Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối 22 kV giữ vai trò xương sống trong việc truyền tải và cung cấp năng lượng phục vụ phát triển kinh tế - xã hội tại các địa phương. Tuy nhiên, tại các tỉnh miền núi có địa hình phức tạp, hệ thống lưới điện trung thế thường trải dài hàng chục kilomet với phụ tải biến động không ổn định. Khảo sát thực tế tại lưới điện 22 kV lộ 472 thuộc thành phố Lạng Sơn cho thấy hệ thống đang cấp điện cho 69 trạm biến áp phân phối với hơn 80 phân đoạn đường dây có tổng chiều dài trên 50 km. Do được xây dựng qua nhiều thời kỳ, lộ 472 bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng: tiết diện dây dẫn không đồng đều, một số đoạn dây nhôm bọc và dây trần có tiết diện nhỏ chỉ từ 49,5 mm2 đến 77,3 mm2 phải chịu tải lớn, dẫn đến hiện tượng sụt áp cuối nguồn vượt quá ngưỡng cho phép ±5% theo quy chuẩn quốc gia, đồng thời gây tổn thất kỹ thuật công suất lớn hơn 7,5% trong các khung giờ cao điểm.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng mô hình toán học và mô phỏng số trên phần mềm chuyên dụng ETAP 12.6 nhằm đánh giá toàn diện trạng thái vận hành của lộ 472 ở các kịch bản phụ tải cực đại và phụ tải định mức. Trên cơ sở đó, luận văn đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật đồng bộ bao gồm: điều chỉnh nấc phân áp nguồn, nâng cấp tiết diện dây dẫn trục chính, tái cấu trúc kết nối mạch vòng liên lạc với lộ 473 và 474, đồng thời nghiên cứu tích hợp nguồn phân tán máy phát turbine gió công nghệ DFIG công suất 1,5 MW. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào toàn bộ xuất tuyến 22 kV lộ 472 thuộc Công ty Điện lực Lạng Sơn, sử dụng dữ liệu đo đếm thực tế giai đoạn 2018 - 2020. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc giảm thiểu tổn thất công suất tác dụng trên 18%, cải thiện chất lượng điện áp các nút tải xa nguồn đạt dải an toàn từ 0,97 pu đến 1,03 pu, và nâng cao vượt bậc các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện SAIDI và SAIFI cho khu vực đô thị Lạng Sơn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết phân tích hệ thống điện hiện đại, trọng tâm là bài toán trào lưu công suất phi tuyến (Power Flow Analysis) và lý thuyết máy điện xoay chiều không đồng bộ nguồn kép DFIG (Doubly-Fed Induction Generator). Hệ phương trình xác định trạng thái làm việc xác lập của mạng điện được biểu diễn thông qua ma trận dẫn nạp nút, giải quyết mối quan hệ phi tuyến giữa công suất tác dụng P (MW), công suất phản kháng Q (MVAr), biên độ điện áp nút U (kV) và góc pha điện áp.

Khung lý thuyết của luận văn bao hàm các khái niệm cốt lõi: tổn thất công suất kỹ thuật (kW), độ sụt giảm điện áp nút (pu), chỉ số méo sóng hài tổng THD (ngưỡng 6,5% theo tiêu chuẩn trung áp), cùng các chỉ số độ tin cậy cung cấp điện gồm SAIDI (thời gian mất điện trung bình), SAIFI (tần suất mất điện trung bình) và MAIFI (chỉ số mất điện thoáng qua) được quy định tại Thông tư 39/2015/TT-BCT của Bộ Công Thương. Bên cạnh đó, mô hình nguồn phân tán turbine gió DFIG được thiết lập dựa trên nguyên lý điều khiển công suất độc lập qua bộ biến đổi bán dẫn hai chiều back-to-back AC/DC/AC kết hợp kỹ thuật điều chế vector không gian SVPWM, cho phép cung cấp công suất phản kháng điều hòa điện áp lưới ngay cả trong điều kiện tốc độ gió dao động từ 4 m/s đến 14 m/s.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu kỹ thuật thực chứng do Điện lực thành phố Lạng Sơn cung cấp, bao gồm thông số kỹ thuật chi tiết của 84 phân đoạn đường dây (chiều dài từ 4 m đến 5230 m, tiết diện từ 49,5 mm2 đến 124 mm2), danh mục 69 trạm biến áp phụ tải 22/0,4 kV với dải công suất từ 31,5 kVA đến 1500 kVA (tổng công suất biểu kiến trên 25 MVA), 2 dàn tụ bù trung áp 150 kVAr và 300 kVAr, cùng thông số nguồn tương đương từ trạm biến áp 110 kV có công suất ngắn mạch 300 MVAsc và tỷ số X/R = 40.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao trùm 100% các nút phụ tải và nhánh rẽ trên xuất tuyến lộ 472. Phương pháp chọn mẫu là phương pháp chọn mẫu định lượng toàn phần theo ngày phụ tải điển hình mùa hè và mùa đông. Phương pháp phân tích trào lưu công suất được thực hiện qua thuật toán Newton-Raphson và Adaptive Newton-Raphson trên phần mềm ETAP 12.6. Lý do lựa chọn thuật toán này là khả năng hội tụ bậc hai nhanh chóng, độ chính xác cao đối với các mạng phân phối phức tạp có nhiều nút và nhánh phân tán, hạn chế tối đa sai số lặp phân kỳ. Song song đó, phần mềm Matlab Simulink được sử dụng để mô phỏng đáp ứng động học của khối DFIG trong khoảng thời gian từ 0 s đến 14 s. Toàn bộ quy trình thu thập số liệu, mô hình hóa và kiểm chứng giải tích được thực hiện trong khung thời gian 24 tháng từ năm 2018 đến năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và giải tích lưới điện lộ 472 trên phần mềm ETAP 12.6 đã mang lại 4 phát hiện kỹ thuật quan trọng:

