Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển bứt phá của các nguồn năng lượng tái tạo đang tái định hình cấu trúc vận hành của hệ thống điện quốc gia. Tại Việt Nam, Tập đoàn Điện lực Việt Nam đã triển khai chuẩn bị đầu tư 23 dự án điện mặt trời với tổng công suất xấp xỉ 3.100 MW, đóng góp quan trọng vào mục tiêu đa dạng hóa nguồn cung năng lượng sạch. Tuy nhiên, đặc tính phụ thuộc thời tiết và tính bất định cao của bức xạ mặt trời đặt ra nhiều thách thức nghiêm trọng. Thực tế vận hành cho thấy hiện tượng lệch đỉnh công suất diễn ra rõ nét khi nguồn phát quang điện cực đại vào khung 12h00 - 13h00 trưa, hoàn toàn lệch pha với hai đỉnh phụ tải hệ thống lúc 10h00 sáng và 14h00 chiều. Hậu quả trực tiếp là tình trạng nghẽn mạch cục bộ, điển hình như trục truyền tải 110kV Tháp Chàm - Hậu Sanh - Tuy Phong - Phan Rí từng ghi nhận mức quá tải từ 260% đến 360%, buộc nhiều nhà máy phải cắt giảm 30% đến 60% công suất phát.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện của tác giả Trương Huỳnh Anh Khoa tập trung giải quyết bài toán cốt lõi: Đánh giá toàn diện tác động tĩnh và động khi tích hợp nguồn năng lượng mặt trời công suất lớn vào lưới điện, từ đó xác định ngưỡng xâm nhập an toàn và đề xuất các giải pháp kỹ thuật tối ưu. Mục tiêu nghiên cứu hướng đến việc kiểm soát chất lượng điện áp và tổn thất công suất toàn mạng luôn nằm trong giới hạn cho phép 5% theo tiêu chuẩn TCVN 7995:2009 và tiêu chuẩn quốc tế IEC 60038:2002. Phạm vi khảo sát được thực hiện đa tầng từ hệ thống chuẩn IEEE-9 nút, IEEE-30 nút cho đến mô hình lưới điện phân phối thực tế trực thuộc Điện lực Cà Mau trong mốc thời gian hoàn thành năm 2020. Ý nghĩa nghiên cứu mang tính ứng dụng cao, cung cấp cơ sở định lượng giúp các đơn vị quản lý vận hành kiểm soát độ sụt áp, giảm tổn hao truyền tải từ 15% đến 20% và đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết biến đổi quang điện bán dẫn và lý thuyết phân tích hệ thống điện hiện đại. Bản chất vật lý của pin quang điện dựa trên hiệu ứng quang điện trong tại lớp tiếp giáp P-N của tinh thể silic, nơi các hạt photon hấp thụ năng lượng mặt trời giải phóng cặp electron - lỗ trống để tạo ra dòng điện một chiều. Dòng điện này được đồng bộ hóa và biến đổi thành dòng xoay chiều thông qua nghịch lưu biến tần tích hợp thuật toán dò điểm công suất cực đại.

Trong tính toán chế độ xác lập, luận văn áp dụng phương pháp lặp giải tích Newton-Raphson để giải hệ phương trình phi tuyến trào lưu công suất dựa trên ma trận tổng dẫn thanh cái bậc n x n và ma trận tổng trở nút. Đối với chế độ quá độ, nghiên cứu áp dụng hệ phương trình vi phân phi tuyến mô tả chuyển động quay của rôto máy phát đồng bộ kết hợp biến đổi toán tử Laplace để phân tích các dao động cưỡng bức và dao động tự do khi lưới điện gặp sự cố ngắn mạch hoặc mất phụ tải. Khung lý thuyết bao quát 4 khái niệm kỹ thuật trọng tâm:

  • Mức độ xâm nhập quang điện: Tỷ lệ phần trăm giữa tổng công suất nguồn điện mặt trời phát vào hệ thống so với tổng công suất phụ tải tiêu thụ.
  • Độ ổn định điện áp tĩnh: Khả năng duy trì biên độ điện áp các thanh cái trong phạm vi sai số cho phép ±5% ở điều kiện vận hành bình thường.
  • Ổn định quá độ hệ thống: Năng lực của lưới điện trong việc duy trì trạng thái đồng bộ sau những kích động lớn như ngắn mạch ba pha hay sự cố đường dây.
  • Cơ chế bù công suất phản kháng linh hoạt: Sự phối hợp điều khiển dòng công suất vô công nhằm ổn định nút điện áp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của luận văn được tổng hợp từ cơ sở dữ liệu bức xạ mặt trời toàn quốc với cường độ dao động từ 897 đến 2.108 kWh/m²/năm (tương đương 2,46 đến 5,77 kWh/m²/ngày), kết hợp thông số vận hành thực tế tại 63 tỉnh thành do Viện Năng lượng công bố. Mẫu nghiên cứu được lựa chọn có chủ đích bao gồm 3 đối tượng mô phỏng đại diện: Hệ thống chuẩn IEEE-9 nút (đại diện lưới truyền tải cơ bản), hệ thống IEEE-30 nút (đại diện mạng lưới phức hợp đa điểm phát) và sơ đồ nguyên lý lưới điện phân phối thực tế của Công ty Điện lực Cà Mau với hơn 20 lộ ra trung áp.

