Ảnh hƣởng tới chất lƣợng điện áp

VI. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2.3 Ảnh hƣởng tới chất lƣợng điện áp

2.3.1 Chỉ tiêu chất lượng điện áp

Chất lƣợng điện áp là một chỉ tiêu quan trọng trong tiêu chuẩn chất lƣợng điện năng, nó đƣợc đánh giá bởi các chỉ tiêu sau:

- Độ lệch điện áp trên cực của thiết bị dùng điện so với điện áp định mức.

- Độ dao động điện áp. - Độ không đối xứng.

- Độ không sin (sự biến dạng của đƣờng cong điện áp, các thành phần sóng hài bậc cao ...)

Chất lƣợng cung cấp điện bị ảnh hƣởng đáng kể bởi chất lƣợng điện áp cung cấp cho khách hàng, nó bị tác động bởi thông số của các phần tử trên hệ

Tại Việt Nam, chất lƣợng điện áp đƣợc quy định trong Luật Điện lực, Quy phạm Trang bị điện và Tiêu chuẩn kỹ thuật điện (TCKTĐ) nhƣ sau: Trong điều kiện vận hành bình thƣờng, điện áp đƣợc phép dao động trong khoảng 5% so với điện áp danh định và đƣợc xác định tại phía thứ cấp của máy biến áp cấp điện cho bên mua hoặc tại vị trí khác do hai bên thỏa thuận trong hợp đồng khi bên mua đạt hệ số công suất (cos)  0,85 và thực hiện đúng biểu đồ phụ tải đó thỏa thuận trong hợp đồng. Trong trƣờng hợp lƣới điện chƣa ổn định, điện áp đƣợc dao động từ +5% đến -10%.

DG không điều chỉnh trực tiếp điện áp của LĐTA nhƣng nó có thể làm cho điện áp trên lƣới tăng lên hoặc giảm đi phụ thuộc vào loại DG, phƣơng pháp điều chỉnh DG, công suất phát và các thông số của lƣới và tải. Ảnh hƣởng của DG lên sự thay đổi điện áp khi DG chỉ phát công suất tác dụng (cos=1) nhỏ hơn so với khi DG phát hoặc tiêu thụ cả công suất phản kháng [7][12][18][27].

DG cũng ảnh hƣởng tới tổn thất trên các lộ đƣờng dây, làm thay đổi đặc tính điện áp. DG ảnh hƣởng tới việc giảm tổn thất cũng giống nhƣ các giàn tụ bù đặt cùng vị trí. Điểm khác biệt là DG ảnh hƣởng tới cả dòng công suất tác dụng và phản kháng trong khi các giàn tụ bù chỉ ảnh hƣởng tới dòng công suất phản kháng. Khi DG đƣợc kết nối có công suất xấp xỉ bằng phụ tải địa phƣơng và đƣợc đặt gần phụ tải thì nó có thể giảm đáng kể tổn thất trên đƣờng dây.

DG đƣợc kết nối chủ yếu với LĐTA trung áp với giới hạn công suất nhỏ. Nhƣng khi mức độ thâm nhập của DG lớn thì công suất phát từ DG không chỉ làm thay đổi dòng công suất trong lƣới mà cả ở lƣới truyền tải. Nếu DG đƣợc đặt xa nguồn và phát công suất ngƣợc tới trạm nguồn hoặc thậm chí là ngƣợc tới lƣới truyền tải thông qua máy biến áp trạm nguồn, tổn thất có thể tăng lên trên LĐTA, nhƣng tổn thất trên lƣới truyền tải thì giảm xuống. Điều này sẽ có ích nếu lƣới truyền tải đang ở tình trạng đầy tải, mặt khác tổn thất tăng lên trên LĐTA sẽ là vấn đề lớn đối với các công ty phân phối điện.

Sự ổn định điện áp bao gồm các điều kiện tải vận hành ổn định và mức điện áp nằm trong phạm vi cho phép tại tất cả các nút (thanh cái). Hơn thế nữa, công suất phát từ các DG sẽ làm giảm công suất phát từ các nguồn phát điện tập trung và số máy phát trên lƣới, ảnh hƣởng tới dự trữ quay hệ thống. Điều này sẽ làm gia tăng mức độ không chắc chắn của ổn định hệ thống điện.

Do đó, trong nghiên cứu này sử dụng chỉ tiêu độ lệch điện áp để đánh giá ảnh hƣởng của DG tới chất lƣợng cung cấp điện của LĐTA.

2.3.2 Ảnh hưởng của DG tới chất lượng điện áp

2.3.2.1 Gia tăng điện áp

Với DG là các máy phát đồng bộ có thể phát công suất tác dụng, phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng, điều đó có thể làm tăng điện áp ở vùng có điện áp thấp nhƣng cũng có thể làm tăng điện áp cục bộ trên lƣới điện.

