Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu tiềm năng năng lượng mặt trời rất lớn, đặc biệt tại các khu vực miền Trung và miền Nam với cường độ bức xạ trung bình khoảng 5 kWh/m²/ngày và số ngày nắng trung bình lên đến 300 ngày/năm. Tính đến năm 2020, tổng công suất lắp đặt điện mặt trời đã vượt 16,6 GW, chiếm khoảng 24% tổng công suất lắp đặt của lưới điện quốc gia. Theo dự thảo Quy hoạch Năng lượng Việt Nam (PDP) VIII, đến năm 2030, công suất điện mặt trời dự kiến đạt 18,6 GW, chiếm khoảng 30% tổng công suất lắp đặt kết nối vào lưới điện. Sự phát triển nhanh chóng này đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật cho lưới điện phân phối, đặc biệt là về khả năng thích ứng với mức độ thâm nhập ngày càng cao của nguồn điện mặt trời phân tán.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của mức độ thâm nhập nguồn điện mặt trời lên lưới điện phân phối tại huyện Gia Lâm, Hà Nội, trong giai đoạn nghiên cứu năm 2023. Mục tiêu chính là đánh giá tác động của nguồn điện mặt trời đến trào lưu công suất, phân bố điện áp, tổn thất công suất và dòng điện ngắn mạch trên xuất tuyến trung áp 483E1.38. Nghiên cứu nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quy hoạch, thiết kế và vận hành lưới điện phân phối trong bối cảnh nguồn điện mặt trời ngày càng phổ biến, đồng thời đề xuất các giải pháp kỹ thuật nâng cao độ ổn định và hiệu quả vận hành lưới điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về hệ thống điện phân phối tích hợp nguồn điện mặt trời, bao gồm:

  • Lý thuyết trào lưu công suất (Load Flow): Phân tích sự phân bố điện áp, dòng điện và công suất trên lưới điện trong điều kiện có và không có nguồn điện mặt trời phân tán.
  • Mô hình quá độ điện từ (Electromagnetic Transient Program - EMTP-RV): Mô phỏng các hiện tượng quá độ, dao động điện áp, dòng điện ngắn mạch và các tác động động của nguồn điện mặt trời lên lưới điện.
  • Khái niệm về chất lượng điện năng: Bao gồm các chỉ tiêu như biến dạng sóng hài, nhấp nháy điện áp, dao động điện áp, tần số và ổn định động điện áp.
  • Mô hình điều khiển công suất phản kháng và bộ biến tần thông minh: Giúp kiểm soát điện áp và cải thiện chất lượng điện năng trong hệ thống có nguồn điện mặt trời.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp dữ liệu thực tế từ Công ty Điện lực Gia Lâm, kết hợp với mô phỏng trên phần mềm EMTP-RV để đánh giá ảnh hưởng của các kịch bản mức độ thâm nhập nguồn điện mặt trời khác nhau. Cỡ mẫu nghiên cứu là xuất tuyến trung áp 483E1.38 với các kịch bản công suất PV từ 0 đến 30 MVA, vị trí đặt nguồn mặt trời được phân bố ở đầu, giữa và cuối xuất tuyến.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn xuất tuyến tiêu biểu có đặc điểm tải và cấu trúc lưới điển hình của huyện Gia Lâm. Phân tích dữ liệu bao gồm đánh giá trào lưu công suất, phân bố điện áp, tổn thất công suất và dòng điện ngắn mạch qua các kịch bản mô phỏng. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2023, bao gồm thu thập số liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng đến phân bố điện áp:
    Mức độ thâm nhập PV tăng dẫn đến hiện tượng quá áp tại các điểm đấu nối, đặc biệt khi công suất PV đạt 10 MVA trở lên. Ví dụ, trong kịch bản 8 với 30 MVA PV đặt giữa xuất tuyến, mức điện áp tại một số điểm vượt ngưỡng cho phép ±10% điện áp danh định, gây nguy cơ ảnh hưởng đến thiết bị và phụ tải. So sánh với kịch bản cơ sở (0 MVA PV), điện áp trung bình tăng khoảng 5-7%.

