So sánh các yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn kết nối nguồn phát điện phân tán (DG) với các hệ thống cung cấp điện

Các tiêu chuẩn hướng dẫn kết nối DG với lưới điện hiện vẫn là đề tài gây tranh cãi khi nghiên cứu. Sự đa dạng của các tiêu chuẩn của mỗi quốc gia cũng làm cho vấn đề này phức tạp hơn. Do đó rất cần thiết có một tiêu chuẩn chung cho các nhà sản xuất, những người vận hành hệ thống điện phù hợp với các điều kiện cụ thể của mỗi địa phương, mỗi quốc gia. Sự tiêu chuẩn hóa sẽ giúp cho các công nghệ DG phát triển mạnh trong thị trường điện, giảm bớt các chi phí trong sản xuất, vận hành hệ thống điện.

Tiêu chuẩn đầu tiên được đưa ra là phiên bản IEEE 1547, tiêu chuẩn này có các yêu cầu liên quan đến lắp đặt, vận hành, kiểm tra, điều kiện an toàn… của máy phát phân tán kết nối lưới. Tuy nhiên tiêu chuẩn này lại chỉ tập trung vào hệ thống điện có tần số 60 Hz (Mỹ). Khi ứng dụng vào hệ thống có tần số 50 Hz đã xuất hiện những điểm không phù hợp (1, 2). Các quốc gia châu Âu cũng phát triển nhiều tiêu chuẩn liên quan đến các máy phát DG riêng lẻ. Có một số tiêu chuẩn liên quan đến các máy phát đơn lẻ: tuabin gió, pin quang điện, pin nhiên liệu… các tiêu chuẩn này có thể đuợc coi như một nguyên tắc chỉ đạo hướng dẫn kết nối DG với lưới điện.

Với mục đích đánh giá và tạo điều kiện tham khảo cho Việt Nam khi kết nối DG vào các hệ thống cung cấp điện, chúng tôi xin trình bày tổng quan về các tiêu chuẩn kết nối DG với hệ thống cung cấp điện, của một số nước và tiêu chuẩn IEEE.

1/ So sánh tiêu chuẩn kết nối và yêu cầu kỹ thuật

1.1Công suất đặt cực đại của DG (Maximum DG power installation)

Khả năng tải của máy biến áp, cáp, dây dẫn, thiết bị chuyển mạch được sử dụng để xác định mức công suất cực đại của DG có thể lắp đặt. ví dụ ở Bỉ, công suất thiết kế của DG phải nhỏ hơn khả năng của máy biến áp MV/LV hoặc HV/MV phù hợp với tiêu chuẩn (n-1). Ở Italia, yêu cầu công suất lắp đặt của DG phải nhỏ hơn 65% trong mạng trung và hạ áp. Trong khi đó, Tây Ban Nha yêu cầu nhỏ hơn 50% công suất máy biến áp. Đôi khi, công suất lắp đặt còn yêu cầu xem xét đến giới hạn phát nhiệt của hệ thống, lúc này công suất toàn phần được sử dụng để kiểm tra sự phù hợp của DG với hệ thống. Giới hạn công suất ngắn mạch được sử dụng như một tiêu chuẩn. công suất ngắn mạch của mạng điện được DG bổ sung thêm không 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 DG.

1.2Cấp điện áp kết nối DG (Voltage levels of DG connection)

Do công suất phát hạn chế, DG thường được kết nối với mạng trung áp và hạ áp. Tuy nhiên không có mức giới hạn điện áp cực đại khi kết nối DG. Cấp điện áp được sử dụng như là yêu cầu cho phối hợp bảo vệ và mức công suất danh định, điểm kết nối. Trong trường hợp kết nối với lưới trung áp, máy điện áp có thể đuợc yêu cầu làm nhiệm vụ bảo vệ DG bởi việc hấp thụ công suất phản kháng, ngăn ngừa dòng thứ tự không và hạn chế dòng ngắn mạch.

1.3Chất lượng điện năng (Power quality)

-      Sóng hài (Harmonic)

Bậc của sóng hài sinh ra bởi DG không gây nhiễu loạn trong hệ thống phân phối. Tổng độ méo toàn phần (Total Harmonic Distortion – TDH) 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 toàn phần (bảng 1).

Các máy phát DG 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, cấu trúc của chúng. Các máy điện quay cũng là nguồn gây ra sóng hài, phụ thuộc vào cấu trúc bộ dây quấn, mạch từ… chúng cũng làm thay đổi độ méo toàn phần (THD) của mạng điện.

Trong trường hợp có hài bậc ba, chúng sẽ theo dây trung tính xuống đất. Theo tiêu chuẩn Việt Nam 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 trong bảng 2.

