Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng tái tạo trên quy mô toàn cầu đang thúc đẩy quá trình tích hợp các nguồn điện phân tán vào hệ thống phân phối. Theo Báo cáo Phát triển Thủy điện nhỏ Toàn cầu, tổng công suất các dự án thủy điện quy mô nhỏ đạt khoảng 78 GW, chiếm 6,5% tổng nguồn thủy điện thế giới. Tại Việt Nam, nguồn thủy điện nhỏ có tiềm năng rất lớn với tổng công suất vận hành thực tế đạt hơn 1.836 MW, chiếm tỷ trọng áp đảo tới 78,5% tổng công suất phân khúc này của toàn khối ASEAN. Riêng tại tỉnh Lạng Sơn, hệ thống sông suối dốc mang lại tiềm năng thủy điện phong phú, tạo điều kiện thuận lợi cho việc xây dựng nhiều nhà máy phát điện phân tán hòa lưới trung áp.

Tuy nhiên, việc đấu nối trực tiếp các nhà máy thủy điện nhỏ vào lưới điện phân phối 35 kV đặt ra thách thức kỹ thuật phức tạp về chất lượng điện năng. Khi các tổ máy phát điện cực đại trong thời điểm phụ tải thấp, hiện tượng dòng công suất ngược xuất hiện, gây quá áp cục bộ tại các nút gần nguồn phát và làm sai lệch hoạt động của các thiết bị bảo vệ. Ngược lại, tại chế độ phụ tải cực đại, các nút tiêu thụ ở cuối đường dây dài lại chịu hiện tượng sụt áp nghiêm trọng. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là đánh giá toàn diện chế độ xác lập của lưới điện phân phối 35 kV huyện Tràng Định, tỉnh Lạng Sơn khi tích hợp nhà máy thủy điện Bắc Khê tại nút số 63, từ đó đề xuất giải pháp phối hợp bộ điều áp dưới tải và hệ thống tụ bù nhằm kiểm soát biên độ điện áp theo đúng quy định.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào không gian lưới điện trung áp 35 kV Tràng Định với dữ liệu vận hành thực tế được thu thập trong giai đoạn năm 2019 đến năm 2020. Ý nghĩa thực tiễn của công trình là duy trì độ lệch điện áp toàn mạng trong ngưỡng dung sai khắt khe từ âm 5% đến dương 5% theo Thông tư 32/2010/TT-BCT của Bộ Công Thương. Đồng thời, nghiên cứu giúp nâng hệ số công suất trung bình toàn mạng lên trên 0,90 và cắt giảm tổn thất công suất kỹ thuật từ 15% đến 22%, đảm bảo tính kinh tế và độ tin cậy cung cấp điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết dòng công suất xoay chiều ba pha đối xứng và mô hình đường dây truyền tải hình pi tương đương. Trong lưới điện phân phối hình tia, mối quan hệ giữa điện áp rơi, tổn thất công suất tác dụng và công suất phản kháng được biểu diễn thông qua trở kháng đường dây phức. Khi tích hợp nguồn điện phân tán, chiều và độ lớn của dòng công suất bị thay đổi hoàn toàn, làm biến dạng biểu đồ phân bố điện áp dọc theo tuyến đường dây.

Khung lý thuyết điều chỉnh điện áp tập trung vào hai cơ chế can thiệp kỹ thuật chính gồm máy biến áp phân phối tích hợp bộ điều áp dưới tải và thiết bị bù công suất phản kháng ngang. Bộ điều áp dưới tải thực hiện thay đổi tỷ số biến đổi điện áp của máy biến áp 110/35 kV theo các nấc chuẩn hóa từ 1 đến 9 hoặc 1 đến 10 mà không cần cắt điện, cho phép bù đắp tổn thất điện áp cho toàn bộ thanh cái đầu nguồn. Song song với đó, hệ thống tụ bù tĩnh cung cấp công suất phản kháng tại chỗ nhằm giảm dòng điện phản kháng chạy trên đường dây, giúp nâng cao hệ số công suất và cải thiện điện áp tại các nút phụ tải xa nguồn.

