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, trong đó năng lượng mặt trời chiếm tới 60% tổng công suất mới, vượt qua cả năng lượng gió và thủy điện. Tại Việt Nam, đặc biệt là thành phố Hồ Chí Minh, trong 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 (Distributed Generation - DG) từ các nguồn 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 bài toán tối ưu hóa vị trí, công suất của nguồn PV và hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin (Battery Energy Storage System - BESS), đồng thời tối ưu các thông số điều khiển của biến tần thông minh. Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình lưới điện chuẩn IEEE 33 nút, mô phỏng trên phần mềm Matlab, với dữ liệu bức xạ mặt trời thực tế từ trường Đại học Nevada, Las Vegas. Kết quả 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 và thúc đẩy phát triển bền vững.

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 điều khiển Volt-Var được mô hình hóa với các điểm cài đặt (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 lưu trữ năng lượng BESS: BESS sử dụng pin lithium-ion để lưu trữ năng lượng dư thừa từ nguồn tái tạo và cung cấp khi cần thiết, giúp cân bằng tải và ổn định lưới điện. Trạng thái sạc (State of Charge - SOC) được tính toán chi tiết để đảm bảo tuổi thọ và hiệu suất của pin.

  • Thuật toán War Strategy Optimization (WSO): Thuật toán tối ưu 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, được áp dụng để tối ưu vị trí, công suất PV, BESS và thông số biến tần.

Các khái niệm chính bao gồm: công suất tác dụng và phản kháng, cân bằng công suất trong lưới điện, giới hạn điện áp và công suất truyền tải, trạng thái sạc pin, và các điều kiện ràng buộc vận hành của hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu bức xạ mặt trời thực tế được lấy từ trường Đại học Nevada, Las Vegas, cung cấp thông tin bức xạ theo thời gian để mô phỏng công suất đầu ra của hệ thống PV.

  • Mô hình hóa và mô phỏng: Mô hình lưới điện phân phối chuẩn IEEE 33 nút được xây dựng trên phần mềm Matlab. Hệ thống bao gồm các nguồn PV, BESS, biến tần thông minh và các tải tiêu thụ.

  • Phương pháp phân tích: Thuật toán WSO được sử dụng để tối ưu hóa đa mục tiêu, bao gồm tối đa hóa công suất tiếp nhận từ nguồn tái tạo và tối thiểu hóa độ lệch điện áp trên lưới. Các biến điều khiển gồm vị trí và công suất của PV, vị trí và dung lượng BESS, cùng các thông số điều khiển biến tần (m, d).

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 2/2023 với việc thu thập dữ liệu và xây dựng mô hình, tiếp theo là phát triển thuật toán và chạy mô phỏng đến tháng 6/2023, cuối cùng phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính thực tiễn và khả năng ứng dụng cao, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học vững chắc cho việc tối ưu hóa hệ thống điện phân phối tích hợp năng lượng tái tạo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tối ưu vị trí và công suất PV, BESS nâng cao khả năng tiếp nhận công suất tái tạo: Qua 6 kịch bản vận hành, thuật toán WSO đã xác định được vị trí và công suất tối ưu cho các nguồn PV và BESS, giúp tăng công suất tiếp nhận lên đến khoảng 15-20% so với cấu hình mặc định. Ví dụ, trong trường hợp 2, công suất PV tiếp nhận đạt 9,5 MW trên tổng công suất 10 MW, tăng 18% so với không tối ưu.

  2. Giảm độ lệch điện áp trên lưới phân phối: Độ lệch điện áp trung bình trên các nút lưới giảm từ 5% xuống còn dưới 2%, đảm bảo điện áp tại các nút luôn nằm trong giới hạn cho phép (±5%). Biểu đồ điện áp các nút trong các trường hợp mô phỏng cho thấy sự ổn định rõ rệt khi áp dụng tối ưu thông số biến tần.

  3. Tối ưu thông số biến tần Volt-Var cải thiện hiệu suất hệ thống: Các thông số điều khiển (m, d) được điều chỉnh giúp biến tần thông minh cung cấp công suất phản kháng phù hợp, giảm tổn thất điện năng khoảng 10% so với cấu hình mặc định. Điều này góp phần nâng cao hiệu quả truyền tải và giảm hao phí.

  4. Thuật toán WSO hội tụ nhanh và ổn định: Đặc tính hội tụ của thuật toán cho thấy sau khoảng 100 vòng lặp, giá trị hàm mục tiêu đạt mức tối ưu ổn định, vượt trội so với các thuật toán metaheuristic truyền thống như PSO hay GWO.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các cải thiện trên là do việc đồng thời tối ưu vị trí, công suất nguồn tái tạo và thông số biến tần thông minh giúp cân bằng công suất và điện áp hiệu quả hơn. 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 hiệu quả toàn diện hơn.

Kết quả phù hợp với các báo cáo ngành cho thấy tích hợp BESS và tối ưu biến tần giúp giảm tổn thất và tăng khả năng tiếp nhận năng lượng tái tạo. Việc mô phỏng trên lưới chuẩn IEEE 33 nút cũng đảm bảo tính khả thi và khả năng áp dụng trong thực tế.

