Nghiên cứu các biện pháp nâng cao ổn định điện áp của lưới phân phối điện trung áp

Nghiên cứu chi tiết về ổn định điện áp lưới phân phối trung áp. Đề xuất các biện pháp cải tạo, bù công suất phản kháng và ứng dụng thiết bị SVC.

• Tác giả: Lương Thị Thu Giang
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Bách
• Trường học: Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Hệ thống điện
• Đề tài: Nghiên cứu các biện pháp nâng cao ổn định điện áp của lưới phân phối điện trung áp
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về ổn định điện áp lưới trung áp

Ổn định điện áp lưới trung áp là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất đối với chất lượng điện năng cung cấp. Lưới điện phân phối trung áp đóng vai trò cầu nối giữa lưới cao áp và lưới hạ áp, trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của toàn bộ hệ thống điện. Sự biến động điện áp tại các nút tải không chỉ làm giảm hiệu quả sử dụng điện năng mà còn gây hư hỏng thiết bị điện và làm giảm tuổi thọ của chúng. Việc duy trì ổn định điện áp trong phạm vi cho phép là nhiệm vụ cấp thiết của các nhà quản lý và vận hành lưới điện. Các tác nhân chính gây mất ổn định bao gồm sụt áp trên đường dây, biến động tải, và khả năng cung cấp công suất phản kháng hạn chế.

1.1. Đặc điểm của lưới điện phân phối trung áp

Lưới phân phối trung áp có cấu trúc đa dạng, chủ yếu là hình tia hoặc vòng vận hành hở. Cấu trúc lưới điện này quyết định tính chất các sự cố và khả năng ổn định. Với chiều dài đường dây lớn, điện trở và tổng kháng lớn, lưới dễ bị ảnh hưởng bởi biến động tải và các sự cố. Hơn nữa, lưới phân phối thường có mật độ tải không đều, các nút cuối tuyến dễ chịu ảnh hưởng sụt áp lớn, đặc biệt trong mùa cao điểm.

1.2. Tác động của mất ổn định điện áp

Mất ổn định điện áp gây ra hiện tượng sụp đổ điện áp khi lưới không thể cung cấp đủ công suất phản kháng. Động cơ không đồng bộ sẽ giảm mô-men, dòng điện tăng đột ngột, và có thể dẫn đến ngừng chuyển động. Điều này gây ra mất ổn định phi chu kỳ, làm ngắt mạch bảo vệ và gây mất điện cho các khu vực lân cận. Sụt áp liên tiếp sẽ khiến các thiết bị điện công nghiệp hoạt động kém hiệu quả.

II. Phương pháp đánh giá ổn định điện áp

Để nâng cao ổn định điện áp, trước tiên cần có những phương pháp đánh giá khoa học và chính xác. Phương pháp phân tích ổn định điện áp có thể dựa trên ba tiêu chuẩn chính: chỉ số sụt áp, độ nhạy điện áp-công suất, và khả năng duy trì ổn định phi chu kỳ. Phương pháp Newton-Raphson được sử dụng rộng rãi trong tính toán trào lưới để xác định trạng thái hoạt động của hệ thống. Ngoài ra, phương pháp dòng điện một chiều (DC model) giúp nhanh chóng đánh giá những thay đổi trong cấu trúc lưới. Việc kết hợp các phương pháp này giúp các kỹ sư đưa ra những giải pháp tối ưu cho từng tình huống cụ thể.

2.1. Phương pháp phân tích chỉ số sụt áp

Chỉ số sụt áp là tỷ số giữa độ sụt áp và điện áp danh định, phản ánh trực tiếp tình trạng của lưới. Công thức tính toán dựa trên dòng điện, điện trở, độ tự cảm của đường dây và hệ số công suất của tải. Giá trị này càng thấp thì ổn định điện áp càng tốt. Tiêu chuẩn thường cho phép sụt áp không vượt quá 5% ở các nút tải bình thường và 10% tại các nút cuối tuyến.

2.2. Phương pháp phân tích độ nhạy điện áp công suất

Phân tích độ nhạy giúp xác định những nút và những tuyến có nguy cơ mất ổn định cao nhất. Độ nhạy được định nghĩa là tỷ số giữa độ biến thiên điện áp và độ biến thiên công suất phản kháng hoặc tác dụng tại một nút. Những nút có độ nhạy cao sẽ dễ bị mất ổn định khi công suất tải thay đổi. Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong việc xác định vị trí lắp đặt các thiết bị bù công suất.

