Tổng quan nghiên cứu

Nguồn điện phân tán (Distributed Generation - DG) đang trở thành xu hướng phát triển quan trọng trong ngành điện, đặc biệt tại Việt Nam, nơi nhu cầu điện năng tăng nhanh cùng với sự phát triển kinh tế xã hội. Tính đến cuối năm 2009, tổng công suất DG lắp đặt tại Việt Nam đạt khoảng hơn 500 MW, trong đó thủy điện nhỏ và điện gió chiếm tỷ lệ lớn nhất. Theo đề án quy hoạch phát triển điện lực quốc gia đến năm 2025, mục tiêu phát triển DG là 4.051 MW, với giai đoạn 2006-2015 đạt 1.600 MW và giai đoạn 2016-2025 đạt 2.451 MW. Tỷ lệ DG trong tổng công suất dự kiến đạt 4,5% vào năm 2020, 6% vào năm 2030 và 11% vào năm 2050.

Tuy nhiên, việc kết nối các nguồn điện phân tán vào lưới điện phân phối, đặc biệt là lưới điện trung áp, đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật như biến động điện áp, ảnh hưởng đến hệ thống bảo vệ, và chất lượng điện năng. Thông tư 32/2010/TT-BCT của Bộ Công Thương quy định các yêu cầu kỹ thuật đối với nguồn điện phân tán đấu nối vào lưới điện trung áp, nhưng chưa đề cập đầy đủ đến các ảnh hưởng thực tế và giải pháp kỹ thuật toàn diện.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đánh giá các yêu cầu kỹ thuật khi kết nối nguồn điện phân tán với lưới điện phân phối tại Việt Nam, phân tích ảnh hưởng của DG đến lưới điện trung áp, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và đảm bảo chất lượng điện năng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các nguồn điện phân tán đấu nối vào lưới điện trung áp, với mô hình nghiên cứu thực tế tại trạm biến áp 110kV Phù Yên, tỉnh Sơn La.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc hoàn thiện khung lý thuyết và thực tiễn vận hành lưới điện phân phối có DG, đồng thời cung cấp tài liệu tham khảo hữu ích cho các đơn vị quản lý, vận hành và đầu tư phát triển nguồn điện phân tán trên toàn quốc.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về nguồn điện phân tán và lưới điện phân phối, bao gồm:

  • Định nghĩa và phân loại nguồn điện phân tán: DG được hiểu là các nguồn điện đấu nối trực tiếp vào lưới điện phân phối hoặc phía khách hàng, với công suất nhỏ hơn các nhà máy điện trung tâm, thường dưới 50 MW. Các loại DG phổ biến gồm động cơ đốt trong, tuabin khí, thủy điện nhỏ, năng lượng mặt trời, điện gió, pin nhiên liệu và điện sinh khối.

  • Đặc tính công suất của DG: Mô hình hóa DG theo đặc tính công suất tác dụng và phản kháng, gồm bốn loại mô hình chính: phát công suất tác dụng, phát công suất phản kháng, phát công suất tác dụng không phát công suất phản kháng, và phát đồng thời cả công suất tác dụng và phản kháng.

  • Ảnh hưởng của DG đến lưới điện phân phối: DG tác động đến chất lượng điện áp, cấu hình lưới, hệ thống bảo vệ, dòng ngắn mạch, và chất lượng điện năng. Các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế (IEEE, CIGRE, IEA) và quy định của một số quốc gia (Hoa Kỳ, Bắc Âu, Anh) được tham khảo để đánh giá yêu cầu kỹ thuật đấu nối DG.

  • Mô hình nghiên cứu lưới điện trung áp: Sử dụng mô hình lưới điện trung áp tại trạm biến áp 110kV Phù Yên với các nguồn thủy điện nhỏ đấu nối, làm cơ sở phân tích ảnh hưởng của DG.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực tế từ hệ thống điện tỉnh Sơn La, đặc biệt là trạm biến áp 110kV Phù Yên và các nhà máy thủy điện nhỏ Suối Sập 2 và Suối Sập 3. Dữ liệu phụ tải, thông số lưới điện, và đặc tính nguồn điện được lấy từ đề án quy hoạch phát triển điện lực tỉnh Sơn La giai đoạn 2011-2015.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm mô phỏng PSS/E để xây dựng mô hình lưới điện trung áp và thực hiện các phân tích ảnh hưởng của DG đến điện áp, dòng ngắn mạch, và hệ thống bảo vệ. Phân tích so sánh các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế và quy định Việt Nam để đánh giá tính phù hợp.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2012-2014, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp kỹ thuật.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình nghiên cứu tập trung vào lưới điện trung áp khu vực trạm biến áp 110kV Phù Yên với công suất MBA 2x16 MVA, có 4 xuất tuyến trung thế, trong đó có hai nhà máy thủy điện nhỏ đấu nối với tổng công suất 31,4 MW.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng đến điện áp lưới điện: Khi nhà máy thủy điện Suối Sập 2 (14,4 MW) và Suối Sập 3 (17 MW) phát công suất lớn nhất, điện áp tại các nút trên đường trục lộ 373 tăng lên đáng kể, vượt mức cho phép theo quy định hiện hành. Ví dụ, điện áp nút trên đường trục 373 có thể tăng đến +10% so với điện áp danh định, gây nguy cơ quá điện áp cho khách hàng sử dụng điện.

