Tổng quan nghiên cứu

Sự chuyển dịch cơ cấu năng lượng tại Việt Nam ghi nhận bước phát triển nhảy vọt với tổng công suất lắp đặt toàn quốc đạt khoảng 55 GW vào cuối năm 2019, trong đó các nguồn năng lượng tái tạo đã đưa vào vận hành đạt xấp xỉ 5 GW, chiếm 9,6% tổng công suất nguồn. Thực thi Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg và Quyết định số 13/2020/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về cơ chế khuyến khích phát triển điện mặt trời, hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận đã trở thành trung tâm năng lượng tái tạo trọng điểm của cả nước. Tuy nhiên, sự phát triển bùng nổ này đặt hệ thống điện trước những thách thức kỹ thuật lớn. Đặc tính không liên tục của bức xạ mặt trời cùng với việc các bộ nghịch lưu quang điện không có quán tính quay cơ học làm suy giảm quán tính tương đương của hệ thống, gia tăng nguy cơ mất ổn định khi xảy ra các nhiễu động lớn.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điện tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: Khảo sát định lượng và đánh giá toàn diện độ ổn định quá độ của lưới điện khu vực Ninh Thuận và Bình Thuận trong bối cảnh các nguồn quang điện chiếm tỷ trọng chi phối. Phạm vi nghiên cứu bao trùm toàn bộ lưới điện truyền tải 220 kV và 110 kV tại hai địa phương, dựa trên dữ liệu vận hành cập nhật đến năm 2020 khi nhu cầu phụ tải cực đại toàn quốc chạm mốc 38.057 MW và tổng sản lượng điện sản xuất đạt 231,1 tỷ kWh. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc lượng hóa mức độ dao động của tần số, điện áp tại các thanh cái và góc lệch rotor máy phát trong các kịch bản sự cố nghiêm trọng, từ đó cung cấp căn cứ khoa học chuẩn xác để nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và tối ưu hóa vận hành hệ thống truyền tải khu vực Nam Trung Bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết ổn định hệ thống điện cổ điển và hiện đại, trọng tâm là phân tích ổn định quá độ khi xuất hiện các kích động lớn. Cơ sở toán học nền tảng dựa trên tiêu chuẩn cân bằng diện tích nhằm xác định góc cắt sự cố giới hạn, so sánh tương quan giữa diện tích gia tốc và diện tích hãm tốc cực đại để tính toán độ dự trữ ổn định quá độ. Đồng thời, quá trình động học của hệ thống được mô tả bằng hệ phương trình vi phân phi tuyến biểu diễn phương trình chuyển động của rotor máy phát và đáp ứng của các phần tử điều khiển.

Ba khái niệm then chốt được phân tích chuyên sâu gồm: ổn định góc máy phát đồng bộ, ổn định điện áp nút theo đặc tính công suất phản kháng và ổn định tần số động theo các ngưỡng quy định trong Thông tư số 25/2016/TT-BCT và Thông tư số 30/2019/TT-BCT của Bộ Công Thương. Về mô hình hóa phần tử, hệ thống tích hợp mô hình máy phát cực ẩn GENROU, mô hình bộ điều tốc tuabin GAST, mô hình hệ thống kích từ tĩnh ESST4B cùng các mô hình nghịch lưu quang điện chuyên dụng được biên dịch qua thư viện liên kết Fortran dsusr.dll trên nền tảng số.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số trên phần mềm chuyên dụng PSS/E của PTI thuộc tập đoàn Siemens. Đây là công cụ mô phỏng chuẩn công nghiệp toàn cầu với khả năng xử lý mạng lưới quy mô lớn lên tới 50.000 nút, tích hợp các giải thuật trào lưu công suất Newton-Raphson và mô phỏng động miền thời gian bằng phương pháp tích phân số Runge-Kutta và phân đoạn liên tiếp với bước thời gian tính toán từ 0,02 giây đến 0,1 giây.

