Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống lưu trữ năng lượng (Energy Storage System - ESS) ngày càng trở thành một thành phần thiết yếu trong vận hành lưới điện phân phối (LĐPP), đặc biệt trong bối cảnh gia tăng mạnh mẽ các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió. Theo báo cáo của ngành điện, tổn thất điện năng trên LĐPP chiếm khoảng 4-6,7% tổng công suất sản xuất, gây ảnh hưởng lớn đến hiệu quả vận hành và chi phí điện năng. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định vị trí và công suất tối ưu của hệ thống pin lưu trữ năng lượng (Battery Energy Storage System - BESS) trên LĐPP nhằm nâng cao hiệu quả vận hành, giảm tổn thất và chi phí vận hành.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong mô hình lưới điện phân phối 33 nút tại TP. Hồ Chí Minh, với dữ liệu mô phỏng dựa trên phần mềm chuyên dụng như PSS – ADEPT, MATLAB và ETAP. Mục tiêu cụ thể là xây dựng bài toán tối ưu vị trí và công suất của BESS, từ đó giảm chi phí năng lượng, giảm đỉnh phụ tải trong giờ cao điểm và tăng cường sử dụng điện trong giờ thấp điểm, đồng thời đảm bảo các giới hạn kỹ thuật về điện áp và dòng điện.

Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc hỗ trợ các công ty điện lực quản lý vận hành lưới điện hiệu quả hơn, đồng thời đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững của Việt Nam khi các nguồn năng lượng tái tạo ngày càng được tích hợp sâu rộng vào hệ thống điện. Việc tối ưu hóa lắp đặt BESS không chỉ giúp giảm tổn thất điện năng mà còn góp phần nâng cao độ tin cậy và chất lượng điện năng, giảm phát thải khí nhà kính, phù hợp với xu hướng chuyển đổi năng lượng toàn cầu.

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:

  • Lưới điện phân phối (LĐPP): Là hệ thống truyền tải điện năng trực tiếp đến người tiêu dùng, có cấu trúc vận hành hở (mạch tia) với nhiều cấp điện áp và phụ tải đa dạng. Tổn thất điện năng trên LĐPP chiếm tỷ lệ cao do cấu trúc phức tạp và vận hành chưa tối ưu.

  • Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS): Bao gồm nhiều công nghệ lưu trữ như lưu trữ cơ học (PHES, FES, CAES), lưu trữ nhiệt (TES), lưu trữ điện hóa (pin Li-ion, axit chì, NaS), lưu trữ tĩnh điện và từ tính (siêu tụ điện, SMES), và lưu trữ hóa học (pin nhiên liệu, nhiên liệu sinh học). Trong đó, BESS được lựa chọn làm trọng tâm do tính linh hoạt, mật độ năng lượng cao và khả năng đáp ứng nhanh.

  • Mô hình tối ưu hóa lắp đặt BESS: Bài toán tối ưu vị trí và công suất BESS trên LĐPP được xây dựng dưới dạng bài toán rời rạc, phi tuyến tính với các ràng buộc kỹ thuật như giới hạn điện áp, dòng điện, công suất và cân bằng công suất. Hàm mục tiêu là giảm chi phí năng lượng vận hành, giảm đỉnh phụ tải và tăng cường sử dụng điện trong giờ thấp điểm.

  • Thuật toán tối ưu: Các thuật toán thông minh như thuật toán di truyền (GA), tối ưu bầy đàn (PSO), và các thuật toán lai được áp dụng để giải bài toán tối ưu phức tạp này, đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy trong việc xác định vị trí và công suất BESS.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu phụ tải, đặc tính lưới điện 33 nút tại TP. Hồ Chí Minh, thông số kỹ thuật của các loại BESS và giá điện theo giờ được thu thập từ các báo cáo ngành và mô phỏng thực tế.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng mô phỏng trên phần mềm PSS – ADEPT, MATLAB và ETAP để đánh giá hiệu quả vận hành của LĐPP khi tích hợp BESS. Bài toán tối ưu hóa được giải bằng các thuật toán tiến hóa và thuật toán bầy đàn nhằm tìm ra vị trí và công suất BESS tối ưu.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2022, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả, so sánh với các nghiên cứu tương tự để đánh giá tính khả thi và hiệu quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm chi phí năng lượng vận hành: Việc lắp đặt BESS tối ưu giúp giảm chi phí năng lượng vận hành lưới điện phân phối khoảng 10-15% so với trường hợp không có BESS, nhờ khả năng lưu trữ điện vào giờ thấp điểm và cung cấp điện vào giờ cao điểm với giá điện cao hơn.

  2. Giảm đỉnh phụ tải: BESS góp phần giảm đỉnh phụ tải trong giờ cao điểm từ 8-12%, giúp giảm quá tải và trì hoãn việc nâng cấp hạ tầng lưới điện, đồng thời giảm tổn thất điện năng trên lưới.

  3. Cải thiện chất lượng điện áp: Mô phỏng cho thấy điện áp tại các nút lưới được duy trì ổn định hơn, giảm dao động điện áp trong phạm vi cho phép, tăng độ tin cậy cung cấp điện.

  4. Tăng cường sử dụng điện trong giờ thấp điểm: BESS giúp tăng tỷ lệ sử dụng điện trong giờ thấp điểm lên khoảng 20%, góp phần cân bằng tải và tối ưu hóa vận hành lưới điện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các cải thiện trên là do BESS cho phép lưu trữ năng lượng dư thừa trong giờ thấp điểm với chi phí thấp và cung cấp lại trong giờ cao điểm khi giá điện cao, đồng thời hỗ trợ điều chỉnh điện áp và cân bằng tải. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu gần đây về ứng dụng BESS trong lưới điện phân phối có tích hợp năng lượng tái tạo.

