CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ SỰ THAM GIA CỦA NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ, NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Đặc điểm của hệ thống điện và bài toán điều khiển vận hành tối ưu hệ thống điện Sản xuất, phân phối và cung cấp điện năng là một lĩnh vực cực kỳ quan trọng của bất kỳ quốc gia nào. Một hệ thống điện điển hình bao gồm các thành phần như trong hình vẽ 1. 1: Sơ đồ lưới điện điển hình Trong đó sơ đồ bao gồm: + Các nguồn điện bao gồm các nhà máy nhiệt điện, nhà máy thủy điện, điện gió, điện mặt trời, điện diesel. + Đường dây truyền tải gồm đường dây truyền tải cao áp, trung áp và hạ áp + Các phụ tải để tiêu thụ điện.
Luôn phải có sự cân bằng giữa tổng công suất phát ra từ các nguồn và tổng công suất tiêu thụ của phụ tải. Trong cơ cấu nguồn điện thì nguồn điện mặt trời và điện gió hiện nay phát triển rất mạnh. Theo số liệu của cơ quan năng lượng quốc tế (IEA), tổng công suất đặt của nguồn điện mặt trời trên thế giới năm 2021 là 843,086 TW tăng trưởng 18% so với năm 2020. Tổng công suất đặt của nguồn điện gió trên thế giới năm 2021 là 824,874 TW, tăng trưởng 12,9% so với năm 2020.
Dự báo đến năm 2050, nguồn điện gió sẽ đóng góp 36% và điện mặt trời đóng góp 22% tổng điện năng sản xuất toàn thế giới. 2: Biểu đồ sự phát triển của điện mặt trời và điện gió trên thế giới theo số liệu của cơ quan năng lượng quốc tế (IEA) Trong xu thế chung đó, Việt Nam là một trong những quốc gia có tiềm năng và phát triển rất mạnh về điện mặt trời và điện gió. Tổng công suất lắp đặt nguồn điện mặt trời của Việt Nam năm 2021 là 10.909 MW, đứng thứ 3 toàn thế giới sau Trung Quốc và Mỹ (năm 2018, tổng công suất điện mặt trời của Việt Nam là 86 MW). Theo số liệu của trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia, tính đến tháng 12/2020, tổng công suất đặt của các nguồn điện mặt trời áp mái tại Việt Nam là 7760 MW (10,1% tổng công suất đặt các nguồn điện trong hệ thống), còn tổng công suất đặt của các trang trại điện mặt trời là 8732 MW (11,39% tổng công suất đặt các nguồn điện trong hệ thống).
Tính đến tháng 11/2021, tổng công suất đặt của nguồn điện gió là 3980 MW (5,19% tổng công suất đặt các nguồn điện trong hệ thống). Việc phát triển nhanh các nguồn điện mặt trời, điện gió ở Việt Nam do giá thành đầu tư giảm và các chính sách hỗ trợ của nhà nước như mua điện từ trang trại điện mặt trời với giá 9,35 UScent/kWh khi hòa lưới trước ngày 30/06/2019, mua điện mặt trời áp mái với giá 8,38 UScent/kWh khi hòa lưới trước ngày 31/12/2020, mua điện gió trên biển (offshore) với giá 9,8 UScent/kWh, điện gió đất liền (onshore) với giá 8,5 UScent/kWh trước ngày 1/11/2021. 3: Biểu đồ công suất đặt của nguồn điện mặt trời và điện gió ở Việt Nam theo số liệu của trung tâm điều độ quốc gia (A0) Khi tỷ trọng nguồn điện mặt trời và điện gió ngày càng tăng thì do tính thay đổi công suất phát liên tục của các nguồn điện này nên gây ảnh hưởng rất lớn đến điều khiển, vận hành hệ thống điện như: + Mất ổn định điện áp: Điện áp tăng cao hoặc giảm thấp hơn giá trị cho phép gây ảnh hưởng rất lớn đến phụ tải điện. Khi điện áp lên quá cao, nhiều trường hợp phải cắt nguồn điện mặt trời, điện gió không tiếp tục bán điện lên lưới.
