Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện quốc gia đang đối mặt với nhu cầu tiêu thụ năng lượng tăng trưởng mạnh mẽ, đạt sản lượng gần 250.000 triệu kWh và công suất phụ tải đỉnh tiệm cận 40.000 MW. Trong cơ cấu tiêu thụ, phụ tải công nghiệp - xây dựng chiếm khoảng 54%, trong khi nhu cầu sinh hoạt dân cư chiếm 34%. Tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, lưới điện phân phối trung áp nông thôn thường kéo dài qua nhiều địa bàn trũng, dẫn đến hiện tượng sụt giảm điện áp và gia tăng tổn thất công suất tác dụng trên đường dây.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm tập trung vào việc đánh giá hiện trạng vận hành và tối ưu hóa lưới điện phân phối 22 kV phát tuyến 471-SH thuộc trạm biến áp 110/22 kV Khu công nghiệp Sông Hậu, huyện Lai Vung, tỉnh Đồng Tháp. Phát tuyến có trục chính trải dài từ trụ 1 đến trụ 296 với tổng chiều dài 33,7415 km, cung cấp điện năng cho các xã Phong Hòa, Định Hòa, Tân Hòa, Vĩnh Thới và Tân Thành với tổng công suất tải xấp xỉ 24 MVA.

Mục tiêu cụ thể của công trình là ứng dụng bộ công cụ mô phỏng chuyên dụng Siemens PSS/E nhằm giải quyết bài toán phân bố công suất, xác định vị trí cùng dung lượng bù công suất phản kháng tối ưu, phân tích các dạng ngắn mạch và đánh giá giới hạn ổn định điện áp tĩnh qua đường cong P-V, Q-V. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn lớn khi cung cấp giải pháp giảm tỷ lệ tổn thất công suất kỹ thuật từ 18% xuống dưới mức 4,5%, nâng biên độ điện áp tại các nút cuối nguồn lên dải tiêu chuẩn 0,95 đến 1,05 pu, đảm bảo vận hành an toàn và kinh tế cho hạ tầng năng lượng địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng hai định luật Kirchhoff và phương pháp lặp phi tuyến Newton - Raphson để giải bài toán phân bố công suất. Thuật toán này sử dụng ma trận đạo hàm riêng Jacobian bậc (2n - m - 1) với độ hội tụ bậc 2 nhanh chóng, giúp xác định chính xác điện áp, góc pha tại các nút và dòng công suất trên toàn tuyến. Mô hình phân loại hệ thống điện thành ba dạng nút cơ bản: nút cân bằng (Slack bus lấy điện áp định mức 1,0 pu và góc pha 0 độ), nút điều chỉnh điện áp máy phát (P-U) và nút phụ tải (P-Q).

Bên cạnh đó, lý thuyết tối ưu hóa bù công suất phản kháng áp dụng mô hình bù kinh tế dựa trên hàm chi phí tính toán thường niên Z = Z1 + Z2 + Z3. Hàm mục tiêu tích hợp vốn đầu tư thiết bị bù với thời gian thu hồi vốn tiêu chuẩn 8 năm (hệ số atc = 0,125), chi phí vận hành (avh = 0,1), suất tổn thất tác dụng của tụ bù trong khoảng 0,003 đến 0,005 kW/kVAr và chi phí tổn thất điện năng trên lưới. Hệ thống lý thuyết còn kết hợp các tiêu chuẩn tính toán dòng ngắn mạch đối xứng, bất đối xứng và phương pháp phân tích ổn định tĩnh qua đường cong quan hệ P-V, Q-V.

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu đầu vào được thu thập trực tiếp từ Công ty Điện lực Đồng Tháp và Điện lực Lai Vung, bao gồm sơ đồ đơn tuyến, chiều dài các phân đoạn, chủng loại dây nhôm lõi thép AC và biểu đồ đo đếm phụ tải thực tế tại trạm 110/22 kV Sông Hậu có tổng dung lượng máy biến áp đạt 40 MVA. Toàn bộ 296 vị trí trụ và các trạm biến áp phân phối hạ thế dọc chiều dài 33,7415 km được chọn mẫu toàn phần theo tuyến thực địa để đưa vào mô hình hóa.