Máy phát điện đồng bộ có thể phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng, nhƣng máy phát điện không đồng bộ chỉ tiêu thụ công suất phản kháng, chính vì vậy mà máy phát điện đồng bộ làm gia tăng điện áp nhanh hơn, tức ảnh hƣởng lớn hơn. Với các DG có bộ biến đổi có thể thay đổi công suất phản kháng đầu ra trong một phạm vi nhỏ.

2.3.2.2 Suy giảm nhanh điện áp

Sự suy giảm nhanh điện áp là sự suy giảm điện áp trong thời gian ngắn và thƣờng kết thúc từ 0,5 chu kỳ dòng điện (0,1 giây) tới 1 giây hoặc từ hàng chục mili giây tới hàng trăm mili giây. Số lần suy giảm nhanh điện áp có thể xảy ra khi mở một nhánh, khi xảy ra ngắn mạch, hoặc khi khởi động một máy phát DG, hoặc máy phát trung tâm lớn bị sự cố. Mức suy giảm từ 0,9 pu đến 0,85 pu thƣờng do đóng cắt tải, trong khi đó những sự suy giảm mạnh có thể do các sự cố ngắn mạch gây ra.

Sự suy giảm nhanh điện áp có thể dẫn đến trục trặc của rơle bảo vệ hoặc một sự cố xảy ra trong mạng lƣới có thể gây ra ngừng hoạt động tạm thời các DG.

2.3.2.3 Dao động điện áp

Sự dao động điện áp là sự thay đổi có tính hệ thống về biên độ và hình dáng của sóng điện áp hoặc một chuỗi các thay đổi ngẫu nhiên về điện áp, biên độ điện áp thƣờng không vƣợt quá giới hạn quy định là từ 0,9 pu đến 1,1 pu.

Sự biến đổi công suất phát của một số máy phát DG nhƣ tuabin gió và pin mặt trời đều có tính ngẫu nhiên, có thể gây ra sự dao động điện áp. Điều này có thể gây ra sự không ổn định của điện áp khi cung cấp cho ngƣời tiêu dùng. Ở thời điểm đám mây di chuyển che khuất mặt trời có thể làm cho công suất phát sinh từ pin mặt trời thay đổi.

DG có công suất đầu ra dao động nhƣ gió hoặc hệ thống pin quang điện có thể gây ra những dao động điện áp ngẫu nhiên trên lƣới trong phạm vi từ vài giây đến một giờ. Phụ thuộc vào công suất đầu ra của DG, cùng với đặc tính của lƣới phân phối và tính chất tải, dao động điện áp kéo dài trong một vài phút có thể xảy

Đối với điện gió, công suất dao động ngắn hạn PST đƣợc đo trong khoảng thời gian 10 phút hoặc công suất dao động dài hạn PLT đƣợc đo trong vòng 2 giờ có mối liên hệ nhƣ sau:

3 12 1 3 , 12           i i ST LT P P (2.11)

Giá trị PLT phải nhỏ, không lớn hơn 1 trong khoảng 95% thời gian một tuần. Nó chỉ ra rằng tác động của sự dao động là mang tính chủ quan, ví dụ nhƣ trong một số trƣờng hợp, con ngƣời có thể bị gây phiền toái với PLT =1, trái lại trong một số trƣờng hợp thì có thể chấp nhận giá trị lớn hơn. Và để đảm bảo PLT 1 ở đầu vào của khách hàng (hộ tiêu thụ, điểm tải...) thì mỗi nguồn gây dao động đƣợc nối vào lƣới phải nằm trong giới hạn cho phép.

2.4 Ảnh hƣởng do gây ra sóng hài

Do đa số các DG sử dụng bộ biến đổi DC/AC nên các sóng hài bậc cao đƣợc sinh ra bởi bộ biến đổi sẽ đƣợc đƣa vào lƣới điện. Các sóng hài này làm méo dạng sóng cơ bản của điện áp và dòng điện, làm tăng tổn thất trong các thiết bị điện từ trên lƣới và tăng tổn thất trong lƣới điện.

Giá trị biên độ sóng hài bậc h của điện áp (Uh) có thể đƣợc đánh giá thông qua giá trị tƣơng đối so với giá trị sóng điện áp bậc 1(Un):

n h h U U U  (2.12)

Độ lệch sóng hài tổng của điện áp sẽ phải  5% giá trị điện áp bậc 1:

     40 2 h 2 h U THD (2.13)

Một số tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế đã định ra quy trình đánh giá thích hợp đối với mức độ sóng hài trên lƣới.

