Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu tiềm năng bức xạ mặt trời cao với giá trị bức xạ ngang trung bình (GHI) khoảng 4 kWh/m²/ngày ở miền Bắc và 5 kWh/m²/ngày ở miền Trung và miền Nam, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, hiện nay điện mặt trời tại Việt Nam chủ yếu phục vụ tự dùng hoặc cấp điện cho vùng núi, hải đảo với quy mô nhỏ, chưa có nhà máy điện mặt trời công suất lớn nối lưới. Theo Quyết định số 2068/QĐ-TTg năm 2015, mục tiêu phát triển điện mặt trời là đạt khoảng 850 MW vào năm 2020, 4.000 MW vào năm 2025 và 12.000 MW vào năm 2030, chiếm tỷ trọng lần lượt 0,5%, 1,6% và 3,3% trong tổng sản lượng điện.

Luận văn tập trung khảo sát ảnh hưởng của nhà máy điện mặt trời công suất lớn khi đấu nối vào hệ thống điện phân phối đến cấp điện áp 110 kV, đặc biệt tại khu vực tỉnh Bình Thuận – vùng có nhiều dự án điện mặt trời được phê duyệt. Mục tiêu nghiên cứu là mô phỏng và đánh giá các thông số điện áp vận hành và dao động tần số theo quy định tại Thông tư 39/2015/TT-BCT, nhằm đảm bảo tính ổn định và an toàn cho hệ thống điện khi có nhà máy điện mặt trời công suất lớn đấu nối.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình hóa nhà máy điện mặt trời sử dụng phần mềm PSS/E version 33, xây dựng lưới điện 110 kV khu vực Bình Thuận, tính toán phân bố công suất và mô phỏng các kịch bản sự cố như mây che phủ và ngắn mạch 3 pha. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ thiết kế, vận hành và phát triển các dự án điện mặt trời quy mô lớn tại Việt Nam, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng 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 sau:

  • Hệ thống điện phân phối: Định nghĩa, các cấp điện áp danh định (110 kV, 35 kV, 22 kV, 15 kV, 10 kV, 6 kV, 0,4 kV), các giới hạn dao động điện áp và tần số theo Thông tư 39/2015/TT-BCT. Các chỉ tiêu kỹ thuật như tổng biến dạng sóng hài (THD ≤ 3% ở 110 kV), mức nhấp nháy điện áp, dòng ngắn mạch và thời gian loại trừ sự cố được quy định rõ ràng.

  • Công nghệ điện năng lượng mặt trời: Mô hình nhà máy điện mặt trời gồm tấm pin quang điện (PV module), bộ inverter chuyển đổi DC sang AC, máy biến áp nâng áp và cơ sở hạ tầng đấu nối. Các công nghệ pin mặt trời phổ biến gồm silic đơn tinh thể, đa tinh thể và màng mỏng, trong đó silic đa tinh thể được lựa chọn phù hợp cho nhà máy công suất lớn tại Bình Thuận do hiệu suất và chi phí cân đối.

  • Mô hình tích hợp nhà máy điện mặt trời trong hệ thống điện: Mô hình PV arrays với đặc tính V-I thay đổi theo bức xạ và nhiệt độ, thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) dùng để tối đa hóa công suất đầu ra. Mô hình động của nhà máy điện mặt trời được xây dựng dựa trên mô hình WT4 của gió, tích hợp trong phần mềm PSS/E để mô phỏng ảnh hưởng đến điện áp và tần số hệ thống.

  • Ổn định động hệ thống điện: Đánh giá khả năng tự phục hồi của hệ thống điện khi xảy ra dao động lớn do sự cố hoặc biến động công suất, sử dụng phương pháp điện toán với phần mềm PSS/E. Tiêu chuẩn ổn định động dựa trên góc lệch roto máy phát, biên độ dao động và phục hồi điện áp sau sự cố.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thực tế lưới điện 110 kV tỉnh Bình Thuận, thông số kỹ thuật nhà máy điện mặt trời Sông Bình 1 (42 MWac) và các nhà máy điện mặt trời lân cận. Các quy định pháp lý và tiêu chuẩn kỹ thuật từ Bộ Công Thương và EVN.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng tính toán phân bố công suất, dao động điện áp và tần số, mô phỏng các kịch bản sự cố (mây che phủ, ngắn mạch 3 pha) bằng phần mềm PSS/E version 33. Phân tích ổn định động hệ thống điện theo tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu tập trung vào năm 2019, thời điểm nhà máy điện mặt trời Sông Bình 1 đi vào vận hành, với các mô phỏng diễn ra trong phạm vi 24 giờ nhu cầu phụ tải điển hình mùa mưa và các sự cố ngắn hạn.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Lưới điện 110 kV khu vực Bình Thuận được xây dựng chi tiết, lựa chọn 3 nhà máy điện mặt trời tiêu biểu để mô phỏng ảnh hưởng, loại bỏ ảnh hưởng của các nhà máy điện gió để tập trung phân tích chính xác tác động của điện mặt trời.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của mây che phủ đến công suất phát: Khi mây che phủ toàn bộ khu vực, công suất phát của nhà máy điện mặt trời Sông Bình 1 giảm từ 42,8 MW xuống gần 0 trong khoảng 10 giây, gây dao động lớn về điện áp và tần số tại điểm đấu nối. Tương tự, các nhà máy Sông Lũy 1 và hồ Đa Mi cũng có công suất giảm mạnh tương ứng.

