Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện phân phối trung áp đóng vai trò then chốt trong hệ thống điện quốc gia, đảm bảo cung cấp điện ổn định cho các phụ tải công nghiệp và dân sinh. Xuất tuyến 371 E15 thuộc trạm biến áp E15 tại Nghệ An là một ví dụ điển hình của lưới điện trung áp với tổng công suất khoảng 14.795 kVA, phục vụ nhiều xã vùng trung du có địa hình phức tạp và phụ tải đa dạng. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, hiện tượng sụt áp và tổn thất công suất trên xuất tuyến này gây ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện năng và hiệu quả kinh tế của hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình tính toán và lựa chọn vị trí, công suất máy biến áp bổ trợ (MBA bổ trợ) tối ưu nhằm cải thiện điện áp, giảm tổn thất công suất và chi phí vận hành trên xuất tuyến 371 E15. Nghiên cứu tập trung vào phân tích các ràng buộc kỹ thuật, xây dựng hàm mục tiêu đa tiêu chí kết hợp giữa cải thiện điện áp, giảm tổn thất và chi phí đầu tư MBA bổ trợ. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các nút trên trục chính của xuất tuyến 371 E15, với dữ liệu thu thập từ thực tế vận hành và thông số kỹ thuật của MBA bổ trợ loại 1 pha của hãng Cooper.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm thiểu tổn thất năng lượng, đồng thời tối ưu hóa chi phí đầu tư và vận hành hệ thống phân phối trung áp. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng rộng rãi cho các lưới điện phân phối tương tự, góp phần phát triển hệ thống điện thông minh và bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết phân phối điện áp trong lưới điện trung áp: Bao gồm các khái niệm về điện áp pha, điện áp dây, sụt áp trên đường dây và các tiêu chuẩn kỹ thuật về điện áp cho phép tại các nút phụ tải.
  • Mô hình máy biến áp bổ trợ (Onload Tap Changer - OLTC): Máy biến áp bổ trợ có khả năng điều chỉnh điện áp theo tải, gồm hai kiểu chính là kiểu A (cuộn dây song song phía tải) và kiểu B (cuộn dây song song phía nguồn), giúp cân bằng điện áp và giảm tổn thất.
  • Mô hình toán học đa tiêu chí: Xây dựng hàm mục tiêu kết hợp giữa mức độ cải thiện điện áp, giảm tổn thất công suất và chi phí đầu tư MBA bổ trợ, với các ràng buộc kỹ thuật về điện áp, dòng điện và công suất.
  • Các chỉ số đánh giá chất lượng điện năng: SAIFI, SAIDI, CAIFI, CAIDI, ASAI, ASUI, ENS, AENS được sử dụng để đánh giá độ tin cậy và hiệu quả vận hành của hệ thống phân phối.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực tế từ xuất tuyến 371 E15 tại trạm biến áp E15, Nghệ An, bao gồm thông số kỹ thuật MBA, đặc tính phụ tải, điện áp tại các nút và tổn thất công suất.
  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm mô phỏng PSS/ADEPT phiên bản 5.0 để mô phỏng lưới điện, tính toán phân bố điện áp, tổn thất công suất và hiệu quả của các phương án MBA bổ trợ.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Nghiên cứu tập trung trên 42 nút chính thuộc trục chính xuất tuyến 371 E15, lựa chọn các nút có điện áp thấp nhất và phụ tải lớn làm điểm đặt MBA bổ trợ tiềm năng.
  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài khoảng 6 tháng, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố điện áp trên xuất tuyến 371 E15:

    • Điện áp tại nút thấp nhất đo được là khoảng 0,92 p.u (tương đương 95% điện áp danh định), thấp hơn giới hạn cho phép ±5%.
    • Sự sụt áp tập trung chủ yếu tại các nút xa trạm biến áp, đặc biệt tại các xã Diễn Thái và Diễn Hồng.

  2. Tổn thất công suất trên xuất tuyến:

    • Tổng tổn thất công suất ước tính khoảng 7,5% công suất truyền tải, cao hơn mức tiêu chuẩn vận hành hiệu quả (khoảng 5%).
    • Tổn thất tập trung tại các đoạn dây dài và có dòng điện lớn, đặc biệt là các nhánh phụ tải công nghiệp.

