Tổng quan nghiên cứu

Điện năng đóng vai trò thiết yếu trong phát triển kinh tế và đời sống hiện đại, đặc biệt trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Nhu cầu về chất lượng điện năng ngày càng tăng cao, đồng thời việc sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên năng lượng và đa dạng hóa các nguồn năng lượng sơ cấp là yêu cầu cấp thiết nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường. Trước thực trạng nguồn nhiên liệu truyền thống ngày càng cạn kiệt, năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời trở thành hướng đi quan trọng trong chiến lược phát triển năng lượng của Việt Nam.

Luận văn tập trung đánh giá ổn định hệ thống điện điển hình gồm 3 máy phát và 9 bus khi tích hợp nguồn năng lượng mặt trời công suất lớn, có khả năng thay thế hoàn toàn các máy phát điện truyền thống như nhiệt điện và thủy điện. Nghiên cứu sử dụng mô hình toán học và mô phỏng trên phần mềm Matlab, phân tích trong cả miền tần số và miền thời gian nhằm chứng minh tính khả thi của việc hòa lưới năng lượng mặt trời công suất lớn.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống điện 3 máy 9 bus tại Việt Nam, với dữ liệu thực tế từ các nhà máy điện mặt trời như dự án tại huyện Bình Đại, tỉnh Bến Tre có công suất 304 MW, hòa lưới quốc gia với sản lượng khoảng 650 MWh. Mục tiêu chính là đánh giá ảnh hưởng của tích hợp năng lượng mặt trời đến ổn định tĩnh và động của hệ thống điện, từ đó đề xuất các giải pháp vận hành và phát triển bền vững.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc ứng dụng công nghệ mới vào phát triển năng lượng sạch, đồng thời mang tính thực tiễn cao khi góp phần phát triển hệ thống điện mặt trời nối lưới tại các tỉnh phía Nam, đáp ứng nhu cầu năng lượng sạch theo lộ trình của Chính phủ và Tập đoàn Điện lực Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản về ổn định hệ thống điện, bao gồm:

  • Ổn định tĩnh và ổn định động: Ổn định tĩnh là khả năng hệ thống phục hồi sau các kích động nhỏ, trong khi ổn định động liên quan đến khả năng chịu đựng các kích động lớn như ngắn mạch ba pha, đảm bảo hệ thống trở lại trạng thái cân bằng công suất.

  • Tiêu chuẩn đánh giá ổn định: Sử dụng tiêu chuẩn năng lượng, phương pháp dao động bé và tiêu chuẩn cân bằng diện tích để đánh giá khả năng duy trì ổn định của hệ thống điện khi có sự cố.

  • Mô hình toán học hệ thống điện: Áp dụng mô hình hai trục cho máy phát điện đồng bộ, mô hình hệ thống 3 máy 9 bus và mô hình pin năng lượng mặt trời (PV) dựa trên khung tham chiếu trục d-q.

  • Khái niệm cân bằng công suất: Cân bằng công suất tác dụng và phản kháng là điều kiện cần để hệ thống duy trì chế độ xác lập, trong đó tần số và điện áp được giữ trong giới hạn cho phép.

Các khái niệm chuyên ngành như công suất tác dụng (P), công suất phản kháng (Q), điện áp (U), tần số (f), góc rôto (δ), và các thông số đặc trưng của pin mặt trời (điện áp hở mạch, dòng điện ngắn mạch, công suất định mức) được sử dụng xuyên suốt nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa thu thập tài liệu, phân tích lý thuyết và mô phỏng số:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu từ các nhà máy điện mặt trời thực tế tại Việt Nam, thông số kỹ thuật hệ thống 3 máy 9 bus theo chuẩn IEEE, và thông số pin năng lượng mặt trời từ phần mềm DIgSILENT Power Factory.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng hệ thống điện tích hợp năng lượng mặt trời trên Matlab, phân tích ổn định tĩnh và động qua các kịch bản ngắn mạch ba pha, thay đổi bức xạ mặt trời, và đánh giá đáp ứng hệ thống trong miền thời gian và miền tần số.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Hệ thống 3 máy 9 bus được chọn làm mô hình điển hình đại diện cho các hệ thống điện có quy mô trung bình, phù hợp với các nhà máy điện mặt trời công suất lớn tại Việt Nam.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2018 đến đầu năm 2019, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khoa học, khách quan và khả năng áp dụng thực tiễn cao, đồng thời phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định hiện hành về phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ổn định tĩnh của hệ thống tích hợp năng lượng mặt trời: Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống 3 máy 9 bus khi tích hợp năng lượng mặt trời công suất lớn (khoảng 51% công suất tổng) vẫn duy trì được ổn định tĩnh với điện áp tại các nút nằm trong giới hạn cho phép (230 kV ± 5%). Tần số hệ thống duy trì ổn định quanh giá trị 50 Hz với độ lệch nhỏ hơn 0.5%.

