Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối trung hạ áp đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp điện năng ổn định và hiệu quả cho các khu vực đô thị và nông thôn. Tại Thành phố Hưng Yên, với dân số trên 147 nghìn người và diện tích tự nhiên 7.342,07 ha, hệ thống lưới điện phân phối hiện đang vận hành với tổng chiều dài 130,20 km đường dây trung áp 22 kV và 35 kV, cùng 307,333 km đường dây hạ áp, phục vụ hơn 39.279 khách hàng. Việc nâng cao chất lượng vận hành lưới điện phân phối, giảm tổn thất điện năng và tăng độ tin cậy cung cấp điện là yêu cầu cấp thiết trong bối cảnh phát triển kinh tế - xã hội hiện nay.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của việc thay thế máy biến áp ba pha bằng máy biến áp một pha tới các chỉ tiêu kỹ thuật của lưới điện phân phối trung hạ áp tại Thành phố Hưng Yên. Mục tiêu cụ thể là đánh giá các chỉ số tổn thất điện áp, tổn thất công suất và tổn thất điện năng trước và sau khi thay thế, đồng thời đề xuất phương án tối ưu nhằm giảm tổn thất, nâng cao chất lượng điện áp và độ tin cậy cung cấp điện. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào xuất tuyến lưới điện phân phối 22 kV thuộc Điện lực Thành phố Hưng Yên, với dữ liệu vận hành và phụ tải thực tế giai đoạn 2018-2024.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho các đơn vị điện lực trong việc quy hoạch, vận hành và đầu tư phát triển lưới điện phân phối, góp phần giảm tổn thất điện năng khoảng 1-6%, nâng cao hiệu quả kinh tế kỹ thuật và đảm bảo chất lượng điện năng cho khách hàng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết tổn thất điện áp và công suất trong lưới điện phân phối: Bao gồm các công thức tính tổn thất điện áp trên đường dây và máy biến áp, tổn thất công suất tác dụng và phản kháng, tổn thất điện năng theo thời gian vận hành. Các tổn thất này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điện áp và hiệu quả kinh tế của lưới điện.

  • Mô hình lưới điện không đối xứng: Phân tích tổn thất và điện áp từng pha trong lưới điện trung hạ áp với phụ tải không đối xứng, sử dụng sơ đồ 3 pha 4 dây. Mô hình này giúp đánh giá chính xác ảnh hưởng của việc thay thế máy biến áp ba pha bằng máy biến áp một pha đến sự cân bằng pha và tổn thất.

  • Phương pháp đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật: Sử dụng chỉ số Giá trị hiện tại thuần (NPV) và Tỷ suất hoàn vốn nội bộ (IRR) để đánh giá tính khả thi và hiệu quả đầu tư của các phương án thay thế máy biến áp.

  • Phần mềm mô phỏng PSS/ADEPT: Công cụ tính toán và phân tích lưới điện phân phối, hỗ trợ tính toán tổn thất điện áp, tổn thất công suất và tổn thất điện năng trên lưới điện trung và hạ áp.

Các khái niệm chính bao gồm: tổn thất điện áp, tổn thất công suất, tổn thất điện năng, máy biến áp ba pha và một pha, lưới điện không đối xứng, NPV, IRR.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực tế từ Điện lực Thành phố Hưng Yên, bao gồm sơ đồ lưới điện, thông số kỹ thuật máy biến áp, đường dây trung hạ áp, dữ liệu phụ tải và vận hành trong giai đoạn 2018-2024.

  • Phương pháp phân tích:

    • Phân tích hiện trạng lưới điện phân phối trung áp 22 kV và hạ áp 0,4 kV, đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật và tổn thất hiện tại.

    • Xây dựng các phương án thay thế máy biến áp ba pha bằng máy biến áp một pha với ba kịch bản: (1) thay thế tại vị trí máy biến áp ba pha hiện trạng, (2) thay thế tại vị trí phụ tải, (3) thay thế tại vị trí hợp lý cấp điện cho nhóm phụ tải.

    • Sử dụng phần mềm PSS/ADEPT để mô phỏng và tính toán tổn thất điện áp, tổn thất công suất và tổn thất điện năng cho từng phương án.

    • Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật dựa trên chỉ số NPV và IRR, so sánh các phương án để lựa chọn phương án tối ưu.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2018, với dữ liệu vận hành và dự báo phụ tải đến năm 2024.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Lưới điện phân phối trung hạ áp tại Thành phố Hưng Yên với 68 trạm biến áp thuộc đường dây 479 E28.7 được chọn làm mẫu nghiên cứu điển hình, đại diện cho đặc điểm lưới điện đô thị có phụ tải đa dạng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện trạng tổn thất lưới điện phân phối:

    • Tổng tổn thất công suất tác dụng trên đường dây 479 E28.7 là khoảng 383 kW, tương đương 3,65% công suất truyền tải.

    • Tổn thất điện năng trên đường dây và máy biến áp trong năm đạt khoảng 675.000 kWh, chiếm tỷ lệ tổn thất điện năng khoảng 1,21% so với điện nhận đầu nguồn.

    • Đường dây hạ áp sau trạm biến áp 250 kVA Phạm Bạch Hổ có tổn thất công suất tác dụng khoảng 9,9 kW, tổn thất điện năng chiếm 4,64% sản lượng điện.

  2. Phân tích ba phương án thay thế máy biến áp ba pha bằng máy biến áp một pha:

    • Phương án 1: Thay thế bằng tổ hợp 3 máy biến áp một pha tại vị trí máy biến áp ba pha hiện trạng. Tổn thất điện năng giảm nhẹ xuống còn 5,71% trên đường dây hạ áp và máy biến áp, tuy nhiên chỉ số NPV âm (-217 triệu đồng) và IRR âm (-13,38%) cho thấy phương án không hiệu quả về kinh tế.

    • Phương án 2: Thay thế bằng máy biến áp một pha tại vị trí phụ tải (18 máy biến áp một pha). Tổn thất điện năng giảm đáng kể xuống còn 1,86%, tuy nhiên NPV vẫn âm (-218 triệu đồng) và IRR chỉ 4,04%, chưa đủ hấp dẫn để đầu tư.

    • Phương án 3: Thay thế bằng máy biến áp một pha tại vị trí hợp lý, cấp điện cho nhóm phụ tải. Tổn thất điện năng trên đường dây hạ áp và máy biến áp giảm mạnh, điện áp thấp nhất cải thiện lên 201 V (giảm tổn thất điện áp 7,5%), tổn thất công suất giảm 2,2%. Phương án này có hiệu quả kỹ thuật và kinh tế tốt hơn so với hai phương án trước.

  3. Ảnh hưởng đến chất lượng điện áp và cân bằng pha:

    • Việc thay thế máy biến áp ba pha bằng máy biến áp một pha làm tăng mức độ không đối xứng pha trên lưới trung áp, tuy nhiên với phương án bố trí hợp lý (phương án 3), mức độ không đối xứng vẫn nằm trong giới hạn cho phép (<3% đối với trung áp).

    • Điện áp thấp nhất trên lưới được cải thiện, giảm nguy cơ mất điện áp tại các nút phụ tải xa.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc thay thế máy biến áp ba pha bằng máy biến áp một pha có thể giảm tổn thất điện năng và cải thiện chất lượng điện áp nếu được thực hiện với phương án bố trí hợp lý. Phương án 3, với việc phân bổ máy biến áp một pha tại các vị trí tối ưu cấp điện cho nhóm phụ tải, vừa giảm chiều dài lưới hạ áp, vừa giảm tổn thất điện năng khoảng 1,5-3% so với hiện trạng.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, mô hình lưới điện phân phối sử dụng máy biến áp một pha phổ biến tại Bắc Mỹ và Nhật Bản cũng cho thấy ưu điểm về giảm tổn thất và tăng độ linh hoạt trong vận hành. Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu tăng do số lượng máy biến áp nhiều hơn là thách thức cần cân nhắc.

Việc sử dụng phần mềm PSS/ADEPT giúp mô phỏng chính xác tổn thất điện áp và công suất trong lưới điện không đối xứng, hỗ trợ đánh giá kỹ thuật và kinh tế các phương án thay thế. Biểu đồ phụ tải và bảng tổn thất điện năng minh họa rõ sự cải thiện về hiệu quả vận hành khi áp dụng phương án tối ưu.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, cung cấp cơ sở khoa học cho các đơn vị điện lực trong việc quy hoạch và vận hành lưới điện phân phối, đồng thời góp phần giảm tổn thất điện năng và nâng cao chất lượng điện áp phục vụ phát triển kinh tế - xã hội.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai phương án thay thế máy biến áp ba pha bằng máy biến áp một pha tại vị trí hợp lý (phương án 3):

    • Mục tiêu giảm tổn thất điện năng ít nhất 1,5% và cải thiện điện áp thấp nhất lên trên 200 V.

    • Thời gian thực hiện trong vòng 2-3 năm, ưu tiên các khu vực có phụ tải không đối xứng cao và tổn thất lớn.

    • Chủ thể thực hiện: Điện lực Thành phố Hưng Yên phối hợp với Công ty Điện lực Hưng Yên.

  2. Sử dụng phần mềm mô phỏng PSS/ADEPT để đánh giá và tối ưu hóa lưới điện phân phối:

    • Áp dụng cho các dự án quy hoạch và cải tạo lưới điện nhằm dự báo tổn thất và cân bằng pha chính xác.

    • Đào tạo nhân viên kỹ thuật vận hành sử dụng phần mềm để nâng cao năng lực quản lý lưới điện.

  3. Tăng cường giám sát và quản lý chất lượng điện áp, độ không đối xứng pha:

    • Thiết lập hệ thống đo đạc điện áp và dòng điện tại các nút trọng điểm để phát hiện sớm các vấn đề mất cân bằng pha.

    • Định kỳ đánh giá và điều chỉnh bố trí máy biến áp nhằm duy trì chất lượng điện áp trong giới hạn quy định.

  4. Xây dựng kế hoạch đầu tư phát triển lưới điện phân phối đồng bộ:

    • Ưu tiên đầu tư nâng cấp lưới trung áp và hạ áp, giảm chiều dài đường dây và tăng tiết diện dây dẫn tại các đoạn có tổn thất cao.

    • Kết hợp với việc thay thế máy biến áp để tối ưu hóa chi phí đầu tư và vận hành.

    • Chủ thể thực hiện: Tổng công ty Điện lực miền Bắc và các đơn vị điện lực địa phương.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các đơn vị điện lực và quản lý lưới điện phân phối:

    • Lợi ích: Áp dụng phương pháp và kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa vận hành, giảm tổn thất và nâng cao chất lượng điện năng.

    • Use case: Quy hoạch cải tạo lưới điện tại các thành phố tương tự Hưng Yên.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện:

    • Lợi ích: Tham khảo phương pháp tính toán lưới điện không đối xứng, ứng dụng phần mềm PSS/ADEPT và đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật.

    • Use case: Nghiên cứu chuyên sâu về lưới điện phân phối và máy biến áp.

  3. Các nhà hoạch định chính sách và cơ quan quản lý ngành điện:

    • Lợi ích: Cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, quy định vận hành và kế hoạch đầu tư phát triển lưới điện phân phối.

    • Use case: Xây dựng chính sách giảm tổn thất điện năng và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

  4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp cung cấp thiết bị điện:

    • Lợi ích: Hiểu rõ xu hướng phát triển lưới điện phân phối và nhu cầu sử dụng máy biến áp một pha, ba pha.

    • Use case: Phát triển sản phẩm phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Việc thay thế máy biến áp ba pha bằng máy biến áp một pha có làm tăng tổn thất điện năng không?

    • Không nhất thiết. Nếu bố trí hợp lý, việc thay thế có thể giảm tổn thất điện năng do giảm chiều dài lưới hạ áp và tổn thất điện áp. Ví dụ, phương án bố trí máy biến áp một pha tại vị trí hợp lý đã giảm tổn thất điện năng khoảng 1,5-3% so với hiện trạng.
  2. Phần mềm PSS/ADEPT có vai trò gì trong nghiên cứu này?

    • PSS/ADEPT giúp mô phỏng lưới điện không đối xứng, tính toán tổn thất điện áp, công suất và điện năng chính xác, hỗ trợ đánh giá kỹ thuật và kinh tế các phương án thay thế máy biến áp.
  3. Tại sao phương án thay thế máy biến áp một pha tại vị trí phụ tải không hiệu quả về kinh tế?

    • Mặc dù giảm tổn thất điện năng đáng kể, nhưng chi phí đầu tư cho nhiều máy biến áp một pha nhỏ lẻ cao, dẫn đến chỉ số NPV âm và IRR thấp, không đảm bảo hiệu quả đầu tư.
  4. Ảnh hưởng của việc thay thế máy biến áp đến độ không đối xứng pha như thế nào?

    • Việc sử dụng máy biến áp một pha có thể làm tăng độ không đối xứng pha trên lưới trung áp, nhưng nếu bố trí hợp lý, mức độ không đối xứng vẫn nằm trong giới hạn cho phép (dưới 3% đối với trung áp).
  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào các khu vực khác?

    • Cần khảo sát đặc điểm lưới điện và phụ tải tương tự, sử dụng phần mềm mô phỏng để đánh giá tổn thất và cân bằng pha, từ đó lựa chọn phương án thay thế máy biến áp phù hợp, tương tự như nghiên cứu tại Thành phố Hưng Yên.

Kết luận

  • Việc thay thế máy biến áp ba pha bằng máy biến áp một pha có thể giảm tổn thất điện năng và cải thiện chất lượng điện áp nếu được bố trí hợp lý.

  • Phương án thay thế máy biến áp một pha tại vị trí hợp lý cấp điện cho nhóm phụ tải (phương án 3) là tối ưu về mặt kỹ thuật và kinh tế trong điều kiện lưới điện Thành phố Hưng Yên.

  • Phần mềm PSS/ADEPT là công cụ hiệu quả để mô phỏng và đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của lưới điện không đối xứng.

  • Các chỉ số NPV và IRR giúp đánh giá tính khả thi đầu tư, tránh các phương án không hiệu quả kinh tế.

  • Đề xuất triển khai phương án tối ưu trong vòng 2-3 năm, đồng thời áp dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở cho các khu vực lưới điện phân phối tương tự.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị điện lực cần phối hợp triển khai khảo sát, mô phỏng chi tiết và lập kế hoạch đầu tư thay thế máy biến áp theo phương án tối ưu, đồng thời đào tạo nhân lực sử dụng phần mềm mô phỏng để nâng cao hiệu quả quản lý vận hành lưới điện.