Các khái niệm then chốt được sử dụng xuyên suốt công trình bao gồm nút phụ tải tiêu thụ, nút điều khiển điện áp máy phát, nút cân bằng hệ thống, độ lệch điện áp hiệu dụng và góc lệch pha công suất.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu kỹ thuật thực tế từ lưới điện phân phối 35 kV Tràng Định do Công ty Điện lực Lạng Sơn quản lý. Cỡ mẫu khảo sát bao gồm toàn bộ 63 nút phụ tải, 1 trạm biến áp trung gian 110/35 kV cùng thông số hình học của các tuyến dây nhôm lõi thép phổ biến từ AC-50 đến AC-240 và nhà máy thủy điện Bắc Khê đấu nối tại nút 63. Phương pháp chọn mẫu toàn diện được áp dụng nhằm phản ánh chính xác cấu trúc mạng điện hình tia thực tế ở chế độ làm việc phụ tải cực đại, vốn là chế độ vận hành chịu ứng suất nhiệt và sụt áp nặng nề nhất.

Để giải quyết bài toán dòng công suất phi tuyến, phương pháp số Newton-Raphson được lựa chọn nhờ tốc độ hội tụ nhanh bậc hai và độ chính xác cao đối với các mạng điện phức tạp. Đồng thời, thuật toán tối ưu hóa bầy đàn được tích hợp để tìm kiếm vị trí nấc phân áp của bộ điều áp dưới tải và dung lượng đóng cắt của các bộ tụ bù. Toàn bộ mô hình toán học được lập trình và mô phỏng trên nền tảng phần mềm Matlab Simulink thông qua công cụ chuyên dụng Powergui. Timeline nghiên cứu được thực hiện đồng bộ từ khâu đo đạc hiện trường, xây dựng tệp dữ liệu nút, chạy thuật toán tính toán đến bước tối ưu hóa kết quả trong chu kỳ 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng chế độ xác lập trên lưới điện 35 kV Tràng Định mang lại ba phát hiện kỹ thuật mang tính đột phá:

Thứ nhất, ở chế độ vận hành không có thủy điện với phụ tải cực đại, mức sụt áp tại các nút cuối tuyến diễn ra rất trầm trọng. Điện áp tại một số nút xa trạm nguồn giảm sâu xuống mức 0,88 pu, tức độ lệch điện áp âm lên tới 12%, vượt quá giới hạn cho phép âm 10% trong điều kiện lưới điện chưa ổn định. Tổng tổn thất công suất tác dụng trên đường dây chiếm khoảng 8,4% tổng công suất truyền tải.

Thứ hai, khi đưa nhà máy thủy điện Bắc Khê vào vận hành tại nút 63 mà chưa có thiết bị điều chỉnh phối hợp, hiện tượng phân bố điện áp không đồng đều xuất hiện rõ nét. Dòng công suất ngược từ nhà máy đẩy điện áp tại nút 63 và các nút lân cận tăng vọt lên 1,06 pu (vượt ngưỡng dương 5%), gây ra hiện tượng quá áp cục bộ. Trong khi đó, các nhánh phụ tải khác ở xa nguồn thủy điện vẫn bị sụt áp dưới 0,93 pu.

Thứ ba, khi áp dụng giải pháp tối ưu phối hợp bộ điều áp dưới tải trên máy biến áp 110/35 kV và đóng cắt hệ thống tụ bù, chất lượng điện áp toàn mạng được cải thiện triệt để. Điện áp tại tất cả 63 nút đều nằm ổn định trong dải quy định từ 0,97 pu đến 1,03 pu (độ lệch dưới 3%). Hệ số công suất cos phi toàn hệ thống tăng từ mức 0,81 lên đạt trên 0,93, đồng thời tổn thất công suất tác dụng toàn mạng giảm mạnh 18,6% so với chế độ ban đầu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự mất ổn định điện áp là do sự bất đối xứng giữa chiều truyền tải công suất truyền thống và nguồn phát phân tán. Việc đấu nối thủy điện nhỏ biến lưới phân phối từ mạng thụ động thành mạng chủ động, làm thay đổi cấu trúc dòng điện trên từng phân đoạn dây dẫn.

