Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối trung áp tại các tỉnh miền núi phía Bắc luôn đối mặt với thách thức lớn về chất lượng điện năng và tổn thất kỹ thuật do bán kính cấp điện quá dài. Tại tỉnh Bắc Kạn, hệ thống lưới điện 35 kV giữ vai trò xương sống khi chiếm tới 96,4% khối lượng đường dây trung áp toàn tỉnh, tiếp nhận nguồn từ 02 trạm biến áp 110 kV với tổng công suất đặt 75 MVA và 3 nhà máy thủy điện vừa và nhỏ với tổng công suất 10,1 MW. Điển hình là lộ đường dây 371 xuất tuyến từ trạm 110 kV Bắc Kạn (E26.1) có tổng chiều dài lên tới 707,2 km, trong đó trục chính dài 105,1 km và hệ thống nhánh rẽ dài 602,1 km, cấp điện cho 368 trạm biến áp phân phối với tổng dung lượng 32.135,5 kVA. Do địa hình đồi núi chia cắt phức tạp, phụ tải phân tán và dây dẫn trải dài, đường dây thường xuyên rơi vào tình trạng dao động điện áp nghiêm trọng: sụt áp sâu vào giờ cao điểm đầy tải và quá áp vào giờ thấp điểm non tải do ảnh hưởng của điện dung ký sinh.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là giải quyết bài toán nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi$, giảm tổn thất công suất và ổn định điện áp trên lưới phân phối trung áp thông qua việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống bù công suất phản kháng tự động. Mục tiêu cụ thể là xây dựng cấu trúc thiết bị bù tĩnh kết hợp có cấp và vô cấp (FC-TCR), ứng dụng công nghệ van bán dẫn Thyristor và thuật toán điều khiển tối ưu cho tuyến lộ 371 trạm E26.1 thuộc Công ty Điện lực Bắc Kạn trong giai đoạn 2018 - 2019. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua các chỉ số định lượng rõ rệt: nâng hệ số công suất toàn tuyến tiệm cận mức 0,95 đến 0,98, đưa độ lệch điện áp cuối nguồn về giới hạn cho phép $\pm 5%$, giảm dòng điện tải vô công trên đường dây và tiết kiệm hàng trăm triệu đồng chi phí tổn thất điện năng hàng năm so với phương án lắp đặt máy biến áp tự ngẫu truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết truyền tải điện xoay chiều và cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện. Trong lưới phân phối, công suất toàn phần biểu kiến $S$ luôn gồm hai thành phần: công suất tác dụng $P$ sinh công hữu ích và công suất phản kháng $Q$ duy trì từ trường. Mối quan hệ giữa dòng điện truyền tải $I$, tổn thất công suất tác dụng $\Delta P = \frac{P^2 + Q^2}{U^2}R$ và tổn thất điện áp $\Delta U = \frac{PR + QX}{U}$ khẳng định rằng việc giảm dòng công suất vô công $Q$ chạy trên đường dây là giải pháp cốt lõi để triệt tiêu sụt áp và giảm tổn thất năng lượng.

Khung lý thuyết then chốt thứ hai là công nghệ thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS), cụ thể là bộ bù tĩnh SVC (Static VAR Compensator) cấu hình FC-TCR (Fixed Capacitor - Thyristor Controlled Reactor). Cấu trúc này tích hợp các bộ tụ bù tĩnh song song (FC) cung cấp dung lượng cảm ứng cố định kết hợp cuộn kháng điều khiển bằng góc mở Thyristor (TCR) nhằm tạo ra lượng dung kháng hoặc cảm kháng biến thiên liên tục. Bên cạnh đó, luận văn áp dụng lý thuyết điều khiển tự động kinh điển với mô hình phản hồi vòng kín $\cos\varphi$, sử dụng thuật toán vi tích phân tỉ lệ (PID) để tính toán điện áp điều khiển và phát xung kích mở chính xác cho các van bán dẫn Thyristor trong dải góc $\alpha$ từ $90^\circ$ đến $180^\circ$.

