I. Giới thiệu Trạm sạc năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Việt Nam đang đối mặt với nhiều thách thức trong việc phát triển bền vững, đặc biệt là trong lĩnh vực năng lượng và giao thông. Hội nghị COP26 và Quy hoạch điện VIII (PDP VIII) thể hiện cam kết mạnh mẽ của Việt Nam trong việc giảm phát thải và tăng cường sử dụng năng lượng tái tạo. Sự chuyển đổi sang xe điện hai bánh (E2W) và sự phát triển của điện mặt trời trên mái nhà là hai xu hướng quan trọng. Bài viết này tập trung vào nghiên cứu các giải pháp tối ưu cho trạm sạc tích hợp năng lượng mặt trời, nhằm thúc đẩy cả hai xu hướng này một cách hiệu quả. Theo PDP VIII, Chính phủ đặt mục tiêu đến năm 2030, 50% các tòa nhà văn phòng và nhà ở sử dụng điện mặt trời mái nhà tự tiêu thụ. Nghiên cứu này hướng đến mục tiêu hỗ trợ sự phát triển của cả nguồn năng lượng tái tạo và giao thông sạch tại Việt Nam. Trạm sạc năng lượng mặt trời chính là một giải pháp tiềm năng.
1.1. Cam kết của Việt Nam tại COP26 và Quy hoạch điện VIII
Tại hội nghị COP26, Việt Nam đã cam kết giảm phát thải ròng về 0 vào giữa thế kỷ và tham gia Tuyên bố Chuyển đổi Điện than sang Điện sạch Toàn cầu. Chính phủ đã vạch ra lộ trình toàn diện với tám nhiệm vụ chính hướng tới phát triển kinh tế bền vững và phát thải thấp. Quy hoạch điện VIII (PDP VIII) thể hiện cam kết mạnh mẽ đối với quá trình khử cacbon, tăng cường năng lượng tái tạo (đến 48% tổng công suất vào năm 2030 và 65,8-71% vào năm 2050) và giảm đáng kể tỷ lệ điện than (từ 20% tổng công suất xuống 0% vào năm 2050). PDP VIII khuyến khích phát triển điện mặt trời tự tiêu thụ, đặc biệt là trên mái nhà. Điều này phù hợp với mục tiêu phát triển năng lượng tái tạo và giao thông điện.
1.2. Xu hướng chuyển đổi sang xe điện hai bánh tại đô thị Việt Nam
Giao thông đô thị ở Việt Nam phụ thuộc nhiều vào phương tiện cá nhân, đặc biệt là xe máy chạy xăng, chiếm khoảng 80%. Điều này dẫn đến tắc nghẽn giao thông, ô nhiễm không khí và khí thải nhà kính. Xe điện hai bánh (E2W) đang dần trở nên phổ biến, với nhiều nhà sản xuất lớn tham gia thị trường. Thiết kế hiện đại, chất lượng tốt, nhiều tính năng và giá cả hợp lý là những yếu tố thúc đẩy sự quan tâm của công chúng. Năm 2019, thị trường E2W ghi nhận mức tăng trưởng đáng kể, và xu hướng này dự kiến sẽ tiếp tục trong tương lai. Sự chuyển đổi sang xe điện hai bánh mang lại nhiều lợi ích, bao gồm giảm ô nhiễm, hiệu quả năng lượng cao hơn và tiềm năng cung cấp các dịch vụ phụ trợ cho hệ thống năng lượng.
II. Thách thức Tối ưu trạm sạc năng lượng mặt trời
Mặc dù tiềm năng của trạm sạc tích hợp năng lượng mặt trời là rất lớn, nhưng việc triển khai chúng ở Việt Nam vẫn còn nhiều thách thức. Thứ nhất, việc tích hợp nguồn điện mặt trời phân tán vào lưới điện hiện tại có thể gây ra các vấn đề về ổn định điện áp và tần số. Thứ hai, việc quản lý và điều phối các trạm sạc để đáp ứng nhu cầu sạc xe điện, đồng thời tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời, đòi hỏi các thuật toán và hệ thống điều khiển thông minh. Thứ ba, chi phí đầu tư ban đầu cho các trạm sạc này có thể cao, đặc biệt là khi tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng. Cuối cùng, cần có các chính sách hỗ trợ và khuyến khích từ chính phủ để thúc đẩy sự phát triển của thị trường trạm sạc năng lượng mặt trời. Theo [14], khoảng 365 GWh sản lượng điện mặt trời đã bị cắt giảm vào năm 2020 do cân bằng cung và cầu. Việc sử dụng điện mặt trời tại chỗ thông qua trạm sạc có thể giúp giảm thiểu tình trạng này.
