Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối khu vực trung tâm thành phố Lạng Sơn có tốc độ tăng trưởng phụ tải trung bình từ 8% đến 10% mỗi năm, đặt ra áp lực lớn đối với độ ổn định và chất lượng điện áp. Hệ thống lưới trung thế lộ 473 và 474 thuộc trạm biến áp 110 kV Lạng Sơn đảm nhận vai trò cung cấp điện huyết mạch cho hơn 156 trạm biến áp phân phối 22/0,4 kV phục vụ hoạt động thương mại, hành chính và sinh hoạt đô thị. Tuy nhiên, do đặc thù lưới điện khu vực miền núi trải dài qua nhiều địa hình phức tạp, phát triển qua nhiều giai đoạn chắp vá, tình trạng sụt giảm điện áp cuối nguồn và tổn thất kỹ thuật gia tăng đang ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả cung cấp điện.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm tập trung vào việc giải quyết tình trạng suy giảm điện áp ở chế độ phụ tải cực đại, mất cân bằng công suất phản kháng và sự thiếu đồng bộ khi tích hợp các nguồn điện phân tán. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình mô phỏng chính xác lưới điện phức hợp lộ 473 và 474 trên phần mềm chuyên dụng ETAP, từ đó phân tích các chế độ vận hành và đề xuất giải pháp kỹ thuật tối ưu. Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ 163 phân đoạn đường dây trung thế, hệ thống 05 trạm tụ bù tĩnh và các vị trí tiềm năng phát triển nguồn pin mặt trời phân tán giai đoạn 2018–2020.

Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc nâng cao độ lệch điện áp vận hành trong ngưỡng cho phép ±5% theo quy định tại Thông tư 39/2015/TT-BCT, cải thiện hệ số công suất đạt trên 0,90 và giảm thiểu đáng kể chỉ số thời gian mất điện trung bình (SAIDI) cũng như tần suất mất điện trung bình (SAIFI) của toàn mạng lưới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết giải tích lưới điện hiện đại kết hợp với mô hình hóa nguồn năng lượng tái tạo phân tán (Distributed Generation - DG). Cụ thể, bài toán phân bố trào lưu công suất được xây dựng dựa trên hệ phương trình cân bằng công suất phi tuyến tại các nút, phân loại thành ba nhóm nút đặc trưng: nút cân bằng (Swing Bus) đại diện cho thanh cái nguồn 22 kV từ trạm 110 kV, nút máy phát (PV Bus) kiểm soát điện áp và nút phụ tải (PQ Bus) xác định thông số công suất tiêu thụ.

Bên cạnh đó, mô hình nguồn quang điện lai ghép (G-PVA) được thiết lập trên cơ sở phương trình đặc tính V-I của tế bào quang điện (PV cell), mô tả sự phụ thuộc của dòng điện ngắn mạch và điện áp hở mạch vào cường độ bức xạ mặt trời dao động từ 200 W/m² đến 1000 W/m² cùng nhiệt độ môi trường.

Các khái niệm kỹ thuật cốt lõi được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn quốc tế và Việt Nam, bao gồm: Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp (THD) với giới hạn kỹ thuật không vượt quá 6,5% đối với cấp điện áp trung áp; chỉ số nhấp nháy điện áp ngắn hạn (Pst ≤ 0,90) và dài hạn (Plt ≤ 0,70) theo tiêu chuẩn IEC 1000-3-7; cùng hệ thống chỉ số độ tin cậy lưới điện phân phối SAIDI, SAIFI và MAIFI.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào sử dụng toàn bộ thông số kỹ thuật thực tế do Công ty Điện lực Lạng Sơn cung cấp, bao gồm 156 trạm biến áp phân phối với dải công suất từ 50 kVA đến 1600 kVA, 163 phân đoạn đường dây và cáp ngầm có tiết diện từ 49,5 mm² đến 240 mm², cùng 05 trạm tụ bù hạ thế và trung thế với tổng dung lượng 1.050 kVAr. Phương pháp chọn mẫu là khảo sát toàn diện 100% các phần tử trên hai lộ 473 và 474 nhằm loại bỏ sai số ước lượng và bảo đảm tính chính xác tuyệt đối khi giải tích mạng điện thực.

