Tổng quan nghiên cứu

Hoạt động vận hành lưới điện cao áp tại Thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM) đã có nhiều cải thiện trong những năm gần đây. Tuy nhiên, vào mùa khô hàng năm, tổng tải trên lưới điện tăng nhanh chóng, gây ra hiện tượng quá tải tại các đường dây truyền tải và trạm biến áp cao áp (220kV, 110kV). Theo báo cáo ngành điện, công suất cao nhất ghi nhận tại TP.HCM vào ngày 24/4/2019 đạt 4.568 MW với sản lượng điện ngày cao nhất khoảng 90 triệu kWh. Tình trạng quá tải tập trung tại một số khu vực cụ thể, làm giảm độ tin cậy cung cấp điện và tăng tổn thất điện năng.

Trong bối cảnh đó, việc tối ưu hóa vận hành lưới điện cao áp, đặc biệt là trong mùa khô, trở thành nhiệm vụ cấp thiết nhằm giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy. Nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là hệ thống điện mặt trời áp mái, được xem là giải pháp tiềm năng để bổ sung nguồn điện, giảm áp lực lên lưới truyền tải và phân phối. Tính đến ngày 5/12/2019, TP.HCM đã có hơn 5.200 khách hàng lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái với tổng công suất lắp đặt khoảng 59.276 kWp, chiếm gần 98% số khách hàng có nối lưới.

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình tối ưu vận hành lưới điện cao áp TP.HCM, xem xét ảnh hưởng của hệ thống điện mặt trời áp mái đến tổn thất, dòng tải và điện áp tại các nút lưới. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lưới điện cao áp 220kV, 110kV và trung áp 22kV tại TP.HCM, với dữ liệu thu thập từ năm 2018 đến 2019. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ các nhà quản lý và vận hành lưới điện đưa ra các quyết định tối ưu, đồng thời thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo tại địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết tối ưu hóa vận hành lưới điện (Optimal Power Flow - OPF): Mô hình OPF được sử dụng để xác định các tham số vận hành tối ưu nhằm giảm tổn thất công suất thực và phản kháng, đồng thời duy trì điện áp và dòng tải trong giới hạn cho phép.

  • Mô hình phân tích dòng tải (Load Flow Analysis): Phân tích dòng tải giúp đánh giá trạng thái điện áp, dòng điện và công suất trên từng phần tử của lưới điện, từ đó xác định các điểm quá tải hoặc điện áp không ổn định.

  • Khái niệm tổn thất điện năng: Bao gồm tổn thất công suất thực và phản kháng trên các đường dây và thiết bị biến áp, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả vận hành và chi phí cung cấp điện.

  • Hệ thống điện mặt trời áp mái (Rooftop PV Systems): Được xem như nguồn phát phân tán, ảnh hưởng đến dòng tải và điện áp tại các nút lưới trung áp và cao áp.

  • Các chỉ tiêu vận hành lưới điện: Độ tin cậy cung cấp điện, tỷ lệ tổn thất, dòng tải tối đa, điện áp tại các nút.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ hệ thống SCADA của lưới điện TP.HCM, bao gồm thông số dòng tải, điện áp, công suất phát và tiêu thụ tại các trạm biến áp 220kV, 110kV và 22kV trong giai đoạn 2018-2019. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 15 trạm biến áp 220/110/22kV, 56 trạm biến áp 110/22kV và hơn 5.200 khách hàng lắp đặt hệ thống điện mặt trời áp mái.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm ETAP để xây dựng mô hình lưới điện cao áp TP.HCM, thực hiện tính toán tối ưu dòng tải (Optimal Power Flow) với các mục tiêu: giảm tổn thất công suất thực, giảm tổn thất công suất phản kháng và tối ưu điều khiển các thiết bị trên lưới. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các trạm biến áp trọng điểm và khu vực có mật độ lắp đặt điện mặt trời áp mái cao.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline: thu thập dữ liệu (6 tháng), xây dựng mô hình và phân tích (4 tháng), đánh giá kết quả và đề xuất giải pháp (2 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của hệ thống điện mặt trời áp mái đến tổn thất điện năng:
    Khi tỷ lệ công suất điện mặt trời áp mái tăng từ 0% đến 100% công suất lắp đặt, tổn thất công suất thực trên lưới giảm từ khoảng 78,3 MW xuống còn 63,3 MW, tương đương giảm 19,1%. Tổn thất công suất phản kháng cũng giảm tương ứng từ 67,4 MVAR xuống 58,5 MVAR.

  2. Điện áp tại các nút lưới được cải thiện:
    Điện áp trung bình tại các nút biến áp 22kV tăng từ 95,8% lên 97,7% khi công suất điện mặt trời áp mái đạt 100%, giúp giảm nguy cơ điện áp thấp và cải thiện chất lượng điện năng.

