Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời cao với số giờ nắng trung bình khoảng 2.000 giờ/năm, đặc biệt tại các tỉnh Tây Nguyên và Nam Trung Bộ. Theo Hiệp hội Năng lượng sạch Việt Nam, tiềm năng phát triển điện mặt trời mái nhà (ĐMTMN) là rất lớn, góp phần quan trọng vào chiến lược phát triển năng lượng tái tạo quốc gia. Tính đến cuối năm 2020, tổng công suất lắp đặt điện mặt trời trên cả nước đạt khoảng 19.400 MWp, trong đó ĐMTMN chiếm gần 9.300 MWp, tương đương 25% tổng công suất nguồn điện quốc gia. Tuy nhiên, sự phát triển nhanh và quy mô lớn của ĐMTMN đã gây ra nhiều thách thức trong công tác quản lý vận hành lưới điện phân phối, như tổn thất điện năng tăng, hiện tượng công suất ngược, dao động điện áp và sóng hài ảnh hưởng đến chất lượng điện năng.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của ĐMTMN đối với lưới điện phân phối tại thị xã An Nhơn, tỉnh Bình Định, nơi có tổng công suất ĐMTMN lắp đặt khoảng 20.908 kWp. Mục tiêu nghiên cứu là phân tích các tác động tiêu cực và tích cực của ĐMTMN lên công tác quản lý vận hành lưới điện, từ đó đề xuất các giải pháp hạn chế ảnh hưởng tiêu cực và nâng cao hiệu quả vận hành. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào xuất tuyến 471/NTA – tuyến điện trung áp 22kV cấp điện chính cho Khu công nghiệp Nhơn Hòa, nơi có mật độ ĐMTMN cao nhất. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo bền vững, góp phần nâng cao độ tin cậy cung cấp điện và giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối.

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:

  • Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện mặt trời mái nhà: Bao gồm cấu tạo tấm pin quang điện, bộ biến tần (inverter), và hệ thống lưu trữ năng lượng (ắc-quy). Hệ thống ĐMTMN có thể hoạt động độc lập, nối lưới hoặc nối lưới có dự trữ, với các ưu nhược điểm khác nhau về chi phí, hiệu suất và tính ổn định.

  • Lý thuyết sóng hài (Harmonics): Sóng hài là các thành phần sóng có tần số bội số nguyên của tần số cơ bản, phát sinh từ các thiết bị điện tử công suất như biến tần. Sóng hài gây méo dạng điện áp, tăng tổn thất điện năng, làm giảm tuổi thọ thiết bị và ảnh hưởng đến hệ thống bảo vệ.

  • Mô hình hóa lưới điện phân phối bằng phần mềm PSS/ADEPT: Phần mềm này được sử dụng để mô phỏng các chế độ vận hành của lưới điện, tính toán trào lưu công suất, tổn thất điện năng, ảnh hưởng của sóng hài và các hiện tượng quá điện áp, công suất ngược.

Các khái niệm chính bao gồm: sóng hài, công suất ngược, tổn thất công suất, dao động điện áp, và hiệu quả vận hành lưới điện.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thực tế từ Điện lực An Nhơn về lưới điện phân phối, công suất ĐMTMN lắp đặt, dữ liệu vận hành lưới điện, cùng các quy định kỹ thuật về chất lượng điện năng và đấu nối nguồn tái tạo.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng mô phỏng trên phần mềm PSS/ADEPT để đánh giá ảnh hưởng của ĐMTMN lên lưới điện phân phối, bao gồm phân tích trào lưu công suất, dao động điện áp, sóng hài và tổn thất điện năng. So sánh các trường hợp vận hành với và không có ĐMTMN tham gia.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình hóa xuất tuyến 471/NTA – tuyến điện trung áp 22kV có mật độ ĐMTMN cao nhất với tổng công suất lắp đặt 20.908 kWp, trong đó 33 chủ đầu tư có công suất trên 100 kWp. Phân tích dữ liệu vận hành trong các thời điểm bình thường và dịp nghỉ lễ để đánh giá tác động công suất ngược.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập và phân tích dữ liệu vận hành năm 2021, mô phỏng và đánh giá trong năm 2022, hoàn thiện luận văn vào cuối năm 2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng đến dao động công suất, tần số và điện áp: ĐMTMN có đặc điểm công suất phát biến động theo bức xạ mặt trời, dao động nhanh và không kiểm soát được. Công suất phát hiệu quả chỉ khoảng 8 giờ/ngày, tập trung vào giờ cao điểm buổi trưa. Khi có mây che hoặc trời mưa, công suất giảm đột ngột gây dao động tần số và điện áp trên lưới. Ví dụ, điện áp tại các nút có thể tăng 2-3% so với mức cho phép khi công suất ĐMTMN cao và phụ tải thấp.

