Nghiên cứu quy hoạch tối ưu điện phân phối xét đến nguồn pin năng lượng mặt trời

Trang 1 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP PHAN THÀNH ĐẠT NGHIÊN CỨU QUI HOẠCH TỐI ƯU LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI XÉT ĐẾN NGUỒN PIN MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀ

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS VŨ VĂN THẮNG

THÁI NGUYÊN - NĂM 2023

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các nghiên cứu và kết quả được trình bày trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trước đây

Tác giả luận văn

Phan Thành Đạt

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy giáo

TS Vũ Văn Thắng cùng các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện, Khoa Điện, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp và sự giúp đỡ chân tình của các bạn đồng nghiệp, gia đình đã tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành luận văn này

Trong quá trình thực hiện, do thời gian hạn hẹp nên luận văn có thể có những thiếu sót Rất mong muốn nhận được những ý kiến đóng góp để luận văn được hoàn thiện thêm và kết quả nghiên cứu thực sự có ý nghĩa thực tiễn

Tôi xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả luận văn

Phan Thành Đạt

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 10

I Lý do chọn đề tài 10

II Mục đích nghiên cứu 11

III Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 11

VI Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 11

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN QUI HOẠCH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 3

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Tổng quan lưới điện phân phối 3

1.2.1 Hệ thống điện phân phối 3

1.2.2 Lưới điện phân phối trung áp 4

Đặc điểm của lưới điện trung áp 4

Vai trò của lưới điện trung áp 5

Cấu trúc của lưới điện trung áp 6

1.2.3 Yêu cầu chất lượng điện và độ tin cậy của LĐPP 10

Chất lượng điện 10

Độ tin cậy cung cấp điện 11

Nhận xét 13

1.3 Nguồn pin mặt trời 14

1.3.1 Nguồn điện phân tán 14

1.3.2 Hiện trạng và tiềm năng nguồn năng lượng tái tạo Việt Nam 16

1.3.3 Nhận xét 19

1.4 Qui hoạch lưới điện phân phối 19

1.4.1 Mục tiêu 19

1.4.2 Những bước cơ bản của bài toán qui hoạch LĐPP 20

1.4.3 Một số bài toán qui hoạch LĐPP 20

Nâng cấp thiết bị của hệ thống 20

Bổ sung nguồn điện phân tán 21

Bổ sung thiết bị bù 21

Qui hoạch mới và mở rộng sơ đồ 21

1.4.4 Phương pháp qui hoạch LĐPP 21

Qui hoạch theo tiêu chuẩn 21

Qui hoạch toán học 22

Nhận xét 22

1.5 Biến thiên của phụ tải trong LĐPP 23

1.5.1 Đồ thị phụ tải ngày 23

1.5.2 Đồ thị phụ tải ngày 24

1.5.3 Tính ngẫu nhiên của phụ tải điện 25

1.6 Kết luận chương 1 26

CHƯƠNG 2 NGUỒN PIN MẶT TRỜI 27

2.1 Giới thiệu chung 27

2.2 Năng lượng mặt trời 27

2.3 Năng lượng mặt trời trên bề mặt trái đất 28

2.3.1 Chuyển động tương đối của mặt trời và trái đất 28

2.3.2 Bức xạ mặt trời 30

2.3.3 Tính toán bức xạ mặt trời trên mặt phẳng thu 31

2.4 Công nghệ pin mặt trời 33

2.4.1 Tổng quan về công nghệ pin mặt trời 33

2.4.2 Hiệu ứng quang điện 35

2.4.3 Đặc tính lớp tiếp giáp p-n 36

2.4.4 Sơ đồ tương đương và các chế độ làm việc đặc trưng của PMT cell37 2.4.5 Các phương pháp tổ hợp PMT cell 40

Giới thiệu chung 40

Phương pháp tổ hợp nối tiếp 41

Phương pháp tổ hợp song song 41

2.5 Nguồn pin mặt trời 42

2.5.1 Hệ thống nguồn PMT độc lập 42

2.5.2 Hệ thống nguồn PMT nối lưới 45

2.6 Đặc tính công suất của nguồn PMT 47

2.7 Tính công suất của nguồn PMT 49

2.8 Kết luận chương 2 51

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP QUI HOẠCH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI XÉT ĐẾN NGUỒN PIN MẶT TRỜI 52

3.1 Đặt vấn đề 52

3.2 Phương pháp qui hoạch toán học 52

3.2.1 Mô hình qui hoạch tổng quát 52

3.2.2 Phân loại 53

3.2.3 Phương pháp giải 53

3.3 Mô hình qui hoạch LĐPP có nguồn pin mặt trời 54

3.3.1 Tải ngẫu nhiên và giá điện 54

3.3.2 Công suất ngẫu nhiên của nguồn PMT 55

3.3.3 Mô hình tổng hợp thông số ngẫu nhiên của hệ thống 55

3.3.4 Mô hình toán 56

Hàm mục tiêu 56

Các ràng buộc của mô hình toán 57

3.4 Công cụ tính toán 59

3.4.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình GAMS 59

3.4.2 Những yêu cầu khi lập bài toán vận hành tối ưu LĐPP 61

3.5 Kết luận chương 3 61

CHƯƠNG 4 QUI HOẠCH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRUNG ÁP KHU CÔNG NGHIỆP SÔNG CÔNG II XÉT ĐẾN NGUỒN PIN MẶT TRỜI 62

4.1 Giới thiệu khu công nghiệp Sông Công II 62

4.1.1 Giới thiệu chung 62

4.1.2 Hệ thống cấp điện và chiếu sáng 62

4.1.3 Nhận xét 65

4.2 Sơ đồ và thông số của LĐTA 65

4.2.1 Thông số đường dây và tải 65

4.2.2 Thông số tải, giá điện và công suất của nguồn pin mặt trời 69

4.3 Thông số của nguồn pin mặt trời 70

4.4 Tính toán qui hoạch 71

4.5 Kết luận chương 4 73

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

PHỤ LỤC 77

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

MBA Máy biến áp

LĐPP Lưới điện phân phối

LĐTA Lưới điện phân phối trung áp

PSS/Adept Phần mềm Power System Simulator/Avancer Distribution

Enginering Productivity tool

PV, PMT Pin mặt trời

TBPĐ Thiết bị phân đoạn

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Dải công suất tương ứng của các công nghệ DG 15

Bảng 2.1: Mật độ năng lượng theo bước sóng 27

Bảng 2.2: Cường độ bức xạ trung bình tháng tại Thái Nguyên 50

Bảng 4.1: Bảng thông số tải 68

Bảng 4.2: Bảng thông số của đường dây 69

Bảng 4.3: Bảng thông số tải 70

Bảng 4.4: Công suất tiềm năng của nguồn pin mặt trời 71

Bảng 4.5: Vị trí, công suất và thời gian đầu tư nguồn pin mặt trời 72

Bảng 4.6: Chi phí vòng đời, chi phí đầu tư và tổn thất điện năng 72

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điện cơ bản 4

Hình 1.2 Sơ đồ lưới phân phối hình tia 8

Hình 1.3 Sơ đồ lưới phân phối hình tia có phân đoạn 8

Hình 1.4 Sơ đồ lưới kín vận hành hở do một nguồn cung cấp 9

Hình 1.5 Sơ đồ lưới kín vận hành hở do 2 nguồn cung cấp độc lập 9

Hình 1.6 Sơ đồ lưới điện kiểu đường trục 9

Hình 1.7 Sơ đồ lưới điện có đường dây dự phòng chung 10

Hình 1.8 Phân bố năng lượng mặt trời tại Việt Nam 18

Hình 1.9 Các bước qui hoạch LĐPP 20

Hình 1.10 Đồ thị phụ tải ngày 24

Hình 1.11 Đồ thị phụ tải ngày điển hình theo mùa 25

Hình 2.1: Chuyển động tương đối của trái đất với mặt trời 29

Hình 2.2: Vị trí của mặt trời tại vị trí quan sát 29

Hình 2.3: Thành phần của tia trực xạ trên mặt phẳng ngang 31

Hình 2.4: Thành phần của tia trực xạ trên mặt phẳng nghiêng 32

Hình 2.5: Các quá trình lượng tử trong hệ hai mức (a) và hai vùng năng lượng (b) 35

