Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ và nhu cầu tiêu thụ điện năng ngày càng tăng, hệ thống điện đóng vai trò then chốt trong sự phát triển kinh tế xã hội. Ở Việt Nam, sự gia tăng công suất các nhà máy điện và mở rộng mạng lưới truyền tải đã làm cho việc vận hành hệ thống điện trở nên phức tạp hơn, đặc biệt là sự tương tác giữa các máy phát điện ở các vùng miền khác nhau. Theo ước tính, các sự cố ngắn mạch chiếm tỷ lệ từ 70-90% là ngắn mạch một pha chạm đất, trong khi ngắn mạch ba pha tuy ít xảy ra (5-10%) nhưng có ảnh hưởng nghiêm trọng đến ổn định hệ thống. Do đó, đánh giá ổn định hệ thống điện, đặc biệt là ổn định quá độ của hệ nhiều máy phát, trở thành nhiệm vụ cấp thiết nhằm đảm bảo vận hành an toàn, tin cậy và nâng cao chất lượng điện năng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng và áp dụng phương pháp đánh giá ổn định hệ nhiều máy dựa trên mô hình toán học chi tiết, tập trung vào hệ thống điện hai vùng bốn máy của Kundur – một mô hình chuẩn trong nghiên cứu ổn định hệ thống điện. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phân tích ổn định tĩnh và động của hệ thống điện nhiều máy, với dữ liệu và mô hình được khảo sát trong khoảng thời gian vận hành thực tế tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiểu biết về ổn định hệ thống điện mà còn cung cấp công cụ hỗ trợ vận hành và thiết kế hệ thống điện trong nước, giúp giảm thiểu rủi ro mất đồng bộ và thiệt hại kinh tế do sự cố.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản về ổn định hệ thống điện, bao gồm:

  • Khái niệm ổn định hệ thống điện: Ổn định tĩnh là khả năng hệ thống phục hồi sau các kích động nhỏ, còn ổn định động là khả năng chịu đựng các kích động lớn như ngắn mạch ba pha mà không mất đồng bộ.
  • Mô hình toán học máy phát đồng bộ: Bao gồm ảnh hưởng của cuộn kích từ, cuộn cản trên trục d và q, cùng bộ kích từ PSS (Power System Stabilizer) nhằm điều chỉnh và ổn định dao động máy phát.
  • Phương pháp đánh giá ổn định: Sử dụng phương pháp tuyến tính hóa hệ phương trình vi phân mô tả quá trình quá độ, phân tích trị riêng của ma trận hệ thống để xác định tính ổn định tiệm cận.
  • Phương pháp tích phân số: Áp dụng các thuật toán Runge-Kutta bậc 4 và phương pháp phân đoạn liên tiếp để giải các phương trình vi phân phi tuyến mô tả động học hệ thống điện trong miền thời gian.
  • Tiêu chuẩn đánh giá ổn định: Tiêu chuẩn năng lượng và tiêu chuẩn diện tích giúp xác định biên độ dao động góc rotor và điều kiện duy trì ổn định sau sự cố.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm các thông số kỹ thuật của máy phát đồng bộ, bộ kích từ, đường dây truyền tải và các điều kiện vận hành thực tế được chuẩn hóa trong hệ đơn vị tương đối. Mô hình toán học được xây dựng chi tiết cho từng máy phát, bao gồm các phương trình từ thông, dòng điện, điện áp và mô men, đồng thời tích hợp bộ kích từ PSS để mô phỏng phản ứng điều khiển.

Phương pháp phân tích ổn định được thực hiện qua các bước:

  • Xây dựng mô hình toán học hệ thống một máy phát nối với thanh cái vô cùng lớn và hệ nhiều máy (hai vùng bốn máy Kundur).
  • Tuyến tính hóa hệ phương trình trạng thái và tính toán trị riêng để đánh giá ổn định tĩnh.
  • Mô phỏng miền thời gian bằng phần mềm Matlab sử dụng thuật toán Runge-Kutta bậc 4 để đánh giá ổn định động sau các sự cố ngắn mạch 3 pha.
  • So sánh kết quả mô phỏng với các tiêu chuẩn lý thuyết và các nghiên cứu trước đây để xác nhận tính chính xác và hiệu quả của phương pháp.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2014 đến 2015, tập trung vào hệ thống điện Việt Nam và mô hình chuẩn quốc tế Kundur.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình toán học chi tiết của máy phát đồng bộ: Việc xây dựng mô hình có xét đến cuộn kích từ, cuộn cản và bộ kích từ PSS đã cho phép mô phỏng chính xác các đặc tính động học của máy phát. Các thông số như điện cảm, điện trở và hằng số quán tính được xác định cụ thể, ví dụ: hằng số quán tính H = 3,5 MWs/MVA, điện kháng đồng bộ dọc trục Xd = 1,8 p.u, điện kháng ngang trục Xq = 1,7 p.u.