Dữ liệu mô phỏng được trực quan hóa chi tiết thông qua đồ thị đường biểu diễn phân bố điện áp dọc theo 63 nút trên lưới. Đồ thị so sánh trực quan ba kịch bản vận hành: đường cong màu đỏ thể hiện kịch bản không có thủy điện với độ dốc sụt áp sâu; đường cong màu xanh lục thể hiện kịch bản có thủy điện với đỉnh nhọn quá áp tại nút 63; và đường cong màu xanh dương thể hiện kịch bản có điều khiển phối hợp giúp làm phẳng toàn bộ biên độ điện áp. Kèm theo đó, bảng tổng hợp chỉ tiêu kỹ thuật cung cấp số liệu so sánh rõ ràng về tổn thất công suất, biên độ điện áp cực đại, cực tiểu và hệ số công suất của từng kịch bản.

So với các nghiên cứu về nguồn phân tán trong nước và quốc tế, kết quả này chứng minh rằng việc kết hợp thuật toán tối ưu bầy đàn với bộ điều áp dưới tải là giải pháp có tính khả thi kỹ thuật vượt trội, giúp khai thác tối đa công suất phát của thủy điện nhỏ mà vẫn tuân thủ nghiêm ngặt Thông tư 32/2010/TT-BCT.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, bốn nhóm giải pháp hành động cụ thể được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện:

  1. Nâng cấp và tự động hóa hệ thống điều khiển bộ điều áp dưới tải tại máy biến áp 110/35 kV Tràng Định. Công ty Điện lực Lạng Sơn làm chủ thể thực hiện, tiến hành trang bị rơ-le điều khiển điện áp tự động với thời gian chuyển nấc dưới 50 mili giây, đặt mục tiêu hoàn thành trong vòng 6 tháng nhằm giữ điện áp thanh cái đầu nguồn luôn ở mức 1,02 pu.

  2. Tối ưu hóa dung lượng và vị trí lắp đặt hệ thống tụ bù phân tán. Ban Quản lý dự án lưới điện phối hợp với các đơn vị vận hành lắp đặt bổ sung các bộ tụ bù nhánh tự động đóng cắt có dải công suất từ 50 kVAr đến 150 kVAr tại các nút có phụ tải tập trung lớn, hướng tới mục tiêu duy trì hệ số công suất trên 0,90 trên toàn tuyến trong lộ trình 12 tháng.

  3. Xây dựng quy chế phối hợp điều độ thời gian thực giữa đơn vị quản lý lưới phân phối và nhà máy thủy điện Bắc Khê. Phòng Điều độ Công ty Điện lực Lạng Sơn chủ trì ký kết quy chế vận hành, giám sát chặt chẽ biểu đồ phát công suất tác dụng và điều chỉnh dòng kích từ máy phát để hỗ trợ công suất phản kháng trong các khung giờ cao điểm và thấp điểm, triển khai áp dụng ngay trong quý tiếp theo.

  4. Ứng dụng phần mềm tính toán trào lưu công suất tự động định kỳ trên nền tảng thuật toán tối ưu bầy đàn. Đội ngũ kỹ sư tính toán phương thức thực hiện rà soát lưới điện hàng quý, cập nhật kịp thời thông số khi có thêm các dự án thủy điện nhỏ mới hòa lưới, đảm bảo tổn thất kỹ thuật hàng năm luôn dưới 5,5%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cao cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư vận hành, cán bộ điều độ tại các Công ty Điện lực thuộc các tỉnh miền núi có mật độ thủy điện nhỏ cao như Lạng Sơn, Cao Bằng, Hà Giang, Lào Cai. Luận văn cung cấp phương pháp luận và số liệu thực tế để xử lý bài toán dao động điện áp và dòng công suất ngược trên lưới 35 kV.

Nhóm thứ hai là các chủ đầu tư, đơn vị tư vấn thiết kế các dự án năng lượng tái tạo và thủy điện vừa và nhỏ. Tài liệu giúp xác định rõ các yêu cầu kỹ thuật đấu nối, cách lựa chọn hệ thống kích từ và phương thức phối hợp bảo vệ rơ-le đạt chuẩn quy chuẩn quốc gia.

Nhóm thứ ba là các chuyên viên hoạch định chính sách, cán bộ quản lý năng lượng tại Sở Công Thương và Tập đoàn Điện lực Việt Nam. Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để thẩm định quy hoạch phát triển nguồn phân tán gắn liền với năng lực truyền tải của lưới điện địa phương.

