Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam đang đứng trước thách thức lớn về năng lượng khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí đốt ngày càng cạn kiệt và gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người. Theo số liệu thống kê, tổng công suất năng lượng mặt trời toàn cầu năm 2016 đã tăng thêm khoảng 75 GW, tương đương với hơn 31.000 tấm pin năng lượng mặt trời được lắp đặt mỗi giờ. Ở Việt Nam, miền Nam có số giờ nắng trung bình khoảng 2.200 – 2.500 giờ/năm với cường độ bức xạ mặt trời trung bình 4,3 – 4,9 kWh/m²/ngày, cho thấy tiềm năng rất lớn để phát triển năng lượng mặt trời. Bên cạnh đó, tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt khoảng 513.360 MW, gấp hơn 200 lần công suất thủy điện Sơn La, trong đó miền Trung Bộ và Nam Trung Bộ là những vùng có tiềm năng gió lớn nhất.

Tuy nhiên, việc khai thác và tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và năng lượng gió vào hệ thống điện quốc gia vẫn còn hạn chế, chủ yếu ở quy mô nhỏ. Do đó, nghiên cứu đánh giá ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió với công suất lớn là rất cần thiết nhằm đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả và khai thác tối đa nguồn năng lượng sạch này. Mục tiêu của luận văn là đánh giá sự ổn định của hệ thống điện một máy phát nối với thanh cái vô cùng lớn khi tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo, từ đó đề xuất các giải pháp nâng cao độ ổn định và hiệu quả vận hành.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình toán học và mô phỏng ổn định của hệ thống điện tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió tại Việt Nam, sử dụng công cụ Matlab/Simulink trong giai đoạn nghiên cứu từ năm 2017 đến 2018. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống điện tái tạo quy mô lớn, góp phần giảm phát thải khí nhà kính và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.

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 sau:

  • Lý thuyết ổn định hệ thống điện: Bao gồm ổn định tĩnh và ổn định động, với các tiêu chuẩn đánh giá như tiêu chuẩn năng lượng, phương pháp dao động bé và tiêu chuẩn cân bằng diện tích. Các khái niệm về cân bằng công suất tác dụng và phản kháng được sử dụng để phân tích chế độ làm việc của hệ thống điện.

  • Mô hình toán học máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG): Mô hình này được áp dụng cho máy phát điện gió, bao gồm các phương trình mô tả từ thông, dòng điện, điện áp và mô men điện từ trong hệ tọa độ quay rotor. Bộ chuyển đổi công suất chỉnh lưu – nghịch lưu (VSC và VSI) được mô hình hóa để điều khiển hòa lưới.

  • Mô hình pin năng lượng mặt trời (PV): Sử dụng mô hình mạch tương đương gồm nguồn dòng ngắn mạch, diode và điện trở shunt, mô tả đặc tính điện áp-dòng điện của pin mặt trời dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau. Các phương pháp ghép nối tấm pin (nối tiếp, song song và hỗn hợp) được phân tích để xác định điện áp và công suất đầu ra.

  • Mô hình hệ thống điện một máy phát nối với thanh cái vô cùng lớn: Đây là mô hình cơ bản để đánh giá ổn định hệ thống điện, trong đó thanh cái vô cùng lớn được xem như nguồn điện áp và tần số không đổi. Mô hình này giúp phân tích các hiện tượng vật lý và kỹ thuật liên quan đến ổn định tĩnh và động của hệ thống.

Các khái niệm chính bao gồm: ổn định tĩnh, ổn định động, cân bằng công suất tác dụng và phản kháng, điểm công suất cực đại (MPP) của pin mặt trời, hệ số công suất tuabin gió, và bộ kích từ PSS (Power System Stabilizer).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành, báo cáo kỹ thuật và số liệu thực tế về tiềm năng năng lượng mặt trời và gió tại Việt Nam. Quá trình nghiên cứu sử dụng công cụ mô phỏng Matlab/Simulink để xây dựng mô hình toán học và đánh giá ổn định hệ thống điện tích hợp.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình hệ thống điện một máy phát nối với thanh cái vô cùng lớn kết hợp với nhà máy điện mặt trời công suất 60 MW và nhà máy điện gió công suất 60 MW. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện của mô hình đơn giản nhưng phản ánh đầy đủ các đặc tính kỹ thuật của hệ thống điện thực tế.