+-------------+      +-------------------+      +------------------+
|  Đo lường   | ---> |  Bộ điều khiển    | ---> | Mạch phát xung   |
| cos(phi), U |      |  PID phản hồi     |      | điều khiển góc a |
+-------------+      +-------------------+      +------------------+
                                                          |
                                                          v
+------------------+      +-------------------+      +------------------+
|  Lưới điện 35kV  | <--- | Khối bù FC-TCR    | <--- | Van bán dẫn      |
|  Lộ 371 Bắc Kạn  |      | (Bù liên tục Q)   |      | Thyristor        |
+------------------+      +-------------------+      +------------------+

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực tế thu thập từ Công ty Điện lực Bắc Kạn trong năm 2018 và 2019, bao gồm sơ đồ đơn tuyến, bảng thống kê thông số kỹ thuật 14 tuyến lộ trung áp 35 kV, đặc tính mang tải của 02 trạm biến áp 110 kV và thông số chi tiết của 368 trạm biến áp phân phối dọc tuyến lộ 371. Phương pháp chọn mẫu điển hình được áp dụng khi lựa chọn lộ 371 trạm E26.1 – tuyến đường dây có chiều dài kỷ lục 707,2 km và mang tải phức tạp nhất tỉnh – làm đối tượng nghiên cứu trọng điểm nhằm đảm bảo tính đại diện cao cho hệ thống lưới điện vùng cao.

Phương pháp phân tích kết hợp giữa tính toán giải tích lý thuyết và mô phỏng số trên phần mềm chuyên dụng MATLAB/Simulink. Về mặt giải tích, tác giả thiết lập hàm mục tiêu kinh tế - kỹ thuật để xác định dung lượng bù tối ưu $Q_{bù}$ nhằm cực tiểu hóa chi phí tính toán quy đổi hàng năm. Về mặt mô phỏng, phần mềm MATLAB/Simulink được lựa chọn nhờ khả năng mô hình hóa chính xác các phần tử điện tử công suất, nguồn phát xung răng cưa và phản ứng động học của lưới điện. Bộ thông số $K_p, K_i, K_d$ của bộ điều khiển PID được xác định và hiệu chỉnh thông qua phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất và thứ hai, giúp hệ thống đạt độ ổn định nhanh và hạn chế tối đa độ quá điều chỉnh khi phụ tải dao động.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả khảo sát chỉ ra rằng phương thức vận hành hiện hữu trên lộ 371 trạm E26.1 bộc lộ nhiều hạn chế lớn. Toàn tuyến đang lắp đặt 3 cụm tụ bù trung áp 35 kV với tổng dung lượng 1.650 kVAR và 89 điểm tụ bù hạ áp 0,4 kV với tổng dung lượng 2.970 kVAR đóng cắt bằng rơle, công tắc tơ cơ khí. Do cơ chế bù theo cấp gián đoạn, lưới điện liên tục xảy ra hiện tượng bù thiếu vào giờ cao điểm làm điện áp sụt giảm dưới 31,5 kV và bù thừa khi non tải đẩy điện áp vọt lên trên 38,5 kV, gây nguy cơ già hóa cách điện thiết bị.

Thứ hai, mô hình thiết bị bù lai kết hợp bù tĩnh cố định và cuộn kháng điều khiển Thyristor (FC-TCR) đề xuất trong luận văn đã chứng minh khả năng điều chỉnh dung lượng bù hoàn toàn trơn và liên tục. Khi mô phỏng trên nền tảng MATLAB/Simulink với đầy đủ các chế độ tải từ không tải, non tải đến quá tải, điện áp nút cuối nguồn tại các khu vực xa trung tâm như Pác Nặm, Ngân Sơn luôn được duy trì ổn định quanh giá trị định mức 35 kV, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng quá áp do hiệu ứng Ferranti.

