Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế - xã hội nhanh chóng, nhu cầu sử dụng điện năng tại các khu vực công nghiệp và dân cư ngày càng tăng cao. Đặc biệt, tại huyện Như Xuân, tỉnh Thanh Hóa, điện năng tiêu thụ tăng trưởng bình quân khoảng 15%/năm trong giai đoạn 2016-2020, với sản lượng điện thương phẩm năm 2020 đạt gần 46 triệu kWh. Tuy nhiên, chất lượng điện năng tại một số trạm biến áp trên đường dây 35kV lộ 377 trạm 110kV Nông Cống (E9.8) còn thấp, với hệ số công suất trung bình có nơi chỉ đạt khoảng 0,38, gây ra tổn thất điện năng và giảm hiệu quả sử dụng điện.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện chất lượng điện năng thông qua bù hệ số công suất, nhằm giảm tổn hao công suất và tổn thất điện áp trên đường dây 35kV lộ 377. Mục tiêu cụ thể của luận văn là khảo sát thực trạng hệ số công suất tại các trạm biến áp, nghiên cứu các phương pháp bù công suất phản kháng, 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 tập trung vào mạng điện đường dây 35kV lộ 377 trạm 110kV Nông Cống, với dữ liệu thu thập trong giai đoạn 2020-2022.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng, giảm tổn thất điện năng, đồng thời góp phần đảm bảo ổn định và chất lượng điện áp cho khu vực huyện Như Xuân, đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội bền vững. Kết quả nghiên cứu dự kiến cung cấp giải pháp kỹ thuật và thuật toán điều khiển thiết bị bù công suất phản kháng, góp phần nâng cao chất lượng điện năng cho hệ thống điện phân phối 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 xoay chiều. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết chất lượng điện năng và các chỉ tiêu đánh giá: Bao gồm các khái niệm về độ lệch điện áp tuyệt đối và tương đối, độ dao động điện áp, độ không sin của điện áp, và độ đối xứng điện áp. Các chỉ tiêu này được đánh giá theo tiêu chuẩn Việt Nam, với giới hạn độ lệch điện áp cho phép từ -7,5% đến +10% tùy loại phụ tải. Lý thuyết này giúp xác định mức độ chất lượng điện áp hiện tại và nhu cầu cải thiện.

  2. Lý thuyết bù công suất phản kháng và hệ số công suất: Công suất phản kháng (Q) không sinh công hữu ích nhưng cần thiết cho quá trình vận hành máy điện xoay chiều. Hệ số công suất (cosφ) là tỷ số giữa công suất tác dụng (P) và công suất biểu kiến (S). Việc bù công suất phản kháng nhằm giảm công suất phản kháng truyền tải, nâng cao hệ số công suất, giảm tổn thất điện năng và cải thiện chất lượng điện áp. Các thiết bị bù như tụ bù, máy bù đồng bộ, và các thiết bị FACTS (Flexible AC Transmission Systems) được nghiên cứu để lựa chọn giải pháp phù hợp.

Các khái niệm chính bao gồm: công suất tác dụng, công suất phản kháng, hệ số công suất, độ lệch điện áp, độ không sin, và các thiết bị bù công suất phản kháng như DSVC (Dynamic-Static Var Compensation), FC-TCR (Fixed Capacitor - Thyristor Controlled Reactor).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp khảo sát thực tế, phân tích số liệu và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. Cụ thể:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu điện năng tiêu thụ, hệ số công suất, tổn thất điện năng và các thông số kỹ thuật từ các trạm biến áp trên đường dây 35kV lộ 377 trạm 110kV Nông Cống, do Công ty Điện lực Thanh Hóa cung cấp. Dữ liệu bao gồm sản lượng điện, công suất phản kháng, hệ số công suất trung bình của từng trạm trong năm 2020.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích chất lượng điện áp dựa trên các chỉ tiêu độ lệch điện áp, độ không sin, và độ đối xứng điện áp. Đánh giá thực trạng hệ số công suất và tổn thất điện năng. Lựa chọn phương pháp bù công suất phản kháng phù hợp dựa trên đặc điểm phụ tải và điều kiện vận hành.

  • Thiết kế và mô phỏng: Thiết kế cấu trúc hệ thống bù công suất phản kháng DSVC và thuật toán điều khiển dựa trên mô hình FC-TCR. Mô phỏng hệ thống trên Matlab/Simulink để đánh giá hiệu quả cải thiện hệ số công suất và chất lượng điện năng.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong 6 tháng, gồm khảo sát thực trạng (1 tháng), nghiên cứu phương pháp bù (1 tháng), thiết kế hệ thống bù (1,5 tháng), thiết kế điều khiển và mô phỏng (1,5 tháng), hoàn thiện luận văn (1 tháng).

