Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam đang chứng kiến sự phát triển nhanh chóng của các nguồn điện năng lượng tái tạo (NLTT), đặc biệt là điện mặt trời và điện gió, nhờ vào các chính sách ưu đãi của Chính phủ như Quyết định 11/2017/QĐ-TTg, Quyết định 13/2020/QĐ-TTg và các thông tư hướng dẫn. Tính đến cuối năm 2020, tỷ lệ công suất NLTT trong tổng công suất nguồn điện quốc gia đạt khoảng 26%, trong đó điện mặt trời chiếm 24% và điện gió chiếm 13%. Tuy nhiên, sự phát triển không đồng đều và tập trung chủ yếu ở các tỉnh có tiềm năng lớn như Bình Thuận đã dẫn đến tình trạng quá tải cục bộ và cắt giảm công suất phát điện do hệ thống truyền tải chưa đồng bộ. Đại dịch Covid-19 cũng làm giảm đáng kể nhu cầu tiêu thụ điện, khiến việc vận hành các nhà máy NLTT gặp nhiều khó khăn, đặc biệt là việc sa thải công suất nguồn điện tái tạo làm giảm hiệu quả vận hành.

Mục tiêu nghiên cứu là khảo sát và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm cải thiện hiệu quả vận hành các nguồn điện NLTT tại Việt Nam, tập trung phân tích lưới điện 110 kV tỉnh Bình Thuận – khu vực có mật độ NLTT cao nhất cả nước. Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng PSS/E để đánh giá tính ổn định động của hệ thống, khảo sát ảnh hưởng của biến động bức xạ mặt trời, tốc độ gió, và thử nghiệm các giải pháp lưu trữ năng lượng như hệ thống pin lưu trữ (BESS) và nhà máy sản xuất hydrogen (H2). Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa vận hành, giảm thiểu lãng phí năng lượng, đồng thời góp phần phát triển bền vững ngành năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết ổn định động hệ thống điện: Đánh giá khả năng duy trì trạng thái cân bằng điện áp, tần số khi có sự thay đổi đột ngột của nguồn phát NLTT do biến động thời tiết.
  • Mô hình động nguồn điện NLTT: Bao gồm mô hình điện mặt trời, điện gió và hệ thống lưu trữ năng lượng BESS, mô phỏng đặc tính vận hành và phản ứng của các nguồn này trong hệ thống điện.
  • Mô hình nhà máy điện ảo (Virtual Power Plant - VPP): Tập hợp các nguồn điện phân tán và tải linh hoạt thành một đơn vị điều khiển tập trung, giúp tối ưu hóa vận hành và tham gia thị trường điện.
  • Khái niệm lưu trữ năng lượng điện hóa và pin nhiên liệu hydrogen: Chuyển đổi năng lượng dư thừa thành dạng lưu trữ khác để sử dụng khi cần thiết, giảm thiểu cắt giảm công suất.

Các khái niệm chính bao gồm: quán tính điện, công suất phát phụ thuộc thời tiết, cắt giảm công suất (curtailment), hệ thống lưu trữ năng lượng BESS, nhà máy sản xuất hydrogen, và nhà máy điện ảo.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực tế từ lưới điện 110 kV tỉnh Bình Thuận tại thời điểm khảo sát tháng 4/2021, bao gồm công suất các nhà máy điện mặt trời, điện gió, phụ tải và thiết bị lưới điện. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ các nhà máy NLTT đã kết nối lưới điện 110 kV tỉnh Bình Thuận với tổng công suất hơn 1.300 MW.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng hệ thống điện bằng phần mềm PSS/E của hãng PTI (Mỹ), cho phép khảo sát trạng thái ổn định tĩnh và động, mô phỏng các kịch bản biến động bức xạ mặt trời, tốc độ gió, và thử nghiệm tích hợp hệ thống lưu trữ BESS, nhà máy sản xuất H2. Phương pháp chọn mẫu là toàn bộ hệ thống lưới điện 110 kV tỉnh Bình Thuận do đây là khu vực có mật độ NLTT cao nhất, đại diện cho tình hình vận hành NLTT tại Việt Nam.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2021 đến tháng 6/2022, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tính ổn định động của lưới điện 110 kV Bình Thuận bị ảnh hưởng bởi biến động nguồn NLTT: Mô phỏng cho thấy các dao động tần số và điện áp tại các thanh cái 110 kV có thể vượt giới hạn kỹ thuật khi có sự thay đổi đột ngột bức xạ mặt trời hoặc tốc độ gió, đặc biệt trong giờ cao điểm công suất NLTT lớn. Ví dụ, dao động tần số tại các trạm biến áp có thể lên đến ±0,5 Hz, vượt mức cho phép theo Thông tư 25/2016-TT-BCT.

