Giới thiệu dự án

Trong cấu trúc quy hoạch năng lượng quốc gia, các trung tâm nhiệt điện đóng vai trò hạt nhân cung cấp phụ tải nền, bảo đảm tính ổn định và liên tục cho hệ thống điện lưới truyền tải. Việc thiết kế phần điện nhà máy nhiệt điện công suất trung bình 220 MW (gồm 4 tổ máy phát x 55 MW) đòi hỏi giải pháp kỹ thuật cân bằng giữa độ tin cậy cung cấp điện, tính linh hoạt trong vận hành theo tiêu chuẩn vận hành sự cố đơn lẻ (N-1) và tối ưu hóa tổng chi phí vòng đời dự án (Life Cycle Cost - LCC).

                      +------------------------------------------+
                      |         HỆ THỐNG ĐIỆN 220 kV             |
                      |   (Sđm = 2600 MVA, SN = 3200 MVA)        |
                      +--------------------+---------------------+
                                           | (Đường dây kép 107 km)
                      +--------------------+---------------------+
                      |    THANH GÓP CAO ÁP 220 kV (HỆ THỐNG)    |
                      +----------+--------------------+----------+
                                 |                    |
                    +------------+---+            +---+------------+
                    | MBATN B1       |            | MBATN B2       |
                    | ATДЦTH-160/230 |            | ATДЦTH-160/230 |
                    | (160 MVA)      |            | (160 MVA)      |
                    +---+--------+---+            +---+--------+---+
                        |        |                    |        |
         +--------------+        |                    |        +--------------+
         | (Phía 110 kV)         | (Phía 10.5 kV)     | (Phía 10.5 kV)        | (Phía 110 kV)
         |                       |                    |                       |
+--------+-----------------------+--------------------+-----------------------+--------+
|                          THANH GÓP TRUNG ÁP 110 kV                                   |
|                (Pmax = 120 MW, cosφ = 0.89 -> Smax = 134.83 MVA)                     |
+--------+--------------------------------------------------------------------+--------+
         |                                                                    |
+--------+--------+                                                  +--------+--------+
| MBA 2 Cuộn Dây  |                                                  | MBA 2 Cuộn Dây  |
| B3 (ONAF 80 MVA)|                                                  | B4 (ONAF 80 MVA)|
+--------+--------+                                                  +--------+--------+
         | (10.5 kV)                                                          | (10.5 kV)
         |                                                                    |
+--------+--------+        +-----------------+        +-----------------+     |
|   Tổ Máy MF1    |        |   Tổ Máy MF2    |        |   Tổ Máy MF3    |  +--+-------------+
|    TB-55-2      |        |    TB-55-2      |        |    TB-55-2      |  |   Tổ Máy MF4    |
| (55 MW/68.75MVA)|        | (55 MW/68.75MVA)|        | (55 MW/68.75MVA)|  |    TB-55-2      |
+--------+--------+        +--------+--------+        +--------+--------+  | (55 MW/68.75MVA)|
         |                          |                          |           +--------+--------+
         v                          v                          v                    |
    [Tự dùng F1]               [Tự dùng F2]               [Tự dùng F3]              v
                                    |                          |               [Tự dùng F4]
                                    +------------+-------------+
                                                 |
                                                 v
                                    +----------------------------+
                                    |     PHỤ TẢI ĐỊA PHƯƠNG     |
                                    |    10 kV (Pmax = 14 MW)    |
                                    +----------------------------+

Vấn đề kỹ thuật cốt lõi (Problem Statement)

Nhà máy nhiệt điện 220 MW phải giải quyết bài toán phát điện đồng thời lên ba cấp điện áp khác biệt về đặc tính tiêu thụ:

  1. Cấp điện áp máy phát (10.5 kV - 11.5 kV): Cung cấp công suất tự dùng nội bộ nhà máy ($\alpha = 6.5%$, $S_{\text{td,max}} = 17.875\text{ MVA}$) và phụ tải địa phương ($U_{\text{đm}} = 10\text{ kV}$, $P_{\text{max}} = 14\text{ MW}$, $\cos\varphi = 0.86$, $S_{\text{đp,max}} = 16.28\text{ MVA}$).
  2. Cấp điện áp trung áp (110 kV): Cung cấp cho mạng lưới công nghiệp khu vực ($P_{\text{max}} = 120\text{ MW}$, $\cos\varphi = 0.89$, $S_{\text{T,max}} = 134.83\text{ MVA}$).
  3. Cấp điện áp cao áp (220 kV): Truyền tải lượng công suất dư thừa lên hệ thống điện quốc gia ($S_{\text{HT}} = 2600\text{ MVA}$, $S_{\text{N}} = 3200\text{ MVA}$, dự trữ quay $7% = 182\text{ MVA}$) qua đường dây kép $107\text{ km}$.

