Tổng quan nghiên cứu

Việc áp dụng giải pháp tụ bù dọc trên hệ thống đường dây truyền tải điện xoay chiều siêu cao áp 500kV mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật vượt trội, giúp tăng khả năng tải điện lên khoảng 30% đến 50%, đồng thời tối ưu hóa phân bố công suất và nâng cao độ ổn định tĩnh. Tuy nhiên, sự xuất hiện của tụ bù dọc là nguyên nhân cốt lõi kích hoạt hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ (Subsynchronous Resonance - SSR). Đây là trạng thái nguy hiểm khi hệ thống điện trao đổi năng lượng với hệ thống trục turbine - máy phát tại các tần số thấp hơn tần số công nghiệp định mức 50 Hz, dẫn đến tích lũy ứng suất mỏi cơ học, gây nứt gãy trục và đe dọa trực tiếp đến an ninh năng lượng quốc gia.

Tại Việt Nam, tính cấp bách của vấn đề đã được chứng minh qua sự cố chấn động vào ngày 24/11/2015 tại Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng 1, khi hiện tượng dao động dưới đồng bộ gây rung lắc dữ dội và tạo ra các vết nứt, xước nghiêm trọng trên hệ thống gối trục của tổ máy phát S1 công suất 600 MW. Trong bối cảnh thực hiện Điều chỉnh Quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030 (Quy hoạch điện 7 điều chỉnh theo Quyết định số 428/QĐ-TTg), hệ thống truyền tải điện Việt Nam tiếp tục mở rộng quy mô với nhiều tuyến đường dây 500kV mạch 3 chiều dài lớn và mật độ tụ bù dọc dày đặc.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là mô hình hóa toàn diện lưới điện 500kV và 220kV Việt Nam ở chế độ phụ tải cực đại toàn quốc đạt 38.415 MW trong giai đoạn năm 2020 và tầm nhìn năm 2025. Nghiên cứu thực hiện nhận diện chính xác các dải tần số nguy hiểm, đánh giá nguy cơ dao động xoắn tại các trung tâm nhiệt điện trọng điểm, đặc biệt là nút truyền tải Vũng Áng 1, từ đó tính toán thiết kế bộ lọc chặn tần số thấp (Blocking Filter) nhằm triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ hư hỏng cơ khí cho các tổ máy phát nhiệt điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết cộng hưởng dưới đồng bộ tiêu chuẩn của Hội Kỹ sư Điện và Điện tử Quốc tế (IEEE), định nghĩa SSR là hiện tượng tương tác năng lượng giữa mạng điện truyền tải và cụm turbine - máy phát ở tần số nhỏ hơn tần số đồng bộ. Hệ thống vật lý được phân tích qua ba hiện tượng cơ bản: hiệu ứng máy phát cảm ứng (Induction Generator Effect), tương tác dao động xoắn (Torsional Interaction) và mô-men xoắn quá độ (Transient Torques). Khi dòng cảm ứng dưới đồng bộ tần số fn đi vào cuộn dây stator, từ trường quay chậm hơn tốc độ rotor sẽ tạo ra điện trở rotor nhìn từ stator có giá trị âm. Nếu điện trở âm này vượt quá tổng điện trở của hệ thống tại tần số cộng hưởng, quá trình tự kích thích sẽ bùng phát.