Bảng 1. Giới hạn dòng hài theo IEEE 1547 – 2006

Bảng 2. Độ biến dạng điện áp do sóng hài theo TCVN

-      Chập chờn (Flicker)

Hiện tượng chập chờn là kết quả của việc biến đổi công suất ở đầu ra của máy phát: tuabin gió, pin mặt trời… hoặc có sự biến đổi của các phụ tải: lò hồ quang, các động cơ không đồng bộ… dẫn tới thay đổi điện áp tại các nút phụ tải. Để hạn chế hiện tượng chập chờn, nhiều nước đã đưa ra yêu cầu công suất lắp đặt cực đại của DG phải nhỏ hơn vài lần công suất ngắn mạch tại điểm kết nối chung PCC. Tiêu chuẩn IEC 61400 – 21 (3) cũng đưa ra yêu cầu về chất lượng điện năng cho những tuabin gió nối lưới, trong đó giới hạn chập chờn của một tuabin gió đơn lẻ là P _lt= 0,25 được tính từ 12 kết quả do P _stliên tiếp (sau khoảng thời gian 2 giờ). Tổng giá trị chập chờn của một trang trại gió không vượt quá 0,5 tại một nút bất kỳ trong mạng điện.

-      Hệ số công suất (Power factor)

Hầu hết các máy phát phân tán đều vận hành với hệ số công suất đồng nhất. Trong vận hành thường yêu cầu các máy phát này đặt các bộ tụ bù. Việc lắp đặt tụ bù được thực hiện ngay tại máy phát. Tiêu chuẩn kỹ thuật của Pháp thì yêu cầu các máy phát phân tán công suất lớn (trường hợp này là các máy phát đồng bộ) có khả năng cung cấp, hấp thụ công suất phản kháng đến một giá trị nào đó.

Đối với các máy phát không đồng bộ, các bộ kích từ độc lập và thiết bị bù được sử dụng như những tụ điện. Máy phát phân tán đồng bộ thích hợp cho việc duy trì hệ số công suất để điều khiển điện áp tại điểm kết nối chung (PCC). Đối với máy phát không đồng bộ yêu cầu hệ số công 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 ngang để đảm bảo hệ số công suất tối thiểu bằng 0,90.

-      Dòng điện một chiều (Direct Current)

Dòng điện một chiều DC đưa vào lưới điện bởi các máy phát phân tán là một vấn đề khá được quan tâm. Việc xuất hiện dòng điện một chiều làm tăng thêm sự bão hòa các thành phần từ hóa của lõi thép các máy biến áp. Theo IEEE 1547, dòng điện một chiều đưa vào lưới từ các máy phát DC phải nhỏ hơn 0,5% dòng định mức của máy phát tại điểm kết nối. Theo quy định của Bỉ, giá trị dòng một chiều đưa vào lưới phải nhỏ hơn 1,0% dòng định mức. Nếu cao hơn 1,0% thì phải được trừ sau 2 giây.

-      Bảo vệ (Protection)

Hầu hết đều chưa có các tiêu chuẩn và yêu cầu kỹ thuật cho các máy phát làm việc độc lập. Các máy phát DG đều phải tách lưới khi lưới điện chính không cung cấp năng lượng hoặc khi có sự cố nặng nề. Khi giá trị điện áp và tần số vượt ra khỏi phạm vi cho phép như bảng 3, các máy phát DG đều được yêu cầu ngừng hoạt động trong khoảng thời gian hồi phục sự cố. Tiêu chuẩn IEEE 1547 xem xét các máy phát DG công suất nhỏ có ít tác động đến hệ thống. Tuy nhiên những máy phát có công suất trên 30 kW có thể sẽ có những tác động đáng kể đến hệ thống phân phối, yêu cầu này được tính đến bởi vì cho phép người vận hành thiết lập và chỉnh định rơle tần số thấp.

-      Tự động đóng lại (Reclosure)

