Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện mặt trời mái nhà (ĐMTMN), hệ thống điện phân phối tại tỉnh Tây Ninh đang đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật. Tính đến cuối năm 2020, tổng công suất lắp đặt ĐMTMN trên địa bàn tỉnh đạt khoảng 306 MWp, chiếm 41,7% tổng nguồn điện đấu nối vào lưới điện của Công ty Điện lực Tây Ninh. Tỉ lệ xâm nhập cao của nguồn năng lượng mặt trời đã gây ra các vấn đề như quá điện áp cục bộ, bù công suất phản kháng không hiệu quả và thay đổi điểm dừng lưới tối ưu trên các xuất tuyến 22kV, đặc biệt là tuyến 475 và 477 thuộc trạm 110kV Tân Hưng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xác định nguyên nhân và đề xuất giải pháp giải quyết ba vấn đề cấp thiết: quá áp, bù công suất phản kháng và xác định điểm dừng lưới tối ưu cho lưới điện phân phối có tỉ lệ xâm nhập cao của ĐMTMN. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các xuất tuyến 22kV của tỉnh Tây Ninh, với dữ liệu thu thập từ phần mềm đo ghi xa, SCADA/DMS và phần mềm RTM dự báo khả năng phát của ĐMTMN. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao chất lượng điện năng, giảm tổn thất điện năng và đảm bảo vận hành ổn định, tin cậy cho lưới điện phân phối trong điều kiện phát triển năng lượng tái tạo nhanh chóng.

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:

  • Lý thuyết dự báo công suất nguồn năng lượng tái tạo: Bao gồm các phương pháp dự báo dựa trên đặc tính quán tính, mô hình vật lý, mô hình thống kê và kỹ thuật học máy. Việc dự báo chính xác công suất phát ĐMTMN là cơ sở để xây dựng kế hoạch vận hành lưới điện hiệu quả.

  • Lý thuyết tổn thất điện năng và bù công suất phản kháng: Tổn thất điện năng chủ yếu do điện trở dây dẫn và sự mất cân bằng pha. Bù công suất phản kháng nhằm nâng cao hệ số công suất, giảm dòng điện truyền tải và tổn thất trên lưới.

  • Lý thuyết quá điện áp và sụt áp cục bộ: Quá áp là hiện tượng điện áp vượt quá điện áp danh định trên lưới, gây ảnh hưởng đến thiết bị và chất lượng điện năng. Sự phát triển ĐMTMN với công suất lớn và phát ngược làm tăng nguy cơ quá áp cục bộ.

  • Mô hình điểm dừng lưới tối ưu: Xác định vị trí thường mở trên lưới điện phân phối để giảm tổn thất, nâng cao chất lượng điện năng và đảm bảo vận hành linh hoạt khi có sự thay đổi công suất phát ĐMTMN.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

  • Thu thập dữ liệu thực tế: Số liệu vận hành lưới điện được thu thập từ phần mềm đo ghi xa, SCADA/DMS và phần mềm RTM dự báo công suất ĐMTMN tại các xuất tuyến 475 và 477 trạm 110kV Tân Hưng.

  • Phân tích số liệu: Xác định các vấn đề kỹ thuật hiện hữu như quá áp, bù công suất phản kháng chưa hiệu quả và điểm dừng lưới không tối ưu dựa trên số liệu thực tế và tiêu chuẩn kỹ thuật.

  • Mô phỏng bằng phần mềm ETAP: Xây dựng mô hình lưới điện phân phối tiêu biểu, mô phỏng các giải pháp đề xuất trước và sau khi đưa trạm 110kV Suối Ngô vào vận hành, đánh giá hiệu quả về điện áp, tổn thất và công suất phản kháng.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Tập trung nghiên cứu trên hai xuất tuyến 475 và 477 với tỉ lệ công suất đặt ĐMTMN lần lượt là 139% và 105% so với công suất max, đại diện cho các lưới điện có tỉ lệ xâm nhập cao.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 11/2023 đến tháng 6/2024, bao gồm thu thập số liệu, phân tích, mô phỏng và đánh giá giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện tượng quá điện áp cục bộ: Điện áp tại một số điểm trên tuyến 475TH vượt mức cho phép, đạt tới 14,5 kV so với điện áp danh định 13,35 kV, vượt quá 12-14% so với quy định. Quá áp chủ yếu xảy ra vào giờ cao điểm khi công suất ĐMTMN phát ngược lớn.

