Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá ngày càng cạn kiệt và biến đổi khí hậu diễn biến phức tạp, việc phát triển năng lượng tái tạo trở thành ưu tiên cấp thiết. Tại Việt Nam, đặc biệt là tỉnh Bình Định, tiềm năng phát triển điện mặt trời áp mái nối lưới rất lớn với lượng bức xạ trung bình khoảng 5,3 kWh/m²/ngày, cao hơn mức bình quân cả nước. Tính đến tháng 3 năm 2020, trên địa bàn tỉnh đã có 565 khách hàng lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái với tổng công suất 3.638,52 kWp, sản lượng phát lên lưới ước đạt khoảng 1.000 MWh.

Luận văn tập trung nghiên cứu hiệu quả sử dụng hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới trên địa bàn tỉnh Bình Định, nhằm đánh giá tác động đến chủ đầu tư, ngành điện và lưới điện phân phối. Mục tiêu cụ thể là phân tích hiệu quả kinh tế cho chủ đầu tư qua việc giảm sản lượng điện tiêu thụ và chi phí tiền điện bậc thang, đồng thời đánh giá ảnh hưởng đến tổn thất điện năng, độ tin cậy cung cấp điện và suất đầu tư của Công ty Điện lực Bình Định. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các hệ thống điện mặt trời áp mái có công suất từ 3 kWp đến dưới 1 MW, đấu nối vào lưới điện phân phối cấp điện áp từ 0,4 kV đến 22 kV trên địa bàn các huyện, thành phố Quy Nhơn, An Nhơn, Phù Cát.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc vận hành tối ưu lưới điện phân phối khi có sự tham gia của các hệ thống điện mặt trời áp mái, đồng thời hỗ trợ chủ đầu tư và ngành điện trong việc hoạch định chính sách phát triển năng lượng tái tạo bền vững, góp phần giảm phát thải khí nhà kính và bảo vệ môi trường.

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 mặt trời áp mái nối lưới, bao gồm:

  • Nguyên lý chuyển đổi năng lượng quang điện: Tấm pin năng lượng mặt trời (PV) chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện một chiều (DC), sau đó bộ biến tần (inverter) chuyển đổi thành điện xoay chiều (AC) hòa lưới.
  • Mô hình ảnh hưởng của hệ thống điện mặt trời đến lưới điện phân phối: Đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật như tần số, điện áp, cân bằng pha, sóng hài, tổn thất điện năng, độ tin cậy cung cấp điện và các tác động về trào lưu công suất đảo ngược, quá điện áp, dao động tần số.
  • Tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định pháp lý: Áp dụng Luật Điện lực, Nghị định 137/2013/NĐ-CP, Thông tư 39/2015/TT-BCT và các tiêu chuẩn quốc tế như IEEE 929-2000 về yêu cầu kỹ thuật và an toàn cho hệ thống điện mặt trời nối lưới.

Các khái niệm chính được sử dụng gồm: công suất lắp đặt (kWp), công suất phản kháng (kVAr), hệ số công suất (cosφ), tổn thất điện năng, độ méo hài sóng (THD), trào lưu công suất đảo ngược, độ tin cậy cung cấp điện (SAIDI, SAIFI).

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và phân tích số liệu thực tế thu thập từ các hệ thống điện mặt trời áp mái trên địa bàn tỉnh Bình Định.

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu sản lượng điện, công suất lắp đặt, tiền điện, thông số kỹ thuật thiết bị được thu thập từ chương trình CMIS của Tổng công ty Điện lực miền Trung, các công tơ điện tử đo đếm hai chiều, báo cáo vận hành của Công ty Điện lực Bình Định và các khách hàng tiêu biểu.
  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên ngành PSS/E để đánh giá ảnh hưởng của hệ thống điện mặt trời đến lưới điện trung thế và phân phối; phân tích thống kê số liệu thực tế về sản lượng điện, chi phí tiền điện, tổn thất điện năng; so sánh hiệu quả kinh tế và kỹ thuật giữa các vị trí lắp đặt khác nhau.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Nghiên cứu tập trung vào 565 khách hàng lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái với công suất từ 3 kWp đến gần 1 MW, trong đó có 5 khách hàng có công suất trên 500 kWp được xem xét chi tiết về ảnh hưởng đến lưới điện trung thế.
  • Timeline nghiên cứu: Thu thập và phân tích số liệu từ năm 2018 đến năm 2020, với các phép đo sản lượng điện và tiền điện được ghi nhận theo tháng và theo quý để đánh giá xu hướng và hiệu quả sử dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả kinh tế cho chủ đầu tư: Các hệ thống điện mặt trời áp mái tại thành phố Quy Nhơn và các huyện lân cận giúp giảm trung bình 30-40% sản lượng điện tiêu thụ từ lưới điện, tương ứng giảm chi phí tiền điện bậc thang từ 25% đến 35%. Ví dụ, khách hàng Lê Ngọc Anh giảm tiền điện thanh toán 6 tháng đầu năm 2020 so với cùng kỳ năm trước khoảng 32%.

