Giải Pháp Nâng Cao Hiệu Quả Vận Hành Các Nguồn Năng Lượng Tái Tạo và Đường Dây Truyền Tải Điện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích Giải pháp cải thiện kết quả vận hành các nguồn năng lượng tái tạo và đường dây truyền tải điện luận, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề

• Tác giả: Nguyễn Trọng Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Lê Văn Đại
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Giải Pháp Tối Ưu Hóa Hiệu Quả Vận Hành Nguồn Năng Lượng Tái Tạo và Hệ Thống Truyền Tải Điện
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về giải pháp tối ưu hóa hiệu quả vận hành nguồn năng lượng tái tạo

Nguồn năng lượng tái tạo (NLTT) đang trở thành một phần quan trọng trong hệ thống điện toàn cầu. Việc tối ưu hóa hiệu quả vận hành các nguồn NLTT không chỉ giúp giảm thiểu tác động đến môi trường mà còn đảm bảo cung cấp điện ổn định. Các công nghệ mới và phương pháp quản lý hiện đại đang được áp dụng để nâng cao hiệu quả này. Đặc biệt, việc tích hợp các nguồn NLTT vào hệ thống điện truyền tải là một thách thức lớn, đòi hỏi sự nghiên cứu và phát triển liên tục.

1.1. Tình hình phát triển nguồn năng lượng tái tạo tại Việt Nam

Việt Nam đã có những bước tiến đáng kể trong việc phát triển nguồn NLTT, đặc biệt là năng lượng mặt trời và gió. Tính đến năm 2021, tỷ trọng nguồn NLTT trong tổng công suất điện đã đạt khoảng 33%. Tuy nhiên, việc quản lý và vận hành các nguồn này vẫn gặp nhiều khó khăn do tính không ổn định của chúng.

1.2. Lợi ích của việc tối ưu hóa hiệu quả vận hành NLTT

Tối ưu hóa hiệu quả vận hành NLTT giúp giảm thiểu chi phí sản xuất điện, tăng cường độ tin cậy của hệ thống điện và giảm thiểu tác động đến môi trường. Việc áp dụng công nghệ mới như BESS (Battery Energy Storage System) có thể giúp cải thiện khả năng lưu trữ và phân phối điện năng.

II. Thách thức trong việc vận hành nguồn năng lượng tái tạo và hệ thống truyền tải điện

Vận hành các nguồn NLTT và hệ thống truyền tải điện gặp nhiều thách thức, bao gồm sự biến động của nguồn cung và nhu cầu điện. Các yếu tố như thời tiết, mùa vụ và sự phát triển của công nghệ cũng ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành. Đặc biệt, việc cắt giảm công suất phát điện trong những thời điểm cao điểm là một vấn đề cần được giải quyết.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành NLTT

Các yếu tố như điều kiện khí hậu, công nghệ và chính sách hỗ trợ đều có tác động lớn đến hiệu quả vận hành của các nguồn NLTT. Việc thiếu hụt thông tin và dữ liệu cũng làm giảm khả năng dự đoán và quản lý nguồn cung.

2.2. Vấn đề cắt giảm công suất và ảnh hưởng kinh tế

Cắt giảm công suất phát điện từ các nguồn NLTT trong thời điểm cao điểm không chỉ gây thiệt hại về kinh tế mà còn ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống điện. Điều này đòi hỏi các giải pháp hiệu quả để tối ưu hóa việc sử dụng nguồn năng lượng này.

III. Phương pháp tối ưu hóa hiệu quả vận hành nguồn năng lượng tái tạo

Để tối ưu hóa hiệu quả vận hành nguồn NLTT, nhiều phương pháp và công nghệ mới đã được nghiên cứu và áp dụng. Việc sử dụng BESS là một trong những giải pháp quan trọng giúp cải thiện khả năng lưu trữ và phân phối điện năng. Ngoài ra, các mô hình dự báo công suất cũng đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý nguồn cung.

