Tổng quan nghiên cứu

Quá trình chuyển dịch năng lượng tại Việt Nam đang diễn ra mạnh mẽ nhằm hiện thực hóa cam kết phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 tại Hội nghị COP26. Khu vực Nam Trung Bộ, trọng tâm là hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận, đã trở thành trung tâm năng lượng tái tạo của cả nước với hàng loạt dự án điện mặt trời và điện gió quy mô lớn đi vào vận hành. Tuy nhiên, sự phát triển tập trung với tốc độ cao đã tạo áp lực nghiêm trọng lên hạ tầng truyền tải điện. Do nhu cầu phụ tải tại chỗ của Ninh Thuận và Bình Thuận chiếm tỷ trọng rất nhỏ so với tổng công suất đặt của các nguồn phát, lượng điện dư thừa khổng lồ buộc phải truyền tải liên vùng. Hậu quả là xuất hiện tình trạng quá tải cục bộ trên các đường dây 110kV, 220kV và hệ thống 500kV Bắc - Nam, dẫn đến việc cơ quan điều độ phải cắt giảm công suất phát của các nhà máy năng lượng tái tạo, với sản lượng điện bị cắt giảm năm 2020 lên tới khoảng 364 triệu kWh.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng phương pháp luận và tính toán giải pháp kỹ thuật - kinh tế khi tích hợp hệ thống pin tích trữ năng lượng BESS cho lưới điện 500-220-110kV khu vực Ninh Thuận - Bình Thuận trong năm 2025. Nghiên cứu hướng đến việc xác định vị trí, công suất và dung lượng tối ưu của BESS nhằm giải tỏa hoàn toàn công suất nguồn năng lượng tái tạo, giảm tổn thất điện năng và nâng cao độ ổn định vận hành. Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ hệ thống điện truyền tải và phân phối của hai tỉnh trên miền thời gian 24 giờ. Nghiên cứu bám sát định hướng của Quyết định số 500/QĐ-TTg ngày 15 tháng 5 năm 2023 của Thủ tướng Chính phủ về Quy hoạch điện VIII, trong đó đặt mục tiêu phát triển nguồn điện tích trữ đạt khoảng 2.700 MW vào năm 2030 và mở rộng lên mức 30.550 MW đến 45.550 MW vào năm 2050. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc nâng cao hiệu quả kinh tế cho chủ đầu tư, tối ưu hóa vận hành hệ thống điện quốc gia và hỗ trợ cung ứng điện an toàn cho miền Bắc trong các giai đoạn cao điểm mùa khô.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết phân tích trào lưu công suất, cân bằng công suất nguồn - tải trong hệ thống điện và tiêu chuẩn quốc tế về hệ thống tích trữ năng lượng IEC 62933-2-1:2017. Theo tiêu chuẩn này, các ứng dụng của BESS được phân chia thành ba nhóm chức năng chính:

  • Nhóm Class A: Ứng dụng phản ứng nhanh trong thời gian ngắn như điều tần sơ cấp, giảm dao động công suất và điều khiển ổn định điện áp.
  • Nhóm Class B: Ứng dụng thời gian dài phục vụ quản lý năng lượng, dịch chuyển thời gian phát điện và san bằng phụ tải đỉnh. Đây là chức năng trọng tâm được áp dụng trong đề tài để giải quyết bài toán nghẽn mạch lưới điện.
  • Nhóm Class C: Cung cấp nguồn điện dự phòng khẩn cấp và hỗ trợ vận hành chế độ tách đảo lưới điện.