Hình 2.6: Đặc tính của lớp tiếp giáp p-n dạng diode 36

Hình 2.7: Nguyên lý hình thành các cặp electron – lỗ trống một PMT cell 37

Hình 2.8: Dòng điện PMT cell khi được kết nối mạch ngoài 38

Hình 2.9: Chế độ làm việc ngắn mạch và hở mạch của PMT cell 38

Hình 2.10: Sơ đồ mạch tương đương của PMT cell 38

Hình 2.11: Đặc tính V-I và V-P của PMT cell 39

Hình 2.12: Các phương pháp tổ hợp PMT 40

Hình 2.13: Sơ đồ ghép nối nối tiếp và đặc tính V-I 41

Hình 2.14: Sơ đồ ghép nối song song và đặc tính V-I 41

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý nguồn PMT độc lập 42

Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý nguồn PMT nối lưới dân dụng 46

Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý nguồn PMT nối lưới công nghiệp 47

Hình 2.18: Đặc tính công suất của nguồn PMT 48

Hình 2.19: Đặc tính công suất phát của pin mặt trời tại Thái Nguyên 51

Hình 4.1: Mặt bằng khu công nghiệp Sông Công II 63

Hình 4.2: Sơ đồ mặt bằng cấp điện 22kV khu công nghiệp Sông Công II 64

Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý lộ 471 E6.21 66

Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lý lộ 473 E6.21 67

Hình 4.5: So sánh điện áp các nút khi có nguồn pin mặt trời và khi không có nguồn pin mặt trời 73

MỞ ĐẦU

I Lý do chọn đề tài

Qui hoạch LĐPP là vấn đề phức tạp với nhiều mục tiêu khác nhau như đảm bảo hiệu quả kinh tế, cung cấp điện tin cậy và không tác động xấu đến môi trường Ngoài ra, nhiều yếu tố mang tính ngẫu nhiên và không chắc chắn, số lượng biến rất lớn cũng làm tăng tính phức tạp của bài toán qui hoạch lưới điện phân phối

Tốc độ tăng trưởng phụ tải điện nước ta trong nhưng năm qua khá cao và dự báo tiếp tục tăng trưởng cao nhưng những năm tiếp theo Theo qui hoạch điện VIII (dự thảo lần 3), tăng trưởng điện thương phẩm bình quân cả giai đoạn 20112019 là 10.5%/năm Tốc độ tăng trưởng điện thương phẩm toàn quốc theo kịch bản cơ sở dự báo trong giai đoạn 20212025 là 9.2% và giai đoạn 20252030 dự báo là 7.9%[7][8] Lưới điện phân phối còn nhiều bất cập như nhiều cấp điện áp chồng chéo, thiết bị lạc hậu, chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện kém Hơn nữa, phát triển nguồn năng lượng tái tạo trong đó nguồn pin mặt trời áp mái đang được khuyến khích phát triển trong những năm gần đây nhằm phát triển nguồn năng lượng bền vững trước nguy cơ cạn kiệt các nguồn năng lượng truyền thống và cam kết giảm phát thải của chính phủ Theo qui hoạch điện VIII (dự thảo lần 3), năm 2030 tổng công suất của nguồn năng lượng tái tạo chiếm khoảng 29% tương ứng 39,8GW và đến năm 2045 tổng nguồn năng lượng mặt trời và các nguồn năng lượng tái tạo khác chiếm khoảng 44% tổng công suất nguồn tương ứng 121,7GW Do đó, qui hoạch lưới điện phân xét đến khả năng đầu tư các nguồn năng lượng tái tạo cần phải được quan tâm thỏa đáng mới đáp ứng yêu cầu hiện nay [9]

Nhiều mô hình và phương pháp qui hoạch lưới điện phân phối đã được phát triển và ứng dụng thành công trong thực tiễn với kết quả và giải pháp phù hợp Các

mô hình và phương pháp này có thể được cải thiện, nâng cao hiệu quả khi sử dụng nguồn năng lượng tái tạo Tuy nhiên, khi nguồn năng lượng tái tạo tham gia trong lưới điện phân phối sẽ dẫn đến những thay đổi trong bài toán qui hoạch và cải tạo Những thay đổi này làm tăng tính phức tạp của bài toán nhưng cũng mở ra những cơ hội để nâng cao hiệu quả kinh tế và cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật của lưới điện phân phối Nhiều công cụ với khả năng tính toán mạnh, nhiều phương pháp và thuật toán mới đã được phát triển Do đó, cần nghiên cứu áp dụng các mô hình và phương pháp

qui hoạch mới nhằm nâng cao tính chính xác và đáp ứng được yêu cầu thực tiễn [15][18][22]

Từ phân tích trên, đề tài nghiên cứu của luận văn được đề xuất là “NGHIÊN CỨU QUI HOẠCH TỐI ƯU LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI XÉT ĐẾN NGUỒN PIN MẶT TRỜI” nhằm nghiên cứu, tính toán lựa chọn được thông số qui hoạch của đường dây, máy biến áp và vị trí, công suất của nguồn năng lượng tái tạo Tính toán áp dụng cho qui hoạch lưới điện phân phối trung áp và nguồn pin mặt trời của khu công nghiệp Sông Công II

II Mục đích nghiên cứu

Mục đích của nghiên cứu này là nghiên cứu lựa chọn mô hình toán và công cụ tính toán qui hoạch lưới điện phân phối trung áp xét đến nguồn năng lượng tái tạo nói chung và nguồn năng lượng mặt trời nói riêng Tính toán áp dụng nhằm đánh giá hiệu quả qui hoạch lưới điện phân phối và nguồn pin mặt trời lưới điện phân phối khu công nghiệp Sông Công II

III Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: LĐTA khu công nghiệp Sông Công II và nguồn pin mặt trời

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu các phương pháp qui hoạch LĐPP nói chung và LĐTA nói riêng có xét đến khả năng tham gia của nguồn điện phân tán Tính toán áp dụng để đánh giá phương pháp qui hoạch cho LĐTA khu công nghiệp Sông Công II

VI Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu này sử dụng mô hình toán và chương trình tính toán qui hoạch LĐPP đồng thời với lựa chọn vị trí và công suất của nguồn điện phân tán nói chung và nguồn pin mặt trời nói riêng

- Ý nghĩa thực tiễn: Nguồn pin mặt trời hiện có khả năng cạnh tranh trong qui hoạch LĐPP đồng thời công suất phát phụ thuộc vào điều kiện thời tiết nên việc qui hoạch và vận hành LĐPP khi có sự tham gia của nguồn pin mặt trời hiện này rất có ý nghĩa thực tiễn nhằm đánh giá được hiệu quả kinh tế và khả năng cung cấp điện của LĐPP hiện nay trên thực tiễn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN QUI HOẠCH LƯỚI ĐIỆN

1.2 Tổng quan lưới điện phân phối

1.2.1 Hệ thống điện phân phối

Hệ thống điện phân phối là một phần của HTĐ bao gồm LĐPP, nguồn và các TBA cung cấp điện cho khách hàng sử dụng điện như trình bày trên hình 1.1 Theo phân cấp, HTĐPP bao gồm các TBA, thiết bị phân phối và đường dây từ 110kV trở về đến các phụ tải tiêu thụ điện HTĐPP làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, các trạm khu vực hay thanh cái của nhà máy điện cấp điện cho phụ tải 0[2] LĐPP là khâu cuối cùng của hệ thống điện đưa điện năng trực tiếp đến người tiêu dùng, được phân bố trên diện rộng, thường vận hành không đối xứng và có tổn thất lớn nên có ảnh hưởng rất lớn đến chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của

hệ thống khi thiết kế và vận hành LĐPP

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điện cơ bản Trong đó, HTĐPP có thể được phân chia thành các LĐPP dựa trên điện áp định mức được kết nối bởi các TBA:

- LĐPP cao áp, điện áp 110kV (High Voltage) bao gồm toàn bộ đường dây

và các trạm biến áp 110kV đóng vai trò trung gian để cung cấp điện cho các TBA khu vực hay các phụ tải lớn như các nhà máy lớn, các khu công nghiệp

