Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối trung áp (LĐPPTA) đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện quốc gia, chịu trách nhiệm phân phối điện năng từ các trạm trung gian đến người tiêu dùng cuối cùng. Tính đến năm 2020, lưới điện trung áp đã phủ rộng khắp các xã trên toàn quốc, tuy nhiên vẫn còn một số khu vực chưa được tiếp cận điện lưới quốc gia, đặc biệt là các vùng miền núi. Tổn thất điện năng trên LĐPPTA được ước tính chiếm khoảng 40-50% tổng tổn thất điện năng toàn hệ thống, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng điện năng và hiệu quả vận hành. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển phương pháp tính toán vị trí và dung lượng bù công suất phản kháng (CSPK) tối ưu cho LĐPPTA, xét đến xác suất biến động của phụ tải nhằm giảm tổn thất điện năng và nâng cao chất lượng điện áp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lưới điện phân phối trung áp tại huyện Tiên Du, tỉnh Bắc Ninh, với thời gian tính toán dự kiến trong nhiều năm nhằm đảm bảo tính bền vững của giải pháp. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc xây dựng mô hình toán và chương trình tính toán tối ưu dung lượng bù CSPK theo mô hình xác suất phụ tải, đồng thời có ý nghĩa thực tiễn trong việc hỗ trợ các cơ quan quản lý điện lực xây dựng kế hoạch đầu tư thiết bị bù và vận hành lưới điện hiệu quả, an toàn và tin cậy.

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 công suất phản kháng và hệ số công suất: Công suất biểu kiến $S = P + jQ$ với $P$ là công suất tác dụng và $Q$ là công suất phản kháng, hệ số công suất cos$ \varphi $ thể hiện tỷ lệ giữa công suất tác dụng và biểu kiến, ảnh hưởng trực tiếp đến tổn thất điện năng và điện áp trong lưới.
  • Mô hình xác suất phụ tải: Phụ tải được mô hình hóa như một đại lượng ngẫu nhiên với phân bố xác suất chuẩn, cho phép xét đến biến động phụ tải theo thời gian và mùa vụ, nâng cao độ chính xác của tính toán.
  • Mô hình tối ưu hóa bù CSPK: Hàm mục tiêu là cực tiểu tổng tổn thất điện năng trong thời gian tính toán, đồng thời đảm bảo các ràng buộc về điện áp, công suất truyền tải và lựa chọn dung lượng bù theo các giá trị rời rạc tiêu chuẩn.
  • Mô hình cân bằng công suất nút AC: Đảm bảo cân bằng công suất tại mỗi nút trong lưới điện theo các trạng thái phụ tải khác nhau, sử dụng các phương trình cân bằng công suất phức tạp.

Các khái niệm chính bao gồm: công suất tác dụng, công suất phản kháng, hệ số công suất, tổn thất công suất, tổn thất điện năng, mô hình xác suất phụ tải, thiết bị bù CSPK (tụ bù tĩnh, máy bù đồng bộ, SVC), và các ràng buộc vận hành lưới điện.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ lưới điện phân phối trung áp huyện Tiên Du, bao gồm thông số kỹ thuật các trạm biến áp, đường dây, phụ tải và đồ thị phụ tải ngày điển hình theo mùa. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ hệ thống lưới điện trung áp tại địa phương này với hàng chục nút và nhánh dây.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình toán học tối ưu hóa phi tuyến với hàm mục tiêu cực tiểu tổn thất điện năng, được lập trình bằng ngôn ngữ GAMS (The General Algebraic Modeling System). Thuật toán giải sử dụng solver BONMIN, phù hợp với bài toán quy hoạch phi tuyến có ràng buộc rời rạc. Kết quả tính toán được kiểm tra và đánh giá bằng phần mềm mô phỏng lưới điện PSS/Adept, giúp xác định các thông số chế độ vận hành như điện áp nút, dòng điện trên đường dây và tổn thất điện năng.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 1 năm, bao gồm các giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, lập trình và chạy tính toán, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu: Qua mô hình tối ưu hóa, vị trí đặt tụ bù tĩnh được xác định tập trung tại các nút có phụ tải lớn và tổn thất cao trên lưới. Dung lượng bù tối ưu dao động trong khoảng 20-50 kVAr tùy từng nút, giúp giảm tổn thất công suất trên lưới từ 10% đến 15% so với hiện trạng.