Nghiên cứu ứng dụng các khái niệm kỹ thuật chuyên sâu về BESS gồm: Trạng thái sạc (SOC), Độ sâu xả (DOD), Điểm đấu nối chung (PCC), Vòng đời hoạt động và Hiệu suất chu kỳ khứ hồi. Trong cơ cấu công nghệ tích trữ năng lượng toàn cầu giai đoạn 2012-2020, công nghệ pin Lithium-ion đã vươn lên chiếm lĩnh thị phần áp đảo từ 47% lên tới 92% nhờ mật độ năng lượng cao đạt 120-250 Wh/kg, hiệu suất chuyển đổi vượt trội từ 75% đến 90% và tuổi thọ kéo dài từ 15 đến 20 năm. Khi so sánh với các công nghệ khác như ắc quy Chì-axit có độ bền thấp từ 5-15 năm, pin dòng Oxy hóa khử Vanadi (VRB) có mật độ năng lượng chỉ đạt 10-75 Wh/kg hay pin Natri Lưu huỳnh (NaS) đòi hỏi chi phí vận hành nhiệt độ cao tới 80 USD/kW/năm, pin Lithium-ion thể hiện ưu thế vượt trội về mặt kỹ thuật và tính khả thi thương mại hóa.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thu thập toàn diện về cấu hình lưới điện 500-220-110kV khu vực Nam Trung Bộ, thông số kỹ thuật chi tiết của các tuyến đường dây, máy biến áp và biểu đồ phụ tải 24 giờ điển hình các tháng trong năm. Tập mẫu nghiên cứu bao gồm 100% các nút trạm biến áp, máy biến áp và tuyến đường dây cao áp 110-220-500kV thuộc địa bàn hai tỉnh Ninh Thuận - Bình Thuận với chuỗi dữ liệu 24 bước thời gian liên tục mô phỏng ngày điển hình trong năm 2025. Phương pháp chọn mẫu toàn diện được áp dụng nhằm bao quát toàn bộ các điểm nút có nguy cơ tắc nghẽn công suất cao nhất, đảm bảo tính đại diện tuyệt đối cho chế độ vận hành thực tế.

Nghiên cứu sử dụng phần mềm bản quyền ETAP 22.5 của hãng Operation Technology, Inc (Mỹ) để mô phỏng hệ thống điện và phân tích trào lưu công suất miền thời gian 24 giờ trong năm 2025. Lý do lựa chọn phần mềm ETAP 22.5 là nhờ khả năng tính toán chính xác cao các bài toán trào lưu công suất phi tuyến, mô phỏng linh hoạt các phần tử điện tử công suất BESS ở chế độ phát/hút công suất tác dụng và phản kháng (P/Q), cũng như kiểm tra chính xác điều kiện quá tải của các phần tử lưới điện. Trên cơ sở kết quả mô phỏng kỹ thuật, phương pháp phân tích tài chính - kinh tế thông qua các chỉ số dòng tiền chiết khấu (NPV, IRR, B/C) được áp dụng để xác định quy mô đầu tư và hiệu quả vận hành tối ưu của các trạm BESS.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích trào lưu công suất trên mô hình lưới điện năm 2025 khi chưa lắp đặt BESS đã chỉ ra các vấn đề vận hành nghiêm trọng:

  • Thứ nhất, trong chế độ vận hành bình thường (N-0), hiện tượng quá tải diễn ra cục bộ tại nhiều phân đoạn đường dây 110kV vào các khung giờ phát điện cực đại của nguồn điện mặt trời từ 11h00 đến 13h00. Tuyến đường dây 110kV Phan Thiết 220kV - Mũi Né tại Bình Thuận xuất hiện mức mang tải cực đại vượt ngưỡng định mức lên tới khoảng 120% đến 130%. Tại Ninh Thuận, các tuyến đường dây 110kV từ Nhà máy điện mặt trời BIM đi Trạm cắt Hậu Sanh và tuyến từ Nhà máy điện mặt trời Nhơn Hải đi Tháp Chàm 2 cũng bị quá tải nặng nề, đe dọa an toàn lưới điện.
  • Thứ hai, luận văn đã tính toán và lựa chọn được 3 vị trí lắp đặt BESS chiến lược gồm Trạm biến áp 110kV Mũi Né (Bình Thuận), Trạm biến áp 110kV Nhà máy điện mặt trời BIM (Ninh Thuận) và Trạm biến áp 110kV Nhà máy điện mặt trời Nhơn Hải (Ninh Thuận).
  • Thứ ba, việc định cỡ công suất và dung lượng BESS tối ưu tại 3 vị trí trên đã giải quyết triệt để tình trạng nghẽn mạch. Sau khi tích hợp BESS, 100% các phần tử đường dây và máy biến áp từng bị quá tải đã trở về mức mang tải an toàn dưới 100% công suất định mức trong suốt 24 giờ vận hành.
  • Thứ tư, giải pháp BESS giúp cắt giảm tổn thất công suất cực đại của toàn hệ thống khu vực từ 15% đến 25% trong các khung giờ cao điểm, đồng thời tận dụng triệt để 100% công suất phát của các nhà máy năng lượng tái tạo mà không cần phải thực hiện sa thải nguồn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi của tình trạng quá tải lưới điện xuất phát từ sự mất cân đối cục bộ giữa công suất phát của các nguồn năng lượng tái tạo tập trung và nhu cầu phụ tải địa phương rất thấp. Trong thực tế, tốc độ thi công các dự án nguồn điện mặt trời và điện gió diễn ra rất nhanh, chỉ từ 6 đến 12 tháng, trong khi các công trình nâng cấp lưới truyền tải điện thường kéo dài từ 3 đến 5 năm do vướng mắc thủ tục đầu tư và giải phóng mặt bằng.

Dữ liệu mô phỏng được thể hiện chi tiết qua các biểu đồ trào lưu công suất 24 giờ theo từng nút trạm và bảng tổng hợp mức mang tải trước và sau khi gắn BESS. Đồ thị vận hành cho thấy rõ cơ chế hoạt động: vào buổi trưa, BESS chuyển sang chế độ nạp (Charge Mode) để hấp thụ công suất phát dư thừa từ các nhà máy điện mặt trời, làm phẳng đồ thị phát công suất lên lưới truyền tải. Đến khung giờ cao điểm tối từ 17h00 đến 20h00 khi bức xạ mặt trời tắt và phụ tải tăng vọt, BESS chuyển sang chế độ xả (Discharge Mode) để phát điện trở lại hệ thống. Kết quả này tương đồng với các mô hình triển khai pin tích trữ quy mô lưới tại bang California (Hoa Kỳ) và đảo Jurong (Singapore), khẳng định tính đúng đắn và hiệu quả vượt bậc của giải pháp BESS trong việc tối ưu hóa hạ tầng điện hiện hữu mà không cần tốn kém chi phí xây dựng thêm các tuyến đường dây truyền tải mới.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hiện thực hóa giải pháp sử dụng BESS cho hệ thống điện khu vực Ninh Thuận - Bình Thuận, luận văn đề xuất các nhóm giải pháp đồng bộ:

  • Triển khai lắp đặt thí điểm hệ thống pin tích trữ Lithium-ion dạng module container tại Trạm biến áp 110kV Mũi Né, Trạm biến áp 110kV BIM và Trạm biến áp 110kV Nhơn Hải, hoàn thành trong giai đoạn 2024-2025. Đơn vị thực hiện là Tập đoàn Điện lực Việt Nam phối hợp cùng các chủ đầu tư nhà máy năng lượng tái tạo, hướng tới mục tiêu giải tỏa 100% công suất nghẽn mạch và giảm tỷ lệ cắt giảm phát về mức 0%.
  • Ứng dụng hệ thống điều khiển tự động SCADA/EMS tích hợp thuật toán quản lý năng lượng thông minh, điều khiển phối hợp chế độ nạp - xả tự động theo thời gian thực cho BESS Class B (san tải) và Class A (điều tần, điều áp). Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia chủ trì thực hiện từ năm 2025 đến 2026, đảm bảo thời gian đáp ứng điều tần dưới 100 mili-giây và độ lệch điện áp duy trì trong ngưỡng cho phép ±5%.
  • Hoàn thiện khung pháp lý và cơ chế giá điện hai thành phần, giá mua bán dịch vụ phụ trợ hệ thống cho các nhà máy điện có tích hợp BESS theo định hướng Quy hoạch điện VIII. Bộ Công Thương và Cục Điều tiết Điện lực chủ trì ban hành trước quý IV năm 2025 nhằm thiết lập mô hình tài chính khả thi, bảo đảm tỷ suất hoàn vốn nội bộ (IRR) đạt trên 10% đến 12% để thu hút vốn đầu tư xã hội hóa.
  • Tăng cường tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật, phòng chống cháy nổ và kiểm soát nhiệt độ môi trường cho các khối pin container BESS theo bộ tiêu chuẩn quốc tế IEC 62933. Các đơn vị tư vấn và đơn vị quản lý vận hành triển khai quy trình kiểm định định kỳ từ năm 2025, hướng tới duy trì độ sẵn sàng vận hành của hệ thống đạt 99,9% và kéo dài tuổi thọ cell pin từ 15 đến 20 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng cao đối với các nhóm đối tượng:

  • Cơ quan quản lý nhà nước và cơ quan lập quy hoạch năng lượng (Bộ Công Thương, Viện Năng lượng): Sử dụng số liệu tính toán và mô hình kinh tế trong luận văn để làm căn cứ ban hành các cơ chế giá khuyến khích hệ thống pin tích trữ và cụ thể hóa các mục tiêu của Quy hoạch điện VIII.
  • Đơn vị điều độ và vận hành hệ thống điện truyền tải (EVN, Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia, Công ty Truyền tải điện): Tham khảo phương pháp luận mô phỏng trào lưu công suất trên ETAP và thuật toán điều khiển nạp - xả để áp dụng vào công tác vận hành thực tế, giải quyết hiện tượng nghẽn mạch tại các điểm nút 110kV và 220kV.
  • Chủ đầu tư các dự án điện gió và điện mặt trời tại khu vực Nam Trung Bộ và Tây Nguyên: Ứng dụng các thông số tính toán quy mô dung lượng, công suất BESS và bài toán phân tích tài chính nhằm xây dựng phương án lắp đặt pin tích trữ tại chỗ, giúp giảm thiểu thiệt hại do sa thải công suất phát.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên các trường đại học khối ngành kỹ thuật điện, quản lý năng lượng: Sử dụng làm tài liệu học tập, nghiên cứu chuyên sâu về phân tích hệ thống điện tích hợp năng lượng tái tạo và công nghệ lưu trữ điện hóa hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  • Hệ thống BESS giải quyết tình trạng nghẽn mạch lưới điện tại Ninh Thuận và Bình Thuận theo nguyên tắc nào? Hệ thống BESS vận hành theo chế độ quản lý năng lượng Class B. Vào khung giờ bức xạ cực đại từ 11h00 đến 13h00 khi các nhà máy điện mặt trời phát công suất lớn gây quá tải đường dây, BESS kích hoạt chế độ nạp để lưu trữ điện năng dư thừa. Vào giờ cao điểm tối từ 17h00 đến 20h00 khi phụ tải tăng cao, BESS xả điện phát lên lưới, giúp các tuyến đường dây 110kV như Phan Thiết - Mũi Né vận hành an toàn dưới 100% công suất định mức mà không cần cắt giảm phát của nhà máy.

  • Tại sao công nghệ pin Lithium-ion lại được ưu tiên lựa chọn thay vì pin Chì-axit hay pin dòng Vanadi? Pin Lithium-ion chiếm tới 92% thị phần hệ thống lưu trữ điện hóa toàn cầu nhờ mật độ năng lượng vượt trội đạt 120-250 Wh/kg, hiệu suất khứ hồi cao từ 75% đến 90% và tuổi thọ từ 15 đến 20 năm. So với ắc quy Chì-axit có tuổi thọ ngắn hay pin dòng Vanadi có chi phí lắp đặt ban đầu cao và mật độ năng lượng thấp chỉ 10-75 Wh/kg, pin Lithium-ion dạng module container đem lại hiệu quả kỹ thuật và kinh tế tối ưu nhất cho lưới điện truyền tải.