  2. Đánh giá ổn định tĩnh hệ một máy: Phân tích trị riêng của ma trận hệ thống cho thấy khi hệ số mô men cản KD thay đổi từ -10 đến 10, các trị riêng có phần thực âm, biểu thị hệ thống ổn định tiệm cận. Ví dụ, với KD = 10, các trị riêng có phần thực âm lớn hơn 0,1, cho thấy dao động tắt dần nhanh chóng.

  3. Đánh giá ổn định động hệ nhiều máy (hai vùng bốn máy Kundur): Mô phỏng sự cố ngắn mạch 3 pha tại các vị trí khác nhau cho thấy hệ thống có khả năng duy trì ổn định nếu thời gian tồn tại ngắn mạch không vượt quá giới hạn cắt. Dạng sóng dao động góc rotor và tốc độ máy phát được ghi nhận với biên độ dao động giảm dần sau khi sự cố được xử lý. So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế cho thấy kết quả tương đồng, khẳng định tính hiệu quả của phương pháp.

  4. Ảnh hưởng của bộ kích từ PSS: Việc tích hợp bộ PSS giúp giảm biên độ dao động và tăng tốc độ ổn định của hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy biên độ dao động giảm khoảng 15-20% so với trường hợp không có PSS, góp phần nâng cao độ tin cậy vận hành.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do mô hình toán học chi tiết và phương pháp giải tích phân số chính xác, giúp phản ánh đúng các đặc tính phi tuyến và động học của hệ thống điện. So với các phương pháp truyền thống biến đổi hệ nhiều máy thành hệ một máy tương đương, phương pháp đề xuất giữ nguyên mô hình từng máy riêng lẻ, từ đó cung cấp kết quả đánh giá ổn định chính xác hơn.

Kết quả cũng phù hợp với các nghiên cứu trong nước như bộ ổn định FTDNN-PSS và các nghiên cứu quốc tế về đo trị riêng online bằng SMES. Việc áp dụng mô hình Kundur giúp mô phỏng gần sát thực tế vận hành hệ thống điện Việt Nam, đặc biệt trong bối cảnh phát triển các nhà máy điện và đường dây truyền tải mới.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dạng sóng dao động góc rotor, tốc độ máy phát và bảng trị riêng tương ứng với các trường hợp khác nhau của hệ số mô men cản và thời gian tồn tại ngắn mạch, giúp trực quan hóa quá trình ổn định và mất ổn định của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp đánh giá ổn định cho hệ thống điện Việt Nam: Khuyến nghị các đơn vị vận hành và thiết kế hệ thống điện sử dụng mô hình toán học chi tiết và thuật toán phân tích ổn định để đánh giá các kịch bản sự cố, nhằm nâng cao độ tin cậy vận hành trong vòng 1-2 năm tới.

  2. Phát triển bộ ổn định PSS tích hợp trí tuệ nhân tạo: Đề xuất nghiên cứu và triển khai bộ PSS sử dụng mạng nơron hoặc thuật toán fuzzy logic để tự động điều chỉnh tham số theo điều kiện vận hành thực tế, giảm biên độ dao động và tăng khả năng chống mất ổn định, thực hiện trong 3 năm tới bởi các viện nghiên cứu và trường đại học.

  3. Xây dựng hệ thống giám sát và đo trị riêng online: Khuyến khích đầu tư thiết bị SMES hoặc các công nghệ đo hiện đại để theo dõi trị riêng của hệ thống điện theo thời gian thực, giúp phát hiện sớm nguy cơ mất ổn định và đưa ra biện pháp xử lý kịp thời, triển khai trong 5 năm tới bởi các công ty truyền tải điện.

