5. Phương pháp nghiên cứu
2.1. Các quy định kỹ thuật đánh giá ảnh hưởng tới lưới điện phân phối
2.1.1. Các yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn kết nối nguồn điện gió với lướ
điện phân phối trên thế giới
Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) phối hợp với Hiệp hội Đồng (Cu) Quốc tế khu vực châu Á (ICASEA) vào ngày 14/03/2013 đã tổ chức Hội thảo “Ảnh hưởng của điện gió, tiêu chuẩn đấu nối điện gió và sự tham gia vào thị trường điện” với mục đích thu thập ý kiến đóng góp nhằm hồn thiện các văn phản pháp lý, quy trình, quy phạm, đặc biệt là xuất bản Sổ tay Tiêu chuẩn đấu nối nguồn điện gió với hệ thống điện.
2.1.1.1. Tiêu chuẩn kết nối và yêu cầu kỹ thuật
- Công suất đặt cực đại của điện gió (Maximum Wind power installation)
Khả năng tải của MBA, cáp, dây dẫn, thiết bị chuyển mạch được sử dụng để xác định mức công suất cực đại của điện gió có thể lắp đặt. Ở Vương quốc Bỉ đã có quy định, công suất thiết kế của điện gió phải nhỏ hơn công suất MBA tăng áp của máy phát điện gió và phù hợp với tiêu chuẩn (n-1) của khu vực kết nối. Ở Italia, yêu cầu cơng suất lắp đặt của điện gió khơng vượt q 65% cơng suất khu vực kết nối. Trong khi đó, ở Tây Ban Nha yêu cầu này là không vượt quá 50%. Giới hạn công suất ngắn mạch cũng được sử dụng như một tiêu chuẩn. Cơng suất ngắn mạch của mạng điện gió được bổ sung thêm khơng được vượt quá khả năng của các thiết bị chuyển mạch. Cấp điện áp cũng được xác định như một tiêu chuẩn để xác định công suất đặt cực đại của máy phát điện gió.
- Cấp điện áp kết nối điện gió (Voltage levels of Wind power connection)
Do cơng suất phát hạn chế, điện gió thường được kết nối với mạng trung áp và hạ áp. Trong trường hợp kết nối với lưới trung áp, MBA có thể được yêu cầu làm nhiệm vụ bảo vệ điện gió, do điện gió có thể tiêu thụ cơng suất phản kháng, đồng thời ngăn ngừa dòng thứ tự “khơng” và hạn chế dịng ngắn mạch. Nói chung, ở các nước với quy mơ điện gió tập trung nhỏ hơn 20 MW đều được kết nối lưới điện trung áp, sau đó kết nối với lưới điện truyền tải.
- Chất lượng điện năng (Power quality)
+ Sóng hài (Harmonic)
Bậc của sóng hài sinh ra bởi điện gió yêu cầu không được gây ra các nhiễu loạn trong lưới điện phân phối. Tổng độ biến dạng sóng hài (Total Harmonic Distortion - THD) được yêu cầu nhỏ hơn 5%. Theo IEEE 519-1992 đã yêu cầu các giá trị khác nhau của sóng hài và tổng độ méo tồn phần (Bảng 2. 1).
Bảng 2. 1 Quy định về độ biến dạng sóng hài theo IEEE 519-1992 [5, 11]
Bậc sóng hài Độ biến dạng sóng hài
đến bậc 11 4,0% bậc 11 đến bậc 17 2,0% bậc 17 đến bậc 23 1,5% bậc 23 đến bậc 35 0,6% bậc 35 trở lên 0,3% Tổng độ biến dạng sóng hài (THD) 5,0%
Các máy phát điện gió sử dụng các bộ điện tử công suất, là nguồn phát sinh sóng hài. Kiểu máy phát phụ thuộc vào công nghệ bộ biến đổi điện tử công suất và cấu trúc của chúng. Bản thân máy phát điện gió cũng là nguồn gây ra sóng hài, phụ thuộc vào cấu trúc bộ dây quấn, mạch từ…và làm thay đổi độ méo toàn phần (THD) của mạng điện. Theo Thông tư số 32 (năm 2007 của Bộ Công Nghiệp cũ nay là Bộ Công Thương), giá trị cực đại cho phép (theo % điện áp danh định) của THD điện áp gây ra bởi các thành phần sóng hài bậc cao đối với các cấp điện áp được quy định tại bảng 2.