Công cụ phân tích chính là phần mềm ETAP phiên bản 12.6, sử dụng thuật toán tính lặp Newton-Raphson và Gauss-Seidel cải tiến. Lý do lựa chọn bộ công cụ này xuất phát từ khả năng hội tụ nhanh của thuật toán ma trận Jacobi đối với lưới điện quy mô lớn, tính năng phân tích đa chế độ (chế độ tải cực đại Smax, chế độ tải cực tiểu Smin) và khả năng mô phỏng tương thích cao giữa các bộ biến tần Inverter của hệ thống pin mặt trời với lưới điện phân phối xoay chiều. Toàn bộ quá trình thu thập số liệu, mô hình hóa và kiểm chứng tính toán được thực hiện đồng bộ trong mốc thời gian nghiên cứu hoàn thành năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả mô phỏng giải tích trên phần mềm ETAP cho thấy rõ nét bức tranh vận hành của lưới điện lộ 473 và 474 qua các kịch bản khác nhau:

  • Ở chế độ phụ tải cực đại với điện áp nguồn định mức 100% Uđm (chế độ 1a) và chưa đóng tụ bù, điện áp tại nhiều nút phụ tải cuối nguồn bị suy giảm nghiêm trọng, một số nút chỉ đạt 0,935 pu (thấp hơn giới hạn cho phép 0,95 pu theo Thông tư 39/2015/TT-BCT), đồng thời tổn thất công suất tác dụng trên đường dây chiếm tỷ lệ đáng kể do dòng điện phản kháng chạy trên lưới lớn.
  • Khi thực hiện điều chỉnh tăng nấc phân áp nguồn lên 105% Uđm (chế độ 1b), chất lượng điện áp toàn bộ các nút trên lộ 473 và 474 được nâng lên rõ rệt, biên độ điện áp tại các nút xa nhất tăng trung bình từ 4,2% đến 4,8%, đưa toàn bộ các nút tải về dải vận hành an toàn từ 0,97 pu đến 1,03 pu.
  • Đưa 05 trạm bù tụ điện tĩnh (tại các vị trí TBN 404 Lê Lợi, TBN 405, TBN 406 Phai Vệ, TBN 407 và TBN 409 Khôn Lại) vào vận hành đồng thời (chế độ 2a) giúp hệ số công suất trung bình nâng từ 0,85 lên trên 0,93, giảm tải dòng điện trên các trục cáp chính như đoạn cáp ngầm C41, C42 và giảm tổn thất công suất lưới khoảng 6,5%.
  • Tích hợp hệ thống nguồn phân tán pin mặt trời (PVA mái nhà tại Chợ Hàng Bát, Chợ Đông Kinh và PVA bãi trống 50–200 kWp tại khu vực liên lạc 474-472) giúp cung cấp công suất tác dụng tại chỗ vào ban ngày, san phẳng biểu đồ phụ tải giờ cao điểm trưa, giảm dòng điện truyền tải từ nguồn 110 kV xuống hơn 12% và hỗ trợ ổn định điện áp cục bộ cực kỳ hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự cải thiện vượt bậc về chất lượng điện áp là sự kết hợp đồng bộ giữa giải pháp điều chỉnh điện áp tập trung tại đầu nguồn (nâng nấc phân áp máy biến áp 110 kV) và giải pháp phân tán tại chỗ (bù công suất phản kháng bằng tụ điện và phát công suất tác dụng từ pin mặt trời). Cấu trúc lưới điện dạng mạch vòng nhưng vận hành hở, với các tuyến đường dây dài có điện kháng lớn, khiến dòng công suất phản kháng gây ra sụt áp nghiêm trọng. Khi đặt các trạm bù tĩnh 150–450 kVAr xen kẽ tại các trung tâm phụ tải, công suất phản kháng được trung hòa tại chỗ, giải phóng dung lượng tải cho đường dây.

So sánh với các nghiên cứu vận hành lưới điện phân phối đô thị khác, việc lắp đặt nguồn phân tán G-PVA mang lại lợi thế kép: vừa nâng cao chất lượng điện áp vừa giảm thiểu áp lực vận hành đầy tải cho máy biến áp lực 40 MVA trạm 110 kV Lạng Sơn.

