Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh hiện nay, nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng cao, đồng thời các hiện tượng thiên tai như mưa bão, động đất, hạn hán diễn ra thường xuyên đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động của hệ thống điện. Tại Việt Nam, các nhà máy thủy điện nhỏ chiếm khoảng 82% – 97% tổng số trạm thủy điện nhỏ với tổng công suất khoảng 1.800 MW, tuy nhiên, hạn hán và các sự cố thiên tai vẫn gây ra thiếu hụt nguồn cung cấp điện. Microgrid, một hệ thống lưới điện nhỏ gọn, linh hoạt, sử dụng các nguồn phát phân tán như pin mặt trời, pin nhiên liệu, thủy điện nhỏ và máy phát điện gió, được xem là giải pháp hiệu quả để đảm bảo cung cấp điện ổn định trong các vùng sâu, vùng xa hoặc khi lưới điện chính gặp sự cố.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là sa thải phụ tải trong microgrid ở chế độ tách lưới – một chế độ vận hành độc lập không kết nối với lưới điện quốc gia. Khi công suất phát khả dụng không đủ đáp ứng nhu cầu phụ tải, việc sa thải phụ tải hợp lý là cần thiết để duy trì sự cân bằng công suất, đảm bảo ổn định tần số và điện áp hệ thống. Mục tiêu cụ thể là xây dựng các phương pháp hoạch định sa thải phụ tải dựa trên mức độ ưu tiên của phụ tải và quy tắc phân bổ công suất theo luật Talmud, từ đó phát triển chương trình sa thải phụ tải bằng ngôn ngữ lập trình Java, áp dụng thử nghiệm trên microgrid thực tế.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào microgrid hoạt động ở chế độ tách lưới tại Việt Nam, với thời gian thực hiện từ năm 2015 đến 2017. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả vận hành microgrid, giảm thiểu rủi ro mất điện, đồng thời bảo vệ các phụ tải quan trọng như bệnh viện, trạm cứu hỏa và nơi sơ tán, góp phần phát triển bền vững hệ thống điện thông minh.

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 Microgrid: Microgrid là hệ thống lưới điện nhỏ, gồm các máy phát điện phân tán (Distributed Generators - DGs), bộ lưu trữ phân tán (Distributed Storage - DSs) và phụ tải, có thể vận hành ở chế độ kết nối hoặc tách lưới. Microgrid sử dụng nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, gió, thủy điện nhỏ, pin nhiên liệu, nhằm tăng tính bền vững và thân thiện môi trường.

  • Quy tắc phân bổ công suất theo luật Talmud: Đây là một quy tắc phân bổ công bằng trong trường hợp thiếu hụt tài nguyên, được áp dụng để phân bổ công suất phát khả dụng cho các phụ tải trong microgrid khi xảy ra thiếu hụt nguồn cung cấp.

  • Mức độ ưu tiên của phụ tải: Phân loại phụ tải theo tầm quan trọng xã hội và kinh tế, ví dụ như bệnh viện, trạm cứu hỏa, nơi sơ tán được ưu tiên cao hơn các phụ tải dân dụng hoặc công nghiệp thông thường. Việc sa thải phụ tải dựa trên mức độ ưu tiên nhằm bảo vệ các tải quan trọng trước tiên.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm: công suất phát khả dụng (Pa), công suất phụ tải (ld), và công suất phân bổ cho tải (la*). Các thuật toán sa thải phụ tải được xây dựng dựa trên mối quan hệ giữa các đại lượng này nhằm đảm bảo cân bằng công suất trong microgrid.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu từ các tài liệu chuyên ngành về microgrid, các báo cáo kỹ thuật về nguồn phát phân tán, phụ tải và các phương pháp sa thải phụ tải hiện hành. Dữ liệu thực nghiệm được lấy từ microgrid thử nghiệm gồm 10 phụ tải, 4 máy phát điện DG và 2 bộ lưu trữ DS với các thông số công suất cụ thể.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phương pháp mô phỏng và lập trình thuật toán sa thải phụ tải bằng ngôn ngữ Java. Các thuật toán được xây dựng dựa trên mức độ ưu tiên của phụ tải, quy tắc Talmud và kết hợp cả hai. Phân tích kết quả mô phỏng để đánh giá hiệu quả của từng phương pháp.

