Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của các thành phố lớn và sự gia tăng nhu cầu sử dụng điện, đặc biệt tại Thành phố Hồ Chí Minh, việc đảm bảo chất lượng và ổn định điện áp trên lưới điện phân phối trở thành một thách thức lớn. Vào các dịp lễ, tết, nhu cầu sử dụng điện giảm mạnh, dẫn đến hiện tượng quá áp trên các đường dây 500kV, 220kV và 110kV. Nguyên nhân chủ yếu là do công suất phản kháng dư thừa kết hợp với sự tham gia ngày càng nhiều của nguồn năng lượng mặt trời phân tán, đặc biệt là các hệ thống điện mặt trời áp mái trên lưới điện 22kV. Theo ước tính, công suất điện mặt trời nối lưới toàn cầu đã đạt hơn 580 GW vào cuối năm 2019, trong đó điện mặt trời áp mái chiếm tỷ trọng lớn và đang phát triển mạnh tại Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình lưới điện phân phối 22kV tại TP. Hồ Chí Minh, khảo sát các phương pháp điều khiển điện áp hiện có và đề xuất giải pháp tối ưu nhằm cân bằng giữa lợi ích kinh tế cho nhà đầu tư và ổn định điện áp cho lưới điện. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào giai đoạn vận hành dịp lễ, tết năm 2021 tại TP. Hồ Chí Minh, với trọng tâm là lưới điện phân phối 22kV và sự tham gia của các hệ thống điện mặt trời áp mái.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm thiểu tổn thất do quá áp gây ra, đồng thời hỗ trợ phát triển bền vững nguồn năng lượng tái tạo. Kết quả nghiên cứu góp phần định hướng chính sách vận hành lưới điện thông minh, đồng thời giảm thiểu tổn thất kinh tế cho các nhà đầu tư điện mặt trời.

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:

  • Lý thuyết công suất phản kháng và điều chỉnh điện áp: Công suất phản kháng (Q) ảnh hưởng trực tiếp đến điện áp trên lưới điện. Việc điều chỉnh Q thông qua các thiết bị bù ngang (tụ điện, kháng điện) và bù dọc (tụ điện mắc nối tiếp) giúp ổn định điện áp và nâng cao khả năng tải của đường dây.

  • Mô hình thiết bị bù tĩnh SVC và D-Statcom: SVC sử dụng thyristor để điều chỉnh công suất phản kháng liên tục, trong khi D-Statcom là thiết bị bù tĩnh hiện đại hơn, có khả năng điều khiển linh hoạt và hiệu quả hơn trong việc ổn định điện áp và giảm dao động công suất.

  • Khái niệm biến tần thông minh (smart inverter): Biến tần thông minh không chỉ chuyển đổi điện một chiều từ pin mặt trời sang điện xoay chiều mà còn có chức năng điều chỉnh hệ số công suất, tham gia điều chỉnh điện áp lưới bằng cách phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng.

  • Tiêu chuẩn IEEE 1547: Quy định các yêu cầu về hòa lưới, điều chỉnh điện áp và tần số, cũng như khả năng tách lưới của các hệ thống điện mặt trời nối lưới.

Các khái niệm chính bao gồm: công suất phản kháng, hệ số công suất (cosφ), điều chỉnh nấc máy biến áp (OLTC), quá áp, và mô hình lưới điện phân phối 22kV.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp mô phỏng trên phần mềm ETAP để xây dựng mô hình phát tuyến lưới điện phân phối 22kV tại TP. Hồ Chí Minh, cụ thể là tuyến Kênh B trạm Lê Minh Xuân. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm một số lượng lớn các tấm pin mặt trời áp mái với các thông số kỹ thuật thực tế.

Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng trường hợp vận hành lưới điện trong các điều kiện khác nhau: không có năng lượng mặt trời, có năng lượng mặt trời nhưng không điều chỉnh hệ số công suất biến tần, và có điều chỉnh hệ số công suất biến tần thông minh. Ngoài ra, các trường hợp vận hành vào dịp lễ, tết với điện áp đầu nguồn tăng cao cũng được mô phỏng.