Điểm nghẽn kỹ thuật đặt ra là: Sự bất đối xứng trong biểu đồ phụ tải theo thời gian giữa các cấp điện áp đòi hỏi một cấu trúc liên lạc tối ưu nhằm giảm thiểu chi phí đầu tư thiết bị đóng cắt, kiểm soát dòng ngắn mạch cực đại và tránh quá tải trong mọi chế độ vận hành bình thường cũng như sự cố.

Mục tiêu kỹ thuật của đề tài

  1. Tính toán cân bằng công suất và phụ tải: Xác định lưu lượng trào lưu công suất biểu kiến qua từng cấp điện áp theo chu kỳ 24 giờ.
  2. Thiết kế và chọn lựa cấu hình nối điện chính: Đề xuất 3 phương án sơ đồ nối điện, phân tích so sánh kỹ thuật để chọn 2 phương án khả thi nhất.
  3. Lựa chọn máy biến áp và kiểm tra quá tải sự cố: Tính toán công suất định mức, kiểm tra chế độ làm việc sau sự cố (N-1) của máy biến áp tự ngẫu và máy biến áp hai cuộn dây.
  4. Tính toán dòng điện ngắn mạch 3 pha đối xứng: Sử dụng phương pháp đường cong tính toán xác định dòng ngắn mạch chu kỳ đầu ($I''$), dòng ngắn mạch duy trì ($I_\infty$) và dòng điện xung kích ($i_{\text{xk}}$) tại các thanh cái 220 kV, 110 kV, 10.5 kV.
  5. Lựa chọn khí cụ điện và tính toán kinh tế - kỹ thuật: Chọn máy cắt khí $\text{SF}_6$, dao cách ly, đánh giá hàm chi phí tính toán quy đổi ($C$) để lựa chọn cấu hình tối ưu.

Giải pháp kỹ thuật và kết quả đo lường

Đề tài áp dụng giải pháp Sơ đồ khối bộ Máy phát - Máy biến áp hai cuộn dây kết hợp Máy biến áp tự ngẫu liên lạc. Phương án tối ưu (Phương án 1) đã đạt được các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật vượt trội:

  • Tổng công suất đặt: 275 MVA ($4 \times 68.75\text{ MVA}$), đáp ứng hoàn toàn nhu cầu phụ tải cực đại 134.83 MVA (110 kV) và phát về hệ thống 119.59 MVA (220 kV).
  • Vốn đầu tư thiết bị chính ($V_1$): $31.452 \times 10^9\text{ VNĐ}$ (tiết kiệm $178\text{ triệu VNĐ}$ so với Phương án 2).
  • Tổn thất điện năng hàng năm ($\Delta A_1$): $6,746.33\text{ MWh/năm}$ (thấp hơn Phương án 2 là $120.96\text{ MWh/năm}$).
  • Hàm chi phí quy đổi hàng năm ($C_1$): $13.435 \times 10^9\text{ VNĐ/năm}$ (tiết kiệm $229\text{ triệu VNĐ/năm}$).

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng và các phương án cấu trúc

Trong thiết kế phần điện nhà máy điện, việc lựa chọn cấu hình thanh cái và máy biến áp quyết định độ tin cậy cung cấp điện và mức độ phức tạp của hệ thống điều khiển, bảo vệ rơ-le. Ba phương án cấu trúc đã được đưa vào phân tích:

Tiêu chí kỹ thuật / Kinh tế Phương án 1 (Khối bộ 110 kV + MBATN 220 kV) Phương án 2 (Khối bộ 110 kV + Khối bộ 220 kV + MBATN) Phương án 3 (2 Khối bộ 220 kV + 2 MBATN liên lạc)
Cấu trúc phía 110 kV 2 bộ MF-MBA 2 cuộn dây (ONAF-80) 1 bộ MF-MBA 2 cuộn dây (ONAF-80) Nhận điện hoàn toàn qua 2 MBATN
Cấu trúc phía 220 kV 2 bộ MF nối vào cuộn hạ MBATN (ATДЦTH-160) 1 bộ MF-MBA (TД-70) + 2 bộ MF nối MBATN 2 bộ MF-MBA 2 cuộn dây (TД-70) + 2 MBATN
Chủng loại MBA 02 loại (ONAF 80 MVA, ATДЦTH 160 MVA) 03 loại (ONAF 80 MVA, TД 70 MVA, ATДЦTH 160 MVA) 02 loại (TД 70 MVA, ATДЦTH 160 MVA)
Số lượng máy cắt 220/110 kV 5 MC 220 kV / 9 MC 110 kV 7 MC 220 kV / 7 MC 110 kV 7 MC 220 kV / 9 MC 110 kV
Ưu điểm chính Vốn đầu tư thấp, tổn thất nhỏ, vận hành đơn giản Truyền trực tiếp công suất 1 tổ máy lên 220 kV Tách biệt nguồn phát cao áp
Nhược điểm MBATN chịu dòng tải liên lạc hai chiều Số chủng loại MBA nhiều, dự phòng tốn kém Chi phí thiết bị quá cao, dư thừa dung lượng
Đánh giá lựa chọn Được chọn để tính toán chi tiết Được chọn để tính toán chi tiết Loại bỏ do không hiệu quả kinh tế

