Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện trung áp tỉnh Sơn La có quy mô trải rộng với tổng chiều dài 4.112,35 km, bao gồm 3.661,54 km đường dây 35 kV và 2.208 trạm biến áp phân phối đạt tổng dung lượng 321.321 kVA. Trong hệ thống đó, xuất tuyến 374 thuộc trạm biến áp 110 kV E17.1 Mộc Châu là một trong những tuyến huyết mạch đặc thù với tổng chiều dài đường dây lên đến 340,15 km, cấp điện cho 121 trạm biến áp phân phối tổng dung lượng 20.174 kVA và liên kết mạch vòng với lộ 371 trạm E17.5 Phù Yên. Tuyến đường dây này tiếp nhận công suất phát từ 3 cụm nhà máy thủy điện nhỏ gồm Suối Tân 1 với công suất 2,5 MW, Suối Tân 2 với công suất 4,0 MW và Sơ Vin với công suất 2,8 MW.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là các nhà máy thủy điện nhỏ trên địa bàn vận hành phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn nước theo mùa, kết hợp với địa hình đồi núi phức tạp khiến phụ tải dân sinh dao động rất lớn từ 5% đến 100% công suất định mức trong 24 giờ. Hệ thống kích từ hiện hữu của các tổ máy chủ yếu dùng động cơ xoay chiều do nhà thầu nước ngoài cung cấp, phản ứng chậm và dễ gây suy giảm chất lượng điện áp. Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá hiện trạng ổn định tĩnh, ổn định động và ổn định tín hiệu nhỏ của lưới điện 374 trạm E17.1 Mộc Châu, từ đó ứng dụng thiết bị ổn định hệ thống điện PSS kết hợp hệ thống kích từ tĩnh thyristor nhằm dập tắt dao động tần số thấp trong dải 0,7 Hz đến 2,0 Hz. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn quan trọng, giúp duy trì độ lệch điện áp trong ngưỡng cho phép ±5%, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và giảm thiểu nguy cơ rã lưới cục bộ theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng lý thuyết ổn định góc tải và ổn định tín hiệu nhỏ trong hệ thống điện hiện đại theo tiêu chuẩn IEEE 421.5-2005. Quá trình động học của rotor máy phát điện đồng bộ được mô tả qua phương trình chuyển động vi phân bậc hai kinh điển giữa mô men cơ khí và mô men điện từ. Độ lệch mô men điện từ được phân tách thành hai thành phần chính: thành phần mô men đồng bộ tỷ lệ thuận với độ lệch góc tải delta và thành phần mô men hãm tỷ lệ thuận với độ lệch tốc độ quay omega.

Khi các máy phát sử dụng bộ tự động điều chỉnh điện áp AVR có hệ số khuếch đại lớn nhằm giữ ổn định điện áp thanh cái, hệ thống vô tình tạo ra mô men hãm âm, làm suy giảm khả năng dập tắt dao động điện cơ. Ba dạng dao động tần số thấp được nhận diện và phân tích gồm: dao động cục bộ trong dải tần số 0,7 Hz đến 2,0 Hz giữa các máy phát trong cùng nhà máy với hệ thống; dao động liên khu vực có tần số dưới 0,5 Hz qua các đường dây liên kết yếu; và dao động toàn cầu có tần số dưới 0,2 Hz trên phạm vi diện rộng. Luận văn tiến hành mô hình hóa và so sánh cấu trúc kích từ xoay chiều AC1A, kích từ tĩnh thyristor ST1A cùng các bộ ổn định PSS1A đầu vào đơn và PSS2A đầu vào kép, qua đó chứng minh nguyên lý tạo mô men hãm dương bổ sung qua kênh kích từ để triệt tiêu nhanh dao động góc rotor.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn số liệu thực tế được thu thập trực tiếp từ Công ty Điện lực Sơn La, Điện lực Mộc Châu và Trung tâm Điều độ Hệ thống điện miền Bắc. Tập dữ liệu bao gồm thông số trở kháng ngắn mạch tại thanh cái 110 kV Mộc Châu với công suất ngắn mạch 515,75 MVA, tổng trở ngắn mạch 25,8 ohm và tỷ số X/R bằng 3,15, cùng hồ sơ kỹ thuật chi tiết của 7 tổ máy phát điện đồng bộ điện áp 6,3 kV tại 3 nhà máy thủy điện.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao quát toàn bộ 121 trạm biến áp phân phối, 340,15 km dây dẫn các loại từ AC50 đến AC120, 1 trạm trung gian Vân Hồ 35/22 kV dung lượng 2x3.200 kVA và 3 cụm thủy điện nhỏ với tổng công suất 9,3 MW. Phương pháp chọn mẫu là phương pháp điều tra toàn bộ các phần tử thuộc xuất tuyến 374 trạm E17.1 nhằm đảm bảo tính chính xác tuyệt đối khi giải bài toán trào lưu công suất. Phương pháp phân tích mô phỏng số được thực hiện trên phần mềm chuyên dụng ETAP 16 và ETAP 19, sử dụng thuật toán lặp Newton-Raphson và Adaptive Newton-Raphson. Lý do lựa chọn thuật toán này là vì khả năng hội tụ nhanh, độ tin cậy vượt trội khi xử lý mạng lưới điện phân phối hình tia phân nhánh sâu có bán kính cấp điện lớn và nhiều nguồn phân tán. Toàn bộ quy trình mô phỏng và phân tích động học được hoàn thiện trong mốc thời gian tháng 8 năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả giải tích lưới điện hiện trạng ở chế độ xác lập cho thấy điện áp tại các nút cuối đường dây 35 kV sụt giảm nghiêm trọng khi không có các nguồn thủy điện phát bù công suất, với biên độ điện áp tại một số nút xa trung tâm giảm sâu dưới 0,90 đơn vị tương đối.