Phân tích ổn định được thực hiện qua các bước: xây dựng mô hình toán học chi tiết của từng thành phần (máy phát, pin mặt trời, tuabin gió, bộ biến đổi công suất), mô phỏng các tình huống vận hành khác nhau (thay đổi tốc độ gió, ngắn mạch, thay đổi tải, biến đổi điện áp hệ thống), và đánh giá các chỉ số ổn định tĩnh và động dựa trên các tiêu chuẩn đã được xác định.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn tổng hợp tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả, cuối cùng là đề xuất giải pháp và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ổn định tĩnh của hệ thống tích hợp: Mô phỏng cho thấy hệ thống điện mặt trời công suất 60 MW và điện gió 60 MW khi kết nối với hệ thống điện một máy phát nối với thanh cái vô cùng lớn duy trì được sự cân bằng công suất tác dụng và phản kháng trong các điều kiện vận hành bình thường. Điện áp tại các nút lưới dao động trong giới hạn cho phép từ 0,95 đến 1,05 p.u, đảm bảo chất lượng điện năng.

  2. Ảnh hưởng của biến đổi tốc độ gió: Khi tốc độ gió thay đổi từ 4 m/s đến 9 m/s, công suất phát điện gió biến động tương ứng từ khoảng 20 MW đến 60 MW. Hệ thống vẫn duy trì ổn định động với các dao động góc rotor và tần số trong giới hạn an toàn, nhờ vào khả năng điều khiển của bộ biến đổi công suất và bộ kích từ PSS.

  3. Phản ứng với sự cố ngắn mạch: Trong trường hợp ngắn mạch xảy ra tại điểm kết nối, hệ thống có thể hồi phục ổn định sau khoảng thời gian quá độ dưới 2 giây. Công suất và điện áp có sự sụt giảm tạm thời nhưng nhanh chóng trở lại trạng thái cân bằng, thể hiện qua các đồ thị dao động góc rotor và điện áp đầu cực máy phát.

  4. Ảnh hưởng của thay đổi tải và điện áp hệ thống PV: Khi tải thay đổi đột ngột hoặc điện áp hệ thống PV biến động, hệ thống vẫn giữ được sự ổn định tĩnh và động, tuy nhiên cần có bộ điều khiển công suất tối ưu để duy trì điểm công suất cực đại (MPP) của pin mặt trời, tránh mất công suất và dao động không mong muốn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp hệ thống duy trì ổn định là do sự phối hợp hiệu quả giữa các thành phần điều khiển như bộ kích từ PSS, bộ biến đổi công suất DC/AC và mô hình máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về tích hợp năng lượng tái tạo vào hệ thống điện quy mô lớn.

So với các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào hệ thống nhỏ công suất vài chục MVA, luận văn đã mở rộng phạm vi đánh giá cho hệ thống công suất lớn hơn, phù hợp với xu hướng phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam. Việc mô phỏng các tình huống sự cố và biến đổi môi trường giúp đánh giá toàn diện hơn về khả năng vận hành an toàn của hệ thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ dao động góc rotor, điện áp tại các nút lưới, công suất phát điện theo thời gian và bảng tổng hợp các chỉ số ổn định tĩnh và động dưới các điều kiện khác nhau, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của các giải pháp điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường ứng dụng bộ kích từ PSS và bộ biến đổi công suất thông minh: Để nâng cao khả năng ổn định động của hệ thống khi có biến đổi tải và sự cố, cần phát triển và ứng dụng các bộ điều khiển hiện đại, có khả năng phản ứng nhanh và chính xác. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ điện.

  2. Phát triển hệ thống quản lý năng lượng tích hợp (EMS): EMS giúp điều phối công suất giữa các nguồn năng lượng mặt trời, gió và lưới điện, tối ưu hóa vận hành và giảm thiểu dao động điện áp, tần số. Thời gian thực hiện: 2-3 năm; Chủ thể: các công ty điện lực và nhà đầu tư dự án năng lượng tái tạo.

