Profit Maximization of Wind Power Plants in the Electricity Market Based on Linking Model Between Energy Sources

Đồ án tối ưu hóa lợi nhuận nhà máy điện gió trên thị trường điện tại HCMUTE năm 2025

• Tác giả: Dương Bảo Huy
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Trương Việt Anh
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử
• Đề tài: Profit Maximization of Wind Power Plants in the Electricity Market Based on Linking Model Between Energy Sources
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan tối ưu hóa lợi nhuận nhà máy điện gió thị trường điện

Thị trường điện cạnh tranh tạo ra bước ngoặt lớn cho các nhà đầu tư năng lượng tái tạo. Việt Nam sở hữu tiềm năng gió dồi dào với hơn 3.000 km đường bờ biển. Tốc độ gió trung bình nhiều khu vực ven biển đạt trên 6,5 m/s. Đến cuối năm 2023, tổng công suất điện gió lắp đặt đã vượt 4.126 MW. Tuy nhiên, việc tham gia thị trường điện giao ngay đòi hỏi tư duy vận hành hoàn toàn mới. Nguồn điện gió có tính bất định cao phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên. Giá điện thị trường lại biến động liên tục theo từng chu kỳ giao dịch. Nhà máy không thể đơn thuần bán toàn bộ sản lượng với giá cố định. Việc tối ưu hóa doanh thu đòi hỏi các công cụ tính toán chính xác. Nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE) tập trung giải quyết bài toán này. Đề tài xây dựng mô hình liên kết nguồn năng lượng để cân bằng công suất phát. Chiến lược chào giá thông minh giúp nhà máy tăng trưởng doanh thu và giảm thiểu rủi ro tài chính.

1.1. Bối cảnh thị trường điện cạnh tranh tại Việt Nam

Việt Nam đang chuyển đổi mạnh mẽ từ cơ chế giá hỗ trợ FiT sang thị trường bán buôn điện cạnh tranh. Cơ chế thị trường buộc các nhà phát triển năng lượng tái tạo phải tự chịu trách nhiệm cân bằng công suất. Thị trường giao ngay phân định giá điện theo từng khung giờ cao điểm và thấp điểm. Mức giá biên hệ thống thay đổi liên tục dựa trên quan hệ cung cầu thực tế. Nếu nhà máy phát sai lệch so với biểu đồ huy động đã cam kết, chi phí phạt mất cân bằng sẽ rất lớn. Nhu cầu kiểm soát dòng tiền và duy trì lợi nhuận thúc đẩy sự phát triển của các công cụ điều khiển tiên tiến. Nhà vận hành phải nắm vững quy tắc thị trường để tồn tại bền vững.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu và định hướng tại HCMUTE

Đề tài tốt nghiệp tại HCMUTE xuất phát từ yêu cầu cấp thiết của ngành điện lực Việt Nam. Mục tiêu cốt lõi là xây dựng mô hình toán học giải quyết xung đột giữa tính bất định của gió và tính kỷ luật của thị trường. Nhóm tác giả tập trung phát triển thuật toán liên kết nguồn năng lượng nhằm tối đa hóa hàm mục tiêu lợi nhuận. Đề tài khảo sát dữ liệu thực nghiệm về tốc độ gió và giá thị trường điện nội địa. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để thiết lập phương án chào thầu hiệu quả theo từng chu kỳ thanh toán. Phương pháp tiếp cận này mở ra hướng đi thực tiễn cho các doanh nghiệp điện gió trong việc tối ưu hóa bài toán kinh tế kỹ thuật.

