Tổng quan nghiên cứu

Lưới điện Microgrid ngày càng trở nên quan trọng trong việc cung cấp điện năng linh hoạt và bền vững, đặc biệt tại các vùng nông thôn hoặc khu vực có khả năng kết nối lưới điện chính hạn chế. Theo ước tính, Microgrid có thể bao gồm nhiều nguồn phát phân tán như máy phát Diesel, năng lượng mặt trời, gió và hệ thống lưu trữ năng lượng, với quy mô nhỏ và khả năng vận hành độc lập hoặc kết nối với lưới điện chính. Tuy nhiên, việc vận hành Microgrid ở chế độ tách lưới thường gặp phải vấn đề mất cân bằng công suất giữa nguồn phát và phụ tải, dẫn đến sụt giảm tần số và nguy cơ mất điện toàn hệ thống.

Vấn đề sa thải phụ tải trong Microgrid nhằm duy trì ổn định tần số và điện áp là một thách thức kỹ thuật phức tạp, đòi hỏi các phương pháp tối ưu để giảm thiểu thiệt hại do cắt tải. Mục tiêu nghiên cứu là đề xuất phương pháp sa thải phụ tải tối thiểu trong Microgrid vận hành ở chế độ tách lưới, tính toán lượng công suất sa thải dựa trên khả năng điều khiển sơ cấp và thứ cấp của các máy phát, đồng thời xác định hệ số tầm quan trọng của các phụ tải bằng thuật toán AHP để phân bổ tải sa thải hợp lý.

Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 05/2020 đến 05/2021 tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, sử dụng mô hình Microgrid điển hình gồm 16 bus và 6 nguồn phát, mô phỏng bằng phần mềm PowerWorld Simulation. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả vận hành Microgrid, giảm thiểu thiệt hại do sa thải phụ tải, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho các công ty điện lực và học viên cao học trong lĩnh vực điện – điện tử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Ổn định tần số trong hệ thống điện: Tần số hệ thống tỷ lệ thuận với tốc độ máy phát, mất cân bằng công suất giữa phát và tải dẫn đến sụt giảm tần số. Quá trình điều khiển tần số gồm điều khiển sơ cấp (phản ứng tức thời của máy phát) và điều khiển thứ cấp (can thiệp của bộ điều khiển và người vận hành) nhằm khôi phục tần số về giá trị định mức.

  • Phương pháp sa thải phụ tải: Bao gồm sa thải phụ tải truyền thống (UFLS, UVLS), sa thải bán thích nghi và sa thải thích nghi. Phương pháp truyền thống dựa trên ngưỡng tần số hoặc điện áp để cắt tải, trong khi phương pháp thích nghi sử dụng các thuật toán tối ưu và dữ liệu thời gian thực để xác định tải cần sa thải.

  • Thuật toán AHP (Analytic Hierarchy Process): Kỹ thuật phân tích đa tiêu chí giúp xác định hệ số tầm quan trọng của các phụ tải dựa trên so sánh cặp và đánh giá của chuyên gia, đảm bảo phân bổ tải sa thải hợp lý, giảm thiểu thiệt hại kinh tế và xã hội.

Các khái niệm chính bao gồm: tần số hệ thống, công suất sa thải tối thiểu, hệ số tầm quan trọng phụ tải, điều khiển sơ cấp và thứ cấp, Microgrid chế độ tách lưới.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng mô hình Microgrid điển hình gồm 16 bus, 6 nguồn phát (Diesel, năng lượng mặt trời, gió, lưu trữ năng lượng), dữ liệu công suất các bus tải và thông số máy phát được thu thập từ mô phỏng thực tế và tài liệu chuyên ngành.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng công thức tính lượng công suất sa thải tối thiểu dựa trên cân bằng công suất, đáp ứng điều khiển sơ cấp và thứ cấp của máy phát, đồng thời áp dụng thuật toán AHP để xác định hệ số tầm quan trọng của từng phụ tải. Phân bố lượng công suất sa thải tối thiểu theo hệ số này nhằm giảm thiểu thiệt hại.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 5/2020 đến tháng 5/2021, bao gồm giai đoạn tổng hợp tài liệu, xây dựng mô hình, phát triển thuật toán, mô phỏng kiểm nghiệm bằng phần mềm PowerWorld Simulation và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Lượng công suất sa thải tối thiểu: Khi Microgrid mất kết nối với lưới điện chính, tần số hệ thống giảm xuống dưới ngưỡng cho phép (59,7 Hz). Sau khi điều khiển sơ cấp và thứ cấp, tần số vẫn chưa hồi phục, lượng công suất sa thải tối thiểu được tính toán là khoảng 2,18 MW trên tổng công suất tải 11,98 MW (tương đương 18,2%).