Nhóm thứ tư là các giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện tại các trường đại học kỹ thuật. Đây là tài liệu tham khảo chất lượng cao về mô hình hóa hệ thống điện bằng công cụ Matlab Simulink, giải thuật Newton-Raphson và thuật toán tối ưu hóa bầy đàn.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao việc tích hợp thủy điện nhỏ lại có nguy cơ gây quá áp trên lưới điện phân phối? Hiện tượng quá áp xảy ra khi công suất phát của thủy điện nhỏ vượt quá công suất tiêu thụ của các phụ tải lân cận, buộc dòng công suất phải chảy ngược về trạm nguồn 110 kV. Dòng điện ngược chạy qua điện kháng đường dây tạo ra điện áp rơi ngược chiều, đẩy điện áp tại nút đấu nối vượt quá ngưỡng 1,05 pu.

Thông tư 32/2010/TT-BCT quy định dung sai điện áp trên lưới phân phối như thế nào? Theo quy định hiện hành, trong điều kiện vận hành bình thường, độ lệch điện áp cho phép tại điểm đấu nối là cộng trừ 5% so với điện áp danh định. Đối với lưới điện chưa ổn định, dải dao động cho phép mở rộng từ âm 10% đến dương 5%.

Bộ điều áp dưới tải trên máy biến áp 110/35 kV hoạt động theo nguyên lý nào? Bộ điều áp dưới tải thay đổi số vòng dây của cuộn cao áp thông qua các công tắc chọn nấc và công tắc dập hồ quang với tốc độ tác động từ 45 đến 50 mili giây. Quá trình chuyển nấc diễn ra liên tục khi máy biến áp đang mang tải mà không gây gián đoạn cấp điện.

Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn có ưu điểm gì trong bài toán điều chỉnh điện áp? Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn mô phỏng hành vi di chuyển của đàn chim, có khả năng tìm kiếm toàn cục xuất sắc và không bị phụ thuộc vào tính đạo hàm của hàm mục tiêu. Thuật toán giúp xác định chính xác vị trí phân nấc và dung lượng tụ bù tối ưu trong không gian tìm kiếm rời rạc phức tạp.

Làm thế nào để hệ thống tụ bù vừa nâng cao điện áp vừa giảm tổn thất công suất? Tụ bù phát công suất phản kháng ngay tại nút phụ tải, làm giảm lượng công suất phản kháng phải truyền tải từ nguồn qua đường dây. Dòng điện tổng chạy trên dây dẫn giảm xuống tỷ lệ thuận, trực tiếp làm giảm điện áp rơi và giảm tổn thất công suất tác dụng theo hàm bậc hai của dòng điện.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết triệt để bài toán ổn định chất lượng điện áp trên lưới điện phân phối khi tích hợp nguồn năng lượng tái tạo thông qua năm kết quả then chốt:

  • Xây dựng thành công mô hình toán học và mô phỏng chi tiết lưới điện phân phối 35 kV Tràng Định gồm 63 nút phụ tải thực tế trên nền tảng Matlab Simulink.
  • Phân tích rõ nét bản chất của hiện tượng sụt áp cực đại và quá áp do dòng công suất ngược từ nhà máy thủy điện Bắc Khê gây ra.
  • Ứng dụng hiệu quả thuật toán tối ưu bầy đàn để xác lập phương thức phối hợp tối ưu giữa bộ điều áp dưới tải và các bộ tụ bù tĩnh.
  • Đưa toàn bộ độ lệch điện áp của 63 nút về dải an toàn từ âm 3% đến dương 3%, nâng hệ số công suất lên 0,93 và giảm 18,6% tổn thất công suất kỹ thuật.
  • Đóng góp cơ sở lý luận và giải pháp thực tiễn có khả năng nhân rộng cho các hệ thống lưới điện phân phối khu vực trung du và miền núi trên toàn quốc.

Trong giai đoạn 2021 đến 2025, định hướng phát triển tiếp theo là mở rộng nghiên cứu sang mô hình lưới điện thông minh, tích hợp các bộ điều khiển điện tử công suất hiện đại và hệ thống giám sát diện rộng SCADA. Các đơn vị quản lý vận hành hệ thống điện được khuyến nghị sớm ứng dụng quy trình tính toán tối ưu này vào thực tiễn sản xuất nhằm nâng cao toàn diện độ tin cậy và chất lượng cung cấp điện năng.