thành công và được đưa vào
ứng dụng thực tế.
Để tìm hiểu kỹ hơn, trong mục (1.2) sẽ trình bày tổng quan về đặc điểm công
nghệ các dạng nguồn điện phân tán, ưu nhược điểm của chúng và thực trạng các
nguồn điện phân tán tại Việt Nam.
1.3. Tổng quan về nguồn điện phân tán (DG)
1.3.1. Định nghĩa nguồn điện phân tán
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. Tốc độ phát triển
kinh tế tăng cao kéo theo đó, nhu cầu về năng lượng tăng cao, các vấn đề bất cập từ
việc phát triển nguồn năng lượng truyền thống, cũng như những ưu điểm của nguồn
điện phân tán, đang là động lực thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các DG.
Các tổ chức quốc tế cũng đưa ra những định nghĩa khác nhau về nguồn điện
phân tán. Các định nghĩa đó như sau:
- CIGRE (International Council on Large Electricity Systems) định nghĩa
nguồn điện phân tán là nguồn điện không được quy hoạch tập trung, không được
điều khiển tập trung và thường đấu nối vào lưới điện phân phối với quy mô công
suất nhỏ hơn 50 hoặc 100MW.
7


- IEA (International Energy Agency) định nghĩa nguồn điện phân tán là nguồn
điện phục vụ trực tiếp phụ tải khách hàng hoặc hỗ trợ cho lưới điện phân phối, được
đấu nối vào hệ thống điện ở các cấp điện áp của lưới phân phối.
- IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.) định nghĩa
nguồn điện phân tán là nguồn phát điện nhỏ hơn những nhà máy điện trung tâm,
thường nhỏ hơn hoặc bằng 10MW, cho phép đấu nối vào bất kỳ điểm nào trong hệ

thống điện.
- EPRI (Electric Power Research Institute) định nghĩa nguồn điện có công suất
từ vài kW đến 50MW và/hoặc các thiết bị lưu điện có vị trí gần phụ tải khách hàng
hoặc lưới phân phối và các trạm biến áp truyền tải trung gian là những nguồn điện
phân tán.
Như vậy, những định nghĩa về nguồn điện phân tán thường căn cứ vào quy mô
công suất và cấp điện áp đấu nối.
1.3.2. Đặc điểm công nghệ nguồn phát điện phân tán

Hình 1.1. Sơ đồ phân loại các nguồn phần tán
Nguồn phân tán có thể chia ra làm hai nhóm chính theo công nghệ chế tạo:
- Nhóm nguồn năng lượng tái tạo: Điện gió, điện mặt trời, thủy điện nhỏ, điện
sinh khối, địa nhiệt điện, điện thủy triều.
- Nhóm nguồn năng lượng không tái tạo: Động cơ đốt trong (Diesel), pin
nhiện liệu, tua bin hơi.

8


Trong đó các DG tái tạo đang được ưu tiên thúc đẩy phát triển nhanh chóng do
các tác động tích cực của chúng đến môi trường.
Các công nghệ DG và dải công suất thông thường được chỉ ra trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Dải công suất tương ứng của các công nghệ DG
Loại DG

Dải công suất

Loại DG

Dải công suất

Thủy điện nhỏ

1 - 100MW

Điện sinh khối

100kW - 20MW

Thủy điện rất nhỏ

25kW - 30MW

Pin nhiên liệu

1kW - 5MW

Điện gió

200W - 3MW

Địa nhiệt

5MW - 1000MW

Pin quang điện

20W - 100kW

Năng lượng biển

100kW - 1MW

Điện mặt trời

1 - 80MW

1.3.3. Mạng điện Microgid
Với sự đa dạng về các DG như vậy, trong tương lai Mạng Micro - Grid sẽ
chiếm ưu thế.
Các mạng lưới máy phát điện nhỏ trong "Lưới điện micro" (Microgrids) có thể
làm cho lưới điện theo phương thức truyền thông phân phối thay đổi hoàn toàn. Các
lưới điện micro là các mạng lưới cộng đồng nhỏ, cung cấp điện năng và nhiệt năng.
Theo các nhà nghiên cứu, chúng giúp tiết kiệm đáng kể chi phí và giảm phát thải,
mà không gây ra những sự thay đổi lớn về lối sống. Lưới điện micro có thể dễ dàng
tích hợp quy trình sản xuất năng lượng thay thế bởi đây là một mạng điện gồm
nhóm các bộ lưu trữ năng lượng phân tán dưới dạng các máy phát phân tán và các
phụ tải liên kết với nhau qua hệ thống phân phối. Do chi phí của mạng Micro - Gỉd
giảm dần và hiệu quả của chúng gia tăng, các công nghệ này ngày càng trở nên một
phương án lựa chọn quan trọng. Phát thải khí nhà kính cũng có thể được giảm
xuống, nếu các máy phát điện micro được cấp điện bằng hydro, ánh nắng mặt trời
hoặc các tua bin gió nhỏ. Việc thiết lập các máy phát gần nơi có nhu cầu cũng làm
giảm chi phí truyền tải điện từ trạm điện ở xa đến hộ gia đình. Công suất của các
máy phát tương tự với nhu cầu tải - là một đặc điểm rất khác với các hệ thống
truyền thống có các trạm điện khổng lồ phục vụ cho nhiều người sử dụng nhỏ. Các
lưới điện nhỏ hơn có nghĩa là áp dụng được phương pháp tích trữ điện năng không
sử dụng, là điều không thực hiện được đối với các lưới điện lớn. Trong hệ thống
9