Về mặt cơ học, hệ trục turbine - máy phát nhiệt điện được mô hình hóa theo cấu trúc chuỗi khối lượng - lò xo (lumped mass-spring model) gồm 4 phần tử chính: khối áp suất cao (HIP), khối áp suất thấp A (LPA), khối áp suất thấp B (LPB) và rotor máy phát (GEN). Quá trình suy giảm tuổi thọ trục được giải thích thông qua đường cong mỏi ứng suất - chu kỳ (đồ thị S-N của Wöhler). Mỗi xung mô-men xoắn quá độ vượt quá giới hạn mỏi sẽ tích lũy biến dạng vĩnh cửu vi mô, hình thành vết nứt tại vùng tập trung ứng suất và dẫn đến nguy cơ gãy trục hoàn toàn sau một số lượng chu kỳ dao động nhất định. Tần số dòng điện cảm ứng xoay chiều xuất hiện trong mạch rotor được xác định qua biểu thức tương quan fr = f0 - fn, với f0 là tần số danh định 50 Hz.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào phục vụ mô phỏng được thu thập chi tiết từ sơ đồ lưới điện truyền tải cập nhật tháng 12/2019 của Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia, thông số vận hành thực tế của các tổ máy nhiệt điện và cơ sở dữ liệu phụ tải cực đại 38.415 MW theo Quy hoạch điện 7 điều chỉnh. Quy trình phân tích được thiết kế liên hoàn qua 2 công cụ tính toán chuyên sâu: phần mềm mô phỏng quá độ điện từ bản quyền EMTP-RV phiên bản 4.0 và công cụ toán học Matlab.

Về phương pháp phân tích, nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa phương pháp quét tần số (Frequency Scan) và phương pháp phân tích trị riêng (Eigenvalue Analysis). Lý do lựa chọn phương pháp quét tần số trên EMTP-RV là khả năng xác định chính xác đáp ứng trở kháng tương đương Z(f) nhìn từ cuộn stator của máy phát qua toàn bộ dải tần từ 1 Hz đến 50 Hz, từ đó định vị các điểm cực đại tương ứng với tần số cộng hưởng tự nhiên fn của lưới điện. Phương pháp trị riêng trên Matlab được áp dụng để giải hệ phương trình vi phân dao động cơ học bậc 4x4 từ ma trận mô-men quán tính J và ma trận độ cứng xoắn K, cho phép tính toán chính xác các mode dao động riêng của hệ trục turbine.

Cỡ mẫu và phạm vi khảo sát bao gồm toàn bộ các nút trạm biến áp và nhà máy điện trên hệ thống 500kV - 220kV toàn quốc qua 28 kịch bản vận hành đặc thù (vận hành bình thường, sự cố cắt 1 mạch, cắt 2 mạch đường dây và bắc cầu bypass các bộ tụ bù dọc). Phương pháp chọn mẫu tập trung có chủ đích vào nút giao diện truyền tải Bắc - Trung tại Trạm 500kV Vũng Áng, nơi hội tụ 5 bộ tụ bù dọc công suất lớn (dung kháng từ 30 Ohm đến 43 Ohm), đại diện cho cấu hình vận hành có nguy cơ bất ổn định cao nhất toàn hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả quét tần số trên hệ thống điện Việt Nam giai đoạn năm 2020 cho thấy sự phân hóa rõ rệt về rủi ro SSR giữa các khu vực địa lý:

Thứ nhất, tại khu vực miền Bắc và miền Nam, đồ thị trở kháng tương đương Z(f) tại thanh cái 500kV của các trung tâm nhiệt điện lớn như Mông Dương, Quảng Ninh, Thăng Long, Duyên Hải, Phú Mỹ, Ô Môn và Vĩnh Tân hoàn toàn tuyến tính, không xuất hiện điểm gấp khúc đột biến, đồng nghĩa với mức độ rủi ro SSR tại các khu vực này bằng 0% do các tuyến đường dây liên kết nội vùng không lắp đặt tụ bù dọc.

Thứ hai, tại khu vực miền Trung, đặc biệt là nút thanh cái 220kV Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng 1 và thanh cái TBA 500kV Vũng Áng, kết quả quét tần số trên 28 kịch bản vận hành đã phát hiện 2 dải tần số cộng hưởng tự nhiên nguy hiểm của lưới điện: dải tần thấp từ 15 Hz đến 20 Hz và dải tần cao từ 35 Hz đến 38 Hz. Các tần số cộng hưởng này cảm ứng sang rotor máy phát tạo ra dòng dao động trong dải fr tương ứng là 30 Hz đến 35 Hz và 12 Hz đến 15 Hz.