Quy trình phân tích sử dụng phần mềm PSS/E thông qua việc thiết lập các tệp dữ liệu nhánh (Branch), nút (Bus) và phụ tải (Load). Phương pháp phân tích tự động chuỗi sự cố ngắn mạch ASCC (Automatic Sequencing Fault Calculation) được áp dụng để xác định dòng ngắn mạch 3 pha, 1 pha chạm đất, 2 pha và 2 pha chạm đất. Dựa trên kết quả mô phỏng, nghiên cứu thiết lập sự phối hợp thời gian - dòng điện giữa máy cắt tự đóng lại Recloser và cầu chì tự rơi FCO. Nghiên cứu được triển khai đồng bộ trong khoảng thời gian từ tháng 01/2023 đến tháng 05/2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng trên phần mềm PSS/E ở ba chế độ mang tải định mức 60%, 80% và 100% đã chỉ ra các đặc tính vận hành quan trọng của phát tuyến 471-SH:

Thứ nhất, ở chế độ vận hành đầy tải 100% khi chưa đặt tụ bù, điện áp tại các nút xa nguồn như nút trụ 26 và trụ 70 bị sụt giảm nghiêm trọng xuống mức 0,91 đến 0,93 pu, vượt quá giới hạn sai lệch cho phép theo quy chuẩn kỹ thuật. Tổn thất công suất tác dụng trên toàn bộ tuyến chính lên tới hơn 4,8% tổng công suất truyền tải. Ở mức tải 60% và 80%, điện áp các nút dao động trong khoảng 0,95 đến 0,98 pu.

Thứ hai, sau khi xác định vị trí và lắp đặt dung lượng bù công suất phản kháng tối ưu bằng tụ bù tĩnh, chất lượng điện áp toàn tuyến được cải thiện rõ rệt. Điện áp tại các nút xa nhất tăng thêm từ 5% đến 7%, duy trì ổn định ở mức 0,97 đến 1,01 pu. Đồng thời, tổn thất công suất tác dụng trên đường dây giảm từ 18% đến 22%, giải phóng dung lượng tải đáng kể cho đường dây 22 kV.

Thứ ba, kết quả phân tích ngắn mạch cho thấy dòng ngắn mạch 3 pha cực đại tại đầu nguồn đạt xấp xỉ 6,8 kA và giảm dần xuống khoảng 1,9 kA tại cuối tuyến. Dạng sự cố ngắn mạch 1 pha chạm đất chiếm xác suất xuất hiện cao nhất, đạt trên 65% tổng số trường hợp sự cố. Phối hợp giữa Recloser đầu tuyến và 2 cấp cầu chì FCO phân đoạn đảm bảo ngắt chọn lọc với thời gian tác động dưới 0,15 giây.

Thứ tư, phân tích đường cong P-V và Q-V xác định điểm sụp đổ điện áp (nose point) cho thấy biên độ dự trữ công suất tác dụng của hệ thống đạt khoảng 35% ở chế độ cơ bản và duy trì trên 18% khi xảy ra sự cố đứt một mạch phân đoạn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng sụt áp và tổn thất cao trước khi bù là do chiều dài phát tuyến lớn hơn 33,7 km cùng với đặc thù phụ tải nông nghiệp - thủy sản sử dụng nhiều động cơ không đồng bộ có hệ số cosφ thấp (khoảng 0,78 đến 0,82). Việc lắp đặt tụ bù ngang đã cung cấp công suất phản kháng tại chỗ, triệt tiêu thành phần dòng điện vô công chạy trên đường dây truyền tải.

So sánh với các nghiên cứu tương tự tại khu vực miền Nam, giải pháp bù kinh tế bằng tụ tĩnh trên lưới phân phối 22 kV mang lại hiệu quả chi phí vượt trội so với việc sử dụng máy bù đồng bộ, do suất đầu tư thấp hơn và tổn thất điện năng nội tại chỉ chiếm khoảng 0,3% đến 0,5% công suất định mức của thiết bị.

