Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế - xã hội hiện nay, điện năng đóng vai trò thiết yếu, góp phần thúc đẩy sự phát triển bền vững của đất nước. Tuy nhiên, trong quá trình truyền tải điện năng từ nguồn đến nơi tiêu thụ, hệ thống điện phải đối mặt với nhiều thách thức, trong đó có hiện tượng quá điện áp gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng điện áp và độ tin cậy của hệ thống. Tại Trạm biến áp 220kV Quy Nhơn, tỉnh Bình Định, hiện tượng điện áp tăng cao vượt mức quy định đã được ghi nhận thường xuyên trong các năm gần đây, làm giảm tuổi thọ thiết bị và ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là khảo sát, tính toán và đề xuất giải pháp giảm quá điện áp bằng phương pháp sử dụng bộ bù công suất phản kháng tĩnh (SVC) nhằm ổn định điện áp tại trạm biến áp này. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện tại Trạm biến áp 220kV Quy Nhơn trong giai đoạn từ năm 2015 đến 2018, dựa trên số liệu vận hành thực tế và mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng điện áp, tăng khả năng truyền tải công suất, giảm tổn thất điện năng và đảm bảo độ ổn định của hệ thống điện khu vực Bình Định, góp phần phát triển hạ tầng điện năng bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: hiện tượng quá điện áp trong hệ thống điện và nguyên lý hoạt động của thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh SVC. Hiện tượng quá điện áp được phân tích qua các dạng như quá điện áp khí quyển do sét, hiệu ứng Ferranti, quá điện áp do thao tác vận hành và cộng hưởng dao động tần số thấp. Các khái niệm trọng tâm bao gồm công suất phản kháng, cân bằng công suất phản kháng trên các lưới điện 500kV, 220kV và 110kV, cũng như các nguyên nhân gây mất cân bằng dẫn đến quá điện áp. Về thiết bị bù, SVC được nghiên cứu với cấu tạo gồm cuộn kháng điều khiển thyristor (TCR), cuộn kháng đóng cắt (TSR) và tụ điện đóng cắt (TSC), cùng nguyên lý điều khiển điện áp thông qua thay đổi góc kích thyristor. Các đặc tính điều chỉnh, đặc tính làm việc và dung lượng của SVC cũng được phân tích chi tiết nhằm phục vụ cho việc mô phỏng và tính toán lắp đặt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ số liệu vận hành thực tế tại Trạm biến áp 220kV Quy Nhơn trong các năm 2015 và 2016, bao gồm điện áp các nút, công suất phản kháng sinh ra từ các đường dây và thiết bị bù hiện có. Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa khảo sát thực trạng, phân tích lý thuyết và mô phỏng hệ thống điện trên phần mềm Matlab/Simulink. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ hệ thống điện tại trạm biến áp với các thông số kỹ thuật chi tiết của các máy biến áp, đường dây và thiết bị bù. Phương pháp phân tích bao gồm tính toán cân bằng công suất phản kháng, mô phỏng điện áp tại các nút trong các chế độ vận hành khác nhau (non tải, phụ tải cực tiểu, phụ tải cực đại) và đánh giá hiệu quả của việc lắp đặt SVC tại các vị trí khác nhau (phía cao áp 220kV và phía hạ áp 110kV). Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2017 đến 2019, bao gồm giai đoạn thu thập số liệu, phân tích lý thuyết, mô phỏng và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện tượng quá điện áp tại Trạm biến áp 220kV Quy Nhơn: Số liệu đo đạc cho thấy điện áp tại thanh cái 220kV và 110kV thường xuyên vượt quá giới hạn cho phép ±10%, đặc biệt trong chế độ non tải và phụ tải cực tiểu. Điện áp cực đại tại thanh cái 220kV trong năm 2015 và 2016 có thể vượt mức 1.1 pu, gây nguy cơ hư hỏng thiết bị.

