CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ DG 1.1 Tổng quan về lưới điện phân phối: 1.1 Đặc điểm lưới điện phân phối: Lưới điện phân phối là khâu cuối cùng của hệ thống điện để đưa điện năng trực tiếp đến người tiêu dùng. Lưới điện phân phối bao gồm lưới trung áp và hạ áp. Đường dây truyền tải thường được vận hành mạch vòng hay hình tia, còn các đường dây phân phối điện luôn được vận hành hở trong mọi trường hợp. Nhờ cấu trúc vận hành hở mà hệ thống relay bảo vệ chỉ cần sử dụng loại relay quá dòng.
Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, hầu hết các tuyến dây đều có các mạch vòng liên kết với các đường dây kế cận được cấp điện từ một trạm biến áp trung gian khác hay từ chính trạm biến áp có đường dây bị sự cố. Việc khôi phục lưới được thực hiện thông qua các thao tác đóng/cắt các thiết bị bảo vệ hiện có trên lưới hoặt sử dụng các nguồn phân tán hiện có trong khu vực. Một đường dây phân phối luôn có nhiều loại phụ tải khác nhau (ánh sáng sinh hoạt, thương mại dịch vụ, công nghiệp …) và các phụ tải này được phân bố không đồng đều giữa các đường dây. Mỗi loại tải lại có thời điểm đỉnh tải khác nhau và luôn thay đổi trong ngày, trong tuần và trong từng mùa.
Vì vậy, trên các đường dây, đồ thị phụ tải không bằng phẳng và luôn có sự chênh lệch công suất tiêu thụ. Điều này gây ra quá tải đường dây và làm tăng tổn thất trên lưới điện phân phối. Để chống quá tải đường dây và giảm tổn thất, ngoài việc thay đổi cấu trúc lưới điện vận hành bằng các thao tác đóng/cắt các cặp khoá điện hiện có trên lưới thì việc sử dụng các nguồn phân tán là một trong những giải pháp cần xem xét. Vì vậy, trong quá trình thiết kế các loại khoá điện (Recloser, LBS, DS…) sẽ được lắp đặt tại các vị trí có lợi nhất để khi thao tác đóng/cắt các khoá này vừa có thể giảm chi phí 1 vận hành và vừa giảm tổn thất năng lượng đồng thời kết hợp để kết nối với các nguồn phân tán khi cần thiết.
Bên cạnh đó, trong quá trình phát triển, phụ tải liên tục thay đổi, vì vậy xuất hiện nhiều mục tiêu vận hành lưới điện phân phối để phù hợp với tình hình cụ thể. Tuy nhiên, các điều kiện vận hành lưới phân phối luôn phải thoả mãn các điều kiện: - Cấu trúc vận hành hở. - Đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện, sụt áp trong phạm vi cho phép. - Các hệ thống bảo vệ hoạt động tin cậy.
- Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải. Các đặc điểm chính của lưới điện phân phối: - Điện áp định mức từ 6 đến 35kV. - Kết nối với lưới truyền tải thông qua các trạm trung gian hoặc các trạm khu vực. - Tổn thất công suất trên lưới phân phối chiếm khoảng 5-7% tổng công suất của hệ thống.
- Tổng chiều dài và số lượng máy biến áp chiếm tỷ lệ lớn trong toàn hệ thống.2 Nhiệm vụ của lưới điện phân phối: - Cung cấp phương tiện để truyền tải năng lượng điện đến hộ tiêu thụ. - Cung cấp phương tiện để các công ty điện lực có thể bán điện. - Đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện. - Đảm bảo các thông số vận hành trong giới hạn cho phép.
