Tổng quan về ổn định điện áp

Theo Institute of Electrical and Electronics Engineers/International Council on Large Electric Systems (IEEE/CIGRE): "Ổn định điện áp đề cập đến khả năng của hệ thống điện trong việc duy trì điện áp ổn định ở tất cả các nút trong hệ thống sau khi bị nhiễu từ một điều kiện hoạt động ban đầu nhất định. Ổn định điện áp phụ thuộc khả năng cung cấp công suất cho tải từ hệ thống nguồn và đường dây. Khả năng này bị giới hạn bởi công suất tối đa truyền được đến các nút trong hệ thống điện, và liên quan đến độ sụt áp gây ra bởi lượng công suất phản kháng/tác dụng truyền qua các đường dây truyền tải".[1]

Hình 1. Các loại ổn định điện áp [1]

Ổn định điện áp có thể được phân loại theo bản chất của nhiễu và theo phạm vi thời gian nghiên cứu (Hình 1). Ổn định điện áp nhiễu nhỏ đề cập đến khả năng của hệ thống để giữ điện áp các nút trong phạm vi chấp nhận được khi gặp nhiễu nhỏ, chẳng hạn như tải tăng lên một lượng nhỏ. Ổn định điện áp nhiễu lớn đề cập đến khả năng giữ điện áp các nút trong phạm vi chấp nhận được khi gặp các nhiễu lớn (sự cố) như mất máy phát, ngắn mạch, v.v. Ổn định điện áp thời gian dài xem xét các sự kiện diễn ra từ vài phút đến hàng chục phút, thường liên quan đến dòng điện kích từ máy phát hay điều chỉnh nấc máy biến áp, v.v. Ổn định điện áp thời gian ngắn xem xét các sự kiện diễn ra vài giây, chủ yếu liên quan đến tác động của các bộ biến đổi công suất hay động cơ cảm ứng [2].

Mất ổn định điện áp là trạng thái của hệ thống điện khi không đáp ứng được các điều kiện về ổn định điện áp. Hình 2 thể hiện một số dạng sóng mất ổn định điện áp thường xảy ra trong hệ thống. Khi điện áp ở một số khu vực của hệ thống điện giảm xuống mức thấp giới hạn và các biện pháp điều chỉnh không đủ để ngăn chặn quá trình suy giảm điện áp, một sự cố nhỏ tiếp nối sau đó hoàn toàn có thể dẫn tới sụp đổ điện áp.

Hình 2. Các loại dao động điện áp xảy ra trên lưới điện [5]

Sụp đổ điện áp là một qúa trình tiếp diễn của các sự kiện từ khi bắt đầu mất ổn định điện áp cho đến khi hệ thống mất điện một phần hoặc hoàn toàn . 

Các yếu tố liên quan đến khả năng mất ổn định điện áp

Mất ổn định điện áp ảnh hưởng không nhỏ đến hệ thống và thiết bị, đặc biệt có thể dẫn tới sụp đổ điện áp, dẫn đến mất điện cục bộ hoặc toàn hệ thống. Vậy các yếu tố liên quan nào dẫn tới tình trạng mất ổn định điện áp? 

❖ Giới hạn của ổn định điện áp

Như được nêu trong định nghĩa của IEEE/CIGRE, khả năng ổn định điện áp của hệ thống bị giới hạn bởi khả năng cung cấp công suất phản kháng/tác dụng cho phụ tải và phụ thuộc mức độ sụt áp của các đường dây truyền tải công suất đến các nút đặc biệt trong hệ thống. Khả năng cung cấp công suất cho các phụ tải thì bị giới hạn bởi công suất tối đa của các nhà máy điện, các thiết bị bù và giới hạn truyền tải của các đường dây. 

 Khi hệ thống vận hành ở mức tải càng cao, ở đó độ dự trữ công suất của các nhà máy thấp, các đường dây mang tải ở mức gần giới hạn truyền tải, thì hệ thống càng dễ có khả năng mất ổn định điện áp, đặc biệt là sụp đổ điện áp.  