  2. Cân bằng công suất phản kháng chưa hiệu quả: Tính toán sơ bộ cho thấy lượng công suất phản kháng dư thừa trong hệ thống khoảng 3865 MVAr năm 2020 và dự kiến tăng lên 5047 MVAr năm 2025, chủ yếu do công suất phản kháng sinh ra từ các đường dây tải điện 500kV và 220kV. Tại trạm Quy Nhơn, công suất phản kháng sinh ra từ các đường dây 220kV và 110kV là rất lớn, trong khi công suất phản kháng tiêu thụ chưa đủ, dẫn đến hiện tượng quá điện áp.

  3. Hiệu quả của việc lắp đặt SVC: Mô phỏng trên Matlab/Simulink cho thấy khi lắp đặt SVC phía cao áp 220kV với công suất bù 25 MVAr, điện áp tại các nút được duy trì ổn định trong khoảng 0.95 - 1.05 pu, giảm đáng kể hiện tượng quá điện áp so với trường hợp không có SVC. Tương tự, lắp đặt SVC phía hạ áp 110kV cũng cải thiện điện áp nhưng hiệu quả thấp hơn so với phía cao áp.

  4. Tăng khả năng truyền tải và ổn định hệ thống: Việc sử dụng SVC tại trung điểm đường dây giúp nâng công suất truyền tải lên gấp đôi so với không có bù, đồng thời nâng cao giới hạn ổn định điện áp và khả năng dập tắt dao động công suất, góp phần tăng độ ổn định động của hệ thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng quá điện áp tại Trạm biến áp 220kV Quy Nhơn là do mất cân bằng công suất phản kháng, đặc biệt trong các chế độ phụ tải thấp khi công suất phản kháng sinh ra từ điện dung ký sinh trên đường dây vượt quá nhu cầu tiêu thụ. Kết quả mô phỏng cho thấy SVC là giải pháp hiệu quả để điều chỉnh công suất phản kháng, từ đó ổn định điện áp. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, việc sử dụng SVC đã được chứng minh là phương pháp ưu việt trong việc giảm quá điện áp và nâng cao khả năng truyền tải. Biểu đồ điện áp tại các nút trước và sau khi lắp đặt SVC minh họa rõ ràng sự cải thiện về chất lượng điện áp. Ngoài ra, việc đặt SVC phía cao áp 220kV được đánh giá là tối ưu hơn so với phía hạ áp 110kV do khả năng điều chỉnh công suất phản kháng lớn hơn và ảnh hưởng trực tiếp đến điện áp thanh cái chính. Kết quả này có ý nghĩa thực tiễn quan trọng trong việc thiết kế và vận hành hệ thống điện khu vực Bình Định, góp phần giảm tổn thất điện năng và tăng độ tin cậy cung cấp điện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Lắp đặt bộ bù công suất phản kháng tĩnh SVC tại vị trí cao áp 220kV của Trạm biến áp Quy Nhơn nhằm giảm hiện tượng quá điện áp, duy trì điện áp trong giới hạn cho phép ±10%. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 1-2 năm, do Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia chủ trì.

  2. Tăng cường giám sát và điều khiển điện áp qua hệ thống SCADA để điều chỉnh linh hoạt công suất phản kháng của SVC theo các chế độ vận hành khác nhau, đảm bảo ổn định điện áp liên tục. Thời gian triển khai trong 6 tháng, phối hợp giữa đơn vị vận hành và nhà cung cấp thiết bị.

  3. Nâng cấp hệ thống tụ bù ngang tại các nút 110kV nhằm bổ sung công suất phản kháng tiêu thụ, giảm áp lực quá điện áp trong các chế độ phụ tải thấp. Thời gian thực hiện 1 năm, do các công ty điện lực địa phương đảm nhận.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ vận hành về công nghệ SVC và quản lý công suất phản kháng, giúp tối ưu hóa hiệu quả vận hành thiết bị và hệ thống điện. Thời gian đào tạo định kỳ hàng năm, do Trường Đại học Quy Nhơn phối hợp tổ chức.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về hiện tượng quá điện áp và giải pháp bù công suất phản kháng, giúp cải thiện chất lượng điện áp và độ ổn định hệ thống.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Thông tin về hiệu quả kinh tế kỹ thuật của việc lắp đặt SVC hỗ trợ trong việc ra quyết định đầu tư và phát triển hạ tầng điện.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo thực tiễn kết hợp lý thuyết và mô phỏng, phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về điều khiển điện áp và thiết bị FACTS.

