Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo toàn cầu, năng lượng mặt trời đã trở thành nguồn điện quan trọng với tốc độ tăng trưởng nhanh chóng. Tính đến năm 2015, công suất điện mặt trời toàn cầu đạt 227 GW, tăng 44,5 lần so với năm 2005. Tại Việt Nam, mặc dù công suất lắp đặt điện mặt trời đến cuối năm 2015 chỉ khoảng 6 MW, chủ yếu ở quy mô nhỏ, nhưng trong những năm gần đây, nhiều dự án điện mặt trời quy mô lớn đã được xúc tiến đầu tư. Tỉnh Bình Định, với tiềm năng bức xạ mặt trời trung bình hàng năm khoảng 1.911 kWh/m², có điều kiện thuận lợi để phát triển nguồn năng lượng này.

Luận văn tập trung đánh giá ảnh hưởng của Nhà máy điện năng lượng mặt trời Fujiwara (công suất 50 MWp) đến lưới điện 110kV khu vực Bình Định. Mục tiêu nghiên cứu là phân tích tác động của nhà máy đến tổn thất điện năng, chất lượng điện áp, khả năng mang tải của các đường dây và sự ổn định động của hệ thống điện khi vận hành có sự tham gia của nguồn điện mặt trời. Phạm vi nghiên cứu bao gồm đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật như điện áp, công suất truyền tải, tổn thất công suất, cũng như phân tích dao động ổn định khi xảy ra sự cố ngắn mạch và biến động thời tiết.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ quản lý, vận hành và quy hoạch hệ thống điện khu vực Bình Định, góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo bền vững, đồng thời giảm thiểu các tác động tiêu cực đến lưới điện phân phối.

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 nguồn điện phân tán (Distributed Generation - DG) và ảnh hưởng của nguồn điện mặt trời đến lưới điện phân phối. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết về ảnh hưởng kỹ thuật của nguồn điện phân tán đến lưới điện phân phối: Bao gồm các khái niệm về tổn thất công suất, dao động điện áp, khả năng mang tải của đường dây, và ảnh hưởng đến hệ thống bảo vệ. Lý thuyết này giúp phân tích các tác động tích cực và tiêu cực khi nguồn điện mặt trời được đấu nối vào lưới điện.

  2. Lý thuyết ổn định hệ thống điện: Tập trung vào ổn định điện áp và ổn định động của hệ thống điện khi có sự thay đổi đột ngột như sự cố ngắn mạch hoặc biến động công suất do thời tiết. Khái niệm ổn định điện áp được định nghĩa là khả năng duy trì điện áp trong phạm vi cho phép tại các nút lưới điện.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: công suất tác dụng và phản kháng, tổn thất công suất, dao động điện áp, dòng ngắn mạch, hệ thống bảo vệ rơ-le, và các tiêu chuẩn kỹ thuật đấu nối nguồn điện phân tán.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực tế về hệ thống điện tỉnh Bình Định, bao gồm thông số kỹ thuật các trạm biến áp 110kV, đường dây truyền tải, và trạng thái vận hành năm 2018. Dữ liệu về nhà máy điện mặt trời Fujiwara được thu thập chi tiết, gồm thông số tấm pin mặt trời (300 Wp, hiệu suất > 15%), sơ đồ đấu nối, và công suất lắp đặt 50 MWp.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng hệ thống điện bằng phần mềm PSS/E 33.4, mô phỏng lưới điện khu vực Bình Định trong các chế độ vận hành khác nhau, đặc biệt tại thời điểm phụ tải tối đa. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm toàn bộ lưới điện 110kV tỉnh Bình Định với 13 trạm biến áp và 34 tuyến đường dây.

Quy trình nghiên cứu gồm:

  • Xây dựng mô hình hệ thống điện khu vực Bình Định với và không có sự tham gia của nhà máy điện mặt trời Fujiwara.
  • Mô phỏng trào lưu công suất, điện áp tại các nút, tổn thất công suất trên đường dây.
  • Phân tích dao động ổn định động khi xảy ra sự cố ngắn mạch và biến động công suất do thời tiết.
  • So sánh kết quả để đánh giá ảnh hưởng của nhà máy điện mặt trời đến các chỉ tiêu kỹ thuật của lưới điện.

