Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện huyện đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận sở hữu tổng công suất nguồn lắp đặt đạt 16,8 MW, vận hành hoàn toàn độc lập với lưới điện quốc gia trên cấp điện áp 22 kV. Nhu cầu phụ tải trên đảo ghi nhận mức công suất cực đại đạt 4,1 MW và cực tiểu đạt 1,9 MW trong năm 2020, với sản lượng tiêu thụ thương phẩm đạt 22,7 triệu kWh. Bài toán vận hành lưới điện vi mô (Microgrid) tại đây gặp thách thức lớn khi tỷ lệ thâm nhập của nguồn năng lượng tái tạo (gồm 6 MW điện gió và 0,806 MWp điện mặt trời) kết hợp cùng 10 MW tổ hợp 13 máy phát Diesel dao động từ 35% đến 75%. Do tính bất định của thời tiết và quán tính hệ thống thấp, các đợt dao động công suất gió lớn thường xuyên đe dọa sự ổn định động, buộc đơn vị vận hành phải giới hạn công suất phát turbine gió ở mức 2,8 MW và duy trì liên tục nhiều tổ máy Diesel chạy nền.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng mô hình lưới điện thực tế của đảo Phú Quý trên phần mềm PSS/E, phân tích chế độ xác lập và quá độ, đồng thời khảo sát ổn định tần số và điện áp khi xảy ra các sự cố nghiêm trọng như ngắn mạch 3 pha hay ngắt tổ máy. Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ 43 thanh cái và 39 tuyến phân phối 22 kV trên đảo Phú Quý (cách đất liền Phan Thiết 56 hải lý, tương đương 104 km), thực hiện trong giai đoạn từ tháng 09/2022 đến tháng 12/2022. Đề tài mang ý nghĩa thực tiễn sâu sắc khi cung cấp giải pháp tối ưu hóa dải thời gian loại trừ sự cố từ 150 ms đến 250 ms, giảm thiểu 100% nguy cơ rã lưới cục bộ và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện theo các quy chuẩn kỹ thuật ngành điện Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết ổn định hệ thống điện (Power System Stability) theo phân loại chuẩn quốc tế của IEEE và CIGRE, tập trung vào ba nhánh chính: ổn định góc máy phát (ổn định quá độ), ổn định tần số và ổn định điện áp. Toàn bộ các tiêu chuẩn đánh giá được đối chiếu theo Thông tư số 39/2015/TT-BCT về quy định hệ thống điện phân phối và Thông tư số 25/2016/TT-BCT về quy định hệ thống điện truyền tải. Theo đó, hệ thống sau sự cố phải duy trì góc lệch rotor không vượt quá 120 độ trong 20 giây, tần số nằm trong dải cho phép từ 49,5 Hz đến 50,5 Hz và điện áp phục hồi tối thiểu 75% giá trị định mức sau 5 giây.

Mô hình nghiên cứu vi lưới độc lập tích hợp ba nhóm nguồn phát chính:

  • Tổ hợp 13 máy phát Diesel đồng bộ (gồm 6 máy Cummins 500 kW, 2 máy Perkins 1000 kW và 5 máy Caterpillar 1000 kW) được mô phỏng chi tiết thông qua mô hình phần tử máy phát GENROU, hệ thống kích từ EXST1, bộ điều tốc DEGOV1 và bộ ổn định công suất IEEEST.
  • 03 turbine gió công nghệ máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG Type 3, công suất 2 MW/turbine) được mô tả qua các khối hàm WT3G1 (máy phát), WT3E1 (bộ biến đổi điện tử công suất), WT3T1 (hệ cơ khí turbine) và WT3P1 (bộ điều khiển góc mở cánh).
  • Trạm điện mặt trời 806 kWp được tích hợp qua mô hình tấm pin quang điện PANELU1, bộ biến tần PVGU1 và khối điều khiển PVEU1.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào sử dụng toàn bộ thông số kỹ thuật thực tế của hệ thống điện đảo Phú Quý do Công ty Điện lực Bình Thuận quản lý. Bộ số liệu bao gồm thông số trở kháng, dung dẫn của 39 phân đoạn đường dây trên không AC50 và AC35, bảng thống kê 34 điểm phụ tải sinh hoạt với tổng công suất tiêu thụ 4,094 MW (hệ số công suất cosφ đạt từ 0,85 đến 0,98), cùng đường đặc tính công suất của 5 cụm máy phát điện.

Nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu toàn diện (Census Sampling), đưa 100% các phần tử hiện hữu trên lưới 22 kV vào không gian tính toán nhằm phản ánh chính xác cấu trúc mạng phân phối mạch hở (điểm mở LBF tại vị trí cột 89). Phương pháp phân tích được lựa chọn là mô phỏng động số trị trên phần mềm chuyên dụng PSS/E của hãng PTI (Siemens). Thuật toán Newton-Raphson được ứng dụng để giải bài toán phân bố công suất phi tuyến với độ hội tụ sai số điện áp dưới 0,0001 pu. Quá trình mô phỏng quá độ thời gian thực giải quyết hệ phương trình vi phân mô tả đáp ứng điện từ và cơ học trong dải thời gian từ 0 giây đến 20 giây sau sự cố. Timeline thực hiện nghiên cứu kéo dài từ tháng 09/2022 đến tháng 12/2022, đảm bảo tính cập nhật và độ tin cậy khoa học cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng trên PSS/E qua 4 kịch bản phân bố công suất và các trường hợp sự cố động đã mang lại những kết quả quan trọng:

  • Trào lưu công suất xác lập: Ở kịch bản điện gió và điện mặt trời cùng phát cực đại, nguồn năng lượng tái tạo cung cấp tới 75% nhu cầu phụ tải, máy phát Diesel chỉ cần vận hành ở mức 1,02 MW (giảm 70,4% công suất so với chế độ vận hành thuần Diesel). Điện áp tại toàn bộ 43 nút thanh cái duy trì tốt trong ngưỡng 0,98 pu đến 1,02 pu. Khi nguồn tái tạo không phát, tổ hợp Diesel phải nâng công suất lên 3,45 MW (chiếm 84,3% công suất phát toàn đảo) để bù đắp thâm hụt.
  • Khảo sát dòng ngắn mạch 3 pha: Dòng ngắn mạch lớn nhất xuất hiện tại thanh cái nút 900 và nút 1002 đạt giá trị xấp xỉ 4,8 kA. Mức dòng này hoàn toàn nằm trong giới hạn an toàn của thiết bị đóng cắt trung áp (dòng cắt định mức 25 kA theo quy chuẩn Thông tư 39/2015/TT-BCT).
  • Ảnh hưởng của thời gian loại trừ sự cố (Fault Clearing Time - FCT): Khi thời gian tác động của rơ-le bảo vệ đạt mức 150 ms và 250 ms, hệ thống khôi phục hoàn toàn trạng thái ổn định sau khoảng 3,2 giây đến 4,5 giây, góc lệch rotor máy phát dao động biên độ nhỏ dưới 65 độ. Tuy nhiên, khi FCT kéo dài lên 350 ms và 500 ms, độ lệch tần số vượt ngưỡng 51,5 Hz, điện áp sụt giảm dưới 0,65 pu kéo dài, dẫn đến hiện tượng trượt bước cực từ và mất đồng bộ máy phát Diesel.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến nguy cơ mất ổn định khi FCT vượt quá 250 ms xuất phát từ đặc tính quán tính quay cực thấp của vi lưới đảo. Các turbine gió DFIG công nghệ Type 3 được ghép nối qua bộ biến đổi bán dẫn nên không đóng góp quán tính cơ học tự nhiên vào hệ thống. Khi tỷ lệ thâm nhập năng lượng tái tạo chạm mốc 75%, tổng quán tính của lưới điện giảm hơn 60% so với lưới truyền thống. Tốc độ thay đổi tần số (Rate of Change of Frequency - RoCoF) tăng vọt khi xảy ra ngắn mạch, khiến các bộ điều tốc cơ khí DEGOV1 của máy Diesel không kịp phản ứng nếu thời gian cắt sự cố kéo dài.