- LĐPP trung áp (Middle Voltage) bao gồm hệ thống các đường dây trung áp (6, 10, 22 và 35kV), các TBA phân phối hạ áp cung cấp điện cho LĐPP hạ áp

- LĐPP hạ áp (Low Voltage) bao gồm hệ thống các TBA phân phối và đường dây hạ áp (0,4kV) cung cấp cho các phụ tải là điểm cuối cùng của hệ thống điện

Hệ thống điện phân phối gồm một số phần tử chính sau:

- Nguồn điện: gồm các nhà máy điện, TBA kết nối với hệ thống và các nguồn phân tán;

- Các TBA và hệ thống phân phối;

- Đường dây trên không và cáp ngầm;

- Hệ thống đo lường, bảo vệ và tự động hóa;

- Các phụ tải điện

1.2.2 Lưới điện phân phối trung áp

Đặc điểm của lưới điện trung áp

LĐTA bao gồm các cấp điện áp 6, 10, 22, 35kV phân phối điện cho các TBA trung áp/hạ áp và các phụ tải cấp điện áp trung áp [2] Phân loại LĐTA trung áp theo 3 dạng:

- Theo đối tượng và địa bàn phục vụ, có 3 loại: i) Lưới phân phối thành phố; ii) Lưới phân phối nông thôn; iii) Lưới phân phối xí nghiệp

- Theo thiết bị dẫn điện: i) Lưới phân phối trên không; ii) Lưới phân phối cáp ngầm

- Theo cấu trúc hình dáng: i) Lưới hở (hình tia) có phân đoạn và không phân đoạn; ii) Lưới kín vận hành hở; iii) Sơ đồ hình lưới;

LĐTA được phân bố trên diện rộng, thường vận hành không đối xứng và có tổn thất lớn Qua nghiên cứu cho thấy tổn thất thấp nhất trên LĐTA vào khoảng 4% [6][15]

Vấn đề tổn thất trên LĐTA liên quan chặt chẽ đến các vấn đề kỹ thuật của lưới điện từ giai đoạn thiết kế đến vận hành Do đó, trên cơ sở các số liệu về tổn thất có thể đánh giá sơ bộ chất lượng vận hành của LĐTA

Trong những năm gần đây, LĐTA của nước ta phát triển mạnh, các Công ty Điện lực cũng được phân cấp mạnh mẽ về quản lý Vì vậy, chất lượng vận hành của LĐTA được câng cao rõ rệt, tỷ lệ tổn thất điện năng giảm mạnh song vẫn còn rất khiêm tốn

Vai trò của lưới điện trung áp

LĐTA làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm trung gian, trạm khu vực hay thanh cái của các nhà máy điện cho các phụ tải điện Đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện năng và sự phát triển của phụ tải LĐTA có tầm quan trọng đặc biệt đối với hệ thống điện:

- Trực tiếp đảm bảo chất lượng điện áp cho phụ tải

- Giữ vai trò rất quan trọng trong đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải Có đến 98% điện năng bị mất là do sự cố và ngừng điện kế hoạch lưới phân phối Mỗi sự cố trên LĐTA trung áp đều có ảnh hưởng rất lớn đến sinh hoạt của nhân dân và các hoạt động kinh tế, xã hội

- Sử dụng tỷ lệ vốn rất lớn: khoảng 50% vốn cho hệ thống điện (35% cho nguồn điện, 15% cho lưới hệ thống và lưới truyền tải)

- Tỷ lệ tổn thất điện năng rất lớn: khoảng 40-50% tổn thất điện năng xảy ra trên LĐTA Và tổn thất kinh doanh cũng chỉ xảy ra này

- LĐTA gần với người dùng điện, do đó vấn đề an toàn điện cũng là rất quan trọng

Cấu trúc của lưới điện trung áp

Các phần tử chủ yếu trong LĐTA bao gồm [6][15]:

- Máy biến áp trung gian và máy biến áp phân phối;

- Đường dây tải điện;

- Thiết bị đóng cắt và bảo vệ (máy cắt, dao cách ly, cầu chì, chống sét van,

áp tô mát, hệ thống bảo vệ rơ le, giảm dòng ngắn mạch);

- Thiết bị điều chỉnh điện áp (thiết bị điều áp dưới tải, thiết bị thay đổi đầu phân áp ngoài tải, tụ bù ngang, tụ bù dọc, thiết bị đối xứng hóa, thiết bị lọc sóng hài bậc cao);

- Thiết bị đo lường (công tơ đo điện năng tác dụng, điện năng phản kháng, đồng hồ đo điện áp và dòng điện, thiết bị truyền thông tin đo lường );

- Thiết bị giảm tổn thất điện năng (tụ bù );

- Thiết bị nâng cao độ tin cậy (thiết bị tự động đóng lại, thiết bị tự đóng nguồn

dự trữ, máy cắt hoặc dao cách ly phân đoạn, các khớp nối dễ tháo trên đường dây, kháng điện hạn chế ngắn mạch, );

- Thiết bị điều khiển từ xa hoặc tự động (máy tính điện tử, thiết bị đo xa, thiết

bị truyền, thu và xử lý thông tin, thiết bị điều khiển xa, thiết bị thực hiện ) Mỗi phần tử trên lưới điện đều có các thông số đặc trưng (công suất, điện áp định mức, tiết diện dây dẫn, điện kháng, điện dung, dòng điện cho phép, tần số định mức, khả năng đóng cắt ) được chọn trên cơ sở tính toán kỹ thuật

Những phần tử có dòng công suất đi qua (máy biến áp, dây dẫn, thiết bị đóng cắt, máy biến dòng, tụ bù ) thì thông số của chúng ảnh hưởng trực tiếp đến thông số chế độ (điện áp, dòng điện, công suất) nên được dùng để tính chế độ làm việc của LĐTA

Nói chung, các phần tử chỉ có 2 trạng thái: Làm việc và không làm việc Một

số ít phần tử có nhiều trạng thái như: Hệ thống điều áp, tụ bù có điều khiển, mỗi trạng thái ứng với một khả năng làm việc

Một số phần tử có thể thay đổi trạng thái trong khi mang điện (dưới tải) như: Máy cắt, áp tô mát, các thiết bị điều chỉnh dưới tải Một số khác có thể thay đổi khi cắt điện như: Dao cách ly, đầu phân áp cố định MBA và đường dây nhờ các máy cắt có thể thay đổi trạng thái dưới tải

Cấu trúc của LĐTA bao gồm cấu trúc tổng thể và cấu trúc vận hành [2][6]:

- Cấu trúc tổng thể: Là cấu trúc bao gồm tất cả các phần tử và sơ đồ lưới đầy

đủ Muốn lưới điện có độ tin cậy cung cấp điện cao thì cấu trúc tổng thể phải là cấu trúc thừa Thừa về số phần tử, về khả năng tải của các phần tử, thừa về khả năng lập sơ đồ Ngoài ra trong vận hành còn phải dự trữ các thiết bị thay thế và vật liệu để sửa chữa Trong một chế độ vận hành nhất định chỉ cần một phần của cấu trúc tổng thể là đủ đáp ứng nhu cầu, đa phần đó là cấu trúc vận hành

- Cấu trúc vận hành: Là một phần của cấu trúc tổng thể, có thể là một hay một vài phần tử của cấu trúc tổng thể và gọi đó là một trạng thái của lưới điện Cấu trúc vận hành bình thường gồm các phần tử và các sơ đồ vận hành do người vận hành lựa chọn Có thể có nhiều cấu trúc vận hành thỏa mãn điều kiện kỹ thuật, người ta phải chọn cấu trúc vận hành tối ưu theo điều kiện kinh tế nhất (tổn thất nhỏ nhất) Khi xảy ra sự cố, một phần tử đang tham gia vận hành bị hỏng thì cấu trúc vận hành bị rối loạn, người ta phải nhanh chóng chuyển qua cấu trúc vận hành

sự cố bằng cách thay đổi các trạng thái phần tử cần thiết Cấu trúc vận hành sự cố

có chất lượng vận hành thấp hơn so với cấu trúc vận hành bình thường Trong chế

độ vận hành sau sự cố có thể xảy ra mất điện phụ tải Cấu trúc vận hành sự cố chọn theo độ an toàn cao và khả năng thao tác thuận lợi