Thời gian nghiên cứu tập trung vào dữ liệu năm 2018 và dự báo phụ tải đến năm 2030, nhằm đảm bảo tính thực tiễn và khả năng ứng dụng lâu dài.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng đến khả năng mang tải của đường dây: Kết quả mô phỏng cho thấy khi có nhà máy điện mặt trời Fujiwara, dòng điện trên một số tuyến đường dây 110kV giảm trung bình khoảng 10-15% so với khi chưa có nhà máy, nhờ nguồn điện phân tán cung cấp tại chỗ. Tuy nhiên, một số đoạn đường dây gần điểm đấu nối có thể chịu dòng điện tăng nhẹ, tiềm ẩn nguy cơ quá tải cục bộ.

  2. Tổn thất công suất trên lưới điện: Tổn thất công suất tác dụng trên các đường dây giảm khoảng 8% khi nhà máy điện mặt trời tham gia vận hành, góp phần nâng cao hiệu quả truyền tải. Tổn thất công suất phản kháng cũng được kiểm soát trong giới hạn cho phép nhờ khả năng điều chỉnh công suất phản kháng của nhà máy.

  3. Chất lượng điện áp: Điện áp tại các nút lưới 110kV được duy trì ổn định trong dải ±5% điện áp danh định khi có nhà máy điện mặt trời. Tuy nhiên, dao động điện áp tại một số nút gần nhà máy có thể tăng lên đến 3%, vẫn nằm trong giới hạn tiêu chuẩn IEC. Các dao động này chủ yếu do biến động công suất phát của nhà máy khi thời tiết thay đổi.

  4. Ổn định động khi xảy ra sự cố: Mô phỏng sự cố ngắn mạch cho thấy hệ thống vẫn duy trì ổn định điện áp và tần số trong thời gian quy định (tối thiểu 30 phút ở dải tần số 48-49 Hz). Nhà máy điện mặt trời Fujiwara có khả năng duy trì vận hành trong các dải tần số và điện áp quy định, không gây mất ổn định hệ thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm tổn thất và cải thiện khả năng mang tải là do nguồn điện mặt trời cung cấp công suất tại chỗ, giảm tải cho các đường dây truyền tải dài. Tuy nhiên, sự gia tăng dòng điện cục bộ gần điểm đấu nối đòi hỏi phải có quy hoạch và điều chỉnh phù hợp để tránh quá tải.

So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này phù hợp với xu hướng chung về ảnh hưởng tích cực của nguồn điện phân tán đến hiệu quả vận hành lưới điện, đồng thời nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát dao động điện áp và ổn định động.

Việc duy trì chất lượng điện áp trong giới hạn cho phép chứng tỏ nhà máy điện mặt trời Fujiwara được thiết kế và vận hành theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành, bao gồm khả năng điều chỉnh công suất phản kháng và đáp ứng tần số linh hoạt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh dòng điện và tổn thất công suất trên các tuyến đường dây trước và sau khi có nhà máy, cũng như biểu đồ dao động điện áp tại các nút quan trọng trong lưới điện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường quy hoạch và giám sát lưới điện phân phối: Đơn vị quản lý lưới điện cần cập nhật quy hoạch lưới điện trung áp và cao áp, tính toán khả năng mang tải và dòng ngắn mạch khi có nguồn điện mặt trời tham gia. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: Công ty Điện lực tỉnh Bình Định.

  2. Lắp đặt thiết bị điều chỉnh điện áp tự động: Đề xuất lắp đặt các thiết bị D-FACTS như SVC hoặc STATCOM tại các nút trọng điểm để ổn định điện áp, giảm dao động do biến động công suất nguồn điện mặt trời. Thời gian: 2-3 năm; Chủ thể: Nhà đầu tư và đơn vị vận hành lưới điện.

  3. Cải tiến hệ thống bảo vệ và điều khiển: Cập nhật và hiệu chỉnh hệ thống bảo vệ rơ-le để đảm bảo phối hợp bảo vệ chính xác, tránh tác động sai do dòng ngắn mạch tăng khi đấu nối nguồn phân tán. Thời gian: 1 năm; Chủ thể: Đơn vị quản lý lưới điện và nhà máy điện.