  2. Tổn thất công suất trên lưới:
    Tổn thất công suất tác dụng giảm khi có sự tham gia của nguồn điện mặt trời do giảm dòng tải từ nguồn chính. Tuy nhiên, khi mức độ thâm nhập PV vượt quá 12,5 MVA, tổn thất bắt đầu tăng nhẹ do hiện tượng trào lưu công suất ngược và dao động dòng điện. Cụ thể, tổn thất giảm khoảng 8% ở mức 7,5 MVA PV nhưng tăng trở lại khoảng 3% khi PV đạt 30 MVA.

  3. Dòng điện ngắn mạch:
    Dòng ngắn mạch 3 pha tăng theo mức độ thâm nhập PV, làm thay đổi đặc tính bảo vệ lưới. Ví dụ, dòng ngắn mạch pha A tăng từ 6,06 kA (không có PV) lên 7,39 kA khi PV đạt 7,986 MVA. Điều này ảnh hưởng đến độ nhạy và tính chọn lọc của rơle bảo vệ, đòi hỏi điều chỉnh lại các thiết bị bảo vệ.

  4. Ảnh hưởng vị trí đặt nguồn PV:
    Vị trí đặt nguồn PV giữa xuất tuyến gây ảnh hưởng lớn nhất đến điện áp và dòng ngắn mạch, trong khi đặt ở đầu hoặc cuối xuất tuyến có tác động ít hơn nhưng vẫn cần được kiểm soát chặt chẽ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các hiện tượng trên là do nguồn điện mặt trời tạo ra công suất tác dụng tại các điểm đấu nối, làm thay đổi hướng dòng công suất truyền thống và gây ra hiện tượng trào lưu công suất ngược. Sự tăng điện áp tại các điểm đấu nối là do công suất PV vượt quá nhu cầu tiêu thụ tại chỗ, dẫn đến dòng điện chạy ngược về nguồn chính.

So với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả mô phỏng tại Gia Lâm tương đồng với các báo cáo về ảnh hưởng của PV đến điện áp và dòng ngắn mạch. Tuy nhiên, mức độ ảnh hưởng cụ thể phụ thuộc vào cấu trúc lưới, đặc điểm tải và vị trí đặt nguồn PV. Việc sử dụng phần mềm EMTP-RV cho phép mô phỏng chi tiết các hiện tượng quá độ và dao động, giúp đánh giá chính xác hơn so với các phương pháp truyền thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố điện áp theo vị trí trên xuất tuyến, bảng so sánh tổn thất công suất và dòng ngắn mạch theo từng kịch bản PV, giúp minh họa rõ ràng tác động của mức độ thâm nhập nguồn điện mặt trời.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Kiểm soát mức độ thâm nhập PV:
    Đề xuất giới hạn mức độ thâm nhập tối đa khoảng 12,5 MVA trên xuất tuyến 483E1.38 để đảm bảo điện áp và dòng ngắn mạch trong giới hạn an toàn. Chủ thể thực hiện: Công ty Điện lực Gia Lâm, trong vòng 1 năm.

  2. Tối ưu vị trí đặt nguồn PV:
    Ưu tiên đặt nguồn PV ở các vị trí đầu hoặc cuối xuất tuyến để giảm thiểu ảnh hưởng đến điện áp và dòng ngắn mạch. Chủ thể thực hiện: Nhà đầu tư và đơn vị quy hoạch điện, trong kế hoạch phát triển 3 năm tới.

  3. Ứng dụng bộ điều áp dưới tải (OLTC) và biến tần thông minh:
    Triển khai các thiết bị OLTC phối hợp với biến tần thông minh để điều chỉnh điện áp và công suất phản kháng, giảm dao động điện áp và tăng độ ổn định lưới. Chủ thể thực hiện: Công ty Điện lực Gia Lâm và nhà cung cấp thiết bị, trong 2 năm tới.