truyền thống, bạn có trạm điện và dòng điện chạy từ trạm điện đến người sử dụng,
và chỉ theo một chiều. Toàn bộ lưới điện được xây dựng quanh dòng điện một
hướng này. Trong hệ thống này, có một lượng nhiệt lớn phát sinh trong quy trình.
Nhiệt năng này chỉ là sản phẩm thải và bị phí hoài. Các "ống khói" khổng lồ, đã trở
thành một bộ phận quen thuộc ở nhiều khu vực của nước Anh, là các tháp làm nguội
và sau đó thải nhiệt thải ra ngoài. Chỉ có 30-40% năng lượng ban đầu được biến đổi
thành điện; 60-70% theo ống khói ra ngoài. Người ta không sử dụng được năng
lượng này vì không có cơ sở nào gần các trạm điện cần đến nhiệt năng. Do đó vận
hành tối ưu hóa các nguồn phân tán trong lưới điện phân phối chính là vận hành
thông minh lưới điện Micro - Grid.

Hình 1.2. Công nghệ điều khiển nối cho lưới điện siêu nhỏ tại Singapore

Hình 1.3. Công nghệ điều khiển nối cho lưới điện siêu nhỏ tại Hoa Kỳ
10


1.3.4. Một số loại nguồn phát điện phân tán
1.3.4.1. Nguồn điện mặt trời (Solar Power)
Kỹ thuật điện mặt trời đơn giản là cách chuyển quang năng thành điện năng
trực tiếp nhờ các tấm pin mặt trời ghép lại với nhau thành mô đun hay panel. Tấm
pin được đặt dưới một lớp gương nhằm ngăn những tác động từ môi trường. Để có
lượng điện lớn hơn một mảnh pin riêng lẻ có thể tạo ra, người ta gắn kết nhiều
mảnh lại thành một tấm lớn là gọi pin mặt trời. Những cục pin hấp thụ năng lượng
từ ánh sáng mặt trời, tại đó lượng tử ánh sáng tác động đến các electron làm năng
lượng của electron tăng lên và di chuyển tạo thành dòng điện.

Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện mặt trời
Điện năng do pin Mặt trời sản xuất ra không dùng hết có thể được tích trữ
bằng ắcqui. Đặc điểm chung của nguồn điện này là công suất đặt của một tổ hợp các

tấm pin mặt trời thường khá nhỏ, thường chỉ cấp điện cho các phụ tải quy mô nhỏ
và hoạt động độc lập hoặc chỉ kết nối vào lưới hạ áp. Dòng điện ngắn mạch ngoài
thay đổi nếu cường độ bức xạ mặt trời thay đổi dẫn đến có thể làm thay đổi điện áp
ra ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Để khắc phục điều này có thể kết nối giữa
nguồn cấp và phụ tải thông qua trạm sạc ắc-qui hay bộ biến đổi công suất.
Chế độ phát điện của điện mặt trời phụ thuộc nhiều vào cường độ bức xạ của
mặt trời. Số giờ có nắng trong ngày thường chỉ từ 8h sáng đến 16h chiều (tức là 9h
trong ngày), trong đó cường độ bức xạ cực đại đạt được vào khoảng thời gian từ
11


11h-13h và cực tiểu vào lúc 8h và 16h. Dựa vào cường độ bức xạ của mặt trời có
thể xác định được công suất phát của điện mặt trời (ĐMT):
 R 
PPV (t )  Prated .  t  . 1   Tt  Trated  
 Rrated 

(1.1)

Trong đó:
Prated

Công suất định mức [kW]

PPV

Sản lượng điện tại thời điểm t [kW]

Rrated

Bức xạ chuẩn , [ mặt trời ]

Trated

Nhiệt độ tiêu chuẩn , [ oC ]

Rt

Bức xạ , [ mặt trời ] tại thời điểm t

Tt

Nhiệt độ , [ oC ] tại thời điểm t

α

Hệ số nhiệt độ , [ μunit / oC ]

Hình 1.5. Hệ thống điện mặt trời lớn nhất Việt Nam (tại TP Hồ Chí Minh)
Ưu điểm của nguồn điện mặt trời:
- Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tự nhiên không gây ô nhiễm và vô
cùng dồi dào.
- Phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các
nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường.