+ Quá tải đường dây truyền tải: Trong nhiều trường hợp khi công suất phát của nguồn điện gió, điện mặt trời quá lớn thì sẽ phải cắt nguồn điện và không tiếp tục bán điện lên lưới. + Dao động công suất phát: Dao động công suất sẽ lan truyền trong hệ thống điện gây mất ổn định hệ thống điện. + Giảm quán tính hệ thống điện: Tỷ trọng nguồn điện mặt trời cao sẽ làm giảm quán tính hệ thống điện làm giảm ổn định hệ thống điện. + Sai số dự báo công suất phát nguồn điện gió, điện mặt trời lớn: Khi sai số dự báo lớn gây khó khăn việc vận hành tối ưu hệ thống điện, tăng chi phí vận hành hệ thống điện.
+ Gây khó khăn cho thiết bị bảo vệ: Thời gian thao tác của thiết bị đóng/cắt lớn hơn thay đổi công suất của nguồn điện mặt trời. Dòng điện ngắn mạch và quá tải giảm dưới ngưỡng do nguồn điện mặt trời, điện gió. Đặc biệt, khi kết nối ngày càng nhiều nguồn điện mặt trời, điện gió thì các phụ tải hạ áp (thường là các phụ tải lấy điện từ 1 dây pha và 1 dây trung tính của lưới điện hạ áp) bị ảnh hưởng nhiều nhất do tính biến thiên liên tục của nguồn điện gió, điện mặt trời sẽ làm cho điện áp cung cấp cho các phụ tải thay đổi liên tục có thể nằm 8 ngoài giá trị vận hành cho phép của phụ tải. Tại Đức, tính đến năm 2015 đã lắp đặt gần 40 GW điện mặt trời, trong đó có khoảng 22 GW được kết nối với lưới điện hạ áp, 90% trong số đó là hệ thống điện mặt trời áp mái có công suất nhỏ hơn 30 kW.
Những nguồn điện mặt trời áp mái này là một trong những thành phần rất quan trọng giúp cho nước Đức có thể dịch chuyển sang sử dụng nguồn năng lượng tái tạo (theo tài liệu tham khảo số 94). Ở Việt Nam, theo thông tư số 39/2015/TT-BCT của Bộ Công Thương ban hành ngày 18 tháng 11 năm 2015 có quy định đối với hệ thống điện mặt trời đấu nối vào lưới điện phân phối cấp điện áp hạ áp như sau: + Hệ thống điện mặt trời có công suất dưới 03 kW trở xuống được đấu nối vào lưới điện hạ áp 1 pha hoặc 3 pha. + Hệ thống điện mặt trời có công suất từ 03 kW đến 100 kW (nhưng không vượt quá 30% công suất đặt của trạm biến áp hạ thế đấu nối) được đấu vào lưới điện hạ áp 3 pha. Còn theo quyết định về cơ chế khuyến khích phát triển điện mặt trời tại Việt Nam số 13/2020/QĐ-TTg ban hành ngày 06 tháng 04 năm 2020 có quy định về hệ thống điện mặt trời áp mái.
Điều 3 trong quyết định về hệ thống điện mặt trời áp mái quy định như sau: Hệ thống điện mặt trời áp mái nhà là hệ thống điện mặt trời có các tấm quang điện được lắp đặt trên mái nhà của công trình xây dựng và có công suất không quá 1 MW, đấu nối trực tiếp hoặc gián tiếp vào lưới điện có cấp điện áp 35 kV trở xuống.4 mô tả sơ đồ kết nối của nguồn điện mặt trời, điện gió vào lưới điện hạ áp và trung áp (từ 35 kV trở xuống). Từ hình vẽ 1.4 ta thấy rằng, các phụ tải sẽ lấy điện từ 1 pha của lưới và dây trung tính. Các giàn pin mặt trời, tua bin gió công suất nhỏ (đối với giàn pin mặt trời là nhỏ hơn 03 kVA) sẽ phát điện lên 1 pha kết nối. Các giàn pin mặt trời, tua bin gió công suất lớn hơn sẽ phát điện lên cả 3 pha của lưới.
