Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển mạnh mẽ nhằm đáp ứng nhu cầu điện năng ngày càng tăng cao, đặc biệt trong bối cảnh chuyển dịch sang năng lượng tái tạo. Dự báo nhu cầu điện toàn quốc đến năm 2030 đạt khoảng 495.853 GWh điện thương phẩm với công suất cực đại lên tới 88.833 MW, trong đó miền Trung chiếm khoảng 10% nhu cầu toàn quốc. Tỉnh Bình Định, thuộc vùng duyên hải Nam Trung Bộ, có công suất cực đại năm 2018 đạt 324 MW và dự kiến tăng lên 370 MW vào năm 2019. Với sự phát triển của các dự án năng lượng mặt trời, đặc biệt là Nhà máy điện mặt trời (NMĐMT) Cát Hiệp công suất 49,5 MWp đấu nối vào lưới điện 110kV, việc nghiên cứu ảnh hưởng của nhà máy này đến chế độ vận hành hệ thống điện tỉnh Bình Định là cần thiết.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung đánh giá tác động của NMĐMT Cát Hiệp đến điện áp, công suất truyền tải, tổn thất công suất và khả năng mang tải của lưới điện 110kV tỉnh Bình Định. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích chế độ vận hành trước và sau khi hòa lưới nhà máy, đánh giá ổn định điện áp dựa trên đường cong PV, mô phỏng các sự cố ngắn mạch N-1, N-2 và đề xuất các giải pháp vận hành tối ưu. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo vận hành an toàn, ổn định và hiệu quả của hệ thống điện tỉnh Bình Định, đồng thời góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo tại khu vực miền Trung.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về hệ thống điện, bao gồm:

  • Lý thuyết trào lưu công suất (Power Flow Theory): Sử dụng các phương pháp giải tích mạng điện như Gauss-Seidel và Newton-Raphson để tính toán dòng điện, điện áp và công suất tại các nút trong hệ thống điện. Đây là cơ sở để đánh giá chế độ vận hành và phân tích ảnh hưởng của nguồn điện mới.

  • Mô hình ổn định điện áp dựa trên đường cong PV: Đường cong PV biểu diễn mối quan hệ giữa công suất tác dụng và điện áp tại các nút, giúp đánh giá khả năng duy trì ổn định điện áp khi có sự thay đổi tải hoặc nguồn cấp.

  • Khái niệm tổn thất công suất và tổn thất điện năng: Bao gồm tổn thất kỹ thuật trên đường dây và tổn thất phi kỹ thuật, là cơ sở để phân tích hiệu quả vận hành và đề xuất các biện pháp giảm tổn thất.

Các khái niệm chính được sử dụng gồm: công suất phản kháng (CSPK), điện áp nút, dòng chạy trên đường dây, tổn thất công suất, ổn định điện áp, và sự cố ngắn mạch.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng số liệu thực tế do Công ty Điện lực Bình Định và Tổng công ty Điện lực miền Trung cung cấp, bao gồm thông số kỹ thuật đường dây, máy biến áp, phụ tải và dữ liệu vận hành năm 2018. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ hệ thống lưới điện 110kV tỉnh Bình Định với 13 trạm biến áp và các tuyến đường dây liên kết.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng trào lưu công suất và ổn định điện áp bằng phần mềm PSS/E, sử dụng các thuật toán Gauss-Seidel và Newton-Raphson để tính toán chế độ xác lập. Các kịch bản vận hành được mô phỏng bao gồm:

  • Chế độ vận hành không có NMĐMT Cát Hiệp.

  • Chế độ vận hành có NMĐMT Cát Hiệp hòa lưới.

  • Mô phỏng các sự cố ngắn mạch N-1, N-2 để đánh giá ổn định quá độ.