Việc giảm đỉnh phụ tải và tổn thất điện năng không chỉ giúp tiết kiệm chi phí vận hành mà còn giảm áp lực lên các thiết bị truyền tải và phân phối, kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm phát thải khí nhà kính. Các biểu đồ mô phỏng điện áp và dòng điện trước và sau khi lắp đặt BESS minh họa rõ ràng sự ổn định và cải thiện hiệu quả vận hành.

Tuy nhiên, hiệu quả của BESS phụ thuộc lớn vào vị trí và công suất được tối ưu hóa chính xác, cũng như chiến lược vận hành phù hợp với đặc điểm phụ tải và giá điện theo giờ. Việc áp dụng các thuật toán tối ưu hiện đại giúp giải quyết bài toán phức tạp này một cách hiệu quả.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai lắp đặt BESS tại các nút trọng điểm: Ưu tiên lắp đặt BESS tại các nút có phụ tải cao và biến động lớn để giảm đỉnh phụ tải và cải thiện chất lượng điện áp. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, do các công ty điện lực chủ trì.

  2. Xây dựng chính sách giá điện theo giờ: Khuyến khích sử dụng điện trong giờ thấp điểm và giảm tải trong giờ cao điểm thông qua cơ chế giá điện linh hoạt, tạo động lực cho việc vận hành BESS hiệu quả. Cơ quan quản lý nhà nước phối hợp với EVN triển khai trong 1 năm tới.

  3. Phát triển hệ thống quản lý và điều khiển BESS thông minh: Áp dụng các thuật toán tối ưu và trí tuệ nhân tạo để điều phối vận hành BESS tự động, tối ưu hóa chi phí và hiệu quả vận hành. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ thực hiện trong 2-3 năm.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực nhân sự: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ lưu trữ năng lượng và vận hành lưới điện thông minh cho kỹ sư và cán bộ quản lý điện lực. Thời gian triển khai liên tục, do các trường đại học và viện nghiên cứu phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các công ty điện lực và quản lý lưới điện: Nghiên cứu giúp cải thiện hiệu quả vận hành, giảm tổn thất và chi phí, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

  2. Các nhà hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo và lưu trữ năng lượng phù hợp với thực tiễn Việt Nam.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện-điện tử: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về công nghệ lưu trữ năng lượng, mô hình tối ưu hóa và ứng dụng trong lưới điện phân phối.

  4. Doanh nghiệp công nghệ năng lượng tái tạo và lưu trữ: Hỗ trợ phát triển sản phẩm, giải pháp công nghệ và chiến lược kinh doanh dựa trên nhu cầu thực tế và xu hướng thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần tối ưu vị trí và công suất của BESS trên lưới điện phân phối?
    Việc tối ưu giúp đảm bảo BESS phát huy hiệu quả cao nhất trong việc giảm tổn thất, cân bằng tải và giảm chi phí vận hành, tránh lãng phí đầu tư và ảnh hưởng tiêu cực đến lưới điện.

  2. Các công nghệ lưu trữ năng lượng nào được ưu tiên sử dụng trong lưới điện phân phối?
    Pin lithium-ion được ưu tiên do mật độ năng lượng cao, tuổi thọ dài và khả năng đáp ứng nhanh, phù hợp với yêu cầu vận hành linh hoạt của lưới điện phân phối.

  3. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả của việc lắp đặt BESS?
    Hiệu quả được đánh giá qua các chỉ số như giảm chi phí năng lượng, giảm đỉnh phụ tải, cải thiện chất lượng điện áp và tăng cường sử dụng điện trong giờ thấp điểm, được mô phỏng và so sánh với trường hợp không có BESS.

  4. BESS có thể giúp gì cho việc tích hợp năng lượng tái tạo?
    BESS giúp lưu trữ năng lượng dư thừa từ nguồn tái tạo không liên tục, giảm dao động công suất, làm mịn đầu ra và tăng tính ổn định của lưới điện.

  5. Những thách thức chính khi triển khai BESS trong thực tế là gì?
    Bao gồm chi phí đầu tư ban đầu cao, yêu cầu kỹ thuật phức tạp trong vận hành và bảo trì, cũng như cần có chính sách hỗ trợ và cơ chế thị trường phù hợp để đảm bảo tính khả thi kinh tế.

Kết luận

  • Xác định vị trí và công suất tối ưu của BESS trên lưới điện phân phối giúp giảm chi phí vận hành từ 10-15% và giảm đỉnh phụ tải 8-12%.
  • BESS cải thiện chất lượng điện áp và tăng cường sử dụng điện trong giờ thấp điểm lên khoảng 20%, nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành lưới điện.
  • Nghiên cứu áp dụng các thuật toán tối ưu hiện đại, mô phỏng trên lưới điện 33 nút tại TP. Hồ Chí Minh, phù hợp với thực tiễn Việt Nam.
  • Đề xuất triển khai lắp đặt BESS tại các nút trọng điểm, xây dựng chính sách giá điện theo giờ và phát triển hệ thống quản lý BESS thông minh.
  • Khuyến khích các công ty điện lực, nhà hoạch định chính sách, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ tham khảo và ứng dụng kết quả nghiên cứu để thúc đẩy phát triển năng lượng bền vững.

Hành động tiếp theo là triển khai các giải pháp đề xuất trong thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi và ứng dụng công nghệ lưu trữ năng lượng mới nhằm nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện phân phối tại Việt Nam.