Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng gia tăng cùng cam kết giảm phát thải khí nhà kính đã thúc đẩy sự bùng nổ của các nguồn năng lượng tái tạo trên toàn cầu. Theo báo cáo của tổ chức quốc tế năm 2016, tổng công suất các dự án thủy điện nhỏ dưới 10 MW đang vận hành trên thế giới đạt khoảng 78 GW, chiếm 6,5% tổng nguồn thủy điện và 7% công suất năng lượng tái tạo. Tại Việt Nam, tổng công suất thủy điện nhỏ đã khai thác đạt trên 1.836 MW đối với các dự án dưới 10 MW và vượt mức 2.500 MW đối với các dự án dưới 30 MW, chiếm tỷ trọng áp đảo tới 78,5% công suất toàn khu vực Đông Nam Á. Tuy nhiên, việc đấu nối trực tiếp nguồn thủy điện nhỏ vào lưới điện phân phối trung áp từ 10 kV đến 35 kV làm phát sinh hiện tượng dòng công suất ngược truyền ngược về lưới truyền tải. Vấn đề này gây ra hiện tượng dao động điện áp cục bộ, sụt áp sâu tại một số nút hoặc quá áp nghiêm trọng tại các nút phụ tải xa nguồn.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá hiện trạng chất lượng điện áp và đề xuất giải pháp kỹ thuật kết hợp giữa điều chỉnh công suất của nhà máy thủy điện nhỏ với thiết bị điều áp dưới tải nhằm duy trì điện áp nằm trong giới hạn cho phép. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lưới điện phân phối 35 kV huyện Tràng Định, trực thuộc Công ty Điện lực Lạng Sơn, với trường hợp điển hình là nhà máy thủy điện Bắc Khê. Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc giảm tỷ lệ tổn thất kỹ thuật (vốn chiếm từ 40% đến 50% tổng tổn thất của toàn hệ thống điện), đảm bảo hệ số công suất duy trì trên ngưỡng 0,85 và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện đáp ứng yêu cầu của Thông tư 32/2010/TT-BCT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết dòng công suất trong hệ thống điện xoay chiều ba pha đối xứng và lý thuyết mô hình hóa các phần tử lưới điện phân phối hình tia. Khung phân tích sử dụng mô hình mạch tương đương hình π cho đường dây truyền tải trung áp với các thông số điện trở r0 và điện kháng x0 phụ thuộc vào đặc tính dây dẫn như AC-50 đến AC-240. Mô hình toán học của máy biến áp tích hợp bộ điều áp dưới tải (OLTC) được thiết lập với tỷ số biến đổi thay đổi nhiều nấc, cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra khi đang mang tải thông qua việc thay đổi tỷ số biến đổi từ 1 đến (1+n).

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng các khái niệm cốt lõi bao gồm: chất lượng điện áp theo tiêu chuẩn quốc tế EN50160 (cho phép dải biến thiên 10% trong 95% thời gian tuần) và tiêu chuẩn Việt Nam (độ lệch cho phép dao động trong khoảng từ âm 5% đến dương 5% ở điều kiện bình thường, và từ âm 10% đến dương 5% khi hệ thống chưa ổn định); dòng công suất ngược (Reverse Power Flow); và công suất phản kháng do các bộ tụ bù ngang tại trạm biến áp phân phối cung cấp. Nguồn thủy điện nhỏ được mô hình hóa dưới dạng nút công suất cố định hoặc nút điều khiển điện áp tùy thuộc vào thuật toán điều chỉnh dòng kích từ và hệ thống van điều tiết nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu kỹ thuật thực tế từ lưới điện phân phối 35 kV Tràng Định, tỉnh Lạng Sơn năm 2020. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ cấu trúc lưới điện thực tế gồm 63 nút phụ tải được cấp điện từ trạm biến áp trung gian 110/35 kV và nhận nguồn phát phân tán từ nhà máy thủy điện Bắc Khê tại Nút 63. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào chế độ vận hành cực đại (phụ tải đạt đỉnh Pmax), đại diện cho tình trạng làm việc nặng nề nhất của lưới điện với tổng trở kháng đường dây lớn và nguy cơ suy giảm điện áp nghiêm trọng nhất.

Để giải quyết bài toán kỹ thuật, tác giả áp dụng hai phương pháp tính toán chính:

  • Thuật toán Newton-Raphson: Được lựa chọn để giải hệ phương trình phi tuyến tính dòng công suất nhờ tốc độ hội tụ nhanh bậc hai và độ chính xác cao đối với các mạng điện phân phối có nhiều nút liên kết.
  • Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO): Được lựa chọn để tìm kiếm cấu hình phân nấc tối ưu cho bộ điều áp dưới tải OLTC và phân bổ dung lượng bù phản kháng. PSO có ưu thế vượt trội trong việc tránh các điểm cực trị địa phương và xử lý hiệu quả các biến số điều khiển rời rạc.

