Tổng quan nghiên cứu

Trong giai đoạn 2011 - 2019, nhu cầu điện năng tại Việt Nam ghi nhận tốc độ tăng trưởng bình quân 10,5%/năm, đưa sản lượng điện thương phẩm toàn quốc đạt mức 209,77 tỷ kWh vào năm 2019. Tại tỉnh Bến Tre, công suất phụ tải cực đại Pmax đã chạm mức 287,1 MW và được dự báo sẽ tăng nhanh lên 320 MW vào năm 2020 và đạt 500 MW vào năm 2025. Để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ và thực hiện Chiến lược Quốc gia về Tăng trưởng xanh, các nguồn năng lượng tái tạo đang được đẩy mạnh đầu tư trên địa bàn tỉnh. Tuy nhiên, sự phát triển bùng nổ của các nguồn điện phân tán, đặc biệt là điện gió ven biển và điện mặt trời mái nhà, đang đặt ra thách thức kỹ thuật rất lớn đối với hệ thống điện phân phối và truyền tải khu vực.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là sự không đồng bộ giữa tốc độ phát triển nguồn năng lượng tái tạo và tiến độ nâng cấp hạ tầng lưới điện, dẫn đến nguy cơ quá tải cục bộ, sụt giảm chất lượng điện áp và gia tăng tổn thất công suất. Luận văn tập trung vào mục tiêu hệ thống hóa cơ sở lý luận, đánh giá tác động trực tiếp của các nguồn năng lượng tái tạo đến chế độ vận hành lưới điện tại huyện Bình Đại, tỉnh Bến Tre; từ đó tính toán khả năng hấp thụ công suất và đề xuất các giải pháp kỹ thuật, mô hình quản lý vận hành tối ưu.

Phạm vi nghiên cứu bao quát dữ liệu vận hành lưới điện giai đoạn 2010 - 2019, dự báo phát triển đến năm 2035 trên địa bàn huyện Bình Đại và toàn tỉnh Bến Tre. Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp cơ sở định lượng để giải tỏa hiệu quả hơn 559,7 MW điện gió đang triển khai, kiểm soát an toàn hệ thống điện mặt trời mái nhà và hỗ trợ địa phương giảm phát thải khí nhà kính theo định hướng của Nghị quyết 55-NQ/TW.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết phân tích hệ thống điện hiện đại, tập trung vào hai trụ cột lý thuyết chính: lý thuyết trào lưu công suất trong lưới điện phân phối hình tia và lý thuyết tích hợp nguồn điện phân tán vào hệ thống điện lực. Mô hình nghiên cứu vận dụng các phương trình cân bằng công suất nút phi tuyến tính và thuật toán quét tiến/lùi chuyên biệt cho lưới điện trung - hạ thế nhằm mô phỏng chính xác sự biến thiên điện áp và phân bố dòng công suất.

Nghiên cứu vận dụng 4 khái niệm kỹ thuật cốt lõi:

  • Năng lượng tái tạo: Nguồn năng lượng liên tục được tái sinh tự nhiên như bức xạ mặt trời và gió biển.
  • Độ ổn định điện áp: Khả năng duy trì điện áp các nút trong phạm vi cho phép theo quy chuẩn kỹ thuật là dao động không quá 5% so với điện áp danh định.
  • Tổn thất điện năng kỹ thuật: Lượng điện năng hao hụt dưới dạng nhiệt năng trên dây dẫn và máy biến áp trong quá trình truyền tải.
  • Khả năng giải tỏa công suất: Giới hạn công suất cực đại từ các nguồn năng lượng tái tạo mà lưới điện hiện hữu có thể tiếp nhận mà không gây quá tải thiết bị.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp phương pháp thu thập dữ liệu thứ cấp và khảo sát đo đạc sơ cấp thực tế. Nguồn dữ liệu thứ cấp bao gồm các báo cáo vận hành, thống kê phụ tải và quy hoạch phát triển điện lực tỉnh Bến Tre từ Sở Công Thương và Tổng Công ty Điện lực Miền Nam giai đoạn 2010 - 2019. Dữ liệu sơ cấp được thu thập từ 8 trạm biến áp 110kV với tổng dung lượng đặt 494 MVA và 343 hệ thống điện mặt trời mái nhà đang vận hành với tổng công suất 6.443 kWp.

