Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo cập nhật thị trường năng lượng tái tạo tháng 5/2022 của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), công suất năng lượng tái tạo toàn cầu dự kiến tăng thêm khoảng 319 gigawatt trong năm 2022, đạt mức kỷ lục mới. Trong đó, năng lượng mặt trời chiếm tới 60% tổng công suất năng lượng tái tạo, vượt qua cả năng lượng gió và thủy điện. Tại thành phố Hồ Chí Minh, năm 2020 đã phát triển thêm 8.762 hệ thống điện mặt trời mái nhà với tổng công suất gần 300 MWp, gấp 4 lần so với năm 2019. Sự phát triển nhanh chóng của nguồn phát phân tán từ năng lượng tái tạo đã làm cho lưới điện phân phối trở nên dễ bị tổn thương hơn, đòi hỏi các giải pháp kiểm soát linh hoạt và tin cậy nhằm nâng cao chất lượng điện năng và ổn định hệ thống.

Luận văn tập trung vào tối ưu hóa các thông số biến tần thông minh trong chức năng Volt-Var trên lưới điện phân phối, nhằm giảm độ lệch điện áp, tổn thất điện năng và tăng khả năng tiếp nhận công suất từ nguồn năng lượng tái tạo. Mục tiêu cụ thể là thiết kế mô hình tối ưu hóa, áp dụng thuật toán War Strategy Optimization (WSO) để tìm vị trí, công suất và thông số biến tần tối ưu cho hệ thống tích hợp điện mặt trời và hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (BESS). Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình lưới điện chuẩn IEEE 33 nút, mô phỏng trên phần mềm Matlab trong khoảng thời gian vận hành 24 giờ.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện phân phối tích hợp năng lượng tái tạo, góp phần giảm phát thải khí nhà kính, tăng cường ổn định và tin cậy hệ thống điện, đồng thời hỗ trợ phát triển bền vững ngành năng lượng 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:

  • Chức năng Volt-Var của biến tần thông minh: Đây là chức năng điều chỉnh công suất phản kháng dựa trên điện áp cục bộ nhằm ổn định điện áp lưới. Đường cong Volt-Var được mô hình hóa với các điểm cài đặt điện áp (v1, v2, v3, v4), khoảng deadband (d) và độ dốc (m), cho phép biến tần cung cấp hoặc hấp thụ công suất phản kháng phù hợp với biến động điện áp.

  • Mô hình hệ thống năng lượng tái tạo tích hợp BESS: Hệ thống bao gồm các mảng pin mặt trời (PV) và hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin lithium-ion (BESS). BESS giúp lưu trữ năng lượng dư thừa và cung cấp khi thiếu hụt, cân bằng tải, giảm biến động nguồn tái tạo và cải thiện độ ổn định lưới điện.

  • Thuật toán War Strategy Optimization (WSO): Thuật toán metaheuristic mới dựa trên chiến lược quân sự cổ xưa, mô phỏng các chiến lược tấn công và phòng thủ của quân đội để tìm kiếm lời giải tối ưu. WSO cân bằng tốt giữa khám phá và khai thác không gian tìm kiếm, có khả năng hội tụ nhanh và ổn định.

Các khái niệm chính bao gồm: công suất phản kháng, trạng thái sạc pin (SOC), cân bằng công suất, giới hạn điện áp, và các ràng buộc vận hành của lưới điện phân phối.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu bức xạ mặt trời được sử dụng lấy từ đo đạc thực tế tại trường Đại học Nevada, Las Vegas, Mỹ, cung cấp thông tin bức xạ theo giờ trong ngày. Mô hình lưới điện chuẩn IEEE 33 nút được áp dụng làm hệ thống nghiên cứu.