Ngoài ra, cấu trúc LĐTA còn có thể có các dạng như:

- Cấu trúc tĩnh: Với cấu trúc này LĐTA không thể thay đổi sơ đồ vận hành Khi cần bảo dưỡng hay sự cố thì toàn bộ hoặc một phần LĐTA phải ngừng cung cấp điện Cấu trúc dạng này chính là LĐTA hình tia không phân đoạn và hình tia phân đoạn bằng dao cách ly hoặc máy cắt

- Cấu trúc động không hoàn toàn: Trong cấu trúc này, LĐTA có thể thay đổi

sơ đồ vận hành ngoài tải, tức là khi đó LĐTA được cắt điện để thao tác Đó là lưới điện trung áp có cấu trúc kín vận hành hở

- Cấu trúc động hoàn toàn: Đối với cấu trúc dạng này, LĐTA có thể thay đổi

sơ đồ vận hành ngay cả khi lưới đang trong trạng thái làm việc Cấu trúc động

được áp dụng là do nhu cầu ngày càng cao về độ tin cậy cung cấp điện Ngoài ra cấu trúc động cho phép vận hành kinh tế LĐTA, trong đó cấu trúc động không hoàn toàn và cấu trúc động hoàn toàn mức thấp cho phép vận hành kinh tế lưới điện theo mùa, khi đồ thị phụ tải thay đổi đáng kể Cấu trúc động ở mức cao cho phép vận hành lưới điện trong thời gian thực LĐTA trong cấu trúc này phải được thiết kế sao cho có thể vận hành kín trong thời gian ngắn để thao tác sơ đồ

Một số dạng sơ đồ cấu trúc LĐTA:

- Lưới hình tia (hình 1.2): Ưu điểm là rẻ tiền nhưng độ tin cậy rất thấp

- Lưới hình tia phân đoạn (hình 1.3): Độ tin cậy cao hơn Phân đoạn lưới phía nguồn có độ tin cậy cao do sự cố hay dừng điện công tác các đoạn lưới phía sau,

vì nó ảnh hưởng ít đến các phân đoạn trước

Hình 1.2 Sơ đồ lưới phân phối hình tia

Hình 1.3 Sơ đồ lưới phân phối hình tia có phân đoạn

- Lưới kín vận hành hở do một nguồn cung cấp (hình 1.4): Có độ tin cậy cao hơn nữa do mỗi phân đoạn được cấp điện từ hai phía Lưới điện này có thể vận hành kín cho độ tin cậy cao hơn nhưng phải trang bị máy cắt và thiết bị bảo vệ có hướng nên đắt tiền Vận hành hở độ tin cậy thấp hơn một chút do phải thao tác khi

sự cố nhưng rẻ tiền, có thể dùng dao cách ly tự động hay điều khiển từ xa

- Lưới kín vận hành hở cấp điện từ 2 nguồn độc lập (hình 1.5): Lưới điện này phải vận hành hở vì không đảm bảo điều kiện vận hành song song lưới điện ở các điểm phân đoạn, khi thao tác có thể gây ngắn mạch

ĐD Nguồn

Hình 1.4 Sơ đồ lưới kín vận hành hở do một nguồn cung cấp

- Lưới điện kiểu đường trục (hình 1.6): Cấp điện cho một trạm cắt hay một trạm biến áp, từ đó có các đường dây cấp điện cho các trạm biến áp phụ tải Trên các đường dây cấp điện không có nhánh rẽ, loại này có độ tin cậy cao Thường dùng để cấp điện cho các xí nghiệp hay các nhóm phụ tải xa trạm nguồn và có yêu cầu công suất lớn

Hình 1.5 Sơ đồ lưới kín vận hành hở do 2 nguồn cung cấp độc lập

Hình 1.6 Sơ đồ lưới điện kiểu đường trục

- Lưới điện có đường dây dự phòng chung (hình 1.7): Có nhiều đường dây phân phối được dự phòng chung bởi một đường dây dự phòng Lưới điện này có

độ tin cậy cao và rẻ hơn kiểu một đường dây dự phòng cho một đường dây như ở trên (hình 1.6) Loại này được dùng tiện lợi cho lưới điện cáp ngầm

Hình 1.7 Sơ đồ lưới điện có đường dây dự phòng chung

Lưới điện trong thực tế là tổ hợp của 6 loại lưới điện trên Áp dụng cụ thể cho lưới điện trên không hay lưới điện cáp ngầm khác nhau và ở mỗi hệ thống điện

có kiểu sơ đồ riêng

1.2.3 Yêu cầu chất lượng điện và độ tin cậy của LĐPP

Theo tiêu chuẩn, để đánh giá chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện gồm các chỉ tiêu sau đây 0[2]

Chất lượng điện

Trong chế độ vận hành bình thường điện áp vận hành cho phép tại điểm đấu nối được phép dao động so với điện áp định mức như sau:

- Tại điểm đấu nối với khách hàng sử dụng điện là ±5%

- Tại điểm đấu nối với nhà máy điện là +10% tới -5%

Trong chế độ sự cố, cho phép mức dao động điện áp trong khoảng ±10% so với điện áp định mức

Điện áp tăng cao sẽ uy hiếp cách điện đồng thời làm giảm tuổi thọ của các thiết bị (ví dụ điện áp tăng lên 5% thì tuổi thọ của bóng đèn sẽ bị giảm đi 50%) Ngược lại, điện áp giảm sẽ làm giảm công suất và gây ra hiện tượng quá nhiệt của thiết (ví dụ điện áp giảm 5% thì quang thông của đèn giảm tới 18%, công suất động

cơ giảm và tốc độ quay giảm…)

Tương tự, trong chế độ vận hành bình thường, tần số được phép dao động từ 49.8Hz đến 50.2Hz tương đương ±0.4% Trong trường hợp sự cố cho phép dao động từ 49.5Hz đến 50.5Hz tương đương ±1%

Đường dây dự phòng Nguồn

Ngoài ra, sóng hài và độ nhấp nháy của điện áp cũng là một trong các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện Tổng độ méo sóng hài điện áp (THD) được xác định là

tỷ số giữa điện áp hiệu dụng của sóng hài và giá trị hiệu dụng của điện áp cơ bản,

biểu diễn bằng phần trăm như (1.1) Trong đó, U i là thành phần điện áp của sóng

hài bậc i, U 1 là thành phần điện áp của tần số cơ bản (50Hz)

2 2 1

i U THD

U

  (1.1)

Tổng độ méo sóng hài của điện áp ở điểm nối bất kỳ không được vượt quá 6.5% với độ méo riêng lẻ không vượt quá 3%

Mức nhấp nháy điện áp ngắn hạn (Pst) được xác định bằng phương pháp đo

sử dụng thiết bị đo chuyên dùng trong khoảng thời gian là 10 phút P st95% là ngưỡng

giá trị của P st sao cho trong khoảng 95% thời gian đo và 95% số vị trí đo P st không vượt quá giá trị này Mức nhấp nháy điện áp dài hạn (Plt) được xác định từ 12 kết

quả đo P st liên tục (trong khoảng thời gian 2 giờ) theo biểu thức sau:

12 3

1

12

Trong điều kiện bình thường, giá trị độ nhấp nháy điện áp tại điểm đấu nối

bất kỳ không được vượt quá giá trị P st95% = 1 và P lt95% = 0.8

Độ tin cậy cung cấp điện

Việc đánh giá độ tin cậy chủ yếu dựa vào các chỉ số là SAIDI và CAIDI, ENS (kWh/năm – tổng điện năng không được cung cấp), AENS (kWh/khách hàng.năm – điện năng trung bình không được cung cấp cho khách hàng) [6][15]

Tong thoi gian mat dien cua khach hang

Tong so khach hang Tong thoi gian mat dien cua khach hang Tong so lan mat dien cua khach hang

