Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam đang chứng kiến sự phát triển nhanh chóng của các nguồn năng lượng tái tạo phân tán, đặc biệt là điện gió và điện mặt trời, với tổng công suất lắp đặt năng lượng tái tạo đạt khoảng 20.420 MW vào cuối năm 2021, chiếm 27% tổng công suất nguồn điện toàn quốc. Theo Dự thảo Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2021 – 2030, tầm nhìn đến năm 2045, tỷ trọng nguồn phân tán dự kiến tiếp tục tăng cao, với điện gió đạt 60.610 MW (21,9%) và điện mặt trời 55.090 MW (19,9%). Tuy nhiên, sự gia tăng nhanh chóng này đặt ra thách thức lớn về tính ổn định của hệ thống điện, đặc biệt khi lưới điện chưa được đồng bộ và khả năng truyền tải còn hạn chế.

Luận văn tập trung đánh giá tính ổn định điện áp của hệ thống điện theo mức độ xâm nhập của các nguồn phân tán, cụ thể là năng lượng gió và mặt trời, trên hai lưới điện tỉnh Bình Thuận và Bình Định. Mục tiêu nghiên cứu là xác định tỷ trọng xâm nhập tối đa của nguồn phân tán mà hệ thống vẫn duy trì được tính ổn định điện áp theo tiêu chuẩn phục hồi điện áp ít nhất 75% giá trị trước sự cố trong vòng 5 giây sau khi sự cố được loại trừ. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình động các phần tử hệ thống điện và nguồn phân tán, sử dụng phần mềm PSS/E để mô phỏng và phân tích.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ quy hoạch phát triển nguồn năng lượng tái tạo, đảm bảo vận hành an toàn, ổn định hệ thống điện quốc gia, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho các đơn vị quản lý vận hành lưới điện trong việc huy động nguồn phù hợp và phát triển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Ổn định điện áp: Khả năng hệ thống duy trì điện áp tại các nút trong giới hạn cho phép sau khi chịu kích động lớn hoặc nhỏ. Ổn định điện áp được chia thành ổn định động và tĩnh, với tiêu chuẩn phục hồi điện áp tối thiểu 75% trong 5 giây sau sự cố.

  • Ổn định góc rotor: Khả năng các máy phát đồng bộ duy trì đồng bộ sau kích động, bao gồm ổn định tín hiệu nhỏ và ổn định quá độ.

  • Ổn định tần số: Khả năng duy trì tần số hệ thống sau mất cân bằng công suất giữa nguồn và phụ tải.

Ngoài ra, luận văn sử dụng các mô hình động chi tiết của các phần tử hệ thống điện trong phần mềm PSS/E, bao gồm:

  • Mô hình nhà máy điện mặt trời với bộ chuyển đổi công suất, điều khiển công suất tác dụng và phản kháng, logic giới hạn dòng điện và điều khiển điện áp.

  • Mô hình tuabin gió loại 3 (WT3) và loại 4 (WT4), mô phỏng máy phát không đồng bộ nguồn kép (DFIG) với các khối điều khiển máy phát, bộ biến đổi công suất, tuabin và góc pitch.

  • Mô hình máy phát đồng bộ truyền thống, hệ thống điều tốc, kích từ và bộ ổn định hệ thống.

Các khái niệm chính bao gồm: tỷ trọng xâm nhập nguồn phân tán, quán tính hệ thống, ROCOF (tốc độ thay đổi tần số), và các thuật toán điều khiển công suất phản kháng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng động học hệ thống điện trên phần mềm PSS/E với các bước chính:

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu lưới điện tỉnh Bình Thuận và Bình Định, bao gồm đặc điểm lưới điện, công suất các nguồn truyền thống và phân tán (điện gió, điện mặt trời).