  • Thứ nhất, ở chế độ vận hành cơ sở với phụ tải cực đại Smax (nguồn vận hành ở mức 100% điện áp định mức), biên độ điện áp tại các nút cuối tuyến sụt giảm nghiêm trọng. Cụ thể, điện áp tại bus 413/11 giảm còn 0,938 pu và bus 421/1 giảm xuống 0,932 pu, thấp hơn giới hạn cho phép 0,95 pu (sụt giảm hơn 6,8% so với định mức 22 kV), gây nguy cơ mất ổn định cho các thiết bị dùng điện hạ thế.
  • Thứ hai, phân bố dòng điện trên các đoạn trục chính phía đầu nguồn xuất hiện tình trạng quá tải cục bộ. Đoạn đường dây 4A5 dài 5230 m và đoạn 4B13/3 dài 3006 m có dòng tải thực tế vượt 82% dòng cho phép Icp của dây dẫn AC-120, làm tổn thất công suất trên hai phân đoạn này chiếm tới 54,2% tổng tổn thất kỹ thuật của toàn bộ lộ 472.
  • Thứ ba, khi thực hiện kịch bản điều chỉnh điện áp đầu nguồn lên mức 105% Uđm kết hợp thay thế dây dẫn tiết diện nhỏ 49,5 mm2 thành dây dẫn 111 mm2 tại các nhánh trọng yếu (Chế độ 2a), chất lượng điện áp toàn bộ 69 nút phụ tải đều được nâng lên mức trên 0,975 pu, đồng thời giảm tổng tổn thất công suất tác dụng toàn tuyến từ 485 kW xuống còn 395 kW (giảm 18,55%).
  • Thứ tư, giải pháp tích hợp trạm phát điện gió phân tán WTG sử dụng công nghệ DFIG công suất 1,5 MW tại nút xa nguồn (Chế độ 3a và 3b) đã hỗ trợ bơm trực tiếp 1,2 MW công suất tác dụng và linh hoạt phát bù đến 0,6 MVAr công suất phản kháng vào lưới 22 kV, giúp hệ số công suất cosφ tại điểm đấu nối tăng từ 0,85 lên 0,96 và triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng sụt áp cục bộ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến tình trạng suy giảm chất lượng điện áp và tổn thất kỹ thuật cao trên lộ 472 là do cấu trúc hình tia kéo dài với bán kính cấp điện lớn hơn 18 km, trong khi phụ tải phát triển nhanh chóng tại các khu vực đô thị mới như Bệnh viện Đa khoa tỉnh Lạng Sơn (2 máy biến áp 1500 kVA) và các cụm công nghiệp. Sự không đồng bộ giữa quy mô tăng trưởng phụ tải và tiết diện đường dây truyền dẫn cũ tạo nên các điểm nghẽn vật lý có điện trở R và điện kháng X tích lũy cao.

So sánh với các yêu cầu kỹ thuật trong Thông tư 39/2015/TT-BCT và chuẩn quốc tế IEC 61000-3-7, phương án cải tạo và tích hợp nguồn phân tán được đề xuất trong nghiên cứu đã đưa toàn bộ các chỉ số vận hành trở lại ngưỡng tiêu chuẩn. Cụ thể, mức nhấp nháy điện áp dài hạn Plt duy trì dưới 0,80 và độ lệch điện áp nút luôn nằm trong biên độ ±3,5%.

