Tổng quan nghiên cứu

Sự bùng nổ của nguồn năng lượng tái tạo toàn cầu đã ghi nhận mức tăng trưởng công suất vượt bậc, trong đó điện mặt trời chiếm tới 55% tổng công suất tái tạo bổ sung trên thế giới. Tại Việt Nam, tổng công suất lắp đặt điện mặt trời đạt bước nhảy vọt từ 86 MW lên hơn 4.450 MW trong giai đoạn 2018–2019 nhờ các cơ chế khuyến khích phát triển nguồn điện sạch. Tuy nhiên, việc tích hợp ồ ạt các hệ thống điện mặt trời mái nhà sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất đang đặt ra thách thức nghiêm trọng về suy giảm chất lượng điện năng, đặc biệt là hiện tượng méo sóng hài, biến động điện áp và gia tăng tổn thất trên lưới điện phân phối.

Đề tài tập trung giải quyết bài toán định lượng mức độ ảnh hưởng của nguồn điện mặt trời phân tán đến các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống điện địa phương. Mục tiêu nghiên cứu cụ thể là khảo sát tiềm năng không gian lắp đặt, mô phỏng chế độ vận hành khi tăng dần công suất thâm nhập từ 1 MW, 3 MW, 5 MW đến 7 MW, đồng thời đánh giá độ sụt áp và tổn thất khi công suất ngõ ra thay đổi ở các mức 0%, 30%, 50%, 75% và 100%. Phạm vi nghiên cứu được xác lập tại khu vực trung tâm xã An Thủy (thị trấn Tiệm Tôm tương lai) thuộc lưới điện phân phối 22kV huyện Ba Tri, tỉnh Bến Tre trong giai đoạn 2019–2020.

Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn quan trọng khi cung cấp bộ dữ liệu kỹ thuật chuẩn xác, giúp các đơn vị quản lý vận hành kiểm soát tổng độ biến dạng sóng hài điện áp dưới ngưỡng 5% và sóng hài dòng điện dưới 8% theo đúng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết phân tích chuỗi Fourier trong miền tần số và lý thuyết phân tích trào lưu công suất lưới điện phi tuyến. Hiện tượng sóng hài phát sinh chủ yếu do quá trình nghịch lưu chuyển đổi dòng điện một chiều DC sang xoay chiều AC thông qua các bộ biến đổi bán dẫn công suất (sử dụng van IGBT hoặc Thyristor) theo nguyên lý điều chế độ rộng xung. Khi dòng điện phi tuyến đi qua tổng trở lưới điện, điện áp tại các điểm đấu nối chung sẽ bị biến dạng, tạo ra các thành phần sóng hài bậc cao có tần số là bội số nguyên của tần số cơ bản 50 Hz.

Các khái niệm và tiêu chuẩn cốt lõi được áp dụng trong đề tài gồm:

  • Tổng độ biến dạng sóng hài điện áp (THD - Total Harmonic Distortion): Đo lường tỷ lệ phần trăm của tổng giá trị hiệu dụng các thành phần sóng hài bậc cao so với điện áp cơ bản, được khống chế nghiêm ngặt theo Thông tư 39/2015/TT-BCT và Thông tư 30/2019/TT-BCT với giới hạn tối đa là 5,0% cho lưới trung áp 22kV và 8,0% cho lưới hạ áp 0,4kV.
  • Tổng độ biến dạng dòng điện theo nhu cầu (TDD - Total Demand Distortion): Chỉ số đánh giá tỷ lệ dòng điện hài so với dòng điện tải cực đại danh định tại điểm đấu nối chung (PCC).
  • Điểm đấu nối chung (PCC - Point of Common Coupling): Vị trí ranh giới kỹ thuật giữa hệ thống điện của khách hàng và lưới điện phân phối.
  • Mức độ thâm nhập điện mặt trời (PV Penetration Level): Tỷ số giữa tổng công suất đỉnh của các hệ thống pin quang điện so với phụ tải cực đại của xuất tuyến phân phối.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào phục vụ mô phỏng được thu thập toàn diện từ cơ sở dữ liệu khí tượng Meteonorm 7.2 với bức xạ năng lượng mặt trời trung bình năm tại Ba Tri đạt 1.825 kWh/m2/năm (tương đương 5,0 kWh/m2/ngày) và số giờ nắng đạt 7,6 giờ/ngày trong mùa khô. Dữ liệu lưới điện thực tế được trích xuất từ sơ đồ vận hành của Công ty Điện lực Bến Tre tại trạm biến áp 110/22kV Ba Tri có quy mô 2x40 MVA, quản lý 305,262 km đường dây trung thế 22kV và 788 trạm biến áp phân phối với tổng dung lượng 75,625 MVA.

Nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích trên phạm vi diện tích khảo sát 1,19 km2 tại trung tâm xã An Thủy. Cỡ mẫu khảo sát bao gồm 2 nhóm mặt bằng chính: khối cơ quan, doanh nghiệp, trường học với tổng diện tích đo đạc 3.357 m2 (áp dụng hệ số lắp đặt 0,8) và khối khu dân cư với diện tích mái 298.216 m2 (áp dụng hệ số lắp đặt 0,2).

Quy trình phân tích được thực hiện qua hai bước chuyên sâu:

  1. Mô hình hóa tiềm năng phát điện bằng phần mềm PVsyst 6.8.1: Sử dụng module quang điện silicon đơn tinh thể JinkoSolar JKM300M-60 công suất 300 Wp kết hợp bộ nghịch lưu chuỗi ABB PVS800/UNO nhằm xác định công suất lắp đặt tối ưu và sản lượng điện theo từng giờ trong năm.
  2. Mô phỏng sóng hài và trào lưu công suất bằng phần mềm ETAP 12.6: Lựa chọn thuật toán lặp Adaptive Newton-Raphson làm phương pháp giải chính. Lý do lựa chọn thuật toán này là nhờ khả năng cải thiện độ hội tụ vượt trội khi phân tích các mạng điện phân phối có tỷ số R/X lớn và chứa nhiều nguồn phát phi tuyến phân tán, khắc phục triệt để hiện tượng phân kỳ toán học so với phương pháp Gauss-Seidel hoặc Newton-Raphson truyền thống. Quá trình tính toán được thực hiện trong thời gian từ tháng 3/2019 đến tháng 9/2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, tính toán từ phần mềm PVsyst chỉ ra tiềm năng phát triển điện mặt trời áp mái tại vùng khảo sát An Thủy đạt tổng công suất lắp đặt 11,19 MWp, cho sản lượng điện năng hàng năm ước tính 16,9 GWh/năm. Trong đó, khối cơ quan và xí nghiệp thủy sản đóng góp 490 kWp (sản lượng 730 MWh/năm), còn khối dân cư đóng góp 10,70 MWp (sản lượng 16,17 GWh/năm), đáp ứng hơn 50% nhu cầu tiêu thụ điện cực đại của phụ tải địa phương.

Thứ hai, kết quả mô phỏng sóng hài trên ETAP trong Kịch bản 1 (điện áp nguồn đầu cực 22kV không bị méo dạng) cho thấy khi công suất điện mặt trời tăng dần từ 1 MW lên 3 MW, 5 MW và 7 MW, chỉ số THD điện áp tại các thanh cái 22kV tăng từ 1,12% lên mức 3,84%, vẫn nằm trong giới hạn cho phép 5,0%. Tuy nhiên, tại các thanh cái hạ áp 0,4kV ở gần điểm đấu nối Inverter, chỉ số THD điện áp tăng vọt từ 3,25% lên tới 8,42% khi quy mô thâm nhập đạt mức 7 MW, vượt ngưỡng tiêu chuẩn quy định 8,0%.

Thứ ba, trong Kịch bản 2 (nguồn điện lưới 110kV đã tồn tại méo sóng hài nền), việc tích hợp nguồn điện mặt trời tạo ra hiệu ứng cộng hưởng sóng hài bậc 5 và bậc 7. Khi công suất nối lưới đạt 5 MW và 7 MW, chỉ số THD điện áp tại thanh cái trung thế 22kV Bus 207 và Bus 212 tăng lên mức 5,68% và 6,75%, chính thức vi phạm quy định tại Thông tư 39/2015/TT-BCT. Đồng thời, độ méo dòng điện TDD trên các nhánh rẽ đạt giá trị 9,14%, vượt mức trần 8,0%.

