CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN 1. Định nghĩa và phân loại nguồn điện phân tán 1. Định nghĩa nguồn điện phân tán Tại Việt Nam, khái niệm nguồn điện phân tán đã xuất hiện trong một số bài báo, nghiên cứu khoa học chuyên ngành cũng như trong luận án tốt nghiệp đại học và sau đại học. Tuy nhiên các tác giả đều chưa đưa ra được định nghĩa về khái niệm này.
Hiện nay trên thế giới cũng chưa có định nghĩa thống nhất về nguồn điện phân tán. Một số quốc gia định nghĩa nguồn điện phân tán là nguồn điện theo các thông số cơ bản như: “nguồn điện phân tán là nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo, không điều khiển tập trung…”; hoặc một số khác căn cứ theo cấp điện áp mà nguồn điện đó đấu nối vào: “nguồn điện phân tán là nguồn điện đấu nối vào lưới điện cung cấp trực tiếp cho phụ tải khách hàng”. 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.
- 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 trrong 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. 4 Như vậy, những định nghĩa về nguồn điện phân tán thường căn cứ vào quy mô công suất và cấp điện áp đấu nối.
Do chưa có sự thống nhất về quy mô công suất cũng như cấp điện áp đấu nối nên một định nghĩa tổng quan về nguồn điện phân tán là cần thiết. Gần đây, định nghĩa nguồn điện phân tán là nguồn điện đấu nối trực tiếp vào lưới điện phân phối hoặc đấu nối vào lưới điện của phía khách hàng (so với điểm đặt thiết bị đo đếm) được chấp nhận rộng rãi và phổ biến. Do định nghĩa này xem xét nguồn điện phân tán về vị trí nguồn điện trong hệ thống điện và điểm đấu nối của nguồn điện hơn là xem xét đến quy mô công suất của nguồn điện nên có tính khái quát cao cũng như bao trùm được những đặc điểm kĩ thuật của từng loại nguồn điện này. Định nghĩa này về nguồn điện phân tán được sử dụng trong các nghiên cứu của đề tài.
Đặc tính công suất của nguồn điện phân tán Với đặc tính phụ thuộc tự nhiên nên công nghệ phát điện của các DG cũng khác nhau và có những ảnh hưởng khác nhau đến LĐPP. Để thể hiện sự khác nhau này, nguồn DG thường sẽ được mô hình hoá khi tính toán. Trong các đánh giá sơ bộ, người ta thường mô hình hoá DG theo đặc tính công suất dạng đơn giản, có 4 loại mô hình như sau: - Loại mô hình thứ nhất: chỉ phát công suất tác dụng P, chẳng hạn các tấm pin quang điện; - Loại mô hình thứ hai: chỉ phát công suất phản kháng, làm việc giống như máy bù đồng bộ. - Loại mô hình thứ ba: phát công suất tác dụng P nhưng không phát công suất phản kháng Q, thậm chí tiêu thụ công suất phản kháng (các tuabin gió).
- Loại mô hình thứ tư: phát đồng thời cả công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q (các DG sử dụng máy phát điện đồng bộ như: thuỷ điện nhỏ, Điezel, Biomass. Với các đặc tính trên dễ thấy: DG sẽ có những ảnh hưởng khác nhau đối với LĐPP. Chẳng hạn với các DG loại thứ nhất và thứ ba thì chúng có thể gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện áp. Còn với mô hình loại 2 và mô hình 4, tuy DG có tác dụng nhất định trong cải thiện chất lượng điện áp, nhưng lại có ảnh 5 hưởng đến cấu hình chung của LĐPP trước và sau khi kết nối DG.
Phân loại nguồn phân tán Các loại nguồn phân tán sử dụng nhiều công nghệ khác nhau, trong đó công nghệ sử dụng máy phát truyền thống đã được hoàn thiện như động cơ đốt trong, tua- bin khí…và các công nghệ khác đang được phát triển như pin nhiên liệu, pin mặt trời, tua-bin gió… Mỗi loại nguồn phân tán đều có những ưu điểm, hạn chế về đặc tính kỹ thuật và tính kinh tế. Việc lựa chọn công nghệ là nhân tố chính để quyết định về công suất và vị trí lắp đặt của nguồn phân tán. Dưới đây là phân loại một số nguồn điện phân tán chính hiện có trên thế giới [hình 1. Phần lớn những loại nguồn điện này đã xuất hiện và đang được phát triển trong hệ thống điện của Việt Nam.1: Sơ đồ phân loại các loại nguồn phân tán 6 1.
Các công nghệ phát điện phân tán 1. Tổ hợp máy phát điện - động cơ đốt trong Động cơ pittông, công nghệ đầu tiên của các loại nguồn phân tán, được phát triển hơn 100 năm, được tiêu thụ nhanh trên thị trường bởi có tính cạnh tranh và độ tin cậy cao, tuổi thọ lớn và ít bảo dưỡng. Động cơ đốt trong được sử dụng rộng rãi, có công suất từ vài chục kW cho tới 60MW. Nhược điểm lớn nhất của động cơ này là tiếng ồn, chi phí bảo dưỡng lớn và khí thải lớn.