Nguồn dữ liệu đầu vào bao gồm cơ sở dữ liệu lưới điện truyền tải toàn quốc năm 2020 do Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia và Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia cung cấp, bao gồm 123 trạm biến áp 220 kV với tổng dung lượng 56.063 MVA và 31 trạm biến áp 500 kV với tổng dung lượng 34.200 MVA. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu có chủ đích, tập trung khảo sát 100% các nút nguồn năng lượng tái tạo, trạm biến áp và đường dây 110 kV, 220 kV xung yếu tại Ninh Thuận và Bình Thuận, nơi có quy hoạch nguồn điện tái tạo bổ sung đến năm 2022 đạt 14.110 MW. Toàn bộ quá trình nghiên cứu, tính toán và hoàn thiện mô hình được thực hiện liên tục từ tháng 2 năm 2020 đến tháng 6 năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô phỏng động trên phần mềm PSS/E đã chỉ ra ba phát hiện quan trọng về trạng thái vận hành của lưới điện khu vực:

Thứ nhất, đối với kịch bản hiện tượng mây che diện rộng làm suy giảm đột ngột từ 60% đến 80% công suất phát của các nhà máy điện mặt trời, tần số hệ thống cục bộ sụt giảm nhanh xuống dưới 49,8 Hz trong khoảng 2 giây đầu tiên. Quá trình này kích hoạt đáp ứng điều tốc của các nguồn truyền thống lân cận, điển hình là tổ máy nhiệt điện Vĩnh Tân 2 tự động tăng công suất phát thêm hơn 15% để bù đắp thiếu hụt công suất tác dụng và đưa tần số về dải ổn định 50 ± 0,2 Hz sau 5 giây.

Thứ hai, khi giả lập sự cố ngắn mạch ba pha tại đầu cực máy phát tổ máy nhiệt điện Vĩnh Tân 2 với công suất định mức 622 MW, thời gian tác động của bảo vệ chính cắt tổ máy là 100 ms. Góc lệch rotor của các máy phát lân cận dao động mạnh nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép, không vượt quá góc cắt tới hạn, đảm bảo hệ thống giữ vững tính đồng bộ mà không gây mất ổn định dây chuyền.

Thứ ba, trong các sự cố ngắn mạch ba pha trên đường dây 220 kV Vĩnh Tân – Phan Rí và ngắn mạch một pha chạm đất trên đường dây 220 kV Tháp Chàm – Đa Nhim với thời gian loại trừ sự cố 100 ms và đóng lặp lại thành công sau 0,8 giây, điện áp tại các thanh cái 220 kV lân cận bị sụt giảm quá độ về mức 0,3 pu đến 0,6 pu trong thời gian ngắn mạch nhưng đã nhanh chóng phục hồi về dải điện áp vận hành an toàn từ 209 kV đến 242 kV sau khoảng 1,5 giây đến 3 giây.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi của các hiện tượng trên bắt nguồn từ việc các nhà máy điện mặt trời sử dụng biến tần điện tử công suất không tạo ra mô-men quay quán tính tự nhiên như máy phát đồng bộ truyền thống. Do đó, khi tỷ trọng nguồn quang điện vượt ngưỡng 40% công suất tiêu thụ khu vực vào thời điểm bức xạ cực đại, hằng số quán tính tương đương của toàn vùng giảm rõ rệt, khiến tốc độ thay đổi tần số (RoCoF) diễn ra nhanh hơn khi có biến động công suất.

Các kết quả này hoàn toàn tương thích với các báo cáo đánh giá vận hành thực tế của ngành điện Việt Nam năm 2019 và 2020 khi hiện tượng nghẽn mạch và dao động điện áp cục bộ thường xuyên xuất hiện tại khu vực Ninh Thuận - Bình Thuận. Toàn bộ dữ liệu mô phỏng được trực quan hóa sinh động qua các bảng thống kê phân bố công suất nút, biểu đồ dao động góc cực từ rotor theo thời gian, đường đặc tính đáp ứng tần số f(t), cùng biểu đồ suy giảm và phục hồi điện áp U(t) tại từng trạm biến áp 220 kV trọng điểm, minh chứng rõ ràng cho biên độ dự trữ ổn định quá độ của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả khảo sát chi tiết, luận văn đề xuất bốn giải pháp kỹ thuật trọng tâm nhằm củng cố độ ổn định cho hệ thống điện khu vực:

Thứ nhất, nâng cấp và chuẩn hóa hệ thống rơle bảo vệ đường dây 220 kV và 110 kV. Đơn vị vận hành cần chỉnh định thời gian loại trừ sự cố của bảo vệ chính xuống dưới mức 80 ms, rút ngắn ít nhất 20% so với giới hạn 100 ms quy định tại Thông tư số 25/2016/TT-BCT, nhằm mở rộng diện tích hãm tốc và tăng thời gian cắt sự cố tới hạn. Giải pháp này do Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia chủ trì triển khai trong giai đoạn 2021-2023.