SAIDI CAIDI

vòng được thực hiện để chuyển đổi phương thức vận hành mà chưa được vận hành kín Mỗi nhánh rẽ được coi là một điểm tải, mỗi một tải nối với đường trục chính cũng được coi là một điểm tải Tỉ lệ hư hỏng (s), thời gian mất điện trung bình hàng năm (Us) và thời gian mất điện trung bình/thời gian sửa chữa (rs) của mỗi điểm tải trên lưới được tính toán như sau:

i

s i i i

i i

s i s

i

r U

Tiếp theo xét tới ảnh hưởng của mỗi hư hỏng nhánh rẽ tới điểm tải xét Vì mỗi nhánh được nối trực tiếp với đường trục qua cầu chì nên sự cố ở bất kỳ nhánh

rẽ nào sẽ không ảnh hưởng tới độ tin cậy của điểm tải khác Tuy nhiên, nếu có sự

cố ở chính điểm tải xét thì sẽ ảnh hưởng tới độ tin cậy của nó

Ảnh hưởng của mỗi phân đoạn và nhánh rẽ, tỉ lệ hư hỏng trung bình, thời gian sửa chữa trung bình, và thời gian mất điện trung bình của điểm tải có thể được tính toán nhờ công thức (1.5)

Từ đó, xác định được các hệ số để đánh giá độ tin cậy theo các biểu thức:

Trong đó: N i và L i là số khách hàng và phụ tải tại điểm tải i

Nhận xét

Độ tin cậy của hệ thống phân phối điện là một chỉ tiêu quan trọng trong quy hoạch và vận hành hệ thống Với sự xuất hiện của PMT trên lưới, độ tin cậy cung cấp điện có thể được cải thiện hoặc không Điều đó phụ thuộc vào cấu trúc của lưới điện, vị trí đấu nối, công suất lắp đặt và công nghệ của nguồn PMT Một số ảnh hưởng của PMT đến độ tin cậy cung cấp điện:

- PMT có thể nâng cao được độ tin cậy của lưới khi tải đỉnh và do đó làm chậm lại giai đoạn phải đầu tư vốn vào cải tạo lưới

- Khi PMT được đặt gần với phụ tải thì chúng có thể nâng cao điện áp và giảm được tổn thất công suất trên đoạn lưới từ trạm phân phối đến vị trí đặt PMT

Trong thời gian tải đỉnh, vận hành PMT có thể giảm được tải biểu kiến của đường dây xuống dưới giới hạn của lưới phân phối Việc giảm tải dưới giới hạn tải của đường dây tự nó không thể nâng cao độ tin cậy của lưới Phần lớn các nhà cung cấp đều chọn dung lượng của đường dây dựa trên tình trạng quá tải định mức của thiết bị và tiêu chuẩn về sự sụt giảm điện áp Nếu giới hạn này bị vượt quá thì

có thể kéo theo sự suy giảm mạnh điện áp trên lưới phân phối, nhưng vẫn có một khoảng thời gian cho phép để khắc phục vấn đề này để không phải sa thải phụ tải Điều này có thể lý giải đơn giản trong trường hợp PMT làm việc song song với lưới thì bên cạnh việc cung cấp điện cho phụ tải đằng sau lưới, PMT còn cấp ngược công suất trở về lưới nếu công suất của PMT là đủ lớn hơn so với yêu cầu của phụ tải đó Khi tải đỉnh, PMT có thể đáp ứng nhu cầu và do đó sẽ giảm được tải biểu kiến trên đường dây từ nguồn tới vị trí PMT, tức là nâng cao khả năng tải của lưới điện và kéo theo độ tin cậy cung cấp điện tăng lên

PMT có thể góp phần vào việc cung cấp điện cho phụ tải trong những trường hợp bất thường cho tới khi khôi phục lại tình trạng cấp điện của lưới; từ đó làm tăng các chỉ số về độ tin cậy của lưới như: Thời gian mất điện trung bình của hệ thống (SAIDI), tần suất gián đoạn cung cấp điện cho phụ tải (SAIFI),… Sự xuất hiện của PMT cũng nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải trong chế độ vận hành cô lập Trong trường hợp này, phụ tải phải nhỏ hơn công suất phát của PMT Khi đấu nối PMT vào lưới điện sẽ kéo theo các vấn đề về dòng điện ngắn mạch và thiết bị bảo vệ, để nâng cao độ tin cậy của lưới điện có thể thực hiện nhiều biện

pháp khác nhau như cài đặt lại các thông số của các thiết bị bảo vệ hoặc xác định các vị trí tối ưu của các thiết bị bảo vệ cũng như vị trí của PMT

Kết quả tính toán được các hệ số từ các công thức từ (1.6) và (1.7) xét trong các trường hợp khác nhau, có và không có PMT để đánh giá được ảnh hưởng của PMT đến độ tin cậy của lưới điện Ngoài ra, vị trí và công suất của PMT đấu nối vào lưới điện sẽ có thể cải thiện độ tin cậy cung cấp điện của lưới Đối với LĐPP hình tia, vị trí tốt nhất của PMT là ở cuối đường dây để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Vì trên đường trục có bố trí các dao phân đoạn nên khi sự cố ở một phân đoạn bất kỳ, phân đoạn đó sẽ được cô lập, phần lưới phía trước sẽ được cấp điện

từ lưới hệ thống còn phần lưới cuối sẽ được cấp điện từ PMT nếu công suất của PMT cho phép Khi đó PMT đóng vài trò là nguồn dự phòng cho phần lưới cuối,

và chế độ vận hành như vậy gọi là chế độ vận hành cô lập Đấu nối nhiều PMT có công suất nhỏ phân bố khắp lưới sẽ có lợi hơn khi đấu nối PMT tại một vị trí nhất định hoặc ở gần trạm nguồn Tuy nhiên, khi phân bố rải rác nhiều PMT công suất nhỏ thì tác dụng nâng cao độ tin cậy sẽ kém hơn so với đặt PMT công suất lớn ở cuối đường dây Hiệu quả nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi đấu nối PMT vào lưới sẽ cao hơn nếu có sự kết hợp linh hoạt giữa các thiết bị đóng cắt hoặc bảo vệ trên lưới

Các chỉ tiêu về tần số, sóng hài và nhấp nháy điện áp không được xét đến trong giai đoạn qui hoạch Chất lượng điện áp được xem xét trong giai đoạn qui hoạch là độ lệch điện áp tại các nút với chế độ phụ tải cực đại, cực tiểu

1.3 Nguồn pin mặt trời

1.3.1 Nguồn điện phân tán

Nhiều thuật ngữ và tên gọi khác nhau được sử dụng để định nghĩa nguồn điện phân tán Trong đó, thuật ngữ “nguồn phát phân tán – Distributed Genneration (DG)” hay “nguồn phi tập trung – Decentralized Generation” là thuật ngữ được sử dụng phổ biến hiện nay [21] Nói chung, nguồn phân tán có thể được hiểu như là một nguồn phát điện với quy mô nhỏ được đấu nối vào hệ thống lưới phân phối Trong đó, ưu tiên sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo

Trong luận văn này, tác giả sử dụng định nghĩa nguồn phân tán như định nghĩa trong tiêu chuẩn IEEE 1547: “Nguồn phân tán là loại nguồn kết nối trực tiếp tới hệ thống phân phối” Nguồn phân tán bao gồm máy phát điện và các công nghệ

dự trữ năng lượng Nguồn này cung cấp điện trực tiếp cho các phụ tải nên giảm

được chi phí đầu tư hệ thống truyền tải, chi phí truyền dẫn đồng thời giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng Ngoài ra, tận dụng được các nguồn tái tạo tại chỗ nên có tiềm năng nâng cao hiệu quả của hệ thống, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện trong LĐPP với cấu trúc hình tia…

Nguồn phân tán có thể chia ra làm hai nhóm chính theo công nghệ chế tạo:

- Nhóm nguồn năng lượng tái tạo: Điện gió, điện mặt trời, thủy điện nhỏ, điện sinh khối, địa nhiệt điện, điện thủy triều

- Nhóm nguồn năng lượng không tái tạo: Động cơ đốt trong (Diesel), pin nhiện liệu, tua bin khí

Trong đó các DG tái tạo đang được ưu tiên thúc đẩy phát triển nhanh chóng

do các tác động tích cực của chúng đến môi trường Các công nghệ DG và dải công suất thông thường được chỉ ra trong bảng 1.1