III. Các biện pháp cải tạo lưới điện trung áp

Các biện pháp nâng cao ổn định điện áp có thể chia thành hai nhóm chính: cải tạo cấu trúc lưới và bù công suất phản kháng. Cải tạo cấu trúc bao gồm nâng cấp lưới bằng cách thay thế dây dẫn có điện trở nhỏ hơn, xây dựng các tuyến cấp điện mới để phân tán tải, hoặc chuyển đổi từ lưới tia sang lưới vòng vận hành hở. Bù công suất phản kháng được xem là giải pháp hiệu quả nhất vì chi phí đầu tư thấp hơn so với cải tạo lưới. Các nguồn bù bao gồm máy biến áp 3 cuộn dây, tụ điện cố định, tụ điện có công tắc, và thiết bị bù ngang có điều khiển (SVC). Sự kết hợp của hai nhóm biện pháp này sẽ cho hiệu quả tối ưu.

3.1. Cải tạo cấu trúc lưới điện

Nâng cấp lưới điện thông qua thay thế dây dẫn là biện pháp cơ bản. Dây có mặt cắt ngang lớn hơn sẽ giảm điện trở, từ đó giảm sụt áp trên đường dây. Xây dựng đường dây cấp điện mới giúp phân tán tải đều hơn, tránh tình trạng tải tập trung ở một nhánh. Chuyển đổi cấu trúc từ lưới tia sang lưới vòng cho phép điều chỉnh dòng điện, cải thiện phân bố công suất. Tuy nhiên, các biện pháp này đòi hỏi đầu tư lớn và thời gian thực hiện dài.

3.2. Bù công suất phản kháng trong lưới

Công suất phản kháng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì ổn định điện áp. Các thiết bị bù tĩnh như tụ điện cố định hoặc có công tắc có thể lắp đặt tại các nút tải để cung cấp công suất phản kháng cục bộ. Thiết bị bù ngang có điều khiển (SVC) là giải pháp tiên tiến, có khả năng điều chỉnh nhanh chóng và linh hoạt. SVC sử dụng thyristor để điều khiển dòng điện qua cuộn cảm và tụ điện, cung cấp hoặc hút công suất phản kháng theo nhu cầu thời gian thực.

IV. Ứng dụng thực tiễn và đánh giá hiệu quả

Trong thực tiễn, việc áp dụng các biện pháp nâng cao ổn định điện áp cần dựa trên tính toán chi tiết và mô phỏng. Bằng cách sử dụng phần mềm tính toán như POWERWORLD hoặc ETAP, các kỹ sư có thể mô phỏng các tình huống khác nhau và đánh giá hiệu quả của từng giải pháp. Các tính toán thường xét đến ảnh hưởng của điện áp nguồn biến đổi, đặc tính tĩnh của phụ tải, và sự thay đổi theo mùa. Kết quả cho thấy, việc lắp đặt SVC tại các nút có mức độ ổn định thấp có thể cải thiện điều kiện điện áp rất đáng kể. Cụ thể, sụt áp có thể giảm từ 8-10% xuống 3-4%, và độ nhạy điện áp cũng được cải thiện đáng kể, giúp duy trì ổn định khi tải tăng đột ngột.

4.1. Kết quả tính toán với SVC

Các kết quả mô phỏng cho thấy SVC có hiệu quả cao trong việc ổn định điện áp. Khi đặt SVC tại các nút chính, giới hạn ổn định công suất của lưới được mở rộng đáng kể. Các nút lân cận cũng hưởng lợi từ sự cải thiện điều kiện điện áp. Đặc biệt, trong các tình huống tải cao, SVC có khả năng cung cấp công suất phản kháng lớn, ngăn chặn sự sụp đổ điện áp. Mức độ ổn định của hệ thống được đánh giá qua chỉ số dự trữ ổn định tăng từ 15-20% lên 40-50%.

4.2. So sánh hiệu quả các phương án

So sánh giữa các phương án cho thấy, việc chỉ bù tĩnh bằng tụ điện có tác dụng hạn chế khi tải thay đổi. Biện pháp cải tạo lưới đòi hỏi chi phí lớn nhưng có hiệu quả lâu dài. Giải pháp kết hợp giữa nâng cấp dây dẫn ở những đoạn chính và lắp đặt SVC tại các nút quan trọng cho hiệu quả tối ưu với chi phí hợp lý. Việc lựa chọn phương án phù hợp phụ thuộc vào điều kiện địa phương, tài chính và kế hoạch phát triển lưới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TRUNG ÁP 1. Đặc điểm của lưới điện phân phối trung áp. LĐPP trung áp là cầu nối quan trọng giữa lưới truyền tải và các hộ phụ tải hạ áp (các trạm biến áp phân phối). Đặc điểm chính khi nghiên cứu LĐPP trung áp như sau: 1.