Thứ hai, lắp đặt hệ thống pin lưu trữ năng lượng (BESS) với quy mô công suất tối thiểu từ 50 MW đến 100 MW và dung lượng từ 100 MWh đến 200 MWh tại các trạm biến áp nút 220 kV như Phan Rí và Tháp Chàm. Hệ thống BESS có khả năng phản hồi công suất tác dụng trong vòng dưới 200 ms, cung cấp quán tính ảo và triệt tiêu dao động tần số khi xảy ra hiện tượng mây che. Tập đoàn Điện lực Việt Nam và các chủ đầu tư nguồn điện cần hoàn thành đầu tư trước năm 2025.

Thứ ba, đẩy nhanh tiến độ đầu tư xây dựng các công trình lưới điện truyền tải 500 kV và 220 kV giải tỏa công suất. Mục tiêu then chốt là đưa vào vận hành trạm biến áp 500 kV Thuận Nam và các đường dây đấu nối 220 kV liên kết vùng, duy trì hệ số mang tải của các đường dây trục chính dưới 80% định mức trong chế độ bình thường. Ban Quản lý Dự án Điện lực chịu trách nhiệm thực hiện trong giai đoạn 2020-2022.

Thứ tư, ban hành quy chuẩn kỹ thuật bắt buộc về việc tích hợp tính năng hỗ trợ lưới cho toàn bộ các nhà máy điện mặt trời và điện gió mới. Các nhà máy phải trang bị bộ nghịch lưu có khả năng điều khiển điện áp tức thời, tự động phát công suất phản kháng và vượt qua sự cố điện áp thấp (LVRT). Cục Điều tiết Điện lực cần phê duyệt và áp dụng chính thức từ năm 2022.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

Kỹ sư điều độ và vận hành hệ thống điện tại các Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Miền và Quốc gia: Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu định lượng về đáp ứng quá độ của lưới điện khu vực có mật độ năng lượng tái tạo cao, giúp tối ưu hóa việc lập phương thức vận hành ngày tới, tính toán sa thải phụ tải tự động theo tần số và điều động nguồn dự phòng quay hiệu quả.

Chuyên gia tư vấn thiết kế và quy hoạch điện lực tại các viện nghiên cứu và công ty tư vấn xây dựng điện: Luận văn cung cấp quy trình mẫu về việc xây dựng mô hình trào lưu công suất và mô phỏng động trên PSS/E, giúp nâng cao độ chính xác khi lập báo cáo nghiên cứu khả thi và thỏa thuận đấu nối cho các dự án nguồn điện quy mô từ 50 MW trở lên.

Chủ đầu tư và kỹ sư quản lý kỹ thuật tại các nhà máy điện mặt trời, nhà máy điện gió: Tài liệu giúp nhận diện rõ các yêu cầu kỹ thuật về điều khiển điện áp, công suất phản kháng và các tiêu chuẩn bảo vệ rơle để cấu hình thông số vận hành của inverter phù hợp với quy chuẩn lưới điện quốc gia.

Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Hệ thống Điện: Đây là tài liệu tham khảo học thuật giá trị về phương pháp ứng dụng phần mềm PSS/E, kỹ thuật mô hình hóa chi tiết máy phát đồng bộ GENROU, bộ điều tốc GAST, kích từ ESST4B và giải bài toán ổn định động phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao khu vực Ninh Thuận và Bình Thuận lại đối mặt với nguy cơ mất ổn định quá độ cao? Khu vực này tập trung hơn 5 GW nguồn năng lượng tái tạo trong khi phụ tải tiêu thụ nội tỉnh rất nhỏ, dẫn đến dòng công suất lớn phải truyền tải ngược qua các đường dây 220 kV. Khi tỷ trọng nguồn biến tần không có quán tính cơ học tăng cao, biên độ dự trữ ổn định của hệ thống bị thu hẹp đáng kể khi xuất hiện ngắn mạch.

