chương 1 này sẽ giới thiệu tổng quan các vấn đề về: Lưới điện phân phối, Công nghệ điện mặt trời, công cụ toán học để giải quyết vấn đề tối ưu…. Khái niệm về hệ thống phân phối điện[18 ] Điện năng là một dạng năng lƣợng đặc biệt và rất phổ biến hiện nay, điện năng có rất nhiều ƣu điểm hơn hẳn so với các dạng năng lƣợng khác nhƣ: dễ dàng chuyển hóa thành các dạng năng lƣợng khác với hiệu suất cao (cơ năng, nhiệt năng, hoá năng, quang năng. Điện năng đƣợc sản xuất ra từ các nhà máy điện hay các trạm phát điện theo nhiều công nghệ khác nhau. Quá trình sản xuất và sử dụng điện năng đƣợc thực hiện bởi một hệ thống điện nhƣ mô tả trên hình 1.1, bao gồm các hạng mục chính : sản xuất, truyển tải đến phân phối và tiêu thụ điện.1 Mô hình cấu trúc hệ thống điện hoàn chỉnh Một hệ thống điện quốc gia bao gồm rất nhiều các phần tử đƣợc kết nối với nhau theo nguyên lý của một mạch điện dựa trên cơ sở đảm bảo tính kỹ thuật và kinh tế.
Sơ đồ nguyên lý của một hệ thống điện quốc gia thƣờng đƣợc biểu diễn kiểu sơ đồ một sợi (One Diagram), hình 1.2 Sơ đồ một sợi hệ thống điện Để tiện lợi cho việc quản trị các hoạt động điện lực, cấu trúc của một hệ thống điện thƣờng đƣợc chia thành 03 khối chính nhƣ mô tả trên hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điện 1. Hệ thống phân phối điện (Electric distribution system) a/ Cấu trúc hệ thống: Trƣớc đây ở Việt Nam, phạm vi của hệ thống phân phối điện chỉ bao gồm các trạm biến áp và đƣờng dây đƣợc tính từ phía thứ cấp trạm biến áp 110 kV trở về đến các phụ tải tiêu thụ điện. Ngày nay, kể từ 01/11/2018, EVN đã có quy định mới: hệ thống phân phối điện đƣợc mở rộng thêm về phía cao áp đến thứ cấp của trạm biến áp 220 kV. Đây là một hƣớng hội nhập quốc tế.
Trên cơ sở mô hình tổng quát của 6 hệ thống điện quốc gia hình 1.2, cấu trúc một hệ thống phân phối điện có thể đƣợc giới thiệu dƣới dạng sơ đồ một sợi nhƣ trên hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý một sợi hệ thống điện phân phối Theo cấu trúc này, hệ thống phân phối điện lại có thể đƣợc phân chia thành các hệ thống phân phối con dựa trên điện áp định mức làm căn cứ: - Hệ thống phân phối điện cao thế 110 kV (High Voltage): bao gồm toàn bộ đƣờng dây và các trạm biến áp 110 kV đóng vai trò trung gian (Sup transmision line) hay (Transmision line) để cung cấp điện cho các trạm biến áp khu vực (Zone Suptation). Đối với các phụ tải lớn nhƣ các nhà máy lớn hay các khu công nghiệp có sức tiêu thụ điện cao, có thể đƣợc kết nối trực tiếp với hệ thống truyền tải con 110 kV. 7 - Hệ thống phân phối điện trung thế (Middle Voltage): bao gồm hệ thống các đƣờng dây trung thế (22 kV, 35 kV) và các trạm biến áp phân phối hạ áp cung cấp điện cho lƣới phân phối hạ thế (Low voltage). - Hệ thống phân phối điện hạ thế thế (Low Voltage): bao gồm hệ thống các trạm biến áp phân phối và đƣờng dây hạ thế (0,4 kV) cung cấp cho các phụ tải là điểm cuối cùng của hệ thống điện.