  • Timeline nghiên cứu: Thời gian thực hiện từ tháng 8/2016 đến tháng 2/2017, bao gồm các giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng thuật toán, lập trình, mô phỏng và phân tích kết quả.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Microgrid thử nghiệm với 10 phụ tải đại diện cho các nhóm tải khác nhau, được lựa chọn để phản ánh đa dạng mức độ ưu tiên và công suất tải. Các máy phát và bộ lưu trữ được cấu hình theo thông số kỹ thuật thực tế nhằm đảm bảo tính khả thi của mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của phương pháp sa thải phụ tải theo mức độ ưu tiên: Khi tổng công suất phát khả dụng giảm từ 1.000 kW xuống 200 kW, chương trình sa thải phụ tải theo mức độ ưu tiên đã bảo vệ được 100% công suất cho các tải quan trọng như bệnh viện, trạm cứu hỏa và nơi sơ tán, trong khi các tải có mức ưu tiên thấp hơn bị cắt giảm hoàn toàn. Tỷ lệ công suất cắt giảm đạt khoảng 60% tổng phụ tải khi Pa = 400 kW.

  2. Phân bổ công suất theo quy tắc Talmud: Phương pháp này phân bổ công suất phát khả dụng công bằng cho tất cả các phụ tải, không phân biệt mức độ ưu tiên. Khi Pa giảm xuống 600 kW, mỗi phụ tải nhận được khoảng 60% công suất yêu cầu, dẫn đến việc các tải quan trọng cũng bị cắt giảm tương tự như các tải khác.

  3. Kết hợp mức độ ưu tiên và quy tắc Talmud: Phương pháp kết hợp cho phép duy trì đầy đủ công suất cho các tải quan trọng trước, sau đó phân bổ công suất còn lại theo quy tắc Talmud cho các tải trong cùng nhóm ưu tiên. Khi Pa = 400 kW, các tải quan trọng được cấp đủ công suất, trong khi các tải ưu tiên thấp hơn được phân bổ công suất công bằng, giảm thiểu hiện tượng cắt tải lố so với phương pháp chỉ theo ưu tiên.

  4. So sánh tổng công suất cắt qua các phương pháp: Phương pháp kết hợp giảm tổng công suất cắt xuống khoảng 10% so với phương pháp chỉ theo mức độ ưu tiên, đồng thời bảo vệ tốt hơn các tải quan trọng so với phương pháp Talmud thuần túy.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả trên xuất phát từ cách tiếp cận phân bổ công suất khác nhau. Phương pháp theo mức độ ưu tiên tập trung bảo vệ các tải quan trọng nhưng dễ dẫn đến cắt tải lố, gây lãng phí công suất phát khả dụng. Ngược lại, phương pháp Talmud phân bổ công bằng nhưng không phân biệt tầm quan trọng của tải, làm giảm hiệu quả bảo vệ các tải thiết yếu.

Phương pháp kết hợp mức độ ưu tiên và quy tắc Talmud khắc phục được nhược điểm của hai phương pháp trên, vừa đảm bảo duy trì công suất cho các tải quan trọng, vừa khai thác tối đa công suất phát khả dụng. Kết quả mô phỏng được minh họa qua các biểu đồ phân bổ công suất và biểu đồ công suất cắt tải, cho thấy sự phân bổ hợp lý và cân bằng giữa các nhóm tải.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, phương pháp kết hợp này nâng cao tính linh hoạt và hiệu quả vận hành microgrid ở chế độ tách lưới, đặc biệt trong điều kiện thời tiết thay đổi và sự cố nguồn phát. Điều này có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc duy trì ổn định hệ thống điện nhỏ, giảm thiểu rủi ro mất điện kéo dài.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai chương trình sa thải phụ tải kết hợp mức độ ưu tiên và quy tắc Talmud trong các microgrid thực tế: Đề xuất các đơn vị quản lý microgrid áp dụng thuật toán này để nâng cao hiệu quả vận hành, bảo vệ tải quan trọng và tối ưu hóa sử dụng công suất phát. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng.

  2. Phát triển hệ thống điều khiển trung tâm MGOCC tích hợp thuật toán sa thải phụ tải: Xây dựng phần mềm điều khiển trung tâm thu thập dữ liệu, phân tích và ra quyết định sa thải phụ tải tự động, đảm bảo phản ứng nhanh với các sự cố và biến động nguồn phát. Chủ thể thực hiện là các nhà cung cấp giải pháp công nghệ điện lực.

  3. Nâng cao đào tạo và nâng cấp kỹ năng cho cán bộ vận hành microgrid: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về quản lý và vận hành microgrid, đặc biệt về các thuật toán sa thải phụ tải và xử lý sự cố. Mục tiêu nâng cao năng lực vận hành an toàn, hiệu quả trong vòng 6 tháng.