Biểu đồ điện áp và công suất phản kháng minh họa rõ sự ổn định và hiệu quả của hệ thống sau tối ưu, đồng thời các bảng số liệu so sánh cho thấy mức giảm tổn thất và tăng công suất tiếp nhận có ý nghĩa thống kê.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống biến tần thông minh với chức năng Volt-Var tối ưu: Các nhà vận hành lưới điện nên áp dụng các thông số điều khiển biến tần được tối ưu hóa nhằm giảm độ lệch điện áp và tổn thất điện năng, nâng cao chất lượng điện năng. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, phối hợp với các nhà cung cấp thiết bị.

  2. Tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng BESS tại các vị trí chiến lược: Đề xuất lắp đặt BESS tại các nút lưới có tải cao hoặc biến động lớn để cân bằng tải và hỗ trợ điều chỉnh điện áp. Mục tiêu tăng khả năng tiếp nhận công suất tái tạo lên ít nhất 15% trong 2 năm tới.

  3. Áp dụng thuật toán tối ưu WSO trong quy hoạch lưới điện phân phối: Các đơn vị nghiên cứu và phát triển công nghệ nên tích hợp thuật toán WSO vào phần mềm mô phỏng và quy hoạch lưới để tối ưu hóa vị trí, công suất và thông số thiết bị. Thời gian triển khai thử nghiệm trong 6-12 tháng.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho cán bộ vận hành lưới điện: Tổ chức các khóa đào tạo về biến tần thông minh, chức năng Volt-Var và quản lý BESS nhằm nâng cao năng lực vận hành và bảo trì hệ thống. Kế hoạch đào tạo liên tục hàng năm.

  5. Theo dõi và đánh giá hiệu quả vận hành sau triển khai: Thiết lập hệ thống giám sát và thu thập dữ liệu vận hành để đánh giá hiệu quả thực tế, từ đó điều chỉnh thông số và chiến lược vận hành phù hợp. Thời gian theo dõi tối thiểu 12 tháng sau khi triển khai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tối ưu hóa hiện đại, giúp nâng cao kiến thức về tích hợp năng lượng tái tạo và biến tần thông minh.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành lưới điện phân phối: Tham khảo để áp dụng các giải pháp tối ưu hóa vị trí, công suất và thông số biến tần nhằm cải thiện chất lượng điện năng và ổn định hệ thống.

  3. Các nhà hoạch định chính sách và quản lý năng lượng: Cung cấp dữ liệu và phân tích giúp xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo và hệ thống lưu trữ năng lượng hiệu quả, góp phần giảm phát thải và bảo vệ môi trường.

  4. Các nhà sản xuất và cung cấp thiết bị biến tần, BESS: Tham khảo để phát triển sản phẩm biến tần thông minh với chức năng Volt-Var tối ưu, đáp ứng nhu cầu vận hành lưới điện hiện đại và tích hợp năng lượng tái tạo.

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, giảm dao 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 về mức cho phép.

  2. Tại sao cần tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng BESS?
    BESS giúp lưu trữ năng lượng dư thừa từ nguồn tái tạo và cung cấp khi thiếu hụt, giảm biến động công suất và điện áp, nâng cao độ tin cậy và ổn định lưới điện. Trong thực tế, BESS còn hỗ trợ cắt đỉnh và dịch chuyển tải hiệu quả.

  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 hơn so với các thuật toán metaheuristic truyền thống, giúp tìm lời giải tối ưu cho bài toán phức tạp như tối ưu vị trí và công suất PV, BESS cùng thông số biến tần.

  4. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả của việc tối ưu thông số biến tần?
    Hiệu quả được đánh giá qua các chỉ số như giảm độ lệch điện áp, tăng công suất tiếp nhận từ nguồn tái tạo, giảm tổn thất điện năng và cải thiện độ ổn định lưới. Các kết quả mô phỏng trên lưới chuẩn IEEE 33 nút cho thấy sự cải thiện rõ rệt.

  5. Phạm vi áp dụng của nghiên cứu này là gì?
    Nghiên cứu tập trung vào lưới điện phân phối chuẩn IEEE 33 nút, tích hợp nguồn năng lượng mặt trời và BESS, tối ưu thông số biến tần thông minh. Phù hợp với các hệ thống phân phối có mức độ thâm nhập năng lượng tái tạo cao, đặc biệt tại các đô thị lớn như TP. Hồ Chí Minh.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế và triển khai thành công mô hình tối ưu hóa đa mục tiêu cho vị trí, công suất PV, BESS và thông số biến tần Volt-Var trên lưới điện phân phối chuẩn IEEE 33 nút.
  • Thuật toán WSO được áp dụng hiệu quả, đạt sự hội tụ nhanh và ổn định, nâng cao khả năng tiếp nhận công suất tái tạo và giảm tổn thất điện năng.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy độ lệch điện áp giảm đáng kể, đảm bảo chất lượng điện năng và ổn định hệ thống.
  • Nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng biến tần thông minh và hệ thống lưu trữ năng lượng trong lưới điện hiện đại, hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo bền vững.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế, mở rộng nghiên cứu cho các loại lưới điện khác và phát triển thuật toán tối ưu đa mục tiêu nâng cao.

Hành động đề xuất: Các nhà nghiên cứu và đơn vị vận hành lưới điện nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện phân phối tích hợp năng lượng tái tạo.