Thứ ba, kết quả giải bài toán trị riêng cho trục tổ máy S1 Vũng Áng 1 đã xác định được 3 mode dao động xoắn cơ học riêng biệt: Mode 1 đạt 13,90 Hz (dao động giữa trục LPA - LPB), Mode 2 đạt 26,95 Hz (dao động giữa trục LPB - GEN) và Mode 3 đạt 31,90 Hz (dao động giữa trục HIP - LPA). Khi đối chứng với số liệu đo đạc thực tế của tập đoàn Toshiba (Mode 1 là 13,75 Hz; Mode 2 là 26,25 Hz; Mode 3 là 30,31 Hz), sai số tính toán của mô hình đạt mức rất nhỏ, chỉ từ 0,15 Hz đến 1,59 Hz, khẳng định độ tin cậy tuyệt đối của phương pháp.

Thứ tư, khi phân tích hiện tượng tự kích thích và mô-men xoắn quá độ trong trường hợp sự cố ngắn mạch 3 pha loại trừ sau 100 ms, phân tích phổ Fourier cho thấy biên độ dao động mô-men xoắn cục bộ trên đoạn trục LPA - LPB đạt 0,00463 pu tại tần số 14 Hz (trùng Mode 1) và trên đoạn trục HIP - LPA vọt lên mức 0,01604 pu tại tần số 32 Hz (trùng Mode 3), chứng minh nguy cơ phá hủy cơ học hiện hữu nếu không có thiết bị bảo vệ.

Thảo luận kết quả

Sự trùng khớp giữa dải tần số cảm ứng từ lưới điện (12 đến 15 Hz và 30 đến 35 Hz) với các tần số dao động xoắn tự nhiên của turbine (13,90 Hz và 31,90 Hz) lý giải nguyên nhân cốt lõi gây ra sự cố nứt trục thực tế tại Vũng Áng 1 vào tháng 11/2015. Khi mạng lưới đường dây 500kV giải tỏa công suất lớn kết hợp với các bộ tụ bù dọc 30 Ohm tại Hà Tĩnh, 30,5 Ohm tại Vũng Áng và 43 Ohm tại Quảng Trạch, bất kỳ xung động đóng cắt nào cũng kích hoạt dòng điện tần số thấp đi vào stator.

Trong quá trình mô phỏng quá độ trên phần mềm EMTP-RV, dữ liệu động học được trực quan hóa sinh động qua các dạng biểu đồ sóng thời gian của dòng điện stator 3 pha (ia, ib, ic) và biểu đồ mô-men xoắn tức thời trên từng đoạn trục (T_HIP-LPA, T_LPA-LPB, T_LPB-GEN). Kết hợp với bảng phân tích phổ Fourier biên độ - tần số, dữ liệu cho thấy năng lượng dao động tập trung chủ yếu tại các đỉnh tần số 14 Hz và 32 Hz. So sánh với mô hình Benchmark 2 chuẩn của IEEE, mức độ khuếch đại mô-men xoắn quá độ trong hệ thống điện Việt Nam có độ tương đồng cao với sai số biên độ đỉnh dưới 0,01 pu. Tầm nhìn lưới điện năm 2025 cho thấy khi đóng điện các cung đoạn 500kV mới, dải tần số cộng hưởng tại khu vực Bắc Trung Bộ tiếp tục mở rộng, đòi hỏi các giải pháp ngăn chặn chủ động ngay từ khâu quy hoạch thiết bị.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm triệt tiêu triệt để nguy cơ cộng hưởng dưới đồng bộ và bảo đảm an toàn vận hành lưới điện truyền tải Việt Nam, các giải pháp kỹ thuật cụ thể được đề xuất như sau:

Thứ nhất, phê duyệt và triển khai lắp đặt hệ thống bộ lọc chặn tần số thấp (Blocking Filter) 3 mode nối tiếp tại đầu cực hoặc phía trung tính của máy biến áp tổ máy S1 và S2 Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng 1. Giải pháp do Tổng công ty Điện lực Dầu khí Việt Nam (PV Power) chủ trì thực hiện hoàn thành trong giai đoạn 2021 - 2022, với mục tiêu triệt tiêu hoàn toàn dòng điện dưới đồng bộ tại các tần số 13,90 Hz và 31,90 Hz, giảm biên độ dao động xoắn quá độ về mức an toàn dưới 0,001 pu.

