Hiện nay, việc chia sẻ công suất độc lập giữa các nguồn năng lượng tái tạo mà không cần sự can thiệp của con người đang là xu thế tất yếu.
• Lưới điện thông minh và khả năng ứng dụng ở Việt Nam
• Lưới điện có nên được định hướng dữ liệu như Interner?
• Lưới điện siêu nhỏ, lưới điện nhỏ và dữ liệu lớn: Tương lai của điện lưới
Về mặt lý thuyết, việc tự động hóa trong lưới điện cho thấy khả năng nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện, giảm thời gian phục hồi hệ thống khi có sự cố, và góp phần tối ưu lượng điện năng tiêu thụ.
Ở khía cạnh thực tế, nhiều nghiên cứu đã và đang được tiến hành bởi các phòng nghiên cứu lớn trên thế giới nhằm ứng dụng các giải thuật tự động hóa lưới điện. Các thí nghiệm đi đầu đang được tiến hành bởi NREL – phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo thuộc bộ năng lượng Hoa Kỳ.
Theo đó, giải thuật điều khiển tự động hóa đang được NREL nghiên cứu và áp dụng thực tế vào các ngôi nhà tại thị trấn Basalt Vista, bang Colorado, Hoa Kỳ. Mỗi ngôi nhà đều được lắp đặt hệ thống pin mặt trời với công suất 8 kilowatt và hệ thống pin lithium dự phòng. Tất cả các nguồn năng lượng tái tạo tại thị trấn đều được giám sát và điều khiển bằng giải thuật tự động hóa “Autonomous Energy Grids” (AEG) do NREL phát triển.
Việc áp dụng tự động hóa lưới điện đã mang đến những hiệu quả rõ rệt đối với cả người sử dụng và nhà cung cấp. Đặc biệt là khách hàng đầu tư hệ thống điện tái tạo. Tính đến nay, hóa đơn tiền điện trung bình tại thị trấn đã giảm 85 phần trăm so với trước đó.
Với việc điều phối năng lượng một cách tự động, điện năng được phân phối và cung cấp cho các hộ tiêu thụ một cách hiệu quả. Dựa vào nhu cầu tiêu thụ theo thời gian thực, năng lượng khai thác từ những tấm pin mặt trời được phân phối ngay lập tức hoặc lưu trữ khi dư thừa. Bằng việc áp dụng các giải thuật tự động hóa, chi phí vận hành, bảo dưỡng và nhân công đều được tối ưu, giúp giảm chi phí đầu tư hệ thống điện của nhà đầu tư.
Khả năng vận hành độc lập theo thời gian thực
Một câu hỏi được đặt ra là liệu một mạng lưới lớn và phức tạp như lưới điện quốc gia có thể thực sự vận hành một cách phi tập trung và tự động?. Các chuyên gia của phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo Hoa Kỳ đều khẳng định tính khả thi của việc áp dụng tự động hóa lưới điện ở quy mô quốc gia. Nhiều thống kê khoa học cho thấy việc lắp đặt năng lượng mặt trời cho các khu dân cư dự kiến sẽ tăng 8% mỗi năm cho đến năm 2050, trong khi hệ thống pin dự trữ năng lượng ở hộ gia đình ước tính đạt gần 1,8 gigawatt vào năm 2025.
Như vậy, trong một thập kỷ tới, hầu hết các khách hàng sử dụng điện đều có lắp đặt các loại nguồn năng lượng tái tạo tại ngôi nhà của họ. Với một số lượng lớn nguồn năng lượng tái tạo được kết nối vào hệ thống điện, một khó khăn mà đơn vị quản lý phải đối mặt là việc quản lý hiệu quả và tối ưu các nguồn năng lượng tái tạo này. Đó là chưa kể việc lắp đặt mới và bảo trì các hệ thống điều khiển, thiết bị đóng cắt từ xa, máy biến áp, thiết bị giám sát,…
Do số lượng thiết bị nối lưới tăng vọt, các đơn vị quản lý lưới điện sẽ không thể sử dụng hệ thống điều khiển tập trung trong tương lai gần. Trên một hệ thống điện phân tán về mặt địa lý, chỉ riêng độ trễ truyền thông đã làm cho hệ thống điều khiển tập trung tăng chi phí và tăng nguy cơ mất ổn định lưới điện. Ngoài ra, các vấn đề khác mà các đơn vị quản lý lưới điện phải đối mặt là việc đảm bảo hoạt động của hệ thống trong điều kiện thiên tai như cháy rừng, bão lũ, hạn hán,… Việc quản lý cùng lúc một số lượng lớn thiết bị trong lưới điện làm gia tăng áp lực cho hệ thống điều khiển tập trung, giảm độ tin cậy hệ thống, và an toàn hệ thống điện.