3.1. Ứng dụng công nghệ BESS trong hệ thống điện

Công nghệ BESS giúp lưu trữ năng lượng dư thừa từ các nguồn NLTT và phát lại khi cần thiết. Điều này không chỉ giúp ổn định hệ thống điện mà còn tối ưu hóa việc sử dụng nguồn năng lượng tái tạo.

3.2. Mô hình dự báo công suất cho nhà máy điện gió và mặt trời

Việc áp dụng các mô hình dự báo công suất giúp cải thiện khả năng quản lý và điều phối nguồn điện từ các nhà máy điện gió và mặt trời. Các mô hình này cần được cập nhật thường xuyên để phản ánh chính xác tình hình thực tế.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu về hiệu quả vận hành NLTT

Nghiên cứu về hiệu quả vận hành các nguồn NLTT đã chỉ ra rằng việc áp dụng các giải pháp công nghệ mới có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện. Các kết quả từ các dự án thực tiễn cho thấy sự cần thiết phải đầu tư vào công nghệ và hạ tầng để tối ưu hóa việc sử dụng nguồn NLTT.

4.1. Kết quả từ các dự án BESS tại Việt Nam

Các dự án BESS đã được triển khai tại nhiều khu vực ở Việt Nam, cho thấy hiệu quả trong việc ổn định hệ thống điện và giảm thiểu thiệt hại kinh tế do cắt giảm công suất.

4.2. Phân tích hiện trạng lưới điện truyền tải khu vực Tây Nguyên

Khu vực Tây Nguyên với nhiều nhà máy điện gió và mặt trời đã cho thấy sự cần thiết phải cải thiện lưới điện truyền tải để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của nguồn NLTT.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai cho nguồn năng lượng tái tạo

Việc tối ưu hóa hiệu quả vận hành nguồn NLTT và hệ thống truyền tải điện là một nhiệm vụ cấp thiết trong bối cảnh hiện nay. Các giải pháp công nghệ mới, cùng với sự hỗ trợ từ chính sách và đầu tư, sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện. Tương lai của nguồn NLTT tại Việt Nam hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ hơn nữa.

5.1. Tương lai của nguồn năng lượng tái tạo tại Việt Nam

Với tiềm năng lớn và sự quan tâm từ chính phủ, nguồn NLTT tại Việt Nam sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ trong những năm tới. Các chính sách hỗ trợ và đầu tư vào công nghệ sẽ là yếu tố quyết định.

5.2. Đề xuất các giải pháp phát triển bền vững

Để phát triển bền vững nguồn NLTT, cần có các giải pháp đồng bộ từ chính sách, công nghệ đến quản lý. Việc nâng cao nhận thức và đào tạo nguồn nhân lực cũng là yếu tố quan trọng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Nguồn năng lƣợng tái tạo (NLTT) là một trong những nguồn năng lƣợng đƣợc nhiều quốc gia quan tâm và Việt Nam là một trong số đó, vì nguồn năng lƣợng này phát triển ền vững và ít ảnh hƣởng đến môi trƣờng. Điều này nhằm đảm ảo nguồn năng lƣợng điện lâu dài, ổn định, dần thay thế các nguồn năng lƣợng truyền thống và nguồn nhiên liệu hoá thạch. Nguồn NLTT (NL mặt trời, NL gió, NL sóng iển, v.) hiện nay đang đƣợc các nƣớc quan tâm và phát triển vì tiềm năng khai thác vô tận của chúng. Sử dụng NLTT để phát điện với sự tiến ộ không ngừng về công nghệ chế tạo là một ngành công nghiệp rất phát triển, để đáp ứng nhu cầu sử dụng cho con ngƣời.

