Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng mặt trời (PV) đang trở thành nguồn năng lượng tái tạo quan trọng với tốc độ phát triển nhanh chóng trên toàn cầu. Theo Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), công suất lắp đặt điện mặt trời toàn cầu năm 2021 đạt gần 770 GW, tăng gấp đôi so với năm 2016. Tại Việt Nam, tính đến tháng 12/2022, tổng công suất điện mặt trời nối lưới đạt 16.600 MW, chiếm khoảng 12% tổng công suất lắp đặt điện năng của cả nước. Sự phát triển này không chỉ góp phần giảm phát thải carbon mà còn thúc đẩy nguồn cung năng lượng sạch, bền vững.

Tuy nhiên, việc tích hợp hệ thống PV vào lưới điện phân phối cũng đặt ra nhiều thách thức về chất lượng điện năng như dao động điện áp, tổn thất công suất và sóng hài. Luận văn tập trung phân tích ảnh hưởng của hệ thống PV lên lưới điện phân phối tại tỉnh Cà Mau, một khu vực có quy mô điện mặt trời nối lưới chiếm khoảng 12% công suất định mức lưới điện trung tâm thành phố. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá tác động của PV lên điện áp, tổn thất công suất và sóng hài trên phát tuyến phân phối 475CM 22kV bằng mô phỏng phần mềm ETAP.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm dữ liệu thực tế của lưới điện và hệ thống PV tại Cà Mau, với thời gian khảo sát và mô phỏng đến tháng 4/2024. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ các nhà quản lý, kỹ sư điện và nhà đầu tư đưa ra các giải pháp vận hành và phát triển lưới điện phân phối hiệu quả, an toàn khi tích hợp năng lượng 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:

  • Lưới điện phân phối: Là hệ thống truyền tải điện áp đến 110 kV, bao gồm đường dây, trạm biến áp và thiết bị đóng cắt, có nhiệm vụ phân phối điện năng đến người tiêu dùng cuối cùng. Các vấn đề về điện áp, tổn thất và sóng hài trong lưới phân phối được xem xét kỹ lưỡng.

  • Mạch tương đương tế bào quang điện (PV): Mô hình mạch tương đương gồm nguồn dòng Isc, diode, điện trở mắc nối tiếp Rs và điện trở mắc song song Rsh, mô tả đặc tính I-V của pin mặt trời. Các tham số như điện áp hở mạch Voc, dòng ngắn mạch Isc được sử dụng để mô phỏng hiệu suất PV.

  • Tỷ lệ xâm nhập (penetration level): Định nghĩa công suất PV có thể tích hợp vào lưới điện mà không làm ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện năng và độ ổn định lưới.

  • Tiêu chuẩn chất lượng điện năng: Áp dụng các quy định của Bộ Công Thương Việt Nam về điện áp dao động ±5% tại điểm đấu nối, tổn thất điện năng mục tiêu 1% cho lưới phân phối, và giới hạn sóng hài tổng 6% cho trung và hạ áp.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng số liệu thực tế từ Công ty Điện lực Cà Mau, bao gồm dữ liệu lưới điện trung thế 22kV phát tuyến 475CM, thông tin về 86 khách hàng có hệ thống PV nối lưới với tổng công suất 3.631 kWp, cùng các thông số vận hành và thiết bị trên lưới.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng lưới điện và hệ thống PV bằng phần mềm ETAP 19.1, sử dụng các mô-đun phân bố công suất (Load Flow Analysis) và phân tích sóng hài (Harmonic Analysis). Phương pháp giải bài toán phân bố công suất là Adaptive Newton-Raphson, đảm bảo độ hội tụ cao và chính xác.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập dữ liệu và xây dựng mô hình từ tháng 1 đến tháng 5 năm 2024, tiến hành mô phỏng và phân tích trong tháng 5, hoàn thiện luận văn tháng 6 năm 2024.