Toàn bộ quy trình tính toán và mô phỏng được thực hiện trên môi trường MATLAB Simulink với công cụ chuyên dụng Powergui.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng lưới điện phân phối 35 kV Tràng Định đã chỉ ra ba phát hiện kỹ thuật cốt lõi:

Thứ nhất, ở chế độ phụ tải cực đại khi chưa có sự tham gia của nguồn thủy điện nhỏ, điện áp tại các nút ở cuối đường dây bị sụt giảm nghiêm trọng. Giá trị điện áp tại Nút 63 chỉ đạt khoảng 0,88 pu (tương đương mức sụt giảm 12% so với điện áp danh định), vi phạm ngưỡng cho phép của Thông tư 32/2010/TT-BCT. Tổng tổn thất công suất tác dụng trên toàn bộ đường dây chiếm khoảng 7,2% tổng công suất truyền tải.

Thứ hai, khi đưa nhà máy thủy điện nhỏ Bắc Khê vào vận hành tại Nút 63, điện áp tại các nút lân cận được nâng cao rõ rệt, dao động từ 0,96 pu lên 1,02 pu. Tuy nhiên, tại các phân đoạn dây dẫn có phụ tải tiêu thụ thấp, sự xuất hiện của dòng công suất ngược đã gây ra hiện tượng quá áp cục bộ tại một số nút trung gian, đồng thời làm thay đổi chiều dòng điện khiến các thiết bị bảo vệ rơle đứng trước nguy cơ tác động sai lệch.

Thứ ba, khi áp dụng giải pháp tối ưu hóa phối hợp giữa việc điều chỉnh kích từ phát công suất phản kháng của máy phát thủy điện Bắc Khê và tự động chuyển nấc bộ điều áp dưới tải OLTC trên máy biến áp 110/35 kV, điện áp tại tất cả 63 nút đều được đưa về dải tiêu chuẩn từ 0,97 pu đến 1,03 pu. Tổng tổn thất công suất tác dụng của lưới điện giảm 21,4% so với chế độ vận hành ban đầu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự dao động điện áp là do sự bất đối xứng giữa công suất phát của nguồn thủy điện phân tán và biểu đồ tiêu thụ của các hộ phụ tải sinh hoạt miền núi. Khi phụ tải giảm thấp vào ban ngày nhưng nhà máy thủy điện vẫn phát công suất tối đa, điện áp nút sẽ bị đẩy lên cao. Ngược lại, vào giờ cao điểm tối, phụ tải tăng vọt trong khi công suất nguồn thủy điện bị giới hạn bởi lưu lượng dòng chảy sẽ dẫn đến sụt áp sâu.

Dữ liệu nghiên cứu có thể được trực quan hóa thông qua biểu đồ phân bố điện áp (Voltage Profile) dọc theo 63 nút và bảng so sánh các chỉ tiêu kỹ thuật giữa ba kịch bản vận hành: kịch bản cơ sở không có thủy điện, kịch bản có thủy điện chưa điều khiển, và kịch bản phối hợp thủy điện với bộ điều áp OLTC. Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu vận hành nguồn phân tán tại một số địa phương vùng cao, khẳng định rằng việc chỉ lắp đặt nguồn điện tái tạo mà không có công cụ điều khiển điện áp phối hợp sẽ không thể giải quyết triệt để bài toán chất lượng điện năng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện mô phỏng thực tế, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao:

  1. Hiệu chỉnh tự động bộ điều áp dưới tải (OLTC): Công ty Điện lực Lạng Sơn cần thực hiện cài đặt thuật toán bù trở kháng đường dây trên rơle điều khiển của bộ OLTC tại trạm 110/35 kV Tràng Định trong quý II/2021. Mục tiêu là duy trì độ lệch điện áp thanh cái trung áp luôn nằm trong biên độ dung sai dưới 3,0%.
  2. Quy chuẩn hóa chế độ huy động công suất phản kháng: Yêu cầu Nhà máy Thủy điện Bắc Khê phối hợp cùng cơ quan điều độ cài đặt hệ thống tự động điều chỉnh điện áp (AVR) theo dải hệ số công suất từ 0,85 trễ đến 0,95 sớm trong vòng 6 tháng tới. Biện pháp này giúp ngăn chặn triệt để hiện tượng quá áp do dòng công suất ngược vào thời điểm phụ tải thấp.
  3. Lắp đặt hệ thống tụ bù nhánh tự động (TBN): Phòng Kỹ thuật Điện lực triển khai lắp đặt 2 cụm tụ bù tĩnh với tổng dung lượng khoảng 300 kVAr tại các nút phân đoạn có trở kháng lớn từ nút 40 đến nút 55 trong năm 2021, nhằm mục tiêu giảm thêm từ 4% đến 6% tổn thất điện áp đường dây.
  4. Hiện đại hóa hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA/DMS): Tổng công ty Điện lực miền Bắc phê duyệt lộ trình tích hợp hệ thống giám sát thời gian thực và đo đếm thông minh tại 100% trạm biến áp phân phối thuộc lưới điện Tràng Định giai đoạn 2021-2023, nâng cao độ chính xác trong việc dự báo phụ tải đỉnh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho nhiều nhóm đối tượng chuyên môn:

