Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Tái tạo Quốc tế (IRENA), hơn 154 quốc gia đã ban hành các chính sách thúc đẩy năng lượng sạch nhằm giảm áp lực cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và ứng phó biến đổi khí hậu. Tại Việt Nam, tỉnh Bình Thuận sở hữu tiềm năng bức xạ mặt trời vượt trội với cường độ trung bình hàng năm đạt từ 3,489 kWh/m2/ngày đến hơn 5,815 kWh/m2/ngày kéo dài trong suốt 8 tháng/năm, cùng vận tốc gió bình quân tại độ cao 60m đạt 6,7 m/s. Điều kiện tự nhiên thuận lợi này đã thúc đẩy sự hình thành cụm dự án năng lượng tái tạo Trung Nam với tổng quy mô công suất lắp đặt lên tới 900 MW, bao gồm Nhà máy điện mặt trời Trung Nam 450 MWp, Nhà máy điện mặt trời Quán Thẻ 300 MWp và Nhà máy điện gió Trung Nam 150 MW.

Sự thâm nhập với tỷ trọng lớn của cụm nguồn tái tạo Trung Nam, chiếm gần 20% tổng công suất truyền tải của khu vực, đã làm thay đổi căn bản cấu trúc và chế độ vận hành xác lập cũng như quá độ của lưới điện tỉnh Bình Thuận. Mục tiêu nghiên cứu cụ thể của đề tài là ứng dụng phần mềm ETAP để tính toán trào lưu công suất, phân tích biến dạng sóng hài, tính toán mức gia tăng dòng ngắn mạch và đánh giá ổn định điện áp trên hệ thống truyền tải cấp điện áp 220kV và 500kV. Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ lưới truyền tải tỉnh Bình Thuận kết nối với trạm biến áp 500kV Vĩnh Tân (công suất 1.800 MVA) và 3 trạm biến áp 220kV (tổng công suất 1.500 MVA) trong giai đoạn vận hành năm 2022 và định hướng quy hoạch phát triển đến năm 2030. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn quan trọng khi cung cấp các chỉ số kỹ thuật định lượng, hỗ trợ các kỹ sư điều độ kiểm soát điện áp trong dải tiêu chuẩn 209 kV đến 242 kV, hạn chế phát nóng máy biến áp và duy trì độ tin cậy cung cấp điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên 4 trụ cột lý thuyết chuyên ngành kỹ thuật điện:

Thứ nhất, lý thuyết phân tích trào lưu công suất xác lập trong hệ thống điện phức tạp. Nghiên cứu áp dụng thuật toán lặp phi tuyến Newton-Raphson dựa trên khai triển chuỗi Taylor và ma trận đạo hàm riêng Jacobian, cho phép xác định chính xác điện áp nút, góc pha, dòng công suất tác dụng và phản kháng trên từng nhánh truyền tải. Thuật toán Gauss-Seidel cũng được đưa vào so sánh đối chứng về tốc độ hội tụ.

Thứ hai, lý thuyết chất lượng điện năng và phân tích sóng hài bậc cao. Do đặc thù các nhà máy điện mặt trời và điện gió sử dụng biến tần điện tử công suất (Inverter/Converter) điều chế độ rộng xung PWM, các sóng điều hòa bậc cao xuất hiện làm méo dạng sóng hình sin chuẩn 50Hz. Mức độ méo dạng được đánh giá thông qua chỉ số tổng độ méo dạng sóng hài điện áp (THD) theo tiêu chuẩn quốc tế IEEE Std 519-2014 và Thông tư số 30/2019/TT-BCT của Bộ Công Thương với quy định THD không vượt quá 3,0% và độ méo riêng lẻ dưới 1,5% cho cấp điện áp 110kV đến 500kV.

Thứ ba, lý thuyết tính toán sự cố ngắn mạch theo tiêu chuẩn IEC 60909. Các dạng sự cố ngắn mạch ba pha đối xứng N(3), ngắn mạch một pha chạm đất N(1) và hai pha chạm đất N(1,1) được phân tích để xác định dòng ngắn mạch xung kích cực đại so với ngưỡng giới hạn 50 kA và thời gian loại trừ sự cố 80 ms đến 100 ms theo quy định lưới điện truyền tải.

