Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện Việt Nam đã đạt được những bước phát triển vượt bậc với tổng công suất đặt nguồn điện hơn 54.880 MW và sản lượng điện sản xuất năm 2019 đạt 231,1 tỷ kWh. Tuy nhiên, sự gia tăng nhanh chóng của các nguồn năng lượng tái tạo như điện mặt trời và điện gió, chiếm khoảng 9% tổng công suất nguồn điện vào cuối năm 2019, đã đặt ra nhiều thách thức về khả năng truyền tải và tổn thất công suất trên lưới điện. Các khu vực như Ninh Thuận và Bình Thuận, nơi tập trung nhiều nhà máy năng lượng tái tạo, đã xuất hiện hiện tượng quá tải đường dây và trạm biến áp, ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành và ổn định hệ thống.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tính toán tối ưu công suất phát trong hệ thống điện Việt Nam khi các nguồn năng lượng tái tạo kết nối vào lưới, nhằm giảm thiểu tổn thất công suất, đảm bảo khả năng cung cấp điện và duy trì sự ổn định của lưới điện. Nghiên cứu tập trung vào phân tích lưới điện truyền tải khu vực miền Nam, đặc biệt là các tỉnh Ninh Thuận, Bình Thuận và các vùng lân cận, trong giai đoạn từ năm 2019 đến 2023, khi các dự án năng lượng tái tạo được triển khai mạnh mẽ.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp giải pháp tối ưu hóa phân bố công suất phát, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện, giảm tổn thất và chi phí vận hành, đồng thời hỗ trợ công tác quy hoạch và phát triển lưới điện phù hợp với xu hướng phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

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:

  • Bài toán phân bố công suất tối ưu (Optimal Power Flow - OPF): Đây là bài toán tối ưu hóa nhằm xác định phân bố công suất phát của các máy phát sao cho tổn thất công suất trên hệ thống được tối thiểu trong khi đảm bảo các ràng buộc vận hành như giới hạn công suất máy phát, điện áp tại các nút, và khả năng truyền tải của đường dây.

  • Mô hình chi phí nhiên liệu của máy phát: Chi phí nhiên liệu được mô tả bằng các hàm bậc hai hoặc đa thức, có tính đến hiệu ứng điểm van và đa nhiên liệu, giúp mô phỏng chính xác chi phí vận hành của các nhà máy điện.

  • Các ràng buộc vận hành hệ thống điện: Bao gồm giới hạn công suất thực và phản kháng của máy phát, giới hạn điện áp tại các nút, giới hạn dòng công suất trên đường dây truyền tải, và các ràng buộc an ninh hệ thống.

  • Mô hình điều khiển máy biến áp và shunt: Điều chỉnh điện áp và công suất phản kháng thông qua các thiết bị như máy biến áp có nấc biến áp và các bộ tụ bù shunt để duy trì điện áp ổn định.

Các khái niệm chính bao gồm: công suất thực và phản kháng, điện áp nút, tổn thất công suất, chi phí nhiên liệu, ràng buộc vận hành, và mô hình tối ưu hóa.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng hệ thống điện PSS/E phiên bản 35.0 để thực hiện các tính toán và mô phỏng phân bố công suất tối ưu trên lưới điện Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Thu thập dữ liệu: Số liệu thực tế về quy hoạch lưới điện truyền tải, công suất các nhà máy điện, đặc tính kỹ thuật của đường dây, máy biến áp và các thiết bị điều khiển tại khu vực Ninh Thuận, Bình Thuận và các tỉnh lân cận.

  • Mô hình hóa hệ thống: Xây dựng mô hình lưới điện truyền tải Việt Nam trên phần mềm PSS/E, bao gồm các nút, đường dây, máy phát và các thiết bị điều khiển.

  • Phân tích kịch bản: Thực hiện các kịch bản tính toán trào lưu công suất và tổn thất công suất trên toàn lưới điện trong các trường hợp không có và có nguồn năng lượng tái tạo kết nối.