  4. Tối ưu hóa thời gian cắt sự cố và điều khiển đóng cắt thiết bị: Đề xuất nghiên cứu và áp dụng các thuật toán điều khiển nhanh nhằm giảm thời gian tồn tại ngắn mạch dưới giới hạn cắt, từ đó giảm thiểu dao động và nguy cơ mất ổn định, thực hiện trong 1 năm bởi các đơn vị vận hành lưới điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện: Nắm bắt các phương pháp đánh giá ổn định mới, áp dụng vào thực tiễn vận hành để đảm bảo an toàn và tin cậy hệ thống điện.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Học tập mô hình toán học chi tiết và phương pháp phân tích ổn định, làm cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn về ổn định hệ thống điện.

  3. Các đơn vị thiết kế và xây dựng hệ thống điện: Sử dụng kết quả nghiên cứu để đánh giá tính khả thi và ổn định của các dự án nhà máy điện và đường dây truyền tải mới.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Tham khảo để xây dựng các tiêu chuẩn vận hành và quy định về ổn định hệ thống điện, góp phần nâng cao chất lượng điện năng quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp đánh giá ổn định hệ nhiều máy có ưu điểm gì so với phương pháp biến đổi tương đương?
    Phương pháp đánh giá ổn định dựa trên mô hình từng máy riêng lẻ giữ nguyên tính chi tiết và đặc tính phi tuyến của hệ thống, cho kết quả chính xác hơn so với phương pháp biến đổi hệ nhiều máy thành hệ một máy tương đương, vốn có thể làm mất thông tin quan trọng về tương tác giữa các máy.

  2. Bộ kích từ PSS ảnh hưởng như thế nào đến ổn định hệ thống?
    Bộ PSS giúp giảm biên độ dao động góc rotor và tăng tốc độ tắt dao động sau sự cố, từ đó nâng cao độ ổn định động của hệ thống. Ví dụ, trong nghiên cứu, biên độ dao động giảm khoảng 15-20% khi có PSS.

  3. Tại sao ngắn mạch ba pha được xem là nguy hiểm nhất đối với ổn định hệ thống?
    Ngắn mạch ba pha làm gián đoạn hoàn toàn mối liên hệ giữa nhà máy và phụ tải, gây giảm công suất cực đại và dao động mạnh của máy phát, dễ dẫn đến mất đồng bộ và tan rã hệ thống nếu không được xử lý kịp thời.

  4. Phương pháp Runge-Kutta bậc 4 được sử dụng trong nghiên cứu có ưu điểm gì?
    Phương pháp này có sai số nhỏ, ổn định số cao và khả năng giải các phương trình vi phân phi tuyến phức tạp trong miền thời gian, giúp mô phỏng chính xác quá trình quá độ và dao động của hệ thống điện.

  5. Làm thế nào để xác định thời gian cắt giới hạn trong vận hành hệ thống điện?
    Thời gian cắt giới hạn được xác định dựa trên tiêu chuẩn diện tích năng lượng, khi diện tích năng lượng tích lũy bằng diện tích năng lượng tiêu tán, đảm bảo góc rotor không vượt quá giới hạn ổn định. Việc này giúp thiết kế thời gian đóng cắt thiết bị phù hợp để duy trì ổn định.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học chi tiết của máy phát đồng bộ có xét đến cuộn kích từ, cuộn cản và bộ kích từ PSS, phục vụ đánh giá ổn định hệ nhiều máy.
  • Phương pháp đánh giá ổn định dựa trên phân tích trị riêng và mô phỏng miền thời gian cho kết quả chính xác, phù hợp với các tiêu chuẩn lý thuyết và thực tế vận hành.
  • Ổn định hệ nhiều máy được chứng minh qua mô hình hai vùng bốn máy Kundur, mô phỏng các sự cố ngắn mạch và phản ứng của hệ thống.
  • Bộ kích từ PSS đóng vai trò quan trọng trong việc giảm dao động và nâng cao độ ổn định động của hệ thống điện.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các công cụ đánh giá và điều khiển ổn định hệ thống điện hiện đại, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành và an toàn hệ thống điện Việt Nam trong tương lai.

Để tiếp tục phát triển, cần triển khai áp dụng phương pháp vào hệ thống điện thực tế, nghiên cứu các bộ ổn định thông minh và xây dựng hệ thống giám sát ổn định online. Quý độc giả và các chuyên gia được mời tham khảo và ứng dụng kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng vận hành hệ thống điện quốc gia.