  2. Ảnh hưởng đến lưới điện phân phối: Tỷ lệ khách hàng lắp đặt dưới 10 kWp chiếm hơn 88% tổng số khách hàng, với công suất nhỏ và phân bố rải rác nên ảnh hưởng đến lưới điện phân phối là không đáng kể. Tuy nhiên, các hệ thống có công suất lớn trên 500 kWp (5 khách hàng) gây ra hiện tượng trào lưu công suất đảo ngược, làm tăng tổn thất điện năng từ 3,9% lên khoảng 4,5% khi công suất điện mặt trời chiếm trên 10% công suất lưới.

  3. Tác động kỹ thuật đến lưới điện trung thế: Dao động công suất do biến đổi bức xạ mặt trời và nhiệt độ gây ra sự thay đổi tần số và điện áp đột ngột, làm tăng yêu cầu điều chỉnh tần số lên 2-4% khi tỷ lệ điện mặt trời chiếm 10-30% công suất phát toàn hệ thống. Điều này đòi hỏi lưới điện phải có nguồn dự phòng nhanh và hệ thống điều khiển điện áp linh hoạt.

  4. Yêu cầu cải thiện hệ số công suất: Do biến tần thường vận hành ở hệ số công suất bằng 1 để tối đa hóa sản lượng điện, công suất phản kháng vẫn phải được cung cấp bởi trạm biến áp nguồn, làm giảm hiệu suất máy biến áp và tăng tổn thất. Ví dụ tại Công ty Mỹ Nghệ Bình Định, hệ số công suất giảm xuống dưới 0,9, buộc chủ đầu tư phải lắp đặt thêm tụ bù với dung lượng khoảng 15 kVAr để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới mang lại lợi ích kinh tế rõ rệt cho chủ đầu tư thông qua giảm chi phí tiền điện và tăng tính chủ động trong sử dụng năng lượng. Tuy nhiên, khi tỷ lệ thâm nhập điện mặt trời tăng cao, các tác động kỹ thuật đến lưới điện phân phối và trung thế trở nên đáng kể, đặc biệt là hiện tượng trào lưu công suất đảo ngược và dao động tần số, điện áp.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, mức tăng yêu cầu điều chỉnh tần số và tổn thất điện năng tương tự được ghi nhận tại Nhật Bản và các nước châu Âu khi tỷ lệ điện mặt trời vượt 10%. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng PSS/E giúp minh họa rõ ràng các biến động công suất và điện áp qua biểu đồ dao động, hỗ trợ đánh giá chính xác hơn các giải pháp vận hành.

Ngoài ra, việc cải thiện hệ số công suất bằng cách lắp đặt tụ bù hoặc sử dụng biến tần có khả năng điều chỉnh công suất phản kháng là cần thiết để giảm tổn thất và nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện. Điều này cũng phù hợp với các quy định kỹ thuật hiện hành của Bộ Công Thương và EVN.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát và điều khiển lưới điện phân phối: Áp dụng hệ thống SCADA và phần mềm mô phỏng để theo dõi biến động công suất và điện áp, từ đó điều chỉnh kịp thời nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của dao động công suất điện mặt trời. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: Công ty Điện lực Bình Định.

  2. Khuyến khích lắp đặt thiết bị điều chỉnh công suất phản kháng: Chủ đầu tư hệ thống điện mặt trời áp mái nên được hướng dẫn và hỗ trợ lắp đặt tụ bù hoặc biến tần có chức năng điều chỉnh công suất phản kháng để đảm bảo hệ số công suất ≥ 0,9, giảm tổn thất và tăng tuổi thọ thiết bị. Thời gian: 6-12 tháng; Chủ thể: Chủ đầu tư, nhà cung cấp thiết bị.