  2. Bù công suất phản kháng chưa hiệu quả: Hệ số công suất trung bình tại các xuất tuyến như 475TH và 477TH dao động từ 0,22 đến 0,73, thấp hơn nhiều so với yêu cầu ≥ 0,98. Tình trạng thiếu bù hoặc thừa bù tràn ngược công suất phản kháng xảy ra do phương pháp bù chưa phù hợp với đặc điểm nguồn ĐMTMN.

  3. Điểm dừng lưới tối ưu thay đổi: Việc phát triển mạnh mẽ ĐMTMN làm thay đổi vị trí thường mở tối ưu trên lưới điện phân phối. Mô phỏng cho thấy khi đưa trạm 110kV Suối Ngô vào vận hành và phân bố lại phụ tải, điểm dừng lưới tối ưu giúp giảm tổn thất điện năng từ khoảng 5% xuống còn dưới 3% tại các thời điểm cao điểm.

  4. Hiệu quả mô phỏng giải pháp: Kết quả mô phỏng trên phần mềm ETAP cho thấy sau khi áp dụng giải pháp xây dựng trạm biến áp 110kV mới và điều chỉnh bù công suất phản kháng, điện áp tại các nút trên tuyến 475 và 477 được duy trì ổn định trong giới hạn cho phép, tổn thất điện năng giảm đáng kể, đồng thời cải thiện hệ số công suất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân quá áp cục bộ được xác định là do công suất phát ngược của ĐMTMN vượt quá công suất phụ tải tại các xuất tuyến, làm điện áp tăng cao vượt ngưỡng. So với các nghiên cứu tại các quốc gia phát triển, hiện tượng này cũng phổ biến nhưng giải pháp tại Tây Ninh được điều chỉnh phù hợp với đặc thù lưới điện phân phối và chi phí đầu tư hợp lý.

Việc bù công suất phản kháng chưa hiệu quả do phương pháp bù cố định và ứng động chưa đồng bộ với biến động công suất ĐMTMN. Kết quả nghiên cứu cho thấy cần áp dụng phương pháp bù linh hoạt, kết hợp điều khiển từ xa để thích ứng với biến động nguồn phát.

Điểm dừng lưới tối ưu thay đổi theo công suất phát ĐMTMN là một phát hiện quan trọng, cho thấy việc vận hành lưới điện phân phối cần có tính linh hoạt cao, sử dụng công nghệ SCADA và thiết bị đóng cắt thông minh để điều chỉnh điểm dừng phù hợp theo thời gian thực.

Dữ liệu mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ điện áp tại các nút, bảng so sánh tổn thất điện năng trước và sau khi áp dụng giải pháp, giúp minh chứng rõ ràng hiệu quả của các giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng và vận hành trạm biến áp 110kV mới: Giảm bán kính cấp điện, phân bố lại phụ tải và nguồn ĐMTMN nhằm giảm quá áp và tổn thất. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, do Công ty Điện lực Tây Ninh chủ trì.

  2. Áp dụng hệ thống bù công suất phản kháng linh hoạt: Sử dụng tụ bù ứng động có điều khiển từ xa, kết hợp với hệ thống giám sát SCADA để điều chỉnh bù theo biến động công suất ĐMTMN. Mục tiêu nâng hệ số công suất lên ≥ 0,98 trong vòng 6 tháng.

  3. Xác định và điều chỉnh điểm dừng lưới tối ưu theo thời gian thực: Triển khai thiết bị đóng cắt thông minh, tích hợp với hệ thống SCADA/DMS để thay đổi điểm dừng lưới phù hợp với công suất phát ĐMTMN. Thời gian triển khai dự kiến 1 năm.