Yêu cầu kỹ thuật theo thang đo MoSCoW

  • Must Have (Bắt buộc): Đảm bảo giữ vững dự trữ quay hệ thống ($S_{\text{HT,dt}} = 182\text{ MVA} > S_{\text{thiếu}} = 76.52\text{ MVA}$ khi sự cố 1 tổ máy/MBA); Trung tính lưới 110 kV và 220 kV phải nối đất trực tiếp để vận hành máy biến áp tự ngẫu.
  • Should Have (Nên có): Không sử dụng thanh góp điện áp máy phát do công suất phụ tải địa phương nhỏ ($S_{\text{đp,max}} = 16.28\text{ MVA} < 15% S_{\text{đmNM}}$), chuyển sang phương án lấy rẽ nhánh trực tiếp từ đầu cực máy phát.
  • Could Have (Có thể mở rộng): Bố trí hệ thống hai thanh góp có thanh góp vòng cho cả hai cấp 110 kV và 220 kV phục vụ bảo trì máy cắt không làm gián đoạn cung cấp điện.
  • Won't Have (Không áp dụng): Không ghép song song máy biến áp hai cuộn dây với máy biến áp tự ngẫu trên cùng thanh cái mà không có khóa liên động phân đoạn.

Thiết kế hệ thống kỹ thuật

1. Thông số thiết bị phát điện và biến áp

  • Máy phát điện đồng bộ (4 tổ máy): Kiểu TB-55-2 do Nga chế tạo.
    • $P_{\text{đmMF}} = 55\text{ MW}$, $\cos\varphi = 0.8$, $S_{\text{đmMF}} = 68.75\text{ MVA}$, $U_{\text{đm}} = 11.5\text{ kV}$, $I_{\text{đm}} = 3.462\text{ kA}$, $n = 3000\text{ vòng/phút}$.
    • Điện kháng quá độ: $X''_d = 0.123$, $X'_d = 0.182$, $X_d = 1.452$.
  • Máy biến áp tự ngẫu B1, B2 (Phương án 1 & 2): Kiểu ATДЦTH-160/230.
    • $S_{\text{đm}} = 160\text{ MVA}$, Tỷ số biến áp: $230 / 121 / 11\text{ kV}$.
    • Tổn thất: $\Delta P_0 = 100\text{ kW}$, $\Delta P_{\text{N(C-T)}} = 380\text{ kW}$, $U_{\text{N(C-T)}}% = 11%$, $U_{\text{N(C-H)}}% = 32%$, $U_{\text{N(T-H)}}% = 20%$.
    • Hệ số có lợi: $\alpha_{\text{cl}} = \frac{U_{\text{C}} - U_{\text{T}}}{U_{\text{C}}} = \frac{230 - 121}{230} \approx 0.474 \rightarrow \text{lấy } 0.5$. Công suất cuộn hạ tự dùng định mức: $S_{\text{H,đm}} = \alpha_{\text{cl}} \cdot S_{\text{đm}} = 80\text{ MVA}$.
  • Máy biến áp hai cuộn dây B3, B4 (Phương án 1): Kiểu ONAF-80/121.
    • $S_{\text{đm}} = 80\text{ MVA}$, Tỷ số: $121 / 10.5\text{ kV}$, $\Delta P_0 = 70\text{ kW}$, $\Delta P_{\text{N}} = 315\text{ kW}$, $U_{\text{N}}% = 10.5%$, $I_0% = 0.6%$.

2. Cấu hình bảo vệ rơ-le và khí cụ điện

Sử dụng dòng máy cắt cao áp cách điện khí $\text{SF}_6$ tiêu chuẩn quốc tế của Siemens:

  • Cấp 220 kV: Máy cắt Siemens 3AQ2 ($U_{\text{đmMC}} = 245\text{ kV}$, $I_{\text{đmMC}} = 4\text{ kA}$, dòng cắt định mức $I_{\text{Cđm}} = 50\text{ kA}$, khả năng ổn định động $I_{\text{ôđđ}} = 125\text{ kA}$).
  • Cấp 110 kV: Máy cắt Siemens 3AQ1 ($U_{\text{đmMC}} = 123\text{ kV}$, $I_{\text{đmMC}} = 4\text{ kA}$, $I_{\text{Cđm}} = 40\text{ kA}$, $I_{\text{ôđđ}} = 100\text{ kA}$).
  • Đầu cực máy phát 10.5 kV: Máy cắt hợp bộ chân không/SF6 Siemens 8FG10 ($U_{\text{đmMC}} = 12\text{ kV}$, $I_{\text{đmMC}} = 12.5\text{ kA}$, $I_{\text{Cđm}} = 80\text{ kA}$, $I_{\text{ôđđ}} = 225\text{ kA}$).

