Nghiên cứu yêu cầu kỹ thuật khi đấu nối nguồn điện phân tán vào lưới điện trung áp

1 BÁO CÁO KHOA HỌC TỔNG KẾT ĐỀ TÀI I-173 “Nghiên cứu yêu cầu kỹ thuật khi đấu nối nguồn điện phân tán vào lưới điện trung áp” ThS. Lê Việt Cường – Phòng phát triển HTĐ, Viện Năng lượng Tóm tắt: Đề tài này sẽ đưa ra những đề xuất đối với yêu cầu kỹ thuật khi đấu nối nguồn điện phân tán vào lưới điện trung áp trong hệ thống điện Việt Nam. Phần đầu giới thiệu tổng quan về các loại nguồn điện phân tán chính hiện có trên thế giới, một số đặc điểm chính của những loại nguồn điện này và sự xuất hiện của chúng trong hệ thống điện Việt Nam. Phần tiếp theo sẽ trình bày lợi ích, ảnh hưởng về kĩ thuật của nguồn điện phân tán đến hệ thống điện. Sau đó, những yêu cầu kỹ thuật đối với nguồn điện phân tán đấu nối vào lưới điện trung áp của Việt Nam, các nước Bắc Âu, Hoa Kỳ, Anh và một số quốc gia khác được giới thiệu, so sánh và đánh giá. Đề tài nghiên cứu hoạt động của nguồn điện phân tán tại Việt Nam với mô hình được lựa chọn là nguồn thủy điện nhỏ trong lưới phân phối trung áp. Trong đó, tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đến chất lượng điện áp và hệ thống bảo vệ của lưới điện trung áp. Từ các kết quả nghiên cứu, đề tài đưa ra một số kiến nghị, đề xuất đối với yêu cầu kỹ thuật khi đấu nối nguồn điện phân tán vào lưới điện trung áp. 1. Cơ sở và lý do thực hiện đề tài Hiện nay nguồn điện từ năng lượng tái tạo đấu nối vào lưới trung áp (trong đó chủ yếu là nhà máy thủy điện nhỏ) đang phát triển nhanh và rộng trên phạm vi toàn quốc. Thông tư số 32/2010/TT-BCT của Bộ Công Thương ban hành ngày 30 tháng 7 năm 2010 về “Quy định hệ thống điện phân phối” cũng đưa ra những quy định kĩ thuật vận hành nguồn điện trong lưới trung áp đối với tần số, điện áp và bảo vệ hệ thống điện. Tuy nhiên quy định này chưa yêu cầu xem xét cụ thể đến sự thay đổi và những ảnh hưởng khi đấu nối nguồn điện phân tán vào lưới điện trung áp. Trong khi thực tế một số nhà máy thuỷ điện nhỏ vận hành đấu nối vào lưới trung áp đang gây nên những ảnh hưởng đến lưới điện phân phối như điện áp trên lưới tăng cao, thu hẹp pham vi bảo vệ của rơ-le... Trong nước một số bài báo, nghiên cứu khoa học và luận án tốt nghiệp sau đại học cũng đã bước đầu đề cập đến ảnh hưởng của nguồn điện khi đấu nối vào lưới điện trung áp. Những tài liệu này chủ yếu tập trung nghiên cứu tác động của nguồn điện đến ổn định điện áp và tổn thất công suất trên lưới điện khi đấu nối vào lưới trung áp. Các nghiên cứu này chưa phân tích, đánh giá đầy đủ những ảnh hưởng khác của nguồn điện khi đấu nối vào lưới trung áp cũng như chưa đưa ra những giải pháp có tính chất toàn diện, lâu dài. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của nguồn điện khi đấu nối vào lưới điện phân phối nói chung và lưới điện trung áp nói riêng. Các nghiên cứu này thường giải quyết những vấn đề của từng quốc gia, từng khu vực hoặc dự án cụ thể. Nhiều quốc gia đã có những yêu cầu kĩ thuật riêng, chi tiết đối với nguồn điện đấu nối vào lưới điện phân phối theo từng cấp điện áp (110kV, trung áp và hạ áp) hoặc quy mô công suất của nguồn điện. Do đó, cần thiết phải có nghiên cứu hoạt động của nguồn điện phân tán trong lưới điện trung áp Việt Nam. Từ đó có thể đưa ra những kiến nghị, đề xuất đối với yêu cầu kĩ thuật khi đấu nối nguồn điện phân tán nhằm giải quyết và hạn chế ảnh hưởng của nguồn điện này đối với lưới điện trung áp trên phạm vi toàn quốc, trong hiện tại cũng như tương lai. 2. Phương pháp nghiên cứu và kết quả đạt được Bằng phương pháp mô phỏng mô hình bằng phần mềm PSS/E (từ mô hình thực tế là hoạt động của những thủy điện nhỏ khu vực Tiên Yên, Bình Liêu tỉnh Quảng Ninh trong lưới trung áp) kết hợp với thống kê, phân