  • Phương pháp phân tích: Mô hình hóa hệ thống PV, BESS và biến tần thông minh được xây dựng trên Matlab. Thuật toán WSO được triển khai để tối ưu vị trí, công suất của PV và BESS, cùng các thông số Volt-Var của biến tần thông minh. Hàm mục tiêu đa mục tiêu kết hợp tối đa hóa công suất tiếp nhận từ nguồn tái tạo và tối thiểu hóa độ lệch điện áp.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 2/2023, hoàn thành mô hình và thuật toán trong tháng 4, tiến hành mô phỏng và phân tích kết quả trong tháng 5-6, hoàn thiện luận văn và bảo vệ vào tháng 7/2023.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính thực tiễn và khả năng ứng dụng cao, đồng thời cung cấp các kết quả có thể so sánh và đánh giá hiệu quả tối ưu hóa trong các kịch bản vận hành khác nhau.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tối ưu hóa vị trí và công suất PV, BESS nâng cao khả năng tiếp nhận công suất tái tạo: Kết quả mô phỏng trên lưới IEEE 33 nút cho thấy, sau tối ưu, công suất tiếp nhận từ nguồn PV tăng lên khoảng 15-20% so với trường hợp cài đặt mặc định. Việc bố trí BESS hợp lý giúp cân bằng tải và giảm tổn thất điện năng.

  2. Điện áp các nút lưới được duy trì trong giới hạn cho phép: Độ lệch điện áp trung bình giảm khoảng 30% so với trường hợp không tối ưu, đảm bảo chất lượng điện năng và ổn định hệ thống. Biểu đồ điện áp các nút tải cho thấy sự giảm đáng kể các điểm điện áp vượt ngưỡng.

  3. Thuật toán WSO hội tụ nhanh và ổn định: Thuật toán đạt giá trị tối ưu trong khoảng 50-70 vòng lặp, nhanh hơn so với một số thuật toán metaheuristic truyền thống. Đặc tính hội tụ thể hiện qua đồ thị cho thấy sự giảm dần ổn định của hàm mục tiêu.

  4. Tối ưu thông số Volt-Var của biến tần thông minh cải thiện hiệu suất hệ thống: Các thông số m và d được điều chỉnh tối ưu giúp biến tần phản ứng linh hoạt với biến động điện áp, giảm tổn thất công suất phản kháng và tăng khả năng hỗ trợ lưới điện.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các cải thiện trên là do việc tối ưu đồng thời vị trí, công suất của PV và BESS cùng với thông số biến tần thông minh giúp hệ thống vận hành hiệu quả hơn, giảm thiểu các hiện tượng quá áp hoặc sụt áp. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung tối ưu đường cong Volt-Var hoặc vị trí PV riêng lẻ, nghiên cứu này kết hợp đa mục tiêu và đa biến điều khiển, mang lại kết quả toàn diện hơn.

Kết quả phù hợp với các báo cáo ngành cho thấy tích hợp BESS và tối ưu biến tần thông minh là xu hướng phát triển quan trọng để nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối có nguồn tái tạo. Việc mô phỏng trên lưới chuẩn IEEE 33 nút giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp, có thể mở rộng áp dụng cho các lưới điện thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ điện áp theo thời gian tại các nút, đồ thị hội tụ thuật toán WSO, và bảng so sánh công suất tiếp nhận PV trước và sau tối ưu, giúp trực quan hóa hiệu quả nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thuật toán WSO trong hệ thống điều khiển lưới điện phân phối: Áp dụng thuật toán để tối ưu vị trí và công suất PV, BESS cùng thông số biến tần thông minh nhằm nâng cao hiệu quả vận hành. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng, do các đơn vị vận hành lưới điện thực hiện.

  2. Phát triển hệ thống giám sát và điều khiển biến tần thông minh từ xa: Tích hợp chức năng điều chỉnh Volt-Var tự động dựa trên dữ liệu vận hành thực tế, giúp biến tần phản ứng nhanh với biến động điện áp. Chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất biến tần và đơn vị quản lý lưới điện.

  3. Mở rộng nghiên cứu tối ưu cho các loại nguồn tái tạo khác và lưới điện quy mô lớn hơn: Nghiên cứu áp dụng cho hệ thống có nhiều nguồn gió, thủy điện nhỏ, và lưới điện đô thị phức tạp. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1-2 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học thực hiện.

  4. Xây dựng chính sách hỗ trợ tích hợp BESS và biến tần thông minh: Khuyến khích đầu tư, hỗ trợ tài chính và kỹ thuật cho các dự án năng lượng tái tạo tích hợp BESS, nhằm thúc đẩy phát triển bền vững. Chủ thể thực hiện là cơ quan quản lý nhà nước và các tổ chức liên quan.

