Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện trung thế 22 kV đóng vai trò quan trọng trong hệ thống phân phối điện, đặc biệt tại các khu vực đô thị và nông thôn. Theo báo cáo của ngành điện, lưới điện phân phối chiếm khoảng 70% tổng chiều dài đường dây điện và đảm nhận nhiệm vụ cung cấp điện trực tiếp đến người tiêu dùng cuối cùng. Thành phố Sầm Sơn, tỉnh Thanh Hóa, với mạng lưới điện 22 kV gồm 9 lộ đường dây chính, trong đó lộ 475 là một tuyến trọng điểm, đang đối mặt với nhiều thách thức về vận hành hiệu quả và độ tin cậy cung cấp điện.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích vận hành lưới điện lộ 475, đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành, giảm tổn thất điện năng và tăng độ tin cậy cung cấp điện. Nghiên cứu tập trung vào các phương án vận hành khác nhau, điều chỉnh điện áp nguồn, tái cấu trúc mạch vòng, bù công suất phản kháng và tích hợp nguồn phân tán năng lượng tái tạo như turbine gió (WTG). Phạm vi nghiên cứu bao gồm lưới điện 22 kV tại thành phố Sầm Sơn, với dữ liệu thu thập trong giai đoạn gần đây, sử dụng phần mềm mô phỏng ETAP để phân tích và đánh giá.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện các chỉ số kỹ thuật như giảm tổn thất công suất, duy trì điện áp ổn định trong phạm vi ±5%, và nâng cao các chỉ số độ tin cậy SAIDI, SAIFI, MAIFI. Kết quả nghiên cứu góp phần hỗ trợ công tác quản lý vận hành lưới điện phân phối, đồng thời thúc đẩy phát triển nguồn năng lượng tái tạo phân tán tại địa phương, phù hợp với chủ trương của Bộ Công Thương và EVN.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

  1. Lý thuyết phân tích trạng thái ổn định hệ thống điện: Sử dụng các phương trình phi tuyến mô tả phân bố công suất, điện áp và dòng điện trong lưới điện. Thuật toán Newton-Raphson và Gauss-Seidel được áp dụng để giải hệ phương trình này, đảm bảo tính chính xác và hội tụ nhanh trong mô phỏng.

  2. Mô hình vận hành lưới điện phân phối đa mạch vòng và đa nguồn: Khái niệm về cấu trúc mạch vòng giúp tăng độ tin cậy và chất lượng điện năng. Mô hình tích hợp nguồn phân tán (Distributed Generation - DG), đặc biệt là nguồn turbine gió (WTG), được xem xét để đánh giá ảnh hưởng đến vận hành lưới.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

  • OLTC (On-circuit tap changer): Bộ điều chỉnh điện áp dưới tải của máy biến áp.
  • LBS (Load Break Switch): Máy cắt phụ tải thường dùng để đóng cắt mạch vòng.
  • Recloser (RE): Máy cắt tự động đóng lại, nâng cao độ tin cậy lưới điện.
  • SAIDI, SAIFI, MAIFI: Các chỉ số đánh giá độ tin cậy cung cấp điện.
  • Tụ bù công suất phản kháng: Thiết bị cải thiện hệ số công suất và ổn định điện áp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thực tế từ lưới điện 22 kV thành phố Sầm Sơn, đặc biệt lộ 475, với các thông số về phụ tải, đường dây, máy biến áp và thiết bị bảo vệ. Dữ liệu được thu thập qua khảo sát hiện trường và báo cáo vận hành của Điện lực Sầm Sơn.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm mô phỏng ETAP, áp dụng các thuật toán Newton-Raphson và Gauss-Seidel để mô phỏng các chế độ vận hành khác nhau của lưới điện. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ lộ 475 với 70+ điểm phụ tải và các thiết bị liên quan. Phương pháp chọn mẫu là toàn bộ đối tượng nghiên cứu nhằm đảm bảo tính toàn diện.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong 2 năm, bao gồm giai đoạn thu thập số liệu, mô phỏng, phân tích và đề xuất giải pháp. Các bước phân tích bao gồm: mô hình hóa lưới điện, mô phỏng các chế độ vận hành, đánh giá tổn thất công suất, điện áp và độ tin cậy, sau đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật phù hợp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Điều chỉnh điện áp nguồn và tổn thất công suất:

    • Ở chế độ vận hành phụ tải cực đại (Smax) với OLTC chưa kích hoạt, điện áp tại một số bus tải vượt giới hạn ±5%, tổn thất công suất khoảng 5,2%.
    • Khi điều chỉnh điện áp máy biến áp (MBA) lên 105% Uđm, điện áp tại các bus ổn định trong phạm vi cho phép, tổn thất công suất giảm xuống còn 4,1%, tương đương giảm 21% so với chế độ chưa điều chỉnh.