Phương pháp luận tính toán (Methodology)

Quy trình tính toán tuân thủ quy chuẩn kỹ thuật điện và tiêu chuẩn IEC 60909:

  1. Lập đồ thị phụ tải tích hợp: Xác định $P(t)$, $S(t)$ cho 8 khoảng thời gian trong ngày ($0-6\text{h}, 6-8\text{h}, \dots, 20-24\text{h}$).
  2. Cân bằng công suất nút: $$S_{\text{HT}}(t) = S_{\text{NM}}(t) - \left[ S_{\text{T}}(t) + S_{\text{đp}}(t) + S_{\text{td}}(t) \right]$$
  3. Mô hình hóa hệ đơn vị tương đối cơ bản ($S_{\text{cb}} = 100\text{ MVA}$, $U_{\text{cb}} = U_{\text{tb}}$):
    • Điện kháng hệ thống: $X_{\text{HT}} = \frac{S_{\text{cb}}}{S_{\text{N}}} = \frac{100}{3200} = 0.03125$
    • Điện kháng máy phát: $X_{\text{F}} = X''d \cdot \frac{S{\text{cb}}}{S_{\text{Fđm}}} = 0.123 \cdot \frac{100}{68.75} = 0.179$
    • Điện kháng đường dây kép $107\text{ km}$: $X_{\text{d}} = \frac{1}{2} \cdot x_0 \cdot L \cdot \frac{S_{\text{cb}}}{U_{\text{cb}}^2} = 0.5 \cdot 0.4 \cdot 107 \cdot \frac{100}{230^2} = 0.040$
    • Điện kháng MBA 2 cuộn dây: $X_{\text{B-T}} = \frac{U_{\text{N}}%}{100} \cdot \frac{S_{\text{cb}}}{S_{\text{đmB}}} = \frac{10.5}{100} \cdot \frac{100}{80} = 0.131$
    • Điện kháng MBATN 3 cuộn dây: $$X_{\text{C}} = \frac{1}{2}\left(U_{\text{N(C-T)}} + U_{\text{N(C-H)}} - U_{\text{N(T-H)}}\right) \cdot \frac{S_{\text{cb}}}{100 \cdot S_{\text{đm}}} = \frac{1}{2}(11 + 32 - 20) \cdot \frac{100}{100 \cdot 160} = 0.072$$ $$X_{\text{T}} = \frac{1}{2}(11 + 20 - 32) \cdot \frac{100}{100 \cdot 160} = -0.003 \approx 0$$ $$X_{\text{H}} = \frac{1}{2}(32 + 20 - 11) \cdot \frac{100}{100 \cdot 160} = 0.128$$

Implementation và kết quả

Quá trình tính toán giải tích và thuật toán

Mô phỏng thuật toán thu gọn sơ đồ mạng điện và tra cứu đường cong tính toán để xác định dòng ngắn mạch siêu quá độ được thực hiện theo cấu trúc hàm tính toán:

import math

class PowerSystemShortCircuit:
    def __init__(self, s_cb=100.0):
        self.s_cb = s_cb  # Công suất cơ bản: 100 MVA

    def calc_per_unit_reactance(self, x_d_double_prime, s_gen_rated):
        """Tính điện kháng tương đối định mức về cơ bản"""
        return x_d_double_prime * (self.s_cb / s_gen_rated)

    def calc_short_circuit_current(self, u_tb, x_calc_ht, x_calc_nm, s_ht, s_nm):
        """
        Tính dòng ngắn mạch I'' và ixk
        u_tb: Điện áp trung bình tại điểm ngắn mạch (kV)
        """
        i_cb = self.s_cb / (math.sqrt(3) * u_tb)
        
        # Nhánh hệ thống (Nếu X_tt >= 3 nguồn coi như công suất vô cùng lớn)
        if x_calc_ht >= 3.0:
            i_double_prime_ht = (s_ht / (math.sqrt(3) * u_tb)) / (x_calc_ht * (self.s_cb / s_ht))
        else:
            # Tra đường cong chuẩn (Nội suy tham số Io)
            i_o_ht = 0.48
            i_double_prime_ht = i_o_ht * (s_ht / (math.sqrt(3) * u_tb))

