Công suất kết nối của nguồn phân tán vào lưới điện phân phối trong điều kiện có nhiễu sóng hài

Bài viết Công suất kết nối của nguồn phân tán vào lưới điện phân phối trong điều kiện có nhiễu sóng hài xây dựng mô hình tính toán khi kết nối của nguồn phân tán (DG) vào lưới điện phân phối trong các điều kiện xuất hiện nhiễu loại sóng hài cả phía lưới điện và phía DG. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới công suất phát (kết nối) của DG, xác định được mức lớn nhất và nhỏ nhất của DG khi kết nối cho một trường hợp lưới hình tia cụ thể.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) CÔNG SUẤT KẾT NỐI CỦA NGUỒN PHÂN TÁN VÀO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRONG ĐIỀU KIỆN CÓ NHIỄU SÓNG HÀI HOSTING CAPACITY OF GRID-CONNECTED DISTRIBUTED GENERATION IN HARMONIC DISTORTED DISTRIBUTION NETWORKS Nguyễn Phúc Huy Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 15/05/2021, Ngày chấp nhận đăng: 28/12/2021, Phản biện: TS Nguyễn Đình Quang Tóm tắt: Bài báo xây dựng mơ hình tính tốn kết nối nguồn phân tán (DG) vào lưới điện phân phối điều kiện xuất nhiễu loại sóng hài phía lưới điện phía DG Phân tích yếu tố ảnh hưởng tới công suất phát (kết nối) DG, xác định mức lớn nhỏ DG kết nối cho trường hợp lưới hình tia cụ thể Trong điều kiện có nhiễu sóng hài mà nguồn phát sinh DG hay từ sóng hài hữu lưới điện có ảnh hưởng khác Sự xuất sóng hài làm giảm công suất phát DG lên lưới điện với mức giảm phù thuộc vào trường hợp cụ thể Ngay mức nhiễu sóng hài khơng vượt q qui định cơng suất phát DG cần phải giới hạn lo ngại áp lưới Kết báo gợi ý cho trường hợp vận hành lưới điện giải pháp đề xuất để giảm mức độ ảnh hưởng sóng hài Từ khóa: Cơng suất tới hạn, Nguồn phân tán, Sóng hài, Lưới điện phân phối Abstract: The paper has modeled electric power distribution networks with connected distributed generation under condition of background harmonics of the network or generated harmonics from the DG itself Effect factors on hosting capacity of DG were also analyzed to show the maximum and minimum level of generation in case of a radial network Under harmonic distorted conditions where harmonics were generated from DG or propagated from background harmonics, the effects of these harmonics are different They cause reducing in generated power of DG into the network differently for different cases Even if harmonic distorted level is not over the regulated limit, the generation power of DG should to be controlled to avoid voltage from exceeding the available limit The results from this paper are directional in operating and dispatching electric distribution networks, and proposing method to eliminate harmonic and its effects Keywords: Hosting capacity, Distributed Generation, Harmonic, Distribution Networks MỞ ĐẦU Trong xu hướng chung phát 62 triển nguồn lượng tái tạo, tùy thuộc vào qui mô công suất vị trí mà Số 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) chúng kết nối vào lưới điện cấp điện áp khác Ở phân khúc lưới điện phân phối, nguồn điện có cơng suất nhỏ nằm gần phụ tải nhà máy điện lớn nên gọi nguồn phân tán (DG) Sự kết nối DG vào lưới điện dẫn tới thay