Thứ hai, trong chế độ làm việc ban đầu sử dụng hệ thống kích từ xoay chiều AC1A không trang bị bộ ổn định PSS, khi xuất hiện nhiễu loạn nhỏ về phụ tải, góc quay rotor của 7 tổ máy phát tại Suối Tân 1, Suối Tân 2 và Sơ Vin liên tục dao động với biên độ lớn và thời gian kéo dài trên 15 giây mới có thể xác lập lại trạng thái cân bằng.

Thứ ba, khi thay thế bằng hệ thống kích từ tĩnh thyristor ST1A kết hợp tích hợp bộ ổn định PSS1A, đặc tính quá độ của hệ thống được cải thiện rõ rệt. Biên độ dao động góc rotor giảm hơn 70%, đồng thời thời gian dập tắt hoàn toàn dao động tần số thấp được rút ngắn từ khoảng 18 giây xuống dưới 2,5 giây, tương đương mức cải thiện tốc độ dập tắt dao động lên đến 86%.

Thứ tư, khi phân tích ổn định động với sự cố ngắn mạch 3 pha tại thanh cái Bus 763, thời gian cắt sự cố đóng vai trò quyết định đến khả năng giữ đồng bộ của các tổ máy. Với thời gian cắt sự cố 0,4 giây kể từ thời điểm ngắn mạch, góc rotor của toàn bộ 7 tổ máy dao động trong biên độ an toàn cực đại khoảng 74 độ đến 80 độ và nhanh chóng trở về điểm làm việc ổn định sau 3 giây. Tuy nhiên, khi thời gian cắt sự cố kéo dài lên 0,6 giây và 0,8 giây, góc rotor vượt ngưỡng tới hạn 90 độ điện, các tổ máy bị trượt cực và hoàn toàn mất ổn định đồng bộ với lưới điện quốc gia.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng dao động kéo dài ở hệ thống cũ là do quán tính cơ học của động cơ kích từ xoay chiều tạo ra độ trễ pha lớn trong mạch điều khiển từ thông. Khi kết hợp bộ kích từ tĩnh ST1A có đáp ứng thời gian cực ngắn với bộ ổn định PSS1A, tín hiệu bù vượt pha qua khâu Lead-Lag đã tạo ra một thành phần mô men hãm đồng pha với độ lệch tốc độ góc quay, bù đắp triệt để lượng mô men hãm âm do bộ AVR gây ra.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu thực nghiệm tại các lưới điện có tỷ trọng năng lượng tái tạo cao ở khu vực Tây Bắc, khẳng định tính tất yếu của việc trang bị PSS cho các nguồn phân tán. Toàn bộ diễn biến động học của hệ thống được minh họa trực quan qua hệ thống đồ thị miền thời gian từ 0 đến 20 giây trong ETAP, thể hiện rõ đường cong biến thiên của góc lệch rotor, dòng điện kích từ, điện áp kích từ và công suất tác dụng P. Bên cạnh đó, các bảng so sánh tổng hợp chỉ số góc rotor ở các mốc thời gian cắt sự cố 0,4 giây, 0,6 giây và 0,8 giây đã cung cấp bức tranh định lượng chuẩn xác về giới hạn bền vững của lưới điện Mộc Châu.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, nâng cấp và thay thế toàn bộ hệ thống kích từ xoay chiều cũ bằng hệ thống kích từ tĩnh thyristor ST1A có tích hợp bộ ổn định hệ thống điện PSS1A hoặc PSS2A cho 7 tổ máy thuộc 3 nhà máy thủy điện Suối Tân 1, Suối Tân 2 và Sơ Vin. Mục tiêu kỹ thuật là nâng hệ số suy giảm dao động lên trên 10% và thời gian ổn định góc rotor dưới 3 giây, hoàn thành trong giai đoạn 2021-2022.