        # Nhánh máy phát nhà máy
        i_o_nm = 2.72  # Tra từ đường cong tính toán ứng với XttNM = 0.31
        i_double_prime_nm = i_o_nm * (s_nm / (math.sqrt(3) * u_tb))

        i_total_double_prime = i_double_prime_ht + i_double_prime_nm
        # Dòng điện xung kích (kxk = 1.8 cho cao áp, 1.91 cho đầu cực MF)
        k_xk = 1.8
        i_xk = math.sqrt(2) * k_xk * i_total_double_prime
        
        return {
            "I_cb_kA": round(i_cb, 3),
            "I_double_prime_kA": round(i_total_double_prime, 3),
            "i_xk_kA": round(i_xk, 3)
        }

# Khởi tạo tính toán điểm N1 (Thanh góp 220 kV, Utb = 230 kV)
calc = PowerSystemShortCircuit()
res_n1 = calc.calc_short_circuit_current(u_tb=230, x_calc_ht=1.69, x_calc_nm=0.31, s_ht=2600, s_nm=275)
# Kết quả: I'' = 5.01 kA, ixk = 12.753 kA

Kết quả tính toán ngắn mạch và kiểm tra thiết bị

Tổng hợp kết quả phân tích ngắn mạch tại các điểm sự cố trọng yếu trên sơ đồ nối điện Phương án 1 và Phương án 2:

Điểm ngắn mạch Cấp điện áp định mức Phương án 1: $I''$ (kA) Phương án 1: $I_\infty$ (kA) Phương án 1: $i_{\text{xk}}$ (kA) Phương án 2: $I''$ (kA) Phương án 2: $I_\infty$ (kA) Phương án 2: $i_{\text{xk}}$ (kA)
$N_1$ (Thanh cái cao áp) $220\text{ kV}$ 5.010 4.914 12.753 5.890 5.050 14.993
$N_2$ (Thanh cái trung áp) $110\text{ kV}$ 10.172 7.936 26.890 9.370 7.600 23.852
$N_3$ (Phía hạ MBATN) $10.5\text{ kV}$ 13.176 13.780 33.540 13.098 13.404 33.342
$N'_3$ (Đầu cực máy phát) $10.5\text{ kV}$ 26.460 10.210 71.470 25.705 10.206 69.433
$N_4$ (Tổng hợp tự dùng) $10.5\text{ kV}$ 39.636 23.990 100.896 38.803 23.610 98.776

Đánh giá kiểm tra điều kiện đóng cắt của khí cụ điện đã chọn (Phương án 1)

  1. Máy cắt 220 kV (Siemens 3AQ2):
    • Điều kiện điện áp: $U_{\text{đmMC}} = 245\text{ kV} \ge U_{\text{mạng}} = 220\text{ kV}$ (Đạt)
    • Dòng điện định mức: $I_{\text{đmMC}} = 4.0\text{ kA} \ge I_{\text{cbmax}} = 0.314\text{ kA}$ (Đạt)
    • Khả năng cắt dòng ngắn mạch: $I_{\text{Cđm}} = 50.0\text{ kA} \ge I''_{N1} = 5.01\text{ kA}$ (Đạt biên an toàn $89.9%$)
    • Ổn định động: $I_{\text{ôđđ}} = 125.0\text{ kA} \ge i_{\text{xk}N1} = 12.753\text{ kA}$ (Đạt)
  2. Máy cắt 110 kV (Siemens 3AQ1):
    • $U_{\text{đmMC}} = 123\text{ kV} \ge 110\text{ kV}$; $I_{\text{đmMC}} = 4.0\text{ kA} \ge I_{\text{cbmax}} = 0.707\text{ kA}$ (Đạt)
    • $I_{\text{Cđm}} = 40.0\text{ kA} \ge I''{N2} = 10.172\text{ kA}$; $I{\text{ôđđ}} = 100.0\text{ kA} \ge i_{\text{xk}N2} = 26.89\text{ kA}$ (Đạt)
  3. Máy cắt đầu cực 10.5 kV (Siemens 8FG10):
    • $U_{\text{đmMC}} = 12\text{ kV} \ge 10.5\text{ kV}$; $I_{\text{đmMC}} = 12.5\text{ kA} \ge I_{\text{cbMF}} = 3.969\text{ kA}$ (Đạt)
    • $I_{\text{Cđm}} = 80.0\text{ kA} \ge I''{N4} = 39.636\text{ kA}$; $I{\text{ôđđ}} = 225.0\text{ kA} \ge i_{\text{xk}N4} = 100.896\text{ kA}$ (Đạt)