Cấu trúc lưới điện. - Cấu trúc LĐPP trung áp đa dạng, phức tạp, số lượng nút nhánh rất nhiều do đó việc tính toán các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật gặp rất nhiều khó khăn. - Lưới điện phát triển nhanh, trải rộng, các hộ phụ tải đa dạng, đan xen. - Chế độ vận hành bình thường LĐPP trung áp là vận hành hở.

Các sơ đồ lưới điện thường gặp là: hình tia, hình tia có nguồn dự phòng (lưới điện kín vận hành hở). Các sơ đồ trên có ưu điểm như: vận hành đơn giản, trình tự phục hồi lại kết cấu sau sự cố dễ dàng hơn, ít gặp khó khăn trong việc lập kế hoạch cắt điện cục bộ. Một số sơ đồ cung cấp điện thường được sử dụng như các hình.2 + Sơ đồ LĐPP trung áp trên không LĐPP trên không sử dụng ở nông thôn là nơi có phụ tải phân tán với mật độ phụ tải không cao, việc đi dây trên không không bị hạn chế vì điều kiện an toàn hay mỹ quan. Ở LĐPP trên không có thể dễ dàng nối các dẫn với nhau, các đường dây khá dài và việc tìm kiếm điểm sự cố không khó khăn như như với LĐPP cáp.

Lưới phân phối nông thôn không đòi hỏi về độ tin cậy cao như LĐPP thành phố. Vì thế LĐPP trên không có sơ đồ hình tia (hình cành cây), từ trạm nguồn có nhiều trục chính đi ra cấp điện cho từng nhóm trạm phân phối (hình 1. Các trục chính được phân đoạn để tăng độ tin cậy, thiết bị phân đoạn có thể là máy cắt, máy cắt có tự đóng lại có thể tự động cắt ra khi sự cố và điều khiển từ xa. Giữa các trục chính của một trạm nguồn hoặc của các trạm nguồn khác nhau có thể được nối liên thông để dự phòng khi sự cố hoặc khi ngừng điện kế hoạch đường trục hoặc trạm biến áp nguồn.

Máy cắt hoặc dao cách ly liên lạc được mở trong khi làm việc để vận hành hở. + Sơ đồ LĐPP cáp trung áp LĐPP cáp được dùng ở thành phố có mật độ phụ tải cao, do đó lưới ngắn. Điều kiện thành phố không cho phép đi dây trên không mà phải chôn xuống đất tạo thành lưới phân phối cáp. LĐPP thành phố đòi hỏi độ tin cậy cung cấp điện cao, - 15 - hơn nữa việc tìm kiếm điểm sự cố khó khăn và sửa chữa điểm sự cố lâu nên lưới phân phối cáp có các sơ đồ phức tạp và đắt tiền.

Các chỗ nối cáp được hạn chế đến mức tối đa vì xác suất hỏng các chỗ nối rất cao. Ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của HTĐ. - Chất lượng cung cấp điện ảnh hưởng trực tiếp đến các hộ tiêu thụ. - Tổn thất điện năng chiếm tỉ lệ lớn so với lưới truyền tải (tổn thất trên LĐPP từ 6% - 8%, lưới truyền tải từ 1,5% - 2%).

- Vốn đầu tư cho mạng trung áp cũng chiếm tỷ trọng lớn: nếu chia theo tỉ lệ vốn đầu tư mạng cao áp là 1, thì mạng trung áp từ 1,5-2 lần, hạ áp từ 2-2,5 lần. - Xác suất ngừng cung cấp điện do sự cố, sửa chữa bảo dưỡng theo kế hoạch cải tạo, lắp đặt trạm mới trên LĐPP trung áp cũng nhiều hơn so với lưới truyền tải. Hiện trạng của LĐPP trung áp Việt Nam. LĐPP trung áp Việt Nam, ngoài các đặc điểm chung nói trên còn có những đặc điểm riêng.

