Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh toàn cầu đang chuyển dịch mạnh mẽ sang sử dụng năng lượng tái tạo (NLTT) nhằm giảm phát thải khí nhà kính và đảm bảo phát triển bền vững, Việt Nam cũng đã ghi nhận sự tăng trưởng vượt bậc trong lĩnh vực này. Tính đến cuối năm 2021, tổng công suất lắp đặt các nguồn NLTT tại Việt Nam đạt khoảng 20.670 MW, chiếm 27% tổng công suất toàn hệ thống, trong đó điện gió và điện mặt trời chiếm tỷ trọng ngày càng lớn. Tuy nhiên, sự gia tăng nhanh chóng này cũng đặt ra nhiều thách thức trong vận hành hệ thống điện truyền tải (HTĐTT), đặc biệt là các vấn đề về ổn định lưới điện, quá tải đường dây và cắt giảm công suất nguồn NLTT gây thiệt hại kinh tế.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành các nguồn NLTT và đường dây truyền tải điện, tập trung vào khu vực Tây Nguyên – nơi có nhiều nhà máy điện gió và điện mặt trời theo quy hoạch đến năm 2025. Nghiên cứu nhằm phân tích hiện trạng vận hành, dự báo công suất nguồn NLTT, ứng dụng công nghệ lưu trữ năng lượng bằng pin (Battery Energy Storage System - BESS) để giảm thiểu quá tải và nâng cao độ ổn định hệ thống. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình dự báo công suất các nhà máy điện gió, điện mặt trời, mô hình điều khiển BESS và phân tích vận hành lưới điện truyền tải khu vực Tây Nguyên với sự hỗ trợ của phần mềm DIgSILENT Power Factory.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ vận hành an toàn, hiệu quả hệ thống điện khi tỷ trọng NLTT ngày càng tăng, đồng thời góp phần giảm thiểu tổn thất truyền tải, nâng cao độ tin cậy và giảm thiểu thiệt hại kinh tế do cắt giảm công suất nguồn NLTT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết về năng lượng tái tạo và ảnh hưởng đến hệ thống điện: Nghiên cứu các đặc tính biến động, không chắc chắn của nguồn NLTT như điện gió và điện mặt trời, tác động đến độ ổn định tần số, điện áp và công suất truyền tải trong hệ thống điện.

  • Mô hình dự báo công suất nguồn NLTT: Áp dụng các phương pháp dự báo vật lý (Numerical Weather Prediction - NWP), thống kê và kết hợp (hybrid) để dự báo công suất phát của các nhà máy điện gió và điện mặt trời. Các khái niệm chính bao gồm: dự báo ngắn hạn, dự báo chuỗi thời gian, mô hình ảnh vệ tinh, máy ảnh bầu trời, và mô hình dự báo năng lượng gió.

  • Mô hình điều khiển hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS): Nghiên cứu cấu trúc, công nghệ pin (Lithium-ion, VRB, NAS), bộ biến đổi công suất (PCS) một tầng và hai tầng, cùng các phương pháp điều khiển nạp/xả nhằm ổn định lưới điện và giảm quá tải đường dây truyền tải.

  • Lý thuyết vận hành lưới điện truyền tải: Phân tích hiện trạng vận hành lưới điện khu vực Tây Nguyên, các chỉ tiêu kỹ thuật như tải trọng đường dây, công suất cắt giảm nguồn NLTT, và các giải pháp vận hành tối ưu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu công suất lắp đặt và vận hành các nhà máy điện gió, điện mặt trời và thủy điện khu vực Tây Nguyên theo quy hoạch đến năm 2025; dữ liệu tải trọng, điện áp các trạm biến áp 500 kV; dữ liệu thời tiết phục vụ dự báo công suất NLTT.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình dự báo công suất NLTT dựa trên các phương pháp vật lý và thống kê; mô phỏng vận hành lưới điện truyền tải khu vực Tây Nguyên bằng phần mềm DIgSILENT Power Factory; mô hình điều khiển BESS với các kịch bản nạp/xả dựa trên dự báo công suất NLTT và phụ tải.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Lưới điện khu vực Tây Nguyên được chọn làm mẫu nghiên cứu do đây là vùng có tỷ trọng NLTT cao và có nhiều điểm nghẽn truyền tải. Các nhà máy điện gió, điện mặt trời và trạm biến áp trọng điểm được khảo sát chi tiết.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2022, với các giai đoạn: thu thập dữ liệu và tổng quan lý thuyết (quý 1-2), xây dựng mô hình và mô phỏng (quý 3), phân tích kết quả và đề xuất giải pháp (quý 4).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tỷ trọng NLTT tăng nhanh gây áp lực lên lưới truyền tải: Đến năm 2025, khu vực Tây Nguyên dự kiến có khoảng 5.260 MW điện gió và 10.253 MWp điện mặt trời. Sự tập trung công suất lớn này dẫn đến hiện tượng quá tải các dàn tụ bù dọc 500 kV, với mức quá tải lên đến khoảng 13,9% tại một số trạm biến áp.

