Bài viết Xác định công suất tới hạn của thủy điện nhỏ kết nối vào lưới điện phân phối phân tích các ảnh hưởng của nguồn phân tán (DG) đối với lưới điện, trong đó có nhà máy thủy điện nhỏ (TĐN). Tiến hành tính toán và mô phỏng cho xuất tuyến 372 E17.1 Mộc Châu (Sơn La) để so sánh ảnh hưởng giữa các trường hợp có mức độ xâm nhập của TĐN.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT TỚI HẠN CỦA THỦY ĐIỆN NHỎ KẾT NỐI VÀO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI DETERMINING HOSTING CAPACITY FOR SMALL-SCALE HYDRO-POWER STATIONS CONNECTED TO DISTRIBUTION NETWORKS Nguyễn Phúc Huy Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 27/05/2022, Ngày chấp nhận đăng: 12/08/2022, Phản biện: TS Nguyễn Mạnh Quân Tóm tắt: Bài báo phân tích ảnh hưởng nguồn phân tán (DG) lưới điện, có nhà máy thủy điện nhỏ (TĐN) Tiến hành tính tốn mơ cho xuất tuyến 372 E17.1 Mộc Châu (Sơn La) để so sánh ảnh hưởng trường hợp có mức độ xâm nhập TĐN Các tiêu lưới điện khả tải đường dây, điện áp nút, bảo vệ rơ le lựa chọn tính tốn mức cơng suất kết nối TĐN cho lưới điện Trong tiêu đó, tiêu điện áp nút lưới điện dễ bị vi phạm nhất, tiêu liên quan tới bảo vệ rơ-le lưới nên xem xét để đánh giá mức độ đáp ứng đề xuất giải pháp cho lưới điện cụ thể Kết báo gợi ý cho trường hợp vận hành lưới điện giải pháp đề xuất để nâng cao công suất kết nối lớn thủy điện nhỏ nói riêng, nguồn phân tán nói chung lưới điện phân phối Từ khóa: Cơng suất tới hạn, Nguồn phân tán, Thủy điện nhỏ, Lưới điện phân phối Abstract: The paper analyzed the effects of distributed generation including small-scale hydro-power stations (SHPs) on electric power distribution networks The calculations and simulations were performed for 372 E17.1 Moc Chau (Son La) to compare the effects between different integration levels of SHPs Performance indices such as distribution line loading capacity, over-voltage, relay protection were chosen to determine hosting capacity of SHPs connected to the network Among these indices, overvoltage is easier to be violated, whereas the relay protection relating index should be considered as a secondary one to evaluate the response of the protection system, and to propose solutions for specific networks The results from this paper are directional in operating and dispatching electric distribution networks, as well as proposing methods to increase the hosting capacity of SHPs and other distributed generations integrated in distribution networks Keywords: Hosting capacity, Distributed Generation, Small-scale hydropower station, Distribution Networks MỞ ĐẦU Trong xu hướng chung phát 22 triển nguồn lượng tái tạo, tùy thuộc vào qui mô cơng suất vị trí mà Số 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG 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) Khi kết nối với lưới điện, DG gây tải đường dây, giảm tăng tổn thất lưới điện tùy thuộc vào mức độ thâm nhập chế độ tải lưới điện, làm gia tăng điện áp điểm kết nối, phát sinh sóng hài, ảnh hưởng tới bảo vệ rơ-le lưới điện hữu [1÷6] Những vấn đề kỹ thuật để xác định cơng suất tới hạn (Hosting Capacity – HC) nguồn phát điện phân tán (DG) Các giới hạn kỹ thuật để xác định công suất tới hạn Dựa vào đặc điểm cụ thể lưới điện đề xuất giải pháp