II. Thách thức tối ưu hóa lợi nhuận nhà máy điện gió thị trường điện

Vận hành nhà máy điện gió trong thị trường điện đối mặt với hai rủi ro lớn. Rủi ro thứ nhất bắt nguồn từ tính ngẫu nhiên của nguồn tài nguyên gió tự nhiên. Tốc độ gió thay đổi đột ngột giữa các khung giờ, gây khó khăn cho dự báo công suất phát. Sai lệch dự báo khiến đơn vị phát điện chịu chi phí phạt mất cân bằng công suất. Rủi ro thứ hai nằm ở sự biến động giá điện thị trường giao ngay. Giá điện biên hệ thống thường xuống thấp vào những thời điểm nguồn tái tạo dư thừa. Ngược lại, giá điện tăng vọt khi phụ tải lập đỉnh nhưng nguồn gió lại suy giảm. Tình trạng nghẽn mạch truyền tải tại Ninh Thuận hay Bình Thuận cũng buộc nhiều nhà máy phải cắt giảm sản lượng phát. Thiếu hụt công cụ dự báo và lưu trữ năng lượng khiến biên lợi nhuận của doanh nghiệp bị xói mòn nghiêm trọng. Các vấn đề trên làm nổi bật sự cần thiết phải phân tích đa chiều về mặt kỹ thuật lẫn thị trường.

2.1. Tính bất định của nguồn gió và độ lệch công suất phát

Sản lượng điện gió phụ thuộc trực tiếp vào các yếu tố khí tượng vi mô. Sự thay đổi đột ngột của mật độ không khí và tốc độ gió làm đường cong công suất dao động mạnh. Khi sai số dự báo vượt mức cho phép, nhà máy phải mua điện bù trừ từ thị trường với giá bất lợi. Nguy cơ rã lưới cục bộ buộc trung tâm điều độ hệ thống điện áp đặt lệnh giảm phát khẩn cấp. Việc suy giảm công suất bất khả kháng này làm lãng phí nguồn đầu tư ban đầu của tuabin. Do đó, việc lượng hóa độ lệch phát điện là nhiệm vụ sống còn để kiểm soát chi phí phạt trong thị trường điện giao dịch.

2.2. Rào cản thể chế và kỹ thuật đối với hệ thống BESS

Hệ thống pin tích năng BESS được xem là chìa khóa giải quyết bài toán mất cân bằng công suất. Dẫu vậy, ứng dụng BESS tại Việt Nam hiện vẫn gặp nhiều trở ngại pháp lý và cơ chế giá. Thị trường điện hiện hành chưa có khung giá riêng biệt để chi trả cho các dịch vụ phụ trợ tần số do BESS cung cấp. Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống pin lưu trữ lithium-ion quy mô lớn vẫn còn ở mức cao. Các đơn vị đầu tư đối mặt với rủi ro chậm hoàn vốn và khó khăn trong đánh giá hiệu quả tài chính dài hạn. Ngoài ra, năng lực điều độ tích hợp BESS đòi hỏi công nghệ quản lý năng lượng EMS đạt tiêu chuẩn cao.

III. Mô hình tối ưu hóa lợi nhuận nhà máy điện gió thị trường điện

Nghiên cứu HCMUTE đề xuất giải pháp liên kết nguồn năng lượng nhằm tối đa hóa lợi nhuận vận hành. Trọng tâm của phương pháp là mô hình kết hợp nhà máy điện gió cùng hệ thống lưu trữ pin BESS hoặc nguồn phát linh hoạt. Thuật toán tối ưu hóa điều độ phân tích dữ liệu lịch sử giá điện và dự báo gió theo chuỗi thời gian. Trong giờ thấp điểm khi giá bán thấp, năng lượng dư thừa được nạp vào hệ thống pin lưu trữ. Khi giá điện thị trường đạt đỉnh, pin lưu trữ phát xả toàn bộ năng lượng cùng với tuabin gió lên lưới điện. Cơ chế này tận dụng chênh lệch giá điện giữa các chu kỳ để gia tăng doanh thu thuần. Đồng thời, lượng điện xả kịp thời giúp bù đắp ngay lập tức phần công suất thiếu hụt do gió sụt giảm. Mô hình toán học áp dụng hàm mục tiêu tối ưu có ràng buộc kỹ thuật nghiêm ngặt. Nhờ đó, rủi ro phạt sai số phát điện giảm về mức tối thiểu, mang lại tính ổn định dòng tiền dài hạn.

