Khảo sát sự ảnh hưởng của nhà máy nhiệt điện duyên hải đến hệ thống lưới điện truyền tải khu vực Tây Nam Bộ

ThS. NGUYỄN NGỌC TIỀN (Bộ môn Điện - Điện tử, Khoa kỹ thuật và Công nghệ, Trường Đại học Trà Vinh)

TÓM TẮT:

Chế độ vận hành có nguồn điện mới, bên cạnh phương thức vận hành các kỹ sư vận nhà máy điện (NMĐ) và điều độ hệ thống điện (HTĐ) cần biết ảnh hưởng việc hòa lưới lên HTĐ, giới hạn truyền tải đường dây, ổn định quá độ máy phát. Các thông tin đó giúp việc tính toán chỉnh định rơle, cũng như người vận hành có cơ sở để chủ động ứng phó các tính huống sự cố. Để đảm bảo độ chính xác phép tích phân, bước tính cần phải nhỏ hơn hằng số thời gian phần tử trong hệ thống điều khiển, đồng thời đảm bảo nhỏ hơn tần số lấy mẫu cho quá trình khảo sát. Tính toán ổn định động cho phép khảo sát biến thiên các thông số điện áp, dòng điện, công suất, tần số và góc pha khi xuất hiện một kích thích nào đó với khoảng thời gian bằng bước thời gian tính toán [1]. Trong chương trình PSS/E việc thiết lập hệ phương trình vi phân trên được thiết lập gián tiếp qua việc mô tả chi tiết máy phát, lưới điện và phụ tải trong HTĐ.

Từ khóa: ảnh hưởng hòa lưới nhà máy điện lên hệ thống điện, chế độ vận hành nguồn mới, khảo sát ổn định thông số hệ thống điện.

I. Đặt vấn đề

Ngày nay HTĐ phát triển mạnh và trở thành một hệ thống hợp nhất, có thể trong phạm vi một quốc gia hoặc hợp nhất giữa các quốc gia. Khi có bất thường hoặc sự cố ở các phần tử không những ảnh hưởng đến phần tử đó mà còn ảnh hưởng đến các khu vực khác HTĐ. Đường dây siêu cao áp 500kV của Việt Nam (mạch 1 và mạch 2) có rất nhiều NMĐ điện được nối với HTĐ quốc gia ở các cấp điện áp khác nhau. Cấp điện áp 500kV có Hòa Bình, Yaly, Ô môn, Phú Mỹ. Cấp 220kV có Hàm Thuận, Đa mi, Buôn kuốp, Buôn Tua Sa, Srepok, Sê san 3, Đại Ninh, A vương, Sông Ba hạ, Phả Lại, Trị An, Đa Nhim... Cấp 110kV trở xuống cũng có nhiều NMĐ điện nối vào.

Khi đóng điện vận hành nguồn mới, lượng công suất bổ sung thêm từ nguồn vào hệ thống làm thay đổi trào lưu công suất. Sự thay đổi này phụ thuộc vào phương thức vận hành cũng như điện áp của nguồn mới được đưa vào.