- Các hệ thống bảo vệ hoạt động tin cậy. - Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải. Các nghiên cứu [6] đã chỉ ra rằng kết nối nguồn điện phân tán sẽ mang lại nhiều hiệu quả thiết thực khi tham gia hệ thống phân phối, khi sử dụng DG sẽ góp phần giảm bớt gánh nặng công suất vào giờ cao điểm, giảm tổn thất trên đường dây, cải thiện chất lượng điện năng, nâng cao độ tin cậy và thân thiện với môi trường. Nó còn góp phần vào việc giảm áp lực đầu tư cải tạo lưới điện hiện hữu, giảm chi phí nhiên liệu, chi phí vận hành và đáp ứng tốt về khả năng dự phòng cho hệ thống.
Tổng quan về DG Khi nghiên cứu về DG có rất nhiều định nghĩa khác nhau, chủ yếu xoay quanh về đề kích cỡ và chủng loại, sau đây là một số định nghĩa về DG:[5] - Theo Hội đồng Quốc tế về các các hệ thống điện lớn (CIGRE): các nguồn điện không phải là nguồn trung tâm, được đặt gần phụ tải và nối vào mạng điện phân phối, có công suất nhỏ hơn 100MW gọi là DG. - Ban Năng lượng Mỹ (DOE): dg là các máy phát có công suất từ vài kW đến vài chục MW. Bao gồm: máy phát điện Biomass, turbine khí, pin năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu, turbine gió.và các công nghệ tích trữ năng lượng. - Viện Nghiên cứu năng lượng điện Mỹ (EPRI): DG là các máy phát có công suất từ vài kW đến 50MW vá các thiết bị tích trữ năng lượng đặt gần phụ tải, mạng phân phối hoặc truyền tải phụ dưới dạng những nguồn năng lượng phân tán.
- Thụy Điển xem các máy phát có công suất dưới 1500kW là DG. - Trong thị trường điện nước Anh và xứ Wales: một nhà máy điện có công suất nhỏ hơn 100MW không được gọi là nguồn điện tập trung. Như vậy DG được xem là các máy phát có công suất nhỏ hơn 100MW. - Ở Úc: máy phát có công suất dưới 30MW gọi là DG.
- New Zealand: các máy phát có công suất dưới 5MW được gọi là DG. Một số công nghệ DG: 1. Pin mặt trời (photovoltaic –PV) Các hệ thống pin mặt trời chuyển đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành điện năng mà không cần đến quá trình đốt cháy hoặc tiêu thụ nhiện liệu. Công nghệ này có chi phí vận hành và bảo trì rất thấp.
Công nghệ PV được sử dụng phổ biến cho các tòa nhà độc lập và các hệ thông thông tin, nó được xem như một công nghệ tốt nhất cho các căn hộ và các ứng dụng thương mại nhỏ. Tuy nhiên hiện tại giá thành sản xuất điện năng từ PV là khá cao cho nên nó chỉ có thể cạnh tranh được ở những nơi yêu cầu cao về độ tin cậy và thân thiện với môi trường. Hệ thống PV có thể vận hành độc lập hoặc kết nối trực tiếp vào mạng phân phối. Pin mặt trời 1.
Pin nhiên liệu (Fuel cell –FC) Các pin nhiên liệu có thể chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng mà không cần đến quá trình đốt cháy. Công nghệ FC có ưu điểm là độ ồn thấp, cấu tạo nguyên khối, lượng khí thải thấp (SO, CO) và có độ tin cậy cao. Pin nhiên liệu Nhiên liệu chủ yếu dùng cho FC là hydro từ khí tự nhiên. Việc khởi động FC cần thời gian từ 1 đền 4 giờ do vậy nó không phù hợp cho dự phòng nóng và chỉ thích hợp cho chạy nền đối với các phụ tải cần độ tin cậy cung cấp điện cao.