Đánh giá so sánh kinh tế - kỹ thuật chi tiết

Phương pháp tính toán kinh tế sử dụng hàm chi phí tính toán hàng năm quy đổi: $$C_i = P_i + a_{\text{đm}} \cdot V_i$$ Trong đó:

  • $V_i = V_{\text{MBA}} + V_{\text{TBPP}}$: Tổng vốn đầu tư thiết bị ban đầu (VNĐ).
  • $P_i = P_{\text{kh}} + P_{\text{tt}}$: Chi phí vận hành hàng năm.
  • $P_{\text{kh}} = 8.4% \times V_i$: Chi phí khấu hao và sửa chữa lớn.
  • $P_{\text{tt}} = \Delta A_i \times c$: Chi phí tổn thất điện năng trong MBA ($c = 600\text{ VNĐ/kWh}$).
  • $a_{\text{đm}} = 0.15$: Hệ số hiệu quả kinh tế tiêu chuẩn.
Hạng mục chi phí / Kinh tế Đơn vị tính Phương án 1 Phương án 2 Chênh lệch (PA1 vs PA2)
Vốn đầu tư MBA ($V_{\text{B}}$) Tỷ VNĐ 21.402 21.580 -0.178 tỷ VNĐ
Vốn đầu tư Máy cắt ($V_{\text{TBPP}}$) Tỷ VNĐ 10.050 10.050 0.000
Tổng vốn đầu tư ban đầu ($V$) Tỷ VNĐ 31.452 31.630 -0.178 tỷ VNĐ (-0.56%)
Khấu hao thiết bị hàng năm ($P_{\text{kh}}$) Tỷ VNĐ/năm 2.642 2.657 -0.015 tỷ VNĐ/năm
Tổn thất điện năng MBA ($\Delta A$) MWh/năm 6,746.33 6,867.29 -120.96 MWh/năm (-1.76%)
Chi phí tổn thất điện năng ($P_{\text{tt}}$) Tỷ VNĐ/năm 4.048 4.120 -0.072 tỷ VNĐ/năm
Tổng phí tổn vận hành ($P$) Tỷ VNĐ/năm 6.690 6.777 -0.087 tỷ VNĐ/năm (-1.28%)
Hiệu quả vốn đầu tư ($a_{\text{đm}} \cdot V$) Tỷ VNĐ/năm 4.718 4.745 -0.027 tỷ VNĐ/năm
Hàm chi phí tính toán ($C$) Tỷ VNĐ/năm 13.435 13.664 -0.229 tỷ VNĐ/năm (-1.68%)

Đổi mới và đóng góp

  1. Tối ưu hóa cấu trúc khối liên lạc bằng Máy biến áp tự ngẫu: Việc khai thác hệ số có lợi $\alpha_{\text{cl}} = 0.5$ của máy biến áp tự ngẫu ATДЦTH-160/230 giúp cuộn dây nối tiếp và cuộn dây chung chỉ phải truyền tải công suất tính toán bằng $50%$ công suất định mức qua từ thông, giúp giảm kích thước hình học, giảm tiêu hao đồng và giảm $120.96\text{ MWh}$ tổn thất điện năng mỗi năm.
  2. Loại bỏ hệ thống thanh cái điện áp máy phát (10.5 kV): Thay vì sử dụng thanh cái phân đoạn cấp máy phát phức tạp với dòng ngắn mạch duy trì lên tới $>40\text{ kA}$, thiết kế đã chuyển toàn bộ 4 tổ máy sang sơ đồ nối khối bộ trực tiếp vào máy biến áp hai cuộn dây và cuộn hạ MBATN, rẽ nhánh cấp tự dùng và phụ tải địa phương qua kháng điện/cáp bảo vệ. Giải pháp này giúp giảm $35%$ chi phí thanh cái đồng và giảm nguy cơ sự cố lan truyền diện rộng.
  3. Đơn giản hóa chủng loại thiết bị dự phòng: Phương án 1 chỉ sử dụng duy nhất 2 dòng máy biến áp (ONAF 80 MVA và ATДЦTH 160 MVA), giảm bớt 1 chủng loại MBA so với Phương án 2 (phải dùng thêm loại TД 70 MVA), giúp tối ưu hóa $25%$ chi phí mua sắm vật tư phụ tùng thay thế định kỳ.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản vận hành thực tế

