Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh toàn cầu đang nỗ lực giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và giảm phát thải khí nhà kính, phương tiện giao thông điện (EV) đã trở thành xu hướng phát triển quan trọng. Theo thống kê của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), số lượng ô tô điện toàn cầu đã tăng từ khoảng 17.000 chiếc năm 2010 lên 7,2 triệu chiếc vào năm 2019, trong đó Trung Quốc chiếm 47% thị phần. Tại Việt Nam, với thực trạng ô nhiễm không khí ngày càng nghiêm trọng, Chính phủ đã ban hành Nghị định 57/2020 nhằm thúc đẩy sản xuất và sử dụng xe điện, xe hybrid và các loại xe xanh khác.

Sự phát triển nhanh chóng của xe điện đặt ra thách thức lớn cho hệ thống lưới điện phân phối, đặc biệt là khả năng cung cấp điện ổn định và hiệu quả cho các trạm sạc xe điện. Việc tích hợp các trạm sạc vào lưới điện không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng điện áp, tổn thất điện năng mà còn tác động đến độ ổn định tần số và dao động của hệ thống. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình phân bố công suất tối ưu cho lưới điện phân phối có các trạm sạc xe điện, đồng thời xem xét sự phối hợp với nguồn năng lượng tái tạo nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và giảm tổn thất.

Nghiên cứu được thực hiện trên các mô hình lưới điện chuẩn IEEE 33 nút, IEEE 69 nút và lưới điện thực tế tại Công ty Điện lực Phú Thọ, sử dụng thuật toán tối ưu hóa Moth-Flame Optimization (MFO) cải tiến để tìm lời giải tối ưu. Kết quả mô phỏng cung cấp các chỉ số về khả năng cung cấp điện cho từng trạm sạc và toàn bộ hệ thống, góp phần định hướng quy hoạch và phát triển hạ tầng lưới điện phù hợp với xu hướng phát triển xe điện và năng lượng tái tạo trong giai đoạn 2021-2022 tại Việt Nam.

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 về xe điện và trạm sạc: Phân loại các loại trạm sạc theo tiêu chuẩn SAE, bao gồm sạc AC và DC với các cấp độ sạc khác nhau, từ sạc chậm đến sạc nhanh, ảnh hưởng đến đặc tính tải và chất lượng điện năng của lưới.
  • Tác động của trạm sạc lên lưới điện phân phối: Nghiên cứu ảnh hưởng đến độ ổn định điện áp, tần số và dao động của hệ thống điện khi tích hợp các tải đặc biệt là trạm sạc EV. Mô hình tải EV được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa công suất không đổi và hàm mũ âm phụ thuộc điện áp.
  • Nguồn năng lượng tái tạo (RES): Vai trò của RES trong việc giảm phát thải khí nhà kính và hỗ trợ cung cấp điện cho trạm sạc EV, thúc đẩy phát triển lưới điện thông minh và tích hợp các nguồn phân tán.
  • Thuật toán tối ưu hóa MFO cải tiến: Dựa trên hành vi định hướng ngang của bướm đêm, thuật toán MFO được cải tiến bằng hàm mũ giảm số lượng ngọn lửa qua các vòng lặp nhằm cân bằng giữa khai thác và khám phá không gian tìm kiếm, phù hợp với bài toán phân bố công suất tối ưu phức tạp.

Các khái niệm chính bao gồm: trạng thái sạc (SoC), công suất phản kháng, tổn thất điện năng, giới hạn điện áp, và các điều kiện ràng buộc vận hành của lưới điện.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng mô hình lưới điện chuẩn IEEE 33 nút, IEEE 69 nút và lưới điện thực tế tại Công ty Điện lực Phú Thọ. Dữ liệu về đặc tính tải EV, thời gian sạc, trạng thái sạc được mô phỏng dựa trên phân phối Gaussian và các thông số thực tế từ các trạm sạc VinFast.
  • Phương pháp phân tích: Xây dựng bài toán tối ưu phân bố công suất với hàm mục tiêu giảm tổn thất điện năng, đồng thời đảm bảo các điều kiện ràng buộc về cân bằng công suất, giới hạn điện áp, công suất truyền tải và công suất trạm sạc. Thuật toán MFO cải tiến được áp dụng để tìm lời giải tối ưu.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 9/2021 đến tháng 12/2021, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, thiết kế thuật toán, mô phỏng trên Matlab và phân tích kết quả.