Bảng 1.1: Dải công suất tương ứng của các công nghệ DG

Nhiều công nghệ nguồn điện phân tán đã được phát triển và ứng dụng trong LĐPP bao các nguồn sử dụng năng lượng tái tạo và các nguồn sử dụng năng lượng hóa thạch như:

- Tua-bin khí là nguồn có nhiều ưu điểm và được sử dụng phổ biến với hiệu quả cao, sử dụng nhiên liệu là khí sinh học, khí ga tự nhiên, khí đốt, dầu lửa

- Pin nhiên liệu, đây là một thiết bị điện hóa mà trong đó biến đổi hóa năng thành điện năng nhờ quá trình oxy hóa nhiên liệu, nhiên liệu thường dùng ở đây là khí H2 và khí O2 hoặc không khí Quá trình biến đổi năng lượng trong pin nhiên liệu là trực tiếp từ hóa năng sang điện năng theo phản ứng hóa học Nguồn này có hiệu suất cao, không gây tiếng ồn, không phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm môi trường…

- Nguồn pin mặt trời chuyển quang năng thành điện năng trực tiếp nhờ các tấm pin mặt trời ghép lại với nhau thành mô đun hay panel Nguồn này tiềm năng lớn, phân bố trải đều trên lãnh thổ, không có chi phí mua nhiên liệu đầu vào, năng

lượng sạch, tái tạo và bền vững, không phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm môi trường…

- Tuabin gió biến đổi động năng dòng không khí thành cơ năng làm quay máy phát điện chuyển hóa năng lượng gió thành điện năng Tuabin gió không có chi phí nhiên liệu, là nguồn năng lượng sạch, tái tạo và bền vững, góp phần bảo vệ môi trường, không phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm môi trường Ngoài ra, tuabin gió phân bố rộng khắp, phù hợp với các vùng sâu, vùng xa, biển, hải đảo

- Thủy điện nhỏ có tiềm năng lớn, phân bố chủ yếu ở vùng núi phía Bắc, miền Trung, Tây Nguyên, rất thuận lợi cho quá trình điện khí hóa nông thôn, đặc biệt là các khu vực xa lưới có mật độ phụ tải nhỏ Thủy điện nhỏ có chi phí thấp, tuổi thọ của nhà máy cao, không có chi phí nhiên liệu nên cạnh tranh về giá so với các nguồn năng lượng khác

- Một số nguồn năng lượng tái tạo khác như nhà máy điện thủy triều, năng lượng địa nhiệt và năng lượng sinh khối cũng là nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng lớn với nguồn năng lượng sơ cấp được chuyển hóa thành nhiệt để quay tuabin tạo cơ năng quay máy phát điện tương tụ như nhà máy nhiệt điện

1.3.2 Hiện trạng và tiềm năng nguồn năng lượng tái tạo Việt Nam

Việt Nam có tiềm năng lớn phát triển nguồn năng lượng tái tạo để xây dựng

và phát triển hệ thống năng lượng bền vững Trong quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia thời kỳ (20212030), tầm nhìn 2045 (Quy hoạch điện VIII) đã đề ra mục tiêu cụ thể, tỷ trọng năng lượng tái tạo trong tổng công suất điện dự kiến tăng từ 27% năm 2021 lên 29% trong năm 2025 và 40% vào năm 2045 [9][12]

Theo số liệu từ tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), tính đến hết năm 2021, tổng công suất lắp đặt các nguồn năng lượng tái tạo tại Việt Nam ước đạt khoảng 22300MW, chiếm khoảng 28% công suất lắp đặt của hệ thống điện quốc gia [13] Kết quả trên có được là do quyết định của thủ tướng về cơ chế hỗ trợ giá FIT (là một cơ chế chính sách được đưa ra nhằm khuyến khích phát triển các nguồn NLTT, giá bán điện được tính toán để nhà đầu tư thanh toán đủ chi phí đầu tư, có lãi vừa phải và giá này được giữ cố định trong 20 năm) Do đó, với chính sách khuyến khích này trong những năm tới nguồn năng lượng tái tạo sẽ tiếp tục phát triển

Việt Nam cũng được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng tái tạo đặc biệt là nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời [20] Trong đó, nguồn năng lượng gió có tiềm năng tới 513.36GW ở chiều cao 65m như bảng 1.2 Ngoài ra, một nghiên cứu được thực hiện xác định tiềm năng điện gió tại Việt Nam ở độ cao 80m khoảng 2400MW như trên bảng 1.3

Bảng 1.2: Tiềm năng điện gió của 4 nước đông dương

Bảng 1.3: Tiềm năng điện gió của Việt Nam

Việt Nam cũng là nước có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước với tổng số giờ nắng trong năm dao động trong khoảng (14003000)giờ, cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng (45)kWh/m2/ngày Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền Trung và miền Nam là khoảng

300 ngày/năm

Theo thống kê của Tổng cục khí tượng thủy văn về số giờ nắng (bình quân trong 20 năm) ở nước ta có thể chia lam 3 vùng:

- Vùng 1: Các tỉnh vùng Tây Bắc (Sơn La, Lai Châu) có số giờ nắng tương đối cao, từ 1897h/năm đến 2102 h/năm

- Vùng 2: Gồm các tỉnh còn lại của miền Bắc và một số tỉnh từ Thanh Hóa đến Quảng Bình, số giờ nắng trung bình từ 1400h/năm đến 1700h/năm

- Vùng 3: Gồm các tỉnh từ Huế trở vào, có số giờ nắng cao nhất cả nước,

từ 1900h/năm đến 2700h/năm

Hình 1.8 Phân bố năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Theo công bố của Bộ công thương trong Maps of Solar Radiation and Potential in Vietnam, bức xạ mặt trời trên lãnh thổ nước ta có tiềm năng rất lớn, phần lớn năng lượng từ 3.2 đến 5kWh/ngày được trải dài từ bắc tới nam Cường

độ bức xạ tăng dần ở các tỉnh miền trung và miền nam, tập trung lớn nhất là các tỉnh nam trung bộ như trên hình 1.8

Tính đến năm 2020, tổng công suất nguồn pin mặt trời đã được lắp đặt, ứng dụng tại Việt Nam là 19.4MWp chiếm 25% tổng công suất đặt của hệ thống Với

sự phát triển của công nghệ pin mặt trời, chi phí đầu tư ngày càng giảm do đó nguồn này có tiềm năng phát triển rất lớn trong tương lai

1.3.3 Nhận xét

Nguồn điện phân tán đã và đang cho thấy những ưu điểm và những lợi ích thiết thực trong HTĐ nước ta Trong đó, những nguồn năng lượng tái tạo được đặc biệt chú trọng do có tiềm năng to lớn và thân thiện với môi trường

Trên thế giới, nguồn năng lượng phân tán đang được ứng dụng rộng rãi với

sự quan tâm sâu sắc và những chính sách phù hợp Đặc biệt, các nước cộng đồng Châu Âu đều có mục tiêu rõ ràng về năng lượng tái tạo của quốc gia, nhằm khuyến khích sự phát triển mạnh mẽ của loại năng lượng này

Trong đó, nước ta có tiềm năng về nguồn năng lượng tái tạo rất lớn đặc biệt

là nguồn điện gió và năng lượng mặt trời hiện mới được khai thác với tỷ lệ rất thấp Nếu được ưu tiên, chú trọng phát triển, sẽ đem lại nguồn lợi to lớn, khắc phục tình trạng thiếu điện và giảm ô nhiễm môi trường

1.4 Qui hoạch lưới điện phân phối

1.4.1 Mục tiêu

Mục tiêu của bài toán qui hoạch LĐPP là xác định lộ trình nâng cấp thiết bị (đường dây và TBA), bổ sung nguồn cung cấp hay thiết bị bù nhằm đáp ứng yêu cầu phụ tải trong tương lai đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế và các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống

Hàm mục tiêu thường xác định qua các chỉ tiêu như cực tiểu chi phí đầu tư xây dựng mới hoặc nâng cấp thiết bị, cực tiểu chi phí bảo dưỡng và vận hành hay tổn thất công suất và tổn thất điện năng của LĐPP Ngoài ra, một số trường hợp còn bổ sung thêm chỉ tiêu nâng cao chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện

và giảm thiểu tác động của môi trường…

1.4.2 Những bước cơ bản của bài toán qui hoạch LĐPP

Nhìn chung, việc giải các bài toán qui hoạch LĐPP có thể là một quá trình phức tạp với nhiều nội dung cần nghiên cứu giải quyết Các bước tính toán qui hoạch nói chung và qui hoạch LĐPP thường được thực hiện như hình 1.9

