Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển công nghiệp và nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng, nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, thúc đẩy việc ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó năng lượng mặt trời được xem là giải pháp bền vững và hiệu quả. Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời với cường độ bức xạ trung bình khoảng 4,6 kWh/m²/ngày, đặc biệt tại khu vực phía Nam như tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu, nơi trạm biến áp 220kV Mỹ Xuân đặt tại Khu công nghiệp Mỹ Xuân A2. Trạm này có nhu cầu sử dụng điện tự dùng cao, ảnh hưởng đến tổn thất điện năng trên lưới truyền tải.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào xây dựng cấu hình vận hành tự động và giám sát hệ thống pin năng lượng mặt trời (NLMT) tại trạm biến áp 220kV Mỹ Xuân nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn điện tự dùng, giảm tổn thất điện năng và tăng tính ổn định, tin cậy trong vận hành. Nghiên cứu giới hạn trong việc thiết kế hệ thống pin NLMT không hòa lưới, vận hành theo các chế độ công suất khác nhau phù hợp với điều kiện thời tiết và phụ tải thực tế tại trạm.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc áp dụng các mô hình vận hành tự động và giám sát từ xa, phù hợp với xu hướng trạm biến áp không người trực, góp phần tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2016-2018 tại trạm biến áp Mỹ Xuân, tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu, với dữ liệu bức xạ mặt trời và phụ tải thực tế làm cơ sở thiết kế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính: năng lượng mặt trời và logic mờ (Fuzzy Logic).

  • Năng lượng mặt trời: Nguồn năng lượng phát ra từ phản ứng nhiệt hạch trong Mặt Trời, với tổng công suất đến Trái Đất khoảng 174 PW. Bức xạ mặt trời bao gồm bức xạ trực tiếp và bức xạ khuếch tán, tổng cộng chiếm khoảng 70% năng lượng đến bề mặt Trái Đất. Pin mặt trời được cấu tạo từ các tế bào bán dẫn silic, chuyển đổi quang năng thành điện năng dựa trên nguyên lý diode bán dẫn. Đặc tính làm việc của pin phụ thuộc vào cường độ bức xạ và nhiệt độ, với các thông số quan trọng như điện áp hở mạch (VOC) và dòng ngắn mạch (ISC).

  • Logic mờ (Fuzzy Logic): Phương pháp xử lý thông tin không chính xác, không rõ ràng, cho phép mô tả các biến ngôn ngữ như "nhiệt độ cao", "cường độ bức xạ mạnh" bằng các tập mờ với giá trị thuộc trong khoảng [0,1]. Logic mờ sử dụng các luật mờ dạng If-Then để điều khiển và ra quyết định trong hệ thống tự động, phù hợp với các hệ thống có nhiều biến số và điều kiện vận hành phức tạp như hệ thống pin NLMT.

Các khái niệm chính bao gồm biến ngôn ngữ, mệnh đề mờ, các phép toán mệnh đề mờ (AND, OR, NOT), phép kéo theo mờ (Modus Ponens, Modus Tollens) và luật mờ Mamdani. Việc ứng dụng logic mờ giúp hệ thống điều khiển tự động lựa chọn chế độ vận hành phù hợp dựa trên các biến đầu vào như cường độ bức xạ và nhiệt độ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp, phân tích tài liệu chuyên ngành về năng lượng mặt trời và logic mờ, kết hợp mô hình hóa và mô phỏng trên phần mềm MATLAB để xây dựng bộ điều khiển logic mờ cho hệ thống pin NLMT. Dữ liệu thu thập bao gồm:

  • Số liệu bức xạ mặt trời tại trạm Mỹ Xuân, tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu, với cường độ trung bình khoảng 4,3-4,9 kWh/m²/ngày.

  • Thống kê phụ tải điện tự dùng tại trạm biến áp, gồm ba nhóm phụ tải với tổng điện năng tiêu thụ khoảng 250 kWh/ngày.

  • Cấu trúc hệ thống nguồn điện AC tự dùng tại trạm, gồm hai nguồn chính từ hai máy biến áp 220kV.