Thứ tư, lý thuyết ổn định điện áp tĩnh thông qua đường cong đặc tuyến quan hệ công suất - điện áp (P-V), công suất phản kháng - điện áp (Q-V) và phân tích độ nhạy V-Q. Khả năng ổn định điện áp tại từng nút được định lượng qua giá trị đạo hàm riêng dV/dQ rút ra từ ma trận Jacobian nghịch đảo; giá trị dV/dQ dương thể hiện nút ổn định, trong khi dV/dQ âm cảnh báo nguy cơ sụp đổ điện áp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào phục vụ nghiên cứu được thu thập trực tiếp từ hồ sơ thiết kế kỹ thuật, số liệu đo đếm vận hành thực tế của Công ty Truyền tải điện 3, Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (A0) và các thông số kỹ thuật tấm pin quang điện JINKO 330 Wp, turbine gió E92 công suất 2,35 MW của tổ hợp Trung Nam.

Quy mô mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ lưới truyền tải tỉnh Bình Thuận với 1 trạm 500kV Vĩnh Tân (2 máy biến áp tự ngẫu 900 MVA), 3 trạm biến áp 220kV gồm Hàm Tân, Phan Rí, Phan Thiết (tổng cộng 6 máy biến áp 250 MVA), 4 xuất tuyến đường dây 500kV (chiều dài từ 1,293 km đến 159,737 km) và 16 tuyến đường dây 220kV. Nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu toàn diện đối với toàn bộ các phần tử nút và nhánh của hệ thống truyền tải liên kết.

Phương pháp phân tích chủ đạo là mô phỏng số trên phần mềm ETAP phiên bản 12.6. Việc lựa chọn phương pháp Newton-Raphson trong ETAP được giải thích bởi tính ưu việt về tốc độ hội tụ bậc hai, độ chính xác cao và khả năng xử lý ổn định trên các hệ thống điện đa nút có tỷ số R/X không đồng nhất khi tích hợp các nguồn phát phân tán công suất lớn. Toàn bộ quá trình thu thập số liệu, xây dựng mô hình mô phỏng và kiểm chứng kết quả được triển khai trong năm 2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả mô phỏng trên phần mềm ETAP khi đối chứng giữa hai trạng thái chưa kết nối và đã kết nối cụm năng lượng tái tạo Trung Nam chỉ ra các phát hiện trọng tâm sau:

Về phân bố trào lưu công suất và khả năng mang tải: Khi hòa lưới 900 MW từ các nguồn Trung Nam, dòng công suất trên lưới 220kV và 500kV thay đổi căn bản chiều truyền tải. Hai máy biến áp tự ngẫu AT1 và AT2 (công suất 900 MVA mỗi máy) tại trạm 500kV Vĩnh Tân ghi nhận mức mang tải tăng cao vào ban ngày, đạt lần lượt 308,64 MW và 314,61 MW để giải tỏa công suất phát điện mặt trời. Khả năng mang tải trên tuyến đường dây 220kV Vĩnh Tân - Thuận Nam tăng lên mức 904,77 A, trong khi một số phân đoạn phụ tải 110kV như Lương Sơn và Ma Lâm mang tải trên 102% so với dòng định mức.

Về mức độ phát sinh sóng hài: Các bộ biến đổi nghịch lưu công suất phát sinh sóng hài bậc cao xâm nhập vào lưới. Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp (THD) tại thanh cái 220kV Vĩnh Tân và Thuận Nam tăng mạnh so với trạng thái ban đầu, trong đó các thành phần sóng hài bậc 5 và bậc 7 xuất hiện với biên độ lớn nhất, đưa chỉ số THD tại một số nút tiếp cận và có nguy cơ vượt ngưỡng cho phép 3,0% theo Thông tư 30/2019/TT-BCT.