  4. Mở rộng nghiên cứu và thử nghiệm trên các mô hình microgrid đa dạng: Khuyến khích các viện nghiên cứu và trường đại học phối hợp thực hiện các dự án thử nghiệm thuật toán sa thải phụ tải trên các microgrid có quy mô và cấu hình khác nhau, nhằm hoàn thiện và tối ưu hóa thuật toán. Thời gian nghiên cứu kéo dài 2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện: Nắm bắt các phương pháp sa thải phụ tải tiên tiến, áp dụng trong quản lý microgrid để đảm bảo vận hành ổn định và hiệu quả.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết microgrid, thuật toán sa thải phụ tải và ứng dụng thực tiễn, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan.

  3. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ về vai trò và tầm quan trọng của microgrid trong hệ thống điện quốc gia, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển và ứng dụng công nghệ microgrid.

  4. Các công ty cung cấp giải pháp công nghệ điện lực: Tham khảo để phát triển các sản phẩm điều khiển, phần mềm quản lý microgrid tích hợp thuật toán sa thải phụ tải, nâng cao tính cạnh tranh và hiệu quả sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Sa thải phụ tải trong microgrid là gì và tại sao cần thiết?
    Sa thải phụ tải là việc cắt giảm một phần công suất tiêu thụ điện nhằm duy trì cân bằng giữa công suất phát và nhu cầu phụ tải khi nguồn cung cấp bị thiếu hụt. Trong microgrid ở chế độ tách lưới, sa thải phụ tải là cần thiết để tránh sụp đổ hệ thống và duy trì ổn định tần số, điện áp.

  2. Phương pháp sa thải phụ tải theo mức độ ưu tiên hoạt động như thế nào?
    Phương pháp này phân loại phụ tải theo tầm quan trọng xã hội và kinh tế, ưu tiên cấp điện cho các tải quan trọng như bệnh viện, trạm cứu hỏa. Khi công suất phát giảm, các tải có mức ưu tiên thấp sẽ bị cắt trước, đảm bảo bảo vệ các tải thiết yếu.

  3. Quy tắc Talmud được áp dụng trong sa thải phụ tải ra sao?
    Quy tắc Talmud phân bổ công suất phát khả dụng một cách công bằng cho tất cả các phụ tải, không phân biệt mức độ ưu tiên. Khi thiếu hụt công suất, mỗi tải sẽ bị cắt giảm một phần tương ứng để tổng công suất phân bổ bằng công suất phát khả dụng.

  4. Ưu điểm của phương pháp kết hợp mức độ ưu tiên và quy tắc Talmud là gì?
    Phương pháp kết hợp vừa bảo vệ các tải quan trọng, vừa khai thác tối đa công suất phát khả dụng, giảm thiểu hiện tượng cắt tải lố và phân bổ công suất công bằng trong nhóm tải cùng mức ưu tiên, nâng cao hiệu quả vận hành microgrid.

  5. Làm thế nào để triển khai chương trình sa thải phụ tải trong thực tế?
    Cần xây dựng hệ thống điều khiển trung tâm MGOCC tích hợp thuật toán sa thải phụ tải, thu thập dữ liệu công suất, tự động ra quyết định cắt tải. Đồng thời đào tạo nhân sự vận hành và thử nghiệm trên các mô hình microgrid thực tế để đảm bảo hiệu quả và an toàn.

Kết luận

  • Luận văn đã nghiên cứu và phát triển các phương pháp sa thải phụ tải trong microgrid ở chế độ tách lưới, bao gồm phương pháp theo mức độ ưu tiên, theo quy tắc Talmud và kết hợp cả hai.
  • Phương pháp kết hợp mức độ ưu tiên và quy tắc Talmud cho kết quả tối ưu, vừa bảo vệ tải quan trọng, vừa khai thác tối đa công suất phát khả dụng.
  • Chương trình sa thải phụ tải được xây dựng bằng ngôn ngữ Java và thử nghiệm trên microgrid mô phỏng với 10 phụ tải, 4 máy phát và 2 bộ lưu trữ phân tán.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp đề xuất giảm thiểu cắt tải lố, nâng cao tính ổn định và khả năng phục hồi của microgrid khi có sự cố hoặc biến động nguồn phát.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng thực tế, phát triển hệ thống điều khiển trung tâm và mở rộng nghiên cứu trên các mô hình microgrid đa dạng trong tương lai.

Hành động tiếp theo là xây dựng hệ thống MGOCC tích hợp thuật toán sa thải phụ tải, đồng thời tổ chức đào tạo và thử nghiệm thực tế để hoàn thiện giải pháp. Các đơn vị quản lý microgrid và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển tiếp tục đề tài này nhằm nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện thông minh.