  2. Hiện trạng vận hành lưới điện Tây Nguyên có nhiều điểm nghẽn: Các biểu đồ tải trọng 24 giờ cho thấy nhiều đường dây và trạm biến áp vận hành gần hoặc vượt giới hạn thiết kế, đặc biệt trong các giờ cao điểm NLTT phát công suất lớn. Công suất cắt giảm nguồn NLTT tại khu vực này có thể lên đến hàng trăm MW trong các thời điểm quá tải.

  3. Mô hình dự báo công suất NLTT giúp tối ưu vận hành: Việc ứng dụng các mô hình dự báo công suất điện gió và mặt trời dựa trên dữ liệu thời tiết và ảnh vệ tinh cho phép dự báo chính xác trong khoảng thời gian ngắn hạn, giúp lập kế hoạch vận hành và điều độ lưới điện hiệu quả hơn.

  4. Ứng dụng BESS giảm thiểu quá tải và nâng cao ổn định lưới điện: Mô phỏng vận hành với việc lắp đặt BESS tại các trạm biến áp 500 kV Đăk Nông và EaNam cho thấy BESS có thể hấp thụ công suất dư thừa vào giờ cao điểm và phát lại điện vào giờ thấp điểm, giảm tải cho các dàn tụ bù dọc và đường dây truyền tải. Chu trình nạp/xả BESS được điều khiển dựa trên dự báo công suất NLTT và phụ tải, giúp giảm thiểu cắt giảm công suất nguồn NLTT và tăng độ ổn định tần số, điện áp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các hiện tượng quá tải và cắt giảm công suất NLTT là do đặc tính biến động và không ổn định của nguồn NLTT, phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và môi trường. Việc dự báo công suất NLTT chính xác giúp đơn vị vận hành có thể lập kế hoạch điều độ phù hợp, giảm thiểu rủi ro mất cân bằng nguồn – phụ tải.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, việc ứng dụng BESS như một giải pháp lưu trữ năng lượng và hỗ trợ ổn định lưới điện đã được nhiều quốc gia phát triển áp dụng thành công. Kết quả mô phỏng tại khu vực Tây Nguyên phù hợp với xu hướng này, cho thấy BESS không chỉ giúp giảm quá tải mà còn nâng cao khả năng dự phòng quay và giảm tổn thất truyền tải.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ tải trọng 24 giờ của các đường dây và trạm biến áp, biểu đồ công suất cắt giảm NLTT trước và sau khi lắp đặt BESS, cũng như chu trình nạp/xả của BESS theo thời gian. Bảng so sánh các chỉ tiêu vận hành lưới điện trước và sau khi áp dụng giải pháp cũng minh họa hiệu quả rõ rệt.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai lắp đặt hệ thống BESS tại các trạm biến áp trọng điểm: Ưu tiên các trạm biến áp 500 kV có hiện tượng quá tải dàn tụ bù dọc và đường dây truyền tải tại khu vực Tây Nguyên. Thời gian thực hiện trong giai đoạn 2023-2025 nhằm giảm thiểu cắt giảm công suất NLTT và nâng cao độ ổn định lưới điện.

  2. Phát triển hệ thống dự báo công suất NLTT chính xác và liên tục: Ứng dụng các mô hình dự báo kết hợp dữ liệu vệ tinh, máy ảnh bầu trời và NWP để cung cấp thông tin dự báo ngắn hạn phục vụ điều độ hệ thống điện. Chủ thể thực hiện là Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Quốc gia phối hợp với các đơn vị nghiên cứu.

  3. Xây dựng quy trình vận hành BESS tối ưu: Thiết kế các kịch bản nạp/xả BESS dựa trên dự báo công suất NLTT và phụ tải, đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Thời gian triển khai từ 2023, đồng bộ với việc lắp đặt BESS.

  4. Tăng cường đầu tư nâng cấp hạ tầng truyền tải điện: Song song với giải pháp BESS, cần đầu tư xây dựng các đường dây truyền tải mới và nâng cấp các trạm biến áp để đáp ứng nhu cầu công suất ngày càng tăng. Kế hoạch dài hạn từ 2025 trở đi, do Bộ Công Thương và các đơn vị truyền tải thực hiện.