nâng cao cơng suất tới hạn [1, 7, 8] Ở nước ta, với phát triển mạnh nguồn phân tán, nhiều công trình nghiên cứu thực với cơng bố liên quan Các vấn đề kỹ thuật xét tới độc lập điện áp, khả tải mà chủ yếu ảnh hưởng từ điện mặt trời [9, 10] Trong đó, với khu vực vùng núi có tiềm phát triển thủy điện nhỏ, số nguồn tái tạo cấu nguồn Việt Nam [11], vấn đề kết nối ảnh hưởng chúng tới lưới điện chưa quan tâm xem xét Các phần báo tiến hành phân tích ảnh hưởng nguồn thủy điện nhỏ tới lưới điện, cụ thể xuất tuyến 372 E17.1 Mộc Châu, Sơn La, từ xác định cơng suất kết nối tới hạn khuyến nghị tương ứng cho đơn vị quản lý vận hành lưới điện phân phối Số 29 CÔNG SUẤT TỚI HẠN VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH Công suất tới hạn DG xác định theo tiêu kỹ thuật lưới điện, giới hạn giới hạn khả tải đường dây, chất lượng điện áp, độ tin cậy, ngưỡng tác động bảo vệ rơ-le, phối hợp thiết bị bảo vệ, …; cơng suất lớn DG kết nối vào lưới điện mà vượt dẫn đến vi phạm tiêu chuẩn kỹ thuật nêu [1] Quá trình tính tốn xác định cơng suất tới hạn mơ tả qua sơ đồ hình Xác định tiêu kỹ thuật giá trị giới hạn Tính tốn HC theo cơng thức định hướng Tính tốn phân bố công suất lưới điện Chỉ tiêu bị vi phạm? - + Tập hợp giá trị công suất tới hạn Hình Sơ đồ mơ tả q trình xác định HC Hình Kết nối DG vào lưới điện hình tia Để mơ tả phương pháp xác định công suất tới hạn với chi tiêu ta xét đoạn lưới hình tia hình 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Trong vận hành, công suất phát nguồn phân tán lớn nhu cầu phụ tải chạy ngược phía hệ thống (HT) Giá trị cơng suất lớn nhất, DG phát cực đại phụ tải tiêu thụ nhỏ nhất, không lớn khả tải đường dây, dẫn tới giá trị công suất tới hạn theo điều kiện tải lưới điện sau: PHC OL Pt Scp max Qdg max Qt (1) đó: Pt.min Qt.min công suất tác dụng phản kháng nhỏ phụ tải; Qdg.max công suất phản kháng phát lớn DG; Scp.max công suất tải lớn cho phép đường dây Với dịng cơng suất ngược DG làm giảm lượng tổn thất điện áp từ phía HT tới điểm kết nối DG Mức độ giảm phụ thuộc vào vị trí kết nối, cơng suất kết nối giới hạn điện áp cho phép mạng điện, thể (2) PHC OV U2 max K R đó: K 𝑋 𝑄𝑑𝑔 𝑅 𝑃𝑑𝑔 𝑘 = ;𝛼 = (2) 1 k k Với mô hình kết nối hình 2, sơ đồ thay tính ngắn mạch hình 3, để đơn giản ta bỏ qua thành phần điện trở R Gọi 𝑋1 điện kháng từ nguồn hệ thống tới, 𝑋2 điện kháng từ nguồn DG, 𝑋3 điện kháng đoạn đường dây tới điểm ngắn mạch Hình Sơ đồ tính ngắn mạch điểm cuối nhánh lưới có DG Nếu gọi dòng ngắn mạch ngược từ DG trở nguồn qua máy cắt đầu nguồn 𝐼𝑘 (từ điểm tới hình 2), để đảm bảo bảo vệ làm việc tốt dịng trip bảo vệ rơle cần thỏa mãn điều kiện sau: 𝐼𝑘𝑚𝑎𝑥 < 𝐼𝑡𝑟𝑖𝑝 ; X R điện kháng điện trở đoạn lưới từ HT tới điểm kết nối DG Ngồi ra, DG kết nối đóng vai trò nguồn cấp tới điểm cố ngắn mạch, làm thay đổi phân bố dòng ngắn mạch, tăng biên độ dòng ngắn mạch, tăng giảm thời gian tắt dần dòng ngắn mạch Từ đó, dẫn tới số bất lợi 24 nhiệt thiết bị điện, gây lực điện từ Cùng với vấn đề liên quan tới hệ thống rơ-le bảo vệ liệt kê: [1,2] gây trễ phối hợp bảo vệ rơle; gây lỗi thiết bị đóng lặp lại; phải chọn lại thiết bị bảo vệ (3) Dòng ngắn mạch 𝐼𝑘𝑚𝑎𝑥 ngắn mạch xảy đầu đường dây lân cận (sau máy cắt đầu đường dây MC2), từ ta xác định cơng suất kết nối DG: SG xG U dm