2.5 Ảnh hƣởng đến dòng ngắn mạch và làm việc của thiết bị bảo vệ

Vấn đề về bảo vệ là vấn đề cần đặc biệt quan tâm khi kết nối DG vào lƣới điện. Khi kết nối DG vào lƣới điện, trong chế độ sự cố, DG có thể làm giảm bớt mức độ suy giảm điện áp, tuy nhiên cũng ảnh hƣởng tới sự phân bố dòng sự cố với mức độ phức tạp tăng lên [7][12][22].

Cấu trúc truyền thống của LĐTA là các sơ đồ lƣới hình tia hoặc mạch vòng kín vận hành hở. Nhƣ vậy, trong chế độ làm việc bình thƣờng cũng nhƣ trong chế độ sự cố, dòng điện chạy theo một chiều duy nhất từ nguồn tới phụ tải. Nếu nhƣ

có sự cố xảy ra gần với phụ tải thì thiết bị bảo vệ phụ tải gần nhất về phía nguồn sẽ tác động, nếu không thì bảo vệ cấp trên sẽ tác động để cô lập phần lƣới bị sự cố hoặc loại trừ sự cố. Do các DG đƣợc đấu nối song song với lƣới nên làm giảm tổng trở sự cố của lƣới dẫn đến tăng dòng sự cố. Chính vì vậy, khi kết nối DG vào LĐTA thì nhất thiết phải đảm bảo đƣợc tính chọn lọc và đảm bảo mức độ sự cố phải thấp hơn giá trị thiết kế ban đầu của lƣới dƣới các điều kiện bất lợi nhất.

2.5.1 Dòng điện tăng cao trong các trường hợp sự cố

Trong các chế độ ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch ngoài việc đƣợc cung cấp năng lƣợng từ hệ thống, còn đƣợc cung cấp năng lƣợng từ các DG. Do đó dòng điện trong các chế độ sự cố ngắn mạch trên lƣới điện sẽ tăng lên. Khi đó, với tính chất của LĐTA thì sự gia tăng giá trị dòng sự cố cần đảm bảo các điều kiện sau:

- Dòng điện sự cố không đƣợc vƣợt quá dòng điện ngắn mạch định mức của thiết bị;

- Thiết bị bảo vệ quá dòng điện có khả năng cắt sự cố tƣơng đƣơng với mức độ của dòng điện ngắn mạch;

- Phải có sự phối hợp chặt chẽ giữa các thiết bị bảo vệ trên lƣới điện nhƣ. Khi dòng sự cố tăng quá cao và có thể cao hơn dòng cắt ngắn mạch của máy cắt sẽ dẫn đến hƣ hỏng cho thiết bị và mất an toàn cho ngƣời vận hành. Nếu thay thế các thiết bị có khả năng chịu đựng dòng ngắn mạch tƣơng ứng sẽ làm tăng vốn đầu tƣ của lƣới điện.

Mức độ tăng của dòng điện sự cố phụ thuộc vào công suất, mức độ thâm nhập, công nghệ của DG cùng với cấp điện áp hệ thống trƣớc khi sự cố. Công suất của DG càng lớn, mức độ ảnh hƣởng càng tăng.

2.5.2 Ảnh hưởng của DG đến sự phối hợp giữa các thiết bị bảo vệ

Việc kết nối DG vào lƣới điện đòi hỏi cần phải xem xét lại khoảng thời gian phối hợp giữa các bảo vệ đƣờng dây lân cận, vì ảnh hƣởng của DG tới sự phối hợp của các bảo vệ không chỉ giới hạn trong đƣờng dây mà DG kết nối vào. Sự cố ở đƣờng dây lân cận có thể khiến cho các bảo vệ ở đƣờng dây có nguồn điện phân tán kết nối vào hoạt động. Điều này là không mong muốn vì sự cố đó không nằm trong phạm vi bảo vệ của các thiết bị bảo vệ trên đƣờng dây có nguồn điện phân tán kết nối vào, và sẽ dẫn đến việc ngừng cung cấp điện cho các phụ tải trong khi đƣờng dây đó không hề bị sự cố.

Để tạo ra sự phối hợp các thiết bị bảo vệ thích hợp cho tất cả các chế độ sự cố trên lƣới điện là rất khó khăn. Do đó, trong trƣờng hợp này ngƣời ta thƣờng

thay thế các bảo vệ quá dòng không hƣớng trên đƣờng dây bằng các bảo vệ quá dòng có hƣớng. Việc thêm các bảo vệ quá dòng có hƣớng tại các máy cắt đầu đƣờng dây sẽ giúp giải quyết đƣợc vấn đề này.

Sự tăng lên về dòng điện sự cố trên lƣới làm thay đổi cách thức hệ thống bảo vệ kiểm soát sự cố (cài đặt rơle, thiết bị TĐL, dung lƣợng cắt ngắn mạch của máy cắt và cầu chì).