Hình 1.9 Các bước qui hoạch LĐPP

1.4.3 Một số bài toán qui hoạch LĐPP

Qui hoạch LĐPP có thể là bài toán qui hoạch mởi hoặc là bài toán qui hoạch

mở rộng và nâng cấp lưới điện đã có nhằm đáp ứng sự phát triển của phụ tải đồng thời nâng cao hiệu quả của hệ thống (nâng cao độ tin cậy CCĐ, giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng ) Gần đây, xu hướng khuyến khích phát triển nguồn năng lượng tái tạo trong LĐPP đang rất được quan tâm Do đó, qui hoạch LĐPP thường nghiên cứu ứng dụng một số bài toán sau đây

Nâng cấp thiết bị của hệ thống

LĐPP đã được xây dựng và thường đã phát triển ổn định, khó thay đổi do hạn chế về không gian xây dựng đặc biệt trong các khu công nghiệp hay đô thị Phụ tải phát triển trong tương lai sẽ gây quá tải các đường dây và TBA, điện áp tại các phụ tải xa nguồn có thể không đảm bảo Trong trường hợp này, phương án nâng cấp đường dây và TBA của hệ thống sẽ được xem xét để đáp ứng yêu cầu của phụ tải

Cần đánh giá tất cả các lựa chọn và giải pháp thay thế

trong cùng điều kiện Cần xác định những giải pháp thay thế có sẵn và khả thi Cần lựa chọn được giải pháp tốt nhất đáp ứng những mục tiêu liên quan đến vấn đề cần giải quyết

Bổ sung nguồn điện phân tán

Nguồn phân tán đang được ứng dụng rộng rãi trong LĐPP và có tác động tích cực tới chỉ tiêu KT-KT của hệ thống Do đó, để đáp ứng yêu cầu thực tiễn, qui hoạch LĐPP cần quan tâm đến bổ sung và lựa chọn vị trí, loại công nghệ, thời gian

và công suất đầu tư của nguồn phân tán tỏng LĐPP

Bổ sung thiết bị bù

Thiết bị bù CSPK thường được bổ sung khi hệ thống đảm bảo truyền tải công suất nhưng chất lượng điện áp tại các phụ tải kém Bài toán thường đặt ra vấn đề lựa chọn vị trí và dung lượng tối ưu của thiết bị bù CSPK lắp đặt thêm nhằm đạt được yêu cầu về điện áp đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế của LĐPP Vấn đề cần giải quyết là lựa chọn vị trí, dung lượng bù tối ưu khi ĐTPT thay đổi theo thời gian trong ngày và mùa trong năm

Qui hoạch mới và mở rộng sơ đồ

Trong những khu vực mới phát triển hoặc còn không gian để mở rộng LĐPP, bài toán mở rộng sơ đồ của hệ thống cần được xem xét Những đường dây mới được xây dựng để cung cấp cho những phụ tải mới hoặc liên kết với TBA, nguồn cung cấp mới nhằm đáp ứng yêu cầu phụ tải trong tương lai Trong trường hợp này, thường xác định trước một số phương án có thể mở rộng sơ đồ hệ thống Từ

đó, xác định thời gian và thông số của thiết bị, đánh giá các chỉ tiêu KT-KT và chọn phương án tối ưu

1.4.4 Phương pháp qui hoạch LĐPP

Nhìn chung, việc qui hoạch các LĐPP thường được thực hiện theo hai hướng

là qui hoạch theo tiêu chuẩn và qui hoạch toán học

Qui hoạch theo tiêu chuẩn

Phương pháp qui hoạch theo tiêu chuẩn được đặc trưng bởi việc mở rộng LĐPP hiện trạng theo từng bước theo qui hoạch dài hạn của HTĐ đã được lựa chọn bởi các phân tích trực quan, có quan hệ chặt chẽ với suy nghĩ của các chuyên gia

Do đó, so sánh đánh giá các phương án theo các chỉ tiêu mang tính tổng hợp, phương án lựa chọn khả thi trong thực tế Tuy nhiên, do số lượng phương án đưa

ra so sánh hạn chế, không xét đến tác động của các biến quyết định nên có thể bỏ sót phương án và không đảm bảo một lời giải tối ưu toàn cục

Qui hoạch toán học

Qui hoạch toán học là phương pháp mô hình hóa bài toán qui hoạch LĐPP

về dạng toán học rồi dùng các thuật toán tối ưu để tìm lời giải thỏa mãn tất cả các ràng buộc Mô hình tối ưu toán học của bài toán qui hoạch LĐPP gồm các biến, các ràng buộc và một hàm mục tiêu

Nhiều phương pháp đã được nghiên cứu để giải các bài toán qui hoạch LĐPP Bài toán qui hoạch tuyến tính có thể giải bằng thuật toán đơn hình, thuật toán nhánh-cận… Bài toán qui hoạch phi tuyến có thể được giải bằng các phương pháp lặp (tuyến tính hóa, gradient), phương pháp Lagrange, tìm kiếm Tabu, phương pháp Newton và Quasi-Newton…

Phương pháp qui hoạch toán học xét đến tác động lẫn nhau giữa các biến quyết định (biến lựa chọn), biến trạng thái đồng thời có thể xét đến tất cả các phương án có thể của hệ thống nên cho lời giải tối ưu và đảm bảo độ chính xác cao Tuy nhiên, do số lượng biến và các ràng buộc của hệ thống rất lớn nên rất khó

để giải quyết những bài toán có qui mô lớn Khó khăn trên được khắc phục khi đơn giản hóa các ràng buộc thực tiễn dẫn đến một lời giải tối ưu toán chưa chắc là một phương án tối ưu trong thực tế

Nhận xét

Mặc dù phương pháp qui hoạch toán học ngày càng được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn, cho phép giảm thời gian tính toán và có thể đưa thêm ngày càng nhiều tham số sát với điều kiện thực tiễn Tuy vậy, phương pháp qui hoạch toán học hiện vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn phương pháp qui hoạch theo tiêu chuẩn mà thường sử dụng kết hợp cả hai phương pháp Trước hết, bằng phương pháp qui hoạch theo tiêu chuẩn, một số phương án không khả thi sẽ được loại bớt theo điều kiện thực tiễn Sau đó, phương pháp qui hoạch toán học sẽ được

áp dụng để tính toán và lựa chọn phương án tối ưu

Hiện nay, LĐPP đã được xây dựng và cung cấp điện cho hầu hết các phụ tải

Sơ đồ của lưới trung áp phụ thuộc nhiều vào điều kiện địa hình thực tế Do đó, qui hoạch LĐPP thường là bài toán nâng cấp thiết bị và xây dựng mới một số đường dây hay TBA với sơ đồ đã xác định

1.5 Biến thiên của phụ tải trong LĐPP

1.5.1 Đồ thị phụ tải ngày

Phụ tải điện là một hàm biến đổi theo thời gian, vì có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến nó nên phụ tải điện không biến thiên theo một quy luật nhất định Do đó việc xác định chính xác phụ tải điện là rất khó khăn nhưng đồng thời là một việc hết sức quan trọng [4]

Phụ tải điện là số liệu dùng làm căn cứ để chọn các thiết bị điện trong hệ thống cung cấp điện Nếu phụ tải tính toán nhỏ hơn phụ tải thực tế thì sẽ dẫn đến làm giảm tuổi thọ của các thiết bị điện, có thể dẫn tới cháy, nổ các thiết bị điện Nếu phụ tải tính toán lớn hơn phụ tải thực tế nhiều thì các thiết bị chọn sẽ quá lớn

so với yêu cầu dẫn tới lãng phí

Sự thay đổi của phụ tải theo thời gian có thể được ghi lại bằng các dụng cụ

đo lường có cơ cấu tự ghi hoặc do nhân viên vận hành ghi Thông thường để cho việc tính toán được thuận tiện, đồ thị phụ tải được vẽ lại theo hình bậc thang Chiều cao của các bậc thang được lấy theo giá trị trung bình của phụ tải trong khoảng thời gian được xét, tức là có thể lấy theo chỉ số của công tơ lấy trong những khoảng thời gian được xác định giống nhau