Phương pháp chọn mẫu tập trung vào các lưới điện tiêu chuẩn và lưới thực tế đại diện cho khu vực nội thành TP. Hồ Chí Minh nhằm đảm bảo tính ứng dụng thực tiễn và khả năng mở rộng nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng cung cấp điện cho trạm sạc trên lưới IEEE 33 nút: Kết quả mô phỏng cho thấy, sau khi tối ưu công suất tụ bù, điện áp tại các nút được cải thiện rõ rệt, biên độ điện áp tăng lên trung bình khoảng 5%, giúp nâng cao khả năng cung cấp điện ổn định cho trạm sạc. Tổn thất điện năng giảm khoảng 8% so với trạng thái chưa tối ưu.

  2. Hiệu quả trên lưới IEEE 69 nút: Việc áp dụng thuật toán MFO cải tiến giúp tối ưu vị trí và công suất tụ bù, giảm tổn thất điện năng khoảng 10%, đồng thời cải thiện điện áp tại các nút yếu nhất lên mức 0.95-1.05 p.u., đảm bảo vận hành an toàn cho các trạm sạc công suất lớn.

  3. Ứng dụng trên lưới điện thực Phú Thọ: Mô phỏng trên lưới thực tế cho thấy khả năng cung cấp điện tối đa cho trạm sạc tại các nút trọng điểm đạt khoảng 90% công suất định mức, với tổn thất điện năng giảm 7% sau tối ưu. Điện áp các nút duy trì trong giới hạn cho phép, đảm bảo chất lượng điện năng.

  4. Tác động của nguồn năng lượng tái tạo: Khi tích hợp nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện có trạm sạc EV, tổn thất điện năng giảm thêm khoảng 5%, đồng thời chi phí sạc điện từ lưới giảm đáng kể nhờ sử dụng năng lượng tái tạo vào các giờ cao điểm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc cải thiện hiệu quả vận hành lưới điện là do thuật toán MFO cải tiến khai thác hiệu quả không gian tìm kiếm, giúp xác định vị trí và công suất tụ bù tối ưu, từ đó nâng cao điện áp và giảm tổn thất. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng thuật toán metaheuristic khác, MFO cải tiến cho kết quả hội tụ nhanh hơn và ổn định hơn.

Việc tích hợp nguồn năng lượng tái tạo không chỉ giảm tổn thất mà còn góp phần giảm chi phí vận hành và phát thải khí nhà kính, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững. Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ điện áp các nút trước và sau tối ưu, bảng so sánh tổn thất điện năng và công suất cung cấp cho trạm sạc tại các nút trọng điểm.

Những phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong việc quy hoạch và vận hành lưới điện phân phối tại các đô thị lớn, đặc biệt trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của xe điện và năng lượng tái tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống tụ bù thông minh: Lắp đặt và tối ưu công suất tụ bù tại các nút trọng điểm trong lưới điện phân phối nhằm cải thiện điện áp và giảm tổn thất, hướng tới mục tiêu nâng điện áp trung bình lên 1.0 p.u. trong vòng 12 tháng tới. Chủ thể thực hiện: các công ty điện lực địa phương.

  2. Phát triển phần mềm quản lý sạc EV tích hợp thuật toán tối ưu: Xây dựng hệ thống điều khiển và quản lý sạc/xả EV dựa trên thuật toán MFO cải tiến để tối ưu hóa công suất và chi phí sạc, giảm tổn thất điện năng ít nhất 10% trong 18 tháng. Chủ thể thực hiện: các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  3. Tăng cường tích hợp nguồn năng lượng tái tạo: Khuyến khích đầu tư và phát triển các nguồn năng lượng mặt trời, gió tại các khu vực lưới phân phối, phối hợp với trạm sạc EV để giảm chi phí điện năng và phát thải khí nhà kính, đặt mục tiêu tăng tỷ lệ năng lượng tái tạo lên 30% trong 3 năm tới. Chủ thể thực hiện: Bộ Công Thương, các nhà đầu tư năng lượng.

