Ưu điểm của thủy điện nhỏ:
-Tận dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên là các dòng chảy nhỏ sẵn có ở các vùng núi. Đặc biệt, thủy điện nhỏ càng có ý nghĩa hơn đối với những khu vực xa trung tâm phát triển, không có điện lưới quốc gia.
-Bán kính truyền tải ngắn (không quá 10 km), tổn thất năng lượng trên mạng nhỏ nên hệ thống có tính kinh tế cao.
-Sản xuất điện theo công nghệ sạch, không phải di dân, xây dựng lòng hồ nên không xâm hại nhiều đến môi trường tự nhiên, không làm thay đổi tập quán sản xuất và bản sắc văn hóa địa phương trong khu vực.
-Phát triển thủy điện nhỏ đang được khuyến khích trên phạm vi toàn cầu.
Những vấn đề còn tồn tại
Xuất phát từ các điều kiện địa hình trên các địa bàn khu vực miền núi và đặc điểm của các dòng chảy đầu nguồn có lưu lượng nhỏ, các trạm thủy điện thường được xây dựng kiểu kênh dẫn, hình 2.3.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 2.3. Cấu trúc cơ bản của trạm thủy điện nhỏ.
Công thức cơ bản tính công suất của một máy phát thủy điện: 3 .10 dm m P T m qh T Trong đó:
-Pđm là công suất định mức của máy phát điện [kW].
- là hiệu suất tổng cộng của các khâu biến đổi năng lượng: turbine, máy phát.
-q là lưu tốc của dòng nước qua turbine [m3/s]. -h là cột nước làm vệc của turbine [m].
-Tm là mô men cơ của turbine [Nm]. - là tốc độ quay của turbine [rad/s]. - = g = 9810.
Vấn đề điều chỉnh tăng hay giảm công suất vận hành được thực hiện thông qua điều chỉnh đại lượng q. Trong khi đó, đại lượng h được xem như có
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
giá trị hằng (ít thay đổi theo từng giờ). Đối với các thủy điện vừa và lớn, vấn đề điều chỉnh lưu lượng q để đáp ứng nhanh công suất chỉ phụ thuộc vào chất lượng của bộ điều khiển, nhưng với thủy điện nhỏ lại còn phụ thuộc cả vào điều kiện tự nhiên có cho phép hay không? Đặc biệt với thủy điện công suất nhỏ không có bể dự trữ áp lực, kênh dẫn dài, trong quá trình điều chỉnh lưu tốc q có nẩy sinh một số hạn chế:
Giới hạn trên của phạm vi điều chỉnh hẹp ( max dm
q
q 1,1).
Đặc tính điều chỉnh q để cân bằng công suất và ổn định tần số có thời gian trễ lớn. Xem hình 2.4, tại thời điểm 4s tăng công suất tiêu thụ, tốc độ máy phát giảm đột ngột tương ứng tần số lưới suy giảm nghiêm trọng và thời gian trễ kéo dài đến thời điểm 6s (sau 100 chu kỳ lưới) mới khôi phục được tần số định mức.
Hình 2.4. Đặc tính ổn định tần số theo tải.
Điều này dẫn đến hạn chế khả năng điều chỉnh công suất của máy phát cả về hai yếu tố là:
-Khả năng quá tải.
-Tốc độ huy động công suất đỉnh.
Trong khi đó, phụ tải luôn có những đòi hỏi về yêu cầu này: Giả thiết, có động cơ không đồng bộ hoạt động, chế độ khởi động của động cơ đòi hỏi công suất đỉnh lớn từ 5 đến 7 lần công suất định mức. Khi đó, mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ bộc lộ một số vấn đề nhược điểm:
2 3 4 5 6 7 8 10 20 30 40 50 Time (s) T a n s o l u o i f (H z )
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
a) Nhược điểm thứ nhất: Máy phát không thể huy động kịp thời công
suất cho động cơ khởi động và nhất là khi hệ số mang tải của máy phát đang vận hành ở mức cao (Kpt 0,7).
b) Nhược điểm thứ hai: Quá trình khởi động động cơ bị kéo dài làm
giảm chất lượng điện năng cả về chỉ tiêu tần số và chỉ tiêu điện áp, thậm chí khởi động có thể không thành công, hoặc gây rã lưới.
