Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống lưới điện truyền tải quốc gia đóng vai trò then chốt trong việc bảo đảm an ninh năng lượng và phát triển kinh tế đất nước. Tính đến tháng 7 năm 2018, Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia (EVNNPT) quản lý vận hành tổng cộng 24.423 km đường dây (gồm 7.503 km đường dây 500kV và 16.920 km đường dây 220kV) cùng 142 trạm biến áp với tổng dung lượng đạt 82.438 MVA. Tại khu vực phía Nam, Công ty Truyền tải điện 4 (PTC4) trực tiếp quản lý vận hành 1.689,38 km đường dây 500kV, 5.731,87 km đường dây 220kV và 9 trạm biến áp 500kV với 16 máy biến áp có tổng công suất 11.518 MVA trên phạm vi 19 tỉnh thành. Cùng với tốc độ tăng trưởng nhu cầu phụ tải toàn quốc duy trì ở mức cao từ 10,6% đến 10,7% mỗi năm trong giai đoạn 2018-2020, hàng loạt trung tâm nhiệt điện quy mô cực lớn đã được đấu nối tập trung vào hệ thống như cụm Phú Mỹ - Nhơn Trạch (khoảng 6.000 MVA), Vĩnh Tân (khoảng 1.200 MVA) và Duyên Hải - Ô Môn (trên 2.000 MVA).

Sự tập trung nguồn công suất lớn và phát triển các mạch vòng song song dày đặc làm suy giảm mạnh tổng trở tương đương của toàn hệ thống. Hệ quả trực tiếp là dòng ngắn mạch tại thanh cái cấp điện áp 220kV của các trạm biến áp 500kV cửa ngõ như Phú Lâm, Nhà Bè và Cầu Bông đã tăng vọt, vượt quá ngưỡng chịu đựng danh định 50kA của các thiết bị đóng cắt hiện hữu. Tình trạng này đe dọa nghiêm trọng đến độ bền điện - động lực học, độ bền nhiệt của thiết bị và phá vỡ tính chọn lọc của hệ thống rơle bảo vệ. Luận văn đặt ra mục tiêu tính toán, xác định vị trí và thông số kỹ thuật tối ưu để lắp đặt kháng điện hạn dòng (Current Limiting Reactor - CLR) cho lưới truyền tải miền Nam giai đoạn 2019-2020 có xét đến năm 2025. Nghiên cứu hướng tới việc khống chế dòng ngắn mạch về dưới ngưỡng 50kA, giữ vững tiêu chuẩn cung cấp điện an toàn N-1, giảm tổn thất công suất và tối ưu hóa chi phí đầu tư cho hệ thống điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng nền tảng lý thuyết phân tích hệ thống điện trong chế độ sự cố xác lập và quá độ, trọng tâm là phương pháp thành phần đối xứng để giải quyết bài toán ngắn mạch 3 pha đối xứng và ngắn mạch không đối xứng (chạm đất 1 pha, chạm đất 2 pha). Trị số dòng ngắn mạch 3 pha chu kỳ đầu được xác định thông qua biểu thức dòng điện siêu quá độ tỷ lệ nghịch với điện kháng tổng thứ tự thuận của hệ thống nhìn từ điểm ngắn mạch. Đối với các sự cố chạm đất không đối xứng, mạng thứ tự thuận được bổ sung điện kháng tương đương tổng hợp từ mạng thứ tự nghịch và mạng thứ tự không.

Trong tính toán lưới truyền tải, điện kháng thứ tự nghịch của máy biến áp và đường dây trên không được xác định bằng điện kháng thứ tự thuận. Điện kháng thứ tự không của đường dây trên không có dây chống sét xấp xỉ bằng 2,0 đến 3,0 lần điện kháng thứ tự thuận, trong khi cáp ngầm có giá trị gấp 3,5 đến 4,6 lần. Khung phân tích vận dụng 5 khái niệm chuyên ngành cốt lõi bao gồm: khả năng cắt định mức của máy cắt (50kA ở cấp 220kV và 500kV), tổng trở Thevenin tương đương tại nút, tiêu chuẩn ổn định vận hành N-1, nguyên lý tăng trở kháng cục bộ bằng kháng điện lõi không khí và ma trận tổng dẫn nút trong bài toán trào lưu công suất.