  3. Mở rộng quy mô và đa dạng hóa nguồn năng lượng tái tạo: Khuyến khích đầu tư các dự án điện mặt trời và điện gió công suất lớn hơn, kết hợp với các nguồn năng lượng khác như thủy điện và nhiệt điện để đảm bảo cân bằng công suất và ổn định hệ thống. Thời gian thực hiện: 3-5 năm; Chủ thể: Bộ Công Thương, EVN và các nhà đầu tư.

  4. Nâng cao năng lực nghiên cứu và đào tạo chuyên sâu về ổn định hệ thống điện tích hợp năng lượng tái tạo: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo chuyên ngành nhằm cập nhật kiến thức và kỹ thuật mới cho kỹ sư điện lực và nhà quản lý. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Luận văn cung cấp mô hình toán học chi tiết và phương pháp phân tích ổn định hệ thống điện tích hợp năng lượng tái tạo, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển đề tài chuyên sâu.

  2. Doanh nghiệp và nhà đầu tư năng lượng tái tạo: Thông tin về tiềm năng, mô hình vận hành và đánh giá ổn định giúp hoạch định chiến lược đầu tư, thiết kế hệ thống và quản lý vận hành hiệu quả.

  3. Cơ quan quản lý nhà nước và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển năng lượng sạch, quy hoạch hệ thống điện và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.

  4. Kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống điện: Hướng dẫn kỹ thuật về mô hình điều khiển, xử lý sự cố và duy trì ổn định hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời và gió trong thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần đánh giá ổn định hệ thống điện khi tích hợp năng lượng mặt trời và gió?
    Việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo có tính biến động cao có thể gây ra dao động điện áp, tần số và ảnh hưởng đến độ tin cậy vận hành hệ thống điện. Đánh giá ổn định giúp đảm bảo hệ thống hoạt động an toàn và hiệu quả.

  2. Mô hình máy phát điện gió PMSG có ưu điểm gì?
    Máy phát PMSG hoạt động ở tốc độ vòng quay thấp, có từ thông luôn tồn tại nhờ nam châm vĩnh cửu, giúp tăng hiệu suất phát điện và dễ dàng điều khiển hòa lưới, phù hợp với điều kiện biến đổi của tốc độ gió.

  3. Điểm công suất cực đại (MPP) của pin mặt trời là gì?
    MPP là điểm trên đặc tính điện áp-dòng điện của pin mặt trời tại đó công suất đầu ra đạt giá trị lớn nhất. Điều khiển hệ thống để pin hoạt động tại MPP giúp tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng.

  4. Làm thế nào để hệ thống điện duy trì ổn định khi có sự cố ngắn mạch?
    Hệ thống sử dụng bộ kích từ PSS và bộ biến đổi công suất để điều chỉnh điện áp, tần số và công suất, đồng thời có các thiết bị bảo vệ và điều khiển tự động giúp nhanh chóng hồi phục trạng thái ổn định sau sự cố.

  5. Phạm vi áp dụng của kết quả nghiên cứu này là gì?
    Kết quả phù hợp với các hệ thống điện tích hợp năng lượng mặt trời và gió có công suất lớn, đặc biệt trong điều kiện vận hành tại Việt Nam và các quốc gia có tiềm năng năng lượng tái tạo tương tự.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng và mô phỏng thành công mô hình hệ thống điện một máy phát nối với thanh cái vô cùng lớn tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió công suất 60 MW mỗi nguồn.
  • Đánh giá ổn định tĩnh và động cho thấy hệ thống có khả năng vận hành an toàn, duy trì cân bằng công suất và đáp ứng tốt các biến đổi môi trường và sự cố.
  • Các bộ điều khiển như bộ kích từ PSS và bộ biến đổi công suất đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao độ ổn định hệ thống.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định hệ thống điện tích hợp năng lượng tái tạo, hỗ trợ phát triển các dự án năng lượng sạch quy mô lớn tại Việt Nam.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chính sách nhằm thúc đẩy ứng dụng năng lượng mặt trời và gió, đồng thời nâng cao năng lực nghiên cứu và vận hành hệ thống điện hiện đại.

Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên áp dụng mô hình và kết quả nghiên cứu để thiết kế, vận hành và tối ưu hóa hệ thống điện tích hợp năng lượng tái tạo, đồng thời tiếp tục phát triển các giải pháp điều khiển tiên tiến nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả lâu dài.