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ 174 trạm biến áp trên đường dây 35kV lộ 377, với tổng dung lượng 4,15 MVA và 7 cụm tụ bù cố định tổng dung lượng 63 kVAr. Phương pháp chọn mẫu là toàn bộ trạm biến áp có hệ số công suất thấp để phân tích và đề xuất giải pháp bù.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thực trạng hệ số công suất và tổn thất điện năng: Hệ số công suất trung bình tại một số trạm biến áp trên đường dây 35kV lộ 377 chỉ đạt khoảng 0,38 (ví dụ trạm Thanh Thành Đạt), thấp hơn nhiều so với mức lý tưởng 0,95-0,98. Tổn thất điện năng trên đường dây giảm từ 10,72% năm 2016 xuống còn 9,98% năm 2020, nhưng vẫn ở mức cao so với tiêu chuẩn. Tổng sản lượng điện tiêu thụ năm 2020 đạt 45,77 triệu kWh, trong đó tổn thất điện năng chiếm gần 10%.

  2. Phân bố phụ tải và đặc điểm điện áp: Phụ tải chủ yếu là dân dụng và công nghiệp, với công suất cực đại khoảng 10 MW, hệ số công suất đầu đường dây đạt 0,98. Điện áp tại thanh cái trạm 110kV dao động từ 35 đến 38 kV tùy thời điểm trong ngày. Đồ thị phụ tải cho thấy công suất cao điểm vào các khung giờ 11h trưa và 19h tối.

  3. Hiệu quả của các phương pháp bù công suất phản kháng: So sánh các phương pháp bù truyền thống và sử dụng thiết bị FACTS cho thấy phương pháp bù công suất phản kháng bằng DSVC với cấu trúc FC-TCR có khả năng điều chỉnh linh hoạt, nâng cao hệ số công suất và giảm tổn thất điện áp hiệu quả hơn. Mô phỏng trên Matlab/Simulink cho thấy hệ thống bù DSVC cải thiện hệ số công suất từ mức trung bình 0,38 lên gần 0,95, giảm dòng điện truyền tải và tổn thất điện năng tương ứng.

  4. Chất lượng điện áp được cải thiện rõ rệt: Sau khi áp dụng hệ thống bù công suất phản kháng, độ lệch điện áp tại các trạm biến áp giảm xuống trong giới hạn cho phép (-5% đến +10%), độ không sin và độ đối xứng điện áp được cải thiện, góp phần nâng cao độ ổn định và an toàn vận hành lưới điện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến hệ số công suất thấp là do phụ tải sử dụng nhiều máy điện xoay chiều tiêu thụ công suất phản kháng lớn, đặc biệt là động cơ không đồng bộ và máy biến áp. Việc bù công suất phản kháng gần phụ tải giúp giảm dòng điện phản kháng truyền tải trên đường dây, từ đó giảm tổn thất công suất và sụt áp.

So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả mô phỏng và thực nghiệm tại đường dây 35kV lộ 377 phù hợp với xu hướng ứng dụng thiết bị FACTS để nâng cao chất lượng điện năng. Việc lựa chọn cấu trúc DSVC với FC-TCR cho phép điều khiển linh hoạt, đáp ứng nhanh các biến động phụ tải, đồng thời giảm thiểu chi phí đầu tư và bảo trì so với các thiết bị bù tĩnh truyền thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phụ tải điển hình, bảng số liệu hệ số công suất trước và sau bù, biểu đồ mô phỏng đáp ứng cosφ và điện áp điều khiển, giúp minh họa rõ hiệu quả của giải pháp đề xuất.

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 hệ số công suất dưới 0,7 để nâng cao hiệu quả sử dụng điện năng. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, do Công ty Điện lực Thanh Hóa chủ trì.

  2. Tăng cường giám sát và điều chỉnh điện áp tự động: Áp dụng hệ thống điều khiển điện áp sơ cấp, thứ cấp và cấp ba để duy trì điện áp ổn định trong giới hạn cho phép, giảm thiểu biến động điện áp gây hại cho thiết bị. Thời gian triển khai 6-9 tháng, phối hợp giữa các đơn vị vận hành và kỹ thuật.

  3. Phân bố lại phụ tải và cân bằng pha: Thực hiện phân bố phụ tải hợp lý giữa các pha, tăng cường sử dụng thiết bị điện 3 pha để giảm độ không đối xứng điện áp và dòng điện, nâng cao chất lượng điện năng. Thời gian thực hiện liên tục, do các đơn vị quản lý vận hành và khách hàng phối hợp.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức về quản lý chất lượng điện năng: Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật và người sử dụng điện về tầm quan trọng của hệ số công suất và các biện pháp bù công suất phản kháng. Thời gian thực hiện 3-6 tháng, do Công ty Điện lực và các cơ sở đào tạo phối hợp.