Các tập dữ liệu mô phỏng được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị sụt áp hình cột so sánh trước và sau bù, biểu đồ profile điện áp trải dài theo 296 trụ và họ đường cong Q-V tại các thanh cái trọng yếu, giúp người vận hành dễ dàng nhận diện vùng biên an toàn điện áp.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả phân tích kỹ thuật và tính toán kinh tế, các giải pháp cụ thể được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện phân phối huyện Lai Vung:

Thứ nhất, lắp đặt hệ thống tụ bù tĩnh tự động đóng cắt (Switched Shunt) với tổng dung lượng từ 1.800 đến 2.400 kVAr, phân bố tập trung tại các nút phụ tải lớn thuộc khu vực xã Tân Thành và Phong Hòa. Thời gian triển khai dự kiến trong quý 3 và quý 4 năm 2023, do Công ty Điện lực Đồng Tháp chủ trì thực hiện nhằm mục tiêu nâng hệ số cosφ toàn tuyến lên mức 0,96 đến 0,98.

Thứ hai, thực hiện cân bằng phụ tải giữa các pha và hoán chuyển máy biến áp phân phối non tải hoặc quá tải tại khoảng 15 trạm hạ thế dọc tuyến. Biện pháp này giúp giảm thiểu thành phần dòng điện thứ tự nghịch, giảm 10% tổn thất không tải và ngăn ngừa hiện tượng bão hòa từ trường trong lõi thép máy biến áp.

Thứ ba, chuẩn hóa cài đặt thông số bảo vệ rơle cho thiết bị đóng lặp lại Recloser tại trạm KCN Sông Hậu và các cầu chì FCO trên nhánh rẽ. Đơn vị quản lý vận hành cần rút ngắn thời gian loại trừ sự cố ngắn mạch xuống dưới 100 ms, triển khai hoàn thành trong vòng 6 tháng nhằm giảm thiểu tối đa diện mất điện khi xảy ra sự cố thoáng qua.

Thứ tư, tích hợp tệp mô hình mô phỏng PSS/E vào quy trình giám sát trực tuyến và quy hoạch dài hạn của Điện lực Lai Vung. Ứng dụng định kỳ phân tích đường cong P-V và Q-V khi tốc độ tăng trưởng phụ tải đạt từ 8% đến 10%/năm để chủ động đón đầu nhu cầu nâng cấp tiết diện dây dẫn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn cao cho nhiều nhóm chuyên môn:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư quy hoạch và điều độ tại Tổng công ty Điện lực miền Nam và các Công ty Điện lực cấp tỉnh. Công trình cung cấp quy trình mẫu về ứng dụng PSS/E trong phân tích lưới phân phối trung áp, giúp số hóa bài toán trào lưu công suất và giảm tổn thất điện năng thực tế xuống dưới 4,0%.

Nhóm thứ hai bao gồm các giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện. Luận văn là tài liệu tham khảo chi tiết về thuật toán Newton - Raphson, mô hình hóa hàm chi phí bù kinh tế và kỹ thuật phân tích ổn định điện áp tĩnh.

Nhóm thứ ba là các đơn vị tư vấn thiết kế công trình điện lực. Nghiên cứu cung cấp phương pháp luận chuẩn xác trong việc tính toán ngắn mạch ASCC và xác lập biểu đồ phối hợp bảo vệ chọn lọc giữa Recloser và cầu chì tự rơi FCO.

Nhóm thứ tư là cán bộ quản lý kỹ thuật tại các Điện lực địa phương có địa bàn nông thôn trải dài, giúp ứng dụng trực tiếp các giải pháp bố trí tụ bù nhằm nâng cao chỉ số độ tin cậy cung cấp điện SAIDI và SAIFI.

Câu hỏi thường gặp

Phần mềm PSS/E có ưu thế gì vượt trội so với các công cụ tính toán khác khi phân tích lưới điện 22 kV? Phần mềm PSS/E xử lý mạnh mẽ thuật toán Newton - Raphson với tốc độ hội tụ nhanh cho các mạng điện quy mô lớn, tích hợp toàn diện từ tính toán phân bố công suất, tính ngắn mạch tự động ASCC đến phân tích đường cong tĩnh P-V và Q-V, giúp giảm hơn 40% thời gian xử lý so với các phép tính truyền thống.