  3. Hiệu quả của MBA bổ trợ:

    • MBA bổ trợ đặt tại nút có điện áp thấp nhất (nút 4) với công suất 120 kVA giúp nâng điện áp nút này lên 0,98 p.u, cải thiện điện áp trung bình toàn tuyến lên 3,5%.
    • Tổn thất công suất giảm khoảng 1,2% so với không sử dụng MBA bổ trợ.
    • Chi phí đầu tư và vận hành MBA bổ trợ được tối ưu khi đặt tại nút 4, giảm 20% so với đặt tại nút xa trạm hơn (nút 5).

  4. Hàm mục tiêu đa tiêu chí:

    • Khi trọng số cải thiện điện áp (wv) chiếm 50%, trọng số giảm tổn thất (wp) 30% và trọng số chi phí (wk) 20%, hàm mục tiêu đạt giá trị tối ưu tại vị trí nút 4 với công suất MBA 120 kVA.
    • Việc tăng công suất MBA vượt quá 150 kVA không mang lại cải thiện đáng kể về điện áp và tổn thất, nhưng làm tăng chi phí đầu tư.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng MBA bổ trợ là giải pháp hiệu quả để cải thiện điện áp và giảm tổn thất trên xuất tuyến 371 E15. Việc lựa chọn vị trí đặt MBA bổ trợ gần nút có điện áp thấp nhất giúp tối ưu hóa hiệu quả kỹ thuật và kinh tế. So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với nguyên tắc đặt thiết bị bù tại các điểm phụ tải lớn và xa nguồn cấp để giảm sụt áp và tổn thất.

Biểu đồ phân bố điện áp trước và sau khi lắp MBA bổ trợ minh họa rõ sự cải thiện điện áp tại các nút xa trạm. Bảng so sánh tổn thất công suất và chi phí đầu tư giữa các phương án đặt MBA bổ trợ cũng cho thấy sự ưu việt của phương án tối ưu.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ giúp nâng cao chất lượng điện năng mà còn góp phần giảm chi phí vận hành và đầu tư cho hệ thống phân phối trung áp, phù hợp với xu hướng phát triển lưới điện thông minh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Lắp đặt MBA bổ trợ tại nút có điện áp thấp nhất (nút 4) với công suất khoảng 120 kVA:

    • Mục tiêu: nâng điện áp nút lên trên 0,98 p.u và giảm tổn thất công suất ít nhất 1%.
    • Thời gian thực hiện: trong vòng 12 tháng tới.
    • Chủ thể thực hiện: Công ty Điện lực Nghệ An phối hợp với đơn vị tư vấn kỹ thuật.

  2. Áp dụng phần mềm mô phỏng PSS/ADEPT để đánh giá hiệu quả vận hành và tối ưu hóa vị trí, công suất MBA bổ trợ:

    • Mục tiêu: cập nhật mô hình lưới điện và dự báo phụ tải chính xác.
    • Thời gian: liên tục cập nhật hàng năm.
    • Chủ thể: Trung tâm Điều độ và Phân phối điện.

  3. Xây dựng quy trình vận hành phối hợp giữa các MBA bổ trợ và thiết bị bù công suất phản kháng:

    • Mục tiêu: đảm bảo cân bằng điện áp và giảm thiểu tổn thất trong mọi điều kiện tải.
    • Thời gian: 6 tháng sau khi lắp đặt MBA bổ trợ.
    • Chủ thể: Đội vận hành trạm biến áp và lưới điện.

  4. Đào tạo nhân viên kỹ thuật về vận hành và bảo trì MBA bổ trợ:

    • Mục tiêu: nâng cao năng lực vận hành, giảm thiểu sự cố và tăng tuổi thọ thiết bị.
    • Thời gian: tổ chức định kỳ hàng năm.
    • Chủ thể: Công ty Điện lực Nghệ An phối hợp với nhà sản xuất thiết bị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

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

    • Lợi ích: áp dụng mô hình và phương pháp tính toán để tối ưu hóa vận hành, nâng cao chất lượng điện năng.
    • Use case: thiết kế kế hoạch lắp đặt MBA bổ trợ cho các xuất tuyến tương tự.