Phương pháp phân tích bao gồm thiết kế sơ đồ cấu hình hệ thống pin NLMT, lựa chọn thiết bị (pin mặt trời, inverter, bộ ngắt điện tử), xây dựng các chế độ vận hành (50%, 80%, 100% công suất) dựa trên logic mờ để điều khiển tự động phân phối nguồn điện cho các phụ tải. Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian 2016-2018, với các bước khảo sát, thiết kế, mô phỏng và đề xuất giải pháp vận hành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tiềm năng năng lượng mặt trời tại trạm Mỹ Xuân rất tốt: Dữ liệu bức xạ mặt trời cho thấy cường độ trung bình từ 4,3 đến 4,9 kWh/m²/ngày, phù hợp để triển khai hệ thống pin NLMT. Mức chiếu sáng hàng tháng ổn định, tạo điều kiện thuận lợi cho vận hành hệ thống.

  2. Phân loại và thống kê phụ tải điện tự dùng: Tổng điện năng tiêu thụ trong ngày khoảng 250 kWh, trong đó phụ tải 1 và 2 chiếm mỗi nhóm khoảng 50 kWh/ngày, phụ tải 3 chiếm khoảng 150 kWh/ngày. Việc phân loại phụ tải theo mức ưu tiên giúp thiết kế hệ thống phân phối nguồn hiệu quả.

  3. Thiết kế hệ thống pin NLMT phù hợp với phụ tải và điều kiện vận hành: Hệ thống được thiết kế với các chế độ vận hành 50%, 80%, 100% công suất, cho phép điều chỉnh linh hoạt theo điều kiện thời tiết và nhu cầu phụ tải. Ví dụ, ở chế độ 50%, hệ thống pin NLMT cung cấp 50% công suất cho phụ tải 1 hoặc 2, còn lại lấy từ máy biến áp; ở chế độ 100%, hệ thống đáp ứng toàn bộ công suất cho phụ tải 3.

  4. Ứng dụng logic mờ trong điều khiển tự động: Bộ điều khiển logic mờ được mô phỏng trên MATLAB, cho phép lựa chọn chế độ vận hành tối ưu dựa trên biến ngôn ngữ như cường độ bức xạ và nhiệt độ. Điều này giúp hệ thống vận hành ổn định, giảm thiểu gián đoạn và tối ưu hóa hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời.

Thảo luận kết quả

Việc tận dụng tiềm năng năng lượng mặt trời tại trạm Mỹ Xuân giúp giảm tải cho nguồn điện lưới, tiết kiệm chi phí và giảm tổn thất điện năng. So với các nghiên cứu trước đây tập trung vào hệ thống pin NLMT hòa lưới, nghiên cứu này đặc biệt chú trọng đến vận hành tự động và giám sát hệ thống pin NLMT không hòa lưới tại trạm biến áp, một lĩnh vực còn mới mẻ.

Sự phân loại phụ tải và thiết kế các chế độ vận hành linh hoạt giúp hệ thống thích ứng với điều kiện thời tiết thay đổi, đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các thiết bị quan trọng. Việc sử dụng logic mờ làm cơ sở điều khiển giúp xử lý các thông tin không chính xác, không rõ ràng từ môi trường thực tế, nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ cường độ bức xạ mặt trời hàng tháng, biểu đồ phân phối phụ tải điện và sơ đồ cấu hình hệ thống pin NLMT theo các chế độ vận hành, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả và tính khả thi của giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống pin NLMT với cấu hình vận hành tự động: Áp dụng bộ điều khiển logic mờ để tự động lựa chọn chế độ vận hành phù hợp với điều kiện thời tiết và phụ tải, nhằm tối ưu hóa hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: Công ty truyền tải điện và đơn vị tư vấn kỹ thuật.

  2. Xây dựng hệ thống giám sát từ xa cho trạm biến áp: Sử dụng PLC và các module truyền thông để giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống pin NLMT, phát hiện sự cố kịp thời và đảm bảo vận hành liên tục. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể thực hiện: Trung tâm vận hành truyền tải điện.