So sánh với các nghiên cứu vi lưới đảo quốc tế như tại đảo Flores hay King Island, giải pháp duy trì tối thiểu 25% công suất nền từ Diesel (tương đương khoảng 1,0 MW) là điều kiện kỹ thuật bắt buộc để giữ tần số trong dải an toàn 49,5 Hz đến 50,5 Hz. Dữ liệu quá độ được thể hiện trực quan qua các đồ thị phân tích miền thời gian gồm đường cong dao động tần số $\Delta f(t)$, góc quay rotor $\delta(t)$ và đường đặc tính điện áp $V(t)$ tại các nút trọng điểm 600, 900 và 1002. Kết quả từ bảng tổng hợp kịch bản N-1 xác nhận việc cài đặt rơ-le tác động trong dải [150 ms ; 250 ms] bảo đảm lưới điện tự dập tắt dao động trong vòng 5 giây mà không cần sa thải phụ tải.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện phương thức vận hành và nâng cao chất lượng điện năng cho hệ thống điện đảo Phú Quý, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp cụ thể:

  • Chuẩn hóa thông số bảo vệ rơ-le: Đơn vị Điện lực Phú Quý cần tiến hành rà soát, cài đặt lại thời gian tác động cắt sự cố chính của toàn bộ máy cắt phân đoạn 22 kV trong ngưỡng từ 150 ms đến 200 ms (tuyệt đối không vượt quá 250 ms), hoàn thành trước quý 2 năm 2024 để đảm bảo tỷ lệ phục hồi điện áp đạt trên 80% sau sự cố.
  • Đầu tư hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS): Tổng công ty Điện lực miền Nam (EVNSPC) nên triển khai lắp đặt hệ thống pin tích năng BESS với quy mô công suất 2 MW / dung lượng 4 MWh trong giai đoạn 2024 - 2025. Giải pháp này giúp cung cấp quán tính ảo, phản ứng điều tần nhanh trong 20 ms, từ đó nâng công suất khai thác điện gió từ 2,8 MW lên 5,5 MW (tăng 96% hiệu suất khai thác gió).
  • Ứng dụng hệ thống điều khiển quản lý năng lượng Microgrid EMS: Trung tâm Điều độ Hệ thống điện phối hợp cùng các viện nghiên cứu tích hợp thuật toán dự báo gió và mặt trời theo thời gian thực (chu kỳ quét 15 phút) đến năm 2025, giúp tối ưu hóa biểu đồ huy động tổ máy Diesel và giảm 30% lượng dầu tiêu thụ hàng năm.
  • Tối ưu hóa chế độ chạy tải thấp của máy phát Diesel: Đội ngũ kỹ thuật nhà máy điện Phú Quý cần xây dựng quy trình vận hành linh hoạt cho 6 tổ máy Cummins 500 kW ở ngưỡng tải tối thiểu 30% công suất định mức (150 kW/tổ), duy trì mức dự phòng nóng an toàn trước tháng 12 năm 2023.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng:

  • Kỹ sư điều độ và vận hành hệ thống điện: Nắm vững phương pháp tính toán trào lưu công suất, phân tích ngắn mạch và cài đặt phối hợp bảo vệ cho lưới điện phân phối 22 kV có tỷ lệ thâm nhập năng lượng tái tạo cao.
  • Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điện: Tiếp cận bộ thông số mô hình động chi tiết trên phần mềm PSS/E (như GENROU, WT3G1, PVGU1) để làm cơ sở phát triển các đề tài mô phỏng vi lưới độc lập và điều khiển thích nghi.
  • Các công ty tư vấn thiết kế và chủ đầu tư năng lượng tái tạo: Ứng dụng các kịch bản phối hợp nguồn lai ghép (Hybrid System 75% tái tạo - 25% Diesel) vào công tác quy hoạch dự án điện mặt trời, điện gió tại các huyện đảo như Côn Đảo, Lý Sơn hay Bạch Long Vĩ.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN): Sử dụng các số liệu thực nghiệm và kết luận khoa học làm căn cứ xây dựng các bộ quy chuẩn kỹ thuật vận hành lưới điện phân phối hải đảo cô lập.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao hệ thống điện đảo Phú Quý bắt buộc phải duy trì nguồn Diesel khi năng lượng tái tạo dồi dào?