Hiện tại chi phí lắp đặt FC vẫn còn ở mức khá cao và cần phải có bộ chuyển đổi dòng diện để chuyển từ dòng DC sang AC. FC có thể vận hành độc lập hoặc kết nối với mạng phân phối tùy theo mục đích sử dụng. Máy phát turbine gió (Wind turbine – WT) Công nghệ sản xuất điện năng từ năng lượng gió sử dụng các turbine khí động, được chia ra các cấp như sau [5]: Hệ thống mini công suất nhỏ hơn 10kW Hệ thống nhỏ có công suất từ10kW đến 100kW 4 Hệ thống trung bình có công suất từ100kW đến 500kW Hệ thống lớn có công suất trên 500kW Công nghệ thích hợp với khu vực nông thôn, vùng biển là những nơi có nguồn năng lượng gió dồi dào và mạng điện phân phối còn thưa thớt. Máy phát động cơ đốt trong (Internal Combustion Engines – ICE) Công nghệ dùng động cơ đốt trong (ICE) để sản xuất điện năng có thể nói là lâu đời nhất.
Công nghệ này sử dụng chu trình đốt cháy dầu diesel và gas để tạo lực cơ học, lực này quay máy phát điện để sản xuất ra điện năng, chi phí lắp đặt ICE tượng đối thấp và cho hiệu suất tương đối cao (khoảng 36 - 42% đối với máy phát diesel và 28 - 42% đối với máy phát sử dụng gas). Thời gian khởi động máy nhỏ ( khoảng 10s) thích hợp với phần tải đỉnh của hệ thống. Ưu điểm của ICE là giá rẻ và tính sẳn sàng của dịch vụ cũng như khả năng bảo trì sửa chữa dể dàng. Tuy nhiên vướng mắc lớn nhất đối với công nghệ ICE là vấn đề chất thải, nó ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe và môi trường, mặt khác vấn đề tiếng ồn cũng gây nên hạn chế cho ứng dụng của ICE.
Turbine khí (Combustion Turbine – CT) Turbine khí được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong ngành công nghiệp điện năng. Công suất của CT từ 500kW đến 265MW. Đối với CT công suất nhỏ hiệu suất chỉ đạt 15 – 17%, với công suất khoảng 30MW hiệu suất khoảng 45%. Hiệu suất của CT tăng khi vận hành đầy tải.
Ưu thế của CT là chi phí lắp đặt thấp, nguồn nhiên liệu tương đối rẻ, hiệu suất cao và thời gian lắp đặt ngắn. Thủy điện nhỏ Thủy điện là nguồn năng lượng tái tạo tương đối sạch, ít gây ô nhiễm và giá thành phát điện thấp. Tuy nhiên xét về lâu dài, thủy điện sẽ tác động không nhỏ tới hệ sinh thái, làm biến đổi dòng chảy, ảnh hưởng đến đời sống của một các khu dân cư phía hạ lưu. Xu hướng trên thế giới hiện nay là không xây dựng các thủy điện lớn mà chỉ chỉ khai thác ở mức độ nhỏ và cực nhỏ để quá trình phát triển bền vững hơn.
Thủy điện nhỏ Mạng chuyên đề về Thuỷ điện nhỏ (Thematic Network on Small Hydropower – TNSHP), do Hiệp hội Thủy điện nhỏ châu Âu (ESHA) lập, cho biết hiện nay ở EU15 có 14.000 công trình thủy điện nhỏ, với công suất trung bình của mỗi trạm là 0,7 MW, so với 2.800 công trình tại EU10 (10 nước gia nhập Liên minh châu Âu vào năm 2004) có công suất trung bình của mỗi trạm chỉ là 0,3 MW. Vào cuối năm 2005, tổng công suất phát của 6 thuỷ điện nhỏ của EU15 là 11.601 MW, trong đó chỉ riêng 6 nước đã chiếm đến 84,5%: Italia (2.060 MW), Tây Ban Nha (1.062 MW) và Thụy Điển (905 MW). Năng lượng mặt trời Đối với các nước nằm trong vùng nhiệt đới, số giờ nắng trung bình khoảng 2000-2500 giờ/năm với tổng năng lượng bức xạ mặt trời trung bình khoảng 150kCal/cm2/năm. Tuy nhiên nguồn năng lượng này chưa được khai thác triệt để do những hạn chế về công nghệ và giá thành đầu tư.