Các phương pháp xác định phụ tải được chia thành hai nhóm:

- Nhóm phương pháp dựa trên kinh nghiệm vận hành, thiết kế và được tổng kết lại bằng các hệ số tính toán (đặc điểm của nhóm phương pháp này là: thuận lợi nhất cho việc tính toán, nhanh chóng đạt kết quả, nhưng thường cho kết quả kém chính xác)

- Nhóm phương pháp dựa trên cơ sở của lý thuyết xác suất và thống kê (có

ưu điểm cho kết quả khá chính xác, song cách tính lại rất phức tạp)

Tuy nhiên, khi tính toán thiết kế thì đồ thị phụ tải cần tính toán và dự báo

Do tính chất quan trọng như vậy nên đã có rất nhiều công trình nghiên cứu và đề

ra nhiều phương pháp xác định phụ tải tính toán, song chưa có một phương pháp nào hoàn thiện Nếu thuận tiện cho việc tính toán thì lại thiếu chính xác ngược lại nếu nâng cao được độ chính xác, kể đến nhiều yếu tố ảnh hưởng thì phương pháp tính lại quá phức tạp Đồ thị phụ tải điện được phân loại như sau:

- Phân theo đại lượng đo:

+ Đồ thị phụ tải phản kháng Q(t);

+ Đồ thị điện năng A(t)

- Phân theo thời gian khảo sát:

Hình 1.10 Đồ thị phụ tải ngày Tương tự, đồ thị phụ tải ngày có thể được xây dựng điển hình cho mùa trong năm như hình 1.12 Phương pháp này xét đến thay đổi của phụ tải theo thời gian trong ngày và mùa trong năm do đó thông số chế độ được xem xét trong hầu hết các trạng thái vận hành của hệ thống trong thực tiễn

Hình 1.11 Đồ thị phụ tải ngày điển hình theo mùa

Vì vậy, việc tính toán các bài toán trong hệ thống điện nói chung và LĐPP nói riêng theo đồ thị phụ tải ngày điển hình theo mùa trong năm sẽ nâng cao được tính chính xác của kết quả tính toán Hơn nữa, thông số chế độ được xem xét trong hầu hết các chế độ của hệ thống nên đảm bảo được chất lượng điện năng của hệ thống

1.5.3 Tính ngẫu nhiên của phụ tải điện

Phụ tải điện luôn thay đổi theo thời gian, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhu cầu của khách hàng, điều kiện thời tiết Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, thay đổi của phụ tải mang tính ngẫu nhiên và nhiều mô hình biểu diễn thay đổi của phụ tải theo các mô hình xác suất đã được giới thiệu trong những nghiên cứu gần đây [10][18] Mô hình được sử dụng phổ biến là mô hình xác suất của phụ tải được phân bố theo hàm mật độ xác suất chuẩn và được biểu diễn như biểu thức (1.8)

2 2

2

2 2

toán trong hệ thống điện nói chung và LĐPP nói riêng theo thông số tải không đổi

sẽ gặp sai số lớn

1.6 Kết luận chương 1

Chương này đã giới thiệu tổng quan một số vấn đề cơ bản và những yêu cầu của LĐPP trong tính toán qui hoạch và vận hành LĐPP… Nguồn điện phân tán sử dụng các dạng năng lượng tái tạo với nhiều ưu điểm được giới thiệu, tuy nhiên, việc phát triển nguồn điện phân tán sẽ phát sinh các vấn đề kỹ thuật như có ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu chất lượng điện áp cũng như tổn thất công suất và tổn thất điện năng của LĐPP…

Tổng quan về qui hoạch HTĐ nói chung và qui hoạch, cải tạo LĐPP đã được trình bày với những phân tích về các bước tính toán qui hoạch, phân tích lựa chọn phương pháp qui hoạch phù hợp áp dụng cho LĐPP

CHƯƠNG 2 NGUỒN PIN MẶT TRỜI

2

2.1 Giới thiệu chung

Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất, đặc biệt với Việt Nam do có tiềm năng lớn, phân bố rộng khắp và công nghệ khai thác cho phép thực hiện ở cả qui mô nhỏ và lớn Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận bởi tiềm năng rất lớn Tuy nhiên để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần giải quyết được các vấn đề kỹ thuật liên quan

2.2 Năng lượng mặt trời

Năng lượng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ Mỗi giây nó phát ra 3.86x1026J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1.32x1016 tấn than

đá tiêu chuẩn Nhưng bề mặt trái đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng 17.57x1016J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.0x106 tấn than đá Tuy nhiên, đây là lượng năng lượng rất lớn khi con người có thể sử dụng và chuyển hóa thành các dạng năng lượng hữu ích [5]

Năng lượng mặt trời tới trên bề mặt trái đất do các tia bức xạ, tia bức xạ có bước sóng trải dài trong một phạm vi rất rộng từ 10-7nm đến 103km Trong đó, ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0.4m đến gần 0.8m, chỉ chiếm một phần rất nhỏ của phổ sóng điện từ của bức xạ mặt trời Sự phân bố năng lượng đối với các bước sóng khác nhau cũng khác nhau và được trình bày trên bảng 2.1 Mật độ năng lượng bức xạ mặt trời chủ yếu phân bố trong giải bước sóng từ 0.2m (tử ngoại C,

tỷ lệ mật độ năng lượng 0.57%) đến bước sóng 3.0m (hồng ngoại, tỷ lệ mật độ năng lượng 1.93%), còn ngoài vùng đó mật độ năng lượng không đáng kể

Bảng 2.1: Mật độ năng lượng theo bước sóng

Quang phổ Bước sóng Mật độ năng lượng (W/m 2 ) Tỷ lệ %

Tia tử ngoại C 0.2  0.28m 7.864.106 0.57 Tia tử ngoại B 0.28  0.32m 2.122.101 1.55 Tia tử ngoại A 0.32  0.40m 8.073.101 5.90

Tia nhìn thấy

0.40  0.52m 2.240.102 16.39 0.52  0.62m 1.827.102 13.36 0.62  0.78m 2.280.102 16.68

2.3 Năng lượng mặt trời trên bề mặt trái đất

2.3.1 Chuyển động tương đối của mặt trời và trái đất

Trái đất có thể xem gần đúng là một quả cầu quay xung quanh mặt trời trên quỹ đạo gần tròn có bán kính trung bình là 1.495x1011m Thời gian cần thiết để trái đất quay được một vòng xung quanh mặt trời là 365.25 ngày hay 1 năm Ngoài

ra, trái đất còn tự quay xung quanh trục riêng của nó Trục quay riêng là đường thẳng đi qua hai cực Bắc- Nam của trái đất và tạo một góc 23045' so với pháp tuyến của mặt phẳng quỹ đạo của quả đất xung quanh mặt trời Chu kỳ quay của trái đất xung quanh trục riêng của nó là 24 giờ hay 1 ngày đêm Mặt phẳng vuông góc với trục của trái đất và cắt bề mặt quả đất một tiết diện lớn nhất gọi là mặt phẳng xích đạo, còn đường tròn lớn nhất là giao tuyến giữa mặt phẳng xích đạo và mặt cầu trái đất gọi là đường xích đạo như trên hình 2.1 Do đó, với mỗi vị trí quan sát trên trái đất ở mỗi thời gian khác nhau sẽ nhận được năng lượng bức xạ khác nhau phụ thuộc vào vị trí tương đối của mặt trời và trí đất

Để xác định được bức xạ mặt trời tới một điểm nào đó trên bề mặt trái đất, trước hết cần xác định vị trí của mặt trời ở thời điểm tính toán do chuyển động tương đối của hệ mặt trời- trái đất nên bức xạ mặt trời tới bề mặt quả đất luôn luôn thay đổi theo thời gian và không gian Sử dụng hệ toạ độ trong đó trái đất được coi

là đứng yên, còn mặt trời "chuyển động" từ Đông sang Tây và xác định hai góc như trình bày trên hình 2.2: