Tổng quan nghiên cứu

Thành phố Lạng Sơn, với dân số khoảng 200.000 người năm 2018 và diện tích gần 79 km², đang trải qua quá trình phát triển kinh tế - xã hội nhanh chóng với tốc độ tăng trưởng kinh tế bình quân từ 10-11% mỗi năm. Nhu cầu sử dụng điện năng tăng cao, đặc biệt trong các lĩnh vực công nghiệp, dịch vụ và sinh hoạt, đặt ra yêu cầu cấp thiết về nâng cao chất lượng điện năng cung cấp. Theo báo cáo năm 2019, hệ thống điện của thành phố được cấp điện chủ yếu từ trạm biến áp 110kV Lạng Sơn với tổng số hơn 61.000 khách hàng, trong đó phần lớn là hộ dân sinh hoạt chiếm trên 90% tổng sản lượng điện tiêu thụ. Tuy nhiên, tại một số trạm biến áp, hệ số công suất (cosφ) thấp gây ra tổn thất điện năng lớn và ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện áp.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát thực trạng hệ số công suất tại các trạm biến áp của thành phố, nghiên cứu các phương pháp bù công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất, lựa chọn cấu trúc thiết bị bù phù hợp và thiết kế hệ thống điều khiển bù công suất phản kháng cho trạm biến áp có hệ số công suất thấp. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mạng điện phân phối của thành phố Lạng Sơn trong giai đoạn 2020-2025, với dự báo tăng trưởng phụ tải điện từ 12% đến 15% mỗi năm. Việc cải thiện chất lượng điện năng không chỉ giúp giảm tổn thất điện năng mà còn nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội bền vững của địa phương.

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 chất lượng điện năng và bù công suất phản kháng trong hệ thống điện phân phối. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết hệ số công suất và công suất phản kháng: Hệ số công suất cosφ là tỉ số giữa công suất tác dụng (P) và công suất biểu kiến (S), phản ánh hiệu quả sử dụng điện năng. Công suất phản kháng (Q) không sinh công hữu ích nhưng cần thiết cho quá trình vận hành thiết bị điện xoay chiều. Việc bù công suất phản kháng nhằm giảm Q, nâng cao cosφ, từ đó giảm tổn thất điện năng và cải thiện điện áp.

  2. Mô hình bù công suất phản kháng bằng thiết bị FACTS (Flexible AC Transmission Systems): Các thiết bị như FC-TCR, SVC, STATCOM được sử dụng để điều chỉnh công suất phản kháng một cách linh hoạt, nâng cao chất lượng điện áp và ổn định hệ thống điện.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: hệ số công suất (cosφ), công suất tác dụng (P), công suất phản kháng (Q), công suất biểu kiến (S), bù công suất phản kháng, thiết bị bù FC-TCR, bộ điều khiển PID, độ lệch điện áp, độ không sin, độ đối xứng điện áp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực tế thu thập từ mạng điện phân phối thành phố Lạng Sơn, bao gồm số liệu về công suất, hệ số công suất, điện áp tại các trạm biến áp trong năm 2019. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 88 trạm biến áp với tổng dung lượng hơn 6,2 MVA, cùng các đường dây trung thế và hạ thế liên quan.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng hệ thống bù công suất phản kháng sử dụng phần mềm Matlab/Simulink, kết hợp với thiết kế điều khiển bộ bù theo phương pháp PID dựa trên thuật toán Ziegler-Nichols. Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline từ khảo sát thực tế, phân tích số liệu, thiết kế mô hình bù, đến mô phỏng và đánh giá kết quả.

Phương pháp chọn mẫu là lấy toàn bộ các trạm biến áp chính trong mạng điện thành phố để đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả. Phân tích số liệu tập trung vào đánh giá hệ số công suất, tổn thất điện năng, độ lệch điện áp và các chỉ tiêu chất lượng điện áp khác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hệ số công suất trung bình tại các trạm biến áp thấp: Nhiều trạm biến áp có hệ số công suất cosφ dưới 0,9, ví dụ trạm biến áp Lý Thường Kiệt có cosφ chỉ khoảng 0,25, gây tổn thất điện năng lớn. Trung bình cosφ tại các trạm dao động từ 0,5 đến 0,9, thấp hơn mức lý tưởng là 1.

  2. Tổn thất điện năng cao tại các trạm có cosφ thấp: Tổn thất điện năng tại các trạm biến áp như Đài PT Truyền Hình (cosφ 0,3) và Yên Thành (cosφ 0,79) tương ứng với sản lượng công suất phản kháng lớn, dẫn đến tổn thất điện năng lên đến hàng chục nghìn kWh mỗi năm.

  3. Độ lệch điện áp và chất lượng điện áp chưa đồng đều: Độ lệch điện áp tại các điểm khảo sát dao động trong khoảng cho phép nhưng có những thời điểm điện áp thấp hơn hoặc cao hơn mức tiêu chuẩn, ảnh hưởng đến hoạt động ổn định của thiết bị điện.

  4. Hiệu quả mô phỏng hệ thống bù công suất phản kháng DSVC: Mô phỏng trên Matlab/Simulink cho thấy hệ thống bù DSVC cải thiện hệ số công suất lên gần 0,98, giảm tổn thất điện năng và ổn định điện áp tại các điểm đo. Đáp ứng cosφ của hệ thống đạt mức ổn định trong thời gian ngắn, chứng tỏ tính hiệu quả của thiết kế điều khiển PID.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hệ số công suất thấp là do phụ tải công nghiệp và sinh hoạt sử dụng nhiều thiết bị điện xoay chiều có thành phần công suất phản kháng lớn. Điều này làm tăng dòng điện trên đường dây, gây tổn thất điện năng và sụt áp. Kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo ngành điện lực cho thấy việc bù công suất phản kháng là giải pháp hiệu quả để nâng cao chất lượng điện năng.