  3. Xây dựng quy hoạch phân bố hệ thống điện mặt trời hợp lý: Phân bổ các hệ thống điện mặt trời trên diện tích rộng, tránh tập trung quá nhiều hệ thống công suất lớn tại một khu vực để giảm dao động công suất đồng bộ và yêu cầu điều chỉnh tần số. Thời gian: 1 năm; Chủ thể: Sở Công Thương, Công ty Điện lực.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành cho cán bộ điện lực: Tổ chức các khóa đào tạo về vận hành lưới điện có hệ thống điện mặt trời áp mái, sử dụng phần mềm mô phỏng và công nghệ mới để nâng cao hiệu quả quản lý và xử lý sự cố. Thời gian: liên tục; Chủ thể: Công ty Điện lực, Trường Đại học Quy Nhơn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chủ đầu tư hệ thống điện mặt trời áp mái: Nhận biết hiệu quả kinh tế, kỹ thuật và các yêu cầu vận hành để tối ưu hóa đầu tư và khai thác hệ thống.

  2. Cán bộ kỹ thuật và quản lý ngành điện: Hiểu rõ tác động của điện mặt trời áp mái đến lưới điện phân phối và trung thế, từ đó xây dựng kế hoạch vận hành và phát triển lưới điện phù hợp.

  3. Nhà hoạch định chính sách năng lượng và môi trường: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách khuyến khích phát triển năng lượng tái tạo bền vững, giảm phát thải khí nhà kính.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Tài liệu tham khảo thực tiễn về ứng dụng công nghệ điện mặt trời, mô hình phân tích và đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới là gì?
    Là hệ thống sử dụng tấm pin quang điện lắp trên mái nhà, chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện một chiều, sau đó biến tần chuyển thành điện xoay chiều hòa vào lưới điện phân phối. Ví dụ tại Bình Định, công suất lắp đặt phổ biến từ 3 kWp đến gần 1 MW.

  2. Lợi ích kinh tế khi lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái?
    Giúp giảm từ 25% đến 40% chi phí tiền điện nhờ giảm sản lượng điện mua từ lưới, đồng thời giảm tiền điện bậc thang. Khách hàng tại Quy Nhơn đã ghi nhận tiết kiệm tiền điện lên đến 32% trong 6 tháng đầu năm 2020.

  3. Ảnh hưởng của hệ thống điện mặt trời đến lưới điện phân phối như thế nào?
    Ở mức độ thâm nhập thấp, ảnh hưởng không đáng kể. Tuy nhiên, khi công suất điện mặt trời chiếm trên 10% công suất lưới, có thể gây hiện tượng trào lưu công suất đảo ngược, tăng tổn thất điện năng và dao động điện áp, tần số.

  4. Làm thế nào để giảm thiểu tác động tiêu cực của điện mặt trời áp mái đến lưới điện?
    Khuyến khích lắp đặt thiết bị điều chỉnh công suất phản kháng, phân bố hệ thống hợp lý, tăng cường giám sát và điều khiển lưới điện, đồng thời nâng cao năng lực vận hành cho cán bộ kỹ thuật.

  5. Phạm vi nghiên cứu của luận văn này là gì?
    Tập trung nghiên cứu các hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới trên địa bàn tỉnh Bình Định, công suất từ 3 kWp đến dưới 1 MW, đấu nối vào lưới điện phân phối cấp điện áp từ 0,4 kV đến 22 kV, với dữ liệu thu thập từ năm 2018 đến 2020.

Kết luận

  • Hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới tại Bình Định có tiềm năng phát triển lớn với lượng bức xạ trung bình 5,3 kWh/m²/ngày và hơn 565 khách hàng đã lắp đặt với tổng công suất 3.638,52 kWp.
  • Hiệu quả kinh tế rõ rệt cho chủ đầu tư qua giảm 30-40% sản lượng điện tiêu thụ và giảm chi phí tiền điện bậc thang từ 25-35%.
  • Ảnh hưởng kỹ thuật đến lưới điện phân phối và trung thế bao gồm trào lưu công suất đảo ngược, dao động tần số, điện áp và yêu cầu điều chỉnh công suất phản kháng.
  • Cần triển khai các giải pháp kỹ thuật như giám sát lưới điện, cải thiện hệ số công suất, quy hoạch phân bố hệ thống và đào tạo nhân lực để đảm bảo vận hành ổn định, hiệu quả.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho chủ đầu tư, ngành điện và nhà hoạch định chính sách trong phát triển năng lượng tái tạo bền vững tại Bình Định.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị các đơn vị liên quan triển khai các giải pháp đề xuất trong vòng 1-2 năm tới, đồng thời tiếp tục thu thập và phân tích dữ liệu để cập nhật, hoàn thiện chính sách và kỹ thuật vận hành. Đề nghị các chủ đầu tư và cán bộ ngành điện tham khảo luận văn để nâng cao hiệu quả và an toàn trong phát triển điện mặt trời áp mái.