2.1. Tác động của điện mặt trời mái nhà đến lưới điện quốc gia
Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời, với bức xạ mặt trời trung bình hàng năm cao. Tuy nhiên, việc phát triển điện mặt trời ồ ạt có thể gây ra các vấn đề về ổn định lưới điện, bao gồm dao động tần số và điện áp, quá tải cơ sở hạ tầng và không khớp giữa cung và cầu. Theo [14], khoảng 365 GWh sản lượng điện mặt trời đã bị cắt giảm vào năm 2020 do cân bằng cung và cầu. Việc cần có giải pháp để tăng cường khả năng tiếp nhận của lưới điện và điều phối hoạt động của các hệ thống điện mặt trời.
2.2. Yêu cầu về thuật toán điều khiển thông minh cho trạm sạc
Việc quản lý và điều phối hiệu quả các trạm sạc xe điện tích hợp năng lượng mặt trời đòi hỏi các thuật toán và hệ thống điều khiển thông minh. Các thuật toán này cần phải tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời, đáp ứng nhu cầu sạc xe điện và đảm bảo ổn định lưới điện. Cần xem xét các yếu tố như thời gian sạc, công suất sạc, tình trạng pin và dự báo sản lượng điện mặt trời. Các thuật toán điều khiển cũng cần phải linh hoạt và có khả năng thích ứng với các điều kiện vận hành khác nhau.
III. Giải pháp Mô hình trạm sạc tích hợp và thuật toán phân bổ
Một giải pháp tiềm năng là phát triển mô hình trạm sạc tích hợp năng lượng mặt trời với hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS). Hệ thống này có thể lưu trữ năng lượng mặt trời dư thừa vào ban ngày và cung cấp năng lượng cho xe điện vào ban đêm hoặc khi sản lượng điện mặt trời thấp. Ngoài ra, cần có các thuật toán phân bổ công suất sạc thông minh, dựa trên các yếu tố như tình trạng pin, thời gian sạc mong muốn và giá điện. Thuật toán này có thể ưu tiên sạc cho các xe điện có nhu cầu cấp thiết hơn hoặc khi giá điện thấp hơn. Theo nghiên cứu, các thuật toán tập trung vào khía cạnh kinh tế và kỹ thuật cần được tích hợp để đảm bảo hiệu quả vận hành của trạm sạc.
3.1. Mô hình trạm sạc xe điện hai bánh tích hợp điện mặt trời
Mô hình trạm sạc xe điện hai bánh tích hợp điện mặt trời bao gồm các thành phần chính: tấm pin mặt trời, bộ chuyển đổi DC-DC, bộ nghịch lưu hòa lưới, bộ sạc/xả hai chiều và hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS). Tấm pin mặt trời tạo ra điện năng từ ánh sáng mặt trời. Bộ chuyển đổi DC-DC điều chỉnh điện áp của điện mặt trời để phù hợp với yêu cầu của hệ thống. Bộ nghịch lưu hòa lưới chuyển đổi điện một chiều thành điện xoay chiều để hòa vào lưới điện. Bộ sạc/xả hai chiều cho phép sạc và xả pin của xe điện. Hệ thống lưu trữ năng lượng lưu trữ điện mặt trời dư thừa để sử dụng khi cần thiết.
3.2. Thuật toán phân bổ công suất sạc cho xe điện hai bánh
Thuật toán phân bổ công suất sạc là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hoạt động của trạm sạc. Thuật toán này cần xem xét các yếu tố như tình trạng pin, thời gian sạc mong muốn, giá điện và sản lượng điện mặt trời. Một công thức toán học có thể được sử dụng để thể hiện bài toán tối ưu, nhằm mục tiêu giảm thiểu chi phí sạc và tối đa hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời. Thuật toán này có thể ưu tiên sạc cho các xe điện có nhu cầu cấp thiết hơn hoặc khi giá điện thấp hơn, đồng thời đảm bảo rằng tất cả các xe điện đều được sạc đầy trong thời gian mong muốn.
IV. Phương pháp Thuật toán sạc tối ưu dựa trên Receding Horizon
Để giải quyết bài toán tối ưu hóa, nghiên cứu đề xuất sử dụng thuật toán sạc tối ưu dựa trên khung Receding Horizon (RHC). Khung RHC cho phép đưa ra quyết định sạc dựa trên dự báo về sản lượng điện mặt trời và nhu cầu sạc xe điện trong một khoảng thời gian ngắn trong tương lai. Thuật toán này sử dụng phương pháp Quadratic Programming (QP) để giải bài toán tối ưu tại mỗi bước thời gian. Điều này giúp đảm bảo rằng các quyết định sạc được đưa ra một cách tối ưu, dựa trên thông tin hiện tại và dự báo, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến lưới điện. Việc sử dụng Quadratic Programming với MATLAB giúp giải quyết bài toán một cách hiệu quả.