  5. Nghiên cứu và áp dụng các công nghệ bù công suất phản kháng tiên tiến: Tiếp tục nghiên cứu các thiết bị FACTS mới như STATCOM, SSSC để nâng cao hiệu quả điều khiển và giảm tổn thất điện năng trong tương lai. Thời gian nghiên cứu dài hạn, phối hợp với các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên viên vận hành lưới điện phân phối: Nghiên cứu giúp hiểu rõ về thực trạng chất lượng điện năng và các giải pháp bù công suất phản kháng, từ đó áp dụng hiệu quả trong quản lý vận hành.

  2. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở dữ liệu và phân tích để xây dựng chính sách phát triển lưới điện bền vững, giảm tổn thất điện năng và nâng cao hiệu quả sử dụng điện.

  3. Sinh viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành kỹ thuật điện: Là tài liệu tham khảo học thuật về lý thuyết chất lượng điện năng, phương pháp bù công suất phản kháng và ứng dụng mô phỏng hệ thống điện.

  4. Các nhà cung cấp thiết bị và công nghệ điện năng: Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và đặc điểm vận hành thực tế của lưới điện phân phối để phát triển sản phẩm phù hợp, đáp ứng nhu cầu thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao hệ số công suất thấp lại ảnh hưởng xấu đến chất lượng điện năng?
    Hệ số công suất thấp làm tăng công suất phản kháng truyền tải trên đường dây, dẫn đến dòng điện lớn hơn, gây tổn thất công suất và sụt áp, làm giảm hiệu quả sử dụng điện và chất lượng điện áp tại điểm tiêu thụ.

  2. Phương pháp bù công suất phản kháng nào hiệu quả nhất cho lưới điện phân phối?
    Các thiết bị bù công suất phản kháng động như DSVC sử dụng cấu trúc FC-TCR được đánh giá cao nhờ khả năng điều khiển linh hoạt, đáp ứng nhanh biến động phụ tải và giảm tổn thất điện năng hiệu quả hơn so với bù tĩnh truyền thống.

  3. Làm thế nào để đánh giá chất lượng điện áp trong hệ thống điện?
    Chất lượng điện áp được đánh giá qua các chỉ tiêu như độ lệch điện áp tuyệt đối và tương đối, độ dao động điện áp, độ không sin và độ đối xứng điện áp, so sánh với các tiêu chuẩn cho phép theo quy định quốc gia.

  4. Việc bù công suất phản kháng có ảnh hưởng đến tuổi thọ thiết bị điện không?
    Có, việc duy trì hệ số công suất gần 1 giúp giảm dòng điện và nhiệt độ làm việc của thiết bị, từ đó kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì, đồng thời nâng cao hiệu suất hoạt động.

  5. Có thể áp dụng giải pháp bù công suất phản kháng cho các khu vực khác ngoài huyện Như Xuân không?
    Có, các giải pháp và phương pháp nghiên cứu trong luận văn có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các khu vực có đặc điểm phụ tải và lưới điện tương tự nhằm cải thiện chất lượng điện năng và hiệu quả sử dụng điện.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định thực trạng hệ số công suất thấp và tổn thất điện năng cao tại một số trạm biến áp trên đường dây 35kV lộ 377 trạm 110kV Nông Cống, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện năng.
  • Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng điện áp và phương pháp bù công suất phản kháng được phân tích chi tiết, làm cơ sở cho việc lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp.
  • Thiết kế hệ thống bù công suất phản kháng DSVC với cấu trúc FC-TCR và thuật toán điều khiển đã được mô phỏng thành công, chứng minh hiệu quả cải thiện hệ số công suất và chất lượng điện áp.
  • Đề xuất các giải pháp triển khai thực tế nhằm nâng cao chất lượng điện năng, giảm tổn thất điện năng và đảm bảo ổn định vận hành lưới điện phân phối.
  • Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ bù công suất phản kháng tiên tiến, đồng thời tăng cường đào tạo và nâng cao nhận thức về quản lý chất lượng điện năng.

Hành động tiếp theo là triển khai thí điểm hệ thống bù công suất phản kháng tại các trạm biến áp trọng điểm trong vòng 12 tháng, đồng thời xây dựng kế hoạch giám sát và đánh giá hiệu quả lâu dài. Các đơn vị quản lý vận hành và nghiên cứu kỹ thuật được khuyến khích phối hợp để nhân rộng giải pháp, góp phần phát triển lưới điện thông minh và bền vững.