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu đầu vào phục vụ nghiên cứu được trích xuất từ cơ sở dữ liệu vận hành chính thức của Tập đoàn Điện lực Việt Nam do Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (A0) cung cấp, tuân thủ Thông tư 40/2014/TT-BCT về quy trình điều độ hệ thống điện quốc gia và Thông tư 25/2016/TT-BCT quy định hệ thống điện truyền tải. Dữ liệu dự báo nguồn và phụ tải bám sát Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030 (Quy hoạch điện VII điều chỉnh) với mục tiêu công suất đặt toàn quốc đạt 57.000 MW năm 2020 và 110.000 MW năm 2030. Cỡ mẫu nghiên cứu bao phủ toàn bộ lưới điện truyền tải 220-500kV khu vực miền Nam gồm 9 trạm biến áp 500kV, 16 máy biến áp với tổng dung lượng 11.518 MVA và hơn 80 xuất tuyến đường dây 220kV.

Phương pháp phân tích được thực hiện thông qua phần mềm mô phỏng hệ thống điện chuyên nghiệp PSS/E phiên bản 30 của tập đoàn Siemens PTI, có năng lực xử lý mạng lưới lên đến 50.000 nút. Nghiên cứu sử dụng thuật toán lặp Newton-Raphson liên kết đầy đủ và giải thuật Gauss-Seidel để giải bài toán trào lưu công suất xác lập, kết hợp thuật toán tính ngắn mạch theo chuẩn IEC/ANSI. Lý do lựa chọn PSS/E là khả năng mô hình hóa chính xác các thông số quá độ của máy phát đồng bộ, xử lý ma trận tổng dẫn lớn với tốc độ hội tụ cao và hỗ trợ quét tự động các dạng sự cố nguy hiểm nhất trong thời gian thực hiện đề tài từ tháng 2 năm 2019 đến tháng 6 năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, tính toán mô phỏng trạng thái lưới điện truyền tải miền Nam năm 2019 và 2020 khi chưa có biện pháp hạn chế cho thấy mức dòng ngắn mạch 3 pha và 1 pha chạm đất tại các trạm 500kV trọng điểm đã vượt giới hạn an toàn 50kA. Cụ thể, dòng ngắn mạch tại thanh cái 220kV TBA 500kV Phú Lâm đạt 54,2 kA, TBA 500kV Nhà Bè đạt 52,8 kA và TBA 500kV Cầu Bông đạt 51,5 kA, vượt từ 3,0% đến 8,4% so với khả năng cắt định mức của máy cắt hiện hữu.

Thứ hai, qua quá trình đánh giá 10 nhóm giải pháp kỹ thuật (bao gồm quy hoạch cấu hình, vận hành phân đoạn, thay mới máy cắt, tăng điện áp ngắn mạch máy biến áp đầu cực, chuyển đổi HVDC, lắp thiết bị DVR, kháng song song van bán dẫn và bù dọc Thyristor TPSC), giải pháp lắp đặt kháng điện khô lõi không khí tại ngăn liên lạc hoặc phân đoạn thanh cái 220kV được chứng minh là phương án tối ưu toàn diện nhất.

Thứ ba, việc lựa chọn lắp đặt kháng điện có giá trị cảm kháng từ 6 Ohm đến 12 Ohm tại ngăn liên lạc thanh cái 220kV giúp cắt giảm dòng ngắn mạch tổng tại các nút từ 18% đến 25%. Tại TBA 500kV Phú Lâm, dòng ngắn mạch sau khi lắp kháng 10 Ohm giảm từ 54,2 kA xuống còn 41,8 kA; tại TBA 500kV Nhà Bè giảm từ 52,8 kA xuống 40,6 kA; tại TBA 500kV Cầu Bông giảm xuống 39,2 kA, đưa toàn bộ giá trị dòng sự cố về vùng vận hành an toàn dưới 50kA.

Thứ tư, phương án lắp đặt kháng điện phân đoạn tại 6 trạm biến áp 500kV trọng yếu (Phú Lâm, Nhà Bè, Cầu Bông, Tân Định, Tân Uyên, Sông Mây) bảo đảm độ lệch điện áp tại các thanh cái lân cận luôn nằm trong dải cho phép dưới 5% ở chế độ vận hành bình thường, đồng thời duy trì khả năng truyền tải điện liên tục khi xảy ra sự cố đơn lẻ theo tiêu chuẩn N-1.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng dòng ngắn mạch gia tăng nghiêm trọng xuất phát từ việc cấu hình lưới điện truyền tải miền Nam tập trung quá nhiều xuất tuyến trên cùng một thanh cái (nhiều trạm hiện hữu có từ 8 đến 13 ngăn lộ như 220kV Ô Môn, Phú Mỹ, Tân Định, Tân Uyên) kết hợp với các đường dây mạch kép song song từ các trung tâm điện lực lớn. Theo nguyên lý mạch điện song song, điện kháng tương đương giảm tỉ lệ nghịch với số nhánh dẫn, khiến dòng sự cố đổ về điểm ngắn mạch tăng theo hàm số bậc nhất. Việc lắp đặt kháng điện hạn dòng tại ngăn liên lạc đóng vai trò tạo ra một trở kháng nhân tạo tức thời ngăn cách giữa hai phân đoạn thanh cái khi có sự cố, làm giảm thành phần dòng ngắn mạch đóng góp từ phía hệ thống còn lại mà không làm cản trở trào lưu công suất bình thường.

So sánh với phương án thay thế toàn bộ thiết bị phân phối tại các trạm biến áp sang loại có dòng cắt 63kA, giải pháp lắp kháng điện hạn dòng giúp tiết kiệm hơn 70% tổng mức đầu tư, tránh phải mở rộng quỹ đất trạm và không đòi hỏi thời gian cắt điện kéo dài gây gián đoạn cấp điện. Mặt khác, giải pháp này giải quyết triệt để vấn đề pháp lý và kỹ thuật so với phương án cách ly trung tính máy biến áp 220kV - vốn là hành vi vi phạm Điều 11 Thông tư 25/2016/TT-BCT do Bộ Công Thương ban hành.

Các kết quả phân tích dữ liệu có thể được mô tả trực quan thông qua biểu đồ cột so sánh biên độ dòng ngắn mạch trước và sau khi đặt kháng tại 6 trạm 500kV trọng điểm, kết hợp với bảng số liệu tổng hợp tổn thất công suất tác dụng và công suất phản kháng trên toàn hệ thống truyền tải điện miền Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

Một là, Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia (EVNNPT) và Công ty Truyền tải điện 4 (PTC4) cần khẩn trương phê duyệt dự án đầu tư và triển khai lắp đặt kháng điện hạn dòng khô lõi không khí cấp điện áp 220kV tại ngăn liên lạc thanh cái của 6 trạm biến áp 500kV: Phú Lâm, Nhà Bè, Cầu Bông, Tân Định, Tân Uyên và Sông Mây trong giai đoạn 2020-2023, nhằm kiểm soát dòng ngắn mạch luôn duy trì dưới ngưỡng 45kA.

Hai là, các Công ty Cổ phần Tư vấn Xây dựng Điện (PECC1, PECC2, PECC3, PECC4) khi lập quy hoạch phát triển lưới điện truyền tải giai đoạn 2021-2030 có xét đến 2035 cần triệt để áp dụng tiêu chí giới hạn số lượng xuất tuyến, chỉ bố trí từ 2 đến 4 ngăn lộ đường dây trên một phân đoạn thanh cái 220kV, hạn chế việc gom từ 8 đến 13 xuất tuyến vào một nút nhằm triệt tiêu sự tích tụ dòng ngắn mạch từ 3kA đến 9kA của mỗi đường dây.

Ba là, Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia (A0) và Trung tâm Điều độ Hệ thống điện miền Nam (A2) phối hợp xây dựng phương thức vận hành linh hoạt, tích hợp quy trình thao tác dao nối tắt kháng điện trong các chế độ phụ tải cực tiểu hoặc khi thực hiện bảo trì, bảo đảm tuyệt đối tiêu chí vận hành ổn định và tin cậy N-1.

Bốn là, Bộ Công Thương nghiên cứu ban hành thông tư sửa đổi, bổ sung quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về giới hạn dòng ngắn mạch cho phép đổ vào lưới truyền tải từ các nhà máy điện mới, quy định cụ thể mức điện áp ngắn mạch của máy biến áp tăng áp đầu cực máy phát đạt từ 14% đến 17% đối với cấp 500kV và từ 11% đến 15% đối với cấp 220kV.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư điều độ và vận hành hệ thống điện tại A0, A2, PTC4: Ứng dụng phương pháp luận và cơ sở dữ liệu mô phỏng PSS/E để tính toán chỉnh định rơle bảo vệ, xác lập phương thức vận hành tối ưu cho các trạm biến áp 220kV - 500kV có nguy cơ vượt dòng ngắn mạch.

Nhóm chuyên gia tư vấn thiết kế và lập quy hoạch năng lượng tại các viện nghiên cứu và công ty tư vấn điện lực: Sử dụng các tiêu chí kỹ thuật về phân đoạn thanh cái, cấu hình đấu nối xuất tuyến và lựa chọn thông số thiết bị hạn dòng để đưa vào các đề án quy hoạch phát triển điện lực cấp tỉnh và toàn quốc.

Nhóm cán bộ quản lý kỹ thuật và ban quản lý dự án lưới điện tại EVNNPT: Khai thác luận chứng kinh tế - kỹ thuật, bảng so sánh hiệu quả giữa 10 nhóm giải pháp và sơ đồ bố trí kháng điện phân đoạn thực tế để lập báo cáo nghiên cứu khả thi cho các dự án nâng cấp trạm biến áp truyền tải.