Nhà máy Nhiệt điện (NMNĐ) Duyên Hải 1 (1200MW), Duyên Hải 2 (1200MW), Duyên Hải 3 (600MW) xây dựng ở huyện Duyên Hải, xã Dân thành thuộc địa phận tỉnh Trà Vinh; NMNĐ Duyên Hải 1 có 2 tổ máy với công suất lắp đặt 1200MW (mỗi tổ máy 600MW); NMNĐ Duyên Hải 2 có 2 tổ máy với công suất lắp đặt là 1200MW (mỗi tổ máy 600MW); NMNĐ Duyên Hải 3 có 1 tổ máy với công suất lắp đặt là 600MW. Ba NMNĐ này sẽ được kết nối vào thanh góp trạm biến áp (TBA) 500kV, truyền tải mạch kép đến nút 500kV Mỹ Tho đi Ô môn (Cần Thơ). Đồng thời có thêm hai mạch kép đường dây 220kV đi Vĩnh Long và Bến Tre [2].  Khi đưa vào vận hành, 3 NMNĐ này sẽ có ảnh hưởng lớn đến sự làm việc của HTĐ. Do đó, cần thiết phải nghiên cứu các ảnh hưởng của NMNĐ đến HTĐ như phân bổ công suất, điện áp, chế độ đóng cắt và sự ổn định quá độ của máy phát (MF). Trong nội dung bài báo, tác giả tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của Nhà máy Nhiệt điện Duyên Hải (NMĐDH) đến điện áp, tổn thất công suất, ảnh hưởng của sự thay đổi dòng ngắn mạch, sự biến thiên tổng trở nhìn thấy bởi rơle khoảng cách và ảnh hưởng ổn định quá độ.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thu thập số liệu từ Công ty cổ phần Tư vấn xây dựng điện 2, Công ty Điện lực Trà vinh và Công ty Nhiệt điện Duyên Hải Trà Vinh. Trên cơ sở đó tác giả phân tích dữ liệu trên phần mềm PSS/E và thực hiện mô phỏng chương trình trên máy tính. Nhận xét các kết quả đã phân tích để đánh giá sự ổn định động của hệ thống điện.

III. Phân tích hệ thống điện bằng chương trình PSS/E

Phần mềm PSS/E (Power System Simulator for Engineering) được giới thiệu từ năm 1976, là sản phẩm của hãng Power Technologies, INC- một hãng phần mềm nổi tiếng của Mỹ. PSS/E là tổ hợp chương trình đầy đủ, hỗ trợ cho việc mô phỏng, phân tích và đánh gia khách quan hiệu suất HTĐ.

Hình 1: Giao diện chính chương trình PSS/E

Giao diện chính chương trình PSS/E

Phân tích các thiết bị vật lý (đường dây truyền tải, MF, máy biến áp, bộ điều tốc, rơle,...) để thực hiện việc mô phỏng và tính toán các thông số đặc trưng và hàm truyền của nó.

Chuyển mô hình vật lý đã được nghiên cứu thành dữ liệu đầu vào cho chương trình PSS/E.  Sử dụng các chương trình của PSS/E xử lý dữ liệu, thực hiện tính toán, xuất kết quả phân tích như: Tính phân bố công suất, phân tích sự cố trong HTĐ và tính toán mô phỏng ổn định động.

Bảng 1. Tổng trở đường dây theo điện áp [3]

Tổng trở đường dây theo điện áp

Kết luận: Trong quá trình tính toán không thực hiện điều chỉnh điện áp. Kết quả cho thấy điện áp các nút lân cận khi có tham gia công suất phát NMNĐ Duyên Hải 1 cải thiện đáng kể điện áp trên hệ thống. Điện áp tại các thanh cái 500kV, 220kV,110kV được duy trì trong giới hạn cho phép. Điện áp này có thể nâng lên được nữa do NMNĐ Duyên Hải 1 còn có khả năng điều chỉnh tăng điện áp.

Khu vực Tây Nam Bộ khi chưa có NMNĐ Duyên Hải thì TBA- 500kV của Cao Lãnh; Sóc Trăng; Nhà Bè và Bến Tre sẽ bị ảnh hưởng nhiều nhất trong thời gian phụ tải cực đại. Phân tích có rất nhiều sự cố, ở đây tác giả cần quan tâm đến các sự cố nặng nề nhất. Xem xét ảnh hưởng của NMNĐ Duyên Hải 1 ta cần xem xét các sự cố sau đây: Sự cố mất điện đường dây 220kV Phú Lâm - Long An; Sự cố mất điện đường dây 500kV Phú Lâm - Mỹ Tho. Sự cố mất điện TBA 500kV Mỹ Tho - Ô Môn. Tính toán phương án vận hành khi có và không có NMNĐ Duyên Hải 1 (phát đầy tải với điện áp đầu cực giữ định mức) trong các dạng sự cố nêu trên để so sánh.