  2. Tỷ lệ cắt giảm công suất NLTT tại Bình Thuận rất cao: Thống kê cho thấy trong năm 2020, sản lượng điện NLTT bị cắt giảm lên đến khoảng 50.000 MWh, và trong tháng 9/2021, mức tiêu thụ điện giảm 23% so với cùng kỳ năm trước, dẫn đến cắt giảm công suất NLTT lên đến 68% vào giờ cao điểm trưa. Điều này làm giảm hiệu quả vận hành và lợi nhuận của các nhà máy.

  3. Ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng BESS và nhà máy sản xuất hydrogen giúp giảm thiểu cắt giảm công suất: Mô phỏng các kịch bản lắp đặt BESS và nhà máy sản xuất H2 cho thấy có thể hấp thụ lượng điện dư thừa, giảm dao động tần số và điện áp, nâng cao tính ổn định hệ thống. Ví dụ, khi tích hợp BESS công suất 50 MW, dao động tần số giảm 30% so với kịch bản không có lưu trữ.

  4. Mô hình nhà máy điện ảo (VPP) có tiềm năng tối ưu hóa vận hành nguồn NLTT phân tán: VPP giúp điều phối các nguồn NLTT và tải linh hoạt, nâng cao khả năng dự báo và cung cấp dịch vụ phụ trợ cho hệ thống điện, từ đó giảm thiểu cắt giảm và tăng hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng tái tạo.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các vấn đề vận hành NLTT là do đặc tính biến động và không kiểm soát được của nguồn NLTT, cùng với hệ thống truyền tải chưa đồng bộ và nhu cầu điện giảm do dịch bệnh. Kết quả mô phỏng cho thấy việc tích hợp các giải pháp lưu trữ năng lượng và nhà máy điện ảo có thể cải thiện đáng kể tính ổn định và hiệu quả vận hành.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, việc ứng dụng BESS và sản xuất hydrogen từ NLTT đã được chứng minh hiệu quả trong nhiều dự án tại Đức, Nhật Bản và Úc. Việt Nam có điều kiện tự nhiên thuận lợi và tiềm năng lớn để phát triển các công nghệ này, tuy nhiên cần có chính sách hỗ trợ và khung pháp lý phù hợp để thúc đẩy ứng dụng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dao động tần số, điện áp tại các trạm biến áp, biểu đồ công suất phát và cắt giảm NLTT theo thời gian, giúp minh họa rõ ràng tác động của các giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống lưu trữ năng lượng BESS quy mô lớn tại các khu vực có mật độ NLTT cao: Động viên đầu tư BESS công suất từ 50 MW trở lên, ưu tiên các tỉnh như Bình Thuận, Ninh Thuận. Thời gian thực hiện trong vòng 3-5 năm, do các đơn vị vận hành lưới điện và nhà đầu tư phối hợp thực hiện.

  2. Phát triển nhà máy sản xuất hydrogen sử dụng nguồn điện NLTT dư thừa: Khuyến khích đầu tư các dự án điện phân nước công suất từ 10 MW trở lên, tận dụng nguồn điện bị cắt giảm để sản xuất hydrogen làm nhiên liệu sạch hoặc nguyên liệu công nghiệp. Lộ trình 5 năm, phối hợp giữa Bộ Công Thương, các doanh nghiệp năng lượng và nghiên cứu khoa học.

  3. Xây dựng và vận hành mô hình nhà máy điện ảo (VPP): Đầu tư phát triển hạ tầng công nghệ thông tin, truyền thông, hệ thống điều khiển và giám sát tập trung các nguồn NLTT phân tán. Thúc đẩy tự do hóa thị trường điện để VPP có thể tham gia thị trường điện cạnh tranh. Thời gian triển khai 2-4 năm, do các đơn vị vận hành lưới điện và nhà quản lý ngành điện chủ trì.