  2. Ảnh hưởng đến hệ thống bảo vệ: Sự xuất hiện của DG làm thu hẹp phạm vi bảo vệ của rơle do dòng ngắn mạch thay đổi, đặc biệt trong các trường hợp sự cố tại nút Đèo Chẹn. Dòng ngắn mạch tại đầu xuất tuyến 373 có thể tăng lên đến 25 kA, vượt quá khả năng chịu đựng của thiết bị bảo vệ hiện tại.

  3. Ảnh hưởng đến chất lượng điện năng: DG loại thủy điện nhỏ và điện gió có đặc tính công suất biến thiên theo mùa và thời gian trong ngày, gây dao động điện áp và nhấp nháy điện áp tại điểm đấu nối. Mức nhấp nháy điện áp Pst95% có thể đạt đến 1,0, gần giới hạn cho phép của tiêu chuẩn quốc tế.

  4. So sánh với các quy định kỹ thuật quốc tế: Quy định điện áp làm việc của Việt Nam (+10%/-5%) chưa phù hợp với đặc điểm vận hành lưới điện trung áp, trong khi các quốc gia như Hoa Kỳ, Anh và Bắc Âu quy định dải điện áp là +5%/-10%, giúp giảm thiểu hiện tượng quá điện áp và bảo vệ chất lượng điện năng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các ảnh hưởng trên là do đặc tính công suất biến thiên và vị trí đấu nối trực tiếp của DG vào lưới điện trung áp, làm thay đổi cấu trúc dòng điện và điện áp trong lưới. Việc quy định dải điện áp làm việc chưa phù hợp dẫn đến khó khăn trong vận hành và bảo trì lưới điện, đồng thời ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị và chất lượng điện năng cung cấp cho khách hàng.

So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả cho thấy Việt Nam cần điều chỉnh các tiêu chuẩn kỹ thuật để phù hợp với đặc điểm vận hành thực tế và xu hướng phát triển DG. Việc áp dụng các giải pháp kỹ thuật như điều chỉnh dải điện áp, nâng cấp hệ thống bảo vệ, và trang bị hệ thống điều khiển tự động sẽ giúp giảm thiểu các ảnh hưởng tiêu cực.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố điện áp nút trên đường trục lộ 373 trong các chế độ vận hành khác nhau, bảng so sánh dòng ngắn mạch và thời gian loại trừ sự cố, cũng như biểu đồ nhấp nháy điện áp tại điểm đấu nối DG.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh dải điện áp làm việc cho nguồn điện phân tán đấu nối vào lưới trung áp

    • Giảm dải điện áp cho phép từ +10%/-5% xuống còn +5%/-10% để phù hợp với đặc điểm vận hành lưới trung áp và giảm nguy cơ quá điện áp.
    • Thời gian thực hiện: 1-2 năm.
    • Chủ thể thực hiện: Bộ Công Thương phối hợp với các đơn vị quản lý lưới điện.

  2. Nâng cấp hệ thống bảo vệ và phối hợp bảo vệ rơle

    • Trang bị các thiết bị bảo vệ hiện đại có khả năng nhận biết và xử lý dòng ngắn mạch thay đổi do DG, đảm bảo tách lưới kịp thời khi có sự cố.
    • Thời gian thực hiện: 2-3 năm.
    • Chủ thể thực hiện: Các công ty điện lực và nhà đầu tư DG.

  3. Triển khai hệ thống điều khiển và giám sát SCADA/DMS tích hợp cho DG

    • Lắp đặt hệ thống SCADA/DMS tương thích, kết nối trực tiếp với hệ thống điều khiển của đơn vị phân phối để giám sát và điều khiển công suất DG theo yêu cầu vận hành.
    • Thời gian thực hiện: 1-2 năm.
    • Chủ thể thực hiện: Đơn vị phân phối điện và chủ đầu tư DG.

  4. Xây dựng chính sách hỗ trợ kỹ thuật và tài chính cho phát triển DG bền vững

    • Ban hành các chính sách ưu đãi, trợ giá, và hướng dẫn kỹ thuật nhằm khuyến khích phát triển DG sử dụng năng lượng tái tạo, đồng thời đảm bảo an toàn và chất lượng lưới điện.
    • Thời gian thực hiện: liên tục, cập nhật theo tiến độ phát triển DG.
    • Chủ thể thực hiện: Chính phủ, Bộ Công Thương, các cơ quan quản lý năng lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện

    • Lợi ích: Hiểu rõ các yêu cầu kỹ thuật và ảnh hưởng của DG để xây dựng chính sách phát triển nguồn điện phân tán phù hợp, đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành hệ thống điện quốc gia.