tích đề tài đã đạt được những kết quả sau: 2 Điện áp KV a) Đấu nối nguồn điện phân tán vào lưới điện trung áp có thể gây quá điện áp trên lưới trong một số chế độ vận hành nếu chưa lắp đặt thêm thiết bị điều chỉnh điện áp trên lưới hoặc quy định về giới hạn trên điện áp của nguồn điện khi vận hành quá cao. Hình 2.1: Phân bố điện áp nút trên đường trục 35kV khi TĐ Khe Soong phát công suất lớn nhất năm 2010 Hình 2.2: Phân bố điện áp nút trên đường trục 35kV khi thêm một số TĐ nhỏ phát công suất lớn nhất năm 2015 Thực tế vận hành và qua kết quả tính toán cho thấy, nguồn thủy điện nhỏ đã đóng góp vai trò hết sức quan trọng đối với lưới điện trung áp của khu vực Tiên Yên. Khi nhà máy thủy điện Khe Soong vận hành, độ tin cậy cung cấp điện cho cả khu vực được nâng cao, chất lượng điện áp trên lưới trung áp được cải thiện rõ rệt. Tuy nhiên, đến thời điểm năm 2015 khi một số nhà máy thủy điện khác cũng đi vào vận hành thì trong chế độ bình thường và chế độ phụ tải cực tiểu, khi huy động phát công suất cao của các nhà máy thủy điện trên lưới trung áp tại một số nút xảy ra hiện tượng quá điện áp khiến điện áp vượt ngưỡng cho phép. Để khắc phục ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đến điện áp trên lưới trung áp đặc biệt trong chế độ phụ tải cực tiểu ngoài việc yêu cầu các nhà máy điện cần phải trang bị hệ thống điều khiển dòng kích từ đủ mạnh còn có thể áp dụng thêm một số giải pháp khác. Các giải pháp này có thể là giải pháp tìm điểm mở trên lưới để nguồn điện 3 phân tán vận hành độc lập, giải pháp lựa chọn điểm đấu nối tối ưu trên lưới điện trung áp khu vực theo phương pháp di truyền, giải pháp lắp đặt thiết bị FACTS trên lưới phân phối (D-FACTS). Nhưng quan trọng nhất cần phải quy định dải điện áp làm việc trong chế độ bình thường của nguồn điện cũng như yêu cầu các nhà máy thủy điện nhỏ phải trang bị hệ thống thông tin liên lạc, điều khiển giám sát để đơn vị điều độ, vận hành lưới điện trung áp có khả năng đưa ra những thao tác kịp thời. b) Nguồn điện phân tán đấu nối vào lưới điện trung áp còn có thể làm mất tính chọn lọc của hệ thống rơ-le bảo vệ hiện có. Bảng 2.1: Dòng ngắn mạch trên xuất tuyến 371 TBA 110kV Tiên Yên khi có sự cố tại nút Tiên Yên, Đầm Hà năm 2015 TT Loại sự cố Inm trên ĐZ 371 khi có nguồn TĐ nhỏ (A) 1 Nm 3 pha nút Tiên Yên 528,8 2 Chạm đất 1 pha nút Tiên Yên 353,3 3 Nm 3 pha nút Đầm Hà 458,8 4 Chạm đất 1 pha nút Đầm Hà 303,4 Kết quả tính toán cho thấy, khi có sự cố bất kì trên xuất tuyến 373 và xuất tuyến 375 thì rơ-le bảo vệ xuất tuyến 371 cũng tác động. Nếu hệ thống bảo vệ xuất tuyến 371 với loại rơ le và thông số chỉnh định được giữ nguyên thì hệ thống bảo vệ này sẽ mất tính chọn lọc khi có nhiều nguồn điện đấu nối vào xuất tuyến này. Từ đó làm giảm độ tin cậy cung cấp điện của lưới. c) Nguồn điện phân tán làm giảm vùng bảo vệ của rơ-le quá dòng đầu xuất tuyến đường dây. Bảng 2.2: Thông số chỉnh định rơ le bảo vệ đường dây 35kV TBA 110kV Tiên Yên Số hiệu máy cắt Thiết bị được bảo vệ Loại rơ le bảo vệ Trị số chỉnh định Tỷ số TU,TI Trị số đặt Trị số dòng nm tác động Thời gian cắt & thiết bị tác động 371 Đường dây 371 2-DL- 51/50 2-DL- 51/50 3-DL- 51/20 300/5Y I>>>= 15A I>> = 12,5A I> = 5A I ≥ 900A I ≥ 750A I ≥ 300A 0,0sec cắt 371 1,0sec cắt 371 1,5sec cắt 371 4 Bảng 2.3: Dòng ngắn mạch tại đầu xuất tuyến 371 TBA 110kV Tiên Yên khi có sự cố tại nút Pắc Fe và thủy điện nhỏ Khe Soong đấu nối vào lưới điện năm 2010 TT Loại sự cố Inm khi không có TĐ Khe Soong (A) Inm khi có TĐ Khe Soong (A) Thay đổi (A) tăng (+); giảm (-) Ngắn mạch ba pha 690,1 620,2 -69,9 Chạm đất một pha 446,3 354,8 -91,6 Bảng 2.4: Dòng ngắn mạch tại đầu xuất tuyến 371 TBA 110kV Tiên Yên khi có sự cố tại nút Pắc Fe và một số thủy điện