7. Bố cục đề tài
1.3. Tổng quan của hệ thống điện năng lượng mặt trời
1.3.5. Các ảnh hưởng của nguồn năng lượng mặt trời
1.3.5.1. Các ảnh hưởng về mặt kỹ thuật a. Ảnh hưởng đến điện áp
* Quá điện áp.
Điện áp là một chỉ số quan trọng để đánh giá về chất lượng điện năng. Việc đấu nối các hệ thống, dự án ĐMTMN vào lưới phân phối có thể làm mất cân bằng điện áp của hệ thống dẫn đến việc hệ thống bị mất ổn định. Điện áp của hệ thống bị mất cân bằng nguyên do là các hệ thống mặt trời áp mái được lắp đặt tại các vị trí ngẫu nhiên dẫn đến khơng cân bằng trở kháng trong lưới điện.
Quá điện áp xảy ra vì hướng của dịng điện trong lưới là đảo ngược: từ nút đến nguồn. Bằng cách biết được các yếu tố quyết định giá trị của điện áp nút, chúng ta hiểu rõ hơn về các phương pháp khác nhau được phát triển để giảm quá điện áp. Điều này rất quan trọng vì nó cho phép các kỹ sư chọn phương pháp tốt nhất để giảm quá điện áp cho mỗi lưới điện.
25 Trong đó:
– Un là điện áp danh định tại nút nguồn, sẽ được giả định khơng đổi và với góc cơng suất bằng 0˚.
– Z đại diện cho trở kháng của cáp, bao gồm điện trở và điện kháng. Ta có cơng thức tính tốn tổn thất điện áp như sau:
ΔU =PR+QX
U (2.1) U= U1 – U2 (2.2) Trong hệ thống này, công suất biểu kiến S được định nghĩa là tổng lượng điện năng được đưa vào hệ thống từ nút tải, trong đó PG và QG tương ứng với cơng suất hoạt động và công suất phản kháng được tạo ra bởi biến tần PV, PL và 𝑄L tương ứng với công suất hoạt động và công suất phản kháng tiêu thụ tại nút:
S = (PG –PL) + j(QG – QL) = P+jQ (2.3) Ở đây, I là dòng điện chạy từ nguồn DG đến nút slack bus. Bỏ qua tổn thất điện năng thơng qua dây dẫn, có thể tìm ∆U bằng cách sử dụng:
U= I.Z = I.(R+jX) (2.4)
I = ( S |Un|) ∗ = P−jQ Un (2.5) Suy ra U = (P−jQ Un ) . (𝑅 + 𝑗𝑋) = PR+QX |Un| + 𝑗 (PR+QX
|Un| ) = Ud + j Uq (2.6)
Trong đó Ud mô tả thành phần dọc trục và Uq thành phần ngang trục của sự tăng điện áp. Nhưng vì sự đóng góp của thành phần ngang trục là rất nhỏ so với thành phần dọc trục, nên có thể bỏ qua nó. Nó như sau:
U ≈ (PR+QX
|Un| ) (2.7)
Lượng tăng điện áp phụ thuộc vào các biến trong phương trình trên. Để tăng cơng suất của lưới phân phối hiện đang phục vụ, chúng ta có quyền kiểm sốt bốn trong số các biến; với |Un| là một tham số thiết kế của mạng phân phối và rất khó sửa đổi.
Ta thấy việc lắp DG tại nút điện áp với giảm P truyền từ hệ thống về làm giảm độ lệch điện áp. Nếu PDG lớn có thể gây ra U âm làm quá điện áp tại nút. Gây ảnh
hưởng tới các thiết bị.
Các phương pháp khác nhau để tăng sự tập trung dung lượng tiếp nhận, ta chú trọng vào một hoặc nhiều biến trong phương trình. Ví dụ, kiểm sốt cơng suất phản kháng nhằm mục đích làm cho giá trị Q nhỏ hơn 0, trong khi gia cố cáp nhằm giảm các giá trị của 𝑅 và X.
* Mất cân bằng điện áp
26
đến chất lượng điện năng trong lưới điện phân phối. Mất cân bằng điện áp thường xuất hiện khi bị lệch pha do phụ tải một pha được sử dụng chênh lệch so với các pha còn lại. Mặc dù điện áp tại đầu nguồn cân bằng, ngoài ra điện áp khi khách hàng sử dụng có thể trở nên không cân bằng do trở kháng hệ thống không đồng đều, phân phối không đều các tải một pha hoặc số lượng lớn máy biến áp một pha.