đổi cấu trúc số vấn đề kỹ thuật liên quan khả tải, chất lượng điện áp, bảo vệ lưới điện, độ tin cậy cung cấp điện… Trong đó, vấn đề điện áp kể đến gia tăng điện áp, suy giảm điện áp, dao động điện áp, sóng hài điện áp, ràng buộc việc xác định công suất kết nối DG [1] Sóng hài điện áp điểm kết nối từ phụ tải phi tuyến, sóng hài lan truyền lưới điện thân nguồn phân tán có sử dụng biến đổi gây nên [1-3] Tiêu chuẩn sóng hài lưới đề cập tiêu chuẩn [4, 5] để thực nghiên cứu xác định mức độ thâm nhập DG vào lưới điện điều kiện nhiễu sóng hài [5-15] Các nghiên cứu số biện pháp nhằm nâng cao công suất kết nối DG vào lưới điện sử dụng lọc sóng hài, điều chỉnh phụ tải, điều chỉnh điện áp đầu phân áp máy biến áp, điều chỉnh dải công suất phát phản kháng DG để nâng cao công suất phát tác dụng [5-15] Các giải pháp khơng phải ln áp dụng mà phụ thuộc điều kiện lưới điện cụ thể Trong nước ta, nguồn điện lượng tái tạo gió, mặt trời có cơng Số 27 suất lớn kết nối vào lưới truyền tải, có nghiên cứu nói ảnh hưởng chúng [16] Đối với lưới điện phân phối vấn đề xác định mức thâm nhập DG theo tiêu chuẩn sóng hài theo qui định [17] chưa có cơng trình công bố Các phần báo bàn khái niệm công suất kết nối tới hạn DG ảnh hưởng nhiễu sóng hài từ nguồn khác Tính tốn mô thực lưới điện phân phối trung áp với qui định sóng hài cụ thể Việt Nam, từ rõ phương thức áp dụng giải pháp nhằm nâng cao mức thâm nhập DG CÔNG SUẤT TỚI HẠN CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN Công suất tới hạn (Hosting Capacity HC) nguồn phát điện phân tán (DG) công suất lớn kết nối vào lưới điện mà vượt dẫn đến vi phạm tiêu chuẩn kỹ thuật lưới điện Các tiêu kỹ thuật giới hạn giới hạn khả tải đường dây, chất lượng điện áp, độ tin cậy, ngưỡng tác động bảo vệ rơle, phối hợp thiết bị bảo vệ… [1] Hình Sơ đồ tính tốn ảnh hưởng DG tới điện áp nút 63 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Trong nghiên cứu ảnh hưởng DG với lưới điện tiêu điện áp, mơ hình thường áp dụng Khi DG phát cơng suất tác dụng xác định sau:   k1. U dm pcc    pcc  Pdg  Pt   k2  R  k2  đường dây, giới hạn điện áp Tức sụt áp lớn, giới hạn điện áp cao cơng suất DG kết nối tăng, thể hình (1) đó: Uđm - điện áp định mức mạng điện;  ,  pcc tỉ số điện áp điểm đầu nguồn điểm đấu DG so với giá trị định mức;   X / R với R, X điện trở điện kháng đường dây từ nguồn tới điểm kết nối DG; k1  Qt / Pt k2  Qdg / Pdg ẢNH HƯỞNG CỦA SĨNG HÀI Từ (1) thấy, công suất phát DG phụ thuộc nhiều yếu tố: công suất phụ tải, hệ số công suất phụ tải thân DG, tỉ số X/R lưới điện Với mạng điện hình tia (hình 1), điểm kết nối cuối đường dây điện trở R lớn, cơng suất tải cuối lưới nhỏ nên Pdg nhỏ Trong thực tế vận hành lưới điện, hệ số công suất thường trì mức 0,9 tỉ lệ X/R lưới trung áp (≤35 kV) ~ 2, xét điều kiện phụ tải DG có hệ số cơng suất ta có: Pdg  Pt   U dm pcc    pcc  R (2) Từ (2) thấy, cơng suất phát DG lớn phụ tải phía sau điểm kết nối   lớn  pcc    pcc nhỏ Tức là, công suất phát DG phụ thuộc vào điện áp đầu nguồn, tổn thất điện áp 64 Hình Cơng suất phát DG phụ thuộc sụt áp giới hạn điện áp lưới điện Trong vận hành, nguồn phân tán kết nối qua biến đổi nguồn áp