U dm I trip X (4) xG điện kháng DG; X2 tổng điện kháng đoạn đường dây tính từ tổng tới vị trí DG điện kháng Số 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) DG TÍNH CƠNG SUẤT TỚI HẠN THEO CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT Để tính tốn phân tích, mơ xuất tuyến 372 E17.1 Mộc Châu cấp điện cho phần phụ tải huyện Mộc Châu bao gồm xã Mường Sang, Chiềng Khừa, Chiềng Sơn, Lóng Sập, Chiềng Xuân, Xuân Nha; phần phụ tải huyện Hủa Phăn, nước CHDCND Lào Công suất nhỏ Pmin = 0,7MW lớn Pmax = 10,2MW (năm 2020) Dòng trip MC372 1200A với thời gian 0,35 s [12] Sơ đồ thu gọn cho đường trục đầu nhánh hình DG tạm thời chưa xét việc xuất hai TĐN nhánh Mường Sang, ta áp dụng cơng thức (1) để tính mức cơng suất tới hạn kết nối DG nhánh sau: Bảng 1: Công suất tới hạn theo điều kiện mang tải lưới điện Mường Chiềng Nhánh/trục Hủa-Phăn Sang Ve PHC 16,82 17,2 20,2 (MW) Với mức độ kết nối 372-E17.1, tổng công suất TĐN kết nối cho nhánh Mường Sang 2,5 MW MW, hồn tồn khơng ảnh hưởng khả mang tải đường dây, phát triển thêm nguồn DG tùy thuộc vào vị trí kết nối Nếu kết nối đầu nhánh Mường Sang, công suất nguồn DG cịn bổ sung PHC OL.MS ' 16,82 2,5 =8,32 MW Hình Sơ đồ thu gọn xuất tuyến 372 E17.1 Công suất kết nối DG vị trí khác quan sát hình Trên xuất tuyến có 02 nhà máy thủy điện nhỏ (TĐN) đấu vào nhánh Mường Sang: + Mường Sang A17.9 2x1+0,5MW: 𝑃𝑚𝑎𝑥 =2,4 MW vào khung cao điểm (9h30-11h30, 15h00-20h00) 𝑃𝑚𝑖𝑛 =500 kW tháng 6-11; 𝑃𝑚𝑎𝑥 =2,4 MW, 𝑃𝑚𝑖𝑛 =1,5 MW vào tháng mùa mưa từ tháng 7- hết tháng 10 + Mường Sang A17.53 2x3MW: 𝑃𝑚𝑎𝑥 =5,7 MW vào khung cao điểm ( 9h30-11h30, 15h00-20h00) 𝑃𝑚𝑖𝑛 = 3.1 Tính HC theo tiêu khả tải lưới Nếu bỏ qua công suất phản kháng phát Số 29 Hình Cơng suất tới hạn giảm dần cuối nhánh Mường Sang theo điều kiện mang tải 3.2 Tính HC theo tiêu điện áp Theo quy định, điện áp nút tải lưới điện không vượt 10% định mức cho điểm kết nối DG, nhiên điện áp nút tải lân cận lưới vượt 5% định mức, ta sử dụng 25 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) giới hạn 5% giá trị điện áp định mức Công suất kết nối phụ thuộc vào khoảng cách kết nối DG, phụ thuộc vào nguồn có lưới, ta xét nhánh Mường Sang có chiều dài đường dây lớn, TĐN kết nối nút 58 58/1 Bảng 2: Điện áp nút nhánh Mường Sang U (kV) Nhánh/đoạn Khơng TĐN Có TĐN 58 58/1 58/1 58/9 58/9 58/15 58/15 58/18 58/18 58/24 58/24 58/26 58/26 58/49 58/49 58/83 58/83 58/128 58/128 58/132 58/132 58/154 58/154 58/155 58/155 58/161 58/161 58/181 34,21 34,19 34,16 34,15 34,14 34,12 34,09 34,04 34,01 34,01 34,00 34,00 34,00 34,00 35,21 35,31 35,42 35,45 35,51 35,49 35,46 35,41 35,38 35,37 35,37 35,37 35,37 35,36 Từ công thức (2) ta có cơng suất kết nối tới hạn DG biểu diễn hình giảm 3.3 Tính HC theo tiêu bảo vệ rơ-le Để cụ thể so sánh với tiêu trên, ta xét trường hợp nhánh Mường Sang có kết nối TĐN Với máy phát thủy điện dùng mô có 𝑥𝐺 = 19%, ta lập bảng tính tốn kết hợp (3)&(4) sau: Bảng 3: Công suất tới hạn theo điều kiện rơ-le SG Nhánh/đoạn Nút tính X2(Ω) (MVA) 58 58/1 58/1 3,6147 14,73 58/1 58/9 58/9 3,9867 15,18 58/9 58/15 58/15 4,3587 15,66 58/15 58/18 58/18 4,7307 16,15 58/18 58/24 58/24 5,1027 16,66 58/24 58/26 58/26 5,4747 17,19 58/26 58/49 58/49 5,8467 17,75 58/49 58/83 58/83 6,2187 18,35 58/83 58/128 