  2. Ảnh hưởng của ngắn mạch ba pha: Khi xảy ra ngắn mạch ba pha tại bus số 2, công suất điện phát ra từ máy phát giảm xuống gần 0 trong thời gian sự cố, tuy nhiên hệ thống vẫn có khả năng phục hồi ổn định nếu thời gian cắt sự cố không vượt quá khoảng 0.15 giây. Thời gian cắt sự cố kéo dài hơn dẫn đến mất ổn định động, với góc rôto dao động vượt quá giới hạn cho phép.

  3. Tác động của biến đổi bức xạ mặt trời: Sự thay đổi đột ngột của bức xạ mặt trời làm biến động công suất đầu vào của hệ thống pin mặt trời, gây ra dao động điện áp và tần số trong hệ thống. Tuy nhiên, với hệ thống điều khiển PID tích hợp, dao động được giảm thiểu đáng kể, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định trong phạm vi ±3% điện áp và ±0.3 Hz tần số.

  4. So sánh với hệ thống truyền thống: Việc thay thế máy phát điện truyền thống bằng hệ thống pin năng lượng mặt trời không làm giảm khả năng ổn định của hệ thống điện. Ngược lại, năng lượng mặt trời góp phần giảm phát thải khí nhà kính và tăng tính bền vững cho hệ thống điện quốc gia.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp hệ thống duy trì ổn định là do mô hình toán học chính xác và hệ thống điều khiển kích từ, điều khiển PID được thiết kế phù hợp với đặc tính của pin mặt trời. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào hệ thống nhỏ, nghiên cứu này mở rộng quy mô tích hợp năng lượng mặt trời lên mức công suất vài trăm MVA, phù hợp với xu hướng phát triển năng lượng tái tạo hiện nay.

Kết quả mô phỏng miền thời gian và miền tần số được trình bày qua các biểu đồ góc rôto, điện áp và tần số cho thấy sự tương thích và khả năng phục hồi của hệ thống sau các kích động lớn như ngắn mạch và biến đổi bức xạ. Điều này khẳng định tính khả thi của việc hòa lưới năng lượng mặt trời công suất lớn vào hệ thống điện quốc gia.

Ngoài ra, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng thời gian cắt sự cố là yếu tố quyết định đến ổn định động của hệ thống, do đó cần có các thiết bị bảo vệ và điều khiển nhanh nhạy để giảm thiểu rủi ro mất ổn định. Việc áp dụng các bộ điều khiển PID tại bộ chỉnh lưu trong đường dây truyền tải điện một chiều điện áp cao cũng góp phần nâng cao độ ổn định của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường hệ thống điều khiển tự động: Triển khai các bộ điều khiển PID và hệ thống kích từ hiện đại tại các điểm hòa lưới năng lượng mặt trời nhằm giảm thiểu dao động điện áp và tần số, nâng cao độ ổn định động. Thời gian thực hiện: 1-2 năm, chủ thể: các công ty điện lực và nhà đầu tư dự án năng lượng tái tạo.

  2. Rút ngắn thời gian cắt sự cố: Nâng cấp hệ thống bảo vệ và máy cắt điện để giảm thời gian cắt sự cố xuống dưới 0.15 giây, đảm bảo hệ thống không mất ổn định khi xảy ra ngắn mạch ba pha. Thời gian thực hiện: 1 năm, chủ thể: Tổng công ty Điện lực Việt Nam.