Nhóm giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật điện: Tiếp cận nguồn tài liệu tham khảo có giá trị học thuật cao về giải thuật tính toán ngắn mạch phức tạp, mô hình hóa hệ thống điện thực tế quy mô lớn và kỹ thuật ứng dụng các phần tử hạn dòng hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao dòng ngắn mạch tại các trạm biến áp 220kV khu vực miền Nam lại tăng vượt ngưỡng 50kA? Dòng ngắn mạch tăng vọt do tốc độ phát triển phụ tải nhanh trên 10% mỗi năm, thúc đẩy việc tích hợp dồn dập các nguồn phát công suất lớn như Phú Mỹ, Vĩnh Tân vào lưới điện. Cấu hình lưới liên kết nhiều mạch vòng song song làm giảm tổng trở Thevenin tương đương, khiến dòng sự cố tại các trạm Phú Lâm, Nhà Bè vượt quá 50kA.

Kháng điện hạn dòng lõi không khí mang lại ưu điểm gì vượt trội so với giải pháp thay mới máy cắt? Kháng điện lõi không khí lắp tại ngăn liên lạc giúp giảm tức thời từ 18% đến 25% dòng ngắn mạch ngay chu kỳ đầu mà không cần thay đổi kết cấu trạm. Giải pháp này tiết kiệm hơn 70% kinh phí so với phương án thay mới toàn bộ thiết bị phân phối 63kA và hạn chế tối đa thời gian phải cắt điện.

Việc lắp đặt kháng điện hạn dòng có gây sụt giảm điện áp hoặc làm tăng tổn thất công suất của lưới điện không? Kết quả tính toán mô phỏng khẳng định độ sụt áp tại các thanh cái 220kV lân cận luôn được giữ vững trong giới hạn quy chuẩn dưới 5%. Do kháng điện chỉ đặt tại ngăn liên lạc thanh cái nên dòng công suất chạy qua ở chế độ vận hành bình thường rất nhỏ, không làm gia tăng tổn thất điện năng đáng kể.

Vì sao không thể áp dụng phương pháp chuyển trung tính máy biến áp 220kV sang cách ly để giảm dòng ngắn mạch chạm đất? Phương pháp chuyển trung tính sang cách ly không thể thực hiện do vi phạm trực tiếp Điều 11 Thông tư 25/2016/TT-BCT của Bộ Công Thương quy định chế độ nối đất trực tiếp đối với lưới điện truyền tải. Việc cách ly trung tính còn làm tăng điện áp quá độ nguy hiểm trên các pha không sự cố.

Phần mềm PSS/E đóng vai trò như thế nào trong việc xác định vị trí và thông số lắp đặt kháng điện? Phần mềm PSS/E với thuật toán Newton-Raphson giúp mô phỏng chi tiết chế độ trào lưu công suất và quét tự động các dạng sự cố ngắn mạch trên toàn bộ lưới điện truyền tải hơn 50.000 nút. Từ đó, phần mềm cho phép xác định chính xác giá trị điện cảm tối ưu từ 6 đến 12 Ohm cho từng vị trí trạm cụ thể.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn bài toán cấp thiết về sự gia tăng dòng ngắn mạch vượt giới hạn 50kA trên hệ thống truyền tải điện 220kV - 500kV khu vực miền Nam.
  • Xây dựng thành công cơ sở dữ liệu và mô hình mô phỏng chi tiết lưới điện truyền tải miền Nam trên phần mềm PSS/E bao gồm 9 trạm biến áp 500kV, 16 máy biến áp dung lượng 11.518 MVA và hơn 80 xuất tuyến đường dây 220kV.
  • Chứng minh giải pháp lắp đặt kháng điện hạn dòng khô lõi không khí tại ngăn liên lạc thanh cái 220kV giúp giảm hiệu quả từ 18% đến 25% dòng ngắn mạch, đưa dòng sự cố tại các trạm trọng điểm Phú Lâm, Nhà Bè, Cầu Bông về mức an toàn dưới 42kA.
  • Khẳng định tính ưu việt về mặt kinh tế - kỹ thuật của giải pháp lắp kháng phân đoạn, vừa bảo đảm tiêu chuẩn vận hành tin cậy N-1, vừa tiết kiệm hàng trăm tỷ đồng chi phí đầu tư nâng cấp thiết bị phân phối.
  • Đề xuất EVNNPT và PTC4 đưa danh mục lắp đặt kháng điện tại 6 trạm biến áp 500kV vào kế hoạch đầu tư xây dựng giai đoạn 2020-2023. Độc giả, các kỹ sư và nhà nghiên cứu có thể tham khảo toàn văn luận văn thạc sĩ để khai thác chi tiết các thuật toán mô phỏng và ứng dụng vào công tác tối ưu hóa vận hành hệ thống điện truyền tải.