Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch, năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện mặt trời, đã trở thành giải pháp chiến lược cho phát triển bền vững. Tại Việt Nam, công suất đặt điện mặt trời đã tăng trưởng nhanh chóng, đạt khoảng 16 GW vào năm 2020, chiếm 27% tổng công suất hệ thống điện lắp đặt. Sự phát triển này tạo ra nhiều cơ hội nhưng cũng đặt ra thách thức lớn về vận hành kỹ thuật và tổn thất điện năng trên lưới phân phối có tích hợp điện mặt trời phân tán.

Luận văn tập trung nghiên cứu tính toán kinh tế kỹ thuật của dự án điện mặt trời áp mái tại khu vực Hương Khê, Hà Tĩnh, đồng thời phân tích các vấn đề tổn thất điện năng trên lưới phân phối khi có nguồn điện mặt trời phân tán. Mục tiêu chính là đánh giá hiệu quả kinh tế đầu tư hệ thống điện mặt trời áp mái, khảo sát thực trạng tổn thất điện năng trước và sau khi tích hợp nguồn điện mặt trời, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm cải thiện chất lượng điện áp và giảm tổn thất điện năng.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích dữ liệu thực tế từ các nhà máy điện mặt trời và lưới điện trung áp 35 kV tại hai lộ 373E18 và 374E18 thuộc lưới điện phân phối Hương Khê. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ các nhà đầu tư, nhà quản lý và vận hành hệ thống điện trong việc tối ưu hóa hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của các dự án điện mặt trời phân tán, góp phần nâng cao độ tin cậy và ổn định của lưới điện phân phối.

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 chất lượng điện năng và tổn thất điện năng: Bao gồm các khái niệm về tổn thất điện năng kỹ thuật và thương mại, các tiêu chuẩn chất lượng điện áp theo Thông tư 30/2019/TT-BCT của Việt Nam và tiêu chuẩn quốc tế EN 50160, IEC 1000-2-1. Các chỉ số SAIDI, SAIFI, MAIFI được sử dụng để đánh giá độ tin cậy cung cấp điện.

  • Mô hình hệ thống điện mặt trời áp mái: Phân loại hệ thống theo ba dạng chính: hoạt động độc lập (off-grid), kết nối lưới không có hệ thống lưu trữ, và kết nối lưới có hệ thống lưu trữ. Mô hình kinh tế đầu tư dựa trên chi phí lắp đặt, chi phí bảo trì, giá bán điện và so sánh với phương án gửi tiết kiệm ngân hàng.

  • Thuật toán tính toán tổn thất điện năng: Sử dụng phương pháp lặp Newton-Raphson để giải bài toán phân bố công suất và tính toán tổn thất trên lưới điện phân phối. Các phương pháp tính tổn thất dựa trên đồ thị phụ tải điển hình, đường cong tổn thất và thời gian tổn thất công suất lớn nhất được áp dụng.

Các khái niệm chính bao gồm: tổn thất điện năng kỹ thuật, tổn thất điện năng thương mại, hệ số đồng thời, hệ số tham gia vào đỉnh, công suất tác dụng và công suất phản kháng, nhấp nháy điện áp, biến dạng sóng hài.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ thực tế lưới điện phân phối và các nhà máy điện mặt trời tại Hương Khê, Hà Tĩnh, bao gồm dữ liệu phụ tải, công suất phát PV, thông số kỹ thuật thiết bị và chi phí đầu tư. Dữ liệu được bổ sung bằng các số liệu thị trường và tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Mô phỏng lưới điện phân phối bằng phần mềm ETAP để đánh giá tổn thất điện năng và ảnh hưởng của nguồn điện mặt trời phân tán trong các kịch bản khác nhau (có và không có PV, các mức độ cắt giảm công suất).

  • Tính toán kinh tế đầu tư dựa trên công thức tổng chi phí lắp đặt, chi phí bảo trì, giá bán điện theo bậc thang và so sánh với phương án gửi tiết kiệm ngân hàng với lãi suất kép.

