Tổng quan nghiên cứu

Sự chuyển dịch cơ cấu năng lượng tại Việt Nam đang diễn ra mạnh mẽ nhằm hướng tới mục tiêu phát thải ròng bằng không vào năm 2050. Tính đến cuối năm 2023, tổng sản lượng điện huy động từ các nguồn năng lượng tái tạo trên toàn quốc đạt khoảng 34,7 tỷ kWh, chiếm tỷ trọng 13,5% tổng sản lượng điện toàn hệ thống, trong đó điện mặt trời đóng góp 24,1 tỷ kWh và điện gió đạt 9,84 tỷ kWh. Theo định hướng trong Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kỳ 2021-2030, tầm nhìn đến năm 2050 (Quy hoạch điện VIII), tỷ lệ năng lượng tái tạo sẽ được nâng lên mức 30,9% đến 39,2% vào năm 2030 và dự kiến đạt từ 67,5% đến 71,5% vào năm 2050.

Tuy nhiên, sự gia nhập ồ ạt của các nguồn điện năng lượng tái tạo dựa trên nghịch lưu điện tử công suất đặt ra thách thức kỹ thuật rất lớn đối với tính ổn định của hệ thống điện, đặc biệt là hiện tượng suy giảm quán tính hệ thống và nguy cơ mất ổn định quá độ khi xảy ra sự cố ngắn mạch nghiêm trọng. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điện của học viên Văn Vĩnh Phúc, dưới sự hướng dẫn khoa học của Phó Giáo sư Tiến sĩ Võ Ngọc Điều tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: Khảo sát và đánh giá định lượng tính ổn định quá độ của hệ thống điện miền Tây Nam Bộ Việt Nam dưới tác động thâm nhập sâu của các nguồn năng lượng tái tạo.

Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ hệ thống lưới điện truyền tải cấp điện áp 110kV, 220kV và 500kV trải rộng trên địa bàn 13 tỉnh thành thuộc khu vực Tây Nam Bộ, bao gồm thành phố Cần Thơ, An Giang, Đồng Tháp, Long An, Tiền Giang, Vĩnh Long, Bến Tre, Trà Vinh, Sóc Trăng, Hậu Giang, Bạc Liêu, Cà Mau và Kiên Giang. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình được định lượng qua việc xác định chính xác các chỉ số an toàn vận hành, điển hình là thời gian xóa sự cố tới hạn, độ lệch tần số cho phép và khả năng phục hồi điện áp nút theo quy định chuẩn của ngành điện, từ đó tạo nền tảng vững chắc cho công tác quy hoạch nguồn và nâng cấp lưới truyền tải điện khu vực Đồng bằng sông Cửu Long.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết ổn định hệ thống điện kinh điển kết hợp với các mô hình điều khiển hiện đại dành cho nguồn năng lượng phân tán. Khung lý thuyết trọng tâm bao gồm:

  • Lý thuyết ổn định góc rotor và phương trình dao động rotor (Swing Equation): Mô tả mối quan hệ động lực học giữa công suất cơ đầu vào turbine và công suất điện phát ra tại khe hở không khí của máy phát điện đồng bộ thông qua hằng số quán tính H (tính bằng MW.s/MVA) và góc lệch rotor tương đối.
  • Tiêu chuẩn cân bằng diện tích (Equal Area Criterion): Công cụ giải tích đồ thị trực quan giúp xác định khả năng duy trì đồng bộ của hệ thống sau các xung động lớn thông qua việc so sánh diện tích tăng tốc và diện tích hãm tốc của rotor máy phát.
  • Lý thuyết mô hình hóa nguồn năng lượng tái tạo tích hợp nghịch lưu: Sử dụng các mô hình tiêu chuẩn quốc tế cho nhà máy điện gió sử dụng máy phát điện không đồng bộ nguồn kép Type 3 (bao gồm các khối hàm truyền WT3G2, WT3E1, WT3P1, WT3T1) và hệ thống nhà máy điện mặt trời thông qua các khối điều khiển tích hợp REPCAU1 và REECAU1.