Cỡ mẫu khảo sát bao gồm toàn bộ 13 xuất tuyến 110kV trên địa bàn tỉnh và chọn mẫu điển hình là tuyến trung thế 477 trạm 110kV Bình Đại đi Thới Thuận cùng các trạm biến áp hạ thế 22/0,4kV trực thuộc. Phương pháp chọn mẫu điển hình được lựa chọn vì tuyến 477 có chiều dài lớn, đi qua vùng kinh tế biển trọng điểm và tập trung mật độ đấu nối điện mặt trời mái nhà cao nhất huyện Bình Đại.

Phương pháp phân tích chủ đạo là mô phỏng số trên phần mềm chuyên dụng PSS/ADEPT kết hợp đối chứng thực nghiệm với dữ liệu đo đếm thực tế. Lý do lựa chọn phần mềm PSS/ADEPT là tính năng tối ưu hóa tính toán lưới điện phân phối không đối xứng, cho phép phân tích chi tiết trào lưu công suất, đánh giá độ sụt áp từng nút tải và lượng hóa tổn thất kỹ thuật khi có nguồn công suất phát ngược từ các dự án năng lượng tái tạo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích thực nghiệm đã chỉ ra 3 phát hiện kỹ thuật nổi bật:

Thứ nhất, lưới điện 110kV khu vực nghiên cứu đang đối mặt với tình trạng mang tải rất cao. Lộ 175 Bến Tre 2 đi Giồng Trôm đang vận hành ở mức mang tải 90,4% với dòng điện cực đại đạt 461 A so với dòng cho phép 510 A. Tương tự, lộ 174 Bến Tre 2 đi Bến Tre 1 có mức mang tải lên đến 86,0% với dòng cực đại 524,7 A trên định mức 610 A. Khi các dự án điện gió quy hoạch quy mô 1.250 MW tại bãi bồi ven biển Bình Đại hòa lưới, các đường dây 110kV hiện hữu sẽ rơi vào tình trạng quá tải nghiêm trọng nếu không có đường dây giải tỏa công suất mới.

Thứ hai, sự phát triển nhanh của điện mặt trời mái nhà tạo ra hiện tượng đảo chiều dòng công suất cục bộ. Tính đến tháng 9/2020, ngoài 6.443 kWp đã vận hành, huyện Bình Đại ghi nhận thêm 258 khách hàng đăng ký mới với tổng công suất dự kiến khoảng 30.000 kWp. Tại tuyến 477 Bình Đại - Thới Thuận, vào thời điểm bức xạ mặt trời cực đại từ 11 giờ trưa đến 13 giờ chiều, công suất phát ngược từ các hộ tiêu thụ lên lưới 22kV làm điện áp nút cuối đường dây tăng vọt, vượt ngưỡng cho phép 5% theo quy định vận hành.

Thứ ba, tác động của năng lượng tái tạo đến tổn thất điện năng có tính hai mặt phụ thuộc vào tỷ lệ thâm nhập. Khi tỷ lệ công suất nguồn tái tạo phân tán ở mức dưới 30% công suất phụ tải trạm, tổn thất kỹ thuật trên lưới 22kV giảm đáng kể từ 5,51% xuống còn 4,2%. Tuy nhiên, khi tỷ lệ lắp đặt vượt quá 60%, dòng công suất thừa phát ngược về thanh cái trung áp làm tăng đột biến tổn thất dòng điện và gây méo dạng sóng hài điện áp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng tăng điện áp và quá tải ngược là do sự lệch pha giữa biểu đồ phát công suất mặt trời và biểu đồ tiêu thụ phụ tải thực tế. Phụ tải tại huyện Bình Đại chủ yếu phục vụ sinh hoạt và nuôi tôm công nghiệp với đỉnh phụ tải rơi vào chiều tối, trong khi nguồn điện mặt trời lại đạt đỉnh vào giữa trưa khi phụ tải đang ở mức thấp. Kết quả nghiên cứu hoàn toàn tương đồng với các công bố khoa học gần đây về tích hợp nguồn phân tán tại khu vực Nam Trung Bộ, khẳng định tính quy luật của hiện tượng quá điện áp nút cuối nguồn.

