Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện trên huyện đảo Phú Quý là một mô hình thực tế vận hành hệ thống hỗn hợp gió-mặt trời-diesel độc lập, phục vụ nhu cầu sinh hoạt và sản xuất của cư dân địa phương. Theo số liệu thu thập trong một năm, phụ tải trên đảo có đặc điểm thấp vào khoảng thời gian từ 23h đến 6h sáng, dẫn đến việc công suất phát từ điện gió phải cắt giảm để cân bằng công suất, gây lãng phí năng lượng tái tạo. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tối ưu hóa hệ thống Microgrid trên đảo Phú Quý bằng cách tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) và áp dụng giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA) nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo, giảm chi phí vận hành và tăng độ tin cậy cung cấp điện.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình Microgrid độc lập trên đảo Phú Quý, với dữ liệu vận hành thực tế thu thập trong năm 2021, sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng và tối ưu hóa hệ thống. Luận văn có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp năng lượng bền vững cho các khu vực hẻo lánh, góp phần giảm phát thải khí nhà kính và nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống điện đảo. Các chỉ số đánh giá chính bao gồm chi phí vòng đời hệ thống, độ tin cậy cung cấp điện và tỷ lệ thâm nhập năng lượng tái tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: mô hình hệ thống Microgrid và giải thuật di truyền (GA). Microgrid được định nghĩa là hệ thống lưới điện nhỏ gần tải tiêu thụ, kết hợp các nguồn năng lượng phân tán như điện gió, điện mặt trời, máy phát diesel và hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS). Microgrid có thể vận hành ở chế độ độc lập hoặc nối lưới, với mục tiêu tối ưu hóa công suất, duy trì ổn định điện áp và giảm tổn thất truyền tải.

Giải thuật di truyền là phương pháp tối ưu hóa dựa trên nguyên lý tiến hóa sinh học, sử dụng các phép toán chọn lọc, lai ghép và đột biến để tìm kiếm lời giải tối ưu cho bài toán đa mục tiêu. Trong nghiên cứu này, GA được áp dụng để tối ưu hóa chi phí vòng đời hệ thống (LCC) và độ tin cậy cung cấp điện (REL), đồng thời xác định các biến quyết định như công suất lắp đặt PV, tuabin gió, ESS và các tham số vận hành.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

  • Microgrid (MG): hệ thống điện nhỏ gần tải, kết hợp nhiều nguồn năng lượng phân tán.
  • Energy Storage System (ESS): hệ thống lưu trữ năng lượng, chủ yếu sử dụng pin để cân bằng công suất và tăng tính ổn định.
  • Genetic Algorithm (GA): thuật toán tối ưu dựa trên tiến hóa sinh học.
  • Chi phí vòng đời (LCC): tổng chi phí đầu tư, vận hành, bảo trì và thay thế trong suốt vòng đời dự án.
  • Độ tin cậy (REL): tỷ lệ thời gian hệ thống có thể cung cấp điện đầy đủ cho phụ tải.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là số liệu vận hành thực tế của hệ thống điện đảo Phú Quý trong năm 2021, bao gồm công suất phát điện từ các nguồn gió, mặt trời, diesel và phụ tải tiêu thụ theo giờ. Dữ liệu này được sử dụng để xây dựng mô hình toán học các thành phần trong Microgrid: máy phát diesel, tuabin gió, pin mặt trời và hệ thống lưu trữ năng lượng.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng và tối ưu hóa bằng phần mềm MATLAB, sử dụng giải thuật di truyền đa mục tiêu (gamultiobj) để tìm ra cấu hình hệ thống tối ưu về chi phí và độ tin cậy. Cỡ mẫu thuật toán được thiết lập với kích thước quần thể và số thế hệ phù hợp nhằm đảm bảo hội tụ và đa dạng giải pháp. Các biến quyết định gồm: độ nghiêng và góc phương vị của PV, công suất lắp đặt PV, chiều cao và công suất tuabin gió, công suất ESS.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2022, bao gồm các bước thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, lập trình thuật toán, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tối ưu hóa chi phí vòng đời (LCC): Việc tích hợp ESS giúp giảm chi phí vòng đời hệ thống từ khoảng 271 tỷ đồng xuống còn khoảng 230 tỷ đồng, tương đương giảm khoảng 15%. Chi phí vận hành máy phát diesel giảm đáng kể do giảm thời gian hoạt động.

  2. Tăng độ tin cậy cung cấp điện (REL): Độ tin cậy của hệ thống tăng từ khoảng 85% lên trên 95% khi sử dụng ESS, nhờ khả năng lưu trữ và cung cấp điện trong các thời điểm phụ tải cao hoặc nguồn tái tạo thấp.

  3. Tăng tỷ lệ thâm nhập năng lượng tái tạo: Sản lượng điện từ nguồn gió và mặt trời tăng lên khoảng 40% so với trước khi có ESS, giúp giảm phụ thuộc vào nguồn diesel truyền thống.

  4. Giảm lãng phí năng lượng gió: ESS giúp lưu trữ năng lượng dư thừa vào ban đêm khi phụ tải thấp, giảm cắt giảm công suất gió từ khoảng 20% xuống dưới 5%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các cải thiện trên là do ESS đóng vai trò như bộ đệm năng lượng, giúp cân bằng công suất giữa nguồn phát và phụ tải, đặc biệt trong các khoảng thời gian phụ tải thấp hoặc biến động nguồn tái tạo. So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này phù hợp với xu hướng ứng dụng ESS để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của Microgrid.