❖ Các yếu tố ảnh hưởng ổn định điện áp nhiễu động nhỏ và nhiễu động lớn.

Ổn định điện áp  phụ thuộc vào đặc tính tải, các tác động điều khiển rời rạc tại một thời điểm xác định và các tác động điều khiển liên tục. Riêng ổn định nhiễu động lớn còn ảnh hưởng bởi đặc tính hệ thống và tác động của bảo vệ hệ thống.     

❖ Các yếu tố ảnh hưởng ổn định điện áp ngắn hạn

Ổn định điện áp ngắn hạn liên quan đến động học của các phụ tải tác động nhanh như các động cơ cảm ứng, các phụ tải điều khiển bởi thiết bị điện tử công suất và các bộ biến tần HVDC. Khả năng giữ ổn định điện áp trong ngắn hạn thường liên quan đến độ lớn các sự cố và thời gian tác động của bảo vệ cô lập sự cố. Các sự cố ngắn mạch gần phía tải có tác động đến ổn điện áp ngắn hạn nhiều hơn so với các sự cố ngắn mạch gần phía nguồn. 

❖ Các yếu tố ảnh hưởng ổn định điện áp dài hạn

Ổn định điện áp dài hạn liên quan đến động học của các thiết bị tác động chậm hơn, như các bộ điều áp MBA dưới tải, các phụ tải điều khiển theo nhiệt độ, và bộ hạn dòng kích từ máy phát. Khả năng giữ ổn định điện áp trong dài hạn thường liên quan đến ảnh hưởng của việc ngắt phần tử hệ thống do tác động của bảo vệ hơn là độ lớn của sự cố ban đầu.  

❖ Đặc tính của tải động cơ

Phụ tải trên hệ thống được phân thành 3 loại chính là phụ tải dân cư, phụ tải thương mại và phụ tải công nghiệp. Trong đó, phụ tải công nghiệp đa số là tải phi tuyến với nhiều thành phần động cơ cảm ứng. Khi hệ thống có sự sụt giảm điện áp, tải giảm dẫn đến công suất phản kháng trên đường dây giảm. Khi điện áp giảm dưới 85-90% giá trị định mức, động cơ bị giảm mo-ment, làm tăng sinh dòng điện phản kháng từ động cơ do đó tiếp tục làm điện áp sụt giảm. 

Bên cạnh đó, một số động cơ được điều khiển thông qua cơ chế từ tính khi bị sụt áp sẽ ngừng hoạt động. Việc này làm hệ thống tạm thời khôi phục điện áp, tuy nhiên các động cơ sau đó được khởi động đồng loạt và tiếp tục gây ra sụt áp trầm trọng hơn nếu nguyên nhân sụt áp ban đầu chưa được giải quyết.

Một số ví dụ mô phỏng minh họa liên quan đến ổn định điện áp

❖ Mất ổn định điện áp do nhiễu động nhỏ khi vận hành ở gần giới hạn ổn định

Hình 3 minh họa việc gia tăng đột ngột của phụ tải ảnh hưởng đến điện áp hệ thống tại khu vực miền Bắc Việt Nam, quan sát tại thanh cái 500kV Thường Tín chế độ phụ tải cực đại - mùa khô. Tại thời điểm 5s, xuất hiện tình trạng tăng phụ tải đột ngột, khi tải tăng khoảng 250MW (hệ số cos 𝞿=0.9), xảy ra sự sụt giảm điện áp trong khoảng 3s, sau đó điện áp được khôi phục về vùng cho phép. Tình trạng thiếu hụt Q đột ngột làm điện áp bị vượt ra ngoài vùng giới hạn, tuy nhiên trong trường hợp này hệ thống trở lại điểm cân bằng mới (hệ thống còn độ dữ trự ổn định). Khi tải tăng đến 500MW, điện áp sụt giảm và vượt khỏi ngưỡng giới hạn kèm theo dao động lớn và mất ổn định. Do bản thân hệ thống đang trong tình trạng mang tải cao, điện áp xác lập cũng như độ dự trữ rất thấp dễ dẫn đến tình trạng mất ổn định. 