  2. Hiện tượng công suất ngược: Vào giờ thấp điểm hoặc ngày nghỉ lễ, công suất ĐMTMN vượt quá nhu cầu phụ tải tại chỗ, dẫn đến công suất phát ngược lên lưới điện trung áp. Mô phỏng trên xuất tuyến 471/NTA cho thấy công suất truyền tải trên lưới tăng lên đến 6 MW vào giờ cao điểm nghỉ lễ, trong khi không có ĐMTMN chỉ khoảng 2,8 MW. Tổn thất công suất trên lưới tăng 26,2% khi có công suất ngược.

  3. Tổn thất công suất và điện năng: Khi ĐMTMN tham gia với 50% công suất tải, tổn thất công suất giảm 12,67% và tổn thất điện năng giảm 3,96% so với không có ĐMTMN. Khi công suất ĐMTMN đạt 100% tải, tổn thất công suất giảm 17,19% và tổn thất điện năng giảm 4,34%. Tổn thất giảm chủ yếu do giảm tải trên máy biến áp và đường dây.

  4. Ảnh hưởng của sóng hài: Sóng hài phát sinh từ biến tần ĐMTMN gây méo dạng điện áp, tăng nhiệt độ máy biến áp, giảm tuổi thọ thiết bị và gây sai lệch hệ thống đo đếm điện năng. Quy định về tổng biến dạng sóng hài điện áp tại lưới trung áp không vượt quá 6,5% được áp dụng để hạn chế tác động này.

Thảo luận kết quả

Các kết quả mô phỏng và phân tích cho thấy ĐMTMN mang lại lợi ích rõ rệt trong việc giảm tổn thất điện năng và công suất trên lưới điện phân phối, đồng thời góp phần tăng độ tin cậy cung cấp điện và giảm suất đầu tư nâng cấp lưới điện. Tuy nhiên, hiện tượng công suất ngược và dao động điện áp do đặc tính biến động của nguồn ĐMTMN gây ra thách thức lớn cho công tác vận hành lưới điện.

So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tại thị xã An Nhơn tương đồng với xu hướng chung về ảnh hưởng của nguồn năng lượng tái tạo phân tán. Việc áp dụng phần mềm PSS/ADEPT giúp mô phỏng chính xác các hiện tượng này, hỗ trợ đánh giá và đề xuất giải pháp phù hợp. Các biểu đồ công suất, điện áp và tổn thất được trình bày minh họa rõ ràng sự khác biệt giữa các trường hợp vận hành, giúp trực quan hóa tác động của ĐMTMN.

Việc duy trì điện áp trong giới hạn cho phép và kiểm soát sóng hài là yêu cầu kỹ thuật quan trọng để đảm bảo chất lượng điện năng. Đồng thời, cần có nguồn điện dự phòng và hệ thống lưu trữ năng lượng để bù đắp dao động công suất, tránh mất cân bằng nguồn – tải và sự cố rã lưới.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển và nâng cấp lưới điện phân phối: Tăng cường đầu tư xây dựng lưới điện mạch vòng, nâng cấp máy biến áp và đường dây để đáp ứng công suất phát ngày càng tăng của ĐMTMN. Thực hiện quy hoạch đồng bộ giữa nguồn và lưới điện, xác định rõ công suất và tiến độ vận hành dự án để tránh quá tải. Chủ thể thực hiện: Công ty Điện lực Bình Định, EVN. Thời gian: 2023-2025.

  2. Áp dụng hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS): Lắp đặt hệ thống pin lưu trữ để điều hòa công suất phát, giảm dao động điện áp và công suất ngược, nâng cao độ ổn định lưới điện. Chủ thể thực hiện: Chủ đầu tư ĐMTMN, Công ty Điện lực. Thời gian: 2023-2026.

  3. Kiểm soát và giảm sóng hài: Sử dụng bộ lọc sóng hài tích cực hoặc thụ động tại các điểm đấu nối ĐMTMN để hạn chế méo dạng sóng, bảo vệ thiết bị và nâng cao chất lượng điện năng. Chủ thể thực hiện: Nhà sản xuất thiết bị, Công ty Điện lực. Thời gian: 2023-2024.