Điều đó có nghĩa là mỗi pha của lưới điện hạ áp 3 pha đều phải tải 1/3 công suất phát của giàn pin mặt trời, tua bin gió kết nối lên lưới đó. Ví dụ, giàn pin mặt trời kết nối lưới 3 pha phát công suất 100 kW thì mỗi pha sẽ phải tải công suất là 33,3 kW. Thông thường, khi giàn pin, tua bin gió không phát điện lên lưới thì điện áp ở đầu ra của máy biến áp thường để cao hơn điện áp định mức của mạng điện do tổn thất điện áp truyền tải trên đường dây. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp khi các giàn pin 1 pha, 3 pha phát 100% công suất và phụ tải tiêu thụ ít điện thì công suất sẽ truyền ngược về máy biến áp.
Khi đó, điện áp tại các nút cuối đường dây có thể cao hơn điện áp đầu đường dây dẫn tới điện áp cung cấp cho phụ tải 1 pha sẽ lớn hơn giá trị cho phép. 4: Sơ đồ kết nối của nguồn điện mặt trời, điện gió vào lưới điện hạ áp và trung áp Tương tự vậy, với các nguồn điện gió, điện mặt trời kết nối với lưới điện trung áp ở gần máy biến áp hạ áp 22/0,4 kV như trên hình vẽ 1. Mà với các máy biến áp hạ áp 22/0,4 kV ở những nước đang phát triển như Việt Nam thì không có chức năng tự động điều chỉnh đầu phân áp. Do đó điện áp phía cao (22 kV) tăng thì cũng sẽ làm tăng điện áp phía hạ (0,4 kV) và ảnh hưởng lớn đến phụ tải hạ áp.
Với sự phát triển của các nguồn điện mặt trời áp mái tại Việt Nam (Tính đến cuối năm 2020, điện mặt trời áp mái chiếm 10,1% tổng công suất đặt các nguồn điện trong hệ thống – gần bằng 1/3 tổng công suất đặt của tất cả các nhà máy thủy điện trong hệ thống) là một nguồn điện rất lớn và gây ảnh hưởng lớn tới các phụ tải kết nối 1 pha lưới điện hạ áp. Tuy nhiên, tại các nước phát triển, những ảnh hưởng này sẽ được giảm bớt do lưới điện được quy hoạch tốt, đầu tư hiện đại (các bộ Inverter có khả năng tham gia hỗ trợ điều khiển ổn định điện áp, tự dộng cân bằng giữa các pha, tự động điều chỉnh điện áp của máy biến áp), hệ số thiết kế an toàn cao. Chẳng hạn như sử dụng tiết diện dây điện lớn hơn sẽ làm giảm được tổn thất điện áp, từ đó giảm ảnh hưởng của sự biến thiên nguồn điện gió, điện mặt trời đến lưới điện. Dựa vào khả năng dịch chuyển thời điểm sử dụng, phụ tải điện có thể chia thành 2 loại là: + Phụ tải có khả năng dịch chuyển thời điểm sử dụng điện: Đây là những phụ tải có thể thay đổi thời điểm đóng/cắt mà không ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình hoạt động của phụ tải.
Ví dụ như bơm nước có thể điều khiển thời điểm hoạt động (đóng/cắt phụ tải bơm nước) để bơm nước lên bể chứa sao cho tổng lượng nước bơm lên trong ngày là không đổi. Khi đó, hệ thống có thể thay đổi thời điểm sử dụng phụ tải bơm nước nhằm hỗ trợ ổn định hệ thống điện và vẫn đảm bảo tổng lượng nước bơm lên bể trong 1 ngày là không đổi. Có nhiều phụ tải cho phép thay đổi thời điểm 10 sử dụng điện trong một khoảng thời gian khá lớn như bơm nước, bình nóng lạnh, máy giặt, máy sấy quần áo, sạc xe điện.