Bảng 2. 2 Quy định về độ biến dạng sóng hài theo điện áp [5]
Cấp điện áp Tổng biến dạng sóng hài Biến dạng riêng lẻ
110kV 3,0% 1,5%
Trung và hạ áp 6,5% 3,0%
+ Chập chờn (Flicker)
Hiện tượng chập chờn là kết quả của việc biến đổi công suất ở đầu ra của máy phát điện gió, dẫn tới sự thay đổi điện áp trên lưới điện phân phối. Để hạn chế hiện tượng này, nhiều nước đã đưa ra yêu cầu công suất lắp đặt cực đại của điện gió phải nhỏ hơn 3 lần công suất ngắn mạch tại điểm kết nối chung. Tiêu chuẩn IEC 6140-21 cũng đưa ra yêu cầu về chất lượng điện năng cho những tuabin gió nối lưới.
Bảng 2. 3 Quy định về thời gian cắt [5]
Bỉ IEE 1547 Pháp
Hạ áp Điện áp
U >1.06 pu: cắt tức thời. U<0.5-0.85 pu: cắt sau 1.5s. Tần số: f < 49.5 Hz hoặc f > 50.5 Hz: cắt tức thời Điện áp U < 0.5: cắt sau 0.16 s. 0.5 < U < 0.88 pu: cắt sau 2.0s. Tần số: Với máy phát < 30 kW f > 60.5 Hz: cắt sau 0.16 s. f < 59.3 Hz: cắt sau 0.16 s. Máy phát > 30 kW f > 60.5 Hz: cắt sau 0.16 s. (59.8-57) Hz: cắt sau (0.16 - 3,0) s f < 57 Hz: cắt sau 0.16 s Điện áp U < 0.85 pu hoặc > 1.15 pu: cắt tức thời. Tần số: f< 47.5 Hz hoặc f> 51.0 Hz: cắt tức thời Trung áp Điện áp U < 0.25 - 0.5 pu hoặc U>1.1 pu: cắt tức thời. U<0.5 - 0.85 pu: cắt sau 1.5s. Tần số: f < 49.5 Hz hoặc > 50.5 Hz: cắt tức thời
+ Hệ số công suất (Power factor)
Hầu hết các máy phát điện gió đều vận hành với hệ số cơng suất đồng nhất (cosφ=1). Trong vận hành thường, các máy phát này đều yêu cầu có lắp đặt các bộ tụ bù. Việc lắp đặt tụ bù được thực hiện ngay tại máy phát. Tiêu chuẩn kỹ thuật của Pháp yêu cầu các máy phát điện gió cơng suất lớn (trường hợp này là các máy phát đồng bộ) phải có khả năng phát và tiêu thụ công suất phản kháng đến một giá trị nhất định nào đó. Máy phát điện gió sử dụng máy điện đồng bộ thích hợp cho việc duy trì hệ số cơng suất để điều khiển điện áp tại điểm kết nối chung. Đối với điện gió sử dụng máy phát khơng đồng bộ thì u cầu hệ số cơng suất phải cao hơn 0,86. Ở nước ta có quy định các tổ máy phát điện không đồng bộ phải được trang bị các tụ bù để đảm bảo hệ số cơng suất tối thiểu bằng 0,90.
+ Dịng điện một chiều (Direct Current - DC)
Dòng điện một chiều DC đưa vào lưới điện từ máy phát điện gió loại nhỏ là một vấn đề được quan tâm. Việc xuất hiện dịng DC làm tăng thêm sự bão hồ các thành phần từ hoá lõi thép các MBA. Theo tiêu chuẩn IEEE 1547, dòng điện một chiều đưa vào lưới từ các máy phát điện này phải nhỏ hơn 0,5% dòng định mức của máy phát tại điểm kết nối. Theo quy định của Vương Quốc Bỉ, giá trị dòng DC đưa vào lưới phải nhỏ hơn 1,0% dịng định mức; nếu cao hơn 1,0% thì phải được loại trừ sau 2 giây.
+ Bảo vệ (Protection)
Hầu hết các nước đều chưa có các tiêu chuẩn và yêu cầu kỹ thuật cho các máy phát làm việc độc lập. Các máy phát điện gió đều phải tách lưới khi lưới điện chính khơng cung cấp điện hoặc khi có sự cố năng nề. Khi giá trị điện áp và tần số vượt ra khỏi phạm vi cho phép, các máy phát điện gió đều phải
ngừng hoạt động trong khoảng thời gian khôi phục sự cố. Tiêu chuẩn IEEE 1547 coi các máy phát điện gió cơng suất nhỏ có ít tác động đến hệ thống. Tuy nhiên, những máy phát có cơng suất trên 30 kW có thể sẽ có những tác động đáng kể đến lưới điện phân phối, yêu cầu này được tính đến sẽ cho phép người vận hành thiết lập, chỉnh định rơle tần số thấp.
