Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện trung áp tỉnh Sơn La, với tổng chiều dài khoảng 4.112,35 km, trong đó đường dây 35 kV chiếm 3.661,54 km, phục vụ hơn 2.200 trạm biến áp với tổng dung lượng 321.321 kVA, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện cho khu vực miền núi. Đặc điểm địa lý phân tán, phụ tải chủ yếu là dân sinh với tính chất không ổn định trong ngày, cùng với sự tham gia của nhiều thủy điện nhỏ có công suất từ vài MW đến vài chục MW, đã tạo ra nhiều thách thức trong vận hành và ổn định lưới điện. Đường dây 374-E17.1 Mộc Châu – Sơn La dài 340,15 km, kết nối ba thủy điện nhỏ gồm Suối Tân 1 (2,5 MW), Suối Tân 2 (4 MW) và Sơ Vin (2,8 MW), là một ví dụ điển hình cho hệ thống lưới điện trung áp miền núi với nhiều nguồn phân tán và đặc thù vận hành theo mùa.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào nâng cao ổn định hệ thống điện trong điều kiện có sự tham gia của các thủy điện nhỏ, nhằm giảm thiểu các hiện tượng dao động góc rotor, cải thiện chất lượng điện áp và giảm tổn thất điện năng. Mục tiêu cụ thể là phân tích hiện trạng lưới điện 374-E17.1, đánh giá các cấu trúc bộ ổn định hệ thống điện (PSS) theo chuẩn IEEE 421.5-2005, từ đó đề xuất giải pháp kỹ thuật nâng cao ổn định cho hệ thống. Nghiên cứu được thực hiện dựa trên số liệu thực tế thu thập tại Công ty Điện lực Sơn La và mô phỏng bằng phần mềm ETAP trong giai đoạn 2019-2020. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo vận hành an toàn, ổn định và hiệu quả cho lưới điện trung áp miền núi, đồng thời hỗ trợ phát triển bền vững các nguồn năng lượng tái tạo tại địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản trong kỹ thuật điện, bao gồm:

  • Lý thuyết ổn định hệ thống điện (Power System Stability): Phân loại ổn định thành ổn định góc tải (góc rotor) và ổn định tín hiệu nhỏ, tập trung vào khả năng duy trì đồng bộ của máy phát điện đồng bộ trong hệ thống khi có các kích động nhỏ hoặc lớn.

  • Mô hình hóa hệ thống kích từ (Excitation Systems): Áp dụng các mô hình kích từ phổ biến như AC1A, DC1A và ST1A, trong đó mô hình ST1A được sử dụng rộng rãi với các tính năng điều chỉnh công suất phản kháng và tích hợp bộ ổn định hệ thống điện (PSS).

  • Bộ ổn định hệ thống điện (Power System Stabilizer - PSS): Cấu trúc cơ bản gồm khâu lọc Washout, khâu bù lead-lag, khâu lọc xoắn và khâu giới hạn, nhằm tăng mô men hãm các dao động điện cơ, cải thiện ổn định động cho máy phát điện.

  • Mô hình điều khiển tần số và công suất (Load-Frequency Control - LFC): Điều chỉnh công suất và tần số hệ thống thông qua bộ điều khiển tốc độ turbine và phân phối công suất giữa các tổ máy.

Các khái niệm chính bao gồm: góc rotor (δ), mô men đồng bộ (Ks), mô men hãm (Kd), dao động tần số thấp (LFO), và các loại dao động cục bộ, liên khu vực và toàn cầu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa phân tích lý thuyết và mô phỏng thực tiễn:

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu kỹ thuật và vận hành thực tế của lưới điện 374-E17.1 và các thủy điện nhỏ Suối Tân 1, Suối Tân 2, Sơ Vin được thu thập từ Công ty Điện lực Sơn La. Thông số kỹ thuật máy phát, hệ thống kích từ, bộ điều chỉnh điện áp và các thiết bị liên quan được khai thác chi tiết.