  • Phương pháp và công cụ nào được sử dụng để xác định vị trí và quy mô BESS trong luận văn? Luận văn sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên dụng ETAP 22.5 của hãng OTI (Mỹ) để phân tích trào lưu công suất miền thời gian 24 giờ trên lưới điện 500-220-110kV năm 2025. Dựa trên việc nhận diện các phần tử bị quá tải nặng nề nhất trong chế độ vận hành bình thường, tác giả xác định 3 vị trí đặt BESS tại các trạm 110kV Mũi Né, BIM và Nhơn Hải, từ đó tính toán dung lượng và công suất nạp - xả tối ưu nhằm đưa mức mang tải của lưới về ngưỡng an toàn.

  • Việc triển khai BESS tại Nam Trung Bộ có ý nghĩa như thế nào đối với an ninh cung ứng điện quốc gia? Giải pháp BESS giúp lưu giữ lượng điện tái tạo dư thừa vào ban ngày để phát bổ sung vào các khung giờ cao điểm, giảm áp lực truyền tải công suất ngược trên đường dây liên kết 500kV Bắc - Nam. Điều này giúp tối ưu hóa khả năng truyền tải điện an toàn từ miền Nam và miền Trung ra miền Bắc, hỗ trợ giải quyết tình trạng căng thẳng nguồn cung điện tại khu vực phía Bắc trong các tháng cao điểm mùa khô.

  • Luận văn đánh giá hiệu quả kinh tế của hệ thống BESS dựa trên những yếu tố nào? Hiệu quả kinh tế được đánh giá thông qua việc tận dụng sản lượng điện tái tạo từng bị cắt giảm lên tới hàng trăm triệu kWh mỗi năm, giảm tổn thất công suất lưới điện từ 15% đến 25% và trì hoãn nhu cầu đầu tư nâng cấp hạ tầng đường dây mới. Phân tích tài chính dựa trên biểu giá điện chênh lệch giữa giờ cao điểm và thấp điểm cho thấy dự án mang lại dòng tiền hoàn vốn khả thi và đạt hiệu quả đầu tư tích cực cho xã hội.

Kết luận

  • Đã số hóa và mô phỏng thành công toàn bộ hệ thống điện 500-220-110kV khu vực tỉnh Ninh Thuận - Bình Thuận năm 2025 trên phần mềm ETAP 22.5 trên miền thời gian 24 giờ.
  • Đã nhận diện chính xác các nút thắt nghẽn mạch và đề xuất 3 vị trí lắp đặt BESS tối ưu tại Trạm biến áp 110kV Mũi Né, Trạm biến áp 110kV BIM và Trạm biến áp 110kV Nhơn Hải.
  • Chứng minh giải pháp BESS giải quyết triệt để tình trạng quá tải đường dây và máy biến áp trong chế độ vận hành bình thường (N-0), đồng thời cắt giảm tổn thất công suất cực đại từ 15% đến 25%.
  • Cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp luận kỹ thuật - kinh tế vững chắc phục vụ việc hiện thực hóa mục tiêu 2.700 MW pin tích trữ vào năm 2030 theo Quy hoạch điện VIII.
  • Định hướng mở rộng nghiên cứu bài toán ổn định động, khảo sát chế độ sự cố đơn lẻ (N-1) và tối ưu hóa điều khiển đa mục tiêu cho các vùng phát triển năng lượng tái tạo trọng điểm trên cả nước.

Về lộ trình tiếp theo, giai đoạn 2024-2025 cần tập trung hoàn thiện thiết kế kỹ thuật chi tiết và thử nghiệm mô hình BESS thí điểm, tiến tới vận hành thương mại và tích hợp diện rộng trong giai đoạn 2025-2026. Các cơ quan quản lý, doanh nghiệp năng lượng và các nhà nghiên cứu hãy cùng tham khảo, hợp tác ứng dụng kết quả của luận văn để thúc đẩy phát triển hệ thống điện Việt Nam thông minh, linh hoạt và bền vững.