Thứ ba, việc tích hợp bộ điều khiển PID tinh chỉnh theo phương pháp Ziegler-Nichols mang lại hiệu quả đáp ứng vượt trội. Thời gian quá độ để hệ thống tự động điều chỉnh góc kích mở Thyristor chỉ dao động trong khoảng 20 đến 50 ms, hệ số công suất $\cos\varphi$ tại nút đặt thiết bị bù được cải thiện từ mức 0,82 - 0,85 lên đạt 0,96 - 0,98. Nhờ đó, dòng điện tổng chạy trên đoạn trục chính 105,1 km giảm từ 15% đến 22%, làm giảm tổn thất công suất tác dụng $\Delta P$ trên đường dây khoảng 28% đến 35%.

Trạng thái vận hành Hệ số công suất $\cos\varphi$ Điện áp cuối nguồn (kV) Dòng điện trục chính (A) Đánh giá chất lượng điện năng
Trước khi bù FC-TCR 0,82 - 0,85 30,8 - 31,5 185 - 210 Sụt áp sâu, tổn thất truyền tải cao
Sau khi lắp đặt FC-TCR 0,96 - 0,98 34,8 - 35,2 145 - 165 Điện áp chuẩn định mức, dòng giảm ~20%

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi tạo nên sự thành công của cấu trúc bù đề xuất là sự phối hợp nhịp nhàng giữa thành phần tụ điện phát công suất phản kháng vô cấp và cuộn cảm kháng TCR tiêu thụ lượng công suất phản kháng dư thừa. Khi góc mở Thyristor biến thiên liên tục từ $90^\circ$ (cuộn kháng dẫn dòng hoàn toàn) đến $180^\circ$ (cuộn kháng ngắt hoàn toàn), giá trị điện cảm đẳng trị của toàn bộ thiết bị bù thay đổi linh hoạt, giúp triệt tiêu thành phần dòng điện trễ pha của các động cơ không đồng bộ và máy biến áp trên lưới.

So với giải pháp truyền thống mà Công ty Điện lực Bắc Kạn từng thử nghiệm năm 2018 – lắp đặt 02 trạm máy biến áp tự ngẫu tăng áp 35 kV dung lượng 12.000 kVA – giải pháp thiết bị bù tĩnh FC-TCR thể hiện ưu thế áp đảo về mặt kinh tế - kỹ thuật. Máy biến áp tự ngẫu có vốn đầu tư lớn, chiếm dụng mặt bằng trạm phức tạp và làm phát sinh thêm tổn hao không tải khoảng 0,8% đến 1,2% công suất định mức, đồng thời hoàn toàn bất lực trong việc giảm dòng vô công truyền tải. Ngược lại, thiết bị bù tĩnh FC-TCR tác động trực tiếp vào nguồn gốc phát sinh dòng phản kháng, giúp giảm tải cho dây dẫn, kéo dài tuổi thọ máy biến áp nguồn và tiết kiệm chi phí đầu tư nâng cấp tiết diện dây dẫn. Toàn bộ diễn biến sóng điện áp và công suất trước và sau khi bù được kiểm chứng sinh động thông qua các dạng đồ thị đáp ứng miền thời gian trên Simulink.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và kiểm chứng mô phỏng, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm hiện thực hóa hệ thống bù trung thế trên lưới điện phân phối:

  1. Chế tạo và lắp đặt thử nghiệm thiết bị bù tĩnh FC-TCR: Ban Quản lý Dự án lưới điện thuộc Công ty Điện lực Bắc Kạn cần chủ trì triển khai lắp đặt trạm bù tĩnh thử nghiệm tại thanh cái trung áp 35 kV khu vực Pác Nặm hoặc Ngân Sơn, mục tiêu duy trì $\cos\varphi \ge 0,95$ và ổn định điện áp trong dải 34,5 - 35,5 kV, hoàn thành trong vòng 6 đến 12 tháng.
  2. Nâng cấp mạch điều khiển phát xung bán dẫn tích hợp SCADA: Phòng Kỹ thuật và Điều độ phối hợp các đơn vị nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển Thyristor phản hồi số, sử dụng vi điều khiển chuyên dụng kết hợp biến áp xung cách ly BAX, đảm bảo thời gian tác động dưới 30 ms và tương thích với giao thức truyền thông SCADA/DMS định kỳ hàng quý.
  3. Thay thế từng bước các cụm tụ bù cơ khí bằng hệ thống bù lai: Tổng công ty Điện lực miền Bắc (EVNNPC) cần phê duyệt danh mục đầu tư thay thế các bộ tụ bù đóng cắt bằng công tắc tơ tại 368 trạm biến áp phân phối bằng các cụm bù lai DSVC bán dẫn, đặt mục tiêu giảm tỷ lệ sự cố quá áp và bù thừa xuống dưới 1% trong lộ trình 2 đến 3 năm.
  4. Chuẩn hóa phần mềm tính toán dung lượng bù tối ưu: Sở Công Thương phối hợp với các trường đại học khối kỹ thuật ứng dụng thuật toán tối ưu hóa chi phí tính toán để xác định chính xác vị trí và dung lượng bù kinh tế cho toàn bộ 14 tuyến lộ 35 kV trên địa bàn tỉnh vào cuối năm 2020.
LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI HỆ THỐNG BÙ TRUNG THẾ
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Giai đoạn 1 (6-12 tháng): Lắp đặt thử nghiệm trạm FC-TCR tại lộ 371 Bắc Kạn       |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
                                         |
                                         v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Giai đoạn 2 (Quý tiếp theo): Chuẩn hóa mạch điều khiển Thyristor & tích hợp SCADA |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
                                         |
                                         v
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Giai đoạn 3 (2-3 năm tới): Thay thế tụ cơ khí bằng hệ thống bù lai DSVC toàn tỉnh |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

  • Kỹ sư vận hành và điều độ hệ thống điện phân phối: Cán bộ tại các Công ty Điện lực miền núi thuộc EVNNPC có thể trực tiếp ứng dụng phương pháp tính toán dung lượng bù kinh tế và sơ đồ lắp đặt tập trung để xử lý bài toán sụt áp trên các trục đường dây dài trên 50 đến 100 km.
  • Kỹ sư thiết kế điện tử công suất và tự động hóa: Các chuyên gia thiết kế mạch có thể khai thác chi tiết cấu trúc mạch phát xung răng cưa, mạch điều khiển góc mở van Thyristor đồng bộ pha và kỹ thuật ghép nối biến áp xung BAX để chế tạo các bộ bù SVC công nghiệp.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện: Nguồn tài liệu tham khảo giá trị về mô hình hóa thiết bị FACTS trên MATLAB/Simulink, phương pháp giải tích mạng điện trung áp và kỹ thuật nhận dạng thông số PID bằng thực nghiệm Ziegler-Nichols.
  • Nhà quản lý dự án và hoạch định chính sách đầu tư năng lượng: Căn cứ khoa học xác đáng để so sánh hiệu quả kinh tế giữa việc đầu tư thiết bị bù điện tử công suất hiện đại với phương án nâng cấp tiết diện dây dẫn hoặc lắp đặt trạm biến áp trung gian đắt đỏ.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao lưới điện trung áp 35 kV tỉnh Bắc Kạn thường xuyên xảy ra tình trạng mất ổn định điện áp? Nguyên nhân chủ yếu do đặc thù đường dây phân phối trải dài trên địa hình phức tạp, điển hình như lộ 371 có tổng chiều dài 707,2 km với trục chính 105,1 km. Vào giờ cao điểm, phụ tải cảm kháng lớn gây sụt áp sâu cuối tuyến; ngược lại vào giờ thấp điểm non tải, điện dung ký sinh của đường dây dài phát sinh lượng công suất phản kháng dư thừa làm điện áp tăng vọt quá định mức.