Phân tích dữ liệu dựa trên kết quả trào lưu công suất, điện áp tại các điểm nút, tổn thất công suất trên toàn tuyến và so sánh hiệu quả giữa các phương án điều khiển. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2021, bao gồm xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiện tượng quá áp vào dịp lễ, tết: Mô phỏng cho thấy điện áp đầu nguồn trên tuyến 22kV tăng vượt quá giới hạn cho phép (+5%) do công suất phản kháng dư thừa và sự tham gia của nguồn năng lượng mặt trời. Điện áp có thể tăng lên đến khoảng 110% điện áp danh định, gây nguy cơ hư hỏng thiết bị điện.

  2. Ảnh hưởng của năng lượng mặt trời không điều chỉnh: Khi có sự tham gia của các hệ thống điện mặt trời áp mái nhưng không điều chỉnh hệ số công suất biến tần, điện áp tại các điểm nút trên lưới điện tăng thêm khoảng 3-5% so với trường hợp không có năng lượng mặt trời, làm trầm trọng thêm hiện tượng quá áp.

  3. Hiệu quả của biến tần thông minh: Việc điều chỉnh hệ số công suất (ví dụ cosφ = 0.95) của biến tần thông minh giúp hấp thụ công suất phản kháng dư thừa, giảm điện áp tại các điểm nút xuống gần mức cho phép. Kết quả mô phỏng cho thấy điện áp giảm khoảng 4-6% so với trường hợp không điều chỉnh, đồng thời giảm tổn thất công suất trên toàn tuyến khoảng 2-3%.

  4. Kết hợp biến tần thông minh và điều chỉnh nấc máy biến áp (OLTC): Phương án kết hợp này mang lại hiệu quả cao nhất trong việc ổn định điện áp, giảm quá áp xuống dưới 105% điện áp danh định, đồng thời giảm tổn thất điện năng trên tuyến khoảng 5% so với chỉ sử dụng OLTC.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng quá áp là do công suất phản kháng dư thừa trong điều kiện tải thấp và sự phát triển nhanh chóng của các nguồn điện mặt trời phân tán. Việc không điều chỉnh hệ số công suất của biến tần làm tăng điện áp do công suất phản kháng được phát ra lưới.

So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả mô phỏng phù hợp với xu hướng ứng dụng biến tần thông minh để điều chỉnh điện áp, đồng thời khẳng định vai trò quan trọng của việc phối hợp các thiết bị điều khiển điện áp truyền thống và hiện đại. Việc sử dụng biến tần thông minh không chỉ giúp ổn định điện áp mà còn giảm tổn thất điện năng, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh điện áp tại các điểm nút trong các trường hợp khác nhau, bảng tổng hợp tổn thất công suất và biểu đồ trào lưu công suất phản kháng. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng hiệu quả của từng phương án điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi biến tần thông minh có chức năng điều chỉnh hệ số công suất: Khuyến khích các nhà đầu tư và đơn vị quản lý lưới điện áp dụng biến tần thông minh để điều chỉnh công suất phản kháng, giảm hiện tượng quá áp, đặc biệt trong các khu vực có mật độ điện mặt trời áp mái cao. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm.

  2. Phối hợp điều chỉnh nấc máy biến áp (OLTC) với biến tần thông minh: Trung tâm Điều độ Hệ thống điện TP. Hồ Chí Minh và các công ty điện lực cần xây dựng quy trình vận hành đồng bộ giữa OLTC và biến tần thông minh nhằm tối ưu hóa điều chỉnh điện áp. Thời gian triển khai trong 6-12 tháng.

  3. Nâng cao năng lực giám sát và điều khiển lưới điện phân phối: Đầu tư hệ thống SCADA và các thiết bị đo đạc hiện đại để theo dõi điện áp, công suất phản kháng theo thời gian thực, từ đó đưa ra các biện pháp điều chỉnh kịp thời. Chủ thể thực hiện là các công ty điện lực, thời gian 1-3 năm.