Các dữ liệu giải tích trào lưu công suất được thể hiện trực quan qua bảng so sánh điện áp nút và biểu đồ phân bố dòng điện trong ETAP. Trên sơ đồ không gian mạng, các chỉ báo điện áp chuyển hoàn toàn từ trạng thái cảnh báo màu đỏ (dưới 0,95 pu) sang màu xanh ổn định (0,98–1,02 pu), khẳng định tính khả thi vượt trội của các phương án đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng và tính toán khoa học, các giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất nhằm nâng cao toàn diện chất lượng điện áp và độ tin cậy cung cấp điện cho khu vực:

  1. Điều chỉnh và tối ưu hóa nấc phân áp máy biến áp nguồn: Đơn vị quản lý vận hành cần duy trì nấc vận hành tăng áp 105% Uđm tại cuộn thứ cấp 22 kV của máy biến áp T1-P và T2 trạm 110 kV Lạng Sơn trong các khung giờ cao điểm ngày và tối, bảo đảm điện áp đầu nguồn đạt từ 22,8 kV đến 23,1 kV, thực hiện định kỳ ngay trong quý đầu năm.
  2. Vận hành linh hoạt hệ thống 05 cụm tụ bù tĩnh: Công ty Điện lực Lạng Sơn cần trang bị hệ thống rơ le điều khiển tự động đóng cắt tụ theo thời gian và theo mức điện áp thực tế cho 05 trạm tụ bù (TBN 404, 405, 406, 407, 409), mục tiêu duy trì hệ số cosφ toàn tuyến luôn ≥ 0,92 và hoàn thành lắp đặt nâng cấp trong vòng 6 tháng.
  3. Phát triển nguồn điện mặt trời phân tán G-PVA tại các trọng điểm phụ tải: Khuyến khích và tạo cơ chế đấu nối hệ thống pin mặt trời áp mái công suất 20–50 kWp tại khu vực Chợ Đông Kinh, Chợ Hàng Bát và mô hình PVA bãi trống quy mô 100–200 kWp tại nút liên lạc 474-472; hướng tới mục tiêu cắt giảm 10% đến 15% công suất đỉnh lưới phân phối trong lộ trình 2 năm.
  4. Hiện đại hóa lưới điện và tích hợp điều khiển tự động SCADA/DMS: Trung tâm Điều độ Hệ thống điện phối hợp với Điện lực Lạng Sơn triển khai số hóa sơ đồ đơn tuyến, lắp đặt các thiết bị đóng cắt thông minh (Recloser, LBS) có kết nối điều khiển từ xa, giảm thiểu thời gian cô lập sự cố nhằm kéo giảm chỉ số SAIDI xuống dưới 250 phút/khách hàng/năm và SAIFI xuống dưới 2,5 lần/khách hàng/năm trong giai đoạn trung hạn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc cho nhiều nhóm đối tượng chuyên môn:

  • Kỹ sư vận hành và điều độ lưới điện phân phối: Cán bộ kỹ thuật tại Công ty Điện lực Lạng Sơn và các đơn vị trực thuộc Tổng công ty Điện lực miền Bắc (EVNNPC) có thể áp dụng trực tiếp quy trình mô phỏng ETAP để tính toán trào lưu công suất, tối ưu hóa phương thức vận hành mùa khô/mùa mưa và điều chỉnh nấc phân áp hợp lý cho các xuất tuyến 22 kV tương tự.
  • Kỹ sư tư vấn thiết kế và phát triển dự án năng lượng tái tạo: Các chuyên gia trong lĩnh vực điện mặt trời có thể khai thác mô hình G-PVA kết nối lưới, phương pháp cài đặt hệ số công suất Inverter (%PF) và tính toán bức xạ mặt trời (200–1000 W/m²) để thiết kế hệ thống điện mặt trời áp mái tối ưu cho các trung tâm thương mại và khu công nghiệp.
  • Học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện: Tài liệu cung cấp nguồn tham khảo học thuật chuẩn mực về phương pháp lập mô hình toán học, giải thuật Newton-Raphson, Gauss-Seidel và kỹ năng thực hành phân tích lưới điện phức hợp trên phần mềm ETAP 12.6.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và đơn vị quy hoạch năng lượng: Sở Công Thương và các ban quản lý đô thị có thể sử dụng dữ liệu thực nghiệm để xây dựng đề án phát triển lưới điện thông minh (Smart Grid), quy hoạch tích hợp nguồn phân tán và ban hành các tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp với định hướng phát triển năng lượng bền vững tại địa phương.