Phương pháp phân tích trọng tâm là mô phỏng số trên phần mềm chuyên dụng ETAP kết hợp phần mềm PSS/E. Lý do lựa chọn công cụ này xuất phát từ khả năng mô hình hóa chuẩn xác các khối nghịch lưu công suất, thuật toán điều phối trào lưu công suất tối ưu và khả năng mô phỏng chi tiết phản ứng thời gian thực của thiết bị bảo vệ rơle, máy cắt. Đặc biệt, tác giả áp dụng phương pháp sàng lọc thanh cái nhanh: Loại bỏ tính toán tại các nút máy phát cân bằng và thanh cái máy biến áp, tập trung ưu tiên phân tích các nút tải ở xa nguồn. Toàn bộ quy trình nghiên cứu thực nghiệm được triển khai chặt chẽ trong thời gian 6 tháng (từ tháng 02/2020 đến tháng 08/2020).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng đa kịch bản trên phần mềm ETAP đã đem lại 4 phát hiện kỹ thuật cốt lõi:

  • Cải thiện điện áp và giảm tổn thất ở mức xâm nhập vừa phải: Khi tích hợp điện mặt trời với mức xâm nhập dưới 25% công suất phụ tải tại các thanh cái mang tải xa nguồn, biên độ điện áp tại các nút cuối lưới được nâng lên từ 3,2% đến 4,8%, đồng thời tổn thất công suất tác dụng trên đường dây giảm rõ rệt khoảng 18,5% so với chế độ vận hành cơ sở.
  • Ngưỡng giới hạn xâm nhập và hiện tượng quá áp: Khi mức xâm nhập vượt quá ngưỡng tới hạn 35% đến 40%, hiện tượng trào lưu công suất ngược xuất hiện khiến điện áp tại nút đấu nối tăng vọt vượt quá giới hạn +5% của tiêu chuẩn TCVN 7995:2009, đạt mức tăng +7,8% tại các nút nhạy cảm, gây nguy cơ quá áp nghiêm trọng cho thiết bị.
  • Suy giảm quán tính và suy thoái ổn định quá độ: Trong các kịch bản xảy ra ngắn mạch 3 pha kéo dài 0,1 giây, sự thiếu hụt quán tính quay cơ học từ các biến tần điện mặt trời làm tần số hệ thống sụt giảm sâu xuống mức 48,8 Hz (so với định mức 50 Hz), kéo dài thời gian dao động dập tắt sự cố thêm 38% so với khi sử dụng nguồn phát truyền thống.
  • Hiệu quả vượt trội của thuật toán sàng lọc nhanh: Quy trình loại trừ các nút không tiềm năng giúp giảm hơn 60% số lượng phép tính lặp ma trận mà vẫn giữ nguyên độ chính xác 99,2% trong việc định vị tọa độ đấu nối tối ưu.
+-----------------------------------------------------------------------------+
|               BẢNG SO SÁNH CHỈ SỐ KỸ THUẬT THEO MỨC XÂM NHẬP PV             |
+----------------------+--------------------+---------------------------------+
| Mức xâm nhập PV (%)  | Độ lệch điện áp    | Mức giảm tổn thất truyền tải    |
+----------------------+--------------------+---------------------------------+
| 0% (Chế độ gốc)      | Cơ sở (0.0%)       | Cơ sở (0.0%)                    |
| 10% - 25%            | +3.2% đến +4.8%    | Giảm 18.5%                      |
| 35% - 50%            | +7.8% (Quá áp)     | Tăng tổn thất ngược 12.4%       |
+----------------------+--------------------+---------------------------------+

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản của các hiện tượng trên bắt nguồn từ việc các nhà máy điện mặt trời kết nối lưới thông qua giao diện điện tử công suất tĩnh hoàn toàn không có quán tính quay cơ học tự nhiên như turbine của nhà máy nhiệt điện hay thủy điện. Do đó, khả năng kháng lại sự thay đổi tần số và điện áp khi có biến động tải đột ngột bị suy giảm nghiêm trọng.