  • Phân tích các chỉ số chất lượng điện năng và tổn thất điện năng theo tiêu chuẩn Việt Nam và quốc tế.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 12 nhà máy điện mặt trời áp mái với công suất từ 500 kWp đến hơn 1 MWp, cùng với dữ liệu lưới điện trung áp 35 kV tại hai lộ 373E18 và 374E18. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện của các nhà máy và lưới điện trong khu vực nghiên cứu.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2022-2023, bao gồm thu thập dữ liệu thực tế, mô phỏng, phân tích và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả kinh tế đầu tư hệ thống điện mặt trời áp mái:
    Kết quả tính toán cho thấy, đầu tư vào hệ thống điện mặt trời áp mái hòa lưới không có hệ thống lưu trữ tại Hương Khê có lợi nhuận cao hơn gửi tiền tiết kiệm ngân hàng khoảng 3-4 lần trong vòng 25 năm. Ví dụ, nhà máy Công ty CP Đầu tư Thuận An 68 với tổng vốn đầu tư khoảng 11,67 tỷ VNĐ có thời gian thu hồi vốn từ 31 đến 37 tháng, và tổng lợi nhuận sau 25 năm đạt trên 210 tỷ VNĐ, so với khoảng 70 tỷ VNĐ nếu gửi ngân hàng.

  2. Ảnh hưởng của điện mặt trời phân tán đến tổn thất điện năng trên lưới phân phối:
    Mô phỏng trên lộ 373E18 cho thấy khi công suất PVs vượt quá nhu cầu phụ tải, tổn thất điện năng tăng mạnh, đặc biệt là tổn thất công suất phản kháng của máy biến áp tăng đáng kể. Tổn thất công suất tăng lên đến hơn 20% so với trường hợp không có PV. Ngược lại, trên lộ 374E18 với mức công suất PV thấp hơn phụ tải, tổn thất điện năng được cải thiện, giảm khoảng 10%.

  3. Giải pháp cắt giảm công suất phát của PVs:
    Việc cắt giảm 50% và 70% công suất phát của PVs vào giờ cao điểm đã giảm tổn thất điện năng đáng kể, giảm khoảng 15-25% so với không cắt giảm. Tuy nhiên, giải pháp này gây khó khăn về kinh tế cho chủ đầu tư do giảm doanh thu bán điện.

  4. Đề xuất điều chỉnh điện áp vận hành:
    Hạ điện áp vận hành tại trạm biến áp 100/35 kV từ 37,5 kV xuống 36,5 kV trong khoảng thời gian 6 giờ đến 18 giờ giúp nâng cao chất lượng điện áp, ổn định biên độ điện áp và giảm tổn thất điện năng trên lưới phân phối.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân tăng tổn thất điện năng khi công suất PV vượt quá phụ tải là do dòng công suất ngược lớn, làm tăng dòng điện chạy qua các phần tử lưới, đặc biệt là máy biến áp, gây phát nóng và tổn thất điện năng. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong nước và quốc tế về ảnh hưởng của nguồn năng lượng tái tạo phân tán đến lưới điện phân phối.

Việc cắt giảm công suất phát PV là giải pháp kỹ thuật hiệu quả để giảm tổn thất và cải thiện chất lượng điện áp, tuy nhiên cần cân nhắc tác động kinh tế. Giải pháp điều chỉnh điện áp vận hành là phương án đơn giản, dễ thực hiện và không ảnh hưởng đến doanh thu của chủ đầu tư.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh tổn thất công suất và điện áp tại các nút lưới trong các kịch bản khác nhau, giúp minh họa rõ ràng tác động của PVs và hiệu quả các giải pháp đề xuất.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thực hiện điều chỉnh điện áp vận hành tại các trạm biến áp trung áp:
    Giảm điện áp vận hành từ 37,5 kV xuống 36,5 kV trong giờ cao điểm (6h-18h) để cải thiện chất lượng điện áp và giảm tổn thất điện năng. Chủ thể thực hiện: Công ty Điện lực Hà Tĩnh. Thời gian thực hiện: trong vòng 6 tháng tới.

  2. Áp dụng chính sách cắt giảm công suất phát PV linh hoạt:
    Thiết lập cơ chế cắt giảm công suất phát PV vào giờ cao điểm hoặc khi lưới điện quá tải, ưu tiên các sự kiện bảo trì hoặc sự cố. Chủ thể thực hiện: Nhà vận hành hệ thống điện phối hợp với chủ đầu tư PV. Thời gian thực hiện: 12 tháng.

  3. Khuyến khích đầu tư hệ thống lưu trữ năng lượng:
    Hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các giải pháp lưu trữ để giảm biến động công suất PV, nâng cao độ tin cậy và giảm tổn thất. Chủ thể thực hiện: Bộ Công Thương, các viện nghiên cứu. Thời gian: dài hạn, 3-5 năm.