  2. Hiệu quả phương pháp đề xuất: So sánh với phương pháp sa thải dưới tần số UFLS truyền thống, phương pháp đề xuất giảm lượng công suất sa thải xuống còn 2,18 MW so với 4,07 MW của UFLS (giảm gần 46%). Tần số phục hồi sau sa thải vẫn nằm trong phạm vi cho phép, chứng minh tính hiệu quả và tối ưu của phương pháp.

  3. Xác định hệ số tầm quan trọng phụ tải: Thuật toán AHP được áp dụng để phân loại 8 phụ tải thành 3 khu vực tải với các hệ số tầm quan trọng khác nhau, giúp phân bổ lượng công suất sa thải ưu tiên cho các phụ tải ít quan trọng hơn, giảm thiểu thiệt hại kinh tế và xã hội.

  4. Phân bố công suất sa thải: Lượng công suất sa thải được phân bổ dựa trên hệ số tầm quan trọng và vị trí bus tải, đảm bảo cân bằng giữa hiệu quả kỹ thuật và giảm thiểu thiệt hại do cắt tải.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp sa thải phụ tải đề xuất có thể giảm đáng kể lượng công suất cần sa thải so với phương pháp truyền thống, đồng thời vẫn đảm bảo tần số hệ thống được duy trì trong giới hạn cho phép. Việc áp dụng thuật toán AHP giúp phân loại phụ tải theo mức độ quan trọng, từ đó phân bổ tải sa thải hợp lý, tránh cắt tải các phụ tải quan trọng gây thiệt hại lớn.

So với các nghiên cứu trước đây, phương pháp này tích hợp cả khả năng điều khiển sơ cấp, thứ cấp của máy phát và đặc tính phụ tải, tạo ra giải pháp toàn diện hơn. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tần số hệ thống trước và sau sa thải, bảng phân bố công suất sa thải theo từng bus tải, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp.

Phương pháp đề xuất phù hợp với các Microgrid vận hành ở chế độ tách lưới, đặc biệt trong điều kiện nguồn năng lượng tái tạo biến động, góp phần nâng cao độ tin cậy và ổn định hệ thống điện phân tán.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống giám sát và điều khiển tần số tự động: Áp dụng phần mềm và thiết bị đo lường hiện đại để theo dõi tần số và công suất trong Microgrid, kích hoạt tự động quá trình sa thải phụ tải khi tần số giảm dưới ngưỡng. Chủ thể thực hiện: các công ty điện lực, thời gian: 6-12 tháng.

  2. Áp dụng thuật toán AHP trong phân loại phụ tải: Định kỳ đánh giá và cập nhật hệ số tầm quan trọng của các phụ tải dựa trên đặc điểm sử dụng và mức độ ảnh hưởng kinh tế – xã hội, giúp phân bổ tải sa thải tối ưu. Chủ thể thực hiện: đơn vị vận hành Microgrid, thời gian: 3-6 tháng.

  3. Nâng cao khả năng điều khiển sơ cấp và thứ cấp của máy phát: Đầu tư cải tiến bộ điều tốc và hệ thống điều khiển để tăng khả năng phản ứng nhanh và chính xác với biến động tần số, giảm thiểu lượng tải cần sa thải. Chủ thể thực hiện: nhà sản xuất thiết bị, thời gian: 12-18 tháng.