  2. Tái cấu trúc mạch vòng lộ 475:

    • Đóng kết nối mạch vòng tại bus 20 giúp phân phối tải cân bằng hơn, giảm tổn thất công suất thêm 10% so với trạng thái mở mạch.
    • Đóng kết nối tại bus 16 cũng cải thiện điện áp và độ tin cậy, tuy nhiên hiệu quả thấp hơn so với bus 20 do đặc điểm phụ tải và cấu trúc đường dây.

  3. Giải pháp bù tụ điện tĩnh:

    • Bù tụ tại các vị trí kinh tế được xác định giúp cải thiện hệ số công suất lên 0,95, giảm tổn thất công suất thêm 15%.
    • Mô phỏng cho thấy điện áp tại các bus tải được duy trì ổn định hơn, giảm hiện tượng sụt áp và nhấp nháy điện áp.

  4. Tích hợp nguồn phân tán turbine gió (WTG):

    • Kết nối 2 tổ máy WTG công suất 100-500 kW mỗi tổ vào lưới lộ 475 giúp giảm tải cho nguồn chính, giảm tổn thất công suất khoảng 8%.
    • Vận hành WTG ở tốc độ gió 70-90% định mức cho thấy công suất phát ổn định, góp phần nâng cao độ tin cậy và giảm phát thải khí nhà kính.

  5. Trang bị recloser nâng cao độ tin cậy:

    • Mô phỏng chỉ số SAIDI giảm 12%, SAIFI giảm 15% khi trang bị recloser tại các vị trí nhánh và cuối đường dây.
    • Recloser giúp cô lập sự cố nhanh, giảm thời gian mất điện và số lần mất điện cho khách hàng.

Thảo luận kết quả

Các kết quả mô phỏng cho thấy việc điều chỉnh điện áp nguồn và tái cấu trúc mạch vòng là những giải pháp hiệu quả, phù hợp với đặc điểm phụ tải và cấu trúc lưới điện lộ 475. Việc bù tụ điện tĩnh không chỉ giảm tổn thất mà còn cải thiện chất lượng điện áp, phù hợp với tiêu chuẩn IEC và TCVN về điện áp và sóng hài.

Tích hợp nguồn phân tán turbine gió phù hợp với chủ trương phát triển năng lượng tái tạo của Bộ Công Thương và EVN, đồng thời tận dụng tiềm năng gió tại địa phương. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu gần đây về lợi ích của nguồn phân tán trong lưới điện phân phối.

Việc trang bị recloser nâng cao độ tin cậy vận hành lưới điện, giảm thiểu thời gian và tần suất mất điện, góp phần nâng cao chỉ số SAIDI, SAIFI và MAIFI, phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu quản lý vận hành hiện đại.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố điện áp bus, bảng so sánh tổn thất công suất và các chỉ số độ tin cậy trước và sau khi áp dụng giải pháp, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng phương án.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai điều chỉnh điện áp nguồn bằng OLTC và điều chỉnh MBA

    • Thực hiện điều chỉnh điện áp máy biến áp lên 105% Uđm trong các giờ cao điểm để duy trì điện áp ổn định.
    • Mục tiêu giảm tổn thất công suất ít nhất 15% trong vòng 12 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Điện lực Sầm Sơn phối hợp với EVN Thanh Hóa.

  2. Tái cấu trúc mạch vòng lộ 475 bằng đóng kết nối tại bus 20 và bus 16

    • Đóng các LBS liên lạc để tạo mạch vòng linh hoạt, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.
    • Mục tiêu cải thiện độ tin cậy SAIDI, SAIFI giảm ít nhất 10% trong 6 tháng.
    • Chủ thể thực hiện: Ban kỹ thuật Điện lực Sầm Sơn.

  3. Lắp đặt tụ bù công suất phản kháng tại các vị trí kinh tế đã xác định

    • Triển khai bù tụ tĩnh để nâng cao hệ số công suất lên 0,95, giảm tổn thất điện năng.
    • Mục tiêu tiết kiệm chi phí điện năng và giảm tổn thất 15% trong 1 năm.
    • Chủ thể thực hiện: Phòng kỹ thuật Điện lực phối hợp với nhà thầu thiết bị điện.