  4. Nâng cao năng lực dự báo công suất ĐMTMN: Cải tiến phần mềm RTM, kết hợp dữ liệu khí tượng và học máy để nâng cao độ chính xác dự báo, hỗ trợ lập kế hoạch vận hành lưới điện hiệu quả. Thời gian phát triển liên tục, ưu tiên hoàn thiện trong 12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Công ty Điện lực và các đơn vị vận hành lưới điện phân phối: Áp dụng giải pháp để nâng cao chất lượng điện năng, giảm tổn thất và đảm bảo vận hành ổn định trong điều kiện tỉ lệ xâm nhập ĐMTMN cao.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tham khảo phương pháp phân tích, mô hình hóa và giải pháp kỹ thuật liên quan đến lưới điện phân phối và năng lượng tái tạo.

  3. Các nhà hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ các thách thức kỹ thuật khi phát triển năng lượng tái tạo, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phù hợp.

  4. Nhà đầu tư và doanh nghiệp phát triển dự án năng lượng mặt trời mái nhà: Nắm bắt các vấn đề kỹ thuật và giải pháp vận hành lưới điện để tối ưu hóa hiệu quả đầu tư và vận hành hệ thống.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao quá điện áp cục bộ lại xảy ra khi có nhiều nguồn ĐMTMN?
    Quá điện áp cục bộ xảy ra do công suất phát ngược của ĐMTMN vượt quá công suất phụ tải tại các điểm trên lưới, làm điện áp tăng cao vượt ngưỡng cho phép, ảnh hưởng đến thiết bị và chất lượng điện năng.

  2. Giải pháp bù công suất phản kháng hiện tại có những hạn chế gì?
    Phương pháp bù cố định và ứng động chưa đồng bộ với biến động công suất ĐMTMN, dẫn đến thiếu hoặc thừa bù, làm giảm hiệu quả vận hành và tăng tổn thất điện năng.

  3. Điểm dừng lưới tối ưu là gì và tại sao cần điều chỉnh?
    Điểm dừng lưới tối ưu là vị trí thường mở trên lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất và nâng cao chất lượng điện năng. Khi công suất ĐMTMN thay đổi, điểm dừng này cần được điều chỉnh để phù hợp với điều kiện vận hành mới.

  4. Phần mềm ETAP được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    ETAP được dùng để mô phỏng lưới điện phân phối, đánh giá các giải pháp kỹ thuật như xây dựng trạm biến áp mới, điều chỉnh bù công suất phản kháng và điểm dừng lưới, từ đó đánh giá hiệu quả về điện áp và tổn thất.

  5. Làm thế nào để nâng cao độ chính xác dự báo công suất ĐMTMN?
    Kết hợp dữ liệu khí tượng, mô hình vật lý và kỹ thuật học máy trong phần mềm RTM giúp cải thiện độ chính xác dự báo, hỗ trợ lập kế hoạch vận hành lưới điện hiệu quả hơn.

Kết luận

  • Xác định rõ các vấn đề kỹ thuật hiện hữu trên lưới điện phân phối tỉnh Tây Ninh với tỉ lệ xâm nhập cao của ĐMTMN, gồm quá áp cục bộ, bù công suất phản kháng chưa hiệu quả và điểm dừng lưới không tối ưu.
  • Đề xuất giải pháp xây dựng trạm biến áp 110kV mới, áp dụng bù công suất phản kháng linh hoạt và điều chỉnh điểm dừng lưới tối ưu theo thời gian thực.
  • Mô phỏng bằng phần mềm ETAP chứng minh hiệu quả của các giải pháp trong việc ổn định điện áp, giảm tổn thất và nâng cao hệ số công suất.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng vận hành lưới điện phân phối trong điều kiện phát triển nhanh nguồn năng lượng tái tạo.
  • Khuyến nghị tiếp tục phát triển các giải pháp về tổn thất điện năng, chất lượng điện năng và phối hợp bảo vệ trong giai đoạn tiếp theo.

Để đảm bảo vận hành lưới điện phân phối hiệu quả trong tương lai, các đơn vị liên quan cần phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất và tiếp tục nghiên cứu mở rộng nhằm giải quyết các vấn đề kỹ thuật còn tồn tại.