+ Tự động đóng lại
Việc đóng lại các máy phát điện gió, nói chung phải đảm bảo khơng gây ra các tác động độc lập khác. Với nguồn điện gió nối lưới truyền tải mà khi có sự cố trên lưới truyền tải quá một khoảng thời gian nhất định (theo quy định trong cơ chế đấu nối - grid code – của từng nước, các máy phát điện gió sẽ được yêu cầu cắt ra khỏi lưới. Tiêu chuẩn kỹ thuật của Italia quy định, thời gian đóng lại sau 2 giây đối với lưới 150 kV; 2,6 giây đối với lưới 220 kV và 4 giây đối với lưới 380 kV. Tuy nhiên, trong khi 70-95% sự cố là thống qua, thì việc u cầu cắt điện gió ra khỏi lưới có thể là khơng thật cần thiết miễn là hệ thống vẫn chịu được các tác động này.
Nói chung các điện gió khơng bị ảnh hưởng bởi việc tự động đóng lại. Các phản ứng của điện gió cần được kết hợp với các thiết bị bảo vệ độc lập, ngăn ngừa các những hư hại có thể ảnh hưởng tới các hệ thống khác. Theo IEEE 1547, máy phát điện gió sẽ tạm ngừng hoạt động khi tự đóng lại đã khơi phục trở lại. Yêu cầu này được đưa ra nhằm ngăn ngừa sự mất đồng bộ trong khoảng thời gian đóng máy, ảnh hưởng tới thiết bị bảo vệ quá dòng hoặc để tránh hư hại tới các MBA và bản thân điện gió. Ở Đức, thời gian tác động của bảo vệ phải ngắn hơn thời gian tự đóng lại. Ở Tây Ba Nha, máy phát điện gió được đấu nối trở lại nếu điện áp tại điểm PCC không nhỏ hơn 0,85 pu với thời gian t < 3 phút.
+ Hồ đồng bộ
Việc đấu nối phải đảm bảo khơng làm ảnh hưởng đến chế độ vận hành của mạng điện. Để có thể hồ đồng bộ điện gió với lưới điện, điện áp của điện gió và điện áp của lưới điện phải có cùng điện áp, tần số, thứ tự pha và góc pha. Nếu hội tụ đủ những điều kiện này, điện gió có thể được hồ đồng bộ với lưới với mức điện áp dao động nằm trong phạm vi ±5% tại điểm kết nối chung.
Bảng 2. 4 Quy định khi hịa đồng bộ máy phát điện gió sử dụng máy phát đồng bộ
IEEE 1547 Bỉ Pháp
Máy phát điện gió loại nhỏ (0 đến 500 kVA)
DU = ±10% Df = ±0.3Hz
Dd = ±200 DU, Df, Dd: phải có giá trị sao cho không gây ra các biến đổi đột ngột nào lớn hơn 5% giá trị danh định DU = ±10% Df = ±0.1Hz Dd = ±100
Máy phát điện gió loại trung bình ( 500 đến 1500 kVA)
DU = ±5% Df = ±0.2Hz Dd = ±150 Máy phát điện gió loại lớn
(1500 kVA trở lên)
DU = ±3% Df = ±0.1Hz Dd = ±100
Bảng 2. 5 Quy định về mức suy giảm điện áp khi hịa đồng bộ máy phát điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ
IEEE 1547 Bỉ Pháp
Mức suy giảm điện
áp £ 5% £ 6% £ 5% và không quá 0,5s
Máy phát không đồng bộ thường yêu cầu điện năng từ phía lưới để duy trì từ trường quay giữa stato và rơto. Do vậy nó ln phải vận hành song song với lưới điện, các bộ tụ bù sẽ được đặt ngay tại máy phát để cung cấp cơng suất phản kháng và duy trì hệ số cơng suất khơng đổi. Việc kết nối điện gió với lưới vẫn được thực hiện nếu mức suy giảm điện áp nhỏ hơn giới hạn cho phép trong thời gian quy định.
2.1.1.2. Nhận định về tiêu chuẩn kết nối và yêu cầu kỹ thuật
Luận văn đã giới thiệu các quy định đấu nối điện gió với lưới theo một số tiêu chuẩn khác nhau của một số nước trên thế giới. Nói chung, các tiêu chuẩn kỹ thuật đều có sự khác nhau, điều đó làm khó khăn và tăng thêm tính phức tạp trong việc triển khai và tiêu chuẩn hố trên phạm vi tồn cầu. Nếu có một tiêu chuẩn chung cho điện gió sẽ góp phần nâng cao chất lượng điện năng, đẩy mạnh việc phát triển điện gió trong các thị trường điện trong tương lai. Các yêu cầu về kỹ thuật và tiêu chuẩn kết nối các máy phát điện gió với lưới điện hiện đang gặp nhiều khó khăn.
Do vậy, việc nghiên cứu tổng thể các yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn kết nối các máy phát điện gió với hệ thống điện ở nước ta để đảm bảo việc xây dựng và vận hành lưới điện an tồn, kinh tế là cơng việc cần thiết.