  4. Tăng cường đào tạo và nâng cao nhận thức: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư vận hành và học viên cao học về phương pháp sa thải phụ tải và quản lý Microgrid, nâng cao năng lực ứng dụng công nghệ mới. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, trung tâm đào tạo, thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành Microgrid: Nghiên cứu cung cấp phương pháp tối ưu trong quản lý tải và duy trì ổn định tần số, giúp nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu rủi ro mất điện.

  2. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Điện – Điện tử: Tài liệu chi tiết về lý thuyết, thuật toán AHP và mô phỏng thực nghiệm là nguồn tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu liên quan đến Microgrid và quản lý phụ tải.

  3. Các công ty điện lực và nhà cung cấp thiết bị: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ trong việc phát triển các giải pháp kỹ thuật và phần mềm điều khiển, nâng cao chất lượng dịch vụ và độ tin cậy hệ thống điện phân tán.

  4. Nhà hoạch định chính sách và quản lý năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển Microgrid, thúc đẩy sử dụng năng lượng tái tạo và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp sa thải phụ tải đề xuất khác gì so với phương pháp UFLS truyền thống?
    Phương pháp đề xuất tính toán lượng công suất sa thải tối thiểu dựa trên khả năng điều khiển sơ cấp và thứ cấp của máy phát, kết hợp với hệ số tầm quan trọng phụ tải bằng thuật toán AHP, giúp giảm lượng tải cần cắt so với UFLS phân bố đều, từ đó giảm thiểu thiệt hại kinh tế và xã hội.

  2. Tại sao cần phân loại phụ tải theo hệ số tầm quan trọng?
    Phân loại giúp ưu tiên giữ lại các phụ tải quan trọng, như bệnh viện, cơ sở sản xuất thiết yếu, trong khi cắt các phụ tải ít quan trọng hơn, đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành Microgrid, đồng thời giảm thiểu thiệt hại do mất điện.

  3. Phương pháp này áp dụng cho loại Microgrid nào?
    Phương pháp phù hợp với Microgrid vận hành ở chế độ tách lưới, nơi không có nguồn điện từ lưới chính và cần cân bằng công suất nội bộ để duy trì tần số và điện áp ổn định.

  4. Lượng công suất sa thải tối thiểu được tính như thế nào?
    Dựa trên cân bằng công suất, lượng công suất điều khiển sơ cấp và thứ cấp của máy phát, cùng với hệ số đặc tính tải theo tần số, công thức tính lượng công suất sa thải tối thiểu được xây dựng nhằm đưa tần số về phạm vi cho phép.

  5. Làm thế nào để kiểm tra hiệu quả của phương pháp?
    Hiệu quả được kiểm chứng qua mô phỏng bằng phần mềm PowerWorld Simulation trên sơ đồ Microgrid điển hình, so sánh tần số hệ thống và lượng công suất sa thải với phương pháp truyền thống, kết quả cho thấy giảm tải hiệu quả và tần số ổn định.

Kết luận

  • Đề tài đã nghiên cứu và đề xuất thành công phương pháp sa thải phụ tải tối thiểu trong Microgrid vận hành ở chế độ tách lưới, kết hợp điều khiển sơ cấp, thứ cấp và thuật toán AHP để phân bổ tải sa thải hợp lý.
  • Mô hình Microgrid điển hình với 16 bus và 6 nguồn phát được sử dụng để mô phỏng và kiểm nghiệm, cho thấy phương pháp giảm lượng công suất sa thải gần 46% so với phương pháp UFLS truyền thống.
  • Thuật toán AHP giúp xác định hệ số tầm quan trọng của các phụ tải, giảm thiểu thiệt hại kinh tế và xã hội do sa thải tải không hợp lý.
  • Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng thực tiễn trong vận hành Microgrid, hỗ trợ các công ty điện lực và học viên cao học trong lĩnh vực điện – điện tử.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai hệ thống giám sát tự động, nâng cao khả năng điều khiển máy phát và đào tạo nhân lực để áp dụng rộng rãi phương pháp này trong thực tế.

Hành động ngay: Các đơn vị vận hành Microgrid và các nhà nghiên cứu nên áp dụng và phát triển thêm phương pháp này để nâng cao độ ổn định và hiệu quả của hệ thống điện phân tán.