Bảng 2. Điện áp dao động tại các nút

Điện áp dao động tại các nút

Bảng 3. Tổn thất công suất hệ thống khi trạm biến áp 500KV của Ô Môn và Mỹ Tho bị sự cố

Tổn thất công suất hệ thống khi trạm biến áp 500KV của Ô Môn và Mỹ Tho bị sự cố

Khi NMNĐ Duyên Hải làm việc chế độ phát P=0 (MW), MF đóng vai trò như một máy bù đồng bộ bổ sung công suất phản kháng vào HTĐ nên điện áp khu vực được cải thiện đáng kể. Khi NMNĐ Duyên Hải phát công suất tác dụng làm phát sinh tổn thất điện áp do truyền tải công suất tác dụng nên ảnh hưởng đến việc cải thiện điện áp, tuy nhiên vẫn có tác dụng làm điện áp tăng lên so với chưa có NMNĐ Duyên Hải. So sánh kết quả tính toán ứng với hai chế độ cực đại và cực tiểu ta nhận thấy NMNĐ Duyên Hải góp phần cải thiện được điện áp lúc cao điểm và giảm được điện áp lúc thấp điểm, đặc biệt trong trường hợp ta tiến hành điều chỉnh điện áp tại NMNĐ Duyên Hải.

Ảnh hưởng của NMNĐ Duyên Hải đến chế độ mang tải của các phần tử trên HTĐ:

- Trong chế độ vận hành cực đại, công suất truyền tải trên các thiết bị trong hệ thống lớn do đó cần quan tâm xem xét các phần tử đã đầy tải hoặc quá tải để có phương án điều chỉnh.

- Kiểm tra điện áp các nút 110kV, 220kV, 500kV trong khu vực đều nằm trong phạm vi giới hạn cho phép Ubus =  ± 10%.Uđm  . [4]  .

Tính toán mức độ mang tải của các thiết bị, ta nhận thấy hầu hết TBA 110kV, 220kV và 500kV chịu ảnh hưởng của NMNĐ Duyên Hải. Các TBA 220kV, 500kV trong khu vực liên quan có thay đổi mức độ mang tải nhưng không đáng kể, giảm được phụ tải điện khi có NMNĐ Duyên Hải (riêng TBA 500kV Mỹ Tho tăng tải do phải nhận công suất từ NMNĐ Duyên Hải) và  tránh được quá tải công suất truyền trên đường dây 220kV, 500kV theo chiều từ Bắc vào Nam. Bên cạnh đó còn tránh quá tải cho đường dây 220kV Trà Vinh - Vĩnh Long và đường dây 500kV Mỹ Tho - Phú Lâm.

IV. Ảnh hưởng của NMNĐ Duyên Hải đến sự ổn định điện áp của HTĐ

Khi phụ tải tăng lên thì điện áp của hệ thống giảm. Ổn định nút phụ tải điện chủ yếu xét đến ổn định điện áp tại các nút, tức là tính toán khả năng tải sao cho tránh được sụp đổ điện áp. Xét sự cố 3 pha trực tiếp đường dây 220kV Trà Vinh - Vĩnh  Long, tại thời điểm 0,5s bảo vệ hai đầu đường dây cắt trong vòng 100ms, đóng lặp lại sau 0,8s kể từ thời điểm cắt sự cố và đóng thành công. Tính toán kết quả và vẽ biến thiên điện áp theo thời gian cho cả 2 trường hợp chưa có NMNĐ Duyên Hải  và có NMNĐ Duyên Hai khi phát 100% công suất.

Hình 2: Biến thiên điện áp thanh cái 110/220kV Duyên Hải khi sự cố ba pha trực tiếp giữa ĐD 220kV  Duyên Hải - Trà Vinh

Biến thiên điện áp thanh cái 110/220kV Duyên Hải khi sự cố ba pha trực tiếp giữa ĐD 220kV  Duyên Hải - Trà Vinh

Hình 3: Biến thiên điện áp thanh cái 110k V và 220kV Trà Vinh khi sự cố ba pha trực tiếp giữa đường dây 220kV Vĩnh Long - Trà Vinh

Biến thiên điện áp thanh cái 110k V và 220kV Trà Vinh khi sự cố ba pha trực tiếp giữa đường dây 220kV Vĩnh Long - Trà Vinh

Khi có NMNĐ Duyên Hải thì sau khi đóng lặp lại điện áp tại các thanh cái 110kV, 220kV của TBA 220kV Trà Vinh có dao động tắc dần với biên độ nhỏ và đi đến ổn định sau 2s kể từ lúc xảy ra sự cố.

Hình 4: Biến thiên điện áp thanh cái 110 kV và 220 kV Trà Vinh  khi sự cố ba pha trực tiếp giữa đường dây 220kV  Bến Tre - Trà Vinh

Biến thiên điện áp thanh cái 110 kV và 220 kV Trà Vinh  khi sự cố ba pha trực tiếp giữa đường dây 220kV  Bến Tre - Trà Vinh

Ngắn mạch 3 pha và cắt phần tử sự cố: Mô phỏng chế độ xác lập trước khi xảy ra sự cố.

- Thời gian loại trừ sự cố t0= 80 ms (đối với lưới 500kV) hoặc 100ms (đối với lưới 220 kV).

- Sự cố được loại trừ tại t= t+ t0 bằng cách cắt đường dây hoặc máy phát sự cố.

Thời gian mô phỏng hệ thống kéo dài tới 20s để kiểm tra ổn định. Độ ổn định của hệ thống sẽ được xác định bởi việc đánh giá góc lệch pha tương đối giữa các suất điện động của các máy phát, điện áp, tần số của hệ thống và độ suy giảm biên độ dao động khi các sự cố xảy ra [5].

Trong phạm vi báo cáo chỉ thực hiện khảo sát đối với các tổ máy có công suất lớn, đấu nối lên hệ thống ở cấp điện áp 500kV, 220kV và 110kV. Các mô hình tổ máy phục vụ cho báo cáo đều trang bị đầy đủ các hệ thống kích từ, hệ thống điều tốc và hệ thống cân bằng công suất. Mô hình các tổ máy trong tương lai được tham khảo từ mô hình các tổ máy hiện có cùng công suất và chủng loại; đối với các tổ máy chưa có tham khảo thì các mô hình được lấy theo thông số của các nhà sản xuất hoặc từ mô hình lý tưởng của IEEE.

V. Ổn định quá độ khi đóng, cắt tổ máy

Tính toán ổn định MF và ổn định điện áp hệ thống trong hai chế độ vận hành. Chế độ cắt, đóng đột ngột một tổ máy với giả thiết các trường hợp sau:

- NMNĐ Duyên Hải vận hành 2 tổ máy, bị tách lưới 1 tổ máy và bị tách lưới 2 tổ máy.

Hình 5: Duyên Hải vận hành 2 tổ máy, sau đó bị tách lưới 1 tổ máy của Duyên Hải

Duyên Hải vận hành 2 tổ máy, sau đó bị tách lưới 1 tổ máy của Duyên Hải

Kết luận: Khi cắt đột ngột một tổ máy thì tổ máy còn lại có dao động với biên độ nhỏ và dao động này sẽ tắt trong khoảng thời gian 7s. Điều này cũng xảy ra tương tự cho trường hợp đóng hòa tổ máy. Điện áp tại thanh cái 220kV Duyên Hải - Trà Vinh gần như không có biến động. Khi cắt đột ngột cả hai tổ máy NMNĐ Duyên Hải 1 thì điện áp tại thanh cái 220kV Trà Vinh có thay đổi rất nhỏ nhưng sau đó được phục hồi trở lại. Như vậy, việc cắt một hoặc hai tổ MF và đóng hòa của NMNĐ Duyên Hải 1 không làm mất tính ổn định của hệ thống.