Ngành công nghiệp này tạo ra hàng triệu việc làm mới từ việc chế xuất, đáp ứng vật tƣ vật liệu cũng nhƣ vận hành các hệ thống NLTT. Trong năm 2021, Việt Nam có thêm 36.122 MW nguồn điện gió đƣợc đƣa vào vận hành làm tăng tỷ trọng nguồn NLTT vào khoảng 33 % công suất đặt của toàn hệ thống. Với tỷ trọng các nguồn điện NLTT đã tăng tƣơng đối cao, điều này dẫn đến việc điều phối hệ thống điện (HTĐ), truyền tải điện (TTĐ) gặp khó khăn, xử lý thừa nguồn thấp điểm, quán tính hệ thống thấp, vấn đề khởi động và ngừng máy của các nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) sử dụng than, tuabin khí [1]. Cùng với sự phát triển nhanh chóng trong việc ổ sung nguồn NLTT vào HTĐ nhƣ nêu trên đã gây ra rất nhiều vấn đề khó khăn trong vận hành cũng nhƣ có các tác động đến vấn đề ổn định HTĐ trong các năm qua, có thể minh họa qua một vài ví dụ nhƣ sau [1, 2].

 Ngày thứ Hai 16/11/2020, do các nguồn thủy điện miền Trung phát cao do xả lũ dẫn đến cung đoạn đƣờng dây 500 kV Nho Quan – Hà T nh phải vận hành ở mức 1. Mức công suất cắt, giảm lớn nhất là khoảng 745 MW ghi nhận vào khoảng thời gian lúc 11 giờ 24 phút.  Trong các ngày 12 - 14/11/2020, do các nguồn thủy điện miền Trung phát cao xả lũ, truyền tải 500 kV theo chiều Trung - Bắc và Trung - Nam đều ở mức cao tới ngƣỡng giới hạn truyền tải (trong đó truyền tải 500 kV Trung - Nam chỉ còn 2/4 mạch do phục công tác đấu nối T500 Xuân Thiện EaSup), các nguồn NLTT ở miền Trung đều phải cắt giảm công suất để đảm ảo an toàn cho hệ thống.  Từ 8 giờ 30 phút - 14 giờ 15 phút ngày Chủ nhật 18/10/2020, phụ tải hệ thống giảm thấp (~21.000 MW), dẫn đến rất nhiều các nhà máy NLTT phải cắt giảm để ổn định tần số.

Tổng công suất NLTT cắt giảm lớn nhất ghi nhận vào lúc 12 giờ 30 phút là ~1.  Từ 10 giờ 20 phút - 12 giờ 20 phút ngày 11/10 xảy ra sự kiện tần số cao liên tục do thừa nguồn, tần số cao nhất đạt 50,5 Hz duy trì trong 1s. Xác định đƣợc nguyên nhân là do các nguồn NLTT phát cao gây nguy cơ mất cân ằng nguồn và phụ tải, làm tiềm ẩn nguy cơ mất ổn định rất lớn, nếu xảy ra sự cố trên lƣới.  Chênh lệch phụ tải lớn giữa 2 thời điểm thấp điểm trƣa chủ nhật và cao điểm chiều thứ 2 làm cho công tác vận hành HTĐ gặp nhiều khó khăn.

Để có thể khai thác cao các nguồn NLTT cũng nhƣ các nhà máy thuỷ điện đang xả và có nguy cơ xả vào các ngày có phụ tải thấp (cuối tuần, ngày lễ), Trung tâm điều độ hệ thống điện Quốc gia đã phải ngừng dự phòng nhiều tổ máy nhiệt điện than (NĐT) và tuabin khí (TBK).  Do áp lực khai thác cao thủy điện và NLTT trong khi phụ tải giảm thấp, các nguồn NLTT lại tập trung chủ yếu ở miền Trung và miền Nam, nên thƣờng xuyên xuất hiện hiện tƣợng nghẽn mạch trên các đƣờng dây liên kết miền và nội vùng, nhiều thời điểm để không vận hành vƣợt quá giới hạn truyền tải hệ thống đã không hấp thụ đƣợc hết nguồn NLTT khu vực miền Trung, Nam uộc phải cắt giảm các nguồn phát. 2  Quán tính hệ thống điện giảm thấp, gây nguy cơ làm mất ổn định HTĐ do phụ tải giảm quá thấp vào ngày lễ, Tết, đặc iệt trong thời gian tách đôi hệ thống, nhiều nhà máy phát điện truyền thống (nhiệt điện than, tua in khí, thủy điện,.) ngừng dự phòng. Từ những sự việc kể trên, việc đầu tƣ và phát triển các NMĐ sử dụng nguồn NLTT nối lƣới với tỷ trọng lớn nhƣng không có sự chuẩn ị, tính toán đón đầu các tình huống sự cố sẽ có thể dẫn đến mất ổn định HTĐ, nghiêm trọng nhất là rã lƣới.