  4. Hoàn thiện khung pháp lý và chính sách hỗ trợ phát triển NLTT và các công nghệ lưu trữ, hydrogen: Ban hành các quy định cho phép kết nối, vận hành và tham gia thị trường của BESS, nhà máy sản xuất hydrogen và VPP. Xây dựng cơ chế giá mua điện, hỗ trợ đầu tư phù hợp. Thời gian thực hiện trong 1-2 năm, do Bộ Công Thương và các cơ quan liên quan đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành năng lượng: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để xây dựng chính sách phát triển NLTT, lưu trữ năng lượng và thị trường điện cạnh tranh.

  2. Các doanh nghiệp đầu tư và vận hành nhà máy điện NLTT: Tham khảo các giải pháp kỹ thuật nhằm tối ưu hóa hiệu quả vận hành, giảm thiểu cắt giảm công suất và nâng cao lợi nhuận.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành quản lý năng lượng, kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo về mô hình mô phỏng lưới điện, công nghệ lưu trữ năng lượng, sản xuất hydrogen và nhà máy điện ảo.

  4. Các đơn vị vận hành hệ thống điện và trung tâm điều độ điện quốc gia: Áp dụng các kết quả nghiên cứu để nâng cao tính ổn định, an toàn và hiệu quả vận hành hệ thống điện có tỷ lệ NLTT cao.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần cải thiện hiệu quả vận hành điện năng lượng tái tạo?
    Việc phát triển NLTT nhanh chóng dẫn đến quá tải cục bộ và cắt giảm công suất do hệ thống truyền tải chưa đồng bộ và biến động phụ tải. Cải thiện hiệu quả giúp giảm lãng phí năng lượng và tăng lợi ích kinh tế.

  2. Hệ thống lưu trữ năng lượng BESS có vai trò gì trong vận hành NLTT?
    BESS giúp lưu trữ điện dư thừa khi công suất NLTT cao và cung cấp điện khi nhu cầu tăng, giảm dao động tần số, điện áp, nâng cao tính ổn định hệ thống.

  3. Nhà máy sản xuất hydrogen từ NLTT có lợi ích gì?
    Hydrogen là nhiên liệu sạch, có thể lưu trữ lâu dài và sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Sản xuất hydrogen từ NLTT giúp tận dụng điện dư thừa, giảm cắt giảm công suất và hỗ trợ chuyển dịch năng lượng xanh.

  4. Nhà máy điện ảo (VPP) hoạt động như thế nào?
    VPP tập hợp các nguồn điện phân tán và tải linh hoạt thành một đơn vị điều khiển tập trung, giúp tối ưu hóa vận hành, dự báo sản lượng và tham gia thị trường điện hiệu quả.

  5. Việt Nam cần làm gì để phát triển các giải pháp này?
    Cần hoàn thiện khung pháp lý, chính sách hỗ trợ, đầu tư hạ tầng công nghệ thông tin và truyền thông, thúc đẩy tự do hóa thị trường điện để các giải pháp lưu trữ, hydrogen và VPP phát huy hiệu quả.

Kết luận

  • Việt Nam có tiềm năng lớn phát triển điện năng lượng tái tạo, nhưng gặp thách thức về vận hành do biến động nguồn và hệ thống truyền tải chưa đồng bộ.
  • Tỷ lệ cắt giảm công suất NLTT tại các khu vực như Bình Thuận lên đến 68% vào giờ cao điểm, gây lãng phí tài nguyên và giảm hiệu quả kinh tế.
  • Giải pháp kỹ thuật như hệ thống lưu trữ năng lượng BESS, nhà máy sản xuất hydrogen và mô hình nhà máy điện ảo (VPP) được chứng minh có khả năng cải thiện hiệu quả vận hành và tính ổn định hệ thống.
  • Cần có chính sách hỗ trợ, khung pháp lý phù hợp và đầu tư hạ tầng để thúc đẩy ứng dụng các công nghệ này tại Việt Nam trong vòng 3-5 năm tới.
  • Mời các nhà quản lý, doanh nghiệp và nhà nghiên cứu cùng phối hợp triển khai các giải pháp nhằm phát triển bền vững ngành năng lượng tái tạo, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế quốc gia.