Hình 3. Mô phỏng ổn định quá trình gia tăng phụ tải khu vực Miền Bắc với các mức gia tăng phụ tải khác nhau - Quan sát điện áp tại nút 500kV Thường Tín 

Hình 4. Kết quả mô phỏng xác lập thể hiện các nút truyền tải xảy ra hiện tượng điện áp thấp sau khi phụ tải gia tăng đột ngột (250MW)
từ ngưỡng phụ tải cực đại.

Hình 5. Kết quả mô phỏng tính toán điện áp xác lập trung bình trên hệ thống điện truyền tải khu vực miền Bắc sau khi gia tăng phụ tải đột ngột (250MW)
từ ngưỡng phụ tải rất cao.

❖ Mất ổn định điện áp khi có nhiễu động lớn     

Hình 6. Kết quả mô phỏng điện áp tại thanh cái 500kV Thường Tín khi có sự cố đường dây Nho Quan - Thường Tín -Trường hợp phụ tải cực đại - Mùa Khô

Hình 6 mô tả điện áp tại nút Nho Quan trong trường hợp xảy ra sự cố ngắn mạch đường dây Nho Quan - Thường Tín (tại 5s), hệ thống ở chế độ phụ tải cực đại, mùa khô. Sau 120ms (máy cắt tác động chậm so với quy định theo thông tư), hệ thống cắt đường dây Nho Quan - Thường Tín (mang tải trước đó lên tới 95%). Quan sát điện áp tại nút Thường Tín cho thấy hiện tượng mất ổn đinh điện áp. 

Các giải pháp nâng cao độ ổn định điện áp

Để nâng cao ổn định điện áp, hạn chế tình trạng dao động điện áp, sụp đổ điện áp, ngành điện thế giới đã đề xuất một số giải pháp như sau [5]:     

- Nghiên cứu, lắp đặt các thiết bị bù tĩnh (kháng bù ngang, tụ bù ngang) tại các nút thường xuyên xảy ra tình trạng thấp áp hoặc quá áp nhằm tăng chất lượng và độ ổn định điện áp tại các nút trên.

- Các thiết bị điều khiển hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (Flexible AC Transmission System - FACTS) được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của đường dây xoay chiều cao áp. Một số công nghệ FACTS tiêu biểu có thể kể đến như thiết bị bù tĩnh công suất phản kháng (SVC – Static VAR Compensator), các bộ bù nối tiếp được điều khiển bằng Thyristor (TCSC – Thyristor Controlled Series Capacitor), máy bù đồng bộ tĩnh (STATCOM – Static Synchronous Compensator), bộ điều khiển trào lưu công suất hợp nhất (UPFC - Unified Power Flow Controller) để tham gia điều khiển linh hoạt cho hệ thống điện.

Khi lắp đặt các thiết bị trên trong hệ thống điện, không chỉ cải thiện mức độ ổn định điện áp (khi vận hành bình thường và chế độ sự cố) mà còn cải thiện giới hạn truyền tải (đến khi sụp đổ điện áp) trong hệ thống.

- Bổ sung các mạch sa thải theo điện áp. Trong một số trường hợp điện áp thấp hoặc cao hơn quy định, sa thải một số xuất tuyến đường dây hoặc nhà máy nhằm ổn định điện áp hoặc đưa điện áp về ngưỡng cho phép.

Hình 7. Mạch sa thải đặc biệt theo điện áp thấp (Nguồn: EVN NLDC) 

- Tăng cường đo lường giám sát tại nhiều vị trí quan trọng trong hệ thống. Tăng cường cảnh báo, dự báo trước các hiện tượng dao động điện áp trong hệ thống điện. 

- Nghiên cứu các sự cố về điện áp đã từng xảy ra trước đó, từ đó tìm ra nguyên nhân cũng như các “điểm yếu” trong hệ thống điện. Từ kinh nghiệm và bài học từ các sự cố, đề xuất thêm các quy trình, thông tư trong việc vận hành và quy hoạch hệ thống điện. 