  • Giải bài toán OPF: Sử dụng chức năng phân bố công suất tối ưu (OPF) trong PSS/E để tính toán phân bố công suất phát nhằm tối thiểu tổn thất công suất, đồng thời đảm bảo các ràng buộc vận hành.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình nghiên cứu tập trung vào hệ thống lưới điện khu vực miền Nam với hơn 20 nút và các đường dây truyền tải chính, lựa chọn dựa trên mức độ ảnh hưởng của các nguồn năng lượng tái tạo và khả năng truyền tải.

  • Phân tích kết quả: So sánh tổn thất công suất, công suất phát của các nhà máy và dòng công suất trên đường dây trước và sau khi tối ưu, đánh giá hiệu quả của phương pháp.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 2/2020 đến tháng 1/2021, đảm bảo thu thập và xử lý dữ liệu đầy đủ, chính xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổn thất công suất giảm đáng kể khi áp dụng phân bố công suất tối ưu: Kết quả mô phỏng cho thấy tổn thất công suất trên toàn hệ thống giảm khoảng 5-7% so với phương pháp phân bố công suất truyền thống khi có nguồn năng lượng tái tạo kết nối. Ví dụ, tại khu vực Ninh Thuận và Bình Thuận, tổn thất trên các đường dây giảm từ khoảng 15 MW xuống còn khoảng 13 MW sau khi tối ưu.

  2. Công suất phát của các nhà máy thủy điện và năng lượng tái tạo được điều chỉnh hợp lý: Công suất phát của các nhà máy thủy điện lớn giảm khoảng 10% khi có điện mặt trời kết nối, trong khi công suất phát của các nhà máy điện mặt trời được tối ưu để phát tối đa trong giới hạn cho phép, giúp cân bằng tải và giảm quá tải đường dây.

  3. Giảm quá tải và cải thiện khả năng truyền tải: Trước khi tối ưu, một số đường dây tại khu vực Ninh Thuận và Bình Thuận bị quá tải lên đến 20-35% công suất đặt. Sau khi áp dụng OPF, dòng công suất trên các đường dây này được điều chỉnh giảm xuống dưới giới hạn cho phép, đảm bảo vận hành an toàn.

  4. Điện áp tại các nút được duy trì ổn định: Việc điều chỉnh điện áp qua máy biến áp và shunt giúp điện áp tại các nút phụ tải duy trì trong phạm vi cho phép, giảm thiểu nguy cơ sụp đổ điện áp và mất ổn định hệ thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm tổn thất công suất là do phân bố công suất phát được tối ưu hóa, giảm tải cho các đường dây truyền tải và điều chỉnh công suất phản kháng hợp lý. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành điện cho thấy việc áp dụng OPF giúp nâng cao hiệu quả vận hành và giảm chi phí.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, mức giảm tổn thất 5-7% là tương đối khả quan, đặc biệt trong bối cảnh hệ thống điện Việt Nam đang chịu áp lực lớn từ sự phát triển nhanh của năng lượng tái tạo. Việc duy trì điện áp ổn định và giảm quá tải cũng góp phần nâng cao độ tin cậy và an toàn vận hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh tổn thất công suất trước và sau tối ưu, bảng phân bố công suất phát của các nhà máy, và biểu đồ dòng công suất trên các đường dây chính. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp tối ưu trong việc giảm tổn thất và cải thiện vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi phương pháp phân bố công suất tối ưu (OPF) trong vận hành hệ thống điện: Động từ hành động là "triển khai", mục tiêu giảm tổn thất công suất ít nhất 5% trong vòng 2 năm tới, chủ thể thực hiện là Tổng công ty Điện lực Việt Nam (EVN) và các đơn vị vận hành lưới điện.

  2. Tăng cường đầu tư nâng cấp hạ tầng truyền tải tại các khu vực có nguồn năng lượng tái tạo tập trung: Động từ "đầu tư", mục tiêu giảm quá tải đường dây xuống dưới 10% công suất đặt trong 3 năm, chủ thể là EVN và các nhà đầu tư hạ tầng.

  3. Phát triển và ứng dụng công nghệ điều khiển điện áp tự động qua máy biến áp và shunt: Động từ "ứng dụng", mục tiêu duy trì điện áp trong phạm vi cho phép 99% thời gian vận hành, thời gian 1-2 năm, chủ thể là các đơn vị vận hành và bảo trì lưới điện.

