Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu điện năng tăng trưởng liên tục và sự phát triển mạnh mẽ của các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện mặt trời, việc tối ưu hóa công suất phản kháng trong lưới điện phân phối trở thành một vấn đề cấp thiết. Theo ước tính, tỷ lệ thâm nhập của nguồn điện mặt trời (Photovoltaic - PV) trong lưới điện phân phối ngày càng tăng, dẫn đến những thay đổi lớn về cấu trúc và đặc tính vận hành của hệ thống. Điều này đặt ra thách thức trong việc duy trì chất lượng điện áp, giảm tổn thất điện năng và đảm bảo an toàn vận hành.

Luận văn tập trung nghiên cứu xây dựng mô hình tối ưu hóa công suất phản kháng mở rộng đa mục tiêu trong lưới điện phân phối tích hợp hệ thống phát và lưu trữ điện mặt trời. Mục tiêu cụ thể bao gồm: phân tích tác động của nguồn PV đến phân bố công suất và đặc tính điện áp; xây dựng mô hình tối ưu hóa công suất phản kháng nhằm giảm tổn thất điện năng và nguy cơ quá giới hạn điện áp; áp dụng mô hình trên lưới điện thực tế để đánh giá hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lưới điện phân phối tại Việt Nam trong giai đoạn hiện nay, với sự tích hợp của các hệ thống phát điện mặt trời và lưu trữ năng lượng.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện phân phối, góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo, giảm phát thải khí nhà kính và tăng cường độ tin cậy cung cấp điện. Các chỉ số đánh giá như tổn thất điện năng, biên độ điện áp và khả năng mang tải của lưới điện được sử dụng làm metrics chính để đo lường hiệu quả mô hình tối ưu hóa.

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:

  • Công suất phản kháng (Reactive Power - Q): Khái niệm cơ bản về công suất phản kháng trong hệ thống điện, vai trò của nó trong việc duy trì điện áp và truyền tải công suất tác dụng. Công suất phản kháng được cung cấp bởi các thiết bị như máy phát điện, tụ bù tĩnh, máy bù đồng bộ và thiết bị điều khiển thyristor (SVC).

  • Mô hình lưới điện phân phối (Electric Distribution System): Cấu trúc hệ thống phân phối điện gồm các cấp điện áp cao, trung và hạ thế, cùng với các nguồn phân tán (Distributed Generation - DG) như PV, thủy điện nhỏ, máy phát gió và hệ thống lưu trữ năng lượng (Battery Energy Storage Systems - BESS).

  • Mô hình tối ưu hóa công suất phản kháng mở rộng đa mục tiêu (Double Objectives Extended Reactive Power Optimization - DERPO): Mô hình này kết hợp hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất tác dụng và giảm nguy cơ quá giới hạn điện áp, đồng thời xét đến các biến điều khiển như công suất tác dụng của thiết bị lưu trữ và công suất phản kháng của PV.

  • Công nghệ điện mặt trời và lưu trữ năng lượng: Các đặc điểm kỹ thuật của hệ thống PV nối lưới, các loại pin lưu trữ phổ biến (Lead Acid, Sodium Sulfur, Vanadium Redox Flow, Lithium-ion) và vai trò của chúng trong việc điều phối công suất phản kháng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu kỹ thuật từ lưới điện phân phối thực tế tại một số địa phương, dữ liệu vận hành hệ thống PV và BESS, cùng các tài liệu chuyên ngành và quy định pháp luật liên quan đến điện lực tại Việt Nam.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm mô phỏng PSS/ADEPT để phân tích lưới điện phân phối, tính toán phân bố công suất, tổn thất và điện áp. Ngôn ngữ lập trình bậc cao GAMS được áp dụng để xây dựng và giải bài toán tối ưu hóa công suất phản kháng với thuật toán BONMIN cho bài toán phi tuyến nguyên hỗn hợp.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình được áp dụng trên lưới điện phân phối thực tế với các tuyến dây và nút tải cụ thể, bao gồm các điểm kết nối PV và BESS. Việc lựa chọn mẫu dựa trên tính đại diện của lưới điện phân phối điển hình tại Việt Nam.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2023, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của PV đến điện áp và dòng công suất phản kháng: Khi PV được kết nối vào lưới điện phân phối, điện áp tại các nút có xu hướng tăng, đặc biệt khi công suất PV bơm vào vượt quá mức giới hạn. Ví dụ, điện áp nút có thể vượt quá giới hạn cho phép khi công suất PV tăng trên 30% công suất tải cục bộ. Dòng công suất phản kháng cũng biến đổi theo công suất phản kháng đầu ra của PV, với ba trường hợp chính: công suất phản kháng PV nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn tổng công suất phản kháng tải trên đường dây.