  4. Nhà cung cấp và thiết kế thiết bị điện: Cung cấp cơ sở dữ liệu và phân tích kỹ thuật để phát triển các giải pháp thiết bị bù công suất phản kháng phù hợp với điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. SVC là gì và tại sao lại quan trọng trong hệ thống điện?
    SVC (Static Var Compensator) là thiết bị bù công suất phản kháng tĩnh, giúp điều chỉnh điện áp nhanh chóng và ổn định trong hệ thống điện. Nó quan trọng vì giảm hiện tượng quá điện áp, nâng cao khả năng truyền tải và ổn định hệ thống, đặc biệt trong các chế độ phụ tải thấp.

  2. Hiện tượng quá điện áp tại trạm biến áp 220kV Quy Nhơn do nguyên nhân nào?
    Nguyên nhân chủ yếu là do mất cân bằng công suất phản kháng, khi công suất phản kháng sinh ra từ điện dung ký sinh trên đường dây vượt quá nhu cầu tiêu thụ, đặc biệt trong chế độ non tải hoặc phụ tải cực tiểu.

  3. Lắp đặt SVC tại vị trí nào là hiệu quả nhất?
    Mô phỏng cho thấy lắp đặt SVC phía cao áp 220kV hiệu quả hơn so với phía hạ áp 110kV, vì có khả năng điều chỉnh công suất phản kháng lớn hơn và ảnh hưởng trực tiếp đến điện áp thanh cái chính.

  4. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng hệ thống điện trong nghiên cứu?
    Phần mềm Matlab/Simulink được sử dụng để mô phỏng hệ thống điện, đánh giá hiệu quả của việc lắp đặt SVC và phân tích chất lượng điện áp tại các nút trong các chế độ vận hành khác nhau.

  5. Giải pháp nào được đề xuất để giảm hiện tượng quá điện áp ngoài việc lắp đặt SVC?
    Ngoài SVC, nghiên cứu đề xuất tăng cường giám sát điện áp qua SCADA, nâng cấp tụ bù ngang tại các nút 110kV và đào tạo cán bộ vận hành để tối ưu hóa hiệu quả vận hành hệ thống điện.

Kết luận

  • Hiện tượng quá điện áp tại Trạm biến áp 220kV Quy Nhơn là vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng đến chất lượng điện áp và độ tin cậy hệ thống.
  • Mất cân bằng công suất phản kháng là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng này, đặc biệt trong các chế độ phụ tải thấp.
  • Việc lắp đặt bộ bù công suất phản kháng tĩnh SVC tại vị trí cao áp 220kV giúp giảm đáng kể quá điện áp, nâng cao khả năng truyền tải và ổn định hệ thống.
  • Nghiên cứu đã mô phỏng và đánh giá hiệu quả của SVC bằng phần mềm Matlab/Simulink dựa trên số liệu thực tế, cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng thực tiễn.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý nhằm đảm bảo chất lượng điện áp, giảm tổn thất và nâng cao độ ổn định hệ thống điện khu vực Bình Định trong giai đoạn tiếp theo.

Tiếp theo, cần triển khai thực hiện các giải pháp đề xuất, đồng thời mở rộng nghiên cứu áp dụng cho các trạm biến áp khác trong khu vực nhằm nâng cao hiệu quả vận hành toàn hệ thống điện quốc gia. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, quý độc giả và chuyên gia có thể liên hệ với Trường Đại học Quy Nhơn hoặc các đơn vị quản lý điện lực địa phương.