4.1. Công thức toán học khung điều khiển và lưu đồ thuật toán
Thuật toán sạc tối ưu dựa trên RHC bao gồm các bước chính: thu thập dữ liệu đầu vào (sản lượng điện mặt trời, nhu cầu sạc xe điện, giá điện), xây dựng mô hình dự báo, giải bài toán tối ưu bằng Quadratic Programming (QP), và thực hiện quyết định sạc. Khung điều khiển RHC lặp lại các bước này tại mỗi bước thời gian, dựa trên thông tin mới nhất. Lưu đồ thuật toán mô tả chi tiết các bước và quy trình thực hiện thuật toán.
4.2. Nghiên cứu tình huống và kết quả mô phỏng thực tế
Nghiên cứu đã thực hiện các mô phỏng trên một số tình huống thực tế, bao gồm trạm sạc tại trường đại học, văn phòng, chung cư và nhà máy. Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán RHC có thể giảm thiểu chi phí sạc, tối đa hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời và giảm thiểu tác động đến lưới điện. Các mô phỏng sử dụng dữ liệu thực tế về sản lượng điện mặt trời, nhu cầu sạc xe điện và giá điện để đảm bảo tính chính xác và tin cậy của kết quả.
V. Ứng dụng Phản hồi thời gian thực và kiểm chứng thực nghiệm
Nghiên cứu tiến hành mô phỏng sạc/xả thời gian thực để đánh giá khả năng đáp ứng của trạm sạc tích hợp năng lượng mặt trời trong điều kiện vận hành thực tế. Một bộ thử nghiệm được thiết lập để kiểm tra các khía cạnh kỹ thuật của trạm sạc, bao gồm phản hồi sạc/xả, hiệu suất và độ tin cậy. Kết quả thử nghiệm cho thấy trạm sạc có thể đáp ứng nhanh chóng và chính xác các lệnh sạc/xả, đồng thời duy trì hiệu suất cao và độ tin cậy. Việc kiểm chứng thực nghiệm là rất quan trọng để đảm bảo rằng các giải pháp được đề xuất có thể được triển khai trên thực tế.
5.1. Mô phỏng sạc xả thời gian thực và phạm vi thử nghiệm
Mô phỏng sạc/xả thời gian thực được thực hiện bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng chuyên dụng. Phạm vi thử nghiệm bao gồm các điều kiện vận hành khác nhau, chẳng hạn như thay đổi công suất sạc, thay đổi sản lượng điện mặt trời và thay đổi nhu cầu sạc xe điện. Các chỉ số hiệu suất chính được theo dõi trong quá trình mô phỏng, bao gồm thời gian đáp ứng, độ chính xác và hiệu suất.
5.2. Thiết kế và vận hành bộ thử nghiệm thực tế
Bộ thử nghiệm thực tế bao gồm các thành phần chính: tấm pin mặt trời, bộ chuyển đổi DC-DC, bộ nghịch lưu hòa lưới, bộ sạc/xả hai chiều, hệ thống lưu trữ năng lượng và hệ thống điều khiển. Bộ thử nghiệm được thiết kế để mô phỏng hoạt động của một trạm sạc tích hợp năng lượng mặt trời trong điều kiện thực tế. Các thử nghiệm được thực hiện để đánh giá hiệu suất, độ tin cậy và khả năng đáp ứng của trạm sạc.
VI. Kết luận Triển vọng và tương lai trạm sạc mặt trời
Nghiên cứu này đã trình bày các giải pháp tối ưu cho trạm sạc tích hợp năng lượng mặt trời tại Việt Nam. Các giải pháp này bao gồm mô hình trạm sạc, thuật toán phân bổ công suất sạc và thuật toán sạc tối ưu dựa trên khung RHC. Kết quả nghiên cứu cho thấy các giải pháp này có thể giảm thiểu chi phí sạc, tối đa hóa việc sử dụng năng lượng mặt trời, giảm thiểu tác động đến lưới điện và đáp ứng nhanh chóng và chính xác các lệnh sạc/xả. Trong tương lai, cần có các nghiên cứu sâu hơn về các khía cạnh như tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng, quản lý năng lượng thông minh và chính sách hỗ trợ.
6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu và đóng góp khoa học
Nghiên cứu đã đóng góp vào lĩnh vực năng lượng tái tạo và giao thông điện bằng cách đề xuất các giải pháp tối ưu cho trạm sạc tích hợp năng lượng mặt trời. Các giải pháp này dựa trên các thuật toán và mô hình toán học tiên tiến, đồng thời được kiểm chứng bằng các mô phỏng và thử nghiệm thực tế. Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để thiết kế và triển khai các trạm sạc hiệu quả và bền vững.
6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo và khuyến nghị chính sách
Nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào các khía cạnh như tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng, quản lý năng lượng thông minh và phân tích kinh tế-xã hội của các trạm sạc tích hợp năng lượng mặt trời. Chính phủ nên ban hành các chính sách hỗ trợ và khuyến khích, chẳng hạn như ưu đãi thuế, trợ cấp đầu tư và tiêu chuẩn kỹ thuật, để thúc đẩy sự phát triển của thị trường trạm sạc.