  • Tiêu chí đánh giá: Đánh giá ảnh hưởng của PV lên điện áp tại các nút, tổn thất công suất trên phát tuyến, và mức độ biến dạng sóng hài so với quy định Việt Nam và tiêu chuẩn quốc tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng lên điện áp: Khi tỷ lệ xâm nhập PV trên phát tuyến 475CM đạt 23% (3.631 kWp trên tổng công suất 16.118 kVA), điện áp tại các nút đấu nối PV dao động trong khoảng ±5%, phù hợp với quy định của Bộ Công Thương. Tuy nhiên, tại một số nút có công suất PV lớn, điện áp có xu hướng tăng cao hơn mức cho phép, tiềm ẩn nguy cơ quá áp.

  2. Tổn thất công suất: Mô phỏng cho thấy tổn thất công suất trên phát tuyến 475CM có xu hướng giảm khi tỷ lệ xâm nhập PV tăng từ 0% lên khoảng 15%, do PV cung cấp điện tại chỗ giảm tải cho lưới. Tuy nhiên, khi tỷ lệ xâm nhập vượt quá 20%, tổn thất bắt đầu tăng nhẹ do hiện tượng phát ngược công suất và quá tải cục bộ.

  3. Sóng hài: Tổng biến dạng sóng hài điện áp tại điểm đấu nối PV được ghi nhận dưới 6%, tuân thủ quy định Việt Nam. Tuy nhiên, sóng hài dòng điện có thể vượt quá giới hạn 12% ở các điểm đấu nối có công suất PV lớn hơn 50 kW, đòi hỏi biện pháp giảm thiểu sóng hài.

  4. So sánh với các nghiên cứu khác: Kết quả tương đồng với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, cho thấy mức độ xâm nhập PV hợp lý giúp giảm tổn thất và cải thiện chất lượng điện áp, nhưng vượt ngưỡng sẽ gây ra các vấn đề kỹ thuật.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các hiện tượng trên là do đặc tính phân tán và biến động của nguồn PV, cùng với cấu trúc lưới điện phân phối hiện hữu chưa được thiết kế để chịu tải phát ngược lớn. Việc tăng điện áp tại các nút đấu nối PV là do công suất phát ra vượt quá công suất tiêu thụ tại nút đó, gây dòng điện ngược chiều và tăng điện áp.

Tổn thất công suất giảm ở mức thâm nhập thấp do PV cung cấp điện tại chỗ, giảm dòng tải trên đường dây. Tuy nhiên, khi PV phát quá mức, dòng điện ngược chiều làm tăng tổn thất do hiệu ứng phát nóng và lệch pha.

Sóng hài phát sinh từ biến tần PV và các thiết bị điện tử công suất gây biến dạng sóng, ảnh hưởng đến thiết bị và chất lượng điện năng. Việc tuân thủ các tiêu chuẩn sóng hài là cần thiết để đảm bảo vận hành ổn định.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ điện áp theo tỷ lệ xâm nhập PV, biểu đồ tổn thất công suất và biểu đồ tổng biến dạng sóng hài, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của PV lên lưới phân phối.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Kiểm soát tỷ lệ xâm nhập PV: Đề xuất giới hạn tỷ lệ xâm nhập PV trên phát tuyến phân phối không vượt quá 20% công suất định mức để đảm bảo chất lượng điện áp và tổn thất trong giới hạn cho phép. Thời gian thực hiện: ngay lập tức; Chủ thể: Công ty Điện lực Cà Mau và các nhà quản lý lưới điện.

  2. Lắp đặt thiết bị điều chỉnh điện áp tự động: Triển khai các thiết bị điều chỉnh điện áp như bộ điều chỉnh điện áp tự động (AVR), tụ bù điều khiển để ổn định điện áp tại các nút đấu nối PV. Thời gian: 6-12 tháng; Chủ thể: Công ty Điện lực và nhà đầu tư dự án PV.

  3. Giám sát và giảm thiểu sóng hài: Áp dụng các bộ lọc sóng hài chủ động hoặc thụ động tại các điểm đấu nối PV có công suất lớn, đồng thời kiểm tra và tuân thủ tiêu chuẩn sóng hài trong thiết kế hệ thống PV. Thời gian: 12 tháng; Chủ thể: Nhà đầu tư PV và đơn vị vận hành lưới điện.