3.1. Thiết lập hàm mục tiêu và các ràng buộc kỹ thuật

Hàm mục tiêu được xây dựng trên nguyên tắc tối đại hóa lợi nhuận tổng thể của cụm liên kết. Biểu thức kinh tế bao gồm tổng doanh thu bán điện giao ngay trừ đi chi phí vận hành bảo dưỡng và khấu hao BESS. Ngoài ra, chi phí rủi ro mất cân bằng công suất được đưa vào như một biến số giảm trừ trực tiếp. Các ràng buộc kỹ thuật được thiết lập chặt chẽ cho từng chu kỳ giao dịch. Hệ thống kỹ thuật xác định rõ giới hạn dung lượng pin, tốc độ phóng nạp, giới hạn công suất thanh cái và tuổi thọ chu kỳ của pin. Thuật toán đảm bảo hệ thống không vi phạm các tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn khi hòa lưới điện quốc gia.

3.2. Cơ chế phối hợp nguồn linh hoạt và BESS

Mô hình phối hợp thiết lập quy trình điều độ theo hai mức: lập kế hoạch ngày tới và hiệu chỉnh thời gian thực. Trong ngày tới, thuật toán tính toán lịch nạp xả của pin dựa trên dự báo phụ tải và biểu đồ giá điện. Ở chu kỳ thời gian thực, BESS phản hồi siêu tốc trước mọi dao động công suất gió bất ngờ. Nguồn phát linh hoạt như nhiệt điện nhanh hoặc thủy điện tích năng được huy động bổ trợ khi BESS cạn kiệt dung lượng. Sự kết hợp nhịp nhàng giữa các nguồn giúp đường cong phát điện bám sát biểu đồ cam kết. Nhờ đó, nhà máy điện gió vừa tối ưu hóa được giá bán vừa đóng góp tích cực vào ổn định hệ thống.

IV. Ứng dụng tối ưu hóa lợi nhuận nhà máy điện gió thị trường điện

Mô hình tối ưu hóa từ đề tài tốt nghiệp HCMUTE mang lại giá trị thực tiễn cao cho tiến trình chuyển dịch năng lượng. Kết quả mô phỏng số liệu chứng minh tính khả thi vượt trội khi tích hợp hệ thống lưu trữ BESS. Doanh thu của nhà máy điện gió ghi nhận mức tăng trưởng rõ rệt nhờ cơ chế dịch chuyển phụ tải và bán điện giờ cao điểm. Tỷ lệ cắt giảm công suất do nghẽn lưới giảm thiểu đáng kể trong các kịch bản thử nghiệm. Các nhà phát triển điện gió có thể ứng dụng trực tiếp thuật toán này vào hệ thống quản lý năng lượng EMS tại trạm. Đề tài cũng cung cấp luận cứ kỹ thuật quan trọng giúp các cơ quan quản lý hoàn thiện chính sách thị trường điện. Sự phát triển của các công nghệ liên kết nguồn là tiền đề vững chắc để xây dựng lưới điện thông minh tại Việt Nam. Đây là bước đệm then chốt nhằm thúc đẩy năng lượng tái tạo bền vững theo quy hoạch điện lực quốc gia.

4.1. Lợi ích kinh tế và giảm thiểu rủi ro cho chủ đầu tư

Ứng dụng mô hình liên kết giúp chủ đầu tư bảo vệ tối đa dòng tiền trong bối cảnh giá điện biến động. Việc chủ động tích trữ điện vào giờ giá thấp và phát lên lưới vào giờ giá cao tạo ra biên lợi nhuận bổ sung bền vững. Sai số phát điện được hạn chế xuống mức thấp, giúp xóa bỏ các khoản phạt điều độ ngoài ý muốn. Bên cạnh đó, việc phối hợp BESS còn giảm tải xung lực vận hành cơ học cho các tuabin gió, kéo dài tuổi thọ thiết bị. Dự án năng lượng tái tạo nhờ vậy đạt được chỉ số hoàn vốn nội bộ IRR hấp dẫn hơn, thu hút sự quan tâm của các tổ chức tài chính quốc tế.