58/128 6,5907 19,00 58/128 58/132 58/132 6,9627 19,70 58/132 58/154 58/154 7,3347 20,46 58/154 58/155 58/155 7,7067 21,27 58/155 58/161 58/161 8,0787 22,16 58/161 58/181 58/181 8,4507 23,12 Có thể thấy, cuối lưới cơng suất kết nối tới hạn DG tăng, ngược với hai trường hợp xét tiêu mang tải điện áp XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT TỚI HẠN CHUNG CỦA LƯỚI ĐIỆN Hình Cơng suất tới hạn nhánh Mường Sang theo điện áp Kết cho thấy, có tham gia hai nhà máy thủy điện nhỏ nút 58/15 58/24, điện áp nút toàn nhánh cải thiện, biên điện áp giảm công suất tới hạn DG kết nối vào nút lưới 26 Để có cơng suất tới hạn phù hợp cho lưới điện, cần kết hợp tiêu với nhau: điều kiện khả mang tải, giới hạn điện áp rơ-le bảo vệ Công suất tới hạn DG kết nối vào nhánh Mường Sang mơ tả hình 7, ta cần chọn giá trị nhỏ để đảm bảo tất tiêu không bị vi phạm Nhận thấy rõ ràng điều kiện điện áp hạn chế lớn tới công suất tới hạn DG phần sau lưới điện, mặc cho đường dây truyền tải lượng cơng Số 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) suất lớn Ở phần đầu lưới giới hạn khả tải lại mang ý nghĩa định Riêng với nhánh Mường Sang, cơng suất kết nối lớn bổ sung đầu nhánh 8,3 MW; bổ sung cuối nhánh 4,0 MW Hình Cơng suất tới hạn TĐN kết hợp tiêu Với việc kết hợp tiêu định mức HC cho lưới điện, bước khảo sát lại ảnh hưởng tới bảo vệ rơ le Vì lưới trang bị nhiều Recloser phân đoạn, nên vị trí cuối lưới khảo sát cho đoạn lưới phía trước Recloser Dịng ngắn mạch nhánh Mường Sang hình Hình Dịng ngắn mạch nhánh Mường Sang trước sau có TĐN Nhận thấy dòng điện ngắn mạch điểm lưới tăng lên có thêm nguồn máy phát thủy điện nhỏ Tuy nhiên dòng điện ngắn mạch qua máy cắt đầu nguồn tăng giảm tùy thuộc vào Số 29 dạng ngắn mạch, công suất vị trí kết nối nguồn TĐN Với tình trạng lưới điện tại, kết ngắn mạch ngược (điểm C31) ngắn mạch thuận (điểm 58/26) sau: Bảng 4: Dòng điện ngắn mạch qua máy cắt 372 Ngắn mạch Ngắn mạch ngược thuận Điểm ngắn mạch I3k I1k I3k I1k (kA) (kA) (kA) (kA) C31 0,739 1,395 58/26 1,320 - Trường hợp xét với mức công suất tới hạn kết nối nút nhánh Mường Sang, kết tính tốn ngắn mạch bảng Bảng 5: Dòng điện ngắn mạch qua máy cắt 372 mức công suất tới hạn TĐN kết nối TĐN kết nối nút 58/15 nút 58/24 Điểm ngắn mạch I3k I1k I3k I1k (kA) (kA) (kA) (kA) C31 0,708 1,401 0,575 1,263 58/26 1,301 1,339 - Khi công suất TĐN kết nối tăng lên mức tới hạn, dòng điện ngắn mạch ngược giảm so với ban đầu, bảo vệ rơ-le làm việc tốt với trường hợp ngắn mạch Với ngắn mạch ngược trạm, dịng ngắn mạch pha ngược qua MC372 có giá trị lớn, làm máy cắt tác động trường hợp không mong muốn ngắn mạch xảy đầu xuất tuyến lân cận Để khắc phục trang bị bảo vệ có hướng, khơng tác động trường hợp có dịng ngắn mạch ngược từ đường dây KẾT LUẬN Các nguồn thủy điện nhỏ đóng vai trị quan trọng cung cấp điện liên tục, ổn định, 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) đặc biệt cho khu vực vùng núi, nơi tiềm thủy điện lớn Về mặt truyền tải công suất, công suất phát TĐN lớn gây công suất ngược tăng tổn thất cho lưới điện Mặt khác, mật độ phụ tải lưới điện khu vực vùng núi nhỏ, chênh lệch – max lớn nên dẫn tới áp công suất kết nối tăng cao Kết báo vấn đề với khu vực kiểm sốt điện áp lưới điện, hạn chế lớn tới công