Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo mạnh mẽ tại Việt Nam, đặc biệt là năng lượng mặt trời mái nhà, việc tối ưu hóa vận hành lưới điện phân phối trở thành vấn đề cấp thiết. Tại Thành phố Hồ Chí Minh (TPHCM), tính đến đầu năm 2021, có khoảng 14.299 hệ thống điện mặt trời mái nhà nối lưới với tổng công suất 365,349 kWp, sản lượng phát ngược lên lưới đạt khoảng 75 triệu kWh. Dự kiến đến năm 2025, mỗi năm TPHCM sẽ phát triển thêm từ 150 – 200 MWp điện mặt trời mái nhà. Sự gia tăng nhanh chóng này đặt ra thách thức lớn trong việc vận hành lưới điện phân phối, đặc biệt là kiểm soát tổn thất điện năng và đảm bảo chất lượng điện áp.

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu bài toán tối ưu hóa phân bố công suất (Optimal Power Flow - OPF) trên lưới điện phân phối điển hình khu vực TPHCM, trước và sau khi có sự tham gia của hệ thống điện mặt trời nối lưới. Luận văn tập trung phân tích các tác động về trào lưu công suất và tổn thất công suất trên lưới điện phân phối, dựa trên dữ liệu vận hành thực tế và mô phỏng bằng phần mềm ETAP. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các tuyến dây trung và hạ áp điển hình tại TPHCM trong giai đoạn 2021, với mục tiêu giảm tổn thất điện năng, nâng cao hiệu quả vận hành và hỗ trợ kế hoạch phát triển năng lượng tái tạo của Tổng công ty Điện lực TPHCM.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp vận hành tối ưu, giúp giảm tổn thất điện năng hiện tại (3,41% năm 2020) và đạt các mục tiêu giảm tổn thất theo kế hoạch giai đoạn 2021-2025. Đồng thời, nghiên cứu góp phần đảm bảo chất lượng điện áp, ổn định tần số và nâng cao độ tin cậy của lưới điện phân phối trong bối cảnh nguồn năng lượng mặt trời ngày càng thâm nhập sâu rộng.

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:

  • Lý thuyết trào lưu công suất (Power Flow Analysis): Phân tích dòng điện, điện áp và công suất trên lưới điện phân phối nhằm đánh giá trạng thái vận hành hiện tại và dự báo các kịch bản vận hành khi có nguồn năng lượng mặt trời tham gia.
  • Mô hình phân bố công suất tối ưu (Optimal Power Flow - OPF): Tối ưu hóa các biến điều khiển như nấc máy biến thế, công suất phản kháng để giảm tổn thất điện năng và duy trì điện áp trong giới hạn cho phép.
  • Khái niệm về tổn thất điện năng (Power Losses): Bao gồm tổn thất trên đường dây trung thế, hạ thế và máy biến thế phân phối, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả vận hành lưới điện.
  • Ảnh hưởng của năng lượng mặt trời mái nhà (Photovoltaic - PV) lên lưới điện: Bao gồm các vấn đề về dao động điện áp, mất cân bằng pha, sóng hài, nhấp nháy điện áp và tác động đến thiết bị bảo vệ.
  • Tiêu chuẩn kỹ thuật và quy định vận hành: Áp dụng các quy định về tần số, điện áp, sóng hài, bảo vệ và nối đất theo Thông tư 39/2015/TT-BCT và Thông tư 30/2019/TT-BCT.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu vận hành thực tế từ Trung tâm Điều độ Hệ thống điện TPHCM và Tổng công ty Điện lực TPHCM, bao gồm thông số kỹ thuật lưới điện, công suất phụ tải, công suất phát PV, tổn thất điện năng và các thông số vận hành tháng 4/2021.
  • Mô hình hóa: Xây dựng mô hình lưới điện phân phối điển hình khu vực TPHCM với các thành phần chính như nguồn lưới 110kV, thanh cái, cáp ngầm, máy biến thế phân phối, phụ tải và hệ thống điện mặt trời mái nhà.
  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm ETAP để mô phỏng trào lưu công suất và thực hiện bài toán phân bố công suất tối ưu (OPF) với mục tiêu giảm tổn thất điện năng và duy trì điện áp trong giới hạn kỹ thuật.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô phỏng hai tuyến dây điển hình (tuyến dây 479 Bình Triệu và tuyến dây 481 Tam Phú) đại diện cho lưới điện phân phối TPHCM, với dữ liệu phụ tải và công suất PV theo từng khung giờ trong ngày.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2021, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của PV đến trào lưu công suất:
    Mô phỏng cho thấy khi có sự tham gia của hệ thống điện mặt trời mái nhà, trào lưu công suất trên các tuyến dây phân phối thay đổi rõ rệt. Ví dụ, trên tuyến dây 479 Bình Triệu, công suất ngược chiều xuất hiện vào các khung giờ cao điểm PV phát công suất, làm giảm tải cho nguồn lưới chính. Tỷ lệ công suất phát PV chiếm khoảng 20-30% công suất phụ tải tại các thời điểm đỉnh.