VI. Chế độ vận hành đường dây

Nhà máy nhiệt điện Duyên Hải 1 kết nối với HTĐ khu vực qua đường dây 220kV Duyên Hải - Trà Vinh (2 mạch) và Duyên Hải - Mỏ Cày (2 mạch), giới hạn truyền tải của mỗi đường dây xét theo điều kiện nhiệt độ của đường dây trên không. NMNĐ Duyên Hải 1 có công suất phát cực đại Pmax = 600MW. Dòng tải Imax =13046A sử dụng loại dây dẫn 2xACSR-795/MCM có Icp_max = 1519A, Đường dây Duyên Hải - Trà Vinh có dòng tải ITV-DH = 884A nhỏ hơn dòng cho phép Iđmcp = 1359A của đường dây và dòng mang tải cho phép của các đường dây liên kết nhỏ hơn Iđmcp của dây dẫn. Như vậy, ở tất cả các chế độ thì khả năng truyền tải của các đường dây vẫn đảm bảo.

Giới hạn truyền tải đường dây 220kV (2 mạch) Duyên Hải - Trà Vinh và Duyên Hải – Mỏ Cày ngoài giới hạn theo điều kiện nhiệt độ của đường dây trên không, còn cân nhắc thêm điều kiện làm việc ổn định tần số và điện áp.

Điều kiện vận hành theo yêu cầu điện áp:  Để xem xét khả năng truyền tải của các đường dây 220kV (2 mạch) Trà Vinh -Vĩnh Long và Duyên Hải - Mỏ Cày, ta giả thiết hai tổ máy của Duyên Hải 1 phát công suất 600 MW. Tính toán điện áp đầu cực MF, điện áp tại các thanh cái 220kV Duyên Hải và chế độ phát công suất phản kháng cũng như công suất  truyền tải ứng với các chế độ vận hành của đường dây 220kV Duyên Hải 1 - Vĩnh Long (vận hành mạch đơn và mạch kép). Điện áp tính toán tại các thanh cái 220kV của TBA 500kV Mỹ Tho trong các chế độ vận hành đều nằm trong phạm vi cho phép. Theo kết quả tính toán đường dây 220 kV Duyên Hải - Trà Vinh được thiết kế đảm bảo cho các MF phát hết công suất theo điều kiện điện áp trong các chế độ vận hành mạch đơn và mạch kép. Đường dây 220kV Trà Vinh - Vĩnh Long đảm bảo cho các máy phát, phát hết công suất theo chế độ vận hành mạch kép và chế độ vận hành mạch đơn.

Điều kiện vận hành theo yêu cầu tần số: Giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định tần số xét trường hợp mạch đơn và mạch kép, ta chỉ xét sự cố cắt đường dây mạch đơn Trà Vinh - Vĩnh Long và Mạch đơn Trà Vinh - Duyên Hải và không thực hiện đóng lặp lại, thống vẫn còn giữ được ổn định [6]   .

Phương pháp tính toán giới hạn này được thực hiện bằng cách thay đổi công suất phát và kiểm tra ổn định quá độ khi có sự cố tách một đường dây để xác định công suất phát lớn nhất mà HTĐ vẫn còn giữ ổn định.

VII. Nhận xét đánh giá

Trong quá trình khảo sát và phân tích tác giả nhận xét như sau:

- Khi có sự tham gia công suất phát NMNĐ Duyên Hải thì đường dây 500 kV Bắc - Nam giảm công suất truyền tải trên hệ thống, điện áp các nút lân cận miền Nam được nâng lên đáng kể, giảm tổn thất trên lưới truyền tải. Thời gian mất điện được cải thiện.

- Khi vận hành 1 tổ máy vẫn đảm bảo ổn định điện áp trong giới hạn cho phép tại các nút.

- Đảm bảo điều kiện ổn định động khi có sự cố ngắn mạch và có dao động tắc dần với biên độ nhỏ và đi đến ổn định sau 2s.

- Ảnh hưởng của việc thay đổi dòng ngắn mạch: Dòng sự cố tại các TBA 220KV trong khu vực: Cà Mau, Ô Môn, Vĩnh Long; các TBA 500KV Mỹ Tho, Di Linh, Ô Môn, Phú Lâm, Phú Mỹ, Nhà Bè chịu ảnh hưởng của NMNĐ Duyên Hải, dòng ngắn mạch tăng từ 630 ÷ 1400A phía 500kV; 490 ÷ 4400A phía 220kV, 300 ÷ 500A phía 110kV; còn các khu vực khác chịu ảnh hưởng rất ít, không đáng kể (dòng sự cố chỉ thay đổi vài chục ampe). Sự biến đổi dòng ngắn mạch như vậy, cần xét ảnh hưởng đến các chức năng bảo vệ quá dòng điện.