Cấu trúc bù FC-TCR giải quyết triệt để nhược điểm của tụ bù truyền thống bằng cách nào? Hệ thống kết hợp bộ tụ tĩnh cố định (FC) phát công suất phản kháng với cuộn kháng điều khiển bằng Thyristor (TCR). Bằng cách điều chỉnh liên tục góc mở van bán dẫn $\alpha$ từ $90^\circ$ đến $180^\circ$, thiết bị có thể thay đổi trơn cảm kháng tiêu thụ trong thời gian dưới 50 ms, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng bù thiếu hoặc bù thừa thường gặp ở các bộ tụ đóng ngắt cơ khí.

Bộ điều khiển PID trong nghiên cứu đóng vai trò gì và được thiết lập như thế nào? Bộ điều khiển PID nhận tín hiệu sai lệch giữa hệ số $\cos\varphi$ thực tế đo trên lưới với giá trị đặt mong muốn tiệm cận 1,0. Thông qua bộ thông số $K_p, K_i, K_d$ được tối ưu hóa bằng phương pháp Ziegler-Nichols, bộ điều khiển tạo ra điện áp điều khiển chính xác để phát xung mở Thyristor, giúp hệ thống phản ứng nhanh nhạy và triệt tiêu dao động quá độ.

Vì sao giải pháp bù FC-TCR được đánh giá cao hơn việc sử dụng máy biến áp tự ngẫu tăng áp? Dù Công ty Điện lực Bắc Kạn đã vận hành 02 trạm biến áp tự ngẫu 35 kV với tổng dung lượng 12.000 kVA, thiết bị này có chi phí đầu tư rất cao, gây thêm tổn hao không tải và không thể xử lý dòng công suất vô công trên dây. Trong khi đó, thiết bị FC-TCR vừa giữ ổn định điện áp, vừa giảm dòng vô công, hạ thấp tổn thất công suất tác dụng và tiết kiệm tiết diện dây dẫn.

Kết quả nghiên cứu này có thể chuyển giao và áp dụng cho các khu vực khác không? Hoàn toàn có thể mở rộng áp dụng. Mô hình tính toán và cấu trúc bù tĩnh FC-TCR trong luận văn được chuẩn hóa cho cấp điện áp 35 kV và 22 kV, đặc biệt thích hợp với các tỉnh miền núi vùng Tây Bắc, Đông Bắc và Tây Nguyên – nơi có mật độ phụ tải thấp, phân tán và đường dây trung áp kéo dài hàng trăm kilômét.

Kết luận

  • Đã phân tích toàn diện hiện trạng vận hành và chỉ rõ những tồn tại kỹ thuật của lưới điện phân phối 35 kV tỉnh Bắc Kạn, đặc biệt là lộ 371 trạm E26.1 dài 707,2 km.
  • Đề xuất thành công cấu hình thiết bị bù tĩnh thông minh kết hợp có cấp và vô cấp FC-TCR, cho phép điều chỉnh trơn dung lượng bù và ổn định điện áp tự động.
  • Xây dựng hoàn chỉnh thuật toán điều khiển PID phản hồi $\cos\varphi$ và mạch phát xung Thyristor, được kiểm chứng chính xác qua mô phỏng trên MATLAB/Simulink.
  • Chứng minh tính vượt trội về mặt kỹ thuật và hiệu quả kinh tế của giải pháp bù bán dẫn so với phương án sử dụng máy biến áp tự ngẫu truyền thống.
  • Đặt nền móng vững chắc cho kế hoạch triển khai chế tạo thử nghiệm và lắp đặt thiết bị bù trung thế trên lưới điện thực tế giai đoạn 2020 - 2022.

Công trình là bước đột phá quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ điện tử công suất vào lưới điện phân phối Việt Nam. Các đơn vị quản lý lưới điện và nhà nghiên cứu quan tâm có thể tiếp tục phối hợp thử nghiệm để sớm đưa thiết bị vào sản xuất công nghiệp, góp phần xây dựng lưới điện thông minh và nâng cao hiệu quả kinh tế của ngành điện lực.