12


- Nguồn quang năng này có thể được sử dụng để sưởi ấm các tòa nhà, đun
nóng nước hoặc sản sinh ra điện năng,…

Nhược điểm:
- Gặp khó khăn trong việc thu thập ánh sáng mặt trời vào những ngày thời tiết
mây mù.
- Chi phí cho việc sản xuất các vật dụng hấp thụ năng lượng mặt trời còn cao.
- Ở Việt Nam, các sản phẩm sử dụng năng lượng mặt trời vẫn chưa được ứng dụng
rộng rãi mà chỉ tập trung tại nông thôn, miền núi - nơi mức sống tương đối thấp.
1.3.4.2. Máy phát điện tua-bin gió (Wind Turbine Generator)

Hình 1.6. Hình ảnh một nhà máy điện gió
Sự nóng lên khắp toàn cầu là một vấn để cấp bách, đòi hỏi chúng ta phải tìm
kiếm và sử dụng các nguồn năng lượng có khả năng tái tạo. Một số nguồn năng
lượng thay thế mà chúng ta có thể lựa chọn bao gồm: năng lượng mặt trời, năng
lượng nước, năng lượng sinh khối và năng lượng gió.
Tất cả các nguồn năng lượng tái tạo đều hình thành do nhiệt sinh ra từ các
bức xạ mặt trời. Gió cũng là một hiện tượng gây ra bởi sự nóng lên của bầu khí
quyển trái đất. Ánh sáng mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất không đồng đều làm
13


cho khí quyển, nước và không khí nóng lên không đều nhau. Kết quả là, không khí
nóng sẽ di chuyển lên trên, không khí lạnh sẽ di chuyển xuống dưới. Sự chuyển đổi
vị trí giữa không khí nóng và không khí lạnh sẽ tạo thành gió. Năng lượng của gió
có thể được khai thác bằng một nhà máy điện năng lượng gió.
Gió là một nguồn năng lượng có khả năng tái tạo và việc sử dụng nó không
tạo ra các chất độc hại như nhiên liệu hóa thạch. Đây là một trong những dạng năng
lượng mang lại hiệu quả cao nhất, nó có thể trở thành một trong những nguồn năng
lượng chính cho các thế hệ tương lai. Mặc dù năng lượng gió có nhiều ưu điểm,
nhưng nó cũng có những hạn chế riêng.

Hình 1.7. Nguyên lý cấu tạo của tổ hợp tua-bin - máy phát điện gió

Cấu tạo của tua-bin gió (hình 1.15) bao gồm: 1. Cánh quạt (Blades) - gió thổi
qua các cánh quạt làm cánh quạt quay; 2. Rôto (Rotor) - bao gồm các cánh quạt và
trục; 3. Bước răng (Pitch) - Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho
rotor quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện; 4. Bộ hãm (Brake) dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng
động cơ; 5. Trục quay tốc độ thấp (Low - speed shaft); 6. Hộp số (Gear box) - là
một phần của bộ động cơ và tua-bin gió, có tác dụng làm tăng tốc độ quay của tua14


bin; 7. Máy phát điện (Generato) - phát ra điện; 8. Bộ điều khiển (Cantroller) - khởi
động hoặc tắt động cơ ứng với các vận tốc khác nhau để tránh phát nóng động cơ; 9.
Bộ đo lường (anemometer) - đo tốc độ gió và truyền dữ liệu về tốc độ gió đến bộ
điều khiển; 10. Van gió (wind vane) - để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw
drive” để định hướng tua-bin; 11. Vỏ (Nacelle) - bao gồm rô to và vỏ bọc ngoài,
toàn bộ được đặt trên đỉnh trụ; 12. Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao
(High speed shaft); 13. Truyền động lệch (Yaw drive) - giữ cho rô to luôn hướng về
hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió; 14. Mô-tơ lệch (Yaw motor) - động
cơ cung cấp cho “yaw drive” định được hướng gió; 15. Trụ đỡ “nacelle” (Tower) được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh giằng bằng thép.
Loại máy phát điện thông dụng nhất được dùng cho tổ tua-bin - máy phát
điện gió là máy phát điện không đồng bộ.
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.
Công suất cơ lấy ra từ tua-bin gió phụ thuộc vào diện tích quét của cánh quạt
và tỉ lệ bậc 3 với tốc độ gió, theo công thức sau:
P

1
C p . . A.v 3
2

(1.2)

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 tua-bin gió (Cp = 0,20,5).

Ưu điểm của máy phát điện tua-bin gió:
- Năng lượng gió là nhiên liệu sinh ra bởi gió, vì vậy nó là nguồn nhiên liệu
sạch. Năng lượng gió không gây ô nhiễm không khí so với các nhà máy nhiệt điện
dựa vào sự đốt cháy nhiên liệu than hoặc khí ga.
- Năng lượng gió có ở nhiều vùng. Do đó nguồn cung cấp năng lượng gió
của đất nước thì rất phong phú.

15