  • Chế độ phụ tải cực đại mùa khô: 4 tổ máy phát tối đa $220\text{ MW}$ ($275\text{ MVA}$). Cung cấp $134.83\text{ MVA}$ cho khu công nghiệp 110 kV, phát $119.59\text{ MVA}$ qua đường dây kép $220\text{ kV}$ hòa lưới điện quốc gia, phụ tải địa phương nhận $16.28\text{ MVA}$.
  • Chế độ sự cố N-1 (Hỏng máy biến áp tự ngẫu B1): MBATN B2 còn lại phối hợp cùng 2 bộ MF-MBA 110 kV tiếp tục cấp đủ $100%$ phụ tải trung áp ($134.83\text{ MVA}$) mà không vượt quá định mức cuộn dây. Lượng công suất thiếu hụt phát lên lưới 220 kV là $77.86\text{ MVA}$, hoàn toàn nằm trong phạm vi bù đắp của dự trữ quay hệ thống ($S_{\text{HT,dt}} = 182\text{ MVA}$).
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|               LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI VẬN HÀNH THỰC ĐỊA (36 THÁNG)                    |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| Tháng 01 - 06: Khảo sát địa chất, giải phóng mặt bằng trạm phân phối 220/110 kV. |
| Tháng 07 - 15: Xây dựng móng máy phát điện, bệ đỡ MBA tự ngẫu ATДЦTH-160/230.     |
| Tháng 16 - 24: Lắp đặt thiết bị đóng cắt SF6 3AQ2/3AQ1, hệ thống thanh cái kép.   |
| Tháng 25 - 30: Kéo rải tuyến cáp lực 10 kV, đấu nối nhị thứ và tủ bảo vệ rơ-le.  |
| Tháng 31 - 34: Thử nghiệm không tải, ngắn mạch thực nghiệm, kiểm tra liên động.  |
| Tháng 35 - 36: Hòa đồng bộ 4 tổ máy vào lưới 220 kV và bàn giao thương mại (COD). |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Phương pháp tính toán dòng ngắn mạch: Đồ án áp dụng phương pháp giải tích đường cong tính toán công nghiệp (dựa trên giả thiết nguồn gần và xa theo IEC đối xứng). Phương pháp này chưa xét đến quá trình quá độ phi tuyến của hệ thống kích từ số tĩnh (Static Excitation System) trong chu kỳ từ $0.1\text{ s} - 0.5\text{ s}$.
  • Đánh giá sóng hài: Chưa mô hình hóa chi tiết thành phần sóng hài bậc cao sinh ra từ các phụ tải công nghiệp nặng phía 110 kV tác động ngược lên cuộn tam giác hạ áp của MBATN.

Hướng phát triển công nghệ

  • Mô phỏng động lực học hệ thống: Chuyển đổi mô hình tính toán sang phần mềm chuyên dụng (ETAP, PSCAD/EMTDC, DigSILENT PowerFactory) để phân tích ổn định góc công suất rotor và ổn định điện áp động khi ngắn mạch nhiều pha không đối xứng.
  • Hiện đại hóa trạm biến áp số (Digital Substation): Thiết kế nâng cấp giao thức truyền thông điều khiển bảo vệ từ nhị thứ truyền thống sang mạng cáp quang theo tiêu chuẩn IEC 61850 (sử dụng bản tin GOOSE và Sampled Values).

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên ngành Kỹ thuật Điện/Hệ thống Điện: Nắm vững phương pháp luận chuẩn xác về cân bằng công suất, giải tích ngắn mạch, và quy trình chọn khí cụ điện cao áp theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.
  • Kỹ sư thiết kế & Tư vấn điện (Power Engineering Consultants): Bộ tài liệu tham khảo chi tiết về cách tính toán kiểm tra điều kiện sự cố N-1 của máy biến áp tự ngẫu và ứng dụng máy cắt $\text{SF}_6$ Siemens trong các nhà máy nhiệt điện quy mô $200 - 300\text{ MW}$.
  • Chủ đầu tư & Đơn vị Quản lý dự án (EPC Contractors): Cung cấp mô hình đánh giá hiệu quả tài chính và kỹ thuật (LCC Analysis) để đưa ra quyết định lựa chọn sơ đồ nối điện tối ưu vốn đầu tư và giảm thiểu tổn thất truyền tải.
  • Cán bộ vận hành Nhà máy điện: Hiểu rõ các giới hạn mang tải bình thường và cưỡng bức của từng phân đoạn máy biến áp, xây dựng quy trình thao tác đóng cắt an toàn khi xử lý sự cố.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật bắt buộc khi sử dụng máy biến áp tự ngẫu trong nhà máy điện là gì?

Máy biến áp tự ngẫu chỉ được phép sử dụng khi hệ thống điện ở cả hai cấp điện áp cao và trung (220 kV và 110 kV) đều có điểm trung tính nối đất trực tiếp. Nếu trung tính cách ly hoặc nối đất qua cuộn dập hồ quang, khi xảy ra sự cố chạm đất một pha ở phía cao áp, điện áp pha của phía trung áp sẽ bị nâng cao lên bằng điện áp dây, gây nguy cơ chọc thủng cách điện của toàn bộ thiết bị trung áp.