  2. Ảnh hưởng của biến động phụ tải: Khi xét đến xác suất phụ tải theo mô hình phân bố chuẩn, tổn thất điện năng được tính toán chính xác hơn, giảm sai số so với phương pháp chỉ dùng công suất cực đại. Tổn thất điện năng giảm trung bình khoảng 12% trong suốt thời gian tính toán nhiều năm.

  3. Cải thiện chất lượng điện áp: Điện áp tại các nút được duy trì trong giới hạn cho phép ±5% so với điện áp định mức trong hầu hết các trạng thái vận hành, giảm hiện tượng điện áp thấp ở cuối đường dây. Tỷ lệ nút có điện áp dưới ngưỡng cho phép giảm từ 18% xuống còn khoảng 5%.

  4. Hiệu quả kinh tế: Phân tích chi phí đầu tư và tiết kiệm tổn thất cho thấy phương pháp bù tối ưu giúp giảm chi phí tổn thất điện năng hàng năm khoảng 8-10%, đồng thời chi phí đầu tư thiết bị bù được hoàn vốn trong vòng 3-4 năm.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc xét đến xác suất biến động phụ tải trong tính toán bù CSPK nâng cao độ chính xác và tính thực tiễn của giải pháp. So với các nghiên cứu trước đây chỉ dựa trên công suất cực đại và hệ số công suất cố định, phương pháp này giảm sai số tính toán và đảm bảo vận hành ổn định trong nhiều trạng thái phụ tải khác nhau. Việc tập trung đặt tụ bù tại các nút trọng điểm giúp giảm tổn thất công suất truyền tải và cải thiện điện áp hiệu quả hơn so với phân bố bù rải rác.

Kết quả cũng phù hợp với các báo cáo ngành điện lực về hiệu quả của bù CSPK trong giảm tổn thất và nâng cao chất lượng điện năng. Biểu đồ tổn thất điện năng theo thời gian và biểu đồ điện áp tại các nút minh họa rõ sự cải thiện sau khi áp dụng giải pháp bù tối ưu. Bảng so sánh tổn thất và điện áp trước và sau bù cho thấy sự giảm đáng kể tổn thất và duy trì điện áp ổn định.

Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu cho thiết bị bù và hệ thống điều khiển cần được cân nhắc kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả kinh tế lâu dài. Ngoài ra, việc vận hành và bảo trì thiết bị bù cũng cần được chú trọng để duy trì hiệu quả trong thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai lắp đặt tụ bù tĩnh tại các nút trọng điểm: Ưu tiên các nút có phụ tải lớn và tổn thất cao, với dung lượng bù được tính toán tối ưu nhằm giảm tổn thất điện năng và cải thiện điện áp. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, do các công ty điện lực địa phương chịu trách nhiệm.

  2. Áp dụng mô hình xác suất phụ tải trong tính toán vận hành: Cập nhật phần mềm và quy trình vận hành để xét đến biến động phụ tải theo mô hình xác suất, nâng cao độ chính xác trong dự báo và điều chỉnh bù CSPK. Thời gian triển khai trong 6-12 tháng, phối hợp giữa đơn vị nghiên cứu và công ty điện lực.

  3. Kết hợp bù cố định và bù điều chỉnh có cấp: Sử dụng tụ bù cố định tại lưới trung áp và tụ bù điều chỉnh có cấp tại lưới hạ áp để tối ưu chi phí đầu tư và đáp ứng linh hoạt biến động phụ tải. Chủ thể thực hiện là các đơn vị quản lý lưới điện phân phối.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành thiết bị bù: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ thuật viên vận hành về quản lý, bảo trì và điều khiển thiết bị bù CSPK nhằm đảm bảo hiệu quả vận hành lâu dài. Thời gian thực hiện liên tục, do các công ty điện lực phối hợp với các trường đại học kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia điện lực: Nghiên cứu cung cấp phương pháp tính toán và mô hình tối ưu bù CSPK, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và giảm tổn thất điện năng trong lưới điện phân phối trung áp.