Tại sao nghiên cứu phải khảo sát hệ thống ở ba mức tải 60%, 80% và 100% công suất định mức? Việc khảo sát ba mức tải phản ánh đúng chu kỳ biến động phụ tải giữa giờ thấp điểm, bình thường và cao điểm tại huyện Lai Vung. Điều này giúp tính toán chính xác lượng bù nền cố định và lượng bù động đóng cắt, ngăn chặn hiện tượng bù dư gây nguy hiểm cho thiết bị.

Hiện tượng bù dư công suất phản kháng gây ra những hệ quả kỹ thuật tiêu cực nào? Khi bù dư, công suất phản kháng phát ngược về nguồn khiến điện áp nút tăng vọt vượt quá 1,10 pu, gây già hóa nhanh lớp cách điện và tăng nguy cơ quá áp làm cháy hỏng thiết bị. Ngoài ra, bù dư còn làm xuất hiện hiện tượng cộng hưởng sóng hài bậc cao gây rung lắc tiếp điểm thiết bị.

Nguyên lý phối hợp bảo vệ giữa Recloser và cầu chì tự rơi FCO được thiết lập như thế nào? Recloser tại đầu trạm được cài đặt chu trình đóng lặp lại nhanh để dập tắt hơn 75% các sự cố thoáng qua trên tuyến chính dài 33,74 km. Trong trường hợp sự cố duy trì trên các nhánh rẽ, đặc tính dòng - thời gian đảm bảo FCO chảy đứt trước để cô lập riêng nhánh lỗi, duy trì cấp điện cho trục chính.

Đường cong P-V và Q-V cung cấp thông tin gì về độ ổn định của lưới điện phân phối? Hai đường cong này xác định điểm sụp đổ điện áp giới hạn và biên dự trữ công suất phản kháng tại các nút trọng yếu. Qua đó, người vận hành biết được khả năng mang tải tối đa của tuyến dây và mức độ sụt áp an toàn (luôn duy trì dự trữ trên 15%) khi xảy ra sự cố đứt một mạch phân đoạn.

Kết luận

Những đóng góp và kết luận trọng tâm từ công trình nghiên cứu bao gồm:

  • Mô hình hóa thành công phát tuyến phân phối 22 kV 471-SH dài 33,7415 km với 296 trụ trên phần mềm chuyên dụng PSS/E.
  • Giải quyết triệt để bài toán phân bố công suất và sụt áp, giảm tổn thất công suất tác dụng toàn tuyến từ 18% đến 22% nhờ xác định đúng vị trí và dung lượng tụ bù.
  • Nâng cao chất lượng điện áp toàn bộ các nút phụ tải đạt tiêu chuẩn vận hành an toàn trong ngưỡng 0,97 đến 1,01 pu.
  • Xác lập chính xác dòng ngắn mạch các dạng và hoàn thiện cấu hình phối hợp bảo vệ giữa Recloser với FCO với thời gian cắt chọn lọc dưới 0,15 giây.
  • Định lượng biên độ dự trữ ổn định điện áp qua đường cong P-V và Q-V, đảm bảo hệ thống vận hành an toàn ngay cả trong điều kiện sự cố N-1.

Công trình đã cung cấp một cẩm nang kỹ thuật hoàn chỉnh cho công tác quản lý và vận hành lưới điện phân phối huyện Lai Vung, tỉnh Đồng Tháp. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong giai đoạn 2024 - 2025 là tích hợp các nguồn điện phân tán như điện mặt trời mái nhà nông nghiệp vào mô hình PSS/E để tiếp tục tối ưu hóa dòng công suất hai chiều. Quý độc giả và các kỹ sư hệ thống điện có thể ứng dụng trực tiếp các thông số và phương pháp luận trong tài liệu này để triển khai vào các đề án quy hoạch lưới điện thực tế.