Khi so sánh với các nghiên cứu quốc tế về chuẩn IEEE PES, kết quả của luận văn hoàn toàn tương thích về mặt quy luật nhưng đã chỉ rõ đặc thù riêng biệt của lưới điện Việt Nam: Các đường dây 110kV liên kết vùng thường có bán kính cấp điện dài và dung lượng tải hạn chế. Biểu đồ đường cong P-V thu được từ mô phỏng cho thấy rõ điểm phân nhánh sụp đổ điện áp xuất hiện sớm hơn 15% khi tỷ lệ xâm nhập của điện mặt trời tăng từ mức 20% lên 40% mà không có thiết bị điều khiển công suất phản kháng đi kèm. Việc biểu diễn dao động góc công suất rôto trong cửa sổ thời gian từ 0 đến 10 giây sau sự cố đã chứng minh rõ vai trò sống còn của các thiết bị bù công suất chuyên dụng.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm giải quyết triệt để các thách thức kỹ thuật khi tích hợp điện mặt trời quy mô lớn, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp đồng bộ:

  • Lắp đặt bộ điều áp dưới tải kết hợp thiết bị bù tĩnh SVC: Trang bị hệ thống điều áp tự động OLTC tại các máy biến áp 110kV và lắp đặt các bộ bù tĩnh SVC công suất từ 10 đến 25 MVAr tại các thanh cái nút trọng điểm nhằm duy trì dao động điện áp ổn định trong biên độ hẹp ±3,0%, hoàn thành lắp đặt giai đoạn 2021-2023 dưới sự chủ trì của các Tổng công ty Điện lực.
  • Triển khai hệ thống lưu trữ năng lượng pin quy mô lớn: Tích hợp hệ thống BESS với dung lượng tương đương 15% đến 20% công suất đỉnh của nhà máy điện mặt trời để hấp thụ lượng điện dư thừa vào khung giờ 11h00 - 13h00 và phát bổ sung vào giờ cao điểm tối 18h00 - 20h00, thực hiện lộ trình 2022-2025 do các chủ đầu tư nhà máy điện triển khai.
  • Kích hoạt giải thuật quán tính ảo và bộ ổn định hệ thống điện: Cài đặt tính năng tạo lưới và quán tính ảo trên hệ thống nghịch lưu biến tần kết hợp bộ ổn định PSS nhằm kiểm soát tốc độ biến thiên tần số dưới ngưỡng an toàn 0,5 Hz/giây khi có sự cố, hoàn thành kiểm chuẩn kỹ thuật trước năm 2024 bởi Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia.
  • Chuẩn hóa quy trình sàng lọc thanh cái định kỳ: Áp dụng thuật toán sàng lọc nhanh để tự động hóa khâu đánh giá dung lượng tiếp nhận nguồn phân tán cho từng trạm biến áp khu vực với chu kỳ cập nhật 6 tháng một lần, triển khai ngay từ quý IV/2020 bởi các ban quản lý dự án lưới điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn đa dạng cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

  • Kỹ sư điều độ và vận hành hệ thống điện: Vận dụng quy trình phân tích trào lưu công suất và ổn định quá độ để thiết lập các phương thức vận hành an toàn, xác định chính xác công suất truyền tải khả dụng trên các tuyến đường dây 110kV và 220kV.
  • Kỹ sư thiết kế và chủ đầu tư dự án năng lượng tái tạo: Tham khảo các tiêu chí lựa chọn cấu hình Inverter, tính toán dung lượng trạm biến áp nâng áp và thiết kế vị trí đấu nối tối ưu nhằm đáp ứng đầy đủ các quy định của Bộ Công Thương về tiêu chuẩn đấu nối lưới điện.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật điện: Khai thác mô hình toán học giải tích, phương pháp thiết lập kịch bản mô phỏng trên phần mềm ETAP và PSS/E làm tài liệu học thuật chuyên sâu phục vụ giảng dạy và nghiên cứu mở rộng.
  • Chuyên gia hoạch định chính sách và phát triển năng lượng: Sử dụng số liệu đánh giá tiềm năng kỹ thuật và phân tích chi phí tránh được để xây dựng quy hoạch không gian năng lượng, tối ưu hóa danh mục dự án ưu tiên phát triển theo từng giai đoạn 5 năm.

Câu hỏi thường gặp

Tỷ lệ thâm nhập điện mặt trời tối đa mà lưới điện hiện hữu có thể tiếp nhận an toàn là bao nhiêu?