Do turbine gió DFIG và trạm quang điện 806 kWp không có quán tính quay tự nhiên, việc duy trì tối thiểu 25% công suất từ 13 tổ máy Diesel (khoảng 1,02 MW) là bắt buộc. Nguồn Diesel cung cấp công suất dự phòng nóng và phản ứng điều tốc để duy trì tần số ổn định 50 Hz, tránh hiện tượng rã lưới khi sức gió thay đổi đột ngột.

Thời gian loại trừ sự cố tối ưu cho lưới điện 22 kV đảo Phú Quý là bao nhiêu?

Kết quả mô phỏng động trên PSS/E chỉ ra rằng thời gian loại trừ sự cố tối ưu nằm trong khoảng 150 ms đến 250 ms. Trong dải thời gian này, điện áp tại các nút trọng yếu như 900 và 1002 phục hồi về mức trên 0,95 pu sau 3,2 giây, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho thiết bị.

Phần mềm PSS/E đóng vai trò gì trong quá trình nghiên cứu luận văn?

Phần mềm PSS/E của PTI Siemens cung cấp công cụ tính toán phân bố công suất theo phương pháp Newton-Raphson và mô phỏng quá độ động học. Tác giả đã mô hình hóa 43 thanh cái, 39 tuyến dây cùng các khối điều khiển kích từ EXST1 và điều tốc DEGOV1 để kiểm chứng tính ổn định hệ thống.

Tỷ lệ thâm nhập năng lượng tái tạo cao nhất trên đảo Phú Quý hiện nay đạt mức nào?

Trong điều kiện gió và bức xạ thuận lợi, tỷ lệ phát công suất giữa năng lượng tái tạo và Diesel đạt tỷ lệ 75% - 25%, có thời điểm chạm mốc 80%. Dù vậy, công suất cực đại khai thác từ 3 turbine gió hiện bị khống chế ở mức 2,8 MW do giới hạn kỹ thuật của các tổ máy Diesel.

Nghiên cứu này có thể nhân rộng cho các khu vực biển đảo khác không?

Mô hình nghiên cứu hoàn toàn có thể chuyển giao và áp dụng cho các hệ thống vi lưới hải đảo có điều kiện tự nhiên tương đồng như Côn Đảo hay Phú Quốc. Bộ thông số mô phỏng và giải pháp kiểm soát thời gian cắt sự cố giúp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện trên các vùng biển đảo xa bờ.

Kết luận

  • Xây dựng thành công cơ sở dữ liệu mô phỏng hoàn chỉnh cho lưới điện vi mô 22 kV đảo Phú Quý trên phần mềm PSS/E với quy mô 43 thanh cái, 39 tuyến đường dây và 34 phụ tải (4,094 MW).
  • Khảo sát trào lưu công suất qua 4 kịch bản vận hành, xác định tỷ lệ phối hợp tối ưu giữa nguồn tái tạo (6 MW điện gió, 0,806 MWp điện mặt trời) và 10 MW Diesel nhằm đảm bảo điện áp nút nằm trong dải 0,98 pu đến 1,02 pu.
  • Đánh giá định lượng tính ổn định tần số và điện áp, xác định dải thời gian loại trừ sự cố tối ưu của hệ thống rơ-le bảo vệ trong khoảng [150 ms ; 250 ms].
  • Khẳng định vai trò sống còn của 25% công suất dự phòng nóng từ tổ hợp máy phát Diesel trong việc duy trì quán tính hệ thống và ngăn ngừa sự cố sụp đổ điện áp.
  • Đề xuất lộ trình tích hợp hệ thống lưu trữ BESS 2 MW giai đoạn 2024 - 2025 để nâng công suất khai thác điện gió lên mức 5,5 MW, thúc đẩy phát triển năng lượng xanh bền vững.

Quý độc giả, kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm có thể tham khảo toàn văn luận văn thạc sĩ để khai thác chi tiết bộ thông số mô hình PSS/E và ứng dụng vào các bài toán vi lưới điện hải đảo tương tự!