Các kết quả mô phỏng trong luận văn được hệ thống hóa trực quan thông qua các bảng phân tích trào lưu công suất đa kịch bản và đồ thị phân bố điện áp dọc tuyến. Dữ liệu từ biểu đồ trích xuất cho thấy rõ độ dốc điện áp tăng dần về phía các trạm biến áp hạ thế có mật độ tấm pin quang điện dày đặc, cung cấp bằng chứng trực quan rõ ràng về mức độ ảnh hưởng của nguồn phân tán đến sự ổn định vận hành của lưới điện địa phương.

Đề xuất và khuyến nghị

Để đảm bảo lưới điện vận hành an toàn, ổn định và khai thác tối đa tiềm năng năng lượng tái tạo, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp cụ thể:

  • Cải tạo và nâng công suất các tuyến đường dây 110kV trọng điểm: Tổng Công ty Điện lực Miền Nam và Công ty Điện lực Bến Tre cần khẩn trương thay thế dây dẫn siêu nhiệt cho lộ 175 Bến Tre 2 - Giồng Trôm và lộ 174 Bến Tre 2 - Bến Tre 1 trong giai đoạn 2021 - 2023. Mục tiêu đưa hệ số mang tải các tuyến này về dưới mức an toàn 70%, đáp ứng khả năng giải tỏa cho 559,7 MW điện gió hòa lưới thương mại.

  • Ứng dụng công nghệ nghịch lưu thông minh và điều khiển điện áp tự động: Điện lực Bình Đại chủ trì triển khai lắp đặt hệ thống Smart Inverter có khả năng tự động điều chỉnh công suất phản kháng với hệ số cos phi từ 0,95 trễ đến 0,95 sớm trong giai đoạn 2021 - 2024. Mục tiêu duy trì độ lệch điện áp tại 100% các nút hạ thế 0,4kV trong giới hạn chuẩn không vượt quá 5%.

  • Ban hành quy chuẩn giới hạn tỷ lệ đấu nối nguồn phân tán theo từng trạm biến áp: Sở Công Thương tỉnh Bến Tre phối hợp với Công ty Điện lực Bến Tre thiết lập ngưỡng tiếp nhận điện mặt trời mái nhà tối đa không quá 80% dung lượng định mức máy biến áp phân phối hạ thế, hoàn thành áp dụng trong năm 2022 nhằm ngăn chặn hoàn toàn hiện tượng quá tải ngược dòng máy biến áp.

  • Đầu tư xây dựng mới các trạm biến áp 110/22kV và 220kV chuyên dụng: Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia và EVNSPC cần đẩy nhanh tiến độ xây dựng trạm 110kV Thới Thuận và trạm 110kV Thạnh Hải với tổng dung lượng bổ sung trên 200 MVA trong giai đoạn 2022 - 2025, bắt kịp tốc độ tăng trưởng nhu cầu điện 9,7%/năm của tỉnh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Kỹ sư điều độ và cán bộ quản lý kỹ thuật tại các Công ty Điện lực: Nắm vững phương pháp tính toán trào lưu công suất thực tế trên phần mềm PSS/ADEPT, đánh giá chính xác độ mang tải của 8 trạm 110kV và thiết lập quy trình kiểm soát điện áp an toàn cho lưới điện phân phối.

  • Cơ quan hoạch định chính sách và quản lý năng lượng cấp tỉnh: Sử dụng số liệu dự báo phụ tải và đánh giá tiềm năng làm căn cứ hoàn thiện quy hoạch 1.520 MW điện gió và 1.000 MW điện mặt trời đến năm 2030, đảm bảo tính đồng bộ giữa phát triển nguồn và hạ tầng lưới điện.

  • Các chủ đầu tư và doanh nghiệp phát triển dự án năng lượng tái tạo: Nhận diện chi tiết các điểm nghẽn truyền tải và giới hạn giải tỏa công suất trên lưới 22kV và 110kV tại huyện Bình Đại, từ đó lựa chọn điểm đấu nối tối ưu và giảm thiểu rủi ro bị cắt giảm sản lượng phát điện.

  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Hệ thống điện và Quản lý năng lượng: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về mô hình hóa lưới điện phân phối thực tế có tích hợp nguồn năng lượng tái tạo với đầy đủ cơ sở lý thuyết, công cụ mô phỏng và số liệu kiểm chứng thực nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

Tỷ lệ công suất lắp đặt điện mặt trời mái nhà bao nhiêu là an toàn cho trạm biến áp hạ thế? Theo kết quả tính toán mô phỏng trên lưới điện huyện Bình Đại, tổng công suất điện mặt trời mái nhà đấu nối không nên vượt quá 80% dung lượng danh định của máy biến áp phân phối để tránh gây dòng công suất ngược làm quá nhiệt máy biến áp và dâng áp quá mức 5% tại các nút tải tiêu thụ.

Các dự án điện gió tại huyện Bình Đại đang gặp trở ngại truyền tải lớn nhất là gì? Trở ngại lớn nhất là mức độ mang tải của các tuyến 110kV hiện hữu đã đạt từ 86,0% đến 90,4%. Khi quy mô điện gió khu vực bãi bồi đạt trên 1.250 MW, lưới điện 110kV khu vực sẽ bị nghẽn mạch nghiêm trọng nếu các đường dây mạch kép mới chưa kịp hoàn thành đóng điện.

Phần mềm PSS/ADEPT có ưu thế gì trong phân tích tác động của nguồn năng lượng tái tạo? Phần mềm PSS/ADEPT sở hữu thuật toán tối ưu hóa cho cấu trúc lưới phân phối hình tia và phi đối xứng. Công cụ này cho phép tính toán chính xác tổn thất công suất, sụt áp từng pha và mô phỏng tức thời tác động đảo chiều trào lưu công suất khi có nguồn điện phân tán công suất lớn đấu nối vào lưới 22kV.

Chính sách giá FIT theo Quyết định 39/2018/QĐ-TTg đã tác động như thế nào đến tiến độ điện gió tại Bến Tre? Quyết định 39/2018/QĐ-TTg với mức giá mua điện gió trên biển 9,8 Uscents/kWh tương đương 2.223 đồng/kWh và trên đất liền 8,5 Uscents/kWh tương đương 1.928 đồng/kWh đã tạo đòn bẩy tài chính mạnh mẽ, thúc đẩy các nhà đầu tư đồng loạt triển khai 559,7 MW công suất để kịp vận hành thương mại.

Hiện tượng trào lưu công suất ngược gây ảnh hưởng gì đến thiết bị bảo vệ trên lưới 22kV? Dòng công suất ngược làm thay đổi chiều và độ lớn dòng ngắn mạch, khiến các thiết bị bảo vệ rơ-le, Recloser và máy cắt phân đoạn mất tính chọn lọc, dẫn đến nguy cơ tác động sai, gây cắt điện diện rộng và làm giảm chỉ số độ tin cậy cung cấp điện của hệ thống.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện hiện trạng và tiềm năng phát triển năng lượng tái tạo tại huyện Bình Đại với quy hoạch 1.250 MW điện gió và hàng chục nghìn kWp điện mặt trời.
  • Nghiên cứu xác định chính xác các điểm nghẽn kỹ thuật trên lưới 110kV hiện hữu với hệ số mang tải lộ 175 đạt 90,4% và lộ 174 đạt 86,0%.
  • Mô hình hóa thành công tác động của dòng công suất ngược đến độ lệch điện áp và tổn thất điện năng trên tuyến trung thế 477 bằng phần mềm PSS/ADEPT.
  • Xác lập ngưỡng kỹ thuật an toàn cho tỷ lệ thâm nhập nguồn điện mặt trời phân tán dưới 80% công suất máy biến áp hạ thế.
  • Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp công nghệ và quản lý vận hành đồng bộ với lộ trình thực hiện chi tiết trong giai đoạn 2021 - 2025.

Đóng góp quan trọng nhất của công trình là cung cấp phương pháp luận và số liệu thực nghiệm chính xác, giúp Công ty Điện lực Bến Tre chủ động kiểm soát chất lượng điện năng khi tích hợp các nguồn tái tạo. Các đơn vị quản lý lưới điện cần khẩn trương triển khai nâng cấp hạ tầng 110kV và trang bị hệ thống điều khiển tự động theo đúng lộ trình khuyến nghị để hiện thực hóa mục tiêu phát triển năng lượng bền vững cho địa phương.