  4. Phát triển hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS):
    Khuyến khích tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng để cân bằng cung cầu, giảm trào lưu công suất ngược và ổn định điện áp. Chủ thể thực hiện: Nhà đầu tư, chính sách hỗ trợ từ Bộ Công Thương, trong 3-5 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và quy hoạch điện:
    Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy hoạch phát triển nguồn điện mặt trời phù hợp với đặc điểm lưới điện phân phối.

  2. Công ty Điện lực và đơn vị vận hành lưới điện:
    Áp dụng các giải pháp kỹ thuật và khuyến nghị để nâng cao hiệu quả vận hành, đảm bảo chất lượng điện năng và an toàn hệ thống.

  3. Nhà đầu tư và phát triển dự án năng lượng mặt trời:
    Tham khảo để lựa chọn vị trí, công suất phù hợp, giảm thiểu rủi ro kỹ thuật và tối ưu hóa hiệu quả đầu tư.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện:
    Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về mô hình mô phỏng, phân tích ảnh hưởng của nguồn điện mặt trời trên lưới điện phân phối.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mức độ thâm nhập PV tối đa trên xuất tuyến là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy mức độ thâm nhập tối đa khoảng 12,5 MVA để đảm bảo điện áp và dòng ngắn mạch trong giới hạn an toàn, tránh quá áp và ảnh hưởng đến bảo vệ lưới.

  2. Vị trí đặt nguồn PV ảnh hưởng thế nào đến lưới điện?
    Vị trí đặt giữa xuất tuyến gây ảnh hưởng lớn nhất đến điện áp và dòng ngắn mạch, trong khi đặt ở đầu hoặc cuối xuất tuyến có tác động ít hơn nhưng vẫn cần kiểm soát.

  3. Các thiết bị nào giúp ổn định điện áp khi có PV?
    Bộ điều áp dưới tải (OLTC), biến tần thông minh và hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) là các thiết bị hiệu quả giúp điều chỉnh điện áp và công suất phản kháng, giảm dao động điện áp.

  4. Tổn thất công suất thay đổi ra sao khi có PV?
    Tổn thất công suất giảm khi PV tham gia ở mức thấp do giảm dòng tải từ nguồn chính, nhưng có thể tăng nhẹ khi mức thâm nhập PV cao do trào lưu công suất ngược và dao động dòng điện.

  5. Nghiên cứu sử dụng phần mềm nào để mô phỏng?
    Phần mềm EMTP-RV được sử dụng để mô phỏng các hiện tượng quá độ, trào lưu công suất, dao động điện áp và dòng ngắn mạch trên lưới điện phân phối có nguồn PV.

Kết luận

  • Việt Nam có tiềm năng năng lượng mặt trời lớn với cường độ bức xạ trung bình 4-5 kWh/m²/ngày, đặc biệt tại miền Trung và miền Nam.
  • Mức độ thâm nhập nguồn điện mặt trời trên xuất tuyến 483E1.38 ảnh hưởng rõ rệt đến phân bố điện áp, tổn thất công suất và dòng điện ngắn mạch.
  • Giới hạn thâm nhập tối đa khoảng 12,5 MVA để đảm bảo vận hành ổn định và an toàn cho lưới điện phân phối.
  • Các giải pháp kỹ thuật như OLTC, biến tần thông minh và hệ thống lưu trữ năng lượng được đề xuất nhằm nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy lưới.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quy hoạch, thiết kế và vận hành lưới điện trong bối cảnh phát triển mạnh nguồn điện mặt trời phân tán.

Next steps: Triển khai các giải pháp kỹ thuật đề xuất, mở rộng nghiên cứu cho các xuất tuyến khác và cập nhật mô hình theo dữ liệu thực tế vận hành.

Call to action: Các đơn vị quản lý, vận hành và đầu tư cần phối hợp chặt chẽ để áp dụng kết quả nghiên cứu, đảm bảo phát triển bền vững nguồn điện mặt trời tại Việt Nam.