  • Phân tích tác động của bù công suất phản kháng tại các nút trọng điểm.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2018-2019, tập trung thu thập số liệu, mô phỏng và phân tích kết quả nhằm đưa ra các đề xuất vận hành phù hợp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng đến điện áp các nút trong lưới điện: Khi NMĐMT Cát Hiệp hòa lưới, điện áp tại các nút trọng điểm trong hệ thống 110kV tỉnh Bình Định có sự biến động rõ rệt. Điện áp tại một số nút giảm khoảng 3-5% so với chế độ không có nhà máy, đặc biệt tại các nút gần vị trí đấu nối. Điều này cho thấy nhà máy ảnh hưởng đến phân bố điện áp và cần có biện pháp bù CSPK để ổn định.

  2. Tổn thất công suất trên đường dây: Mô phỏng cho thấy tổn thất công suất tác dụng trên các đường dây truyền tải tăng khoảng 2-4% khi có NMĐMT Cát Hiệp, trong khi tổn thất công suất phản kháng cũng tăng tương ứng. Tổn thất điện năng phi kỹ thuật không thay đổi đáng kể. Việc tăng tổn thất này ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành và chi phí vận hành hệ thống.

  3. Khả năng mang tải của đường dây: Các tuyến đường dây 110kV gần nhà máy có khả năng mang tải giảm khoảng 5-7% do sự thay đổi dòng điện và điện áp. Điều này đòi hỏi phải điều chỉnh phương thức vận hành và có kế hoạch nâng cấp hoặc bù công suất phù hợp để đảm bảo an toàn vận hành.

  4. Ổn định điện áp và sự cố ngắn mạch: Đường cong PV mô phỏng bằng PSS/E cho thấy hệ thống vẫn duy trì ổn định điện áp khi có NMĐMT Cát Hiệp, tuy nhiên biên độ ổn định giảm khoảng 10% so với trước khi hòa lưới. Mô phỏng sự cố N-1, N-2 cho thấy hệ thống có khả năng chịu đựng các sự cố ngắn mạch nhưng cần có phương án vận hành dự phòng hợp lý để giảm thiểu rủi ro.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các biến động điện áp và tăng tổn thất là do nguồn điện mặt trời hòa lưới ở cấp điện áp 110kV tạo ra dòng công suất phản kháng và thay đổi trào lưu công suất trên hệ thống. So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với xu hướng chung khi nguồn năng lượng tái tạo tham gia lưới điện truyền tải trung áp, gây ảnh hưởng đến điện áp và tổn thất.

Việc sử dụng phần mềm PSS/E cho phép mô phỏng chi tiết và trực quan các biến đổi này, giúp người vận hành có cơ sở để điều chỉnh chế độ vận hành, bù công suất phản kháng và lập kế hoạch nâng cấp lưới điện. Kết quả cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc đánh giá ổn định điện áp dựa trên đường cong PV và mô phỏng sự cố để đảm bảo an toàn vận hành.

Các biểu đồ điện áp tại các nút, tổn thất công suất trên đường dây và đường cong PV được trình bày chi tiết trong luận văn, giúp minh họa rõ ràng các ảnh hưởng và hiệu quả của các giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai bù công suất phản kháng tại các nút trọng điểm: Lắp đặt thiết bị bù CSPK với dung lượng từ 20 đến 50 MVAr tại các nút có điện áp biến động lớn nhằm ổn định điện áp, giảm tổn thất và nâng cao khả năng mang tải. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, do Công ty Điện lực Bình Định chủ trì.

  2. Điều chỉnh phương thức vận hành lưới điện: Xây dựng quy trình vận hành linh hoạt, bao gồm điều chỉnh công suất phát của NMĐMT Cát Hiệp theo giờ cao điểm và thấp điểm, phối hợp với các nguồn thủy điện và nhiệt điện để cân bằng công suất. Thời gian áp dụng ngay sau khi nhà máy hòa lưới.

  3. Nâng cấp hạ tầng truyền tải: Đầu tư nâng cấp các tuyến đường dây 110kV có khả năng mang tải giảm, đồng thời xem xét mở rộng lưới điện 220kV để giảm tải cho lưới trung áp. Kế hoạch dài hạn 3-5 năm, phối hợp với Tổng công ty Điện lực miền Trung.

  4. Tăng cường giám sát và mô phỏng sự cố: Sử dụng phần mềm PSS/E để thường xuyên mô phỏng các kịch bản vận hành và sự cố, từ đó xây dựng các phương án dự phòng phù hợp, đảm bảo ổn định điện áp và tần số khi xảy ra sự cố ngắn mạch. Thực hiện liên tục trong quá trình vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư vận hành hệ thống điện: Nắm bắt được ảnh hưởng của nguồn năng lượng tái tạo đến chế độ vận hành, từ đó điều chỉnh phương thức vận hành và xử lý sự cố hiệu quả.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo và quy hoạch lưới điện phù hợp với thực tế địa phương.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tham khảo phương pháp mô phỏng, phân tích trào lưu công suất và ổn định điện áp trong hệ thống điện có nguồn năng lượng tái tạo.

  4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp năng lượng tái tạo: Hiểu rõ tác động của dự án điện mặt trời đến hệ thống điện địa phương, từ đó tối ưu hóa thiết kế và vận hành nhà máy.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nhà máy điện mặt trời Cát Hiệp ảnh hưởng như thế nào đến điện áp lưới điện Bình Định?
    NMĐMT Cát Hiệp khi hòa lưới làm điện áp tại các nút gần vị trí đấu nối giảm khoảng 3-5%, gây biến động điện áp cần được bù công suất phản kháng để ổn định.

  2. Tổn thất công suất trên đường dây có tăng khi có nhà máy điện mặt trời không?
    Có, tổn thất công suất tác dụng và phản kháng tăng khoảng 2-4% do sự thay đổi dòng điện và điện áp trên các tuyến đường dây gần nhà máy.

  3. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng và phân tích trong nghiên cứu này?
    Phần mềm PSS/E được sử dụng với các thuật toán Gauss-Seidel và Newton-Raphson để tính toán trào lưu công suất, ổn định điện áp và mô phỏng sự cố.

  4. Làm thế nào để đảm bảo ổn định điện áp khi có nguồn năng lượng tái tạo tham gia lưới?
    Cần lắp đặt thiết bị bù công suất phản kháng tại các nút trọng điểm, điều chỉnh công suất phát và nâng cấp hạ tầng truyền tải để duy trì điện áp ổn định.

  5. Nghiên cứu có áp dụng mô phỏng các sự cố ngắn mạch không?
    Có, mô phỏng các sự cố N-1, N-2 được thực hiện để đánh giá khả năng chịu đựng và đề xuất phương án vận hành dự phòng phù hợp.

Kết luận

  • Đề tài đã đánh giá chi tiết ảnh hưởng của NMĐMT Cát Hiệp đến chế độ vận hành hệ thống điện 110kV tỉnh Bình Định, bao gồm điện áp, tổn thất công suất và khả năng mang tải.
  • Ổn định điện áp được phân tích dựa trên đường cong PV, cho thấy hệ thống vẫn duy trì ổn định nhưng có sự giảm biên độ ổn định khi nhà máy hòa lưới.
  • Mô phỏng sự cố ngắn mạch N-1, N-2 giúp xây dựng phương án vận hành dự phòng hiệu quả, đảm bảo an toàn hệ thống.
  • Các giải pháp bù công suất phản kháng, điều chỉnh vận hành và nâng cấp hạ tầng được đề xuất nhằm nâng cao chất lượng điện năng và giảm tổn thất.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc phát triển năng lượng tái tạo và vận hành hệ thống điện tỉnh Bình Định trong giai đoạn tới.

Next steps: Triển khai các giải pháp bù CSPK, điều chỉnh vận hành và nâng cấp lưới điện trong vòng 1-3 năm tới; tiếp tục giám sát và mô phỏng để tối ưu hóa vận hành.

Call to action: Các đơn vị quản lý và vận hành hệ thống điện cần phối hợp chặt chẽ để áp dụng các kết quả nghiên cứu, đảm bảo phát triển bền vững năng lượng tái tạo tại Bình Định.