- Áp dụng các giải thuật, tăng cường phối hợp điều khiển nhằm đưa ra phương thức vận hành phù hợp, cải thiện điện áp tại các khu vực thường xuyên xảy ra tình trạng quá áp hoặc thấp áp. 

- Tăng cường công tác đào tạo, nâng cao trình độ, kỹ năng đánh giá hệ thống cho các điều độ viên, phân tích các giải pháp đã có thể được tiến hành đề ngăn ngừa. Thông qua đó, điều độ viên được tích lũy kinh nghiệm để ứng phó tốt hơn với các tình huống có thể xảy ra. 

Đề xuất cho hệ thống điện Việt Nam

Hiện nay Việt Nam đã áp dụng rất nhiều giải pháp như tăng cường đo lường giám sát tại nhiều vị trí quan trọng, lắp đặt các thiết bị bù tĩnh (kháng bù ngang, tụ bù ngang) tại các nút thường xuyên xảy ra tình trạng thấp áp hoặc quá áp, áp dụng các giải thuật, tăng cường phối hợp điều khiển nhằm đưa ra phương thức vận hành phù hợp v.v.

Hình 8. Kết quả tính toán mô phỏng điện áp trung bình khu vực chế độ phụ tải cực đại trước và sau khi thực hiện các giải pháp bù công suất phản kháng của tổng công ty truyền tải điện quốc gia (EVNNPT).

Bên cạnh đó cần thực hiện nghiên cứu thực hiện lắp đặt các thiết bị FACTS trên hệ thống điện Việt Nam (chưa được áp dụng). Theo kết quả tính toán mô phỏng của PECC2, thực hiện lắp đặt thiết bị SVC (1 thiết bị FACTS) tại TBA 500kV Hà Tĩnh vào năm 2025 giúp tăng mức độ ổn định điện áp khi bị sự cố, cũng như tăng giới hạn truyền tải Bắc - Trung lên khoảng 700~1000MW.

Hình 9. Trước và sau khi lắp đặt thiết bị SVC tại TBA 500kV Hà Tĩnh trên hệ thống điện - Thực hiện ngắn mạch 3 pha đường dây 500kV Hà Tĩnh – Vũng Áng trong thời gian 0.57s.

Hình 10. Giới hạn truyền tải Bắc -Trung năm 2025 trước và sau khi lắp đặt thiết bị SVC tại TBA 500kV Hà Tĩnh trên hệ thống điện với các chế độ vận hành khác nhau 

Ví dụ trên phần nào cho thấy hiệu quả cải thiện ổn định điện áp và sự cần thiết lắp đặt của thiết bị FACTS. Việt Nam cần thực hiện nghiên cứu, khảo sát cụ thể nhằm cải thiện ổn định điện áp hệ thống trong đó cần chỉ ra dung lượng và vị trí lắp đặt tối ưu của thiết bị FACTs nhằm nâng cao khả năng ổn định điện áp của hệ thống.

Thực hiện: Trần Hữu Phúc, Nguyễn Thanh Hằng, Nguyễn Hoàng Bảo

Tài liệu tham khảo

[1] Kundur P, Paserba J, Ajjarapu V, Andersson G, Bose A, Canizares C, et al. Definition and classification of power system stability IEEE/CIGRE joint task force on stability terms and definitions. IEEE Trans Power Syst 2004;19:1387–401

[2] IEEE Committee Report, Proposed terms and definition for power system stability, IEEE Trans. App. Syst. (101) (1982) 1894–1899.

[3] G. Andersson et al., “Causes of the 2003 Major Grid Blackouts in North America and Europe, and Recommended Means to Improve System Dynamic Performance,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 20, no. 4, pp. 1922–1928, Nov. 2005.

[4] Báo cáo tổng hợp nghiên cứu - Mô Phỏng Các Sự Cố Lớn Về Điện Áp Trong Hệ Thống Điện - TS.Nguyễn Xuân Tùng - TS.Nguyễn Đức Huy -Đại Học Bách Khoa Hà Nội 

[5] Thierry Van Cutsem, Costas Vournas “Voltage Stability of Electric Power Systems” Springer Science & Business Media, 2007