4.2. Khuyến nghị chính sách phát triển BESS và lưới điện thông minh

Để nhân rộng mô hình từ đề tài HCMUTE, cơ quan quản lý cần sớm ban hành khung pháp lý toàn diện cho hệ thống BESS. Thị trường điện cần sớm thí điểm cơ chế định giá linh hoạt cho các dịch vụ phụ trợ như điều tần và khởi động đen. Quy chuẩn kỹ thuật đấu nối BESS vào hệ thống điện quốc gia phải được chuẩn hóa đồng bộ. Đồng thời, chính sách hỗ trợ thuế và tiếp cận vốn tín dụng xanh sẽ kích thích khu vực tư nhân tham gia đầu tư. Việc ứng dụng công nghệ lưu trữ và điều khiển phân tán là nền tảng tất yếu để giải tỏa nghẽn mạch lưới điện, hướng đến mục tiêu phát thải ròng bằng không vào năm 2050.

Trích đoạn nội dung tài liệu

HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY OF INTERNATIONAL EDUCATION  GRADUATION PROJECT PROFIT MAXIMIZATION OF WIND POWER PLANTS IN THE ELECTRICITY MARKET BASED ON LINKING MODEL BETWEEN ENERNGY SOURCES DUONG BAO HUY Student ID: 21142459 LE THANH DAT Student ID: 20142017 Major: ELECTRICAL AND ELECTRONICS Supervisor: Assoc. TRUONG VIET ANH Ho Chi Minh City, 10th July 2025 DISCLAIMER This research was conducted by a group of two students under the guidance of Associate Professor Dr. Truong Viet Anh. The ideas, analysis, and conclusions expressed in this paper reflect the authors’ own perspectives and do not necessarily represent the official views of the Faculty of International Training – Ho Chi Minh City University of Technology and Education.

While every effort has been made to ensure the accuracy of the data and analysis, any mistakes or omissions that may remain are entirely the responsibility of the authors. Faculty of International Education – HCMC University of Technology and Education ACKNOWLEDGEMENTS We would like to express our deepest gratitude to our supervisor, Associate Professor Dr. Truong Viet Anh, as well as to our fellow students who have always accompanied, supported, and assisted us throughout the completion of this project. Their continuous encouragement and unwavering support have been key factors in helping us achieve the positive results we celebrate today.

Without their invaluable help, overcoming the complex challenges of this topic would have been an incredibly difficult task. Therefore, with deeep gratitude, we would like to sincerely thank all individuals who have supported and facilitated our learning and research throughout the implementation of this project. First and foremost, we extend our heartfelt appreciation to all lecturers and friends at Ho Chi Minh University of Technology and Education for their support and companionship during the entire course of this project. The dedicated teaching, guidance, and sharing from our lecturers have greatly contributed to the successful completion of our project “Profit maximazation of wind power plants in the electricity market based on linking model between energy sources”.

The dedication and sense of responsibility shown by our lecturers have left a lasting impression on our academic journey. Next, we would like to express our deep gratitude to Associate Professor Dr. Truong Viet Anh, who directly guided and supported us throughout the entire process of this project. He has been a great source of encouragement, providing us with the knowledge, methodologies, and clear direction necessary to complete the project on schedule.

His dedicated and insightful guidance, along with his wholehearted support, played a vital role in helping us overcome many obstacles during the implementation of this thesis. As a group of students with limited experience, we are fully aware that this project may still contain certain shortcomings. Therefore, we sincerely hope to receive valuable Faculty of International Education – HCMC University of Technology and Education feedback from our lecturers to help us improve our skills and knowledge. This will enable us to better prepare for future careers and personal development.

Finally, we would like to to thanks our senior classmates and close friends who shared their experiences, accompanied us, and supported us throughout our learning journey and the implementation of this project. Their valuable insights not only helped us overcome difficulties but also served as a great source of inspiration for our personal growth. Sincerely Thanks! Duong Bao Huy Le Thanh Dat Faculty of International Education – HCMC University of Technology and Education TABLE OF CONTENTS DISCLAIMER. 15 CHAPTER 1: INTRODUCTION TO THE STUDY.