Việc sử dụng giải thuật di truyền đa mục tiêu cho phép cân bằng giữa chi phí và độ tin cậy, đồng thời tìm ra cấu hình hệ thống tối ưu với các biến quyết định đa dạng. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố công suất theo thời gian, bảng so sánh chi phí và độ tin cậy trước và sau khi tích hợp ESS, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) quy mô phù hợp: Ưu tiên đầu tư ESS với công suất tối ưu theo kết quả mô phỏng, nhằm giảm chi phí vận hành và tăng độ tin cậy trong vòng 2-3 năm tới. Chủ thể thực hiện: Tổng Công ty Điện lực miền Nam và Công ty Điện lực Bình Thuận.

  2. Áp dụng giải thuật di truyền trong quản lý vận hành Microgrid: Sử dụng GA để tối ưu hóa liên tục các tham số vận hành, giúp điều phối hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo và diesel. Thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn vận hành hiện tại.

  3. Nâng cao công suất nguồn năng lượng tái tạo: Mở rộng công suất điện mặt trời và điện gió dựa trên kết quả tối ưu, nhằm tăng tỷ lệ thâm nhập năng lượng sạch trong vòng 5 năm tới. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án năng lượng tái tạo địa phương.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về quản lý Microgrid và thuật toán tối ưu cho đội ngũ kỹ thuật, đảm bảo vận hành hiệu quả và bền vững. Thời gian: trong 1 năm đầu sau khi triển khai ESS.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý ngành điện lực: Giúp hiểu rõ về giải pháp tối ưu hóa Microgrid, từ đó hoạch định chính sách phát triển năng lượng tái tạo và lưu trữ năng lượng phù hợp.

  2. Kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện: Áp dụng các mô hình và thuật toán tối ưu trong quản lý vận hành hệ thống Microgrid thực tế, nâng cao hiệu quả và độ tin cậy.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện: Tham khảo phương pháp mô hình hóa, mô phỏng và ứng dụng giải thuật di truyền trong bài toán tối ưu hệ thống điện phân tán.

  4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp năng lượng tái tạo: Đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của việc tích hợp ESS vào hệ thống điện đảo, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giải thuật di truyền là gì và tại sao được chọn cho bài toán này?
    Giải thuật di truyền là phương pháp tối ưu hóa dựa trên nguyên lý tiến hóa sinh học, giúp tìm kiếm lời giải tối ưu trong không gian lớn và phức tạp. Nó phù hợp với bài toán đa mục tiêu và biến quyết định đa dạng trong tối ưu hóa Microgrid.

  2. Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) có vai trò gì trong Microgrid?
    ESS giúp lưu trữ năng lượng dư thừa từ nguồn tái tạo khi phụ tải thấp và cung cấp điện khi nguồn tái tạo không đủ, từ đó tăng độ tin cậy và giảm chi phí vận hành máy phát diesel.

  3. Phạm vi nghiên cứu có áp dụng được cho các đảo khác không?
    Phương pháp và mô hình có thể áp dụng cho các đảo hoặc khu vực hẻo lánh có đặc điểm tương tự về nguồn năng lượng và phụ tải, tuy nhiên cần điều chỉnh tham số phù hợp với điều kiện địa phương.

  4. Chi phí đầu tư cho ESS có đáng kể không?
    Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cho ESS khá cao, nhưng theo mô phỏng, tổng chi phí vòng đời hệ thống giảm khoảng 15% nhờ tiết kiệm nhiên liệu và tăng hiệu quả vận hành.

  5. Làm thế nào để đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện trong Microgrid?
    Bằng cách tích hợp ESS và sử dụng thuật toán tối ưu để điều phối nguồn phát, hệ thống có thể đáp ứng phụ tải liên tục, giảm thiểu thời gian mất điện và tăng độ tin cậy lên trên 95%.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình tối ưu hóa hệ thống Microgrid cho đảo Phú Quý, tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng và áp dụng giải thuật di truyền đa mục tiêu.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy ESS giúp giảm chi phí vòng đời hệ thống khoảng 15%, tăng độ tin cậy cung cấp điện từ 85% lên trên 95%.
  • Tỷ lệ thâm nhập năng lượng tái tạo được nâng cao, giảm đáng kể sự phụ thuộc vào nguồn diesel truyền thống.
  • Phương pháp và kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các hệ thống Microgrid tương tự tại các khu vực hẻo lánh khác.
  • Đề xuất triển khai ESS và áp dụng giải thuật di truyền trong quản lý vận hành hệ thống nhằm nâng cao hiệu quả và bền vững trong tương lai.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực tế hệ thống ESS trên đảo Phú Quý, đồng thời phát triển phần mềm quản lý vận hành dựa trên giải thuật di truyền.

Call-to-action: Các đơn vị quản lý và nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo nên phối hợp để ứng dụng kết quả nghiên cứu, thúc đẩy phát triển hệ thống Microgrid bền vững cho các đảo và vùng sâu vùng xa.