Hiện trạng và đặc điểm của LĐPP trung áp Việt Nam như sau: 1. Có nhiều cấp điện áp. LĐPP trung áp Việt Nam phát triển từ đầu thế kỷ 20, với mô hình lưới (3, 6)kV là cấp phân phối tải, lưới 35kV là cấp trung gian. Do nhu cầu dùng điện tăng, cùng với khả năng cấp điện hạn chế của lưới (3, 6)kV nên lưới điện (10, 15)kV được đưa vào sử dụng nhằm thay thế dần lưới (3, 6)kV (lưới 10kV ở miền Bắc, miền Trung, lưới 15kV cho khu vực miền Trung, miền Nam), lưới 35kV vừa làm nhiệm vụ phân phối vừa cấp điện cho các trạm trung gian.

Từ năm 1993, lưới 22kV chính thức được xây dựng và vận hành để từng bước chuyển đổi lưới (6, 10, 15, 35)kV thành lưới 22kV. Do tính lịch sử, LĐPP trung áp Việt Nam tồn tại nhiều cấp điện áp khác nhau. Miền Bắc sử dụng các cấp điện áp (6, 10, 22, 35) kV, miền Trung sử dụng cấp điện áp (6, 10, 15, 22, 35) kV, miền Nam sử dụng cấp điện áp (15, 22)kV (cấp 35kV còn tồn tại không đáng kể). Lưới 22kV có mặt hầu khắp toàn quốc, tuy nhiên tỷ lệ lưới 22kV ở mỗi địa phương khác nhau (miền Nam 50%, miền Bắc 32%, miền Trung 18%).

- 16 - Lưới 35kV tồn tại khắp toàn quốc trừ khu vực Thành phố Hồ Chí Minh, tuy nhiên khối lượng lưới 35kV ở miền Bắc chiếm tỷ lệ áp đảo (88,2%), miền Trung (9,3%), miền Nam (2,5%) Lưới 15kV chủ yếu tập trung ở khu vực miền Nam (82,4%) và miền Trung (15,6%) Lưới 10kV tập trung chủ yếu ở miền Bắc (82,4%), miền Trung (17,6%). Lưới 6kV chủ yếu tập trung ở khu vực miền Bắc (74,8%), miền Trung chiếm 25,2%. ĐƯỜNG DÂY 6kV, 35kV, 6kV, 35kV, 10kV, 13.5% TRẠM BIẾN ÁP Hình 1.3 Nhìn chung, LĐPP trung áp Việt Nam trước đây và hiện nay vẫn còn mang tính đặc trưng phân miền khá rõ nét. Phân tích chi tiết hiện trạng LĐPP trung áp Việt Nam theo các khu vực như sau: 1.

Khu vực miền Bắc Lưới điện miền Bắc tồn tại 4 cấp điện áp 6, 10, 22, 35kV. Lưới 35kV vừa làm nhiệm vụ truyền tải thông qua các trạm trung gian 35/22, 10/6kV vừa đóng vai trò phân phối cho các phụ tải thông qua các trạm phân phối. Lưới 10kV được xây dựng từ những năm 1960-1970 thường tập trung ở khu vực thị trấn (đối với các tỉnh miền núi) và những vùng nông thôn, thành phố nhỏ (khu vực đồng bằng). Lưới 6kV được xây dựng cách đây 60-70 năm tại các thành phố lớn như Hà Nội, Hải Phòng, Nam Định, Việt Trì, Vinh, Hạ Long.

Riêng lưới 22kV mới được phát triển trong những năm gần đây tại những thành phố, thị xã, một số khu vực thị trấn, thị tứ có nguồn 22kV. - 17 - ĐƯỜNG DÂY TRẠM BIẾN ÁP 6kV, 6kV, 6.4 Đối với lưới trung áp miền Bắc, LĐPP trung áp không đồng nhất và thể hiện nét đặc trưng theo từng khu vực. Khu vực miền núi. Trong thời gian qua, tại khu vực này lưới điện 35kV phát triển mạnh mẽ, hiện khối lượng chiếm tỷ trọng từ (70-80)%.