  • Phương pháp phân tích: Mô hình hóa lưới điện và các thiết bị bằng phần mềm ETAP 16, sử dụng các thuật toán Newton-Raphson, Adaptive Newton-Raphson, Fast-Decoupled và Accelerated Gauss-Seidel để phân tích phân bố công suất, tính toán ngắn mạch và phân tích ổn định quá độ.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2019-2020, bao gồm khảo sát hiện trạng, xây dựng mô hình, mô phỏng các kịch bản vận hành và đánh giá hiệu quả các giải pháp kỹ thuật.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình hóa toàn bộ lưới điện 374-E17.1 với 121 trạm biến áp, ba thủy điện nhỏ và các đường dây trung áp liên quan, đảm bảo tính đại diện và toàn diện cho hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khách quan, chính xác và khả năng ứng dụng thực tiễn cao, đồng thời tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định hiện hành của ngành điện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng vận hành lưới điện 374-E17.1: Đường dây dài 340,15 km với nhiều nhánh rẽ, sử dụng dây dẫn AC95 cho trục chính và AC70/AC50 cho nhánh rẽ, dẫn đến điện áp tại các điểm cuối đường dây thường thấp hơn mức quy định, đặc biệt trong giờ cao điểm. Tổn thất điện năng ước tính chiếm khoảng 7-9% tổng công suất truyền tải, cao hơn mức trung bình của lưới điện phân phối.

  2. Ảnh hưởng của thủy điện nhỏ: Ba thủy điện nhỏ Suối Tân 1 (2,5 MW), Suối Tân 2 (4 MW) và Sơ Vin (2,8 MW) vận hành theo mùa, gây biến động công suất và điện áp trên lưới. Mô phỏng cho thấy dao động góc rotor của các máy phát có thể vượt quá 15% so với điểm cân bằng khi không có bộ ổn định PSS, làm tăng nguy cơ mất đồng bộ.

  3. Hiệu quả của bộ ổn định hệ thống điện (PSS): Khi sử dụng PSS theo chuẩn IEEE 421.5-2005, đặc biệt cấu trúc PSS1A đầu vào đơn và PSS2A đầu vào kép, dao động góc rotor giảm trung bình 30-40%, điện áp đầu cực máy phát ổn định hơn 5-7% so với không sử dụng PSS. Mô phỏng ngắn mạch 3 pha cho thấy hệ thống có khả năng phục hồi nhanh hơn, giảm thời gian dao động từ 0,8 giây xuống còn khoảng 0,4 giây.

  4. So sánh các hệ thống kích từ: Hệ thống kích từ AC1A và ST1A khi kết hợp với PSS đều cải thiện ổn định tĩnh và động, tuy nhiên ST1A cho hiệu quả cao hơn trong việc điều chỉnh công suất phản kháng và giảm dao động tín hiệu nhỏ, giúp nâng cao chất lượng điện áp và giảm tổn thất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các dao động và mất ổn định là do cấu trúc lưới điện phân tán, chiều dài đường dây lớn, và đặc tính vận hành không đồng bộ của các thủy điện nhỏ theo mùa. Việc sử dụng bộ ổn định hệ thống điện PSS giúp tăng mô men hãm, giảm dao động góc rotor và cải thiện khả năng phục hồi sau sự cố. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trong ngành về vai trò của PSS trong nâng cao ổn định hệ thống điện có nguồn phân tán.

Biểu đồ dao động góc rotor và điện áp đầu cực máy phát thể hiện rõ sự khác biệt khi có và không có PSS, minh họa hiệu quả của giải pháp kỹ thuật này. So với các nghiên cứu trước đây, nghiên cứu này cung cấp số liệu thực tế và mô hình hóa chi tiết cho lưới điện miền núi với đặc thù thủy điện nhỏ, góp phần làm rõ hơn các giải pháp ổn định phù hợp.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ giúp nâng cao độ tin cậy và chất lượng điện năng cho lưới điện Sơn La mà còn có thể áp dụng cho các khu vực miền núi khác có điều kiện tương tự, hỗ trợ phát triển bền vững nguồn năng lượng tái tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai lắp đặt bộ ổn định hệ thống điện (PSS) chuẩn IEEE 421.5-2005: Ưu tiên áp dụng cấu trúc PSS1A và PSS2A cho các máy phát tại thủy điện nhỏ trong lưới điện 374-E17.1 nhằm giảm dao động góc rotor và nâng cao ổn định động. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, do Công ty Điện lực Sơn La phối hợp với các nhà thầu kỹ thuật.

  2. Nâng cấp hệ thống kích từ từ AC1A sang ST1A: Để cải thiện khả năng điều chỉnh công suất phản kháng và ổn định điện áp, giảm tổn thất điện năng trên lưới. Dự kiến hoàn thành trong 18 tháng, do các nhà máy thủy điện nhỏ chủ trì thực hiện.

  3. Tối ưu cấu trúc lưới điện và tiết diện dây dẫn: Thay thế các đoạn dây có tiết diện nhỏ (50 mm²) bằng dây có tiết diện lớn hơn (95 mm² hoặc 120 mm²) tại các vị trí có điện áp thấp và tổn thất cao, nhằm giảm sụt áp và tổn thất điện năng. Thời gian thực hiện 24 tháng, do Công ty Điện lực Sơn La quản lý.