Thứ tư, khảo sát sự biến thiên công suất ngõ ra (0%, 30%, 50%, 75%, 100%) khẳng định khi hệ thống điện mặt trời phát ở mức 50% đến 75% công suất định mức vào các giờ cao điểm bức xạ, tổn thất công suất tác dụng trên đường dây trục 22kV giảm từ 245 kW xuống còn 168 kW (giảm 31,4%) nhờ bù công suất tại chỗ. Ngược lại, khi công suất phát đạt 100% vào thời điểm phụ tải thấp điểm, hiện tượng trào lưu công suất ngược xuất hiện làm tăng tổn thất cục bộ thêm 12,6% và gây dâng điện áp nút cuối nguồn lên 1,045 pu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến sự gia tăng sóng hài là do đặc tính chuyển mạch tần số cao của van bán dẫn trong bộ Inverter, liên tục bơm các dòng điện hài bậc 5, 7, 11 và 13 vào lưới phân phối. Khi kết hợp với điện cảm đường dây và dung bộ tụ bù hiện hữu trên lưới Ba Tri, hiện tượng khuếch đại sóng hài xảy ra tại các điểm nút xa nguồn.

Các kết quả nghiên cứu trên được trực quan hóa qua biểu đồ phổ tần số Fourier (Harmonic Spectrum Bar Chart) hiển thị biên độ từng bậc hài và đồ thị đường cong phân bố điện áp (Voltage Profile Plot) dọc theo 15 nút thanh cái từ trạm 110kV đến điểm đấu nối Bus 212. So sánh với các nghiên cứu tương tự trong ngành điện lực quốc tế, kết quả này hoàn toàn tương thích với các cảnh báo của IEEE về giới hạn thâm nhập năng lượng tái tạo an toàn trên lưới phân phối hình tia. Nghiên cứu khẳng định mức thâm nhập điện mặt trời dưới 3 MW là ngưỡng an toàn tuyệt đối mà không cần đầu tư thêm thiết bị lọc sóng hài chủ động.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả tính toán mô phỏng, tác giả đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý vận hành mang tính hành động cao:

  1. Thiết lập ngưỡng giới hạn công suất hòa lưới an toàn: Công ty Điện lực Bến Tre cần quy định giới hạn công suất tiếp nhận nguồn điện mặt trời áp mái tối đa là 5 MW cho từng xuất tuyến 22kV tại khu vực Ba Tri trong giai đoạn 2021–2023, nhằm bảo đảm chỉ số THD điện áp toàn hệ thống luôn duy trì dưới 4,5%.
  2. Ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật bắt buộc lắp đặt bộ lọc sóng hài: Đội ngũ kỹ sư tư vấn thiết kế và các chủ đầu tư dự án điện mặt trời mái nhà có công suất từ 100 kWp trở lên phải trang bị bộ lọc sóng hài tích cực (Active Harmonic Filter - AHF) hoặc cuộn kháng chặn sóng hài tại đầu ra Inverter, đưa mục tiêu biến dạng dòng điện TDD về dưới 5% trước quý 4/2022.
  3. Nâng cấp cấu trúc và điều tiết phân bố trào lưu công suất lưới điện: Đội Quản lý vận hành Điện lực Ba Tri cần triển khai hoán đổi phân pha, cải tạo tiết diện dây dẫn ACSR cho 12,5 km tuyến trục chính 22kV và tái bố trí dung lượng 4 cụm tụ bù phân tán, hướng tới mục tiêu giảm tổn thất điện năng kỹ thuật xuống dưới 4,0% vào năm 2024.
  4. Triển khai hệ thống đo lường và giám sát chất lượng điện năng trực tuyến (PQM): Tổng công ty Điện lực miền Nam (EVNSPC) cần trang bị thiết bị ghi nhận sóng hài và dao động điện áp đa chức năng đạt chuẩn IEC 61000-4-30 Class A tại các trạm phân phối trọng điểm, kết nối truyền dữ liệu SCADA thời gian thực về Trung tâm Điều khiển xa từ năm 2022.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư quản lý vận hành và điều độ viên tại các Công ty Điện lực: Vận dụng quy trình mô phỏng ETAP để đánh giá khả năng hấp thụ công suất phát điện mặt trời và kiểm soát sóng hài trên các xuất tuyến trung áp thực tế.
  2. Đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu EPC năng lượng mặt trời: Sử dụng phương pháp luận phối hợp giữa PVsyst và ETAP để tính toán cấu hình chuỗi quang điện, lựa chọn thông số bộ nghịch lưu Inverter tối ưu và thiết kế hệ thống lọc sóng hài đạt chuẩn hòa lưới.
  3. Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách năng lượng: Sử dụng dữ liệu khoa học để xây dựng biểu giá mua bán điện tích hợp yêu cầu chất lượng điện năng và hoàn thiện các quy định kỹ thuật đấu nối nguồn phân tán vào lưới điện quốc gia.
  4. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Quản lý năng lượng và Hệ thống điện: Tham khảo như một tài liệu học thuật mẫu mực về phương pháp kết hợp công cụ GIS, PVsyst và ETAP trong phân tích chất lượng điện năng chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao hệ thống điện mặt trời mái nhà lại gây phát sinh sóng hài trên lưới điện? Hệ thống điện mặt trời sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất Inverter để nghịch lưu dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều. Quá trình đóng cắt phi tuyến của các van bán dẫn tạo ra các thành phần dòng điện không thuần sin ở tần số bậc cao, trực tiếp bơm các xung sóng hài vào lưới điện phân phối.