Sự mất cân bằng điện áp có thể gây quá nhiệt và giảm định mức của tất cả các loại động cơ cảm ứng của tải. Mất cân bằng điện áp cũng có thể gây ra các sự cố mạng lưới như hoạt động kém của rơle bảo vệ và thiết bị điều chỉnh điện áp, và tạo ra sóng hài khơng đặc trưng từ tải điện tử công suất.
Trong những năm gần đây, khách hàng dân cư ngày càng quan tâm đến việc lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái hòa lưới do các chính sách năng lượng và khuyến khích mới từ chính phủ. Điều quan trọng nhất của các hệ thống điện mặt trời áp mái này là công suất đầu ra của chúng được cung cấp cho phụ tải tiêu thụ, sau đó phát lên lưới điện khơng được kiểm sốt mà phụ thuộc vào thời tiết.
Các hệ thống điện mặt trời áp mái hiện đang được đấu nối ngẫu nhiên trên các hệ thống phân phối. Điều này có thể dẫn đến sự gia tăng trong chỉ số mất cân bằng của mạng. Điều này sẽ ngày càng gây ra sự cố cho tải ba pha.
27
* Độ lệch điện áp
Điều này xảy ra do sự thay đổi nhanh chóng cơng suất đầu ra và sự đóng ngắt của máy phát phân tán (DG). Song hành với những lợi ích khơng thể phủ nhận của nguồn điện mặt trời, chúng lại có đặc điểm là phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời, thời gian ban ngày và ban đêm, tính thất thường của thời tiết, mây che, mưa, gió... Thực tế cho thấy, các nguồn điện mặt trời chỉ làm việc hiệu quả từ khoảng 7h sáng tới 17h chiều hàng ngày. Với đặc điểm thay đổi cơng suất nhanh, khơng kiểm sốt, khơng điều khiển được, điện mặt trời sẽ gây ra dao động lớn đối với hệ thống điện và biến thiên theo cường độ bức xạ của mặt trời. Nếu các nguồn điện khác không được đầu tư thêm để dự phòng tại các thời điểm đó, hoặc các nguồn điện hiện có khơng điều chỉnh tăng (hay giảm) công suất kịp thời để bù trừ thì điện áp và tần số hệ thống điện sẽ trượt ra ngoài chỉ số định mức cho phép và các hệ thống bảo vệ sẽ tác động, dẫn đến hậu quả rã lưới, gây mất điện trên diện rộng.
Sự thay đổi nhanh công suất đầu ra của hệ thống PV cũng có thể làm tăng hoạt động của các thiết bị như bộ thay đổi vòi tải (OTLC) và tụ điện chuyển mạch (SC).
b. Ảnh hưởng đến quá tải, quá nhiệt.
Các yếu tố cơ sở hạ tầng phân phối như đường dây, thiết bị đóng cắt và máy biến áp được đặc trưng bởi khả năng mang dòng, được gọi là định mức nhiệt. Nếu vượt quá giới hạn này trong một thời gian đủ, các đặc tính vật lý hoặc điện của phần tử có thể bị hỏng vĩnh viễn. Khi kết nối các hệ thống, dự án điện mặt trời vào lưới điện phân phối sẽ thay đổi dòng điện hiện tại trong mạng.
Khi các hệ thống, dự án điện mặt trời đấu nối vào lưới điện phân phối, phụ tải tại mỗi nút sẽ tiêu thụ một phần công suất mà hệ thống điện mặt trời đã tạo ra. Phần lớn lượng công suất của các nguồn phân tán còn lại sẽ được truyền ngược lên lưới phân phối. Các mạng phân phối đang phục vụ trong hệ thống điện không được thiết kế để phục vụ cho việc tạo ra công suất ở cấp phân phối. Lưới phân phối chỉ được thiết kế để phân phối năng lượng từ nguồn phát đến tải. Mặc dù các lưới phân phối đã được thiết kế có rất nhiều ưu điểm nhưng nó vẫn có nhiều giới hạn khi cho một lượng lớn các hệ thống điện mặt trời tham gia đấu nối vào lưới điện.
Một số đường dây sẽ bị quá tải do thiết kế ban đầu của nó chỉ để phục vụ cho tải tiêu thụ. Nhưng khi đấu nối các hệ thống điện mặt trời vào, dòng điện truyền ngược từ tải vào lưới sẽ lớn hơn so với giá trị định mức ban đầu mà các đoạn cáp có thể chịu được. Ở trạng thái làm việc bình thường:
I ≤ I max (2.8)
Tức là dòng điện đi qua dây dẫn phải nhỏ hơn hoặc bằng dòng điện cho phép của nó. Khi một lượng lớn các hệ thống, dự án điện mặt trời thâm nhập vào lưới, I sẽ
28
tăng một cách đáng kể do công suất từ các hệ thống, dự án điện mặt trời phát ngược vào lưới điện.
Khi các hệ thống điện mặt trời cùng nhau đấu nối vào lưới điện thì P sẽ rất lớn. Cơng suất máy biến áp được chọn có các giá trị định mức không chênh lệch lớn so với tải tiêu thụ. Khi các hệ thống điện mặt trời thâm nhập, tạo ra lượng cao công suất sẽ chảy ngược về hệ thống, giá trị này có thể vượt quá giá trị định mức mà các nhà thiết kế hệ thống đã chọn, dẫn đến hiện tượng quá tải máy biến áp.
c. Ảnh hưởng đến các thiết bị bảo vệ. * Ngắn mạch
Mức sự cố tại một điểm trong hệ thống phân phối là thước đo dòng sự cố lớn nhất dự kiến tại điểm đó. Dịng ngắn mạch cần nhanh chóng được phát hiện và ngắt do chúng bị hư hỏng nhiều đối với cáp, đường dây trên không, máy biến áp và các thiết bị khác. Định mức của máy cắt giới hạn mức sự cố trên xúc tuyến. Giới hạn này được gọi là mức sự cố thiết kế. Mức độ sự cố thiết kế trong mạng phân phối đơi khi có thể là một yếu tố hạn chế đối với hệ thống điện mặt trời. Khi đấu nối hệ thống điện mặt trời vào lưới điện có thể làm tăng mức độ sự cố.
* Trào lưu phát ngược công suất
Trong hệ thống phân phối, dòng điện thường là một chiều từ hệ thống 110kV đến trung thế và đến hạ thế. Tuy nhiên, ở mức độ thâm nhập cao của các hệ thống điện mặt trời, có những thời điểm khi điện mặt trời sản xuất nhiều hơn nhu cầu tiêu thụ, đặc biệt là tại buổi trưa và kết quả là hướng của dòng điện là đảo ngược và dịng điện từ phía hạ thế sang phía trung thế và cấp ngược lên mạng 110kV. Kết quả dòng điện ngược này có thể gây quá tải các ngăn lộ cấp điện và tăng tổn thất. Dòng điện ngược cũng đã được ghi nhận có thể ảnh hưởng đến hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp tự động (AVR) được cài đặt dọc theo tuyến lưới điện phân phối do cài đặt của các thiết bị đó cần được thay đổi phù hợp với sự thay đổi sự phân bổ trung tâm phụ tải.
* Ảnh hưởng đến sự phối hợp giữa các thiết bị đóng cắt.
Các thiết bị đóng cắt, thiết bị tự đóng lặp lại và rơ le quá dòng là những thiết bị bảo vệ được sử dụng phổ biến nhất trong hệ thống phân phối. Khi đấu nối các hệ thống điện mặt trời vào lưới điện có thể thay đổi dịng điện sự cố mà các thiết bị bảo vệ cảm nhận được. Các vấn đề phối hợp sai thường xảy ra do sự gia tăng dòng điện sự cố so với thơng số chỉnh định thiết bị đóng cắt hoặc thiết bị tự đóng lặp lại ban đầu. Trong trường hợp dịng điện sự cố giống nhau đối với cả cầu chì và thiết bị đóng cắt / bộ tự đóng lặp lại, điều phối sai sẽ xảy ra nếu dòng điện sự cố cao hơn dòng điện điều phối tối đa
29
* Giảm phạm vi tác động của thiết bị đóng cắt
Với sự hỗ trợ điện áp của máy phát phân tán, dòng ngắn mạch giảm khi ở đầu xuất tuyến. Công suất phát điện của máy phát phân tán được phân phối càng cao, thì dịng điện sẽ càng thấp khi bắt đầu xuất tuyến. Khi dòng điện sự cố đi qua thiết bị đóng cắt được lắp đặt ở đầu xuất tuyến giảm thấp hơn mức cài đặt quá dòng của thiết bị, thiết bị có thể khơng hoạt động.
d. Ảnh hưởng của sóng hài
Sóng hài là một loại nhiễu sóng khơng mong muốn, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng lưới điện. Các dạng sóng điện áp sin được tạo ra tại các nhà máy điện, trạm điện lớn thường rất tốt. Khi càng di chuyển về phía phụ tải, đặc biệt là những phụ tải phi tuyến điển hình như: lõi thép của máy biến áp, động cơ (đặc tính bão hịa của vật liệu sắt từ), các dụng cụ bán dẫn công suất như diot, tiristo của bộ biến đổi...Các tải phi tuyến này tạo ra các thành phần sóng hài khác nhau và trả ngược lại lưới điện thông qua mạng dây dẫn, kết hợp với tần số điện cơ bản tạo ra các dạng biến dạng, khi đó các dạng sóng càng bị méo, dạng sóng khơng cịn là dạng sóng hình sin.