Hiện tượng mây che ảnh hưởng như thế nào đến sự ổn định tần số của lưới điện? Khi mây che bao phủ diện rộng làm công suất quang điện sụt giảm đột ngột từ 60% đến 80% chỉ trong vài giây, hệ thống bị mất cân bằng công suất tác dụng nghiêm trọng. Sự thiếu hụt này làm tần số sụt giảm nhanh xuống dưới 49,8 Hz, buộc các nhà máy nhiệt điện lân cận phải lập tức tăng công suất để giữ ổn định.

Phần mềm PSS/E có ưu thế gì trong việc khảo sát ổn định hệ thống điện? Phần mềm PSS/E của Siemens là công cụ mô phỏng động lực học tiêu chuẩn công nghiệp với khả năng tính toán hệ thống lên tới 50.000 nút. Phần mềm cho phép giải đồng thời hệ phương trình vi phân đại số mô tả chính xác phản ứng của máy phát, bộ kích từ, điều tốc và biến tần quang điện theo từng bước thời gian từ 0,02 giây.

Ý nghĩa của thời gian loại trừ sự cố 100 ms đối với lưới điện truyền tải 220 kV là gì? Theo quy định tại Thông tư số 25/2016/TT-BCT, thời gian 100 ms là giới hạn tối đa để rơle bảo vệ chính tác động cắt dòng ngắn mạch lên tới 50 kA. Việc cắt nhanh sự cố giúp giới hạn diện tích gia tốc nhỏ hơn diện tích hãm tốc cực đại, ngăn ngừa góc lệch rotor vượt ngưỡng gây mất đồng bộ máy phát.

Công nghệ nào hỗ trợ hiệu quả nhất việc tăng cường quán tính cho lưới điện năng lượng tái tạo? Giải pháp tối ưu là tích hợp các tổ hợp pin lưu trữ năng lượng BESS từ 50 MW trở lên kết hợp công nghệ biến tần tạo lưới (Grid-forming Inverters). Hệ thống này có khả năng bơm dòng điện công suất tác dụng trong vòng dưới 200 ms, cung cấp quán tính ảo tức thời tương đương máy phát truyền thống.

Kết luận

Tổng kết lại các nội dung cốt lõi của công trình nghiên cứu:

  • Xây dựng thành công mô hình động lực học lưới điện truyền tải 110 kV và 220 kV tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận trên phần mềm PSS/E với độ chính xác cao dựa trên số liệu thực tế năm 2020.
  • Lượng hóa chi tiết tác động của hiện tượng mây che làm sụt giảm công suất quang điện và kiểm chứng khả năng tự điều chỉnh tần số của các tổ máy nhiệt điện truyền thống trong khu vực.
  • Đánh giá toàn diện các kịch bản sự cố ngắn mạch ba pha và một pha theo đúng các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt của Thông tư số 25/2016/TT-BCT và Thông tư số 30/2019/TT-BCT.
  • Đề xuất gói giải pháp kỹ thuật đồng bộ bao gồm rút ngắn thời gian cắt sự cố bảo vệ chính dưới 80 ms, lắp đặt hệ thống pin tích năng BESS và đẩy nhanh tiến độ lưới truyền tải 500 kV.
  • Khẳng định tính cấp thiết của việc áp dụng công nghệ biến tần tạo lưới nhằm nâng cao quán tính tương đương và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho hệ thống điện quốc gia.

Đóng góp chính của luận văn là cung cấp bức tranh định lượng rõ ràng cùng phương pháp luận thực nghiệm tin cậy cho bài toán vận hành tối ưu lưới điện có tỷ trọng năng lượng tái tạo cao tại Việt Nam. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài trong giai đoạn 2024-2026 là mở rộng nghiên cứu tác động của các trang trại điện gió ngoài khơi quy mô lớn và mô hình hóa chi tiết hệ thống điều khiển BESS đa chức năng. Để tiếp cận toàn bộ dữ liệu mô phỏng, bảng thông số kỹ thuật chi tiết và các sơ đồ hàm truyền chuyên sâu, bạn đọc có thể liên hệ hoặc tra cứu toàn văn luận văn tại Thư viện Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG TP.HCM.