Về gia tăng dòng điện ngắn mạch: Việc bổ sung các nguồn phát quy mô lớn làm giảm đáng kể tổng trở tương đương của hệ thống. Dòng ngắn mạch ba pha cực đại N(3) và ngắn mạch một pha chạm đất N(1) tại thanh cái 220kV trạm Phan Rí và Vĩnh Tân tăng thêm khoảng 18,5% so với khi chưa kết nối nguồn Trung Nam, tạo áp lực lớn lên khả năng cắt định mức 50 kA của các máy cắt hiện hữu.

Về giới hạn ổn định điện áp: Phân tích đường cong P-V và Q-V tại thanh cái 500kV Vĩnh Tân cho thấy biên dự trữ công suất phản kháng bị thu hẹp đáng kể. Độ nhạy V-Q tại các nút lân cận điểm đấu nối điện gió và điện mặt trời có sự biến động mạnh theo dải tốc độ gió từ 4,53 m/s đến 9,43 m/s, làm giảm độ dốc của đặc tuyến và đẩy hệ thống đến gần vùng mất ổn định điện áp cục bộ khi có sự cố đơn lẻ N-1.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản của hiện tượng gia tăng sóng hài và suy giảm biên độ ổn định điện áp xuất phát từ đặc tính phi tuyến của van bán dẫn IGBT trong bộ biến đổi công suất và sự thiếu hụt quán tính quay cơ học so với các tổ máy nhiệt điện truyền thống như Nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 1, 2, 4 (công suất 2x642 MW). Khi các nguồn phát quang điện đạt công suất cực đại vào giữa trưa, sự sụt giảm nguồn công suất phản kháng tại chỗ buộc hệ thống phải truyền tải Q từ xa, gây tổn thất điện áp cục bộ.

So sánh với các nghiên cứu vận hành lưới điện tích hợp trên 25% năng lượng tái tạo tại các nước phát triển, tình trạng méo hài bậc 5, 7 và gia tăng dòng ngắn mạch tại Bình Thuận hoàn toàn tương đồng về mặt quy luật vật lý. Để minh họa trực quan các kết quả này, báo cáo nghiên cứu đã thiết lập các biểu đồ thanh so sánh mức phân bố điện áp tại 16 nút trạm truyền tải trước và sau khi hòa lưới, hệ thống biểu đồ tròn phân tích phổ sóng hài theo từng bậc tần số từ bậc 3 đến bậc 25, cùng các đồ thị đường cong P-V và Q-V thể hiện điểm sụp đổ điện áp tại thanh cái 500kV Vĩnh Tân.

Đề xuất và khuyến nghị

Để đảm bảo lưới điện truyền tải tỉnh Bình Thuận vận hành an toàn, tin cậy và tuân thủ các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia, 4 nhóm giải pháp cụ thể được đề xuất:

Thứ nhất, lắp đặt hệ thống bộ lọc sóng hài thụ động đơn sóng (Single-tuned Passive Filter) tại thanh cái 220kV của các điểm đấu nối chung (PCC) thuộc Nhà máy điện mặt trời Trung Nam và Nhà máy điện gió Trung Nam. Mục tiêu đưa tổng độ biến dạng sóng hài điện áp (THD) từ mức trên 3,2% xuống dưới 1,5%, triệt tiêu dứt điểm các thành phần sóng hài bậc 5 và bậc 7 nguy hại. Thời gian thực hiện từ quý 1/2023 đến quý 4/2023 do Công ty Cổ phần Đầu tư Xây dựng Trung Nam phối hợp Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia (EVNNPT) triển khai.

Thứ hai, ứng dụng thiết bị hạn chế dòng ngắn mạch thụ động FCL (Fault Current Limiter) với khả năng tác động cắt trong vòng 10 ms (tương đương 0,5 chu kỳ lưới điện) trên các xuất tuyến 220kV nối về trạm 500kV Vĩnh Tân. Giải pháp này giúp duy trì dòng ngắn mạch dưới giới hạn an toàn 50 kA theo đúng Thông tư 30/2019/TT-BCT, thực hiện trong giai đoạn 2023-2024 dưới sự quản lý của Công ty Truyền tải điện 3.

Thứ ba, trang bị hệ thống bù công suất phản kháng động D-FACTS (như STATCOM hoặc SVC công suất ±100 MVAR) kết hợp tính năng điều khiển đầu phân áp dưới tải (OLTC) tại các máy biến áp 220kV Phan Thiết và Phan Rí. Mục tiêu giữ dao động điện áp ổn định trong dải quy định từ 209 kV đến 242 kV ở chế độ bình thường và trên 198 kV khi có sự cố N-1, lộ trình hoàn thành trước năm 2025 do EVNNPT và Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (A0) chủ trì.

Thứ tư, ban hành quy chế bắt buộc các nhà máy điện mặt trời 450 MWp và điện gió 150 MW phải duy trì khả năng hỗ trợ điện áp khi có sự cố sụt áp lưới (tính năng LVRT) và cấm tiêu thụ công suất phản kháng trong quá trình khởi động đóng điện. Thời gian áp dụng thường xuyên từ năm 2023 do Cục Điều tiết Điện lực (Bộ Công Thương) giám sát thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư vận hành, chuyên viên tính toán phương thức tại Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (A0), Trung tâm Điều độ Hệ thống điện miền Nam (A2) và Công ty Truyền tải điện 3 (PTC3). Nhóm đối tượng này có thể sử dụng kết quả trào lưu công suất và ngắn mạch để lập phương thức huy động nguồn tối ưu, ngăn ngừa quá tải máy biến áp tự ngẫu 900 MVA và các đường dây 220kV.

Nhóm thứ hai là các chủ đầu tư, tổng thầu EPC và kỹ sư thiết kế dự án năng lượng tái tạo quy mô từ 50 MW trở lên. Luận văn cung cấp tài liệu tham khảo chuẩn xác về thông số kỹ thuật tấm pin 330 Wp, turbine gió 2,35 MW và quy trình thiết kế bộ lọc sóng hài thụ động nhằm đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn đấu nối lưới truyền tải theo quy định của Bộ Công Thương.

Nhóm thứ ba là giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật điện tại các trường đại học kỹ thuật. Đề tài cung cấp mô hình toán ma trận Jacobian, phương pháp phân tích độ nhạy Q-V và hướng dẫn chi tiết bài toán mô phỏng hệ thống điện phức tạp trên phần mềm ETAP 12.6.

Nhóm thứ tư là các cơ quan quản lý nhà nước như Cục Điện lực và Năng lượng Tái tạo, Cục Điều tiết Điện lực. Dữ liệu thực nghiệm của đề tài là cơ sở khoa học tin cậy để hoàn thiện khung chính sách kỹ thuật, quy hoạch hệ thống truyền tải điện khu vực Nam Trung Bộ giai đoạn đến năm 2030.

Câu hỏi thường gặp

Việc hòa lưới 900 MW nguồn năng lượng tái tạo Trung Nam làm gia tăng dòng ngắn mạch tại trạm 500kV Vĩnh Tân như thế nào? Việc tích hợp đồng thời 450 MWp điện mặt trời, 300 MWp Quán Thẻ và 150 MW điện gió làm giảm mạnh tổng trở tương đương của hệ thống truyền tải. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch ba pha N(3) hoặc một pha chạm đất N(1), dòng đóng góp từ các máy phát qua trạm nâng áp đã đẩy dòng ngắn mạch tại thanh cái 220kV Vĩnh Tân tăng thêm khoảng 18,5%, tiệm cận ngưỡng chịu đựng tối đa 50 kA của thiết bị đóng cắt.

Sóng hài sinh ra từ các bộ biến đổi inverter gây ra những tác hại cụ thể nào đối với máy biến áp truyền tải? Sóng hài bậc 5, bậc 7 và bậc 11 từ các bộ nghịch lưu inverter làm gia tăng tổn hao dòng xoáy Foucault và hiệu ứng bề mặt trong cuộn dây cũng như lõi thép máy biến áp 900 MVA. Hiện tượng này gây phát nóng cục bộ nghiêm trọng, đẩy nhanh tốc độ lão hóa dầu cách điện và làm suy giảm tuổi thọ thiết bị từ 25-30 năm xuống còn khoảng 15-20 năm nếu không có giải pháp triệt tiêu sóng hài.

Tiêu chuẩn Thông tư 30/2019/TT-BCT quy định giới hạn độ méo sóng hài điện áp trên lưới 220kV và 500kV ra sao? Theo Thông tư số 30/2019/TT-BCT của Bộ Công Thương, tổng độ biến dạng sóng hài điện áp (THD) tại điểm đấu nối chung PCC ở các cấp điện áp 110kV, 220kV và 500kV không được phép vượt quá 3,0%. Đồng thời, độ biến dạng của từng thành phần sóng hài riêng lẻ ở các cấp điện áp truyền tải này phải được kiểm soát nghiêm ngặt dưới mức 1,5%.

Tại sao giải pháp bộ lọc sóng hài thụ động đơn sóng lại được ưu tiên lựa chọn cho lưới điện Bình Thuận? Bộ lọc thụ động đơn sóng gồm cuộn kháng và tụ điện được thiết kế mạch cộng hưởng LC có cấu tạo chắc chắn, độ tin cậy cao và chi phí đầu tư chỉ bằng khoảng 30% đến 40% so với bộ lọc tích cực công suất lớn. Giải pháp này giúp dời tần số cộng hưởng ra xa vùng nguy hại, triệt tiêu hiệu quả sóng hài bậc 5 và đưa THD về dưới 1,5%.

Phân tích độ nhạy Q-V trên phần mềm ETAP mang lại lợi ích gì trong việc ngăn ngừa hiện tượng sụp đổ điện áp? Phân tích độ nhạy Q-V thông qua việc tính toán phần tử đường chéo của ma trận nghịch đảo Jacobian giúp xác định chính xác tỷ lệ biến thiên điện áp theo công suất phản kháng (dV/dQ). Chỉ số dV/dQ dương phản ánh nút vận hành ổn định, trong khi dV/dQ tiến về 0 hoặc âm sẽ cảnh báo kịp thời nguy cơ sụp đổ điện áp để điều độ viên kích hoạt bù công suất phản kháng.

Kết luận

  • Luận văn đã mô hình hóa và đánh giá toàn diện ảnh hưởng của cụm nguồn năng lượng tái tạo Trung Nam quy mô 900 MW đến lưới truyền tải tỉnh Bình Thuận với 1 trạm 500kV (1.800 MVA) và 3 trạm 220kV (1.500 MVA).
  • Phân tích định lượng sự thay đổi trào lưu công suất khiến 2 máy biến áp tự ngẫu tại trạm 500kV Vĩnh Tân mang tải trên 308 MW vào ban ngày và làm tăng dòng ngắn mạch hệ thống thêm khoảng 18,5%.
  • Chỉ rõ nguy cơ méo dạng sóng hài bậc 5, 7 đẩy chỉ số THD vượt ngưỡng 3,0% và xác định các nút xung yếu về ổn định điện áp thông qua ma trận độ nhạy Q-V trên phần mềm ETAP.
  • Đề xuất thành công 2 giải pháp công nghệ trọng tâm gồm bộ lọc sóng hài thụ động đơn sóng đưa THD về dưới 1,5% và bộ hạn chế dòng ngắn mạch FCL tác động nhanh dưới 10 ms.
  • Định hướng lộ trình nghiên cứu tiếp theo trong giai đoạn 2023-2026 tập trung vào giải pháp tích hợp hệ thống pin tích năng BESS quy mô 50 MW đến 100 MW và các thuật toán điều khiển thích nghi hiện đại.

Công trình nghiên cứu là tài liệu khoa học chuyên sâu, cung cấp giải pháp kỹ thuật thiết thực cho các đơn vị quản lý vận hành lưới điện truyền tải và các chủ đầu tư năng lượng tái tạo. Quý độc giả, chuyên gia và học viên quan tâm có thể khai thác các dữ liệu mô phỏng và phương pháp tính toán trong luận văn để áp dụng cho các đề án nâng cao chất lượng điện năng thực tế.