Câu hỏi thường gặp

Mục tiêu cốt lõi của việc mô phỏng lộ 473 và 474 thành phố Lạng Sơn trên phần mềm ETAP là gì?
Mục tiêu là mô hình hóa chính xác 156 trạm biến áp và 163 đoạn tuyến đường dây thực tế để phân tích trào lưu công suất, từ đó phát hiện các điểm nghẽn sụt áp dưới 0,95 pu và đánh giá chính xác hiệu quả của các giải pháp điều chỉnh điện áp, bù công suất phản kháng và tích hợp nguồn điện mặt trời phân tán.

Tại sao phương án điều chỉnh điện áp nguồn lên 105% Uđm lại giải quyết được bài toán sụt áp cuối nguồn?
Do đặc thù đường dây 22 kV có bán kính cấp điện dài và tổng trở lớn, việc nâng điện áp thanh cái đầu nguồn tại trạm 110 kV lên 105% Uđm (khoảng 23,1 kV) tạo ra một độ dự trữ điện áp ban đầu, giúp bù đắp tổn thất điện áp dọc đường truyền và nâng điện áp các nút tải cuối nhánh tăng thêm 4,2% đến 4,8%, bảo đảm nằm trong ngưỡng chuẩn.

Hệ thống 05 trạm tụ bù tĩnh đóng vai trò như thế nào trong việc tối ưu hóa lưới điện?
Năm trạm tụ bù với tổng công suất 1.050 kVAr (dung lượng từ 150 kVAr đến 450 kVAr mỗi trạm) thực hiện phát công suất phản kháng tại chỗ. Điều này giúp nâng hệ số công suất từ 0,85 lên trên 0,93, giảm dòng điện chạy trên các tuyến cáp trục chính và cắt giảm tổn thất công suất tác dụng của toàn lộ khoảng 6,5%.

Việc tích hợp nguồn pin quang điện (PVA) tại Chợ Đông Kinh và Chợ Hàng Bát mang lại lợi ích gì?
Hệ thống PVA mái nhà biến đổi quang năng thành điện năng phát trực tiếp vào lưới hạ áp và trung áp trong dải bức xạ 200–1000 W/m². Nguồn phát này triệt tiêu phụ tải đỉnh cục bộ tại khu vực chợ thương mại vào ban ngày, làm giảm hơn 12% dòng công suất truyền tải từ trạm nguồn và giữ ổn định điện áp nút tại chỗ.

Luận văn đóng góp giải pháp gì để cải thiện các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện SAIDI và SAIFI?
Nghiên cứu đề xuất cấu hình vận hành mạch vòng linh hoạt kết hợp nguồn phân tán dự phòng và các thiết bị phân đoạn tự động. Giải pháp này cho phép cô lập nhanh khu vực sự cố, tái cấp điện nhanh cho các phân đoạn không bị ảnh hưởng, từ đó giảm thiểu số lần và thời gian mất điện trung bình của khách hàng theo chuẩn Thông tư 39/2015/TT-BCT.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình số hóa toàn diện lưới điện trung thế 22 kV lộ 473 và 474 thành phố Lạng Sơn với 156 trạm biến áp trên nền tảng phần mềm ETAP 12.6.
  • Chứng minh tính hiệu quả của phương án điều chỉnh nấc phân áp nguồn lên 105% Uđm giúp nâng điện áp các nút cuối nguồn tăng từ 4,2% đến 4,8%, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng suy giảm điện áp dưới 0,95 pu.
  • Khẳng định vai trò của 05 cụm tụ bù tĩnh với tổng dung lượng 1.050 kVAr trong việc nâng cao hệ số cosφ đạt trên 0,93 và giảm tổn thất công suất lưới 6,5%.
  • Đề xuất giải pháp tích hợp nguồn phân tán pin mặt trời mái nhà và bãi trống (50–200 kWp), góp phần san phẳng biểu đồ phụ tải giờ cao điểm và giảm tải dòng trục chính trên 12%.
  • Thiết lập cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm vững chắc phục vụ công tác quy hoạch, điều độ và hiện đại hóa lưới điện phân phối thông minh cho toàn thành phố Lạng Sơn.

Đơn vị quản lý vận hành cần sớm triển khai ứng dụng các kịch bản mô phỏng vào thực tế điều độ, đồng thời xây dựng quy chuẩn kỹ thuật đấu nối nguồn phân tán trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới. Hãy liên hệ và kết nối ngay với nhóm nghiên cứu hoặc tác giả để tiếp nhận chuyển giao mô hình giải tích lưới điện và các thuật toán tối ưu hóa vận hành cho hệ thống phân phối khu vực.