phát sinh sóng hài bơm vào lưới điện Lượng sóng hài phát sinh biến đổi khống chế theo tiêu chuẩn nên ảnh hưởng tới mức phát DG nhỏ [7], nhiên chúng tương tác với lưới điện có ảnh hưởng định cần xem xét [8-12] Bên cạnh đó, lưới điện tồn phụ tải phi tuyến, cộng với lan truyền sóng hài nhiều trường hợp trở điểm kết nối DG làm cho giới hạn sóng hài bị vi phạm [8-12] Công thức (1) (2) xây dựng cho trường hợp lưới điện khơng có sóng hài, đại lượng tương ứng tần số lưới điện Khi có sóng hài ta mở rộng cơng thức cho thành phần sóng hài xuất (3) Số 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)  Pt  h   hmax   Pdg    U   h    h     h    pcc pcc   dm h 1     R  Yh , Ih , U h ma trận đại (3) lượng vectơ phức tổng dẫn, dòng điện điện áp nút bậc hài h h bậc sóng hài, hmax bậc sóng hài lớn xét tới;   h  ,  pcc  h  tỉ số điện áp thành phần điện áp hài đầu nguồn điểm kết nối DG Có thể thấy, ngồi thành phần cơng suất tần số 50 Hz cịn có thêm thành phần cơng suất tần số khác Khi biên độ thành phần sóng hài riêng lẻ tăng, tổng độ méo THDV tăng, dẫn tới công suất DG kết nối bị giảm xuống Để tính tốn chế độ xác lập, phần tử sơ đồ thay mạng điện phải thể thay đổi theo tần số, tức tổng dẫn hài chúng MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Tổng dẫn đường dây xét tới là: Mơ hình mô hệ thống thể hình Hệ thống điện có cấp điện áp 22 kV, công suất ngắn mạch 500 MVA, điện áp đầu nguồn 1,02 p.u.; đường dây trung áp sử dụng dây AC có r0 = 0,27 Ω/km, x0 = 0,37 Ω/km; DG kết nối cách nguồn km, DG kết nối qua MBA phân phối 22/0,4 kV có xB = 5%; tần số phụ tải lớn tồn lưới điện phía sau điểm kết nối DG 10 MW, cosφ = 0,9 Phụ tải cực tiểu 25% phụ tải cực đại Yh,d  Từ (2) thấy trường hợp khơng có sóng hài Pdgmax = 10,02 MW Pdgmin = 2,48 MW Sơ đồ thay tính tốn mạng điện thể hình Chế độ xác lập mạng điện tính tốn qua việc giải phương trình mơ tả qua quan hệ sau: Ih = Yh Uh Số 27 (4) Hình Sơ đồ thay tính tốn mạng điện Rd  jhX d (5) h bậc sóng hài; Rd điện trở Xd giá trị điện kháng tần số ( 0  2 f0 ) lưới điện Phụ tải tuyến tính Ptải + jQtải lưới điện mô tả nhánh song song điện trở điện kháng: Yh,tai  Q   P  j tai   tai U  h  (6) Các nguồn gây hài hệ thống mô tả nguồn áp sơ đồ thay Thevenin Q trình tính tốn thực hình Với phân tích mục 3, sóng hài từ DG sóng hài hữu lưới điện có ảnh hưởng, tiến hành khảo sát trường hợp sau: 65 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)  TH1: Nguồn hài từ DG Để quan sát rõ ảnh hưởng sóng hài, ta xét trường hợp mức hài nguồn tương ứng nguồn hài biến đổi xung, bao gồm sóng hài chủ yếu 5, 7, 11, 13; lớn 4% sóng bậc 5; hệ thống tuyến tính, nguồn hoàn toàn sin chuẩn (TH0) Kết sau:  TH2: Nguồn hài từ lưới, xét xuất sóng hài xuất phát từ lưới điện 5% hài bậc 5; Kết trường hợp thể hình sau: U1 = 1,015 p.u.; THDU1 = %; Upcc = 0,98 p.u.; THDUpcc = %; Pdg = 8,434 MW;  TH3: Ảnh hưởng kết hợp nguồn hài từ lưới từ DG Bắt đầu, nhập số liệu Khởi tạo điện áp hệ thống UHT, điện áp nguồn DG Udg Tính ma trận tổng dẫn Gán U0=[UHT; Udg] Hình Phổ hài điện áp nút U1 (trái), Udg(phải) TH1 (a, b) TH2 (c,d) Tính U =[U1;Upcc] từ (4) Cập nhật Yt saiso = |U-U0| Gán U0=U saiso