  2. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Thông tin về hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của giải pháp bù CSPK hỗ trợ trong việc xây dựng kế hoạch đầu tư và phát triển lưới điện bền vững.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện: Cung cấp cơ sở lý thuyết, mô hình toán học và ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực bù công suất phản kháng và tối ưu hóa lưới điện phân phối.

  4. Các công ty tư vấn và thiết kế hệ thống điện: Tham khảo để áp dụng các phương pháp tính toán tối ưu trong thiết kế và cải tạo lưới điện phân phối, nâng cao chất lượng điện năng và hiệu quả kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần xét đến xác suất biến động phụ tải trong tính toán bù CSPK?
    Phụ tải điện luôn biến động theo thời gian và mùa vụ, mang tính ngẫu nhiên. Xét đến xác suất biến động giúp mô hình tính toán phản ánh chính xác hơn thực tế vận hành, giảm sai số và đảm bảo chất lượng điện áp trong nhiều trạng thái vận hành khác nhau.

  2. Thiết bị bù CSPK nào phù hợp nhất cho lưới điện phân phối trung áp?
    Tụ bù tĩnh được đánh giá là phù hợp nhất do chi phí thấp, tổn thất nhỏ và khả năng kết hợp bù cố định và điều chỉnh có cấp. Máy bù đồng bộ và SVC có ưu điểm kỹ thuật nhưng chi phí cao nên thường dùng cho bù kỹ thuật hoặc lưới truyền tải.

  3. Làm thế nào để xác định vị trí đặt tụ bù tối ưu?
    Vị trí đặt tụ bù được xác định dựa trên mô hình tối ưu hóa với hàm mục tiêu là giảm tổn thất điện năng và đảm bảo điện áp trong giới hạn cho phép, đồng thời xét đến xác suất phụ tải và các ràng buộc vận hành lưới điện.

  4. Phương pháp tính toán bù CSPK có thể áp dụng cho các lưới điện khác không?
    Phương pháp này có thể áp dụng cho các lưới điện phân phối có đặc điểm tương tự, đặc biệt là lưới trung áp với biến động phụ tải lớn. Tuy nhiên, cần điều chỉnh tham số và mô hình phù hợp với đặc thù từng hệ thống.

  5. Hiệu quả kinh tế của việc đầu tư thiết bị bù CSPK như thế nào?
    Đầu tư thiết bị bù CSPK giúp giảm tổn thất điện năng, tiết kiệm chi phí vận hành và nâng cao chất lượng điện năng. Thời gian hoàn vốn thường trong khoảng 3-4 năm, tùy thuộc vào quy mô và đặc điểm lưới điện.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình toán và chương trình tính toán vị trí, dung lượng bù CSPK tối ưu cho lưới điện phân phối trung áp, xét đến xác suất biến động phụ tải.
  • Phương pháp tính toán nâng cao độ chính xác, giảm sai số so với các phương pháp truyền thống chỉ dựa trên công suất cực đại.
  • Giải pháp bù tối ưu giúp giảm tổn thất điện năng từ 10-15%, cải thiện chất lượng điện áp và đảm bảo vận hành an toàn, tin cậy.
  • Hiệu quả kinh tế rõ rệt với thời gian hoàn vốn thiết bị bù trong vòng 3-4 năm, phù hợp với kế hoạch phát triển lưới điện địa phương.
  • Khuyến nghị triển khai áp dụng phương pháp và giải pháp bù CSPK tại các lưới điện phân phối trung áp có đặc điểm tương tự, đồng thời nâng cao năng lực vận hành và bảo trì thiết bị bù.

Next steps: Triển khai thực nghiệm tại các lưới điện phân phối trung áp khác, mở rộng mô hình tính toán cho quy mô lớn hơn và tích hợp với hệ thống SCADA để điều khiển tự động.

Call to action: Các đơn vị quản lý và vận hành lưới điện nên áp dụng phương pháp này để nâng cao hiệu quả vận hành, giảm tổn thất và cải thiện chất lượng điện năng, góp phần phát triển ngành điện bền vững.