  4. Tuyên truyền và hỗ trợ kỹ thuật cho nhà đầu tư điện mặt trời: Cung cấp hướng dẫn kỹ thuật về cài đặt biến tần thông minh, vận hành hệ thống điện mặt trời áp mái phù hợp với yêu cầu điều chỉnh điện áp của lưới điện. Thời gian thực hiện liên tục, chủ thể là các đơn vị tư vấn và công ty điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và vận hành lưới điện phân phối: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp thực tiễn giúp nâng cao độ ổn định điện áp, giảm tổn thất và tăng độ tin cậy cung cấp điện.

  2. Nhà đầu tư và doanh nghiệp phát triển điện mặt trời áp mái: Tham khảo để hiểu rõ tác động của hệ thống điện mặt trời đến lưới điện, từ đó lựa chọn thiết bị biến tần thông minh phù hợp nhằm tối ưu lợi ích kinh tế và kỹ thuật.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu cung cấp kiến thức chuyên sâu về điều khiển điện áp, công suất phản kháng, cũng như phương pháp mô phỏng lưới điện phân phối với sự tham gia của năng lượng tái tạo.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về năng lượng và môi trường: Tham khảo để xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo bền vững, đảm bảo an toàn và ổn định hệ thống điện quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao hiện tượng quá áp thường xảy ra vào dịp lễ, tết?
    Vào dịp lễ, tết, nhu cầu sử dụng điện giảm mạnh dẫn đến công suất phản kháng dư thừa trên lưới. Kết hợp với sự phát triển nhanh của điện mặt trời áp mái, điện áp tại các điểm trên lưới phân phối 22kV tăng vượt mức cho phép, gây hiện tượng quá áp.

  2. Biến tần thông minh có vai trò gì trong điều khiển điện áp?
    Biến tần thông minh có khả năng điều chỉnh hệ số công suất, phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng, giúp ổn định điện áp lưới, giảm hiện tượng quá áp và cải thiện chất lượng điện năng.

  3. Phương pháp điều chỉnh nấc máy biến áp (OLTC) kết hợp với biến tần thông minh có hiệu quả như thế nào?
    Kết hợp OLTC và biến tần thông minh giúp điều chỉnh điện áp linh hoạt hơn, giảm quá áp hiệu quả hơn so với chỉ sử dụng OLTC, đồng thời giảm tổn thất điện năng trên lưới.

  4. Việc sử dụng biến tần thông minh có gây tổn thất kinh tế cho nhà đầu tư điện mặt trời không?
    Việc điều chỉnh công suất phản kháng có thể làm giảm công suất tác dụng phát lên lưới, gây tổn thất kinh tế nhất định. Tuy nhiên, lợi ích về ổn định điện áp và giảm thiểu hư hỏng thiết bị điện bù đắp cho tổn thất này.

  5. Làm thế nào để triển khai giải pháp điều khiển điện áp hiệu quả trên diện rộng?
    Cần phối hợp đồng bộ giữa các thiết bị điều khiển điện áp truyền thống và hiện đại, nâng cấp hệ thống giám sát, đồng thời tuyên truyền, hỗ trợ kỹ thuật cho nhà đầu tư điện mặt trời áp mái.

Kết luận

  • Hiện tượng quá áp trên lưới điện phân phối 22kV TP. Hồ Chí Minh vào dịp lễ, tết chủ yếu do công suất phản kháng dư thừa và sự tham gia của điện mặt trời áp mái.
  • Việc sử dụng biến tần thông minh với chức năng điều chỉnh hệ số công suất giúp giảm đáng kể hiện tượng quá áp và tổn thất điện năng.
  • Phối hợp điều chỉnh nấc máy biến áp OLTC và biến tần thông minh là giải pháp tối ưu cho việc ổn định điện áp.
  • Giải pháp đề xuất vừa đảm bảo lợi ích kỹ thuật cho lưới điện, vừa cân bằng lợi ích kinh tế cho nhà đầu tư điện mặt trời.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thử nghiệm thực tế, nâng cấp hệ thống giám sát và đào tạo nhân lực vận hành.

Hành động ngay: Các đơn vị quản lý lưới điện và nhà đầu tư điện mặt trời cần phối hợp triển khai các giải pháp điều khiển điện áp thông minh để đảm bảo vận hành lưới điện an toàn, hiệu quả và bền vững.