  2. Giảm tổn thất điện năng:
    Kết quả tính toán tổn thất điện năng cho thấy, khi áp dụng bài toán tối ưu hóa phân bố công suất với sự tham gia của PV, tổn thất điện năng giảm khoảng 5-7% so với trường hợp không có PV. Cụ thể, tổn thất trên tuyến dây 481 Tam Phú giảm từ 3,16% xuống còn khoảng 2,95%.

  3. Điện áp vận hành được cải thiện:
    Việc tối ưu hóa vận hành giúp duy trì điện áp tại các điểm đấu nối trong giới hạn cho phép (+10%/-5%), giảm hiện tượng quá áp và thấp áp do dao động công suất PV. Điện áp dọc tuyến dây được phân bố đồng đều hơn, hạn chế nhấp nháy và mất cân bằng pha.

  4. Ảnh hưởng đến thiết bị bảo vệ:
    Mặc dù PV có thể làm thay đổi dòng sự cố và ảnh hưởng đến phối hợp bảo vệ, nghiên cứu cho thấy dòng sự cố do PV đóng góp không vượt quá 1,5 lần dòng định mức, không gây ra sự cố nghiêm trọng trong hệ thống bảo vệ hiện tại. Tuy nhiên, cần điều chỉnh các thông số bảo vệ để thích ứng với sự thay đổi này.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do nguồn điện mặt trời mái nhà cung cấp công suất tại chỗ, giảm tải cho lưới điện truyền tải và phân phối, từ đó giảm tổn thất điện năng và cải thiện điện áp. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về tác động tích cực của PV phân tán khi được quản lý và vận hành tối ưu.

So sánh với các nghiên cứu khác, mức giảm tổn thất điện năng 5-7% là tương đối khả quan, đặc biệt trong bối cảnh lưới điện phân phối TPHCM có tổn thất điện năng trung bình khoảng 3,41%. Việc duy trì điện áp trong giới hạn kỹ thuật cũng góp phần nâng cao độ tin cậy và chất lượng điện năng, giảm thiểu rủi ro ngắt kết nối PV do quá áp hoặc thấp áp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ điện áp dọc tuyến dây, biểu đồ trào lưu công suất theo khung giờ và bảng so sánh tổn thất điện năng giữa các kịch bản vận hành. Các biểu đồ này minh họa rõ sự cải thiện về điện áp và tổn thất khi áp dụng tối ưu hóa vận hành có xét đến PV.

Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ ra một số thách thức như sự mất cân bằng pha do PV đấu nối không đồng đều, ảnh hưởng đến điều khiển điện áp và bảo vệ. Do đó, cần có các giải pháp kỹ thuật bổ sung để đảm bảo vận hành ổn định.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống điều khiển và giám sát thông minh:
    Áp dụng hệ thống SCADA và EMS tích hợp chức năng tối ưu hóa phân bố công suất (OPF) để điều chỉnh nấc máy biến thế và công suất phản kháng theo thời gian thực, nhằm giảm tổn thất điện năng và duy trì điện áp ổn định. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể: Tổng công ty Điện lực TPHCM.

  2. Phát triển quy trình vận hành tối ưu có xét đến PV:
    Xây dựng lưu đồ vận hành và hướng dẫn kỹ thuật cho các đơn vị vận hành lưới điện phân phối, bao gồm các kịch bản vận hành khi có sự tham gia của PV, đảm bảo phối hợp bảo vệ và kiểm soát điện áp hiệu quả. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể: Trung tâm Điều độ Hệ thống điện TPHCM.