  2. Dao động điện áp tại thanh cái 110 kV: Biểu đồ dao động điện áp cho thấy điện áp tại thanh cái nhà máy Sông Bình 1 có biến động trong khoảng ±6% so với điện áp danh định (1 pu), phù hợp với giới hạn cho phép (+10%/-5%). Các thanh cái lân cận cũng ghi nhận dao động điện áp nhưng trong phạm vi an toàn.

  3. Dao động tần số hệ thống: Tần số dao động tại các điểm đấu nối dao động trong phạm vi ±0,5 Hz quanh tần số danh định 50 Hz, nằm trong giới hạn cho phép theo Thông tư 39/2015/TT-BCT. Điều này chứng tỏ hệ thống có khả năng duy trì ổn định tần số khi có biến động công suất từ nhà máy điện mặt trời.

  4. Ổn định động khi xảy ra sự cố ngắn mạch 3 pha: Mô phỏng sự cố ngắn mạch 3 pha tại đường dây đấu nối nhà máy Sông Bình 1 cho thấy hệ thống điện vẫn duy trì ổn định sau khi sự cố được loại trừ trong thời gian 200 ms. Góc lệch roto máy phát không vượt quá 120°, điện áp phục hồi trên 75% giá trị trước sự cố sau 5 giây, đáp ứng tiêu chuẩn ổn định động.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các dao động điện áp và tần số là do biến động công suất phát của nhà máy điện mặt trời khi bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết như mây che phủ. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống điện khu vực Bình Thuận có khả năng chịu đựng và duy trì ổn định trong các điều kiện vận hành bình thường và sự cố nghiêm trọng.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật về điện áp và tần số trong hệ thống điện phân phối có tích hợp nguồn năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, luận văn cũng chỉ ra các vấn đề chưa được giải quyết như ảnh hưởng của sóng hài (THD), tối ưu phân bố công suất giữa các nguồn truyền thống và tái tạo, mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật cho việc thiết kế, vận hành và quản lý các nhà máy điện mặt trời công suất lớn, đảm bảo an toàn và ổn định hệ thống điện quốc gia, đồng thời hỗ trợ các cơ quan quản lý trong việc xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát và điều khiển điện áp tại điểm đấu nối
    Thực hiện lắp đặt các thiết bị điều khiển điện áp tự động (AVR) và hệ thống giám sát thời gian thực để duy trì điện áp trong giới hạn cho phép (+10%/-5%) nhằm giảm thiểu dao động điện áp gây ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Chủ thể thực hiện: Công ty điện lực quản lý lưới điện, thời gian: 1-2 năm.

  2. Phát triển hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS)
    Đầu tư hệ thống pin lưu trữ năng lượng để cân bằng công suất phát khi có biến động do điều kiện thời tiết, giảm dao động tần số và tăng tính ổn định hệ thống. Chủ thể thực hiện: Nhà đầu tư dự án điện mặt trời, thời gian: 3-5 năm.

  3. Nâng cao năng lực bảo vệ và tự động hóa lưới điện
    Cập nhật và tối ưu cài đặt rơle bảo vệ, máy cắt tự động để rút ngắn thời gian loại trừ sự cố (dưới 200 ms), đảm bảo hệ thống nhanh chóng phục hồi sau sự cố ngắn mạch. Chủ thể thực hiện: Công ty điện lực, thời gian: 1-3 năm.