suất kết nối TĐN mà khả tải lưới điện Đây vấn đề đáng quan tâm đơn vị vận hành lưới điện tỉ trọng TĐN tăng cao TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Math H J Bollen, Fainan Hassan, Integration of Distributed Generation in the Power System, John Wiley & Son, Hoboken, New Jersey, Canada, 2011 [2] J Bloem, Distributed Generation - Integration and Interconnection, KEMA Consulting, 2006 [3] I S 1547.7™, “Guide to Conducting Distribution Impact Studies for Distributed Resource Interconnection,” IEEE, 2013 [4] F M Gonzalez-Longatt, “Impact of Distributed Generation over Power Losses on Distribution Systems,” 9th International Conference on Electrical Power Quanlity and Utilisation, Barcelona, October 2007 [5] J D R B Vu Van Thong, “Power Quality and voltage stability of Distribution System with Distributed Energy Resources,” International Journal of Distributed Energy Resources, tập 1, số 3, p 6, 2005 [6] F Motabarian, M A Golkar and S Hajiaghasi, "Surveying the effect of distributed generation (DG) on over current protection in radial distribution systems," 18th Electric Power Distribution Conference, 2013, pp 1-6 [7] Ivan N Santos, and others, Considerations on hosting capacity of harmonic distortions on transmission and distribution systems, Electric Power System Researchh, Vol.119, pp: 199-206, 2015 [8] S M Ismael, “State of the art of hosting capacity in modern power system with distributed generation,” Renewable Energy, tập 130, pp 1002-1020, 2019 [9] Dương Minh Quân cộng sự, Nghiên cứu ảnh hưởng nhà máy điện mặt trời Phong Điền đến lưới điện Tỉnh Thừa Thiên-Huế, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Đại học Đà Nẵng, số 11 (132), pp 5963, 2018 [10] Nguyễn Anh Tuấn cộng sự, Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng Nhà máy điện mặt trời nối lưới phân phối địa phương đề xuất số giải pháp khắc phục, Đề tài Bộ Công thương mã số 17046/2020, https://www.vista.gov.vn [11] 55-NQ/TW, “Về định hướng Chiến lược phát triển lượng quốc gia Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045,” Bộ Chính trị, 2020 [12] Hồ sơ kỹ thuật xuất tuyến trung áp 35 kV Điện lực Mộc Châu, Sơn La 28 Số 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Thông tin tác giả: Nguyễn Phúc Huy tốt nghiệp Đại học Thạc sĩ trường Đại học Bách khoa Hà nội vào năm 2003 2010 Năm 2015 nhận Tiến sĩ Hệ thống điện tự động hóa trường Đại học Điện lực Hoa Bắc, Bắc Kinh, Trung Quốc Hiện công tác Trường Đại học Điện lực Hướng nghiên cứu chính: Chất lượng điện năng, Ứng dụng điện tử công suất, Độ tin cậy hệ thống điện Email: huynp@epu.edu.vn Số 29 29 ... từ xác định công suất kết nối tới hạn khuyến nghị tương ứng cho đơn vị quản lý vận hành lưới điện phân phối Số 29 CÔNG SUẤT TỚI HẠN VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH Công suất tới hạn DG xác định theo tiêu... cuối lưới cơng suất kết nối tới hạn DG tăng, ngược với hai trường hợp xét tiêu mang tải điện áp XÁC ĐỊNH CÔNG SUẤT TỚI HẠN CHUNG CỦA LƯỚI ĐIỆN Hình Cơng suất tới hạn nhánh Mường Sang theo điện. .. dẫn tới áp công suất kết nối tăng cao Kết báo vấn đề với khu vực kiểm sốt điện áp lưới điện, hạn chế lớn tới công suất kết nối TĐN mà khả tải lưới điện Đây vấn đề đáng quan tâm đơn vị vận hành lưới