  3. Nâng cấp thiết bị bảo vệ và điều chỉnh thông số:
    Rà soát và điều chỉnh các thông số relay quá dòng, máy cắt và thiết bị bảo vệ khác để thích ứng với dòng sự cố thay đổi do PV, đảm bảo an toàn và độ tin cậy hệ thống. Thời gian thực hiện: 1 năm. Chủ thể: Các công ty điện lực trực thuộc EVNHCMC.

  4. Khuyến khích cân bằng pha trong đấu nối PV:
    Xây dựng chính sách và hướng dẫn kỹ thuật để phân bổ PV cân bằng trên các pha, giảm thiểu mất cân bằng điện áp và cải thiện chất lượng điện năng. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể: Sở Công Thương, EVNHCMC.

  5. Tăng cường đào tạo và nâng cao nhận thức:
    Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về vận hành lưới điện có PV cho cán bộ kỹ thuật và vận hành, nâng cao năng lực quản lý và xử lý sự cố. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể: Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, EVNHCMC.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên viên vận hành lưới điện phân phối:
    Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về tối ưu hóa vận hành lưới điện có PV, giúp cải thiện hiệu quả vận hành và giảm tổn thất điện năng.

  2. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng:
    Thông tin về tác động của PV lên lưới điện phân phối và các giải pháp vận hành tối ưu hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo bền vững.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện:
    Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về mô hình hóa, phân tích trào lưu công suất và bài toán tối ưu hóa vận hành lưới điện phân phối trong bối cảnh năng lượng tái tạo.

  4. Các nhà cung cấp thiết bị và phần mềm quản lý lưới điện:
    Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và các thách thức vận hành khi tích hợp PV, từ đó phát triển sản phẩm phù hợp với nhu cầu thực tế của lưới điện phân phối.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần tối ưu hóa vận hành lưới điện phân phối khi có năng lượng mặt trời?
    Năng lượng mặt trời mái nhà phát triển nhanh gây biến động công suất, ảnh hưởng đến điện áp và tổn thất điện năng. Tối ưu hóa giúp giảm tổn thất, duy trì điện áp ổn định và nâng cao độ tin cậy lưới điện.

  2. Phần mềm ETAP được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    ETAP mô phỏng trào lưu công suất và thực hiện bài toán phân bố công suất tối ưu (OPF), giúp đánh giá các kịch bản vận hành và đề xuất giải pháp giảm tổn thất điện năng.

  3. Ảnh hưởng của PV đến tổn thất điện năng là gì?
    PV cung cấp công suất tại chỗ, giảm dòng tải trên đường dây và máy biến thế, từ đó giảm tổn thất điện năng khoảng 5-7% trong các kịch bản mô phỏng.

  4. Làm thế nào để xử lý vấn đề mất cân bằng pha do PV?
    Cân bằng pha có thể được cải thiện bằng cách phân bổ PV đồng đều trên các pha và sử dụng thiết bị điều khiển điện áp phối hợp giữa các pha.

  5. Các thiết bị bảo vệ có bị ảnh hưởng khi tích hợp PV không?
    Dòng sự cố do PV đóng góp có thể làm thay đổi đặc tính bảo vệ, cần điều chỉnh thông số relay và thiết bị bảo vệ để đảm bảo phối hợp và an toàn hệ thống.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng mô hình lưới điện phân phối điển hình khu vực TPHCM và phân tích tác động của năng lượng mặt trời mái nhà đến trào lưu công suất và tổn thất điện năng.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy sự tham gia của PV giúp giảm tổn thất điện năng từ 5-7% và cải thiện điện áp vận hành trong giới hạn kỹ thuật.
  • Bài toán tối ưu hóa phân bố công suất (OPF) trên phần mềm ETAP được áp dụng hiệu quả để đề xuất giải pháp vận hành tối ưu.
  • Nghiên cứu cũng chỉ ra các thách thức về mất cân bằng pha và ảnh hưởng đến thiết bị bảo vệ, cần có giải pháp kỹ thuật bổ sung.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai hệ thống điều khiển thông minh, nâng cấp thiết bị bảo vệ và đào tạo nhân lực để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn vận hành lưới điện phân phối TPHCM.

Hành động ngay: Các đơn vị liên quan nên phối hợp triển khai các giải pháp tối ưu hóa vận hành nhằm nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của lưới điện trong bối cảnh phát triển năng lượng mặt trời mái nhà ngày càng mạnh mẽ.