  2. Các đơn vị vận hành và quản lý lưới điện phân phối

    • Lợi ích: Nắm bắt các tiêu chuẩn kỹ thuật, giải pháp vận hành và bảo vệ lưới điện có DG, từ đó nâng cao chất lượng cung cấp điện và giảm thiểu sự cố.

  3. Chủ đầu tư và nhà phát triển dự án nguồn điện phân tán

    • Lợi ích: Hiểu rõ các yêu cầu kỹ thuật đấu nối, các ảnh hưởng đến lưới điện và các giải pháp kỹ thuật cần thiết để thiết kế, vận hành dự án hiệu quả, tuân thủ quy định.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện

    • Lợi ích: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về nguồn điện phân tán, mô hình nghiên cứu, phân tích ảnh hưởng và các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế, phục vụ cho nghiên cứu và học tập.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nguồn điện phân tán là gì và có những loại nào phổ biến?
    Nguồn điện phân tán là các nguồn điện đấu nối trực tiếp vào lưới điện phân phối hoặc phía khách hàng, với công suất nhỏ hơn các nhà máy điện trung tâm. Các loại phổ biến gồm động cơ đốt trong, tuabin khí, thủy điện nhỏ, năng lượng mặt trời, điện gió, pin nhiên liệu và điện sinh khối.

  2. Tại sao cần điều chỉnh dải điện áp làm việc cho nguồn điện phân tán đấu nối vào lưới trung áp?
    Dải điện áp hiện hành (+10%/-5%) chưa phù hợp với đặc điểm vận hành lưới trung áp, gây nguy cơ quá điện áp và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Điều chỉnh dải điện áp xuống +5%/-10% giúp giảm thiểu các vấn đề này, nâng cao độ ổn định và an toàn cho lưới điện.

  3. Ảnh hưởng chính của nguồn điện phân tán đến hệ thống bảo vệ lưới điện là gì?
    DG làm thay đổi dòng ngắn mạch và cấu hình dòng điện trong lưới, thu hẹp phạm vi bảo vệ của rơle, có thể gây ra hiện tượng bảo vệ không chính xác hoặc chậm trễ. Do đó cần nâng cấp hệ thống bảo vệ để phối hợp tốt với DG.

  4. Làm thế nào để giám sát và điều khiển nguồn điện phân tán hiệu quả?
    Việc trang bị hệ thống SCADA/DMS tích hợp, kết nối trực tiếp với hệ thống điều khiển của đơn vị phân phối, cho phép giám sát liên tục và điều chỉnh công suất DG theo yêu cầu vận hành, đảm bảo ổn định lưới điện.

  5. Việt Nam có tiềm năng phát triển nguồn điện phân tán nào trong tương lai?
    Việt Nam có tiềm năng lớn phát triển thủy điện nhỏ, điện gió, năng lượng mặt trời, điện sinh khối và pin nhiên liệu. Các nguồn này phù hợp với điều kiện địa lý và nhu cầu điện năng, góp phần đa dạng hóa nguồn cung và bảo vệ môi trường.

Kết luận

  • Nguồn điện phân tán đóng vai trò quan trọng trong phát triển hệ thống điện Việt Nam, với tổng công suất dự kiến đạt hơn 4.000 MW đến năm 2025.
  • Việc kết nối DG vào lưới điện trung áp gây ra các ảnh hưởng đáng kể đến điện áp, hệ thống bảo vệ và chất lượng điện năng, đòi hỏi có các quy định kỹ thuật phù hợp và giải pháp kỹ thuật toàn diện.
  • Quy định hiện hành về dải điện áp làm việc và hệ thống bảo vệ cần được điều chỉnh để phù hợp với đặc điểm vận hành thực tế và tiêu chuẩn quốc tế.
  • Các giải pháp kỹ thuật như nâng cấp hệ thống bảo vệ, triển khai SCADA/DMS tích hợp và điều chỉnh tiêu chuẩn kỹ thuật là cần thiết để đảm bảo vận hành an toàn, ổn định.
  • Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc hoàn thiện chính sách, tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng phát triển nguồn điện phân tán tại Việt Nam trong giai đoạn tới.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và đơn vị liên quan nên phối hợp triển khai nghiên cứu mở rộng, cập nhật tiêu chuẩn kỹ thuật và áp dụng các giải pháp kỹ thuật đề xuất nhằm thúc đẩy phát triển nguồn điện phân tán bền vững, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.