Tổng quan nghiên cứu

Việc phát triển bùng nổ các nguồn năng lượng tái tạo đã đóng góp tích cực vào mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính của Việt Nam theo cam kết đạt mức phát thải ròng bằng không vào năm 2050 tại Hội nghị COP26. Tuy nhiên, sự phát triển tập trung quá nhanh của điện gió và điện mặt trời tại khu vực Nam Trung Bộ đã tạo áp lực cực lớn lên hạ tầng lưới điện truyền tải. Điển hình trong năm 2020, hệ thống điện quốc gia đã phải cắt giảm sản lượng điện khoảng 364 triệu kWh từ các nguồn năng lượng tái tạo do nghẽn mạch truyền tải cục bộ và liên miền. Tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận là hai trung tâm năng lượng tái tạo lớn nhất cả nước, nơi tổng công suất phát điện tại chỗ vượt xa nhu cầu phụ tải nội tỉnh nhưng mạng lưới truyền tải 500kV, 220kV và 110kV lại chưa đáp ứng kịp thời khả năng giải tỏa công suất.

Để giải quyết mâu thuẫn này, Quyết định số 500/QĐ-TTg ngày 15 tháng 5 năm 2023 của Thủ tướng Chính phủ về Quy hoạch điện VIII đã đặt mục tiêu phát triển nguồn điện tích trữ đạt công suất khoảng 2.700 MW vào năm 2030 và mở rộng lên quy mô từ 30.550 MW đến 45.550 MW vào năm 2050. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Quản lý Năng lượng tập trung nghiên cứu hệ thống điện 500-220-110kV khu vực Ninh Thuận - Bình Thuận trong mốc thời gian năm 2025. Mục tiêu chính là xây dựng phương pháp luận khoa học, mô phỏng đánh giá trào lưu công suất và tổn thất điện năng, từ đó đề xuất giải pháp ứng dụng hệ thống pin tích trữ năng lượng BESS tối ưu. Nghiên cứu mang ý nghĩa chiến lược khi giúp giải tỏa triệt để nguồn năng lượng tái tạo, giảm tổn thất công suất lưới điện, đồng thời hỗ trợ chuyển dịch năng lượng để chi viện nguồn công suất quý giá cho miền Bắc trong các tháng cao điểm mùa khô.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn quốc tế IEC 62933-2-1:2017 về hệ thống tích trữ năng lượng điện, phân chia các ứng dụng của BESS thành ba nhóm chức năng chính gồm Class A hỗ trợ ngắn hạn cho điều tần và điều áp, Class B đáp ứng phụ tải dài hạn thông qua san bằng đỉnh tải và chuyển dịch thời gian tiêu thụ, Class C vận hành nguồn dự phòng khẩn cấp khi hệ thống gặp sự cố rã lưới. Bên cạnh đó, luận văn áp dụng lý thuyết cân bằng công suất nút mạng, lý thuyết trào lưu công suất phi tuyến và mô hình suy thoái tuổi thọ pin điện hóa.

Trong khuôn khổ phân tích công nghệ, bốn nhóm pin lưu trữ thương mại gồm pin Acid-chì, pin Sodium-Sulfur (NaS), pin dòng chảy Oxy hóa khử Vanadi (VRB) và pin Lithium-ion được so sánh toàn diện. Công nghệ pin Lithium-ion được lựa chọn làm giải pháp trọng tâm nhờ hiệu suất khứ hồi vượt trội từ 75% đến 90%, mật độ năng lượng đạt từ 120 Wh/kg đến 250 Wh/kg, tốc độ đáp ứng công suất trong vài mili giây và tuổi thọ vận hành thiết kế kéo dài từ 15 đến 20 năm. Các khái niệm nền tảng được chuẩn hóa gồm:

  • Điểm đấu nối chung (PCC - Point of Common Coupling): Điểm tham chiếu trên lưới truyền tải hoặc phân phối nơi BESS kết nối trực tiếp.
  • Trạng thái sạc (SOC - State-of-Charge): Tỷ lệ phần trăm điện tích hiện tại so với dung lượng danh định của pin.
  • Độ sâu phóng điện (DOD - Depth-of-Discharge): Tỷ lệ phần trăm năng lượng xả ra trong một chu kỳ làm việc.
  • Chế độ san bằng đỉnh tải (Peak Shaving): Chiến lược sạc pin lúc thấp điểm trưa và xả nguồn vào giờ cao điểm tối.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa thu thập số liệu vận hành thực tế và mô phỏng số miền thời gian 24 giờ trên phần mềm chuyên dụng ETAP phiên bản 22.5 do Operation Technology, Inc. (Mỹ) phát triển. Dữ liệu đầu vào bao gồm biểu đồ phát điện 24 giờ điển hình theo từng tháng của toàn bộ các nhà máy điện mặt trời, điện gió, thủy điện, nhiệt điện than và đồ thị phụ tải chi tiết của hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận dự báo cho năm 2025.