  4. Phát triển và tích hợp nguồn phân tán turbine gió (WTG)

    • Xây dựng các trạm phát điện turbine gió công suất 100-500 kW tại các vị trí có tiềm năng gió phù hợp.
    • Mục tiêu tăng tỷ lệ năng lượng tái tạo trong lưới điện lên 10% trong 2 năm.
    • Chủ thể thực hiện: EVN Thanh Hóa, các nhà đầu tư năng lượng tái tạo.

  5. Trang bị và nâng cấp hệ thống recloser tại các vị trí nhánh và cuối đường dây

    • Lắp đặt recloser để tự động cô lập sự cố, giảm thời gian mất điện.
    • Mục tiêu giảm SAIDI và SAIFI ít nhất 12% trong 1 năm.
    • Chủ thể thực hiện: Ban quản lý vận hành lưới điện phân phối.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên viên vận hành lưới điện phân phối

    • Lợi ích: Áp dụng các giải pháp vận hành hiệu quả, nâng cao độ tin cậy và chất lượng điện năng.
    • Use case: Thiết kế kế hoạch vận hành, bảo trì và nâng cấp lưới điện.

  2. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện

    • Lợi ích: Cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển lưới điện và năng lượng tái tạo.
    • Use case: Định hướng đầu tư, phát triển nguồn phân tán và hiện đại hóa lưới điện.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện

    • Lợi ích: Tài liệu tham khảo về mô hình hóa, phân tích và mô phỏng lưới điện bằng phần mềm ETAP.
    • Use case: Nghiên cứu chuyên sâu, phát triển đề tài luận văn, luận án.

  4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp năng lượng tái tạo

    • Lợi ích: Hiểu rõ tiềm năng và giải pháp tích hợp nguồn phân tán vào lưới điện phân phối.
    • Use case: Lập kế hoạch đầu tư, triển khai dự án turbine gió và các nguồn năng lượng tái tạo khác.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần điều chỉnh điện áp nguồn trong lưới điện phân phối?
    Điều chỉnh điện áp nguồn giúp duy trì điện áp tại các điểm tải trong phạm vi cho phép ±5%, giảm tổn thất điện năng và tránh hư hỏng thiết bị. Ví dụ, điều chỉnh điện áp MBA lên 105% Uđm đã giảm tổn thất công suất khoảng 21% trong nghiên cứu.

  2. Mạch vòng có vai trò gì trong lưới điện phân phối?
    Mạch vòng giúp tăng độ tin cậy bằng cách cung cấp nhiều đường cấp điện cho cùng một phụ tải, giảm thời gian mất điện khi có sự cố. Đóng kết nối mạch vòng tại bus 20 đã giảm tổn thất công suất thêm 10% và cải thiện độ tin cậy.

  3. Tại sao phải bù công suất phản kháng trong lưới điện?
    Bù công suất phản kháng cải thiện hệ số công suất, giảm tổn thất điện năng và ổn định điện áp. Nghiên cứu cho thấy bù tụ tĩnh nâng hệ số công suất lên 0,95, giảm tổn thất thêm 15%.

  4. Nguồn phân tán turbine gió ảnh hưởng thế nào đến lưới điện?
    Nguồn turbine gió cung cấp công suất tại chỗ, giảm tải cho nguồn chính và tổn thất trên đường dây. Kết nối 2 tổ máy WTG đã giảm tổn thất công suất khoảng 8% và nâng cao độ tin cậy.

  5. Recloser có tác dụng gì trong vận hành lưới điện?
    Recloser tự động đóng lại sau sự cố tạm thời, cô lập sự cố nhanh, giảm thời gian và số lần mất điện. Mô phỏng cho thấy chỉ số SAIDI giảm 12%, SAIFI giảm 15% khi trang bị recloser.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích chi tiết vận hành lưới điện 22 kV lộ 475 thành phố Sầm Sơn, sử dụng phần mềm ETAP mô phỏng các chế độ vận hành và đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả.
  • Các giải pháp điều chỉnh điện áp nguồn, tái cấu trúc mạch vòng, bù tụ điện và tích hợp nguồn phân tán turbine gió đã chứng minh hiệu quả rõ rệt trong giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy.
  • Trang bị recloser góp phần giảm thời gian mất điện và số lần mất điện, nâng cao chất lượng cung cấp điện.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho công tác quản lý vận hành lưới điện phân phối hiện đại, phù hợp với xu hướng phát triển năng lượng tái tạo.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế các giải pháp, mở rộng nghiên cứu tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo khác và ứng dụng công nghệ số trong quản lý lưới điện.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị quản lý và vận hành lưới điện nên áp dụng các giải pháp nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy, đồng thời thúc đẩy phát triển nguồn năng lượng tái tạo phân tán tại địa phương.