Thứ hai, ban hành quy trình phối hợp vận hành và điều khiển đóng cắt tụ bù dọc thích ứng cho Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (A0) áp dụng từ quý 1 năm 2021. Quy trình quy định chi tiết việc tự động bắc cầu (bypass) các tụ bù dọc 30 Ohm tại Hà Tĩnh và 43 Ohm tại Quảng Trạch trong các kịch bản sự cố cắt đường dây đơn mạch lân cận, nhằm dịch chuyển tần số cộng hưởng tự nhiên của lưới ra xa vùng tần số nguy hiểm ít nhất 10%.

Thứ ba, chuẩn hóa quy chuẩn kỹ thuật đấu nối nguồn điện mới vào hệ thống truyền tải 500kV do Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) ban hành trong năm 2022. Tiêu chuẩn bắt buộc các chủ đầu tư nhà máy nhiệt điện than, điện khí LNG và các trang trại năng lượng tái tạo quy mô lớn phải cung cấp đầy đủ thông số cơ học trục turbine và thực hiện đánh giá tác động SSR trước khi hòa lưới.

Thứ tư, trang bị hệ thống rơ le giám sát và bảo vệ ứng suất xoắn trục thời gian thực (Torsional Stress Relay) với chu kỳ lấy mẫu dưới 1 ms cho toàn bộ các tổ máy nhiệt điện công suất từ 600 MW trở lên đấu nối lưới điện 500kV (Vũng Áng, Vĩnh Tân, Duyên Hải, Sông Hậu) trong giai đoạn 2022 - 2025, do các đơn vị phát điện trực tiếp quản lý và vận hành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật cao, là tài liệu tham khảo thiết yếu cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư điều độ, chuyên viên tính toán phương thức và bảo vệ rơ le tại Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (A0) và các trung tâm điều độ miền. Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu 28 kịch bản vận hành thực tế, hỗ trợ xây dựng phương thức huy động nguồn và điều khiển tụ bù dọc an toàn tuyệt đối.

Nhóm thứ hai là ban lãnh đạo kỹ thuật, kỹ sư vận hành và bảo dưỡng tại các nhà máy nhiệt điện công suất lớn trên toàn quốc. Luận văn cung cấp phương pháp luận chi tiết để tính toán thiết kế bộ lọc Blocking Filter, phân tích dữ liệu rung chấn và đánh giá tuổi thọ mỏi của hệ thống trục turbine máy phát.

Nhóm thứ ba là các chuyên gia tư vấn thiết kế và quy hoạch hệ thống điện tại các công ty tư vấn xây dựng điện (PECC1, PECC2, PECC3, PECC4) và Viện Năng lượng. Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo quan trọng trong việc lựa chọn thông số kỹ thuật dung kháng tụ bù dọc trên các đường dây 500kV mạch 3 và mạch 4 tương lai.

Nhóm thứ tư là giảng viên, nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện, Hệ thống điện tại các trường đại học khối kỹ thuật. Công trình là hình mẫu chuẩn mực về việc ứng dụng kết hợp phần mềm EMTP-RV 4.0 và Matlab trong phân tích ổn định hệ thống điện hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân cốt lõi khiến tụ bù dọc trên đường dây 500kV gây ra hiện tượng cộng hưởng dưới đồng bộ là gì? Tụ bù dọc khi mắc nối tiếp với điện kháng đường dây và máy biến áp sẽ hình thành mạch dao động R-L-C có tần số cộng hưởng tự nhiên fn nhỏ hơn 50 Hz. Dòng điện dao động này cảm ứng sang rotor máy phát với tần số bù fr = 50 - fn. Nếu fr trùng khớp với một trong các tần số dao động cơ học riêng của hệ trục turbine, hiện tượng cộng hưởng cơ điện sẽ bùng phát dữ dội.

Sự cố thực tế xảy ra tại Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng 1 vào tháng 11/2015 đã để lại hậu quả gì? Vào ngày 24/11/2015, tổ máy phát S1 tại Nhà máy Nhiệt điện Vũng Áng 1 bị rung lắc dữ dội do tương tác xoắn giữa các tụ bù dọc 500kV khu vực Hà Tĩnh - Vũng Áng và hệ trục máy phát. Kết quả kiểm tra của hãng chế tạo Toshiba xác nhận xuất hiện nhiều vết nứt, xước nghiêm trọng tại các gối trục turbine do tích lũy ứng suất mỏi cơ học quá mức.