  5. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành cho cán bộ kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành hệ thống điện có tích hợp NLTT và BESS, nâng cao năng lực dự báo và điều độ hệ thống. Thời gian thực hiện liên tục, bắt đầu từ năm 2023.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Giúp hiểu rõ các thách thức và giải pháp vận hành hệ thống điện có tỷ trọng NLTT cao, từ đó xây dựng chính sách phát triển bền vững và hiệu quả.

  2. Đơn vị vận hành hệ thống điện và truyền tải: Cung cấp cơ sở khoa học và công cụ mô phỏng để tối ưu hóa vận hành, giảm thiểu rủi ro quá tải và cắt giảm công suất nguồn NLTT.

  3. Các nhà đầu tư và phát triển dự án NLTT: Hiểu được tác động của NLTT đến hệ thống điện và các giải pháp kỹ thuật hỗ trợ, giúp tối ưu hóa hiệu quả đầu tư và vận hành dự án.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về mô hình dự báo công suất NLTT, công nghệ BESS và vận hành lưới điện truyền tải trong bối cảnh tích hợp NLTT.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần dự báo công suất các nguồn năng lượng tái tạo?
    Dự báo công suất giúp đơn vị vận hành hệ thống điện lập kế hoạch điều độ chính xác, giảm thiểu rủi ro mất cân bằng nguồn – phụ tải, và tối ưu hóa sử dụng nguồn NLTT. Ví dụ, dự báo chính xác giúp giảm thiểu cắt giảm công suất nguồn NLTT do quá tải lưới.

  2. BESS có vai trò gì trong hệ thống điện có tỷ trọng NLTT cao?
    BESS giúp lưu trữ năng lượng dư thừa khi nguồn NLTT phát công suất cao và phát lại điện khi nguồn NLTT yếu hoặc không phát điện, từ đó giảm quá tải đường dây, ổn định tần số và điện áp. Nghiên cứu mô phỏng tại Tây Nguyên cho thấy BESS giảm quá tải dàn tụ bù dọc 500 kV hiệu quả.

  3. Các công nghệ pin nào được sử dụng phổ biến trong BESS?
    Các công nghệ phổ biến gồm pin Lithium-ion, pin Vanadium Redox Battery (VRB), và pin Natri nhiệt độ cao (NAS). Pin Lithium-ion được ưa chuộng do hiệu suất cao, tuổi thọ dài và khả năng đáp ứng nhanh.

  4. Giải pháp nào được đề xuất để giảm thiểu cắt giảm công suất nguồn NLTT?
    Ngoài đầu tư nâng cấp hạ tầng truyền tải, giải pháp chính là ứng dụng BESS với quy trình điều khiển nạp/xả dựa trên dự báo công suất NLTT và phụ tải, giúp hấp thụ công suất dư thừa và phát lại điện khi cần thiết.

  5. Phần mềm DIgSILENT Power Factory được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Phần mềm được dùng để mô phỏng vận hành lưới điện truyền tải khu vực Tây Nguyên, đánh giá hiện trạng quá tải, hiệu quả của giải pháp BESS và các kịch bản vận hành khác nhau nhằm tối ưu hóa hiệu quả vận hành hệ thống.

Kết luận

  • Nguồn năng lượng tái tạo tại Việt Nam, đặc biệt khu vực Tây Nguyên, phát triển nhanh chóng với công suất dự kiến trên 15.000 MW đến năm 2025, tạo áp lực lớn lên hệ thống truyền tải điện.
  • Việc dự báo công suất NLTT chính xác là yếu tố then chốt giúp vận hành hiệu quả và ổn định hệ thống điện có tỷ trọng NLTT cao.
  • Hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS) được đề xuất và mô phỏng cho thấy hiệu quả trong việc giảm quá tải đường dây, giảm thiểu cắt giảm công suất NLTT và nâng cao độ ổn định lưới điện.
  • Giải pháp kết hợp dự báo công suất NLTT và điều khiển chu trình nạp/xả BESS là hướng đi khả thi, cần được triển khai thực tế tại các trạm biến áp trọng điểm.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thí điểm BESS tại Tây Nguyên, hoàn thiện quy trình vận hành, đào tạo nhân lực và mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các vùng khác.

Kêu gọi hành động: Các cơ quan quản lý, đơn vị vận hành và nhà đầu tư cần phối hợp triển khai các giải pháp nghiên cứu để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện, đảm bảo phát triển bền vững nguồn năng lượng tái tạo tại Việt Nam.