Để trực quan hóa các kết quả này, dữ liệu phân tích trào lưu công suất được thể hiện qua đồ thị biên độ điện áp nút từ đầu nguồn trạm 110 kV đến các nút cuối nhánh 421/1, minh họa rõ nét đường cong điện áp được nâng phẳng sau khi cải tạo. Bảng cân bằng công suất trước và sau khi lắp đặt DFIG phản ánh sự sụt giảm rõ rệt của dòng truyền tải trên trục chính, chứng minh tính khả thi kỹ thuật và hiệu quả kinh tế vượt trội của các phương án được đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả giải tích mô phỏng, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp công trình và phi công trình cụ thể nhằm nâng cao hiệu quả vận hành lộ 472:

  • Điều chỉnh nấc phân áp dưới tải của máy biến áp 110/22 kV tại trạm nguồn: Thiết lập chế độ vận hành thanh cái 22 kV ở mức 105% điện áp định mức (tương đương 23,1 kV) vào các khung giờ cao điểm (từ 17h00 đến 22h00); mục tiêu duy trì điện áp tại các nút tải xa nguồn không thấp hơn 0,96 pu; thời gian thực hiện ngay trong quý 1 năm 2021; đơn vị chủ trì là Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Công ty Điện lực Lạng Sơn.
  • Cải tạo và nâng cấp tiết diện dây dẫn trục chính: Tiến hành thay thế dây nhôm trần và dây bọc có tiết diện 49,5 mm2 và 77,3 mm2 bằng dây dẫn AC-120 hoặc cáp ngầm XLPE tiết diện 150 mm2 trên 14 phân đoạn xung yếu với tổng chiều dài khoảng 12,6 km; mục tiêu giảm tổn thất điện năng kỹ thuật xuống dưới 4,0%; lộ trình triển khai trong vòng 18 tháng (2021 - 2022); đơn vị thực hiện là Ban Quản lý Dự án Điện lực Lạng Sơn.
  • Tái cấu trúc mạng điện bằng mạch vòng liên lạc: Xây dựng mới 2 tuyến đường dây liên kết giữa lộ 472 với lộ 473 và 474, trang bị các thiết bị đóng cắt thông minh Recloser và máy cắt phân đoạn tích hợp SCADA; mục tiêu giảm chỉ số thời gian mất điện trung bình SAIDI xuống dưới 150 phút/khách hàng/năm; hoàn thành trong 12 tháng do Phòng Kỹ thuật Công ty Điện lực Lạng Sơn quản lý.
  • Quy hoạch tích hợp nguồn điện phân tán turbine gió DFIG: Triển khai dự án thử nghiệm trạm phát điện gió công suất 1,5 MW đến 3,0 MW kết nối cấp 22 kV tại khu vực có tiềm năng gió cao; mục tiêu bù đắp 25% công suất đỉnh phụ tải tại chỗ và nâng hệ số cosφ trung bình lên 0,95; tiến độ thực hiện trong giai đoạn 2022 - 2024 do Sở Công Thương tỉnh Lạng Sơn phối hợp cùng các nhà đầu tư năng lượng tái tạo thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Kỹ sư điều độ và vận hành hệ thống điện tại các Công ty Điện lực địa phương: Cung cấp phương pháp luận thực chiến và quy trình sử dụng phần mềm ETAP 12.6 để phân tích trào lưu công suất, đánh giá ngắn mạch và tối ưu hóa phương thức vận hành lưới trung thế miền núi.
  • Cán bộ quản lý quy hoạch và thiết kế lưới điện phân phối: Sử dụng bộ số liệu thực tế về thông số đường dây, phụ tải và mô hình giải tích mạch vòng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực trong việc lập báo cáo khả thi các dự án cải tạo, nâng cấp xuất tuyến 22 kV.
  • Các doanh nghiệp và chuyên gia phát triển dự án năng lượng tái tạo: Nắm bắt phương pháp tính toán tương tác giữa nguồn phát điện gió DFIG với lưới phân phối trung áp, từ đó xây dựng giải pháp kết nối lưới an toàn, hạn chế xung đột điện áp và sóng hài.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện: Khai thác mô hình phối hợp giữa ETAP và Matlab Simulink làm học liệu giảng dạy và đề tài nghiên cứu chuyên sâu về phân tích lưới điện thông minh (Smart Grid) và nguồn điện phân tán (DG).

Câu hỏi thường gặp

  • Nguyên nhân chính gây sụt áp vượt quy chuẩn tại các nút cuối tuyến lộ 472 là gì?
    Lộ 472 có bán kính cấp điện trải dài trên 18 km với nhiều nhánh rẽ sử dụng dây dẫn tiết diện nhỏ từ 49,5 mm2 đến 77,3 mm2. Khi tổng phụ tải vào giờ cao điểm đạt ngưỡng cực đại Smax trên 25 MVA, dòng điện tăng cao chạy qua tổng trở kháng đường dây lớn làm xuất hiện độ sụt áp tích lũy, khiến điện áp tại các nút cuối như bus 413/11 và bus 421/1 giảm sâu quá 6,8% so với điện áp danh định 22 kV.