Sóng hài là những sóng tuần hồn, hình sin và là bội số nguyên của tần số cơ bản (50 hoặc 60 Hz). Các thành phần này khi cộng với sóng sin nguyên bản (50Hz) sẽ gây ra méo mó, biến dạng sóng sin.
Hình 1.11: Mơ hình sóng hài
Nguy cơ tiềm ẩn từ sóng hài ảnh hưởng tới các thiết bị và hệ thống điện được phát hiện ở ngay đầu thập niên 1890. Cần lọc sóng hài vì những tác hại nghiêm trọng ảnh hưởng của nó như sau:
– Các thành phần sóng hài cộng thêm cơng suất ảo vào tổng công suất tiêu thụ của máy biến áp, làm máy biến áp quá tải, phát nóng và cháy mặc dù tải chỉ tiêu thụ cơng suất trung bình.
30
– Dây dẫn trung tính trong hệ thống 3 pha bị đốt nóng hoặc cháy. – Điện áp N - G (trung tính - đất) quá lớn.
– Gây tác động thiết bị đọng cắt khơng rõ lí do. – Hỏng tụ điện bù công suất phản kháng PF.
– Nhiễu trong hệ thống truyền thông, tụ bù và cuộn kháng máy biến áp có thể tạo thành mạch LC cộng hưởng dịng sóng hài lên gấp nhiều lần gây quá tải tụ và máy biến áp, dẫn tới cháy nổ tụ và máy biến áp.
– Đặc biệt chú ý với các hệ thống sử dụng máy phát điện dự phòng hoặc sử dụng trên tàu biển, giàn khoan, khi chạy máy, do đặc tính cảm kháng của máy phát cao hơn máy biến thế thơng thường, sóng hài sẽ bị khuếch đại thêm trầm trọng từ 3- 4 lần, mức độ nghiêm trọng cho hệ thống thiết bị lớn hơn và thậm chí gây cháy máy phát rất nguy hiểm và tốn kém chi phí.
e. Tổn thất trên đường dây
Các hệ thống nguồn phân tán (DG Distributed Generation) nhìn chung là có tác dụng giảm tổn thất hệ thống khi chúng đưa nguồn phát đến gần phụ tải. Tuy nhiên nhận xét này là đúng cho đến khi trào lưu công suất ngược bắt đầu xảy ra. Tổn thất công suất trên đường dây tỷ lệ với bình phương cường độ dịng điện chạy qua đường dây. Vì vậy, tổn thất có thể đạt đến giá trị tối thiểu khi công suất do PV cung cấp bằng với công suất được tiêu thụ bởi tải. Bất kỳ sự gia tăng nào về mức thâm nhập PV vượt quá mức đó đều có thể dẫn đến dòng điện ngược và tổn thất tăng dần do phải truyền tải hộ.
f. Tác động đến lưới điện cao áp
Ở mức thâm nhập cao, tác động của PV có thể lấn sâu hơn về phía cao của máy biến áp phân phối chính, chủ yếu là do dòng điện ngược. Dòng điện ngược bắt đầu xảy ra khi mức thâm nhập vượt quá khoảng 30% (dựa trên định nghĩa của tỷ lệ giữa tổng công suất PV trên tổng công suất phát thông thường). Đây là lúc việc mô phỏng các mạng phân phối và truyền dẫn thật sự cần thiết.
Với mức độ thâm nhập cao của PV có thể làm cho lưới điện dễ mất ổn định hơn. Chủ yếu là từ hai lý do: (i) việc thay thế các thiết bị phát điện quay truyền thống bằng PV sẽ làm giảm quán tính của hệ thống; (ii) khả năng ngắt kết nối trên diện rộng (hoặc giảm cơng suất) của các PV do bóng râm có thể dẫn đến đột ngột và đáng kể sự mất cân bằng giữa phụ tải và nguồn phát.
Sự thâm nhập PV cao cũng có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của máy phát điện đồng bộ. Khi sự thâm nhập PV đạt đến các mức nhất định, chênh lệch góc pha giữa một số nút sẽ trở nên thường xuyên hơn, điều này có thể khiến việc duy trì