  2. Hiệu quả mô hình DERPO trong giảm tổn thất: Mô hình DERPO cho thấy khả năng giảm tổn thất công suất tác dụng trong lưới điện phân phối từ khoảng 5% đến 12% so với mô hình tối ưu hóa truyền thống không xét đến hệ thống lưu trữ và PV. Kết quả tính toán trên tuyến dây 471 – Nam Gianh minh chứng tổn thất giảm từ 52 kW xuống còn khoảng 46 kW khi áp dụng mô hình DERPO.

  3. Nâng cao biên độ an toàn điện áp: Mô hình DERPO giúp duy trì điện áp tại các nút trong phạm vi an toàn, giảm nguy cơ quá áp hoặc sụt áp. Biểu đồ so sánh điện áp nút giữa hai kịch bản vận hành cho thấy mô hình DERPO giữ điện áp ổn định trong khoảng ±5% so với điện áp định mức, trong khi mô hình truyền thống có thể vượt quá ±10%.

  4. Tác động tích cực của hệ thống lưu trữ năng lượng: Việc tích hợp BESS giúp điều phối công suất tác dụng và phản kháng linh hoạt, giảm biến động điện áp và tổn thất điện năng. Các kịch bản mô phỏng cho thấy BESS có thể giảm đỉnh tải và cải thiện độ tin cậy cung cấp điện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do khả năng điều chỉnh công suất phản kháng và công suất tác dụng của hệ thống PV và lưu trữ năng lượng, giúp cân bằng công suất phản kháng cục bộ và giảm tổn thất trên đường dây. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào tối ưu hóa công suất phản kháng truyền thống, mô hình DERPO mở rộng đa mục tiêu và tích hợp các biến điều khiển mới đã nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện phân phối.

Kết quả cũng phù hợp với các báo cáo ngành về tác động của DG và PV đến lưới điện phân phối, đồng thời khẳng định vai trò quan trọng của công nghệ lưu trữ năng lượng trong việc ổn định lưới điện. Việc sử dụng phần mềm PSS/ADEPT và GAMS cho phép mô phỏng chính xác và giải quyết bài toán tối ưu phức tạp, cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho các đề xuất kỹ thuật.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ điện áp nút, biểu đồ dòng công suất phản kháng và bảng so sánh tổn thất điện năng giữa các kịch bản vận hành, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của mô hình DERPO.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống điều khiển công suất phản kháng linh hoạt: Khuyến nghị các đơn vị vận hành lưới điện phân phối áp dụng mô hình DERPO để điều phối công suất phản kháng, giảm tổn thất và duy trì điện áp ổn định. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, chủ thể là các công ty điện lực khu vực.

  2. Tăng cường tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng: Đầu tư và phát triển các hệ thống BESS kết hợp với PV nhằm nâng cao khả năng điều tiết công suất, giảm biến động điện áp và cải thiện độ tin cậy. Khuyến nghị áp dụng trong 3-5 năm tới, chủ thể là nhà đầu tư và các đơn vị quản lý lưới điện.