  2. Tiêu chuẩn hiện hành tại Việt Nam quy định giới hạn sóng hài điện áp như thế nào? Theo quy định tại Thông tư 39/2015/TT-BCT và Thông tư 30/2019/TT-BCT của Bộ Công Thương, tổng độ biến dạng sóng hài điện áp THD cho phép tối đa là 3,0% đối với cấp điện áp 110kV, 5,0% đối với cấp trung áp 22kV và 8,0% đối với cấp hạ áp 0,4kV; độ biến dạng riêng lẻ không được vượt quá 3,0% ở cấp trung áp.

  3. Công suất lắp đặt điện mặt trời tối đa mà lưới điện Ba Tri có thể tiếp nhận an toàn là bao nhiêu? Kết quả mô phỏng cho thấy ngưỡng tiếp nhận an toàn tối đa của xuất tuyến 22kV An Thủy là 5 MW trong điều kiện lưới bình thường. Khi công suất thâm nhập vượt mốc 5 MW lên 7 MW, chỉ số méo sóng hài THD tại các nút hạ áp và tổn thất điện năng cục bộ sẽ vượt quá giới hạn kỹ thuật cho phép.

  4. Nguồn điện mặt trời có giúp làm giảm tổn thất điện năng trên lưới phân phối hay không? Có, nhưng hiệu quả phụ thuộc vào mức công suất phát. Khi hệ thống phát từ 30% đến 75% công suất danh định, việc cung cấp điện tại chỗ giúp giảm dòng truyền tải từ trạm nguồn, làm giảm tổn thất điện năng tới 31,4%. Tuy nhiên, nếu phát 100% vào giờ phụ tải thấp điểm, trào lưu công suất ngược sẽ làm tăng tổn thất lưới.

  5. Vì sao phần mềm ETAP với thuật toán Adaptive Newton-Raphson được ưu tiên lựa chọn? Thuật toán Adaptive Newton-Raphson có khả năng tự động hiệu chỉnh gia số bước lặp, đảm bảo độ hội tụ cao và triệt tiêu trạng thái phân kỳ khi tính toán phân bố trào lưu công suất cho các lưới điện phân phối phức tạp có tỷ số R/X cao và tích hợp nhiều nguồn điện tử công suất phân tán.

Kết luận

  • Công trình đã xác định chính xác tiềm năng kỹ thuật phát triển điện mặt trời áp mái tại trung tâm xã An Thủy, huyện Ba Tri đạt 11,19 MWp với sản lượng 16,9 GWh/năm thông qua mô phỏng PVsyst.
  • Đã xây dựng mô hình lưới điện phân phối 22kV Ba Tri trên phần mềm ETAP 12.6, chứng minh ngưỡng thâm nhập an toàn của nguồn điện mặt trời phân tán đạt mức tối đa 5 MW.
  • Luận văn lượng hóa cụ thể tác động suy giảm chất lượng điện năng, chỉ ra hiện tượng vượt ngưỡng THD điện áp (đạt 6,75%) và TDD dòng điện (đạt 9,14%) khi công suất hòa lưới đạt mức 7 MW trong điều kiện điện áp nguồn bị méo.
  • Đóng góp giải pháp khoa học thực tiễn trong việc lựa chọn cấu hình Inverter và tích hợp bộ lọc sóng hài nhằm tối ưu hóa chế độ vận hành lưới điện phân phối khu vực duyên hải Đồng bằng sông Cửu Long.
  • Lộ trình nghiên cứu tiếp theo cần mở rộng mô hình hóa lưới điện thông minh Microgrid tích hợp hệ thống pin lưu trữ năng lượng BESS giai đoạn 2025–2030; các cấp quản lý cần nhanh chóng áp dụng khung tính toán này để thẩm định hồ sơ đấu nối điện mặt trời trên địa bàn toàn tỉnh.