Quy mô mẫu nghiên cứu bao trùm 100% các phần tử trên lưới điện 500-220-110kV khu vực nghiên cứu, bao gồm hàng chục trạm biến áp và hàng trăm kilômét đường dây truyền tải. Luận văn áp dụng phương pháp chọn mẫu toàn diện đối với toàn bộ các nút lưới trọng yếu thay vì chọn mẫu ngẫu nhiên, nhằm phản ánh chính xác tương tác vật lý phức tạp và trạng thái trào lưu công suất thực tế. Phần mềm ETAP 22.5 được lựa chọn nhờ thuật toán giải phương trình đại số phi tuyến Newton-Raphson có độ tin cậy cao, cho phép quét kiểm tra chế độ vận hành bình thường (N-0) và các kịch bản sự cố đơn lẻ (N-1) trong chu kỳ 24 giờ liên tục. Quá trình tính toán, phân tích kỹ thuật và thẩm định hiệu quả tài chính được thực hiện xuyên suốt trong giai đoạn từ tháng 01/2024 đến tháng 05/2024.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô phỏng trào lưu công suất lưới điện khu vực Ninh Thuận - Bình Thuận năm 2025 trong chế độ vận hành bình thường (N-0) khi chưa lắp đặt BESS cho thấy tình trạng quá tải nghiêm trọng xuất hiện tập trung vào khung giờ từ 10 giờ 00 đến 14 giờ 00. Đây là thời điểm bức xạ mặt trời cực đại khiến các nhà máy điện mặt trời phát tối đa công suất, trong khi phụ tải tiêu thụ nội vùng chỉ đạt khoảng 20% đến 30% tổng công suất phát. Nhiều đường dây 110kV giải tỏa công suất rơi vào tình trạng mang tải từ 115% đến trên 130% định mức, buộc đơn vị vận hành phải cắt giảm công suất phát của các nhà máy năng lượng tái tạo.

Dựa trên phương pháp tối ưu hóa vị trí và quy mô công suất, nghiên cứu đã xác định chính xác 3 vị trí trạm biến áp xung yếu nhất cần lắp đặt hệ thống BESS gồm:

  • Trạm biến áp 110kV Mũi Né (tỉnh Bình Thuận): Giải quyết hiện tượng quá tải trên đường dây 110kV Phan Thiết 220kV - Mũi Né.
  • Trạm biến áp 110kV Nhà máy điện mặt trời BIM (tỉnh Ninh Thuận): Khắc phục nghẽn mạch trên đường dây 110kV NMĐMT BIM - Tháp Chàm Hậu Sanh.
  • Trạm biến áp 110kV Nhà máy điện mặt trời Nhơn Hải (tỉnh Ninh Thuận): Xử lý dứt điểm quá tải trên đường dây 110kV NMĐMT Nhơn Hải - Tháp Chàm 2.

Sau khi tích hợp hệ thống BESS với dung lượng và công suất tính toán tối ưu, 100% các phần tử đường dây và máy biến áp bị quá tải trước đó đều hạ mức mang tải về ngưỡng an toàn kỹ thuật dưới 80% đến 85% công suất định mức. Đồng thời, tổn thất công suất cực đại trên lưới điện khu vực giảm đáng kể từ 15% đến 22% trong các khung giờ cao điểm phát điện.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu mô phỏng trước và sau khi lắp đặt BESS có thể được trực quan hóa rõ nét thông qua các bảng so sánh hệ số mang tải của từng phân đoạn đường dây 110kV và biểu đồ miền thời gian thể hiện chu kỳ nạp - xả 24 giờ. Đồ thị vận hành cho thấy hệ thống BESS tự động kích hoạt chế độ nạp năng lượng công suất lớn trong khoảng thời gian từ 09 giờ 30 đến 14 giờ 30 (hút phần công suất dư thừa từ điện mặt trời) và chuyển sang chế độ xả công suất ổn định từ 17 giờ 30 đến 21 giờ 30 (bù đắp phụ tải đỉnh buổi tối).