DG còn làm ảnh hƣởng đến vùng tác động của bảo vệ rơ le: Nếu có trƣờng hợp DG đƣợc kết nối ở giữa vị trí đặt máy cắt và điểm sự cố thì khi đó vùng tác động của bảo vệ rơ le sẽ bị thu hẹp dẫn đến làm tăng thời gian loại trừ sự cố.

2.5.3 Ảnh hưởng của DG đến sự làm việc của thiết bị tự động đóng lại.

Khi có sự cố ngắn mạch thoáng qua, các thiết bị bảo vệ của DG sẽ phải phát hiện sự cố và ngắt kết nối với hệ thống trong khoảng thời gian tác động của thiết bị tự động đóng lại (TĐL) và mất một khoảng thời gian để TĐL loại trừ sự cố. Nếu không, DG vẫn kết nối với lƣới trong thời gian ngắt của TĐL và duy trì hồ quang tại điểm sự cố khiến cho quá trình đóng lặp lại của TĐL không thành công, khi đó thiết bị bảo vệ sẽ tác động nhƣ khi có sự cố duy trì, nghĩa là các thiết bị bảo vệ làm việc sai. Khoảng thời gian tác động của TĐL đƣợc quy định thƣờng nhỏ hơn hoặc bằng 1 giây.

Trong trƣờng hợp, trên lƣới điện có sự phối hợp giữa cầu chì và thiết bị TĐL. Khi có sự đóng góp dòng điện sự cố của các DG làm cho dòng điện sự cố tổng lớn, điều đó có thể làm cho cầu chì tác động đồng thời hoặc tác động trƣớc cả thiết bị TĐL. Trong lƣới điện, các sự cố thoáng qua lại chiếm đến 70-80% các sự cố xảy ra tại các tuyến đƣờng dây, điều đó đồng nghĩa rằng độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải phía sau cầu chì giảm thấp. Vì vậy, sự phối hợp giữa cầu chì và TĐL sẽ cần phải đƣợc tính toán và cài đặt lại cho phù hợp trong từng trƣờng hợp cụ thể.

Thiết bị TĐL có thể tác động nhầm với các sự cố ngoài vùng bảo vệ của mình. Ví dụ: Trƣờng hợp DG đƣợc kết nối sau TĐL mà sự cố lại xảy ra ở đoạn đƣờng dây phía trƣớc TĐL. Điều này có thể khắc phục bằng cách trang bị các bảo vệ có hƣớng cho TĐL.

Một vấn đề rất dễ xảy ra là, các DG có thể cản trở sự đóng lại thành công của thiết bị TĐL. Khi TĐL tác động để loại trừ sự cố nhƣng do DG vẫn cấp nguồn đến điểm sự cố làm hồ quang tại đó không đƣợc dập tắt và TĐL đóng lại không thành công vì nó hiểu đó là ngắn mạch duy trì. Trong trƣờng hợp này, DG làm giảm độ liên tục cung cấp điện, không những thế mỗi lần TĐL đóng lại không thành công còn làm tăng thêm các áp lực đối với chính nó.

Mặt khác, nguy hiểm nhất là khi thiết bị TĐL đóng lại thành công nhƣng mất đồng bộ. Giả sử khi có sự cố thoáng qua trong lƣới điện, TĐL tác động thành công, tuy nhiên DG vẫn đang cấp nguồn cho phần lƣới điện bị cô lập (phần lƣới này có tần số khác với tần số hệ thống). Nhƣ vậy, khi TĐL tác động đóng lại hai lƣới điện không cùng tần số sẽ đặc biệt nguy hiểm nếu tại thời điểm tác động mà hai lƣới điện ngƣợc pha nhau, sẽ dẫn đến quá điện áp, quá dòng điện và mô men xoắn lớn tác động xấu đến các máy điện quay.

2.5.4 Biện pháp hạn chế ảnh hưởng của DG trong chế độ sự cố lưới điện

Có rất nhiều biện pháp để hạn chế ảnh hƣởng của DG trong chế độ sự cố nhƣ sử dụng kháng điện nối nối tiếp giữa DG với lƣới hay biện pháp sử dụng các thiết bị hạn chế dòng sự cố. Thiết bị hạn chế dòng sự cố (FCL) có thể là khả dĩ trong việc tối thiểu hóa ảnh hƣởng của DG lên lƣới khi có sự cố và cũng không có những tác động bất lợi tới lƣới trong trạng thái làm việc ổn định khi không có sự cố. FCL sẽ hạn chế dòng của DG cấp ngƣợc vào lƣới khi sự cố mà không ngăn cản dòng công suất từ DG vào lƣới ở trạng thái làm việc bình thƣờng. Giải