Các khái niệm then chốt được chuẩn hóa xuyên suốt nghiên cứu gồm: Quá trình quá độ điện cơ trong khung thời gian 2 đến 5 giây, thời gian xóa sự cố tới hạn (Critical Clearing Time - CCT), biên độ dao động điện áp thanh cái, độ dao động tần số và giới hạn truyền tải ổn định.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp mô phỏng số trên phần mềm chuyên dụng PSS/E (Power System Simulator for Engineering) của hãng Siemens – công cụ tiêu chuẩn đang được Tập đoàn Điện lực Việt Nam và các đơn vị điều độ quốc gia tin dùng.

  • Cỡ mẫu và đối tượng khảo sát: Mô hình hóa toàn diện mạng điện truyền tải khu vực Tây Nam Bộ với dữ liệu chi tiết của 13 tỉnh thành, bao gồm hàng chục nút trạm biến áp 500kV, 220kV, các đường dây liên kết trọng yếu và toàn bộ các nhà máy nhiệt điện, điện gió, điện mặt trời đang vận hành hoặc nằm trong quy hoạch phát triển.
  • Phương pháp chọn mẫu và kiểm chứng: Đề tài thực hiện phương pháp tiếp cận hai giai đoạn. Giai đoạn 1 tiến hành kiểm chứng chéo độ chính xác giải thuật trên mạng điện chuẩn IEEE 9 nút tích hợp điện gió và lưới điện thực tế 33kV Sandakan (Malaysia) để so sánh đối chiếu với các công bố quốc tế. Giai đoạn 2 áp dụng dữ liệu thực tế của hệ thống điện miền Tây Nam Bộ để tiến hành mô phỏng các kịch bản cực đoan.
  • Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: PSS/E sử dụng phương pháp lặp Gauss-Seidel kết hợp Newton-Raphson giúp tối ưu hóa khả năng hội tụ khi giải bài toán trào lưu công suất xác lập, đồng thời áp dụng phương pháp tích phân từng bước trong miền thời gian để giải hệ phương trình vi phân phi tuyến biểu diễn chuyển động động học của máy phát nhiệt điện (mô hình GENROU, bộ điều tốc TGOV1, GAST và hệ thống kích từ ESST4B). Toàn bộ quá trình nghiên cứu được triển khai xuyên suốt theo tiến độ khoa học từ tháng 01/2024 đến tháng 05/2024.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích trên phần mềm PSS/E đã ghi nhận các kết quả định lượng nổi bật qua 3 kịch bản vận hành trọng điểm:

  • Suy giảm quán tính hệ thống và gia tăng góc lệch rotor: Khi hệ thống vận hành ở kịch bản tích hợp năng lượng tái tạo phát tối đa công suất, quán tính tương đương của toàn vùng giảm khoảng 18% đến 22% so với kịch bản chỉ sử dụng nguồn điện truyền thống. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch 3 pha trên đường dây 220kV Cần Đước – Mỹ Tho trong thời gian 0,1 giây, biên độ dao động góc rotor cực đại giữa các tổ máy phát nhiệt điện trong khu vực tăng thêm khoảng 15,4%, kéo dài thời gian dập tắt dao động quá độ từ 2,1 giây lên gần 3,4 giây.
  • Hành vi động của lưới điện 500kV khi ngắn mạch nghiêm trọng: Đối với sự cố ngắn mạch 3 pha trên cung đoạn đường dây then chốt 500kV Ô Môn – Mỹ Tho, điện áp tại thanh cái 500kV sụt giảm nghiêm trọng xuống dưới ngưỡng 0,25 pu trong thời gian tồn tại sự cố. Tuy nhiên, nhờ đáp ứng bơm dòng công suất phản kháng nhanh của các bộ điều khiển REECAU1 tại các nhà máy điện gió và điện mặt trời, điện áp nút đã phục hồi về mức trên 0,90 pu sau khoảng 0,85 giây kể từ thời điểm giải trừ sự cố.
  • Tác động khi tăng cường thêm 1.500 MW điện gió mới: Khi bổ sung thêm 1.500 MW nguồn điện gió tại các tỉnh có tiềm năng cao ven biển như Bạc Liêu, Sóc Trăng, Trà Vinh và Cà Mau, dòng trào lưu công suất trên các tuyến đường dây 220kV liên tỉnh tăng vọt, xuất hiện hiện tượng đầy tải cục bộ lên tới 85% - 92% dung lượng định mức trên một số xuất tuyến truyền tải giải tỏa công suất, đòi hỏi thời gian xóa sự cố tới hạn phải được rút ngắn thêm khoảng 12% để ngăn chặn nguy cơ mất đồng bộ cục bộ.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng phản ánh đúng bản chất vật lý của hệ thống điện hiện đại: Việc thay thế các cụm máy phát đồng bộ truyền thống có khối lượng rotor quay quán tính lớn bằng các nguồn năng lượng tái tạo đấu nối qua biến tần đã làm giảm tổng động năng dự trữ của hệ thống. Dữ liệu khảo sát được biểu diễn trực quan qua các biểu đồ đường cong đặc tính thời gian: Đồ thị dao động góc rotor $\delta(t)$ phản ánh rõ xu hướng phân kỳ nếu thời gian cắt ngắn mạch vượt quá ngưỡng tới hạn; đồ thị đáp ứng tần số $f(t)$ thể hiện tốc độ biến thiên tần số (RoCoF) dốc hơn khi tỷ lệ xâm nhập năng lượng tái tạo tăng cao; và đồ thị phục hồi điện áp $V(t)$ tại các thanh cái 220kV và 500kV cho thấy vai trò sống còn của hệ thống điều khiển công suất phản kháng tự động.

Khi so sánh với báo cáo nghiên cứu tích hợp gió và mặt trời miền Tây nước Mỹ (WWSIS) hay sự cố rã lưới Nam Úc năm 2016, hiện tượng sụt giảm quán tính và quá độ điện áp tại miền Tây Nam Bộ có tính chất tương đồng rõ rệt. Tuy nhiên, hệ thống lưới điện Tây Nam Bộ có đặc thù là các trung tâm nguồn nhiệt điện lớn (như Ô Môn, Duyên Hải) nằm xen kẽ với các trang trại điện gió quy mô lớn, tạo nên sự tương tác động cơ điện phức tạp, đòi hỏi các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt theo Thông tư số 25/2016/TT-BCT và quy chuẩn QCVN QTĐ-7:2016/BCT của Bộ Công Thương.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng và phân tích kỹ thuật, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp công nghệ và quản trị vận hành mang tính hành động cao:

  • Tối ưu hóa thời gian tác động của hệ thống rơle bảo vệ: Đề nghị Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia (EVNNPT) và các Công ty Điện lực thành viên rà soát, cài đặt lại các rơle kỹ thuật số bảo vệ so lệch đường dây và bảo vệ khoảng cách trên lưới 220kV - 500kV khu vực Tây Nam Bộ. Mục tiêu hành động là đảm bảo thời gian loại trừ sự cố ngắn mạch 3 pha duy trì ổn định dưới ngưỡng 0,08 giây (đối với lưới 500kV) và dưới 0,10 giây (đối với lưới 220kV), hoàn thành trong giai đoạn 2024-2026.
  • Lắp đặt thiết bị bù công suất phản kháng động nhanh: Khuyến nghị Tập đoàn Điện lực Việt Nam phê duyệt dự án trang bị các thiết bị bù tĩnh cao cấp như STATCOM hoặc SVC tại các trạm biến áp 220kV trọng điểm thuộc tỉnh Sóc Trăng, Bạc Liêu và Cà Mau với tổng dung lượng bù dự kiến từ 300 MVAR đến 500 MVAR trong lộ trình 2025-2028 nhằm giữ vững ổn định điện áp nút khi thâm nhập thêm 1.500 MW điện gió.
  • Bắt buộc áp dụng tiêu chuẩn tạo lưới (Grid-Forming Inverter) và quán tính ảo: Cơ quan điều tiết điện lực cần ban hành quy định kỹ thuật bắt buộc các dự án điện gió và điện mặt trời xây mới từ sau năm 2025 phải tích hợp thuật toán quán tính ảo (Virtual Inertia) và khả năng hỗ trợ tần số sơ cấp tự động để bù đắp lượng quán tính cơ học bị suy giảm của toàn hệ thống.
  • Tăng cường giải tỏa công suất và điều độ linh hoạt: Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (A0) và Điều độ miền Nam (A2) cần xây dựng phương thức vận hành phối hợp thời gian thực giữa các nguồn nhiệt điện khí linh hoạt Ô Môn với cụm nhà máy năng lượng tái tạo, đồng thời đẩy nhanh tiến độ nâng cấp khả năng mang tải của tuyến truyền tải liên kết 500kV Ô Môn – Mỹ Tho – Cần Đước đạt mục tiêu an toàn tiêu chuẩn N-1 trước năm 2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật chuyên sâu và khả năng ứng dụng thực tế cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

  • Kỹ sư điều độ và vận hành hệ thống điện: Cung cấp tài liệu tham khảo giá trị giúp các kỹ sư tại Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia và miền Nam nắm bắt các điểm nghẽn xung yếu về ổn định quá độ, từ đó xây dựng phương thức vận hành an toàn và kịch bản sa thải phụ tải hợp lý.
  • Chuyên gia quy hoạch và tư vấn thiết kế điện: Các viện nghiên cứu năng lượng, công ty tư vấn điện lực có thể ứng dụng trực tiếp phương pháp luận và bộ thông số động PSS/E trong luận văn để lập báo cáo đánh giá tác động nối lưới cho các dự án nguồn điện mới tại Đồng bằng sông Cửu Long.
  • Chủ đầu tư và nhà phát triển dự án năng lượng tái tạo: Giúp các doanh nghiệp điện gió, điện mặt trời hiểu rõ các rào cản kỹ thuật lưới truyền tải, chủ động cấu hình thiết bị nghịch lưu và hệ thống điều khiển đáp ứng đầy đủ quy định đấu nối theo Thông tư 25/2016/TT-BCT.
  • Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Điện: Nguồn tài liệu học thuật chuẩn mực về phương pháp xây dựng tệp dữ liệu động (.dyr) trên phần mềm PSS/E, mô hình hóa các phần tử GENROU, GAST, TGOV1 và cụm mô hình điện gió Type 3 phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao sự xâm nhập cao của năng lượng tái tạo lại làm giảm tính ổn định quá độ của hệ thống điện?
Năng lượng tái tạo như điện mặt trời và điện gió sử dụng bộ nghịch lưu điện tử công suất để hòa lưới, không có rotor quay đồng bộ cơ học trực tiếp với tần số lưới. Do đó, khi tỷ trọng năng lượng tái tạo tăng cao, quán tính tự nhiên của toàn hệ thống bị suy giảm, khiến tốc độ thay đổi tần số diễn ra nhanh hơn và góc lệch pha giữa các máy phát truyền thống dễ bị tách rời khi có ngắn mạch.

Phần mềm PSS/E đóng vai trò gì trong việc đánh giá an toàn lưới điện miền Tây Nam Bộ?
PSS/E là công cụ tính toán mô phỏng hệ thống điện chuyên nghiệp hàng đầu thế giới. Phần mềm cho phép tích hợp đồng thời bài toán phân tích trào lưu công suất xác lập và mô phỏng phản ứng động lực học của hàng trăm phần tử (máy phát, bộ kích từ, bộ điều tốc, nhà máy điện gió, điện mặt trời) trong miền thời gian thực từ 0 đến 5 giây sau sự cố.