  • Thuật toán Newton-Raphson trên phần mềm ETAP 12.6 có ưu thế gì trong bài toán giải tích lưới?
    Thuật toán Newton-Raphson sở hữu tốc độ hội tụ bậc hai mạnh mẽ, cho phép giải hệ phương trình trào lưu công suất phi tuyến với độ chính xác cao chỉ sau 3 đến 5 bước lặp. Công cụ này xử lý hiệu quả mô hình mạng điện phân phối quy mô lớn với 84 đường dây và 69 trạm biến áp, đảm bảo tính toán chính xác điện áp nút, dòng công suất và tổn thất kỹ thuật mà không bị phân kỳ.

  • Máy phát điện turbine gió DFIG đóng vai trò như thế nào trong việc cải thiện chất lượng điện áp?
    DFIG sử dụng các bộ biến đổi bán dẫn PWM hai chiều nối giữa mạch rotor và lưới điện, cho phép điều khiển độc lập cả công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q. Khi tốc độ gió thay đổi từ 4 m/s đến 14 m/s, máy phát vẫn duy trì tần số 50 Hz ổn định, đồng thời linh hoạt phát công suất phản kháng để nâng điện áp nút cục bộ, cải thiện hệ số công suất cosφ lên trên 0,95.

  • Việc kết nối mạch vòng giữa lộ 472 với lộ 473 và 474 giúp cải thiện các chỉ số độ tin cậy ra sao?
    Khi thiết lập liên lạc mạch vòng kín vận hành hở qua các máy cắt Recloser tự động, hệ thống có khả năng chuyển đổi phương thức cấp điện linh hoạt khi xảy ra sự cố trên trục chính. Giải pháp này giúp cô lập vùng sự cố nhanh chóng, khôi phục cấp điện cho hơn 80% khách hàng trong vòng dưới 5 phút, qua đó giảm trực tiếp các chỉ số thời gian mất điện SAIDI và tần suất mất điện SAIFI.

  • Giải pháp nâng điện áp đầu nguồn lên 105% Uđm có gây nguy cơ quá điện áp cho các phụ tải đầu tuyến không?
    Mức điện áp 105% Uđm tương đương 23,1 kV hoàn toàn nằm trong dải dao động cho phép ±5% theo quy định tại Điều 12 Thông tư 39/2015/TT-BCT đối với điểm đấu nối trung áp. Các phụ tải đầu nguồn như Bệnh viện Đa khoa vẫn vận hành an toàn trong giới hạn cách điện thiết bị, đồng thời tạo ra độ dự trữ điện áp cần thiết để bù đắp sụt áp cho toàn bộ các nút tải phía sau.

Kết luận

  • Luận văn đã mô hình hóa và mô phỏng thành công mạng điện 22 kV lộ 472 thành phố Lạng Sơn trên phần mềm ETAP 12.6 với quy mô 84 đoạn đường dây và 69 trạm biến áp phân phối.
  • Nghiên cứu đã chỉ ra chính xác các điểm nghẽn kỹ thuật, trong đó hiện tượng sụt áp sâu dưới 0,94 pu tại các nút cuối tuyến và quá tải cục bộ trên 82% tại trục chính đầu nguồn là hai thách thức lớn nhất.
  • Đã chứng minh tính hiệu quả của gói giải pháp công nghệ gồm: điều chỉnh điện áp nguồn 105% Uđm, nâng cấp tiết diện dây dẫn lên 111 mm2 và tái cấu trúc mạch vòng, giúp giảm tổn thất công suất tác dụng 18,55%.
  • Đã xây dựng mô hình tích hợp nguồn điện phân tán turbine gió DFIG công suất 1,5 MW, mở ra hướng đi đột phá trong việc chủ động điều hòa điện áp và nâng cao độ tin cậy vận hành lưới trung thế.
  • Kết quả nghiên cứu là luận cứ kỹ thuật vững chắc để Công ty Điện lực Lạng Sơn triển khai kế hoạch đầu tư cải tạo lưới điện giai đoạn 2021 - 2025.

Các đơn vị quản lý vận hành, kỹ sư hệ thống và nhà nghiên cứu quan tâm có thể khai thác trực tiếp mô hình tính toán và bộ cơ sở dữ liệu của luận văn để áp dụng cho các xuất tuyến trung thế có cấu trúc tương tự trên toàn quốc.