  3. Cập nhật và hoàn thiện quy định kỹ thuật kết nối PV: Ban hành các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình vận hành phù hợp với đặc điểm của hệ thống PV và lưu trữ năng lượng, đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành lưới điện phân phối. Thời gian thực hiện trong 1 năm, chủ thể là Bộ Công Thương và các cơ quan quản lý điện lực.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn: Tổ chức các khóa đào tạo về mô hình tối ưu hóa công suất phản kháng và công nghệ PV, BESS cho kỹ sư vận hành và quản lý lưới điện. Thời gian liên tục, chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành lưới điện phân phối: Nghiên cứu giúp hiểu rõ tác động của PV và lưu trữ năng lượng đến công suất phản kháng, từ đó áp dụng các giải pháp tối ưu hóa vận hành.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo và quy định kỹ thuật kết nối nguồn phân tán.

  3. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp phát triển dự án PV và BESS: Hiểu rõ các yêu cầu kỹ thuật và lợi ích kinh tế khi tích hợp hệ thống PV và lưu trữ vào lưới điện phân phối.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về mô hình tối ưu hóa công suất phản kháng và ứng dụng công nghệ mới trong hệ thống điện phân phối.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao công suất phản kháng quan trọng trong lưới điện phân phối?
    Công suất phản kháng giúp duy trì điện áp ổn định và truyền tải công suất tác dụng hiệu quả. Thiếu hụt công suất phản kháng có thể gây sụt áp, tổn thất điện năng tăng và giảm độ tin cậy cung cấp điện.

  2. Mô hình DERPO khác gì so với các mô hình tối ưu hóa truyền thống?
    DERPO mở rộng đa mục tiêu, không chỉ giảm tổn thất mà còn giảm nguy cơ quá giới hạn điện áp, đồng thời tích hợp các biến điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống PV và lưu trữ năng lượng, nâng cao hiệu quả vận hành.

  3. Hệ thống lưu trữ năng lượng (BESS) đóng vai trò gì trong tối ưu hóa công suất phản kháng?
    BESS cung cấp khả năng điều chỉnh linh hoạt công suất tác dụng và phản kháng, giúp cân bằng lưới điện, giảm biến động điện áp và tổn thất, đồng thời hỗ trợ vận hành ổn định khi có nguồn PV biến động.

  4. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng và giải bài toán tối ưu?
    Phần mềm PSS/ADEPT được dùng để mô phỏng lưới điện phân phối, trong khi ngôn ngữ lập trình GAMS với solver BONMIN được sử dụng để xây dựng và giải bài toán tối ưu phi tuyến nguyên hỗn hợp.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
    Các công ty điện lực có thể triển khai mô hình DERPO trong hệ thống điều khiển lưới điện, kết hợp với đầu tư hệ thống lưu trữ năng lượng và cập nhật quy định kỹ thuật để đảm bảo vận hành hiệu quả và an toàn.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình tối ưu hóa công suất phản kháng mở rộng đa mục tiêu (DERPO) tích hợp hệ thống phát và lưu trữ điện mặt trời trong lưới điện phân phối.
  • Mô hình giúp giảm tổn thất điện năng từ 5% đến 12% và duy trì điện áp trong phạm vi an toàn, nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện.
  • Việc tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng đóng vai trò quan trọng trong điều phối công suất và ổn định lưới điện phân phối.
  • Phương pháp sử dụng phần mềm PSS/ADEPT và ngôn ngữ lập trình GAMS cho phép giải quyết bài toán tối ưu phức tạp với độ chính xác cao.
  • Đề xuất triển khai mô hình DERPO và tăng cường tích hợp lưu trữ năng lượng trong 1-5 năm tới nhằm nâng cao chất lượng và độ tin cậy cung cấp điện.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị quản lý và vận hành lưới điện nên nghiên cứu áp dụng mô hình DERPO, đồng thời phối hợp với các nhà đầu tư phát triển hệ thống PV và lưu trữ năng lượng để thúc đẩy phát triển bền vững hệ thống điện phân phối.