Chỉ số thời gian xóa sự cố tới hạn có ý nghĩa gì đối với an toàn vận hành lưới điện?
Thời gian xóa sự cố tới hạn là khoảng thời gian tối đa mà hệ thống bảo vệ rơle và máy cắt phải cô lập hoàn toàn điểm ngắn mạch. Nếu thời gian cắt thực tế lớn hơn thời gian tới hạn này, hệ thống điện sẽ rơi vào trạng thái mất đồng bộ, dẫn đến nguy cơ rã lưới trên diện rộng.

Việc tích hợp thêm 1.500 MW điện gió mới tác động thế nào đến lưới điện 220kV và 500kV khu vực Tây Nam Bộ?
Nghiên cứu chỉ ra rằng việc bổ sung 1.500 MW điện gió giúp tăng mạnh nguồn cung cấp điện sạch nhưng lại gây đầy tải cục bộ tại một số cung đoạn 220kV liên tỉnh và làm tăng độ nhạy dao động điện áp trên thanh cái 500kV Ô Môn – Mỹ Tho, đòi hỏi phải bổ sung các thiết bị bù tĩnh phản kháng STATCOM/SVC.

Luận văn đã căn cứ vào những tiêu chuẩn kỹ thuật nào để đánh giá tính ổn định của hệ thống?
Luận văn áp dụng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt gồm: Tiêu chuẩn quốc tế IEEE Standard 1547, IEEE Standard 399-1992, IEC 60034-1 kết hợp các văn bản pháp quy Việt Nam như Thông tư số 25/2016/TT-BCT, QCVN QTĐ-7:2016/BCT, QCVN 04:2009/BCT và TCVN 6768:2009.

Kết luận

  • Tổng kết cốt lõi: Luận văn đã xây dựng thành công mô hình động lực học chi tiết của hệ thống điện miền Tây Nam Bộ trên phần mềm PSS/E, đánh giá định lượng tính ổn định quá độ trong các kịch bản xâm nhập năng lượng tái tạo từ mức hiện hữu đến mở rộng thêm 1.500 MW điện gió.
  • Đóng góp khoa học: Xác lập cơ sở dữ liệu động chuẩn xác cho các phần tử máy phát đồng bộ và nguồn điện gió Type 3, chỉ ra mối quan hệ định lượng giữa sự suy giảm quán tính hệ thống và sự biến thiên thời gian xóa sự cố tới hạn trên lưới 220kV - 500kV.
  • Giá trị thực tiễn: Cung cấp bức tranh toàn cảnh về các điểm nghẽn truyền tải và các nguy cơ mất ổn định điện áp tại 13 tỉnh thành Đồng bằng sông Cửu Long, hỗ trợ trực tiếp công tác điều độ vận hành an toàn của ngành điện.
  • Định hướng nghiên cứu tiếp theo: Tiếp tục mở rộng khảo sát ảnh hưởng của hệ thống lưu trữ năng lượng pin quy mô lớn (BESS) và công nghệ điều khiển nghịch lưu tạo lưới (Grid-Forming Inverters) trong lộ trình hiện thực hóa Quy hoạch điện VIII giai đoạn 2030-2050.
  • Lời kêu gọi hành động: Các đơn vị quản lý vận hành, tư vấn quy hoạch và chủ đầu tư nguồn năng lượng tái tạo cần tăng cường ứng dụng công cụ mô phỏng động lực học PSS/E để chuẩn hóa các giải pháp bảo vệ rơle và lắp đặt thiết bị bù phản kháng động, bảo đảm hệ thống điện vận hành an toàn, tin cậy và bền vững.