Nguyên nhân chính giúp giải pháp BESS đạt hiệu quả cao là nhờ khả năng phản hồi công suất tác dụng và công suất phản kháng hai chiều linh hoạt tại điểm đấu nối chung PCC, đóng vai trò như một bộ đệm năng lượng động. Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các dự án lưu trữ pin thực tế trên thế giới như hệ thống pin 100 MW / 127 MWh của Tesla tại bang Nam Úc hay tổ hợp BESS 300 MW / 1.200 MWh của Vistra Energy tại Hoa Kỳ. Thay vì phải đầu tư hàng nghìn tỷ đồng để mở rộng hành lang tuyến và xây dựng mới các đường dây truyền tải 110kV - 220kV mất nhiều năm giải phóng mặt bằng, việc đặt BESS phân tán tại các trạm biến áp hiện hữu mang lại giải pháp kỹ thuật có tính khả thi cao, chi phí hợp lý và rút ngắn tối đa thời gian triển khai.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hiện thực hóa giải pháp lưu trữ năng lượng và bảo đảm an toàn hệ thống điện khu vực Nam Trung Bộ, luận văn đưa ra 4 nhóm khuyến nghị hành động cụ thể:

  • Thứ nhất, đầu tư xây dựng thí điểm 3 hệ thống pin BESS công nghệ Lithium-ion tại Trạm biến áp 110kV Mũi Né, Trạm 110kV NMĐMT BIM và Trạm 110kV NMĐMT Nhơn Hải với tổng mức dung lượng được thiết kế theo chu kỳ sạc 4 giờ. Chủ thể thực hiện là Tập đoàn Điện lực Việt Nam phối hợp cùng các chủ đầu tư nhà máy năng lượng tái tạo, với mốc thời gian hoàn thành trước quý 4 năm 2025 nhằm giải tỏa 100% lượng điện năng tái tạo bị cắt giảm.
  • Thứ hai, hoàn thiện hành lang pháp lý và ban hành biểu giá dịch vụ phụ trợ hệ thống điện dành cho hệ thống lưu trữ năng lượng. Bộ Công Thương và Cục Điều tiết Điện lực cần chủ trì ban hành cơ chế giá hai thành phần (giá công suất và giá điện năng) cùng quy chế tham gia thị trường điện trước tháng 12 năm 2025, hướng tới mục tiêu tỷ suất hoàn vốn nội bộ (IRR) cho các dự án BESS đạt từ 10% đến 12% để thu hút các nguồn vốn tư nhân.
  • Thứ ba, nâng cấp hệ thống giám sát điều khiển tự động SCADA/EMS tích hợp mô-đun quản lý năng lượng EMS chuyên dụng cho BESS tại các cấp điều độ. Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia và Điều độ miền Nam chịu trách nhiệm triển khai lộ trình tích hợp điều khiển tự động AGC cho pin lưu trữ trong giai đoạn 2024 - 2026, bảo đảm thời gian đáp ứng điều tần dưới 50 mili giây khi lưới có biến động tần số.
  • Thứ tư, mở rộng nghiên cứu quy hoạch hệ thống tích trữ năng lượng quy mô 2.700 MW trên toàn quốc đến năm 2030 theo lộ trình Quy hoạch điện VIII. Viện Năng lượng phối hợp với các viện trường đại học xây dựng bản đồ vị trí tích hợp BESS tại các vùng tập trung điện gió ngoài khơi và điện mặt trời trang trại, định kỳ rà soát 2 năm một lần bắt đầu từ năm 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật và giải pháp tính toán thực tiễn có giá trị cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Các cơ quan quản lý và đơn vị vận hành lưới điện quốc gia (EVN, EVNNPT, EVNSPC, NSMO): Ứng dụng trực tiếp quy trình mô phỏng ETAP 22.5 để phân tích giải tỏa công suất, tính toán trào lưu công suất miền thời gian và xác định chính xác các điểm nút truyền tải cần bổ sung nguồn lưu trữ nhằm giảm tổn thất kỹ thuật.
  • Các chủ đầu tư và doanh nghiệp phát triển dự án năng lượng tái tạo: Sử dụng phương pháp luận của luận văn để tính toán cấu hình BESS kết hợp trực tiếp với trang trại điện mặt trời hoặc điện gió, giúp hạn chế rủi ro cắt giảm công suất phát và tối ưu hóa doanh thu bán điện theo khung giờ cao điểm.
  • Các nhà hoạch định chính sách và chuyên gia tư vấn năng lượng (Bộ Công Thương, Viện Năng lượng, Cục Điều tiết Điện lực): Tham khảo các luận cứ khoa học, phân tích kinh tế - tài chính và tiêu chuẩn quốc tế IEC 62933-2-1 để xây dựng bộ quy chuẩn kỹ thuật đấu nối BESS và thiết kế chính sách khuyến khích đầu tư pin tích năng.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Quản lý Năng lượng, Hệ thống điện: Khai thác làm tài liệu học thuật tham khảo chuyên sâu về mô hình hóa thiết bị lưu trữ điện hóa, phương pháp đánh giá trào lưu công suất chu kỳ 24 giờ và các giải pháp tích hợp nguồn điện phân tán vào hệ thống điện hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống BESS sử dụng công nghệ pin nào là tối ưu nhất cho lưới điện Ninh Thuận - Bình Thuận? Công nghệ pin Lithium-ion là lựa chọn tối ưu nhất hiện nay nhờ hiệu suất nạp xả khứ hồi cao từ 75% đến 90%, mật độ năng lượng vượt trội đạt từ 120 Wh/kg đến 250 Wh/kg và tốc độ đáp ứng tức thời trong vài mili giây. So với pin Acid-chì có tuổi thọ thấp khoảng 5 năm hay pin NaS đòi hỏi nhiệt độ vận hành cao trên 300 độ C, pin Lithium-ion bảo đảm độ tin cậy và tối ưu diện tích lắp đặt dạng container module.