Rationale for Choosing the Topic. Scope and Limitations of the study. Organization of the Thesis. 19 CHAPTER 2: OVERVIEW OF THE POWER MARKET AND COMBINED WIND POWER SYSTEM MODELS .1 Overview of the Competitive Electricity Market .2 Independent Power Plants .1 Overview of Wind Power and Wind Turbine Operation .2 Wind Power Revenue in the Electricity Market .3 Review of Recent Student Research on Wind Power Modeling .3 Modeling of Thermal Power Plants.1 Overview of Thermal Power Plants .2 Introduction to the Role of Thermal Power Plants in Hybrid Systems .3 Cost function of Thermal Power Plant .4 Thermal Power Output Adjustment in the Integrated System .5 Advantages and Disadvantages of Thermal Power Plants in Hybrid Systems .4 Battery Energy Storage System (BESS) .1 Current Status and Future Prospects of BESS in VietNam .2 Application of BESS in power systems .3 The role of BESS in Wind Power integration .4 Global Trends and Policy Support for Battery Energy Storage Systems.

41 CHAPTER 3: MATHEMATICAL MODELS TO OPTIMIZE WIND POWER SYSTEM OPERATION IN THE ELECTRICITY MARKET .1 Independent Wind Power Plant Model.1 Wind Velocity to Power Conversion Model .2 Bidding strategy and Profit Calculation. 45 Faculty of International Education – HCMC University of Technology and Education 3.2 Wind-Thermal Hybrid Power Plant Model .1 Analysis of the Necessity of Coordination between Wind and Thermal Power Plants .2 Wind–Thermal Power Coordination Model .3 Integrated Wind-Thermal-BESS Model .2 Source Coordination Principles .5 Discussion of the Results. 51 CHAPTER 4: RESULTS AND SIMULATIONS .2 Simulation Results of Wind-Thermal Power Plant without BESS .3 Simulation results of Wind Power Plant Combined with BESS and Thermal Power Plant. 55 CHAPTER 5: CONCLUSION AND DEVELOPMENT DIRECTION .3 Limitations of the topic.

61 Faculty of International Education – HCMC University of Technology and Education List of Figures Figure 2. 1 Diagram describing the competitive electricity market [14]. 2 Map of the average wind density in Binh Thuan at an altitude of 50m. 3 Map of average wind power density in Binh Thuan province at an altitude of 100m.

4 Map of average wind power density in Bac Lieu province at an altitude of 100m. 5 Phu Lac Wind Power Plant. 6 Trung Nam Wind Power Plant at Thuan Bac district, Ninh Thuan Province. 7 The principle of operation of wind turbines.

8 Onshore Wind Power Potential of VietNam. 9 Offshore Wind Power Potential of VietNam. 10 Onshore and offshore wind energy potential in different regions of Vietnam (Source: Report of VIETNAM SALARY ENERGY ASSOCIATION). 11 Forecast the regional wind power development plan to 2030.

12 Vinh Tan Thermal Power Plant. 13 Duyen Hai Thermal Power Plant. 14 Integrated Energy Flow Diagram (Wind+BESS+Thermal). 15 Battery Energy Storage System (BESS).

16 Applications of Battery Energy Storage Systems (BESS) [29]. 17 Challenges and opportunities to implement BESS in Vietnam. 18 Global Trends and Policy Support for BESS. 1 The relationship of unit prices and thermal power.

1 Simulation of wind power plant combined with thermal power plant without BESS storage system. 2 The relationship between the profitability of a wind and thermal power system when integrating a battery energy storage system (BESS). 3 The relationship between the profitability of a wind and thermal power system when integrating a battery energy storage system (BESS). 57 Faculty of International Education – HCMC University of Technology and Education List of Table Table 2.21/ Regulation - Ministry of Industry and Trade [39].

2 Advantages and Disadvantages of Thermal Power Plants. 1 Parameter of thermal generators [38]. 2 Commercial and Industrial LIB Energy Storage System: 2023 Cost Benchmark Model Inputs and Assumptions (2022 USD). 1 Profit of thermal power integrated with wind power.