Thứ hai, tối ưu hóa và tái chỉnh định hệ thống rơle bảo vệ đường dây 374 trạm E17.1 Mộc Châu, đảm bảo thời gian cắt sự cố ngắn mạch 3 pha tổng thể không vượt quá 0,4 giây. Công ty Điện lực Sơn La cần phối hợp với các nhà máy thủy điện lắp đặt rơle kỹ thuật số thế hệ mới có tính năng đóng cắt đồng bộ cực nhanh nhằm ngăn ngừa nguy cơ trượt cực máy phát.

Thứ ba, tiến hành cải tạo nâng tiết diện dây dẫn từ AC50 và AC70 lên AC95 và AC120 trên các phân đoạn trục chính có mật độ truyền tải công suất cao dài khoảng 45 km. Kết hợp vận hành tối ưu trạm trung gian Vân Hồ 35/22 kV dung lượng 2x3.200 kVA và đường dây liên lạc 371 trạm E17.5 Phù Yên nhằm giảm tổn thất điện năng kỹ thuật xuống dưới mức 6,0% vào năm 2023.

Thứ tư, xây dựng quy chế vận hành phối hợp và thiết lập hệ thống giám sát điều khiển từ xa SCADA giữa Trung tâm Điều khiển xa Sơn La với các nhà máy thủy điện tư nhân. Định kỳ 6 tháng một lần thực hiện kiểm tra, hiệu chuẩn thông số cài đặt bộ AVR và PSS theo đúng quy định tại Thông tư 39/2015/TT-BCT của Bộ Công thương về tiêu chuẩn kỹ thuật lưới điện phân phối.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư điều độ và cán bộ kỹ thuật vận hành tại Công ty Điện lực Sơn La, Tổng công ty Điện lực miền Bắc: Ứng dụng mô hình tính toán trào lưu và ổn định trên ETAP để xây dựng phương thức vận hành an toàn, xác định chính xác các điểm cài đặt rơle bảo vệ khi huy động công suất các cụm thủy điện nhỏ.

Nhóm chủ đầu tư và kỹ sư quản lý vận hành tại các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ: Nắm bắt cơ sở khoa học để lựa chọn cấu hình hệ thống kích từ tĩnh và trang bị bộ ổn định PSS phù hợp, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật đấu nối vào lưới điện phân phối quốc gia.

Nhóm chuyên gia tư vấn thiết kế và quy hoạch hệ thống điện: Sử dụng phương pháp luận và các thông số mô hình hóa làm tài liệu tham khảo trong việc đánh giá tác động của nguồn điện phân tán đối với sự ổn định của lưới điện trung áp khu vực miền núi.

Nhóm giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện: Khai thác làm tài liệu học thuật giá trị về ứng dụng tiêu chuẩn IEEE 421.5, lý thuyết ổn định tín hiệu nhỏ và kỹ năng thực hành phân tích quá độ chuyên sâu trên phần mềm ETAP.

Câu hỏi thường gặp

Lưới điện 374 trạm E17.1 Mộc Châu gặp những khó khăn gì khi vận hành cùng các nhà máy thủy điện nhỏ? Tuyến đường dây có chiều dài rất lớn lên đến 340,15 km với 121 trạm biến áp phân phối rải rác trên địa hình đồi núi. Việc đấu nối cùng lúc 3 nhà máy thủy điện Suối Tân 1, Suối Tân 2 và Sơ Vin vận hành phụ thuộc vào mùa nước làm thay đổi liên tục phân bố công suất trào lưu, gây sụt áp cuối nguồn và xuất hiện các dao động điện cơ phức tạp trong dải tần số 0,7 Hz đến 2,0 Hz.