  4. Phát triển hệ thống thông tin và giám sát trực tuyến: Lắp đặt hệ thống giám sát và truyền dữ liệu thời gian thực giữa nhà máy điện mặt trời và đơn vị điều độ để kịp thời điều chỉnh công suất và xử lý sự cố. Thời gian: 1 năm; Chủ thể: Nhà máy điện và đơn vị điều độ hệ thống điện.

  5. Nâng cao năng lực vận hành và đào tạo nhân sự: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành lưới điện có nguồn điện phân tán cho cán bộ kỹ thuật và điều độ viên. Thời gian: liên tục; Chủ thể: Trường Đại học Quy Nhơn và Công ty Điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo, quy hoạch lưới điện phù hợp với xu hướng phát triển nguồn điện mặt trời.

  2. Đơn vị vận hành và quản lý lưới điện: Giúp hiểu rõ ảnh hưởng kỹ thuật của nguồn điện mặt trời đến lưới điện phân phối, từ đó có giải pháp vận hành, bảo trì và nâng cấp hệ thống hiệu quả.

  3. Nhà đầu tư và chủ đầu tư dự án điện mặt trời: Cung cấp thông tin về các yêu cầu kỹ thuật đấu nối, ảnh hưởng đến lưới điện và các giải pháp giảm thiểu rủi ro khi triển khai dự án.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Là tài liệu tham khảo thực tiễn, giúp nâng cao kiến thức chuyên môn về mô phỏng, đánh giá và vận hành hệ thống điện có nguồn điện phân tán.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nhà máy điện mặt trời Fujiwara có ảnh hưởng như thế nào đến tổn thất điện năng của lưới điện Bình Định?
    Kết quả mô phỏng cho thấy tổn thất công suất tác dụng giảm khoảng 8% khi nhà máy tham gia vận hành, nhờ cung cấp công suất tại chỗ, giảm tải cho các đường dây truyền tải dài.

  2. Điện áp trên lưới điện có bị dao động lớn khi có nguồn điện mặt trời không?
    Dao động điện áp tại các nút gần nhà máy tăng lên khoảng 3%, nhưng vẫn nằm trong giới hạn tiêu chuẩn IEC, đảm bảo chất lượng điện áp ổn định cho hệ thống.

  3. Nhà máy điện mặt trời có gây quá tải cục bộ cho lưới điện không?
    Một số đoạn đường dây gần điểm đấu nối có thể chịu dòng điện tăng nhẹ, tiềm ẩn nguy cơ quá tải cục bộ, do đó cần quy hoạch và điều chỉnh phù hợp để tránh sự cố.

  4. Hệ thống điện có ổn định khi xảy ra sự cố ngắn mạch với sự tham gia của nhà máy điện mặt trời?
    Mô phỏng cho thấy hệ thống duy trì ổn định điện áp và tần số trong thời gian quy định, nhà máy có khả năng vận hành liên tục trong các dải tần số và điện áp cho phép.

  5. Giải pháp nào được đề xuất để giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của nguồn điện mặt trời đến lưới điện?
    Các giải pháp gồm tăng cường quy hoạch lưới điện, lắp đặt thiết bị điều chỉnh điện áp tự động, cải tiến hệ thống bảo vệ, phát triển hệ thống giám sát trực tuyến và đào tạo nhân sự vận hành.

Kết luận

  • Nhà máy điện mặt trời Fujiwara Bình Định có ảnh hưởng tích cực đến giảm tổn thất công suất và cải thiện khả năng mang tải của lưới điện 110kV khu vực.
  • Chất lượng điện áp được duy trì ổn định trong giới hạn cho phép, tuy có dao động nhẹ tại các nút gần nhà máy.
  • Hệ thống điện duy trì ổn định động khi xảy ra sự cố ngắn mạch và biến động công suất do thời tiết.
  • Cần có các giải pháp kỹ thuật và quản lý để kiểm soát các ảnh hưởng cục bộ và đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc quy hoạch, vận hành và phát triển nguồn điện mặt trời tại Bình Định và các khu vực tương tự.

Tiếp theo, cần triển khai các giải pháp đề xuất trong vòng 1-3 năm và tiếp tục theo dõi, đánh giá ảnh hưởng trong thực tế vận hành. Các đơn vị liên quan được khuyến nghị áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả quản lý và phát triển năng lượng tái tạo bền vững.