Việc đóng lại của các máy phát DG, nói chung không được gây ra các tác động độc lập khác. Nếu có sự cố trên lưới điện truyền tải, các máy phát DG 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 thoáng qua, thì việc yêu cầu cắt DG ra khỏi lưới có thể là không thật cần thiết miễn là hệ thống vẫn chịu được các tác động này. Nói chung các DG không bị ảnh hưởng bởi việc tự động đóng lại. Các phản ứng của DG cần được kết hợp với các thiết bị bảo vệ độc lập để ngăn ngừa những hư hại có thể ảnh hưởng tới các hệ thống khác. Trong tiêu chuẩn IEEE 1547, máy phát DG sẽ ngừng cung cấp điện khi tự đóng lại đã khôi phục trở lại bởi hệ thống. Yêu cầu này được đưa ra nhằm ngăn ngừa sự mất đồng bộ trong khoảng thời gian đóng lại, ảnh hưởng tới thiết bị bảo vệ quá dòng hoặc tránh hư hại tới các máy biến áp, động cơ và DG. Ở Đức, thời gian tác động của bảo vệ ngắn hơn so với tự đóng lại. Ở Tây Ban Nha, các máy phát DG được nối trở lại nếu điện áp tại điểm kết nối chung (PCC) không nhỏ hơn 0,85 p.u và thời gian t ≥ 3 phút.

2. Hòa đồng bộ (synchronization)

Việc đấu nối phải đảm bảo không làm ảnh hưởng đến chế độ vận hành của mạng điện. Để có thể hòa đồng bộ DG với lưới điện, điện áp ra của DG và điện áp vào của lưới phải có cùng điện áp, tần số, thứ tự pha và góc pha. Nếu hội tụ đủ những điều kiện này DG có thể được đưa vào để hòa đồng bộ với lưới với mức điện áp dao động nằm trong phạm vi ± 5% tại PCC. DG có thể được kết nối với lưới thông qua các bộ nghịch lưu với mức điều khiển tăng dần từ mức không tải lên đến đầy tải. Bộ nghịch lưu có thể được bố trí theo dãy hoặc song song. Việc hòa đồng bộ qua bộ nghịch lưu dãy chỉ có yêu cầu duy nhất về điện áp, trong khi tần số và góc pha được thiết lập trong thời gian kết nối thì việc hòa đồng bộ của các bộ nghịch lưu song song có yêu cầu tương tự như bất kỳ một hoạt động hòa đồng bộ khác; điện áp, góc pha, tần số (6). Trong bảng 4, 5 trình bày các điều kiện cần thiết để hòa đồng bộ các máy phát đồng bộ và không đồng bộ vào lưới.

Máy phát không đồng bộ thường yêu cầu năng lượng từ phía lưới để duy trì từ trường quay giữa stato và roto. Nếu không nhận được năng lượng từ bên ngoài, máy phát không đồng bộ không thể phát điện, do vậy nó luôn luôn vận hành song song với lưới, các bộ tụ bù được đặt ngay tại máy phát để cung cấp công suất phản kháng và duy trì hệ số công suất không đổi. Việc kết nối DG với lưới được thực hiện nếu độ suy giảm điện áp không vượt quá giới hạn cho phép.

3. Kết luận

Trên đây là giới thiệu các quy định đầu nối DG với lưới điện theo một số tiêu chuẩn khác nhau. 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 hóa trên phạm vi toàn cầu. Nếu có một tiêu chuản chung cho DG sẽ góp phần nâng cao chất lượng điện năng, đẩy mạnh việc phát triển DG trong các thị trường điện trong tương lai. Ở Việt Nam chúng ta, trong thời gian qua cùng với sự xây dựng nhiều các nhà máy điện truyền thống công suất lớn đã xuất hiện nhiều máy phát phân tán như: thủy điện công suất vừa và nhỏ, điện gió, pin mặt trời, đồng phát cogen… các yêu cầu về kỹ thuật và tiêu chuẩn kết nối các máy phát phân tán với hệ thống điện hiện đang gặp rất nhiều khó khăn. Do vậy việc nghiên cứu tổng thể các yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn kết nối các máy phát phân tán với hệ thống điện ở nước ta để đảm bảo việc xây dựng và vận hành hệ thống điện an toàn, kinh tế là công việc cần thiết.

4. Tài liệu tham khảo

1/ IEEE 1547. 2003. Standard for interconnection distributed resources with electric power system.

2/ The NRECA Guide to IEEE 1547. 2006. Application guide for distributed generation interconnection.

3/ CIE/IEC 61400 – 21, Measurement and assessment of power quality charateristics of grid connected wind turbines, IEC, Standard, 2001.z.

4/ CIGRE WG 37 – 23; impact of increasing contribution of dispersed generation on the power system; international Council on Large Electric Systems. Tech. Rep, September 1998, 44 pages.

5/ Document C10/11 of the FPR/ BFE, “Technical requirements for connection of dispersed generating systems operating in parallel on th distribution network”, Belgium, August 2003.

6/ Woyte A., De Brabandere K., Van Dommelen D.M., Belmans ., Nijs J.: “Internation harmonization of grid connection guidelines: adequate requirements for the prevention of unintentional islanding”, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 11, No.6, September, 2003; pp, 407 – 424.