So sánh với các nghiên cứu tương tự tại các thành phố khác, việc áp dụng thiết bị bù công suất phản kháng linh hoạt như DSVC giúp cải thiện đáng kể hệ số công suất và giảm tổn thất so với phương pháp bù cố định truyền thống. Việc thiết kế bộ điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, đáp ứng nhanh với biến đổi phụ tải.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cosφ theo thời gian trước và sau khi bù, bảng so sánh tổn thất điện năng tại các trạm biến áp, và đồ thị điện áp tại các điểm đo để minh họa hiệu quả cải thiện chất lượng điện năng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống bù công suất phản kháng DSVC tại các trạm biến áp có hệ số công suất thấp: Ưu tiên các trạm có cosφ dưới 0,9 để giảm tổn thất điện năng và cải thiện điện áp. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, do Điện lực Thành phố Lạng Sơn chủ trì.

  2. Nâng cao công tác giám sát và đo đạc chất lượng điện năng thường xuyên: Sử dụng thiết bị đo hiện đại để theo dõi hệ số công suất, điện áp, sóng hài nhằm phát hiện kịp thời các vấn đề và điều chỉnh hệ thống bù phù hợp. Thực hiện liên tục hàng năm.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ vận hành lưới điện: Tập huấn về công nghệ bù công suất phản kháng, vận hành thiết bị FACTS và phân tích dữ liệu chất lượng điện năng. Kế hoạch đào tạo trong 6 tháng đầu năm.

  4. Khuyến khích các khách hàng công nghiệp sử dụng thiết bị tiết kiệm năng lượng và bù công suất phản kháng tại nguồn: Giảm tải cho lưới điện phân phối, nâng cao hiệu quả sử dụng điện. Thực hiện qua các chương trình hỗ trợ và chính sách ưu đãi trong 3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ kỹ thuật và quản lý ngành điện lực: Nắm bắt các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng, áp dụng công nghệ bù công suất phản kháng hiệu quả trong vận hành lưới điện phân phối.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện: Tham khảo mô hình nghiên cứu, phương pháp thiết kế điều khiển và mô phỏng hệ thống bù công suất phản kháng.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và công nghiệp sử dụng điện lớn: Hiểu rõ tác động của hệ số công suất thấp đến chi phí điện năng và hiệu quả sản xuất, từ đó có giải pháp cải thiện tại nguồn.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về năng lượng và phát triển đô thị: Đánh giá hiệu quả các chính sách phát triển hạ tầng điện năng, lập kế hoạch phát triển lưới điện bền vững cho các đô thị tương tự.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao hệ số công suất lại quan trọng trong chất lượng điện năng?
    Hệ số công suất phản ánh hiệu quả sử dụng điện năng. Cosφ thấp làm tăng dòng điện trên đường dây, gây tổn thất điện năng và sụt áp, ảnh hưởng đến độ ổn định và chi phí vận hành hệ thống điện.

  2. Phương pháp bù công suất phản kháng nào hiệu quả nhất cho mạng điện thành phố?
    Hệ thống bù DSVC sử dụng thiết bị FACTS kết hợp bộ điều khiển PID được chứng minh qua mô phỏng là hiệu quả, nâng cao cosφ lên gần 0,98 và ổn định điện áp nhanh chóng.

  3. Làm thế nào để xác định dung lượng bù công suất phản kháng cần thiết?
    Dựa trên số liệu công suất phản kháng tiêu thụ tại các trạm biến áp và phụ tải, dung lượng bù được tính toán để bù trừ lượng công suất phản kháng tiêu thụ, đảm bảo hệ số công suất đạt mức tiêu chuẩn.

  4. Việc bù công suất phản kháng có ảnh hưởng đến thiết bị điện không?
    Bù công suất phản kháng giúp giảm tổn thất và ổn định điện áp, từ đó bảo vệ thiết bị điện khỏi các hiện tượng quá áp hoặc sụt áp, kéo dài tuổi thọ và nâng cao hiệu suất hoạt động.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các thành phố khác không?
    Có thể, đặc biệt với các đô thị có cấu trúc lưới điện và phụ tải tương tự. Tuy nhiên cần điều chỉnh phù hợp với đặc điểm địa phương và quy mô hệ thống điện.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định thực trạng hệ số công suất thấp tại nhiều trạm biến áp của thành phố Lạng Sơn, gây tổn thất điện năng và ảnh hưởng đến chất lượng điện áp.
  • Các phương pháp bù công suất phản kháng, đặc biệt hệ thống DSVC với bộ điều khiển PID, được thiết kế và mô phỏng thành công, nâng cao hệ số công suất và ổn định điện áp.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy cải thiện cosφ từ mức trung bình khoảng 0,7 lên gần 0,98, giảm tổn thất điện năng đáng kể.
  • Đề xuất triển khai hệ thống bù tại các trạm biến áp trọng điểm, đồng thời nâng cao công tác giám sát và đào tạo nhân lực vận hành.
  • Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm thực tế hệ thống bù, mở rộng áp dụng và nghiên cứu nâng cao chất lượng điện năng cho toàn bộ mạng điện thành phố.

Hành động ngay hôm nay để nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng và phát triển bền vững hệ thống điện thành phố Lạng Sơn!