  3. Đào tạo nhân sự vận hành và bảo trì hệ thống: Tổ chức các khóa đào tạo về vận hành hệ thống pin NLMT và sử dụng công nghệ logic mờ cho đội ngũ kỹ thuật viên tại trạm biến áp. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: Trường đại học, trung tâm đào tạo kỹ thuật.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng hệ thống pin NLMT không hòa lưới tại các trạm biến áp khác: Dựa trên kết quả thành công tại trạm Mỹ Xuân, mở rộng áp dụng cho các trạm biến áp 220kV khác trong khu vực có điều kiện tương tự. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: Tổng công ty truyền tải điện quốc gia.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia trong ngành truyền tải điện: Nghiên cứu cung cấp giải pháp vận hành tự động và giám sát hệ thống pin NLMT, giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy trong quản lý trạm biến áp.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Luận văn trình bày chi tiết về ứng dụng logic mờ trong điều khiển hệ thống pin NLMT, là tài liệu tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu liên quan.

  3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để phát triển các chính sách hỗ trợ ứng dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống truyền tải điện.

  4. Các doanh nghiệp cung cấp thiết bị và giải pháp năng lượng mặt trời: Tham khảo để phát triển sản phẩm phù hợp với yêu cầu vận hành tự động và giám sát từ xa trong các trạm biến áp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống pin năng lượng mặt trời tại trạm biến áp Mỹ Xuân có thể cung cấp bao nhiêu phần trăm nhu cầu điện tự dùng?
    Hệ thống được thiết kế vận hành theo các chế độ 50%, 80%, và 100% công suất, có thể đáp ứng từ một nửa đến toàn bộ nhu cầu điện tự dùng tại trạm, giúp giảm tải cho nguồn điện lưới và tiết kiệm chi phí vận hành.

  2. Logic mờ được ứng dụng như thế nào trong điều khiển hệ thống pin NLMT?
    Logic mờ xử lý các biến đầu vào như cường độ bức xạ và nhiệt độ dưới dạng các biến ngôn ngữ, từ đó ra quyết định điều khiển tự động lựa chọn chế độ vận hành phù hợp, giúp hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả trong điều kiện thời tiết thay đổi.

  3. Hệ thống giám sát từ xa sử dụng thiết bị nào để kết nối và quản lý?
    Nghiên cứu sử dụng PLC Allen-Bradley Micro850 kết hợp với module truyền thông IVCS-EPM và phần mềm cấu hình VT Designer, Net-Config để thiết lập kết nối và giám sát trạng thái hệ thống qua mạng Internet.

  4. Việc vận hành hệ thống pin NLMT có ảnh hưởng đến chất lượng điện áp tại trạm biến áp không?
    Hệ thống được thiết kế với các thiết bị ngắt điện tử công suất và bộ chuyển đổi nguồn, đảm bảo quá trình chuyển đổi nguồn không gây gián đoạn hoặc ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện áp cung cấp cho phụ tải.

  5. Có thể áp dụng mô hình vận hành tự động này cho các trạm biến áp khác không?
    Có, mô hình và giải pháp được thiết kế linh hoạt, có thể điều chỉnh phù hợp với điều kiện phụ tải và bức xạ mặt trời tại các trạm biến áp khác, đặc biệt là các trạm 220kV trong khu vực có tiềm năng năng lượng mặt trời tương tự.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xây dựng thành công cấu hình vận hành tự động và giám sát hệ thống pin năng lượng mặt trời tại trạm biến áp 220kV Mỹ Xuân, phù hợp với điều kiện thực tế và yêu cầu vận hành của ngành truyền tải điện.
  • Ứng dụng logic mờ trong điều khiển giúp hệ thống vận hành linh hoạt, ổn định, tối ưu hóa hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời.
  • Hệ thống pin NLMT góp phần giảm tải cho nguồn điện lưới, tiết kiệm chi phí và giảm tổn thất điện năng trong truyền tải.
  • Giải pháp giám sát từ xa sử dụng PLC và module truyền thông đảm bảo quản lý hiệu quả, phát hiện sự cố kịp thời.
  • Đề xuất mở rộng ứng dụng mô hình này cho các trạm biến áp khác và tiếp tục nghiên cứu phát triển các giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị quản lý và vận hành trạm biến áp nên triển khai thử nghiệm hệ thống theo cấu hình đề xuất, đồng thời đào tạo nhân sự vận hành để đảm bảo hiệu quả và an toàn. Các nhà nghiên cứu có thể phát triển thêm các thuật toán điều khiển nâng cao dựa trên logic mờ để tối ưu hóa hơn nữa hiệu suất hệ thống.