  4. Tăng cường giám sát và thu thập dữ liệu lưới điện:
    Nâng cấp hệ thống SCADA và đo đếm để theo dõi chất lượng điện năng và tổn thất điện năng chính xác hơn, phục vụ công tác vận hành và quy hoạch. Chủ thể thực hiện: Công ty Điện lực, các đơn vị quản lý lưới điện. Thời gian: 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà đầu tư và doanh nghiệp năng lượng tái tạo:
    Hiểu rõ hiệu quả kinh tế và các rủi ro kỹ thuật khi đầu tư vào hệ thống điện mặt trời áp mái, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý.

  2. Các nhà quản lý và vận hành lưới điện:
    Nắm bắt các vấn đề tổn thất điện năng và chất lượng điện áp khi tích hợp nguồn điện mặt trời phân tán, áp dụng các giải pháp kỹ thuật để nâng cao hiệu quả vận hành.

  3. Sinh viên và nhà nghiên cứu ngành điện, năng lượng tái tạo:
    Cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình, phương pháp tính toán tổn thất điện năng và bài toán kinh tế kỹ thuật trong lĩnh vực điện mặt trời phân tán.

  4. Cơ quan hoạch định chính sách năng lượng:
    Tham khảo các kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo, đảm bảo cân bằng giữa phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Điện mặt trời áp mái có thực sự hiệu quả về mặt kinh tế so với gửi tiết kiệm ngân hàng?
    Có. Nghiên cứu cho thấy đầu tư vào hệ thống điện mặt trời áp mái hòa lưới không có lưu trữ có lợi nhuận gấp 3-4 lần so với gửi tiết kiệm ngân hàng trong vòng 25 năm, nhờ tiết kiệm chi phí điện và thu nhập từ bán điện dư thừa.

  2. Tổn thất điện năng tăng hay giảm khi tích hợp điện mặt trời phân tán?
    Tùy thuộc vào mức độ công suất PV so với phụ tải. Khi công suất PV vượt quá phụ tải, tổn thất điện năng tăng do dòng công suất ngược lớn. Ngược lại, khi công suất PV thấp hơn phụ tải, tổn thất có thể giảm.

  3. Giải pháp nào hiệu quả để giảm tổn thất điện năng do điện mặt trời phân tán?
    Điều chỉnh điện áp vận hành trạm biến áp và cắt giảm công suất phát PV vào giờ cao điểm là hai giải pháp hiệu quả đã được mô phỏng và xác nhận.

  4. Hệ thống điện mặt trời áp mái có cần hệ thống lưu trữ không?
    Hệ thống có lưu trữ giúp cung cấp điện liên tục khi không có ánh sáng mặt trời nhưng chi phí đầu tư cao hơn. Hệ thống không lưu trữ có chi phí thấp hơn và vẫn hiệu quả kinh tế khi kết nối lưới điện.

  5. Làm thế nào để đảm bảo chất lượng điện áp khi có nhiều nguồn điện mặt trời phân tán?
    Cần áp dụng các biện pháp kỹ thuật như điều chỉnh điện áp, cắt giảm công suất phát PV, sử dụng thiết bị điều khiển và lưu trữ năng lượng, đồng thời nâng cấp hệ thống giám sát và quản lý lưới điện.

Kết luận

  • Đầu tư vào hệ thống điện mặt trời áp mái hòa lưới không có lưu trữ tại Hương Khê mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội so với gửi tiết kiệm ngân hàng, với lợi nhuận gấp 3-4 lần trong vòng 25 năm.
  • Tích hợp điện mặt trời phân tán ảnh hưởng đáng kể đến tổn thất điện năng và chất lượng điện áp trên lưới phân phối, đặc biệt khi công suất PV vượt quá phụ tải.
  • Giải pháp điều chỉnh điện áp vận hành và cắt giảm công suất phát PV vào giờ cao điểm giúp giảm tổn thất điện năng và cải thiện chất lượng điện áp hiệu quả.
  • Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực tế và mô hình mô phỏng chi tiết, làm cơ sở cho các nhà đầu tư, nhà quản lý và hoạch định chính sách trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai các giải pháp đề xuất, nâng cấp hệ thống giám sát và mở rộng nghiên cứu sang các khu vực khác để tối ưu hóa tích hợp điện mặt trời phân tán trên toàn quốc.

Quý độc giả và các bên liên quan được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển bền vững hệ thống điện mặt trời phân tán, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế ngành năng lượng Việt Nam.