  3. Dòng tải tại các trạm biến áp trung gian giảm đáng kể:
    Dòng tải tối đa tại các máy biến áp 110/22kV giảm từ 91% xuống còn khoảng 85% dòng định mức khi có sự đóng góp của nguồn điện mặt trời áp mái, giảm nguy cơ quá tải và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

  4. Tác động tích cực đến độ tin cậy cung cấp điện:
    Việc bổ sung nguồn điện mặt trời áp mái giúp giảm áp lực lên lưới truyền tải, giảm thiểu sự cố quá tải và mất điện cục bộ, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho khu vực TP.HCM.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm tổn thất và cải thiện điện áp là do nguồn điện mặt trời áp mái cung cấp một phần công suất tiêu thụ tại các nút trung áp, giảm dòng tải trên các đường dây truyền tải và biến áp cao áp. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu gần đây về tác động tích cực của nguồn phát phân tán đến vận hành lưới điện đô thị.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, tỷ lệ giảm tổn thất đạt được trong nghiên cứu này tương đối cao, do mật độ lắp đặt điện mặt trời áp mái tại TP.HCM đang tăng nhanh và được quản lý tốt. Việc sử dụng phần mềm ETAP giúp mô phỏng chính xác các điều kiện vận hành thực tế, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu phù hợp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa tỷ lệ công suất điện mặt trời áp mái và tổn thất công suất, cũng như bảng số liệu điện áp và dòng tải tại các nút chính trong lưới điện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường khuyến khích phát triển điện mặt trời áp mái:
    Đẩy mạnh chính sách hỗ trợ về tài chính và kỹ thuật nhằm tăng tỷ lệ lắp đặt điện mặt trời áp mái lên ít nhất 20% tổng công suất tiêu thụ trong 5 năm tới, giúp giảm tổn thất và áp lực lên lưới truyền tải.

  2. Xây dựng hệ thống quản lý và giám sát nguồn phát phân tán:
    Triển khai hệ thống SCADA mở rộng cho các nguồn điện mặt trời áp mái để theo dõi và điều khiển linh hoạt, đảm bảo vận hành ổn định và tối ưu hóa công suất phát.

  3. Nâng cấp và bảo trì các trạm biến áp trung gian:
    Tập trung đầu tư nâng cấp các trạm biến áp 110/22kV có dòng tải cao, đồng thời thực hiện bảo trì định kỳ để giảm thiểu sự cố và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

  4. Phát triển mô hình tối ưu vận hành lưới điện tích hợp nguồn tái tạo:
    Áp dụng rộng rãi mô hình tối ưu dòng tải (OPF) trên phần mềm ETAP hoặc tương đương để hỗ trợ quyết định vận hành, giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy trong thời gian thực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và vận hành lưới điện:
    Hỗ trợ trong việc xây dựng chiến lược vận hành tối ưu, giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

  2. Các nhà hoạch định chính sách năng lượng:
    Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển chính sách khuyến khích năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện mặt trời áp mái.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện:
    Là tài liệu tham khảo về mô hình tối ưu vận hành lưới điện tích hợp nguồn phát phân tán và ứng dụng phần mềm ETAP.

  4. Các doanh nghiệp phát triển năng lượng tái tạo:
    Hiểu rõ tác động của hệ thống điện mặt trời áp mái đến lưới điện, từ đó tối ưu thiết kế và vận hành hệ thống.

Câu hỏi thường gặp

  1. Điện mặt trời áp mái ảnh hưởng như thế nào đến tổn thất điện năng?
    Điện mặt trời áp mái cung cấp công suất tại điểm tiêu thụ, giảm dòng tải trên đường dây và biến áp, từ đó giảm tổn thất công suất thực và phản kháng trên lưới.

  2. Mô hình tối ưu dòng tải (OPF) được áp dụng ra sao trong nghiên cứu?
    OPF được xây dựng trên phần mềm ETAP với mục tiêu giảm tổn thất, duy trì điện áp và dòng tải trong giới hạn, đồng thời xem xét ảnh hưởng của nguồn điện mặt trời áp mái.

  3. Tại sao cần nâng cấp các trạm biến áp trung gian?
    Các trạm biến áp trung gian thường chịu tải cao vào mùa khô, dễ xảy ra quá tải và hư hỏng, việc nâng cấp giúp tăng khả năng vận hành và giảm sự cố.

  4. Làm thế nào để giám sát hiệu quả nguồn điện mặt trời áp mái?
    Triển khai hệ thống SCADA mở rộng cho các nguồn phát phân tán, cho phép theo dõi, điều khiển và tối ưu công suất phát theo thời gian thực.

  5. Tỷ lệ lắp đặt điện mặt trời áp mái hiện nay tại TP.HCM là bao nhiêu?
    Tính đến cuối năm 2019, TP.HCM có hơn 5.200 khách hàng lắp đặt với tổng công suất khoảng 59.276 kWp, chiếm gần 98% số khách hàng có nối lưới điện mặt trời áp mái.

Kết luận

  • Vận hành lưới điện cao áp TP.HCM vào mùa khô gặp nhiều thách thức do tăng tải và quá tải cục bộ tại các trạm biến áp trung gian.
  • Hệ thống điện mặt trời áp mái đóng vai trò quan trọng trong việc giảm tổn thất điện năng và cải thiện điện áp tại các nút lưới trung áp.
  • Mô hình tối ưu dòng tải trên phần mềm ETAP giúp xác định các giải pháp vận hành hiệu quả, giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy.
  • Đề xuất các giải pháp phát triển điện mặt trời áp mái, nâng cấp trạm biến áp và hệ thống giám sát để đảm bảo vận hành lưới điện ổn định.
  • Nghiên cứu mở ra hướng đi cho việc tích hợp năng lượng tái tạo vào lưới điện đô thị, góp phần phát triển bền vững ngành điện Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị quản lý lưới điện cần triển khai áp dụng mô hình tối ưu vận hành, đồng thời phối hợp với các cơ quan chức năng thúc đẩy phát triển điện mặt trời áp mái. Để biết thêm chi tiết và ứng dụng thực tiễn, quý độc giả vui lòng liên hệ để nhận bản đầy đủ luận văn.