Các giải pháp trên hướng tới mục tiêu nâng cao độ tin cậy, ổn định và hiệu quả của lưới điện phân phối trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo ngày càng mạnh mẽ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tối ưu hóa biến tần thông minh và tích hợp BESS, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các giải pháp kỹ thuật mới.

  2. Các kỹ sư vận hành và quản lý lưới điện phân phối: Tham khảo để áp dụng thuật toán tối ưu và các phương pháp điều khiển biến tần thông minh nhằm nâng cao chất lượng điện năng và ổn định hệ thống.

  3. Các nhà sản xuất và phát triển thiết bị biến tần, BESS: Nắm bắt các thông số kỹ thuật tối ưu và xu hướng phát triển biến tần thông minh, từ đó cải tiến sản phẩm phù hợp với yêu cầu vận hành hiện đại.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách năng lượng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo, tích hợp BESS và nâng cao hiệu quả lưới điện phân phối.

Mỗi nhóm đối tượng có thể ứng dụng kết quả luận văn vào thực tiễn công việc, nghiên cứu hoặc hoạch định chiến lược phát triển ngành năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Chức năng Volt-Var của biến tần thông minh là gì?
    Chức năng Volt-Var điều chỉnh công suất phản kháng dựa trên điện áp cục bộ để ổn định điện áp lưới, giúp giảm biến động và tổn thất điện năng. Ví dụ, khi điện áp tăng cao, biến tần hấp thụ công suất phản kháng để hạ điện áp.

  2. Tại sao cần tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng BESS vào lưới điện?
    BESS giúp lưu trữ năng lượng dư thừa từ nguồn tái tạo và cung cấp khi thiếu hụt, giảm biến động nguồn, cân bằng tải và tăng tính ổn định lưới. Điều này rất quan trọng khi nguồn tái tạo như mặt trời và gió không ổn định.

  3. Thuật toán War Strategy Optimization (WSO) có ưu điểm gì?
    WSO cân bằng tốt giữa khám phá và khai thác không gian tìm kiếm, hội tụ nhanh và ổn định, ít yêu cầu tính toán. Thuật toán mô phỏng chiến lược quân sự giúp tìm lời giải tối ưu hiệu quả cho các bài toán phức tạp.

  4. Làm thế nào để xác định vị trí và công suất tối ưu của PV và BESS?
    Bằng cách xây dựng mô hình toán học và áp dụng thuật toán tối ưu WSO, các biến vị trí và công suất được điều chỉnh sao cho tối đa hóa công suất tiếp nhận và giảm độ lệch điện áp, đồng thời thỏa mãn các ràng buộc vận hành.

  5. Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng thực tế như thế nào?
    Kết quả giúp các đơn vị vận hành lưới điện điều chỉnh thông số biến tần và bố trí BESS hợp lý, nâng cao hiệu quả tích hợp năng lượng tái tạo, giảm tổn thất và cải thiện chất lượng điện năng, góp phần phát triển lưới điện thông minh.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế và mô phỏng thành công mô hình tối ưu hóa thông số biến tần thông minh Volt-Var tích hợp với PV và BESS trên lưới điện phân phối chuẩn IEEE 33 nút.
  • Thuật toán War Strategy Optimization (WSO) được áp dụng hiệu quả, đạt hội tụ nhanh và ổn định, tối ưu vị trí, công suất và thông số biến tần.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng tiếp nhận công suất tái tạo tăng 15-20%, độ lệch điện áp giảm 30%, nâng cao chất lượng điện năng và ổn định hệ thống.
  • Nghiên cứu góp phần thúc đẩy phát triển bền vững năng lượng tái tạo, giảm phát thải khí nhà kính và nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện phân phối.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thử nghiệm thực tế, mở rộng nghiên cứu cho các nguồn tái tạo khác và phát triển hệ thống điều khiển biến tần thông minh tự động.

Để nâng cao hiệu quả và ứng dụng rộng rãi, các nhà nghiên cứu và đơn vị vận hành lưới điện nên tiếp tục phát triển và áp dụng các giải pháp tối ưu hóa thông số biến tần và tích hợp BESS.