  • Kỹ sư vận hành và điều độ viên hệ thống điện: Ứng dụng quy trình tính toán trào lưu công suất và cài đặt phân nấc máy biến áp thực tế để xử lý các sự cố dao động điện áp trên các tuyến đường dây trung áp miền núi.
  • Chủ đầu tư và đơn vị tư vấn thiết kế nhà máy thủy điện nhỏ: Tham khảo phương pháp đánh giá tác động lưới điện trước khi đấu nối, từ đó lựa chọn công nghệ máy phát và hệ thống kích từ đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật hòa lưới.
  • Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện: Tiếp cận khung thuật toán kết hợp giữa Newton-Raphson và PSO trong môi trường MATLAB Simulink để mở rộng nghiên cứu sang các nguồn năng lượng tái tạo khác như điện mặt trời hay điện gió.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách năng lượng: Sử dụng số liệu thực chứng tại tỉnh Lạng Sơn để hoàn thiện các quy định kỹ thuật về đấu nối nguồn phân tán và tối ưu hóa biểu giá chi phí truyền tải điện năng.

Câu hỏi thường gặp

Hiện tượng dòng công suất ngược khi vận hành thủy điện nhỏ gây tác hại gì cho lưới phân phối?
Dòng công suất ngược xuất hiện khi công suất phát của nhà máy thủy điện lớn hơn nhu cầu tiêu thụ nội vùng, đẩy điện năng ngược về trạm biến áp 110 kV. Hiện tượng này làm tăng điện áp tại các nút phát lên trên mức 1,05 pu, gây quá tải cục bộ đường dây và làm rơle bảo vệ mất khả năng cắt chọn lọc sự cố.

Bộ điều áp dưới tải (OLTC) hoạt động như thế nào để ổn định điện áp?
Bộ OLTC thay đổi tỷ số biến đổi của máy biến áp thông qua việc chuyển đổi các đầu phân nấc cuộn dây khi máy biến áp đang mang tải. Nhờ đó, điện áp thứ cấp 35 kV được tăng hoặc giảm từng bước trong khoảng 1,25% đến 2,5% mỗi nấc mà không cần cắt điện đường dây cung cấp.

Tại sao thuật toán PSO lại được ưu tiên sử dụng trong bài toán điều khiển điện áp?
Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) có khả năng tìm kiếm nghiệm tối ưu toàn cục rất nhanh trong không gian tìm kiếm đa chiều. Thuật toán xử lý hoàn hảo các biến số rời rạc như nấc phân áp của máy biến áp và trạng thái đóng cắt của tụ bù mà không bị mắc kẹt tại các cực trị địa phương.

Tiêu chuẩn Việt Nam quy định dải dao động điện áp cho phép trên lưới phân phối là bao nhiêu?
Theo Thông tư 32/2010/TT-BCT, trong điều kiện vận hành bình thường, độ lệch điện áp cho phép tại điểm đấu nối là từ âm 5% đến dương 5% so với điện áp danh định. Trong trường hợp sự cố hoặc lưới điện chưa ổn định, mức dao động cho phép mở rộng từ âm 10% đến dương 5%.

Giải pháp đề xuất trong luận văn giúp giảm tổn thất điện năng ở mức độ nào?
Kết quả mô phỏng trên lưới 35 kV Tràng Định chứng minh rằng việc kết hợp tối ưu phân nấc OLTC và điều khiển công suất phản kháng máy phát giúp giảm tổn thất công suất tác dụng toàn mạng khoảng 21,4%, đồng thời nâng hệ số công suất trung bình từ 0,82 lên trên 0,91.

Kết luận

  • Luận văn đã đánh giá toàn diện hiện trạng chất lượng điện áp trên lưới điện phân phối 35 kV Tràng Định, tỉnh Lạng Sơn với mô hình 63 nút phụ tải ở chế độ làm việc cực đại.
  • Xây dựng thành công mô hình toán học tích hợp nguồn thủy điện nhỏ Bắc Khê kết hợp với máy biến áp điều áp dưới tải OLTC và hệ thống tụ bù tĩnh.
  • Ứng dụng xuất sắc thuật toán Newton-Raphson để giải trào lưu công suất và thuật toán PSO để tối ưu hóa vị trí nấc phân áp, giải quyết triệt để tình trạng sụt áp và quá áp cục bộ.
  • Đạt được kết quả kỹ thuật ấn tượng khi đưa điện áp toàn bộ 63 nút về dải chuẩn từ 0,97 pu đến 1,03 pu và cắt giảm 21,4% tổn thất công suất tác dụng trên đường dây.
  • Đề xuất lộ trình triển khai 4 nhóm giải pháp công nghệ khả thi cho ngành điện địa phương trong giai đoạn 2021-2025 nhằm nâng cao tính kinh tế và an toàn kỹ thuật.

Các đơn vị quản lý lưới điện và nhà đầu tư nguồn năng lượng tái tạo hãy chủ động ứng dụng ngay mô hình tối ưu hóa phối hợp này vào thực tiễn vận hành để đảm bảo hệ thống điện phân phối luôn an toàn, tin cậy và đạt hiệu quả kinh tế cao nhất.