  4. Xây dựng chính sách giá điện ưu đãi cho sạc EV: Áp dụng biểu giá thời gian sử dụng (ToU) để điều chỉnh thời gian sạc, giảm tải đỉnh và cân bằng điện áp, giúp giảm tổn thất và chi phí vận hành lưới điện trong vòng 1 năm. Chủ thể thực hiện: cơ quan quản lý điện lực và các nhà cung cấp dịch vụ điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Nhận diện các giải pháp tối ưu hóa lưới điện phân phối trong bối cảnh phát triển xe điện và năng lượng tái tạo, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển bền vững.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành lưới điện: Áp dụng mô hình và thuật toán tối ưu để nâng cao hiệu quả vận hành, giảm tổn thất và cải thiện chất lượng điện năng trong hệ thống phân phối.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và phát triển công nghệ xe điện, trạm sạc: Hiểu rõ tác động của trạm sạc lên lưới điện, từ đó thiết kế sản phẩm và dịch vụ phù hợp, tối ưu hóa chi phí và hiệu suất.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện: Tham khảo phương pháp luận, mô hình và thuật toán tối ưu hóa hiện đại, phục vụ cho các nghiên cứu tiếp theo về lưới điện thông minh và tích hợp năng lượng tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần tối ưu phân bố công suất cho lưới điện có trạm sạc EV?
    Việc tối ưu giúp giảm tổn thất điện năng, cải thiện chất lượng điện áp và đảm bảo vận hành ổn định khi số lượng xe điện và trạm sạc tăng nhanh, tránh quá tải và sự cố lưới điện.

  2. Thuật toán MFO cải tiến có ưu điểm gì so với các thuật toán khác?
    MFO cải tiến sử dụng hàm mũ giảm số lượng ngọn lửa qua các vòng lặp, giúp cân bằng giữa khai thác và khám phá không gian tìm kiếm, tăng tốc độ hội tụ và độ chính xác của lời giải.

  3. Nguồn năng lượng tái tạo ảnh hưởng thế nào đến lưới điện có trạm sạc EV?
    Nguồn tái tạo giúp giảm tổn thất điện năng và chi phí sạc, đồng thời giảm phát thải khí nhà kính, góp phần nâng cao tính bền vững và hiệu quả vận hành lưới điện.

  4. Làm thế nào để đảm bảo chất lượng điện áp khi tích hợp nhiều trạm sạc EV?
    Cần sử dụng các thiết bị điều chỉnh điện áp như tụ bù, dSTATCOM, kết hợp với quản lý sạc thông minh và điều khiển công suất phản kháng để duy trì điện áp trong giới hạn cho phép.

  5. Phạm vi áp dụng của mô hình và thuật toán trong nghiên cứu này?
    Mô hình và thuật toán phù hợp với các lưới điện phân phối có cấu trúc hình tia, đặc biệt tại các đô thị lớn như TP. Hồ Chí Minh, có thể mở rộng cho các khu vực khác với điều chỉnh phù hợp.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình phân bố công suất tối ưu cho lưới điện phân phối có trạm sạc xe điện, áp dụng trên các lưới chuẩn và lưới thực tế.
  • Thuật toán MFO cải tiến chứng minh hiệu quả trong việc giảm tổn thất điện năng và cải thiện chất lượng điện áp.
  • Tích hợp nguồn năng lượng tái tạo góp phần nâng cao hiệu quả vận hành và giảm chi phí sạc điện.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc quy hoạch và phát triển hạ tầng lưới điện phù hợp với xu hướng phát triển xe điện tại Việt Nam.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chính sách nhằm thúc đẩy phát triển bền vững hệ thống điện trong giai đoạn tiếp theo.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực tế các giải pháp tối ưu trên lưới điện phân phối, mở rộng nghiên cứu tích hợp các công nghệ lưu trữ năng lượng và điều khiển thông minh.

Call to action: Các đơn vị quản lý và vận hành lưới điện, doanh nghiệp công nghệ và nhà nghiên cứu nên phối hợp để ứng dụng kết quả nghiên cứu, góp phần xây dựng hệ thống điện thông minh, xanh và bền vững.