Thay vào đó, các đơn vị cung cấp và quản lý lưới điện sẽ phải chuyển sang một hệ thống mới với việc tự động hóa lưới điện và kiểm soát phân tán. Theo đó, một hệ thống điện lớn sẽ được chia ra thành nhiều hệ thống điện nhỏ, và chúng được áp dụng giải thuật tự động hóa nhằm hoạt động độc lập và phối hợp điều khiển công suất một cách hiệu quả với nhau. Để làm được điều này, điểm làm việc tối ưu của hệ thống cần phải được xác định rõ ràng và cập nhật sau mỗi giây.
Điểm khác biệt của giải thuật tự động hóa lưới điện so với một số phương pháp điều khiển phân tán truyền thống là khả năng vận hành độc lập theo thời gian thực. Theo đó, các bộ điều khiển ở quy mô nhỏ có thể phối hợp với nhau một cách đồng thời để khớp cung với cầu chính xác đến từng giây. Tương tự như cách một chiếc xe tự hành đưa ra quyết định về hướng di chuyển, các giải thuật tự động hóa giúp cho hệ thống điện tự đưa ra quyết định về công suất và thời điểm truyền năng lượng. Khi có sự cố mất điện trên toàn hệ thống, các lưới điện phân tán quy mô nhỏ tự động tăng công suất và ổn định điện áp lưới, giúp cho toàn bộ hệ thống điện nhanh chóng khôi phục lại trong thời gian ngắn, thậm chí tránh được tình trạng mất điện hoàn toàn.
Một lưới điện được tự động hóa hoàn toàn có thể giải quyết một cách khéo léo các thách thức ở mọi cấp độ, từ hệ thống điện cục bộ cho đến hệ thống truyền tải. Để phát triển các giải thuật điều khiển tự động hóa lưới điện, cần có sự kết hợp của hai lý thuyết: lý thuyết tối ưu hóa và lý thuyết điều khiển thông minh. Lý thuyết tối ưu hóa nhằm tìm ra giải pháp vận hành hiệu quả, nhưng nó có thể bỏ qua những yếu tố ngẫu nhiên và phi tuyến tính trong các điều kiện vận hành thực tế. Mặc khác, các thuật toán điều khiển thông minh lại có thể ổn định hệ thống trong các điều kiện kém lý tưởng. Do đó, hai lý thuyết tối ưu hóa và điều khiển thông minh cần được kết hợp với nhau một cách hiệu quả nhằm nâng cao chất lượng cho hệ thống điện.
Với xu thế phát triển tất yếu là năng lượng tái tạo, các giải pháp về điều khiển tự động hóa lưới điện đã, đang, và sẽ tiếp tục được tập trung nghiên cứu và ứng dụng trong tương lai không xa. Thay vì lệ thuộc vào những hệ thống điều khiển tập trung cồng kềnh, tốn kém chi phí, và phụ thuộc người vận hành, một lưới điện được tự động hóa toàn diện sẽ giúp nâng cao độ tin cậy, tính kinh tế, và chất lượng của hệ thống điện.
Phạm Minh Đức (Đại học Ulsan, Hàn Quốc),
Nguyễn Đình Tuyên (Đại học Bách Khoa TP HCM, Việt Nam)
Email: minhducpham2009@gmail.com; ndtuyen@hcmut.edu.vn
Cộng đồng Điện tử công suất Việt Nam 
Tham khảo bài báo gốc
[1] [Online] Available:
https://spectrum.ieee.org/tomorrows-power-grid-will-be-autonomous
[2] [Online] Available:
https://www.nrel.gov/news/features/2019/from-the-bottom-up-designing-a-decentralized-power-system.html