Tại sao nghiên cứu cần kết hợp cả phương pháp quét tần số và phương pháp trị riêng? Phương pháp quét tần số trên EMTP-RV cho phép nhận diện chính xác các đỉnh cộng hưởng tự nhiên của mạng lưới truyền tải trên 28 kịch bản vận hành. Trong khi đó, phương pháp trị riêng trên Matlab giúp tính toán chính xác các tần số dao động cơ học riêng của trục máy phát. Sự kết hợp cả hai phương pháp là điều kiện tiên quyết để đánh giá nguy cơ giao thoa tần số gây ra SSR.

Nguyên lý hoạt động của bộ lọc chặn tần số thấp (Blocking Filter) trong việc bảo vệ trục turbine là gì? Blocking Filter là mạch lọc thụ động cộng hưởng song song LC được đấu nối tiếp tại đầu cực máy phát. Bộ lọc được tinh chỉnh để tạo ra tổng trở cực lớn tại đúng các tần số nguy hiểm như 13,90 Hz và 31,90 Hz, ngăn chặn hoàn toàn dòng điện dưới đồng bộ xâm nhập vào stator, loại bỏ triệt để mô-men xoắn quá độ tác động lên trục cơ khí.

Lưới điện truyền tải Việt Nam năm 2025 có nguy cơ xuất hiện SSR tại các khu vực nào? Theo kết quả mô phỏng cấu hình lưới điện năm 2025, khu vực Bắc Trung Bộ và các nút truyền tải liên kết miền Trung tiếp tục là vùng có mật độ tụ bù dọc dày đặc và tiềm ẩn nguy cơ SSR cao nhất. Ngược lại, khu vực đồng bằng Bắc Bộ và Nam Bộ duy trì mức độ an toàn cao do không sử dụng bù dọc trên các đường dây cự ly ngắn.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn và khoa học bài toán ổn định dao động dưới đồng bộ trên hệ thống điện Việt Nam với các đóng góp nổi bật:

  • Xây dựng thành công mô hình mô phỏng chi tiết hệ thống truyền tải điện 500kV - 220kV toàn quốc trên phần mềm chuyên dụng EMTP-RV 4.0 tại chế độ phụ tải cực đại 38.415 MW.
  • Xác định chính xác 2 dải tần số cộng hưởng tự nhiên nguy hiểm của lưới điện khu vực miền Trung tại nút Vũng Áng 1 là 15 đến 20 Hz và 35 đến 38 Hz.
  • Tính toán 3 mode dao động xoắn riêng của hệ trục tổ máy 600 MW với độ chính xác cao, sai số so với thực tế chỉ 0,15 Hz ở Mode 1 (13,90 Hz) và 1,59 Hz ở Mode 3 (31,90 Hz).
  • Chứng minh định lượng nguy cơ phá hủy mỏi trục do mô-men xoắn quá độ khi xảy ra ngắn mạch 3 pha loại trừ sau 100 ms trên các tuyến đường dây 500kV liên kết.
  • Đề xuất và kiểm chứng thành công giải pháp bộ lọc Blocking Filter 3 mode, triệt tiêu hoàn toàn dao động xoắn và mở ra định hướng an toàn cho quy hoạch lưới điện năm 2025.

Lộ trình tiếp theo đòi hỏi các đơn vị quản lý lưới điện và nhà máy phát điện khẩn trương triển khai lắp đặt hệ thống lọc chặn tần số thấp trước năm 2022, đồng thời tích hợp rơ le bảo vệ xoắn trục thời gian thực trong giai đoạn 2022 - 2025. Các cấp quản lý ngành điện cần tham khảo và ứng dụng ngay các kết quả nghiên cứu này vào công tác vận hành thực tế nhằm bảo đảm hệ thống điện quốc gia vận hành an toàn, tin cậy và bền vững.