  4. Cải tiến công tác quản lý vận hành và điều độ: Ứng dụng phần mềm mô phỏng PSS/ADEPT và công nghệ điều khiển từ xa để giám sát, phân tích và điều chỉnh vận hành lưới điện linh hoạt theo biến động công suất ĐMTMN. Chủ thể thực hiện: Trung tâm Điều độ, Công ty Điện lực. Thời gian: 2023-2025.

  5. Tăng cường đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành lưới điện có nguồn năng lượng tái tạo, nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ quản lý và vận hành. Chủ thể thực hiện: Trường Đại học Quy Nhơn, Công ty Điện lực. Thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ quản lý và kỹ thuật ngành điện: Giúp hiểu rõ tác động của ĐMTMN đến lưới điện phân phối, từ đó nâng cao hiệu quả quản lý vận hành và lập kế hoạch đầu tư.

  2. Chủ đầu tư và nhà phát triển dự án điện mặt trời mái nhà: Cung cấp kiến thức về các ảnh hưởng kỹ thuật và giải pháp hạn chế, giúp tối ưu hóa thiết kế và vận hành hệ thống.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Là tài liệu tham khảo khoa học, cập nhật các phương pháp mô phỏng và phân tích hiện đại.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về năng lượng và môi trường: Hỗ trợ xây dựng chính sách, quy định kỹ thuật và quy hoạch phát triển năng lượng tái tạo phù hợp với thực tế vận hành lưới điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Điện mặt trời mái nhà ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng điện năng?
    Điện mặt trời mái nhà có thể gây ra dao động điện áp, sóng hài và công suất ngược, làm méo dạng sóng điện áp và tăng tổn thất điện năng. Ví dụ, sóng hài phát sinh từ biến tần có thể làm nóng máy biến áp và giảm tuổi thọ thiết bị.

  2. Làm thế nào để giảm thiểu hiện tượng công suất ngược trên lưới điện?
    Sử dụng hệ thống lưu trữ năng lượng để điều hòa công suất, nâng cấp lưới điện và áp dụng quy hoạch đồng bộ nguồn – lưới điện giúp giảm công suất ngược. Ngoài ra, điều chỉnh chế độ vận hành biến tần cũng góp phần hạn chế hiện tượng này.

  3. Phần mềm PSS/ADEPT có vai trò gì trong nghiên cứu này?
    PSS/ADEPT được dùng để mô phỏng lưới điện phân phối, tính toán trào lưu công suất, tổn thất và ảnh hưởng của ĐMTMN, giúp đánh giá chính xác các tác động và đề xuất giải pháp vận hành hiệu quả.

  4. Sóng hài là gì và tại sao cần kiểm soát?
    Sóng hài là các thành phần sóng có tần số bội số của tần số cơ bản, gây méo dạng sóng điện áp và dòng điện. Nếu không kiểm soát, sóng hài làm tăng tổn thất, hư hỏng thiết bị và gây sai lệch hệ thống đo đếm.

  5. Giải pháp nào giúp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi có ĐMTMN?
    Phát triển lưới điện mạch vòng, sử dụng hệ thống lưu trữ năng lượng, áp dụng công nghệ điều khiển từ xa và mô phỏng vận hành, đồng thời duy trì nguồn điện dự phòng giúp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

Kết luận

  • ĐMTMN tại thị xã An Nhơn có tiềm năng lớn, góp phần giảm tổn thất điện năng và tăng độ tin cậy cung cấp điện cho lưới phân phối.
  • Hiện tượng công suất ngược và dao động điện áp do đặc tính biến động của ĐMTMN gây ra thách thức lớn cho công tác vận hành lưới điện.
  • Sóng hài phát sinh từ biến tần ĐMTMN ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện năng và tuổi thọ thiết bị, cần được kiểm soát nghiêm ngặt.
  • Phần mềm PSS/ADEPT là công cụ hiệu quả trong mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của ĐMTMN, hỗ trợ đề xuất giải pháp kỹ thuật phù hợp.
  • Các giải pháp phát triển lưới điện, áp dụng hệ thống lưu trữ năng lượng, kiểm soát sóng hài và nâng cao công tác quản lý vận hành là cần thiết để tối ưu hóa lợi ích từ ĐMTMN.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị các đơn vị liên quan triển khai các giải pháp đề xuất, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi và ứng dụng công nghệ mới nhằm nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện phân phối trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo.