Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam đang chứng kiến sự phát triển nhanh chóng của nguồn điện mặt trời nhằm đáp ứng nhu cầu điện tăng trưởng khoảng 10% mỗi năm. Tính đến tháng 5 năm 2019, đã có 47 dự án điện mặt trời với tổng công suất 2.300 MW được đấu nối vào lưới điện quốc gia, dự kiến thêm 41 dự án với công suất 2.500 MW sẽ đóng điện trong tháng 6 năm 2019. Nhà máy điện mặt trời Fujiwara - Bình Định, với công suất lắp đặt 50 MWp, là một trong những dự án tiêu biểu được xây dựng tại khu kinh tế Nhơn Hội, TP Quy Nhơn, tỉnh Bình Định, trên diện tích khoảng 60 ha.

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng lớn tại Việt Nam, với tổng lượng bức xạ mặt trời dao động từ 3,2 đến 5,6 kWh/m²/ngày, tập trung chủ yếu ở miền Trung và miền Nam. Tuy nhiên, tính không ổn định của nguồn điện mặt trời gây ra nhiều thách thức trong vận hành hệ thống điện, đặc biệt khi xảy ra sự cố trên lưới điện. Do đó, nghiên cứu khả năng duy trì phát điện của nhà máy điện mặt trời khi có sự cố trên lưới điện là rất cần thiết để đảm bảo an ninh năng lượng và ổn định hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung đánh giá khả năng duy trì phát điện của nhà máy điện mặt trời Fujiwara - Bình Định khi xảy ra sự cố ngắn mạch tại các vị trí khác nhau trên lưới điện 110 kV tỉnh Bình Định. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình hóa hệ thống điện và nhà máy trên phần mềm PSCAD, phân tích các trường hợp sự cố ngắn mạch với công suất phát đạt 85% và 50% công suất đặt. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chính sách vận hành cho các nhà máy điện mặt trời 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 nguồn điện phân tán (Distributed Generation - DG): Nghiên cứu ảnh hưởng của các nguồn điện phân tán, đặc biệt là điện mặt trời, đến lưới điện truyền tải và phân phối, bao gồm các vấn đề về điện áp, dòng ngắn mạch, chất lượng điện năng và bảo vệ hệ thống.

  • Mô hình điều khiển inverter và hệ thống PV: Tập trung vào các chức năng điều khiển inverter như theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT), điều chỉnh công suất tác dụng và phản kháng, khả năng duy trì phát điện khi có sự cố.

  • Tiêu chuẩn kỹ thuật đấu nối nguồn điện mặt trời: Áp dụng các quy định kỹ thuật quốc tế và Việt Nam về khả năng điều chỉnh công suất, tần số, điện áp, sóng hài, nhấp nháy điện áp và thời gian duy trì phát điện khi có sự cố.

Các khái niệm chính bao gồm: công suất tác dụng và phản kháng, tần số lưới, điện áp điểm đấu nối, dòng ngắn mạch, sóng hài, nhấp nháy điện áp, và khả năng duy trì phát điện (Low Voltage Ride Through - LVRT).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực tế về lưới điện 110 kV tỉnh Bình Định, thông số kỹ thuật và vận hành của nhà máy điện mặt trời Fujiwara - Bình Định, dữ liệu bức xạ mặt trời và phụ tải điện.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình hệ thống điện và nhà máy điện mặt trời trên phần mềm mô phỏng PSCAD. Mô phỏng các trường hợp sự cố ngắn mạch 1 pha, 2 pha và 3 pha tại các vị trí khác nhau trên lưới điện với công suất phát đạt 85% và 50% công suất đặt.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình bao gồm toàn bộ hệ thống lưới điện 110 kV tỉnh Bình Định và nhà máy điện mặt trời Fujiwara - Bình Định. Việc lựa chọn PSCAD là do khả năng mô phỏng chi tiết các hiện tượng động lực học và sự cố trên hệ thống điện.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập dữ liệu và xây dựng mô hình trong 6 tháng đầu, mô phỏng và phân tích kết quả trong 4 tháng tiếp theo, hoàn thiện luận văn trong 2 tháng cuối.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng duy trì phát điện khi sự cố ngắn mạch: Nhà máy điện mặt trời Fujiwara - Bình Định có khả năng duy trì phát điện trong thời gian tối thiểu theo quy định khi xảy ra sự cố ngắn mạch tại các vị trí thanh cái đấu nối và trạm biến áp Phước Sơn. Ví dụ, khi công suất phát đạt 85% công suất đặt (42 MW), nhà máy vẫn duy trì phát điện trong vòng 250 ms khi điện áp giảm xuống 0 tại điểm đấu nối.

  2. Ảnh hưởng của công suất phát đến khả năng duy trì: Khi công suất phát giảm xuống 50% công suất đặt (24 MW), khả năng duy trì phát điện của nhà máy vẫn đảm bảo, tuy nhiên các dạng sóng P, Q, V, I có biến động lớn hơn so với trường hợp công suất cao hơn.

  3. Điều chỉnh công suất phản kháng và điện áp: Nhà máy có khả năng điều chỉnh công suất phản kháng liên tục trong dải hệ số công suất từ 0,95 đến 0,95, giúp ổn định điện áp tại điểm đấu nối trong phạm vi ±10% điện áp định mức, hoàn thành trong thời gian không quá 2 phút.

  4. Ảnh hưởng đến chất lượng điện năng: Các thông số sóng hài và nhấp nháy điện áp do nhà máy gây ra đều nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn IEC và quy định Việt Nam, đảm bảo không gây ảnh hưởng tiêu cực đến lưới điện khu vực.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy nhà máy điện mặt trời Fujiwara - Bình Định đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật về khả năng duy trì phát điện khi có sự cố ngắn mạch, phù hợp với các quy định kỹ thuật của Việt Nam và quốc tế. So sánh với các nghiên cứu tương tự trên thế giới, khả năng LVRT của nhà máy tương đương hoặc vượt trội nhờ vào hệ thống inverter hiện đại và thiết kế hệ thống điều khiển hiệu quả.

Dữ liệu dạng sóng P, Q, V, I khi xảy ra sự cố có thể được trình bày qua biểu đồ dạng sóng để minh họa sự ổn định và khả năng phục hồi của nhà máy. Việc duy trì phát điện trong thời gian ngắn khi điện áp giảm sâu giúp tránh hiện tượng sụp đổ điện áp trên lưới điện, góp phần nâng cao độ tin cậy vận hành hệ thống điện.

Ngoài ra, khả năng điều chỉnh công suất phản kháng linh hoạt giúp giảm thiểu các biến động điện áp và cải thiện chất lượng điện năng, đồng thời giảm áp lực lên hệ thống bảo vệ và thiết bị điện. Kết quả này cũng khẳng định tầm quan trọng của việc áp dụng các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt trong đấu nối nguồn điện mặt trời vào lưới điện quốc gia.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường trang bị hệ thống điều khiển và bảo vệ hiện đại: Đề xuất các nhà máy điện mặt trời trang bị inverter có khả năng điều chỉnh công suất tác dụng và phản kháng linh hoạt, tích hợp chức năng LVRT để nâng cao khả năng duy trì phát điện khi có sự cố. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: Chủ đầu tư và nhà sản xuất thiết bị.

  2. Xây dựng quy trình vận hành và bảo trì định kỳ: Thiết lập quy trình kiểm tra, bảo dưỡng hệ thống inverter và trạm biến áp nhằm đảm bảo hoạt động ổn định, giảm thiểu rủi ro sự cố. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: Ban quản lý nhà máy và đơn vị vận hành.

  3. Phát triển hệ thống giám sát và điều khiển từ xa (SCADA): Trang bị hệ thống SCADA/DMS kết nối trực tiếp với đơn vị phân phối điện để theo dõi và điều chỉnh công suất phát điện kịp thời khi có biến động lưới điện. Thời gian thực hiện: 1 năm; Chủ thể: Chủ đầu tư và đơn vị phân phối điện.

  4. Nâng cao năng lực nghiên cứu và đào tạo: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật vận hành nguồn điện mặt trời và xử lý sự cố cho cán bộ kỹ thuật, đồng thời thúc đẩy nghiên cứu ứng dụng các công nghệ mới trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: Các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chủ đầu tư và nhà quản lý dự án điện mặt trời: Nhận biết các yêu cầu kỹ thuật và giải pháp vận hành để đảm bảo hiệu quả và an toàn khi đấu nối nhà máy vào lưới điện.

  2. Đơn vị vận hành và bảo trì hệ thống điện: Áp dụng các kiến thức về khả năng duy trì phát điện và xử lý sự cố để nâng cao độ tin cậy và chất lượng điện năng.

  3. Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách năng lượng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các quy định kỹ thuật và chính sách hỗ trợ phát triển nguồn điện mặt trời bền vững.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện: Tham khảo phương pháp mô phỏng, phân tích kỹ thuật và các tiêu chuẩn kỹ thuật trong lĩnh vực điện năng lượng tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nhà máy điện mặt trời có thể duy trì phát điện khi xảy ra sự cố ngắn mạch không?
    Theo kết quả mô phỏng, nhà máy điện mặt trời Fujiwara - Bình Định có khả năng duy trì phát điện trong thời gian tối thiểu 250 ms khi điện áp giảm xuống 0 tại điểm đấu nối, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật về LVRT.

  2. Công suất phát ảnh hưởng thế nào đến khả năng duy trì phát điện?
    Khi công suất phát giảm từ 85% xuống 50% công suất đặt, nhà máy vẫn duy trì phát điện nhưng các biến động điện áp và dòng điện tăng lên, đòi hỏi hệ thống điều khiển phải linh hoạt hơn.

  3. Nhà máy điện mặt trời điều chỉnh công suất phản kháng như thế nào?
    Nhà máy có khả năng điều chỉnh công suất phản kháng liên tục trong dải hệ số công suất từ 0,95 đến 0,95, giúp ổn định điện áp tại điểm đấu nối trong phạm vi ±10% điện áp định mức.

  4. Các tiêu chuẩn kỹ thuật nào được áp dụng cho nhà máy điện mặt trời?
    Luận văn áp dụng các tiêu chuẩn quốc tế và Việt Nam về tần số, điện áp, sóng hài, nhấp nháy điện áp, thời gian duy trì phát điện khi có sự cố, đảm bảo nhà máy vận hành an toàn và ổn định.

  5. Phần mềm PSCAD được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    PSCAD được dùng để mô phỏng chi tiết các hiện tượng động lực học và sự cố ngắn mạch trên hệ thống điện, giúp đánh giá khả năng duy trì phát điện và phân tích dạng sóng điện áp, dòng điện.

Kết luận

  • Nhà máy điện mặt trời Fujiwara - Bình Định có khả năng duy trì phát điện khi xảy ra sự cố ngắn mạch trên lưới điện 110 kV tỉnh Bình Định, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.
  • Khả năng điều chỉnh công suất phản kháng và điện áp linh hoạt giúp nâng cao chất lượng điện năng và ổn định hệ thống.
  • Phương pháp mô phỏng trên phần mềm PSCAD là công cụ hiệu quả để đánh giá và dự báo khả năng vận hành của nhà máy điện mặt trời trong các tình huống sự cố.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế, vận hành và quản lý các nhà máy điện mặt trời tại Việt Nam.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chính sách nhằm nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của nguồn điện mặt trời trong hệ thống điện quốc gia.

Hành động tiếp theo: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn vận hành nhà máy điện mặt trời Fujiwara và các dự án tương tự, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các nguồn năng lượng tái tạo khác nhằm đảm bảo an ninh năng lượng bền vững.