Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ NGUỒN PHÂN TÁN Trong những bước đầu của quá trình phát triển hệ thống điện, nguồn của hệ thống điện chủ yếu là các nguồn điện nhỏ phát điện một chiều. Điện năng sinh ra chỉ đủ cung cấp cho các vùng lân cận nhà máy. Sau đó, với các tiến bộ kỹ thuật, như sự ra đời của lưới điện xoay chiều, các công nghệ sản xuất điện đã cho phép điện năng được truyền tải với khoảng cách rất xa, các nhà máy điện công suất lớn lần lượt xuất hiện đáp ứng được nhu cầu sử dụng điện của xã hội. Tuy nhiên, sự phát triển mạnh của thế giới đã làm cho những tài nguyên như thủy điện lớn, than đá, dầu mỏ dần dần được khai thác hết, nguy cơ thiếu điện ngày một tăng cao.
Ngày nay, khi khoa học kỹ thuật phát triển, sự thay đổi của nền kinh tế và sự điều tiết của thị trường đã dẫn đến các nguồn điện có công suất nhỏ được quan tâm. Nhằm tìm hiểu được các tiêu chuẩn kỹ thuật kết nối nguồn điện phân tán với hệ thống điện, trong chương này sẽ giới thiệu sơ lược về nguồn điện phân tán. Định nghĩa về nguồn điện phân tán Nguồn điện phân tán (Distributed Generation - DG) có thể được phân thành 2 loại chính: - Nguồn không tái tạo (sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm nhiên liệu sơ cấp): pin nhiên liệu (fuel cells), động cơ đốt trong (internal combustion engine), máy phát tuabin hơi (combustion turbines)… - Nguồn tái tạo: điện gió (wind power), pin quang điện (photovoltaics), điện sinh khối (biomass), tổ hợp nhiệt - điện (combined heat and power - CHP), thủy điện nhỏ (small hydro power), điện thủy triều và sóng biển (tidal and wave power),… Trong đó các nguồn năng lượng tái tạo đang được thúc đẩy phát triển nhờ hiệu quả tác động đến môi trường. - 10 - Nguyễn Thị Hồng Yến Hiện nay chưa có một định nghĩa thống nhất nào dành cho DG, mỗi quốc gia, mỗi tổ chức lại đưa ra một định nghĩa khác nhau dựa trên những đặc điểm nhất định của DG.
Năm 1998, tổ chức các nước có lưới điện lớn (CIGRE – the International Council on Large Electricity System) đưa ra khái niệm: DG là những nguồn được kết nối với các mạng điện phân phối, có công suất đặt không lớn hơn 100 MW. Còn IEEE lại định nghĩa: DG là các nguồn điện nhỏ hơn các nguồn điện tập trung và có thể được kết nối vào bất cứ điểm nào trên lưới điện. Tuy nhiên, tóm lại khi đưa ra khái niệm về DG thì đều dựa trên các đặc điểm sau: - Cấp điện áp kết nối: DG có thể kết nối vào bất kì điểm nào trên lưới, nhưng hầu hết các định nghĩa đều cho rằng DG được kết nối vào lưới điện phân phối. - Công suất: Do tiềm năng, đặc điểm của hệ thống điện và các quy định kỹ thuật nên mỗi quốc gia đều có quy định riêng về ngưỡng công suất đối với DG, vì vậy khó sử dụng đặc điểm về công suất để định nghĩa cho DG.