2 Comparison between 3 models. 3 Simulation Results of Crate and BESS design. 57 Faculty of International Education – HCMC University of Technology and Education List of Abbreviations: BESS Battery Energy Storage System Faculty of International Education – HCMC University of Technology and Education ABSTRACT In the context of the strong development of renewable energy, wind power is becoming important energy source, contributing to reducing greenhouse gas emissions and protecting the environment. However, the instability and unpredictability of this energy source pose many challenges when participating in the competitive electricity market, especially in optimizing profits and ensuring system operational stability.

To solve the above problem, this project builds an integrated model between wind power plants with Battery Energy Storage System (BESS) and thermal power plants, in order to improve economic and technical efficiency in the operation process. Based on the actual wind database and electricity market model, the project uses the MATLAB programming language to simulate the operation process, convert wind capacity into electricity, and optimize the charge/discharge strategy of BESS and coordinate operation with thermal power plants. The main goal is to maximize the profitability of the power mix in the conditions of the electricity market with price fluctuations over time, while considering factors such as investment costs, battery degradation, capacity limits, and the charging status of BESS (Battery Energy Storage System). The results of the study indicate that combining wind power plants with BESS and thermal power plants not only improves the reliability of power supply, but also significantly increases the profitability of investors compared to individual operating models.

In addition, the project also analyzes different integrated configurations to evaluate technical and economic efficiency, thereby providing orientation for choosing the optimal configuration. The results achieved from the project can be used as a practical reference, helping businesses and operational engineers make more rational decisions when investing in and coordinating multi-source combined power systems such as wind power, thermal power and BESS. Faculty of International Education – HCMC University of Technology and Education CHAPTER 1: INTRODUCTION TO THE STUDY 1. Rationale for Choosing the Topic VietNam is one of the developing countries, and therefore, energy shortages are unavoidable especially in the southern region, which concentrates many factories, industrial zones, and serves as the country’s economic hub [3], [4].

While major hydropower sources have been fully exploited, small-scale hydropower plants fail to ensure economic efficiency and often cause significant environmental damage [5]. In addition, the complex fluctuations in global oil prices and the looming depletion of fossil fuels have positioned wind power as a promising and abundant renewable energy source in Vietnam [6]. Wind energy is not only clean but also relatively easy to harness and rapidly develop, making a significant contribution to meeting the country’s growing energy demand [7]. Moreover, Vietnam is among the countries most severely affected by climate change.

This has driven strong promotion and investment in wind power to ensure energy security, reduce greenhouse gas emissions, and foster green economic development. Notable examples include wind power plants such as the Bac Lieu Wind Power Plant and the Phu Lac Wind Power Plant in Binh Thuan Province. However, the variability and intermittency of wind power present significant challenges in ensuring stable electricity supply and maximizing profits for wind power plants participating in the electricity market. In this context, the integration of a Battery Energy Storage System (BESS) and a thermal power plant serves as crucial supporting components in a hybrid energy model [8], [9].

These systems contribute to maintaining continuous power supply and storing excess electricity, thereby enhancing the stability and reliability of the power system. Therefore, developing a profit maximization model for wind power plants in the electricity market through the integration of BESS and thermal power plants offers high practical relevance. The thesis entitled “Profit Maximization of Wind Power Plants in the Electricity Market Based on Linking Model Between Energy Sources” was conducted with the aim of helping wind power plants in Vietnam optimize their profits, while also contributing to the global and national trend of renewable energy development [10], [11]. Faculty of International Education – HCMC University of Technology and Education 1.

Research Objectives The overall objective of this project is to develop, calculate, simulate, and evaluate the economic efficiency of three different operational configurations for wind power plants under competitive electricity market conditions. Through this approach, the project aims to analyze, compare, and identify optimal solutions to maximize the profitability of wind power utilization, while simultaneously enhancing the stability and efficiency of renewable energy integration. Specifically, the three models studied include:  Model 1 – Independently wind power plant operation: Simulate and calculate profits under the condition of using only natural wind sources, without support from any other energy sources.