  4. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển từ xa: Ứng dụng công nghệ SCADA và phần mềm ETAP để theo dõi, phân tích và điều chỉnh vận hành lưới điện theo thời gian thực, nâng cao khả năng phát hiện và xử lý sự cố nhanh chóng. Thời gian triển khai 12-15 tháng, phối hợp giữa EVN và các đơn vị công nghệ.

Các giải pháp trên cần được thực hiện đồng bộ, có sự phối hợp chặt chẽ giữa các bên liên quan để đảm bảo hiệu quả và bền vững trong vận hành lưới điện miền núi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành lưới điện: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về ổn định hệ thống điện có nguồn phân tán, giúp cải thiện công tác vận hành và bảo trì lưới điện trung áp miền núi.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Thông tin về đặc điểm vận hành và giải pháp kỹ thuật hỗ trợ ra quyết định nâng cấp, đầu tư phát triển lưới điện và nguồn năng lượng tái tạo phù hợp với điều kiện địa phương.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo quý giá về mô hình hóa, phân tích ổn định hệ thống điện, ứng dụng phần mềm ETAP và các mô hình điều khiển hiện đại.

  4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp thủy điện nhỏ: Hiểu rõ về ảnh hưởng của hệ thống kích từ và bộ ổn định PSS đến hiệu quả vận hành, từ đó tối ưu hóa thiết kế và vận hành nhà máy.

Luận văn giúp các đối tượng trên nâng cao năng lực chuyên môn, áp dụng hiệu quả các giải pháp kỹ thuật và quản lý trong thực tiễn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần nâng cao ổn định lưới điện có sự tham gia của thủy điện nhỏ?
    Thủy điện nhỏ vận hành theo mùa và có công suất biến động lớn, gây dao động điện áp và góc rotor, làm giảm độ ổn định và chất lượng điện năng. Nâng cao ổn định giúp giảm sự cố và tổn thất.

  2. Bộ ổn định hệ thống điện (PSS) hoạt động như thế nào?
    PSS tăng mô men hãm các dao động điện cơ bằng cách điều chỉnh tín hiệu đầu vào cho bộ điều chỉnh điện áp (AVR), giúp giảm biên độ dao động góc rotor và duy trì đồng bộ máy phát.

  3. Phần mềm ETAP được sử dụng để làm gì trong nghiên cứu này?
    ETAP mô phỏng lưới điện, phân tích phân bố công suất, tính toán ngắn mạch và phân tích ổn định quá độ, giúp đánh giá hiệu quả các giải pháp kỹ thuật trong điều kiện thực tế.

  4. Các mô hình kích từ AC1A, DC1A và ST1A khác nhau như thế nào?
    AC1A dùng cho máy phát xoay chiều, phức tạp và đắt tiền; DC1A đơn giản, dùng cho máy phát nhỏ; ST1A phổ biến, có khả năng điều chỉnh công suất phản kháng và tích hợp PSS, phù hợp với thủy điện nhỏ.

  5. Giải pháp nào ưu tiên để giảm tổn thất điện năng trên lưới 374-E17.1?
    Nâng cấp tiết diện dây dẫn, áp dụng bộ ổn định PSS và hệ thống kích từ hiện đại, cùng với giám sát vận hành từ xa giúp giảm tổn thất và cải thiện chất lượng điện áp hiệu quả.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã phân tích chi tiết hiện trạng lưới điện 374-E17.1 Mộc Châu – Sơn La với sự tham gia của ba thủy điện nhỏ, chỉ ra các vấn đề về ổn định và chất lượng điện năng.
  • Mô hình hóa và mô phỏng bằng phần mềm ETAP cho thấy bộ ổn định hệ thống điện (PSS) và hệ thống kích từ ST1A có vai trò quan trọng trong việc nâng cao ổn định động và giảm dao động góc rotor.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật gồm lắp đặt PSS chuẩn IEEE, nâng cấp hệ thống kích từ, cải tạo cấu trúc lưới và áp dụng công nghệ giám sát hiện đại nhằm đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả.
  • Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng rộng rãi cho các lưới điện miền núi có đặc điểm tương tự, hỗ trợ phát triển bền vững nguồn năng lượng tái tạo.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm các giải pháp đề xuất, đánh giá hiệu quả vận hành thực tế và mở rộng nghiên cứu cho các khu vực khác.

Mời các chuyên gia, nhà quản lý và kỹ sư ngành điện tiếp cận và ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện miền núi.