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

    • Lợi ích: có cơ sở khoa học để quyết định đầu tư thiết bị nâng cao hiệu quả lưới điện.
    • Use case: xây dựng chính sách phát triển lưới điện thông minh và bền vững.

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

    • Lợi ích: tham khảo mô hình toán học, phương pháp mô phỏng và phân tích đa tiêu chí trong hệ thống điện.
    • Use case: phát triển đề tài nghiên cứu liên quan đến tối ưu hóa lưới điện phân phối.

  4. Các nhà cung cấp thiết bị và phần mềm ngành điện:

    • Lợi ích: hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và tiêu chí lựa chọn MBA bổ trợ phù hợp với thực tế vận hành.
    • Use case: phát triển sản phẩm và giải pháp công nghệ đáp ứng nhu cầu thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. MBA bổ trợ là gì và có vai trò như thế nào trong lưới điện phân phối?
    MBA bổ trợ là máy biến áp có khả năng điều chỉnh điện áp theo tải, giúp cân bằng điện áp và giảm tổn thất trên lưới điện phân phối trung áp. Ví dụ, trên xuất tuyến 371 E15, MBA bổ trợ giúp nâng điện áp tại các nút xa trạm, đảm bảo điện áp trong giới hạn cho phép.

  2. Làm thế nào để xác định vị trí đặt MBA bổ trợ tối ưu?
    Vị trí đặt MBA bổ trợ được xác định dựa trên mô hình phân bố điện áp và tổn thất công suất, ưu tiên các nút có điện áp thấp nhất và phụ tải lớn. Phần mềm mô phỏng như PSS/ADEPT hỗ trợ tính toán và lựa chọn vị trí tối ưu.

  3. MBA bổ trợ có ảnh hưởng như thế nào đến tổn thất công suất?
    MBA bổ trợ giúp giảm tổn thất công suất bằng cách nâng điện áp tại các nút xa trạm, giảm dòng điện qua đường dây. Trên xuất tuyến 371 E15, tổn thất giảm khoảng 1,2% khi sử dụng MBA bổ trợ công suất 120 kVA.

  4. Chi phí đầu tư MBA bổ trợ có được tối ưu không?
    Chi phí được tối ưu khi lựa chọn công suất và vị trí MBA bổ trợ phù hợp, tránh lắp đặt công suất quá lớn hoặc tại vị trí không hiệu quả. Nghiên cứu cho thấy đặt MBA bổ trợ tại nút 4 với công suất 120 kVA là phương án kinh tế nhất.

  5. Phần mềm PSS/ADEPT có vai trò gì trong nghiên cứu này?
    PSS/ADEPT là công cụ mô phỏng lưới điện phân phối, giúp tính toán phân bố điện áp, tổn thất và đánh giá hiệu quả các phương án MBA bổ trợ. Phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình chính xác và phân tích đa tiêu chí.

Kết luận

  • Xác định được vị trí và công suất MBA bổ trợ tối ưu trên xuất tuyến 371 E15 giúp cải thiện điện áp và giảm tổn thất công suất hiệu quả.
  • Mô hình toán học đa tiêu chí kết hợp giữa cải thiện điện áp, giảm tổn thất và chi phí đầu tư là công cụ hữu ích trong thiết kế hệ thống phân phối.
  • Phần mềm PSS/ADEPT là công cụ mạnh mẽ hỗ trợ mô phỏng và phân tích kỹ thuật cho các bài toán lưới điện phân phối.
  • Việc phối hợp vận hành MBA bổ trợ và thiết bị bù công suất phản kháng cần được xây dựng quy trình rõ ràng để đảm bảo hiệu quả tối ưu.
  • Đề xuất triển khai lắp đặt MBA bổ trợ tại nút có điện áp thấp nhất trong vòng 12 tháng tới, đồng thời đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì.

Next steps: Triển khai khảo sát thực tế, cập nhật mô hình số liệu mới, tiến hành lắp đặt và đánh giá hiệu quả vận hành.

Call to action: Các đơn vị quản lý và vận hành lưới điện cần phối hợp chặt chẽ để áp dụng giải pháp MBA bổ trợ, nâng cao chất lượng điện năng và hiệu quả kinh tế cho hệ thống phân phối trung áp.