Đứng trước vấn đề này, một số giải pháp thông thường có thể được nêu ra, nhưng để áp dụng với mạng cục bộ thủy điện nhỏ là không phù hợp. Ví dụ:
Biện pháp giảm thấp công suất vận hành máy phát ở mức Kpt = (0,6 0,7): Làm giảm tính kinh tế của hệ thống, không khai thác hiệu quả tiềm năng của thiên nhiên.
Sử dụng các thiết bị khởi động mềm riêng cho mỗi động cơ: Không kinh tế, hệ số tận dụng động cơ thấp.
Điều hành san tải: Quá trình sản xuất sẽ thụ động, không đáp ứng đòi hỏi của tải khách hàng.
Để nghiên cứu mang tính tổng quát về các tác động của phụ tải, dù là phụ tải đó kết nối với mạng điện tại một điểm bất kỳ PCCi nào đó (PCC1, PCC2, hay PCC3) và khả năng đáp ứng của nguồn thủy điện nhỏ, các lượng tổn thất điện áp và tổn thất công suất trong mạng ta khảo sát hoạt động của mạng điện thông qua một số trường hợp cụ thể sau.
Trường hợp thứ nhất:Máy phát vận hành đầy tải, Kpt 1 với các thông số tính toán như sau:
Các thông số suất định mức của máy phát:
SđmMF = 85kVA; Uđm = 400V; fđm =50Hz; IđmMF = 122,69A; cos đm =0,85 Các giá trị phụ tải được chọn theo giả thiết cho một trường hợp tiêu biểu:
Xét một xưởng cơ khí cuối đường dây Li có phụ tải tính toán là Spcc i, trong đó gồm:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
- Một phụ tải tĩnh: St= (30+j10) kVA.
- Một phụ tải động: Động cơ 7,5 kW; cos đm =0,85; cos kđ =0,85. Các phụ tải khác trong mạng được quy đổi về đầu cực máy phát: S1 = (40+j15) kVA
Áp dụng lý thuyết tính toán mạng điện, các phép tính được thực hiện trong phần mềm Excel cho các kết quả trong bảng 2.1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Nhận xét 1:
-Tổn thất điện áp trên đường dây Li lớn quá mức cho phép, U=11,99%. -Tổn thất công suất công suất trên đường dây Li lớn, P=11,18% làm cho các phụ tải cuối đường dây không nhận đủ công suất danh định.
-Khi động cơ khởi động:
+ Máy phát chịu dòng khởi động vượt quá định mức 55,39%. điều này hệ turbine–máy thủy điện nhỏ không có khả năng thực hiện được.
+ Sụt áp trên đường dây Li lớn, U=102,24V gây dao động điện áp ảnh hưởng chất lượng điện năng.
Trường hợp thứ hai:Hạ thấp công suất vận hành của máy phát, Kpt 0,66 với các thông số tính toán như sau:
Các thông số suất định mức của máy phát:
SđmMF = 85kVA; Uđm = 400V; fđm =50Hz; IđmMF = 122,69A; cos đm =0,85 Các giá trị phụ tải được chọn theo giả thiết cho một trường hợp tiêu biểu: Xét một xưởng cơ khí cuối đường dây Li có phụ tải tính toán là Spcci, trong đó gồm:
-Một phụ tải tĩnh: St= (30+j10) kVA.
-Một phụ tải động: Động cơ 7,5 kW; cos đm =0,85; cos kđ =0,85. Các phụ tải khác trong mạng được quy đổi về đầu cực máy phát: S1 = (10+j5) kVA
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Nhận xét 2:
Kết quả tính cho thấy: nếu vận hành máy phát 85 kVA với hệ số mang tải là Kpt = 66,18% thì khi động cơ 7,5 kW khởi động máy phát chịu quá tải vượt quá định mức 18,2% . Ở mức này hệ turbine–máy thủy điện nhỏ có thể đáp ứng được.
Như vậy, biện pháp này tuy giảm nhẹ áp lực quá tải cho máy phát, nhưng xét về tính kinh tế vận hành thì không chấp nhận được bởi hệ số mang tải quá thấp không khai thác hiệu quả công suất đặt của máy phát và lãng phí tài nguyên ứng dụng (nguồn thủy năng).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Trong trường hợp này, ứng dụng hệ thống tích trữ năng lượng ăcquy (viết tắt là BESS)để khắc phục một số nhược điểm của Mạng điện cục bộ Thủy điện nhỏ (MĐCBTĐN) là một giải pháp hoàn toàn hợp lý.