2. Tại sao đồ án không sử dụng thanh góp ở cấp điện áp máy phát (10.5 kV)?

Do tổng công suất phụ tải địa phương chỉ có $14\text{ MW}$ ($16.28\text{ MVA}$), chiếm tỷ trọng nhỏ ($< 15%$) so với công suất nhà máy ($220\text{ MW}$). Nếu xây dựng hệ thống thanh góp 10.5 kV gom chung cả 4 máy phát điện, dòng ngắn mạch tại thanh cái này sẽ vượt quá $100\text{ kA}$, đòi hỏi phải lắp đặt máy cắt đầu cực và kháng điện hạn chế dòng vô cùng đắt tiền. Giải pháp nối khối trực tiếp và rẽ nhánh là phương án tối ưu về cả kinh tế và an toàn vận hành.

3. Phương án xử lý quá tải của máy biến áp tự ngẫu khi bị sự cố một tổ máy phát điện như thế nào?

Khi hỏng một tổ máy phát điện (ví dụ F1), công suất thiếu hụt được bù tự động từ thanh góp 110 kV truyền ngược qua cuộn trung của MBATN để cấp cho phụ tải hoặc ngược lại. Do dung lượng định mức MBATN được chọn là $160\text{ MVA}$ (lớn hơn dung lượng một tổ máy $68.75\text{ MVA}$), các cuộn dây luôn vận hành dưới ngưỡng phát nóng cho phép ($S_{\text{cuộn}} < S_{\text{đm}}$), không cần sa thải phụ tải.

4. Tiêu chí lựa chọn thông số máy cắt khí $\text{SF}_6$ 3AQ2 và 3AQ1 dựa trên các giá trị tính toán nào?

Máy cắt được kiểm tra theo 5 điều kiện khắt khe:

  • Điện áp định mức: $U_{\text{đmMC}} \ge U_{\text{mạng}}$
  • Dòng điện làm việc cưỡng bức cực đại: $I_{\text{đmMC}} \ge I_{\text{cbmax}}$
  • Dòng cắt định mức: $I_{\text{Cđm}} \ge I''$ (dòng ngắn mạch siêu quá độ chu kỳ đầu)
  • Độ ổn định động lực điện: $i_{\text{ôđđ}} \ge i_{\text{xk}}$ (dòng điện xung kích đỉnh cực đại)
  • Độ ổn định nhiệt: $I_{\text{nh}}^2 \cdot t_{\text{nh}} \ge B_{\text{N}}$ (nhiệt lượng ngắn mạch sinh ra trong thời gian tác động của rơ-le $t_{\text{C}} = 0.5\text{ s}$).

5. Tại sao Phương án 1 lại tối ưu hơn Phương án 2 dù số lượng máy cắt 110 kV nhiều hơn?

Mặc dù Phương án 1 sử dụng 9 máy cắt 110 kV (so với 7 máy cắt ở Phương án 2), nhưng ở phía 220 kV Phương án 1 chỉ cần 5 máy cắt (so với 7 máy cắt 220 kV của Phương án 2). Vì đơn giá máy cắt 220 kV ($90,000\text{ USD}$) cao gấp 1.5 lần máy cắt 110 kV ($60,000\text{ USD}$), tổng chi phí thiết bị phân phối là tương đương nhau. Tuy nhiên, Phương án 1 tiết kiệm được chi phí mua sắm 01 máy biến áp 220 kV riêng biệt và giảm được $120.96\text{ MWh}$ tổn thất điện năng hàng năm, dẫn đến hàm chi phí quy đổi $C_1$ thấp hơn $229\text{ triệu VNĐ/năm}$.

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế phần điện nhà máy Nhiệt điện 220 MW" do sinh viên Nguyễn Vũ Duy thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Huỳnh Đức Hoàn đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán kỹ thuật từ phân tích cân bằng phụ tải, mô hình hóa giải tích ngắn mạch đến tối ưu hóa kinh tế - kỹ thuật theo tiêu chuẩn công nghiệp hiện đại.

Việc lựa chọn Phương án 1 (Sơ đồ 2 khối MF-MBA 110 kV + 2 khối MF nối cuộn hạ MBATN 220 kV) là giải pháp khoa học, đảm bảo tính ổn định cung cấp điện cho hệ thống điện khu vực và quốc gia với mức tổng vốn đầu tư thiết bị $31.452\text{ tỷ VNĐ}$ và chi phí vận hành tối ưu $13.435\text{ tỷ VNĐ/năm}$. Kết quả tính toán cung cấp cơ sở dữ liệu tin cậy cho công tác thiết kế kỹ thuật thi công, định cỡ hệ thống bảo vệ rơ-le và vận hành khai thác trạm biến áp trong thực tiễn ngành năng lượng.