nhỏ đấu nối vào lưới điện năm 2015 TT Loại sự cố Inm khi không có nguồn TĐ nhỏ (A) Inm khi có nguồn TĐ nhỏ(A) Thay đổi (A) tăng (+); giảm (-) Ngắn mạch ba pha 796,1 568,0 -228,1 Chạm đất một pha 490,0 279,4 -210,6 Như vậy, khi thông số chỉnh định rơ-le không thay đổi, khi đó trong chế độ cả ba nguồn thủy điện phát điện trong chế độ phụ tải cực đại và có sự cố ngắn mạch một pha tại nút Păc Fe thì rơ-le bảo vệ sẽ không tác động. Vùng bảo vệ của rơ-le đã bị thu hẹp do nhiều nhà máy thủy điện đấu nối vào lưới điện trung áp. 3. Kết luận và kiến nghị Đề tài đã giới thiệu quy định kĩ thuật đối với nguồn điện phân tán khi đấu nối vào lưới điện phân phối của Việt Nam (được trình bày trong thông tư 32/2010/TT-BCT) và một số quốc gia trên thế giới. Từ đó, đề tài đã xem xét đánh giá sự khác biệt giữa quy định của Việt Nam và các nước, nhu cầu bổ sung những yêu cầu mới vào quy định hiện hành. Kết quả tính toán trong nghiên cứu đã chỉ ra những ảnh hưởng khi có nhiều nguồn điện phân tán đấu nối vào lưới điện trung áp. Đấu nối nguồn điện phân tán vào lưới điện trung áp có thể gây quá điện áp trên lưới trong một số chế độ vận hành nếu chưa lắp đặt thêm thiết bị điều chỉnh điện áp trên lưới hoặc quy định về giới hạn trên điện áp của nguồn điện khi vận hành quá cao. Nguồn điện phân tán thủy điện nhỏ đấu nối vào lưới điện trung áp còn có thể làm mất tính chọn lọc của hệ thống rơ-le bảo vệ hiện có cũng như làm giảm vùng bảo vệ của rơ-le quá dòng đầu xuất tuyến đường dây. Từ đó đề tài đã đưa ra một số đề xuất, kiến nghị như sau: - Yêu cầu về điện áp: Một số nguồn điện phân tán đấu nối vào lưới điện trung áp như tua-bin gió hay thủy điện nhỏ do những đặc tính kĩ thuật nên rất khó để duy trì dải điện áp trong chế độ làm việc bình thường trên lưới điện là +10% và -5% như quy định hiện nay trong thông tư 32/2010/TT-BCT. Điện áp trên lưới có thể vượt quá giá trị giới hạn trên trong chế độ phụ tải cực tiểu và huy động nguồn thủy điện nhỏ phát cao. Điện áp trên lưới điện có thể xuống dưới giá trị giới hạn dưới nếu khởi động máy phát không đồng bộ của tua-bin gió trong chế độ phụ tải cực đại. Vì vậy, đề xuất xem xét áp dụng dải điện áp trong chế độ làm việc bình thường đối với nguồn điện đấu nối vào lưới điện phân phối trung áp là +5% và - 10%. 5 - Tiêu chuẩn về tần số: Hiện nay, nhiều nhà sản xuất máy phát điện với đặc tính có thể duy trì phát công suất liên tục trong một dải tần số khá rộng. Do đó xem xét yêu cầu những nguồn điện phân tán xây mới đấu nối vào lưới điện trung áp có dải tần số làm việc trong chế độ bình thường (phát công suất liên tục không được giảm phát) là từ 47,5 đến 51,5Hz. Việc mở rộng dải tần số chế độ làm việc bình thường sẽ làm tăng độ tin cậy cung cấp điện cho lưới điện phân phối. - Yêu cầu về hệ thống bảo vệ: Nguồn điện phân tán ngoài những trang bị bảo vệ cho máy phát cần phải trang bị hệ thống bảo vệ tại vị trí đấu nối nhà máy điện vào lưới trung áp nhằm nâng cao độ tin cậy của lưới điện. Tùy theo quy mô công suất, vị trí nhà máy trong hệ thống điện, đặc tính nối đất của lưới điện...hệ thống bảo vệ của máy phát và nhà máy cần có: máy cắt đầu cực máy phát, máy cắt giữa nhà máy và lưới điện, thiết bị tự động kiểm tra đồng bộ, thiết bị tự động điều chỉnh điện áp, rơ-le điện áp thấp, rơ-le bảo vệ quá áp, rơ-le quá điện áp điểm trung tính, rơ-le tần số thấp, rơ-le tần số cao, rơ-le quá dòng và quá dòng theo thời gian, rơ le bảo vệ quá dòng trung tính, thiết bị liên động. Từ kết quả nghiên cứu của đề tài, đề xuất một số hướng nghiên cứu tiếp theo như sau: - Nghiên cứu giải pháp điều khiển điện áp trên lưới phân phối trung áp khi có nguồn điện phân tán. - Nghiên cứu yêu cầu kĩ thuật khi đấu nối nguồn điện phân tán vào lưới điện hạ áp.