  4. Nâng cao năng lực mô phỏng và đào tạo kỹ thuật: Tăng cường sử dụng phần mềm ETAP và các công cụ mô phỏng hiện đại để dự báo và đánh giá tác động của PV, đồng thời tổ chức đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư vận hành lưới điện về quản lý nguồn năng lượng tái tạo. Thời gian: liên tục; Chủ thể: Trường đại học, Công ty Điện lực, các tổ chức đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà quản lý ngành điện: Giúp hoạch định chính sách, quy hoạch phát triển lưới điện phân phối và quản lý tích hợp năng lượng tái tạo hiệu quả.

  2. Nhà đầu tư dự án năng lượng mặt trời: Cung cấp thông tin về ảnh hưởng kỹ thuật của PV lên lưới điện, hỗ trợ thiết kế và vận hành hệ thống an toàn, hiệu quả.

  3. Kỹ sư vận hành và bảo trì lưới điện: Nâng cao hiểu biết về các tác động của PV, áp dụng các giải pháp kỹ thuật để duy trì chất lượng điện năng và ổn định lưới.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành Quản lý Năng lượng, Điện – Điện tử: Là tài liệu tham khảo thực tiễn, hỗ trợ nghiên cứu và đào tạo về tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện phân phối.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống PV ảnh hưởng như thế nào đến điện áp lưới phân phối?
    Hệ thống PV có thể làm tăng điện áp tại các điểm đấu nối do công suất phát ra vượt quá công suất tiêu thụ tại nút đó, gây hiện tượng quá áp. Mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào tỷ lệ xâm nhập và vị trí lắp đặt PV.

  2. Tổn thất công suất trên lưới phân phối thay đổi ra sao khi tích hợp PV?
    Ở mức thâm nhập thấp, PV giúp giảm tổn thất do cung cấp điện tại chỗ. Tuy nhiên, khi tỷ lệ xâm nhập vượt quá khoảng 20%, tổn thất có thể tăng do dòng điện phát ngược và quá tải cục bộ.

  3. Sóng hài do PV gây ra có nguy hiểm không?
    Sóng hài có thể làm giảm tuổi thọ thiết bị, gây nhiễu và giảm chất lượng điện năng. Việc kiểm soát sóng hài theo tiêu chuẩn là cần thiết để đảm bảo vận hành an toàn.

  4. Phần mềm ETAP có vai trò gì trong nghiên cứu này?
    ETAP được sử dụng để mô phỏng phân bố công suất và phân tích sóng hài, giúp đánh giá chính xác ảnh hưởng của PV lên lưới điện phân phối, từ đó đề xuất giải pháp phù hợp.

  5. Làm thế nào để nâng cao hiệu quả tích hợp PV vào lưới điện?
    Cần kiểm soát tỷ lệ xâm nhập, lắp đặt thiết bị điều chỉnh điện áp, áp dụng bộ lọc sóng hài, và nâng cao năng lực mô phỏng, đào tạo kỹ thuật cho nhân sự vận hành.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích chi tiết ảnh hưởng của hệ thống PV lên lưới điện phân phối tại tỉnh Cà Mau, sử dụng dữ liệu thực tế và mô phỏng bằng phần mềm ETAP.
  • Kết quả cho thấy PV ảnh hưởng đến điện áp, tổn thất công suất và sóng hài, với mức độ phụ thuộc vào tỷ lệ xâm nhập và vị trí đấu nối.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý nhằm đảm bảo vận hành lưới điện ổn định, an toàn khi tích hợp PV.
  • Nghiên cứu góp phần bổ sung kiến thức khoa học và thực tiễn về tích hợp năng lượng mặt trời vào lưới phân phối tại Việt Nam.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai các giải pháp đề xuất, mở rộng nghiên cứu trên các phát tuyến khác và cập nhật công nghệ mô phỏng mới.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả và phương pháp luận của luận văn để phát triển các dự án năng lượng tái tạo bền vững, góp phần vào chuyển đổi năng lượng quốc gia.