Lượng phát thải này có thể giảm được bằng cách thay đổi đặc tính đốt của động cơ. Chi phí lắp đặt và vận hành của động cơ này phụ thuộc vào lượng khí phát thải muốn cắt giảm. Động cơ đốt trong là công nghệ đã được kiểm chứng qua thực tế với tính cạnh tranh cao, dải công suất rộng, có khả năng khởi động nhanh, hiệu suất cao (lên tới 43% cho các hệ thống diesel lớn, 80% đối với micro tuabin), và độ tin cậy cao trong vận hành. Hầu hết các động cơ đốt trong sử dụng cho việc phát điện đều dùng động cơ bốn kỳ.
Các động cơ này sử dụng khí tự nhiên, khí biogas hoặc dầu diesel làm nhiên liệu. Nguồn điện có động cơ sử dụng khí tự nhiên có hiệu suất cao và phát thải ít khí NO x hơn động cơ dùng dầu diesel. Mô hình tổ máy phát điện điêzen Nguồn: Internet 7 Loại nguồn điện này hiện nay được sử dụng rộng rãi trong cả nước trong đó chủ yếu đóng vai trò là nguồn điện dự phòng hoặc cấp điện cho khu vực chưa có điện lưới quốc gia (khu vực hải đảo…). Một số ít nguồn điện này được đấu nối vào lưới điện trung áp có khả năng hoạt động song song với lưới điện khu vực tại một số thời điểm phụ tải đỉnh theo yêu cầu của đơn vị phân phối điện.
Một số đặc tính của máy phát điện sử dụng động cơ đốt trong: - Hiệu suất cao, chi phí đầu tư thấp và chi phí sản xuất điện cạnh tranh so với nhiều loại công nghệ sử dụng trong nguồn phân tán khác. - Thời gian khởi động ngắn nên có thể sử dụng để phủ đỉnh đồ thị phụ tải hoặc thích hợp cho dự phòng quay. - Phát thải khí CO và NOx nhiều hơn so với tuabin khí. - Chất lượng điện năng không được cao.
- Có khả năng hoạt động độc lập và có khả năng khởi động “đen” (black start). Tổ hợp máy phát điện – tuabin khí Tuabin khí là các thiết bị sử dụng không khí nén dưới áp suất cao kết hợp với nhiên liệu khí hoặc nhiên liệu lỏng được đánh lửa tạo thành hỗn hợp cháy dưới nhiệt độ và áp suất cao. Hỗn hợp này được phun trực tiếp vào các cánh tuabin để làm quay máy phát điện. Loại tuabin khí này được phát triển đầu tiên cho các động cơ máy bay, sau đó được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy nhiệt điện.
Đặc biệt là công nghệ chu trình nhiệt điện hỗn hợp. Nhiên liệu của máy phát điện tuabin khí có thể là khí tự nhiên, dầu diezel, khí biogas (khí sinh học)… Hiệu suất của các loại tuabin khí phụ thuộc vào chế độ hoạt động. Hiệu suất cao nhất khi tuabin khí làm việc ở chế độ phụ tải cực đại và giảm dần khi phụ tải giảm. Khi giá thành của các nhiên liệu khí rẻ, các tuabin khí chu trình hỗn hợp được sử dụng để phủ đáy của đồ thị phụ tải.
Mô hình máy phát điện tuabin khí chu trình hỗn hợp Nguồn: Internet Hiện nay ngoài các nhà máy nhiệt điện khí lớn có vị trí quan trọng trong hệ thống điện Việt Nam, chưa có nguồn điện sử dụng máy phát điện tuabin khí quy mô vừa và nhỏ. Tuy nhiên, với việc phát triển nguồn chăn nuôi tập trung thì khả năng phát triển nguồn điện sử dụng máy phát điện tuabin khí với nhiên liệu sơ cấp là khí sinh học là hoàn toàn khả thi trong tương lai không xa. Một số đặc tính của máy phát điện tuabin khí: - Chi phí lắp đặt thấp, chi phí nhiên liệu hợp lý. - Lượng khí phát thải nhỏ.
- Thích hợp cho chu trình nhiệt điện hỗn hợp - Thời gian khởi động, thay đổi công suất nhỏ. - Hiệu suất điện thấp hơn nhiều so với hiệu suất của cả chu trình nhiệt điện hỗn hợp. Thủy điện nhỏ Nhà máy thủy điện nhỏ biến đổi năng lượng thế năng của nước thành cơ năng quay tuabin máy phát để sản xuất ra điện. Công suất điện được tạo ra bởi thế năng của nước được tính theo công thức: P = η.H Trong đó: P là công suất điện được tạo ra; η là hiệu suất tuabin; ρ là khối lượng riêng của nước, kg/m 3; g là gia tốc trọng trường, m/s2; Q là lưu lượng dòng chảy trên một đơn vị thời gian, m3/s; H là độ cao mực nước, m.
Có nhiều loại tuabin khác nhau được sử dụng trong nhà máy thủy điện nhỏ như là Pelton, Turgo, Crossflow, Francis và Kaplan. Mỗi loại được sử dụng với một độ cao mặt nước khác nhau để đảm bảo tốc độ quay thích hợp của tuabin máy phát.