Với mục tiêu là vận hành một cách hiệu quả lƣới điện và các nguồn NLTT, đề tài sẽ nghiên cứu giải quyết các tình huống của HTĐ liên quan đến giải pháp đảm ảo và nâng cao sự ổn định cho HTĐ Việt Nam. Do đó, nghiên cứu “Giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành các nguồn năng lƣợng tái tạo và đƣờng dây truyền tải điện” sẽ đƣa ra giải pháp vận hành hiệu quả là tính cấp thiết hiện tại. Mục tiêu nghiên cứu 2.1 Nghiên cứu trong nƣớc Hiện nay, những đề tài khoa học nghiên cứu về nâng cao hiệu quả khi có ảnh hƣởng từ các nguồn NLTT ở Việt Nam còn rất hạn chế, đa phần các đề tài này chỉ tập trung vào mục đích nghiên cứu tổng quan hay ài toán quy hoạch hoặc là phƣơng án giải tỏa đƣợc hết công suất cho các nguồn NLTT. Trong công trình [3] các tác giả đã đánh giá ảnh hƣởng đại lƣợng tần số, điện áp của lƣới điện phân phối khi có sự tích hợp của nguồn điện mặt trời (ĐMT).

Nghiên cứu và tính toán phƣơng án tìm giải pháp tổng thể nhằm mục đích giải tỏa công suất các nguồn điện cho toàn vùng Nam Trung Bộ [4] của Công ty CP TVXD Điện 4 (2020) cũng chỉ đƣa ra các phƣơng pháp đấu nối hợp lý của các nhà máy nhiệt điện, lƣới điện nhằm giải phóng công suất nguồn NLTT trong khu vực nhƣ các NMNĐ khí hoá lỏng (LNG) và nhà máy điện gió (NMĐG) ngoài khơi trên cơ sở giảm hành lang lƣới TTĐ. Trong một số nghiên cứu khác về ổn định nhƣ [5, 6] liên quan đến ảnh hƣởng cũng nhƣ tác động của việc tích hợp các nguồn NLTT cũng nhƣ ảnh hƣởng của các nguồn điện này đến tần số, điện áp của lƣới điện và các giải pháp để nâng cao sự ổn định của 3 HTĐ, các tác giả phân tích rằng đến năm 2025 cần phải đƣa giải pháp ổ sung các hệ thống tích trữ điện năng ằng Acquy và cần tiếp tục tăng công suất của BESS lên trong giai đoạn 2025 - 2030 nhằm có thể đảm ảo đƣợc các yêu cầu về kỹ thuật khi có sự thâm nhập ngày càng cao của các nguồn NLTT, đặc iệt là nguồn ĐMT công suất lớn, giải pháp trình ày khả năng và phƣơng pháp điều khiển quá trình nạp/ xả năng lƣợng của thiết ị BESS khi cần thiết nên BESS rất phù hợp trong việc hỗ trợ NMĐMT công suất lớn cũng nhƣ toàn HTĐ, BESS không những hỗ trợ về việc chạy phủ đỉnh (BESS xả trong các trƣờng hợp nguồn điện không cung cấp đủ cho phụ tải) mà còn đƣợc điều khiển để thể hấp thụ phần công suất phát thừa của hệ thống, giảm áp lực truyền tải, giảm các tổn thất trong quá trình truyền tải điện năng, tăng khả năng về công suất dự phòng quay. Tại [7, 8] các tác giả đã đƣa ra các giải pháp vận hành để tối ƣu hệ thống và hiệu quả nguồn NLTT kết hợp với hệ thống BESS cho lƣới điện nhỏ, các giải pháp đề xuất đƣợc các tác giả đƣa ra thật sự rất hiệu quả cho lƣới điện nhỏ, tuy nhiên vẫn chƣa đƣa ra đƣợc giải pháp vận hành hiệu quả cũng nhƣ các kế hoạch vận hành phù hợp cho lƣới điện truyền tải có tích hợp nguồn NLTT. Từ các phân tích và nhận định nhƣ trên, chúng ta có thể nhận thấy rằng hiện nay tại Việt Nam việc nghiên cứu nâng cao tính hiệu quả trong vận hành lƣới TTĐ khi có sự tham gia ngày càng lớn của các nguồn NLTT vẫn còn khá ít so với thế giới.2 Nghiên cứu quốc tế Trên thế giới, việc ứng dụng nguồn NLTT trong hệ thống điện để nâng cao hiệu quả vận hành khi HTĐ có sự tham gia của các nguồn NLTT.