2.1.2. Các yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn kết nối nguồn điện gió với lưới điện phân phối ở Việt Nam ( trích thơng tư Số: 39/2015/TT-BCT) điện phân phối ở Việt Nam ( trích thơng tư Số: 39/2015/TT-BCT)
- Yêu cầu về cân bằng pha: Trích điều 31 của thơng tư số: 39/2015/TT- BCT [1]
Trong chế độ làm việc bình thường, khách hàng sử dụng lưới điện phân phối phải đảm bảo thiết bị của mình khơng gây ra thành phần thứ tự nghịch của điện áp pha tại điểm đấu nối quá 3 % điện áp danh định đối với cấp điện áp 110 kV hoặc quá 5 % điện áp danh định đối với cấp điện áp dưới 110 kV.
- Yêu cầu về sóng hài dịng điện: Trích điều 32 của thông tư số:
39/2015/TT-BCT [1]
1. Giá trị cực đại cho phép của tổng độ biến dạng sóng hài dịng điện phụ tải gây ra được quy định như sau:
a) Đối với đấu nối vào cấp điện áp trung áp và hạ áp có cơng suất nhỏ hơn 50 kW: Giá trị dịng điện của sóng hài bậc cao khơng vượt quá 20 % dòng điện phụ tải; [1]
b) Đối với đấu nối vào cấp điện áp cao áp hoặc các đấu nối có cơng suất từ 50 kW trở lên: Giá trị dịng điện của sóng hài bậc cao khơng vượt quá 12 % dòng điện phụ tải. [1]
2. Tổng độ biến dạng sóng hài dịng điện do Đơn vị phân phối điện đo tại điểm đấu nối của Khách hàng sử dụng lưới điện phân phối được đo đếm theo tiêu chuẩn IEC1000-4-7, kéo dài ít nhất 24 giờ với chu kỳ 10 phút 01 lần. Chậm nhất 06 tháng kể từ thời điểm phát hiện thiết bị của khách hàng không đạt được giá trị quy định tại Khoản 1 Điều này, khách hàng phải áp dụng các biện pháp khắc phục để đạt được giá trị tổng độ biến dạng sóng hài dịng điện trong giới hạn cho phép.
-Yêu cầu về nhấp nháy điện áp: Trích điều 33 của thông tư số: 39/2015/TT-BCT [1]
Mức nhấp nháy điện áp tối đa cho phép tại điểm đấu nối với lưới điện phân phối phải theo quy định tại Điều 8 Thông tư này.
- Yêu cầu về chế độ nối đất: Trích điều 34 của thơng tư số: 39/2015/TT- BCT [1]
1. Khách hàng sử dụng lưới điện phân phối phải áp dụng các chế độ nối đất trung tính trong lưới điện của mình theo quy định tại Điều 10 Thơng tư
này, trừ trường hợp có thỏa thuận khác và được sự đồng ý của Cấp điều độ có quyền điều khiển.
2. Trường hợp khách hàng được cung cấp điện từ nhiều phía, khách hàng có trách nhiệm lắp đặt các thiết bị bảo vệ thích hợp nhằm ngăn chặn và hạn chế dịng điện chạy qua điểm trung tính xuống đất.
- Yêu cầu về hệ số cơng suất: Trích điều 35 của thơng tư số: 39/2015/TT- BCT [1]
Khách hàng sử dụng điện để sản xuất, kinh doanh, dịch vụ có trạm biến áp riêng hoặc khơng có trạm biến áp riêng nhưng có cơng suất sử dụng cực đại từ 40 kW trở lên có trách nhiệm duy trì hệ số cơng suất (cosj) tại điểm đặt thiết bị đo đếm điện năng theo hợp đồng mua bán điện không nhỏ hơn 0,9.
- Yêu cầu đối với nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời đấu nối vào lưới điện phân phối từ cấp điện áp trung áp trở lên Trích điều 40 của thơng tư số: 39/2015/TT-BCT [1]
1. Nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời phải có khả năng vận hành phát cơng suất tác dụng trong dải tần số từ 49 Hz đến 51 Hz theo các chế độ sau:
a) Chế độ phát tự do: vận hành phát điện cơng suất lớn nhất có thể theo sự biến đổi của nguồn năng lượng sơ cấp (gió hoặc mặt trời).
b) Chế độ điều khiển cơng suất phát:
- Nhà máy điện gió, nhà máy điện mặt trời phải có khả năng điều chỉnh phát công suất tác dụng theo lệnh của Cấp điều độ có quyền điều khiển phù hợp với sự biến đổi của nguồn năng lượng sơ cấp trong thời gian không quá 30 giây với độ sai số trong dải ± 01 % công suất định mức, cụ thể như sau:
- Phát công suất theo đúng lệnh điều độ trong trường hợp nguồn sơ cấp biến thiên bằng hoặc lớn hơn giá trị dự báo;