Bộ ổn định hệ thống điện PSS đóng vai trò gì trong việc triệt tiêu dao động góc rotor? Bộ ổn định PSS thu nhận tín hiệu độ lệch tốc độ quay hoặc tần số của máy phát, xử lý qua các khâu lọc và khâu bù pha Lead-Lag để đưa tín hiệu bổ sung vào bộ điều áp AVR. Quá trình này tạo ra một thành phần mô men hãm dương bổ sung đồng pha với tốc độ, giúp dập tắt nhanh chóng dao động góc rotor và rút ngắn thời gian quá độ từ 18 giây xuống dưới 2,5 giây.

Tại sao kích từ tĩnh thyristor ST1A lại vượt trội hơn hệ thống kích từ xoay chiều truyền thống? Hệ thống kích từ xoay chiều có cấu tạo phức tạp, giá thành cao và quán tính điện từ lớn khiến thời gian đáp ứng chậm. Ngược lại, hệ thống ST1A sử dụng chỉnh lưu bán dẫn tĩnh điều khiển hoàn toàn bằng thyristor, có hằng số thời gian cực nhỏ, đáp ứng điện áp kích từ tức thời và phối hợp hoàn hảo với các thuật toán điều khiển của PSS1A nhằm duy trì ổn định tĩnh và ổn định động.

Thời gian cắt sự cố ngắn mạch 3 pha ảnh hưởng như thế nào đến ổn định của 7 tổ máy thủy điện? Kết quả mô phỏng trên ETAP chứng minh thời gian cắt sự cố tới hạn là 0,4 giây. Nếu rơle và máy cắt loại trừ ngắn mạch trong 0,4 giây, các tổ máy duy trì được góc rotor dưới 80 độ và tiếp tục vận hành an toàn. Nếu thời gian cắt kéo dài từ 0,6 giây đến 0,8 giây, năng lượng gia tốc làm góc rotor vượt quá 90 độ, dẫn đến hiện tượng trượt cực và rã lưới cục bộ.

Phương pháp nghiên cứu trong luận văn có thể áp dụng cho các khu vực lưới điện khác không? Quy trình mô hình hóa trên phần mềm ETAP kết hợp chuẩn IEEE 421.5-2005 hoàn toàn có thể nhân rộng để đánh giá và nâng cao độ ổn định cho các xuất tuyến trung áp 35 kV hoặc 22 kV có đấu nối nguồn năng lượng tái tạo tại các tỉnh miền núi có địa hình tương đồng như Lai Châu, Điện Biên hay Lào Cai.

Kết luận

Luận văn đã hoàn thành xuất sắc các nhiệm vụ nghiên cứu khoa học và thực tiễn với những đóng góp nổi bật:

  • Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về ổn định góc tải, dao động tần số thấp từ 0,7 Hz đến 2,0 Hz và cấu trúc điều khiển kích từ theo chuẩn IEEE 421.5-2005.
  • Xây dựng thành công mô hình số hóa chi tiết tuyến đường dây 35 kV lộ 374 trạm E17.1 Mộc Châu dài 340,15 km cùng 7 tổ máy thủy điện nhỏ trên phần mềm ETAP.
  • Chứng minh hiệu quả vượt trội của giải pháp tích hợp kích từ tĩnh ST1A và bộ ổn định PSS1A, giúp giảm biên độ dao động hơn 70% và rút ngắn thời gian xác lập dưới 2,5 giây.
  • Xác định chính xác ngưỡng thời gian cắt ngắn mạch 3 pha tới hạn là 0,4 giây để ngăn chặn sự cố trượt cực máy phát điện.
  • Đề xuất lộ trình kỹ thuật khả thi giai đoạn 2021-2025 giúp Công ty Điện lực Sơn La tối ưu hóa vận hành, giảm tổn thất điện năng dưới 6,0% và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

Đề tài là tài liệu tham khảo chuẩn mực cho các đơn vị quản lý vận hành lưới điện và doanh nghiệp thủy điện nhỏ trong việc nâng cao chất lượng điện năng và đảm bảo an ninh năng lượng khu vực.