  3. Mở rộng quy mô tích hợp năng lượng mặt trời: Khuyến khích đầu tư các dự án điện mặt trời công suất lớn, đồng thời nghiên cứu mở rộng mô hình tích hợp cho các hệ thống điện quy mô lớn hơn, nhằm đa dạng hóa nguồn năng lượng và giảm phát thải. Thời gian thực hiện: 3-5 năm, chủ thể: Bộ Công Thương, các nhà đầu tư.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành hệ thống điện tích hợp năng lượng mặt trời cho kỹ sư và cán bộ vận hành, đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả. Thời gian thực hiện: liên tục, chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu và công ty điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Nhận diện các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định hệ thống điện khi tích hợp năng lượng mặt trời, từ đó xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo phù hợp.

  2. Kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện: Áp dụng các mô hình và phương pháp đánh giá ổn định để thiết kế, vận hành và bảo trì hệ thống điện có tích hợp năng lượng mặt trời, đảm bảo vận hành ổn định và an toàn.

  3. Nhà đầu tư và doanh nghiệp năng lượng tái tạo: Hiểu rõ về tác động kỹ thuật và kinh tế của việc tích hợp năng lượng mặt trời vào lưới điện, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hiệu quả và bền vững.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo để nghiên cứu sâu về ổn định hệ thống điện, mô hình toán học và ứng dụng năng lượng tái tạo trong hệ thống điện hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần đánh giá ổn định hệ thống điện khi tích hợp năng lượng mặt trời?
    Ổn định hệ thống điện đảm bảo điện áp và tần số duy trì trong giới hạn cho phép, tránh sự cố mất đồng bộ, mất điện diện rộng. Năng lượng mặt trời có tính biến động cao, do đó đánh giá ổn định giúp vận hành an toàn và hiệu quả.

  2. Hệ thống 3 máy 9 bus có ý nghĩa gì trong nghiên cứu?
    Đây là mô hình điển hình được sử dụng rộng rãi để phân tích ổn định hệ thống điện, giúp mô phỏng các tình huống thực tế với độ phức tạp vừa phải, dễ dàng áp dụng các phương pháp tính toán và mô phỏng.

  3. Ngắn mạch ba pha ảnh hưởng thế nào đến hệ thống điện?
    Ngắn mạch ba pha là sự cố nghiêm trọng nhất, làm gián đoạn hoàn toàn liên kết giữa máy phát và lưới điện, gây dao động lớn về góc rôto và công suất, có thể dẫn đến mất ổn định nếu không xử lý kịp thời.

  4. Làm thế nào để giảm thiểu dao động do biến đổi bức xạ mặt trời?
    Sử dụng các bộ điều khiển PID và hệ thống kích từ hiện đại giúp điều chỉnh công suất và điện áp nhanh chóng, giảm thiểu dao động và duy trì ổn định hệ thống khi bức xạ thay đổi đột ngột.

  5. Năng lượng mặt trời có thể thay thế hoàn toàn nguồn điện truyền thống không?
    Theo nghiên cứu, năng lượng mặt trời công suất lớn có thể thay thế hoàn toàn một phần máy phát điện truyền thống, tuy nhiên cần kết hợp với các nguồn khác và hệ thống lưu trữ để đảm bảo cung cấp điện liên tục và ổn định.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng và mô phỏng thành công mô hình hệ thống điện 3 máy 9 bus tích hợp năng lượng mặt trời công suất lớn, chứng minh tính khả thi và ổn định của hệ thống.
  • Ổn định tĩnh và động của hệ thống được duy trì trong các kịch bản ngắn mạch và biến đổi bức xạ, với các chỉ số điện áp và tần số nằm trong giới hạn cho phép.
  • Thời gian cắt sự cố và hệ thống điều khiển tự động đóng vai trò then chốt trong việc duy trì ổn định hệ thống.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện quốc gia, hỗ trợ phát triển bền vững và giảm phát thải môi trường.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chính sách nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và mở rộng quy mô tích hợp năng lượng mặt trời trong tương lai gần.

Để tiếp tục phát triển, cần triển khai thực nghiệm các giải pháp điều khiển, mở rộng mô hình cho hệ thống điện quy mô lớn hơn và đào tạo nguồn nhân lực chuyên sâu. Mời các nhà nghiên cứu và chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật điện tiếp cận và ứng dụng kết quả nghiên cứu này nhằm thúc đẩy phát triển năng lượng sạch tại Việt Nam.