  4. Nghiên cứu và áp dụng giải pháp phối hợp nguồn phát
    Xây dựng mô hình tối ưu phối hợp công suất giữa các nguồn truyền thống (thủy điện, nhiệt điện) và nguồn tái tạo (điện mặt trời, điện gió) nhằm tối ưu hóa luồng công suất, giảm thiểu dao động và tăng hiệu quả vận hành. Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu, các trường đại học, thời gian: 2-4 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng
    Giúp hiểu rõ các tiêu chuẩn kỹ thuật và ảnh hưởng của nhà máy điện mặt trời công suất lớn đến hệ thống điện, từ đó xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo phù hợp.

  2. Các kỹ sư thiết kế và vận hành nhà máy điện mặt trời
    Cung cấp cơ sở mô hình hóa, phương pháp mô phỏng và các kịch bản vận hành thực tế để tối ưu thiết kế và đảm bảo vận hành ổn định.

  3. Các công ty điện lực và đơn vị quản lý lưới điện phân phối
    Hỗ trợ trong việc đánh giá ảnh hưởng của nguồn điện mặt trời đấu nối, nâng cao năng lực giám sát, điều khiển và bảo vệ hệ thống điện.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo
    Là tài liệu tham khảo khoa học về mô hình hóa, phân tích ổn định động và các giải pháp kỹ thuật trong lĩnh vực điện mặt trời và hệ thống điện phân phối.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nhà máy điện mặt trời công suất lớn ảnh hưởng thế nào đến điện áp hệ thống?
    Nhà máy điện mặt trời có thể gây dao động điện áp tại điểm đấu nối do biến động công suất phát khi điều kiện bức xạ thay đổi. Tuy nhiên, trong nghiên cứu, dao động điện áp tại thanh cái 110 kV được giữ trong giới hạn cho phép (+10%/-5%), đảm bảo chất lượng điện áp.

  2. Làm thế nào để hệ thống điện duy trì ổn định khi có sự cố ngắn mạch?
    Hệ thống sử dụng các thiết bị bảo vệ tự động và máy cắt để nhanh chóng loại trừ sự cố trong thời gian dưới 200 ms, đồng thời các máy phát điện và bộ điều khiển hỗ trợ phục hồi điện áp và tần số, giữ ổn định hệ thống.

  3. Tại sao chọn công nghệ pin mặt trời silic đa tinh thể cho nhà máy công suất lớn?
    Silic đa tinh thể có hiệu suất chuyển đổi hợp lý, chi phí đầu tư thấp hơn so với silic đơn tinh thể, phù hợp với điều kiện nhiệt độ cao tại Bình Thuận và giúp giảm tổng mức đầu tư cho dự án công suất lớn.

  4. Phần mềm PSS/E được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    PSS/E được dùng để xây dựng mô hình lưới điện, mô phỏng phân bố công suất, dao động điện áp và tần số, cũng như phân tích ổn định động khi xảy ra các sự cố, giúp đánh giá chính xác ảnh hưởng của nhà máy điện mặt trời.

  5. Những vấn đề nào chưa được giải quyết trong luận văn?
    Luận văn chưa xem xét ảnh hưởng của sóng hài tổng (THD), chưa tối ưu phân bố luồng công suất giữa các nguồn truyền thống và tái tạo, đây là các hướng nghiên cứu mở để nâng cao hiệu quả và ổn định hệ thống trong tương lai.

Kết luận

  • Luận văn đã hoàn thành mục tiêu khảo sát ảnh hưởng của nhà máy điện mặt trời công suất lớn đấu nối vào hệ thống điện phân phối 110 kV tại tỉnh Bình Thuận, sử dụng mô hình và phần mềm PSS/E để mô phỏng các kịch bản vận hành và sự cố.

  • Kết quả cho thấy hệ thống điện có khả năng duy trì ổn định điện áp và tần số trong giới hạn cho phép, đồng thời đáp ứng tiêu chuẩn ổn định động khi xảy ra sự cố ngắn mạch 3 pha.

  • Công nghệ pin mặt trời silic đa tinh thể được lựa chọn phù hợp với điều kiện địa phương và yêu cầu kỹ thuật của dự án công suất lớn.

  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật quan trọng cho việc thiết kế, vận hành và phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển bền vững.

  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu về sóng hài, tối ưu phối hợp nguồn phát và ứng dụng hệ thống lưu trữ năng lượng để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện có tích hợp năng lượng tái tạo.

Hành động khuyến nghị: Các nhà quản lý, kỹ sư và nhà nghiên cứu nên áp dụng kết quả và phương pháp luận văn để phát triển các dự án điện mặt trời quy mô lớn, đồng thời tiếp tục nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật nâng cao tính ổn định và hiệu quả hệ thống điện.