  4. Xây dựng kế hoạch đồng bộ phát triển nguồn điện và lưới điện: Động từ "lập kế hoạch", mục tiêu cân đối công suất phát và khả năng truyền tải, tránh hiện tượng giảm phát nguồn năng lượng tái tạo, thời gian trung hạn 5 năm, chủ thể là Bộ Công Thương và EVN.

Các giải pháp này cần được phối hợp chặt chẽ để đảm bảo vận hành an toàn, tin cậy và kinh tế cho hệ thống điện Việt Nam trong bối cảnh năng lượng tái tạo ngày càng phát triển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện: Luận văn cung cấp phương pháp và công cụ tính toán tối ưu công suất phát, giúp họ nâng cao hiệu quả vận hành và giảm tổn thất.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách ngành điện: Thông tin về tác động của năng lượng tái tạo và giải pháp tối ưu giúp xây dựng chính sách phát triển nguồn và lưới điện phù hợp.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện: Tài liệu chi tiết về bài toán OPF, mô hình chi phí nhiên liệu và ứng dụng phần mềm PSS/E là nguồn tham khảo quý giá cho nghiên cứu và học tập.

  4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp năng lượng tái tạo: Hiểu rõ về ảnh hưởng của nguồn tái tạo đến lưới điện và các giải pháp tối ưu giúp họ lập kế hoạch đầu tư hiệu quả, giảm thiểu rủi ro vận hành.

Mỗi nhóm đối tượng có thể áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn công việc, từ vận hành, quản lý đến nghiên cứu và đầu tư, góp phần phát triển bền vững ngành điện Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần tối ưu công suất phát khi có nguồn năng lượng tái tạo?
    Năng lượng tái tạo như điện mặt trời và gió có tính chất không liên tục và phân bố không đồng đều, gây quá tải và tổn thất trên lưới điện. Tối ưu công suất phát giúp cân bằng tải, giảm tổn thất và đảm bảo ổn định hệ thống.

  2. Phần mềm PSS/E được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    PSS/E là công cụ mô phỏng hệ thống điện, cho phép nhập dữ liệu thực tế, mô hình hóa lưới điện và giải bài toán phân bố công suất tối ưu (OPF) để tính toán tổn thất và phân bố công suất phát hiệu quả.

  3. Kết quả tối ưu công suất phát có thể giảm tổn thất bao nhiêu phần trăm?
    Theo mô phỏng, tổn thất công suất có thể giảm khoảng 5-7% so với phương pháp truyền thống, giúp tiết kiệm chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả truyền tải.

  4. Các ràng buộc vận hành nào được xem xét trong bài toán OPF?
    Bao gồm giới hạn công suất thực và phản kháng của máy phát, giới hạn điện áp tại các nút, khả năng truyền tải của đường dây, và các giới hạn an ninh hệ thống nhằm đảm bảo vận hành an toàn.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
    Các đơn vị vận hành và quản lý lưới điện có thể triển khai phần mềm OPF để tính toán phân bố công suất hàng ngày, đồng thời phối hợp đầu tư nâng cấp hạ tầng và điều khiển điện áp tự động nhằm tối ưu vận hành hệ thống.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích và mô phỏng thành công bài toán tối ưu công suất phát hệ thống điện Việt Nam khi có nguồn năng lượng tái tạo kết nối, giảm tổn thất công suất từ 5-7%.
  • Phân bố công suất tối ưu giúp giảm quá tải đường dây và duy trì điện áp ổn định, nâng cao độ tin cậy vận hành hệ thống.
  • Nghiên cứu sử dụng phần mềm PSS/E phiên bản 35.0, mô hình hóa chi tiết lưới điện khu vực miền Nam, đặc biệt là Ninh Thuận và Bình Thuận.
  • Đề xuất các giải pháp triển khai OPF, nâng cấp hạ tầng truyền tải, ứng dụng công nghệ điều khiển điện áp và lập kế hoạch đồng bộ phát triển nguồn và lưới điện.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng mô hình cho toàn quốc, cập nhật dữ liệu thực tế liên tục và phối hợp với các đơn vị vận hành để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị liên quan cần nhanh chóng triển khai các giải pháp tối ưu công suất phát để đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả và phát triển bền vững hệ thống điện Việt Nam trong tương lai.