Thì [9] các tác giả trình bày giải pháp điều khiển của hạng mục phụ trợ nhằm cải thiện chất lƣợng điện áp và tần số khi tích hợp các nguồn NLTT lớn xảy ra các kích động lớn trên hệ thống điện trong nghiên cứu của mình. Còn trong [10], giải pháp sử dụng thiết ị BESS với hệ điều khiển “PI-lead and lead-lag regulated BESS” cải thiện so với hệ điều khiển “PI” đã đƣợc đề xuất, tuy nhiên nghiên cứu này chỉ tập trung giải pháp nhằm cải tiến thiết ị và chƣa đi sâu vào các ảnh hƣởng chính đến ổn định của HTĐ. Trong công trình [11], các tác giả đã trình bày mô hình điều khiển cho thiết ị tích trữ điện 4 năng BESS loại Vanadium Redox Battery (VRB) khi có tích hợp nguồn NLTT vào HTĐ, nhóm tác giả đã tập trung vào cấu trúc của loại VRB, mô hình điều khiển thiết ị khi có yêu cầu hỗ trợ công suất tác dụng (P) hay công suất phản kháng (Q) theo lịch trình của đơn vị điều độ chuẩn ị sẵn, lên các kịch ản nạp/ xả pin trong các chế độ vận hành ình thƣờng theo phƣơng pháp giám sát điện áp đầu cực, nhƣng mô hình điều khiển cho BESS cũng chỉ đƣợc xây dựng ở mức độ vận hành ình thƣờng theo lịch trình và kịch ản chạy phủ đỉnh do đơn vị điều độ yêu cầu. Do đó, trên thực tế nghiên cứu vẫn chƣa có giải pháp phù hợp cho ài toán về vấn đề ổn định HTĐ một cách tổng quát với những tình huống ngoài kịch ản có sẵn.

Ngoài ra, ở các vấn đề đƣợc trình ày trong [12-15], các tác giả đã cho ra các kết quả chuyên sâu về hệ thống điều khiển BESS ứng dụng vào HTĐ, các kết quả này nghiên cứu vận hành HTĐ hiệu quả hơn, tuy nhiên trong phần trình ày kết quả vẫn chƣa đƣa ra đƣợc vấn đề sẽ ứng dụng vào thực tế điều khiển hệ thống BESS để đáp ứng các sự cố khi vận hành của HTĐ. Từ đó có thể nhận thấy, hiện nay vẫn cần nhiều hơn các nghiên cứu về những vấn đề nảy sinh khi sự đóng góp công suất của các nguồn NLTT với tốc độ nhanh chóng, chiếm tỷ trọng ngày càng lớn trong HTĐ, đặc iệt là vấn đề điều khiển các thiết ị hỗ trợ ổn định HTĐ.