Tuy nhiên, công suất của DG vẫn là một đặc điểm quan trọng để phân biệt DG với các nguồn tập trung khác. Các công nghệ DG và dãy công suất thông thường được chỉ ra trong bảng dưới đây: Bảng 1. Các công nghệ DG và dãy công suất thông thường Loại DG Dãy công suất Thủy điện nhỏ 1 – 100 MW Thủy điện rất nhỏ 25 kW – MW Điện gió 200 W – ˃3 MW Pin quang điện 20 W – 100 kW Điện mặt trời 1 – 80 MW Điện sinh khối 100 kW – 20 MW Pin nhiên liệu 1 kW – 5 MW Địa nhiệt 5 – 1000 MW Năng lượng biển 100 kW – 1 MW - 11 - Nguyễn Thị Hồng Yến - Công nghệ phát điện: Do tính đa dạng trong các công nghệ để sử dụng phát điện và dải công suất của nó, đặc biệt trong lĩnh vực năng lượng tái tạo nên trong một số trường hợp ta có thể sử dụng công nghệ phát điện để phân biệt nguồn điện phân tán với các nguồn điện khác chứ để xây dựng một định nghĩa cho DG dựa vào đặc điểm này thì rất khó khăn. Ta cần đưa ra một định nghĩa khái quát nhất về DG.
Tài liệu “ Distributed generation: definition, benefit and issues” đã đưa ra một định nghĩa: “ Nguồn điện phân tán là nguồn điện được kết nối trực tiếp vào lưới điện phân phối hay được kết nối vào các khu vực phụ tải điện” Đây có thể xem là định nghĩa khá phù hợp cho nguồn điện phân tán hiện nay, trong đó không đưa ra các giới hạn về điện áp kết nối, công suất hay công nghệ phát điện. Đồng thời nêu được đặc điểm của DG là khoảng cách đến phụ tải gần hơn so với các nguồn điện tập trung khác. DG được kết nối với lưới điện thông qua điểm kết nối chung (Point of Common Connection - PCC). Ở đầu ra trạm kết nối DG bao gồm các thiết bị đóng cắt, bảo vệ và đo đếm.
§êng d©y kÕt nèi DG HÖ thèng b¶o vÖ kÕt nèi Líi ®iÖn ph©n phèi §o ®Õm DG DG Hình 1. Kết nối nguồn phân tán với lưới điện phân phối - 12 - Nguyễn Thị Hồng Yến 1. Tác dụng và các vấn đề cần quan tâm đến nguồn điện phân tán Theo cơ quan năng lượng quốc tế IEA (International Energy Agency) có 5 lý do cơ bản kết hợp lại để tạo ra bước đột phá quan tâm trở lại đối với các nguồn điện nhỏ, đó là: (1) sự phát triển trong công nghệ phát điện sử dụng trong DG, (2) nhu cầu xây dựng lưới truyền tải mới để đáp ứng phụ tải ngày càng tăng trong khi lưới điện truyền tải đã rất lớn và phức tạp, (3) nhu cầu khách hàng yêu cầu tăng độ tin cậy cung cấp điện, (4) sự thành lập của thị trường điện tự do và (5) những vấn đề đối với sự thay đổi khí hậu toàn cầu. Với lý do thứ nhất, ta thấy tuy rằng công nghệ phát điện sử dụng ở các DG đã phát triển rất nhiều so với trước đây nhưng nếu phân tích kinh tế thì DG không đem lại nhiều lợi nhuận như các nguồn điện tập trung khác.
Với lý do thứ hai, ảnh hưởng của nó không thật rõ rệt, vì việc xây dựng các DG chỉ giúp ta trì hoãn chứ không giúp tránh được việc xây dựng các đường dây truyền tải mới. Do đó, trong các lý do đưa ra thì 3 lý do cuối là cơ bản nhất thúc đẩy nguồn điện phân tán phát triển. Độ tin cậy cung cấp điện và chất lượng điện năng Khi lưới phân phối có thêm DG thì các yếu tố kỹ thuật của nó đang gây ra nhiều ý kiến trái chiều. Một mặt nhấn mạnh các tác dụng tích cực của DG đối với chất lượng điện năng, mặt khác cho rằng sử dụng DG dẫn đến sự không ổn định điện áp trong lưới điện.
Muốn sử dụng DG có hiệu quả, chúng ta phải tìm hiểu kỹ ảnh hưởng của nó, từ đó phát huy được các mặt tích cực và hạn chế các mặt tiêu cực. Các lợi ích của DG a. Nâng cao độ tin cậy của lưới điện Độ tin cậy của lưới điện là chỉ tiêu đánh giá khả năng cung cấp điện liên tục của lưới điện cho các phụ tải điện. Độ tin cậy của lưới điện phụ thuộc vào độ tin cậy của từng phần tử trên lưới điện như nhà máy điện, đường dây truyền tải, trạm biến áp, lưới điện phân phối… - 13 - Nguyễn Thị Hồng Yến Nguồn điện phân tán ngày nay được sử dụng chủ yếu như là các nguồn điện tại chỗ của khách hàng, để cung cấp các cho các nhu cầu khác như: nhu cầu về dự phòng công suất, nhu cầu về cung cấp điện liên tục hay nhu cầu về cung cấp điện và nhiệt đồng thời…Nguồn điện phân tán có khả năng nâng cao độ tin cậy của lưới điện một cách trực tiếp hoặc gián tiếp.
- Tác động trực tiếp: DG được sử dụng để hỗ trợ cho điện áp của lưới điện, tránh được sự gián đoạn cung cấp điện do sụt áp quá mức gây ra, từ đó làm tăng các chỉ số về độ tin cậy của lưới như: thời gian mất điện trung bình của hệ thống, thời gian gián đoạn cung cấp điện cho phụ tải,…DG cũng nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải trong chế độ vận hành cô lập. - Tác động gián tiếp: DG sẽ làm giảm công suất cho các phần tử trên lưới điện truyền tải, kéo dài tuổi thọ cho các phần tử đó, do đó độ tin cậy của lưới điện cũng được tăng lên. Nhu cầu sử dụng DG để tăng độ tin cậy đặc biệt được chú ý khi tải đỉnh. Phụ tải điện thay đổi theo giờ trong ngày, theo mùa trong năm.
Theo thống kê có khoảng 80% thời gian phụ tải điện chỉ sử dụng 60% công suất hệ thống. Sự giảm nhu cầu công suất đỉnh tại chỗ ở các lưới điện phân phối sẽ tác động đến lưới điện phía truyền tải, giúp nâng cao điện áp và giảm được dòng điện trên dây dẫn gần trạm biến áp khu vực. Điều này vừa giúp giảm chi phí đầu tư nguồn điện, vừa giúp giảm chi phí đầu tư lưới điện truyền tải. Ngoài ra nó còn giảm được số lần bảo dưỡng lưới điện truyền tải, trì hoãn được các yêu cầu cải tạo và xây dựng mới lưới điện.
Nâng cao chất lượng điện năng Đối với các ứng dụng hay các thiết bị điện nhạy cảm với nhiễu động tần số và nhiễu động điện áp trên lưới thì nhu cầu về cung cấp điện với chất lượng cao là rất cần thiết để tránh các hư hỏng hay ngừng cung cấp điện gây thiệt hại cho khách hàng. Các xung điện áp, độ lệch tần số, các sóng hài bậc cao, các rung động trong hệ thống, sự không cân bằng pha là các hiện tượng cần được quan tâm khi xét đến chất lượng điện năng. - 14 - Nguyễn Thị Hồng Yến Tùy thuộc vào cấu trúc lưới điện, vị trí đấu nối, công suất lắp đặt của DG, DG có khả năng giúp chúng ta đáp ứng được các nhu cầu về chất lượng điện năng đa dạng của phụ tải. DG được kết nối vào vị trí thích hợp sẽ giúp điều chỉnh điện áp của lưới điện tốt hơn, làm giảm được các rung động điện áp và các xung điện áp trong lưới điện.
Tổn thất công suất trên lưới DG xuất hiện làm thay đổi dòng công suất trên lưới. Nó có thể làm tăng hoặc giảm tổn thất công suất trên lưới phụ thuộc vào vị trí của DG trên lưới và kết cấu của lưới điện (cấp điện áp, sơ đồ lưới,…).