Hệ thống pin tích trữ năng lượng BESS giải quyết tình trạng nghẽn lưới theo nguyên lý nào? BESS hoạt động theo chế độ đáp ứng tải Class B của tiêu chuẩn IEC 62933-2-1. Vào khung giờ trưa từ 10 giờ 00 đến 14 giờ 00 khi công suất điện mặt trời tăng vọt gây quá tải đường dây 110kV, BESS thực hiện sạc để hấp thụ phần công suất thừa. Đến khung giờ cao điểm tối từ 17 giờ 30 đến 21 giờ 30 khi nhu cầu dùng điện tăng cao nhưng không có nắng, BESS xả điện lên lưới giúp giải phóng áp lực truyền tải và san bằng đỉnh phụ tải.

Tại sao phần mềm ETAP 22.5 được lựa chọn để mô phỏng hệ thống điện khu vực nghiên cứu? ETAP 22.5 là phần mềm bản quyền chuẩn quốc tế của OTI (Mỹ), tích hợp đầy đủ thư viện phần tử lưới điện 500kV, 220kV, 110kV và mô-đun BESS chuyên biệt. Phần mềm sử dụng thuật toán Newton-Raphson mạnh mẽ cho phép mô phỏng trào lưu công suất liên tục trên miền thời gian 24 giờ của 12 tháng, giúp đánh giá chính xác các trạng thái mang tải của máy biến áp và đường dây trong điều kiện vận hành N-0 và N-1.

Giải pháp BESS tại Ninh Thuận - Bình Thuận hỗ trợ cung cấp điện cho miền Bắc như thế nào? Vào mùa khô, miền Bắc thường đối mặt với nguy cơ thiếu hụt nguồn điện do các hồ thủy điện cạn nước. Việc lắp đặt BESS tại vùng Nam Trung Bộ giúp lưu giữ tối đa nguồn năng lượng tái tạo thay vì cắt giảm, sau đó truyền tải lượng điện này qua hệ thống đường dây truyền tải siêu cao áp 500kV liên kết miền vào các khung giờ cần thiết, góp phần san sẻ công suất và bảo đảm an ninh năng lượng quốc gia.

Mục tiêu phát triển nguồn tích trữ năng lượng của Việt Nam theo Quy hoạch điện VIII là bao nhiêu? Theo Quyết định số 500/QĐ-TTg về Quy hoạch điện VIII, Việt Nam đặt mục tiêu phát triển nguồn điện tích trữ bao gồm thủy điện tích năng và pin lưu trữ BESS đạt công suất khoảng 2.700 MW vào năm 2030. Định hướng dài hạn đến năm 2050, quy mô nguồn tích năng sẽ được mở rộng mạnh mẽ lên mức từ 30.550 MW đến 45.550 MW nhằm tương thích với tỷ trọng thâm nhập rất cao của các nguồn năng lượng tái tạo.

Kết luận

  • Luận văn đã mô hình hóa thành công hệ thống điện 500-220-110kV tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận năm 2025 trên nền tảng phần mềm chuyên dụng ETAP 22.5 với chu kỳ mô phỏng miền thời gian 24 giờ.
  • Nghiên cứu chỉ ra chính xác 3 nút mạng xung yếu tại Trạm biến áp 110kV Mũi Né, Trạm 110kV NMĐMT BIM và Trạm 110kV NMĐMT Nhơn Hải thường xuyên bị quá tải từ 115% đến trên 130% trong giờ cao điểm nắng.
  • Đề xuất quy mô công suất và cấu hình vận hành tối ưu cho các cụm BESS Lithium-ion, giúp xóa bỏ 100% hiện tượng quá tải cục bộ N-0 và giảm tổn thất điện năng khu vực từ 15% đến 22%.
  • Cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học và phương pháp luận định lượng phục vụ lộ trình hiện thực hóa mục tiêu 2.700 MW pin tích trữ vào năm 2030 của Quy hoạch điện VIII.
  • Các cơ quan quản lý, đơn vị vận hành lưới điện và chủ đầu tư dự án năng lượng tái tạo cần khẩn trương phối hợp hoàn thiện cơ chế giá dịch vụ lưu trữ điện để sớm đưa các trạm BESS vào vận hành thực tế trước năm 2025.