Giới hạn: Trong báo cáo tác giả chưa nghiên cứu hết các tác động của NMNĐ Duyên Hải đến HTĐ nên nội dung chỉ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của NMNĐ Duyên Hải đến điện áp các nút lân cận, tổn thất công suất truyền tải và ảnh hưởng của sự thay đổi dòng ngắn mạch làm ảnh hưởng đến ổn định động của hệ thống. Tác giả không nghiên cứu chức năng rơ le bảo vệ dòng điện. Và chưa xét các ảnh hưởng của thiết bị FACTS lên lưới điện truyền tải khu vực các nút Miền Tây Nam Bộ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

  1. Bộ Công nghiệp (2007), Quyết định số 16/2007/QĐ-BCN ngày 26/3/2007 V/v Quy trình thao tác hệ thống điện Quốc gia.
  2. Công ty Nhiệt điện Duyên Hải, “Thông số kỹ thuật các thiết bị điện và sơ đồ đấu nối”, Lưu hành nội bộ.
  3. Trần Quang Khánh, “Bảo vệ rơle và tự động hóa hệ thống điện”, NXB Giáo dục, 2006.
  4. Bộ Công Thương (2010), Thông tư số 12/2010/TT-BCT ngày 15/4/ 2010 V/v quy định hệ thống điện truyền tải.
  5. Nguyễn Văn Đạm (2008), “Mạng lưới điện tính chế độ xác lập của các mạng và hệ thống điện phức tạp”, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
  6. Vũ Đức Quang (2013), “Tính toán ổn định hệ thống điện bằng mềm PSS/E”, Công ty CP Tư vấn xây dựng điện 2.
  7. Công ty cổ phần Tư vấn xây dựng điện 2 (2013), “Thống kê thông số đường dây trên phần mềm Excell”.
  8. Trần Quang Khánh (2006), “Vận hành hệ thống điện”, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
  9. Trịnh Hừng Thám (2007), “Vận hành nhà máy thủy điện”, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
  10. Lã Văn Út (2001), “Phân tích và điều khiển ổn định hệ thống điện”, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
  11. Viện Năng lượng (2006), “Quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2006-2015 có xét triển vọng đến 2025”, Hà Nội.
  12. Hồ Văn Hiến (2013), “Hệ thống điện truyền tải và phân phối”, NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.
  13. Trần Bách (2004), “Lưới điện và hệ thống điện”, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
  14. Trịnh Hừng Thám, Đào Quang Thạch, Phạm Văn Hòa, Lã Văn Út (2007), “Phần điện trong nhà máy điện và trạm biến áp”, NXB Khoa học và Kỹ thuật.

SURVEYING THE EFFECTS OF THERMAL POWER PLANT

TO COASTAL TRANSMISSION GRID SYSTEM OF VIETNAM

• Master. NGUYEN NGOC TIEN

Department of Electricity - Electronics

Faculty of Science and Technology, Tra Vinh Universitty

ABSTRACT:

The operating mode conditions of a new power source in the power grid including in the operating mode, the dispatching electricity system, the connecting electricity system, the power limitations of transmission lines, and the stability of transmitter transient affect the electrical transmission grid system. This study exaamines the impacts of three thermal power plants located in Duyen Hai District, Tra Vinh Province on the electrical power and the short-circuit changes of the electrical transmission grid system in the South-Western region, Vietnam. The Power System Simulator for Engineering (PSS/E) software was used in this study to modulate, calculate and evaluate the positive changes of the area’s power grid system. 

Keywords: Duyen Hai Thermal Power Plant, grid system, Southwest region, PSS / E software.

[Tạp chí Công Thương - Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 2, tháng 1 năm 2021]