Các dạng nguồn điện trong hệ thống phân phối điện Hiện nay, trong lƣới phân phối điện không chỉ có một loại nguồn cung cấp từ phía lƣới điện quốc gia mà còn có thêm các nguồn phân tán. Chính vì vậy cấu trúc lƣới đƣợc thay đổi căn bản, phân bố công suất không chỉ theo một hƣớng (one way) nhƣ trƣớc đây mà là nhiều hƣớng, thậm chí luôn thay đổi cả về độ lớn và hƣớng công suất. Nguồn chính: nguồn chính cung cấp điện cho lƣới cho lƣới phân phối đƣợc chỉ định từ lƣới điện quốc gia đƣợc quy đổi về cấp điện áp trung thế cao nhất của lƣới phân phối. Trên sơ đồ nguyên lý một sợi (one line diagram) nguồn có thể đƣợc biểu diễn bởi một thanh cái (Bus) hay một ký hiệu theo tiêu chuẩn IEC nhƣ trên hình 1.4: Các thông số cơ bản của nguồn bao gồm: - Cấp điện áp định mức Uđm (kV): 110 kV, 35 kV, 22 kV - Công suất ngắn mạch SNM (MVA): 400 MVA - Tỷ số X/R Một hệ thống điện phân phối có thể bao gồm một hoặc hai nguồn chính tùy theo cấp độ tin cậy cần thiết.
Trong thực tế đó là các trạm biến áp trung gian biến đổi từ cấp điện áp 110 kV hoặc 220 kV xuống cấp điện áp phân phối. Nguồn phân tán (DG): trong lƣới phân phối còn có các nguồn phân tán khác, điển hình là: 8 1- Nguồn pin mặt trời: đó là các tổ hợp pin mặt trời kết hợp với biến tần DC/AC và máy biến áp tạo ra một nguồn cung cấp điện kết nối với lƣới phân phối. 2- Nguồn thủy điện nhỏ: đó là thủy điện nhỏ địa phƣơng kết nối trực tiếp với lƣới điện phân phối. 3- Nguồn máy phát điện sức gió: đó là turbine gió công suất nhỏ, có thể là đơn chiếc hay tổ hợp nhiều chiếc (Wind Farm) kết nối với lƣới phân phối.
4- Nguồn máy phát diesel: loại nguồn này chủ yếu đóng vai trò dự phòng và không thể thiếu đƣợc đối với các hộ dùng điện đòi hỏi cao về chất lƣợng điện năng cung cấp nhƣ: những nhà máy hay phân xƣởng sản xuất áp dụng công nghệ hiện đại, khách sạn, bệnh viện , nhà cao tầng,VV. 5- Kho điện (battery) kết hợp với biến tần DC/AC/DC: Loại nguồn này cũng đang đƣợc khuyến khích phát triển với vai trò nguồn dự phòng hoặc ứng dụng cho các giải pháp điều phối năng lƣợng hữu ích. Công nghệ điện mặt trời Điện mặt trời là việc chuyển đổi NLMT thành điện, hoặc trực tiếp bằng cách sử dụng quang điện, hoặc gián tiếp bằng cách hội tụ NLMT cung cấp cho thiêt bị gia nhiệt trong nhà máy nhiệt điện. Nhiệt điện mặt trời Các nhà máy điện mặt trời sử dụng kính, gƣơng và các hệ thống xoay hƣớng để tập trung ánh sáng mặt trời trên một phạm vi rộng để hội tụ lại thành một chùm nhiệt tập trung sau đó đƣợc sử dụng nhƣ một nguồn năng lƣợng cho một nhà máy nhiệt điện.
Một loạt các công nghệ tập trung đƣợc hình thành, trong đó phát triển nhất là máng parabol tập trung phản xạ tuyến tính Fresnel, hay đĩa Stirling và các tháp điện mặt trời. Có nhiều kỹ thuật điều khiển khác nhau đƣợc sử dụng để xoay hƣớngvà tập trung đón đƣợc bức xạ mặt trời một cách tốt nhất. Trong tất cả các hệ thống này một chất lỏng làm việc đƣợc làm nóng bởi NLMT tập trung, và sau đó đƣợc sử dụng để phát điện hoặc lƣu trữ năng lƣợng. Các nhà máy điện mặt trời tập trung thƣơng mại đƣợc phát triển đầu tiên vào những năm 1980 công suất 354 MW là nhà máy điện mặt trời lớn nhất trên thế giới 9 nằm ở sa mạc Mojave, California.
Các nhà máy điện mặt trời tập trung lớn khác nhƣ nhà máy điện mặt trời Solnova (150 MW),Andasol (100 MW), cả hai ở Tây Ban Nha, v. Pin mặt trời Đó là một dạng nguồn điện đƣợc phát triển mạnh trong thời gian gần đây, đầu thế kỷ 21. Tại những nơi có tiềm năng bức xạ mặt trời cao, tổ hợp các tấm pin mặt trời đƣợc thiết lập nhằm biến đổi quang năng của bức xạ mặt trời thành điện năng.5 giới thiệu một mô hình nhà máy phát điện pin mặt trời.5 Mô hình nhà máy điện pin mặt trời Pin mặt trời, sau đây gọi là nguồn PV (Photovoltaic), là phần tử bán dẫn quang có chứa trên bề mặt một số lƣợng lớn các linh kiện cảm biến ánh sáng là các dạng diode p-n, dùng biến đổi năng lƣợng ánh sáng thành năng lƣợng điện. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
Pin mặt trời phổ biến hiện nay đƣợc cấu thành từ các chất bán dẫn nhƣ Silicon, Germanium. Đồng thời, các nguyên tố nhƣ Boron, Photpho, Gallium, Cadmium và Tellurium cũng đƣợc sử dụng nhƣ các chất phụ gia để chế tạo pin mặt trời. Từ một PV cell riêng lẻ đƣợc sản xuất chỉ có điện áp danh định khoảng 0.5 V và hầu nhƣ không đƣợc áp dụng trực tiếp cho một hệ nguồn nào trong thực tế. Thay vào đó, các khối cơ bản đƣợc xây dựng cho các ứng dụng PV là một module bao gồm một số cell kết nối thành một khối có kết cấu cơ học chắc chắn, chịu đƣợc các 10 điều kiện thời tiết khắc nghiệt, thuận tiện cho việc vận chuyển và lắp đặt.
Để tăng công suất của PV, cần tổ hợp các midule hỗn hợp gồm nhiều mạch song song, trong mỗi mạch đƣợc cấu trúc bởi nhiều cell mắc nối tiếp. Dựa trên cơ sở này, các nhà sản xuất đã cho ra đời các module thƣơng mại có nhiều kích cỡ, công suất lắp đặt khác nhau giúp linh hoạt hơn trong quá trình sử dụng. Tƣơng tự nhƣ tổ hợp các cell thành module, các kỹ sƣ thiết kế sẽ tổ hopwj các module thành một khối nguồn mong muốn. Mỗi tổ hợp nhƣ vậy đƣợc gọi là một array.6 miêu tả các cell, module, và array.6 Tổ hợp pin mặt trời Mô hình khai thác nguồn PV trong hệ thống điện có thể đƣợc phân loại nhƣ sau: Bảng 1.
Một số mô hình khai thác nguồn PV Hình thức kết Miêu tả Áp dụng nối Kết nối trực tiếp Trong trƣờng hợp này, nguồn PV đƣợc Các phụ tải điện có nguồn PV với ghép trực tiếp với tải tiệu thụ mà không thể thực hiện dạng phụ tải điện cần bất cứ thiết bị hỗ trợ nào khác. cấp điện này thƣờng là máy bơm nƣớc, ắc quy, đèn chiếu sáng. Nguồn PV trong Mạng điện độc lập khai thác nguồn năng Mô hình này thƣờng 11 mạng điện độc lƣợng mặt trời thông qua pin quang điện áp dụng với các hộ lập với lƣới điện PV thƣờng kết hợp giữa bộ biến đổi với phụ tải nằm ở vị trí kho điện nhƣ ác quy, siêu tụ， pin nhiên xa lƣới điện nhƣ hải liệu (fuel cell) để cân bằng công suất giữa đảo, các khu vực địa nguồn và tải cũng nhƣ khắc phục nhƣợc lý đặc biệt xa xôi điểm của nguồn PV khi không có bức xạ hẻo lánh. mặt trời Nguồn PV kết Trong hệ nguồn pin mặt trời nối lƣới, Nguồn PV kết nối lƣới điện điện năng một chiều từ dàn pin mặt trời nối lƣới có thể đƣợc đƣợc biến đổi thành dòng điện xoay chiều khai thác với quy mô thông qua bộ biến đổi DC/DC và DC/AC.
lớn, kết hợp với lƣới và đƣợc hoà vào mạng lƣới điện công điện phân phối nhằm nghiệp.