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình động các phần tử hệ thống và nguồn phân tán, thiết lập các kịch bản mức độ xâm nhập nguồn phân tán khác nhau. Sử dụng lưu đồ giải thuật tìm tỷ trọng xâm nhập tối đa gây mất ổn định điện áp.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình lưới điện tỉnh với đầy đủ các nguồn phát và các nút quan trọng, lựa chọn các điểm sự cố ngắn mạch để đánh giá tính ổn định.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022, bao gồm xây dựng mô hình, chạy mô phỏng, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Phương pháp này cho phép đánh giá chính xác ảnh hưởng của mức độ xâm nhập nguồn phân tán đến tính ổn định điện áp, từ đó xác định giới hạn an toàn cho phát triển nguồn tái tạo phân tán.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tỷ trọng xâm nhập tối đa của nguồn phân tán: Kết quả mô phỏng cho thấy tỷ trọng xâm nhập tối đa của nguồn phân tán là khoảng 37% đối với lưới điện Bình Thuận và 34% đối với lưới điện Bình Định. Khi vượt quá mức này, hệ thống bắt đầu mất ổn định điện áp tại các điểm sự cố.

  2. Phục hồi điện áp sau sự cố: Điện áp tại các nút sự cố phục hồi ít nhất 75% giá trị trước sự cố trong vòng 5 giây khi mức độ xâm nhập nguồn phân tán nằm trong giới hạn trên. Ví dụ, với mức xâm nhập 35% tại Bình Thuận, điện áp tại nút Tân Uyên 500kV và các nút lân cận được duy trì ổn định sau sự cố ngắn mạch.

  3. Ảnh hưởng của loại nguồn phân tán: Nguồn điện gió (DFIG) có quán tính thấp hơn so với nguồn truyền thống, làm giảm quán tính tổng thể của hệ thống và tăng tốc độ thay đổi tần số (ROCOF). Nguồn điện mặt trời có dao động điện áp lớn hơn khi mức xâm nhập tăng, ảnh hưởng đến ổn định điện áp động.

  4. Vị trí và loại sự cố ảnh hưởng đến ổn định: Mức độ mất ổn định phụ thuộc vào vị trí xảy ra sự cố và loại sự cố. Sự cố gần các nguồn phân tán có mức xâm nhập cao gây ảnh hưởng tiêu cực hơn đến ổn định quá độ và điện áp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của giới hạn tỷ trọng xâm nhập nguồn phân tán là do các nguồn này, đặc biệt là điện gió và mặt trời, không cung cấp đủ quán tính và công suất phản kháng cần thiết để duy trì ổn định điện áp và tần số khi xảy ra sự cố. Điều này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế cho thấy mức độ xâm nhập trên 40% có thể gây mất ổn định hệ thống.

So sánh với các nghiên cứu khác, kết quả tỷ trọng xâm nhập tối đa khoảng 34-37% là tương đồng với các báo cáo về giới hạn an toàn trong vận hành lưới điện có nguồn phân tán. Việc sử dụng phần mềm PSS/E với mô hình động chi tiết giúp mô phỏng chính xác các phản ứng của hệ thống điện trong các kịch bản khác nhau.

Kết quả nghiên cứu có thể được trình bày qua các biểu đồ điện áp tại các nút quan trọng theo thời gian sau sự cố, cũng như bảng tổng hợp tỷ trọng xâm nhập và trạng thái ổn định tương ứng. Điều này giúp trực quan hóa ảnh hưởng của nguồn phân tán đến tính ổn định hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng quy hoạch phát triển nguồn phân tán có kiểm soát: Đề xuất các cơ quan quản lý xây dựng kế hoạch phát triển nguồn phân tán theo từng giai đoạn, đảm bảo tỷ trọng xâm nhập không vượt quá khoảng 35% để duy trì ổn định hệ thống. Thời gian thực hiện trong 5 năm tới, chủ thể là Bộ Công Thương và các đơn vị quy hoạch điện.

  2. Nâng cấp và đồng bộ lưới điện truyền tải, phân phối: Tăng cường đầu tư nâng cấp lưới điện để cải thiện khả năng truyền tải và điều khiển điện áp, giảm thiểu tổn thất và tăng tính ổn định khi có nguồn phân tán lớn. Chủ thể thực hiện là các công ty truyền tải và phân phối điện, với kế hoạch 3-5 năm.

  3. Phát triển công nghệ điều khiển và lưu trữ năng lượng: Áp dụng các giải pháp công nghệ như bộ điều khiển công suất phản kháng tiên tiến, hệ thống lưu trữ năng lượng để hỗ trợ ổn định điện áp và tần số khi nguồn phân tán biến động. Chủ thể là các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp công nghệ điện, thời gian 2-4 năm.

  4. Tăng cường đào tạo và nâng cao năng lực vận hành: Đào tạo chuyên sâu cho cán bộ vận hành lưới điện về quản lý và điều khiển hệ thống có nguồn phân tán cao, sử dụng phần mềm mô phỏng như PSS/E để dự báo và xử lý sự cố. Chủ thể là các trường đại học, trung tâm đào tạo, thời gian liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Nhận diện giới hạn an toàn trong phát triển nguồn phân tán, từ đó xây dựng chính sách phát triển bền vững và quy hoạch điện lực phù hợp.

  2. Các kỹ sư vận hành và quản lý lưới điện: Áp dụng kết quả nghiên cứu để điều chỉnh vận hành, huy động nguồn và xử lý sự cố nhằm đảm bảo ổn định điện áp và tần số trong hệ thống có nguồn phân tán.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện: Tham khảo mô hình, phương pháp mô phỏng và phân tích ổn định hệ thống điện với nguồn phân tán, phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo.

  4. Doanh nghiệp phát triển và đầu tư năng lượng tái tạo: Hiểu rõ giới hạn kỹ thuật và yêu cầu vận hành để thiết kế, triển khai các dự án năng lượng tái tạo phù hợp với lưới điện hiện hữu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nguồn phân tán là gì và tại sao lại ảnh hưởng đến ổn định hệ thống điện?
    Nguồn phân tán là các nguồn phát điện nhỏ, nằm gần điểm tiêu thụ như điện gió, điện mặt trời. Chúng ảnh hưởng đến ổn định do quán tính thấp, dao động công suất và điện áp, làm thay đổi đặc tính vận hành của hệ thống điện truyền thống.

  2. Tỷ trọng xâm nhập nguồn phân tán tối đa là bao nhiêu để đảm bảo ổn định?
    Theo nghiên cứu, tỷ trọng xâm nhập tối đa khoảng 34-37% tùy theo đặc điểm lưới điện địa phương, vượt quá mức này có thể gây mất ổn định điện áp và tần số.

  3. Phần mềm PSS/E được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    PSS/E được dùng để mô phỏng mô hình động các phần tử hệ thống điện và nguồn phân tán, phân tích ổn định điện áp sau sự cố với các kịch bản mức độ xâm nhập khác nhau, giúp đánh giá giới hạn an toàn.

  4. Làm thế nào để cải thiện ổn định hệ thống khi tỷ trọng nguồn phân tán tăng?
    Có thể nâng cấp lưới điện, áp dụng công nghệ điều khiển công suất phản kháng, sử dụng hệ thống lưu trữ năng lượng và đào tạo vận hành chuyên sâu để hỗ trợ ổn định điện áp và tần số.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các khu vực khác không?
    Phương pháp và kết quả nghiên cứu có thể tham khảo cho các khu vực có đặc điểm lưới điện tương tự, tuy nhiên cần điều chỉnh theo đặc thù lưới và nguồn phân tán địa phương.

Kết luận

  • Xác định tỷ trọng xâm nhập tối đa của nguồn phân tán là khoảng 37% cho lưới điện Bình Thuận và 34% cho Bình Định để đảm bảo ổn định điện áp theo tiêu chuẩn quốc gia.
  • Mô hình động chi tiết trong PSS/E giúp đánh giá chính xác ảnh hưởng của nguồn phân tán đến ổn định hệ thống điện.
  • Nguồn điện gió và mặt trời có đặc tính quán tính thấp và dao động điện áp lớn, ảnh hưởng đến tính ổn định khi xâm nhập cao.
  • Cần có quy hoạch phát triển nguồn phân tán có kiểm soát, đồng bộ nâng cấp lưới điện và áp dụng công nghệ điều khiển tiên tiến.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo tập trung vào phát triển giải pháp lưu trữ năng lượng và điều khiển thông minh để nâng cao tính ổn định hệ thống điện trong tương lai.

Để đảm bảo vận hành an toàn và phát triển bền vững nguồn năng lượng tái tạo, các đơn vị quản lý và nghiên cứu cần phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời tiếp tục cập nhật và mở rộng nghiên cứu theo diễn biến thực tế của hệ thống điện quốc gia.