Nguyên nhân dẫn tới lưới điện 35kV tại khu vực này phát triển mạnh mẽ và chiếm tỷ trọng lớn là chương trình điện khí hóa nông thôn đưa điện tới các hộ vùng sâu, vùng xa; khoảng cách cung cấp điện từ trạm nguồn tới các hộ phụ tải lớn; mật độ phụ tải nhỏ. Lưới 35kV ở miền núi hiện nay phần lớn không đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật do một số nguyên nhân: - Lưới 35kV gồm nhiều loại dây dẫn tiết diện nhỏ, chắp vá, nhiều đường dây xây dựng từ lâu, hiện đã xuống cấp nghiêm trọng; - Nhiều tuyến mang tải lớn, bán kính cấp điện quá dài như một số tuyến 35kV khu vực các tỉnh Lai Châu, Hà Giang, Lạng Sơn, Bắc Giang, Tuyên Quang, Bắc Kạn, Hòa Bình… gây nên tổn thất điện áp và điện năng cao; - Lưới 35kV vừa làm nhiệm vụ chuyên tải, phân phối, các trang thiết bị trên lưới lạc hậu nên chất lượng cung cấp điện thấp. Khu vực nông thôn đồng bằng. LĐPP trung áp khu vực này được hình thành từ những năm 1954 và thường sử dụng 2 cấp điện áp 35kV và (6,10)kV; giai đoạn đầu cấp 35kV là cấp trung gian, (6,10)kV là cấp phân phối tải.

Từ những năm 1990 trở lại đây do mật độ phụ tải tăng nhanh cùng với lưới (6,10)kV và các trạm trung gian 35/10(6)kV bị quá tải nên - 18 - lưới điện 22kV đã từng bước được xây dựng nhằm thay thế dần lưới (6,10)kV tải khu vực không đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, bên cạnh đó lưới 35kV cũng trở thành cấp cấp phân phối tải. LĐPP trung áp khu vực đồng bằng có đặc điểm sau: - Tỷ trọng lưới (6,10)kV chiếm tỉ trọng cao (50-60%), lưới 22kV chiếm tỉ trọng (20-40%), lưới 35kV chiếm tỉ trọng (10-20%); - Hiện tại phần lớn các trạm trung gian 35/10kV đều đã vận hành ở trạng thái đầy và quá tải. Các trạm trung gian này được xây dựng từ những năm trước 1993 và hiện các thiết bị đã lạc hậu và xuống cấp, gây khó khăn trong việc cấp điện cho các khách hàng. Chất lượng lưới (6,10)kV không đảm bảo độ an toàn cung cấp điện do: - Được xây dựng từ lâu, tiết diện nhỏ; - Nhiều tuyến mang tải cao, bán kính cấp điện lớn; - Việc xây dựng không theo quy hoạch dài hạn, vốn đầu tư hạn chế.

Khu vực đô thị, ven đô. Khu vực này, trước đây chủ yếu là lưới (6,10)kV, trong thời gian vừa qua do mật độ phụ tải tăng nhanh, lưới (6,10)kV xuống cấp nên ngành điện đã tập trung vốn để cải tạo lưới điện hiện hữu thành lưới 22kV. Hiện nay tại khu vực này lưới (6,10,35)kV chiếm tỷ trọng khoảng 30-40%, lưới 22kV chiếm tỷ trọng (60-40%) Lưới điện trung áp tại các tỉnh khảo sát. * Thành phố Hà Nội Năm 2005 điện thương phẩm Thành phố Hà Nội là 4,03 tỷ kWh, lưới điện trung áp tồn tại 4 cấp điện áp 35, 22, 6, 10kV với 2.479km đường dây, trong đó 41% là cáp ngầm, 5452 trạm/ 3.636,5MVA trạm biến áp phân phối.

- Lưới 35kV bao gồm: 399km đường dây (chiếm 16% theo khối lượng đường dây trung áp), 638 trạm/ 324,06MVA (chiếm 12,3% theo dung lượng TBA phân phối). Nhìn chung trong thời gian qua lưới 35kV không phát triển và có xu hướng giảm. - 19 - - Lưới 22kV bao gồm: 770km đường dây (chiếm 31,1% theo khối lượng đường dây trung áp), 1. - Lưới 6kV bao gồm: 850km đường dây (chiếm 34,3% theo khối lượng đường dây trung áp), 1.

Trong những năm qua hệ thống LĐPP 6-10kV, đặc biệt là lưới 6kV đang được đầu tư cải tạo nâng cấp lên 22kV với tiến độ khá nhanh. Hiện tại trên toàn thành phố số TBA đang vận hành 6kV chiếm 28% (năm 2000 còn là 53,6%); số trạm biến áp đang vận hành 10kV chiếm 19,5% (năm 2000 là 25,4%); số trạm biến áp đang vận hành cấp 22kV chiếm trên 40,1% (so với năm 2000 mới chỉ là 3,5%).