Theo kết quả tính toán mô phỏng trên các hệ thống thử nghiệm và lưới điện thực tế Cà Mau, mức xâm nhập an toàn tối ưu dao động từ 20% đến 25% tổng công suất tải. Nếu tỷ lệ này vượt quá ngưỡng 35% mà không có thiết bị bù vô công hay pin lưu trữ, hệ thống sẽ đối mặt với tình trạng quá áp cục bộ trên 5% và mất ổn định động nghiêm trọng.

Tại sao tích hợp nguồn điện mặt trời quy mô lớn lại làm suy giảm độ ổn định quá độ của hệ thống?

Nguyên nhân chủ yếu do các nhà máy điện mặt trời sử dụng bộ chuyển đổi biến tần tĩnh không có bộ phận quay cơ học, dẫn đến việc làm giảm tổng quán tính quán tính tương đương của toàn hệ thống điện. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch, tốc độ thay đổi tần số diễn ra nhanh hơn và độ sụt tần số có thể chạm mức 48,8 Hz, gây khó khăn cho việc duy trì trạng thái làm việc đồng bộ.

Phương pháp sàng lọc nhanh thanh cái mang lại lợi ích cụ thể gì trong công tác tính toán?

Phương pháp sàng lọc nhanh giúp loại bỏ các nút không phù hợp như thanh cái máy phát cân bằng hoặc thanh cái máy biến áp trung gian, tập trung phân tích các nút tải nhạy cảm ở xa nguồn phát. Giải pháp này giúp cắt giảm hơn 60% khối lượng tính toán ma trận Jacobi phức tạp trong phần mềm ETAP nhưng vẫn đảm bảo độ tin cậy kết quả đạt trên 99%.

Thiết bị bù tĩnh SVC và hệ thống lưu trữ BESS đóng vai trò gì trong việc giải tỏa công suất?

Thiết bị bù tĩnh SVC cung cấp khả năng điều chỉnh công suất phản kháng siêu tốc trong thời gian mili giây để ghim giữ điện áp nút trong giới hạn chuẩn ±3,0%. Trong khi đó, hệ thống pin lưu trữ BESS hấp thụ từ 15% đến 20% lượng điện phát đỉnh lúc giữa trưa để chống quá tải đường dây và phát lại vào giờ cao điểm tối.

Tiêu chuẩn kỹ thuật nào đang được áp dụng để kiểm soát chất lượng điện áp khi đấu nối năng lượng tái tạo?

Chất lượng điện áp được kiểm soát nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7995:2009 và tiêu chuẩn quốc tế IEC 60038:2002. Theo quy định, độ lệch điện áp tại điểm đấu nối bình thường không được vượt quá ±5% đối với khách hàng sử dụng điện và dao động trong khoảng từ -5% đến +10% tại điểm đấu nối nhà máy phát điện.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ của tác giả Trương Huỳnh Anh Khoa đã giải quyết thành công bài toán cấp bách về mặt kỹ thuật và vận hành trong bối cảnh bùng nổ năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

  • Đã xây dựng thành công mô hình toán học và bộ công cụ mô phỏng toàn diện trên phần mềm ETAP cho cả chế độ xác lập và chế độ quá độ.
  • Đã xác định định lượng ngưỡng xâm nhập công suất quang điện tối ưu từ 20% đến 25% nhằm đảm bảo chất lượng điện áp theo chuẩn TCVN 7995:2009.
  • Đã chứng minh hiệu quả giảm hơn 60% thời gian tính toán nhờ thuật toán sàng lọc thanh cái nhanh tại lưới điện thực tế Cà Mau.
  • Đã đề xuất gói giải pháp công nghệ tích hợp gồm OLTC, bộ bù tĩnh SVC, hệ thống pin BESS và cơ chế quán tính ảo giúp kiểm soát độ sụt áp dưới 3,0%.
  • Đã cung cấp tài liệu tham khảo khoa học có giá trị cao cho công tác quy hoạch và vận hành hệ thống điện quốc gia đến năm 2030.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài trong giai đoạn 2021-2030 là mở rộng nghiên cứu mô hình điều khiển phối hợp đa nguồn năng lượng lai ghép giữa điện mặt trời, điện gió ngoài khơi và thủy điện tích năng. Để khai thác trọn vẹn tiềm năng kỹ thuật 1.677.461 MW của nguồn năng lượng sạch, các đơn vị quản lý vận hành và nhà đầu tư cần nhanh chóng ứng dụng các quy chuẩn tính toán và giải pháp kỹ thuật nêu trên vào thực tiễn dự án ngay hôm nay.