Lưới điện Thông minh không chỉ truyền tải điện từ đơn vị cung cấp điện năng tới khách hàng sử dụng điện mà còn sử dụng công nghệ kĩ thuật số để trao đổi thông tin dữ liệu về hành vi và hoạt động của tất cả các khâu kết nối với lưới điện – đơn vị phát điện, người sử dụng điện và các đơn vị vừa sản xuất vừa tiêu thụ điện. Công nghệ Lưới điện thông minh giúp tối ưu hóa trào lưu công suất, giảm nhu cầu mở rộng lưới điện, giảm thiểu việc mở rộng lưới điện, chủ động quản lý nhu cầu sử dụng điện và đặc biệt cho phép năng lượng tái tạo như điện gió hay điện mặt trời có thể hòa lưới với quy mô lớn vào lưới điện quốc gia. Nhờ vậy, các đơn vị cung cấp điện có thể giám sát và quản lý hệ thống điện.
• Đánh giá ảnh hưởng và khả năng duy trì phát điện của nhà máy điện mặt trời khi có sự cố trên lưới
• Tính toán hiệu quả kinh tế hệ lưu trữ năng lượng mặt trời
• Tính toán tổn thất công suất hệ thống điện mặt trời áp mái nối lưới
Nâng cấp hệ thống điện quốc gia bằng lưới điện thông minh, đặc biệt là nâng cấp hệ thống truyền tải điện là rất quan trọng. Mục tiêu của phát triển lưới điện thông minh bằng công nghệ hiện đại là nhằm nâng cao chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện; góp phần trong công tác quản lý nhu cầu điện, khuyến khích sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả; tạo điều kiện nâng cao năng suất lao động, giảm nhu cầu đầu tư vào phát triển nguồn và lưới điện; tăng cường khai thác hợp lý các nguồn tài nguyên năng lượng, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế – xã hội bền vững. Nhóm tác giả đề xuất giải quyết 2 lộ trình để xây dựng lưới điện thông minh như sau:
Lộ trình đầu tiên đánh giá ảnh hưởng và khả năng duy trì phát điện của nhà máy điện mặt trời khi có sự cố trên lưới;
Lộ trình thứ hai ứng dụng AI để dự báo hệ số quán tính và dự báo sự cố hệ thống điện.
Về tính cấp thiết của việc dựng giải pháp lưới điện thông minh cho hệ thống điện cụ thể mời quý độc giả xem chi tiết tại đây.
MÔ HÌNH, MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ
Trong nội dung mô hình, mô phỏng và đánh giá kết quả, chúng ta xét đến 2 yêu cầu khi đấu nối nguồn phân tán NLMT:
Nghiên cứu đã khảo sát việc kết nối NMĐMT vào lưới điện quốc gia trong điều kiện xác lập (1). Kết quả khảo sát cho thấy việc kết nối làm tăng khả năng mang tải của một số đường dây, tăng điện áp một số nút lân cận nhà máy, nhưng chỉ là mức giá trị tăng nhỏ, không ảnh hưởng đến lưới điện. Việc bổ sung nguồn điện mặt trời vào lưới điện cũng góp phần làm giảm thiểu tổn thất điện năng của lưới điện khu vực.
Tuy vậy, cần khảo sát thêm trong điều kiện quá độ (2) về khả năng lướt qua sự cố (FRT= Fault-Ride Through) của NMĐMT mà Quy định đấu nối yêu cầu. Dùng phần mềm PSCAD để khảo sát khả năng này của NMĐMT đang quan tâm, đặc biệt trong giai đoạn 2, khi công suất của nhà máy được mở rộng, lên đến 42 MW.
1. Mô Phỏng và đánh giá hệ thống điện ở Bình Định với chế độ xác lập
Xét tại thời điểm 11h00 ứng với ngày có công suất phát lớn nhất từ Nhà máy ĐMT Fujiwara và Nhà máy ĐMT Cát Hiệp.
1.1.1 Chế độ làm việc bình thường chưa có sự tham gia của điện mặt trời [1]
1.1.2 Trào lưu công suất và điện áp nút
Sử dụng phần mềm PSS/E mô phỏng trào lưu công suất tại thời điểm nói trên. Tổn thất công suất trên lưới điện, trào lưu công suất một số nhánh lân cận nguồn điện phân tán (Bảng 1) và điện áp của các nút (Bảng 2) cho trường hợp chế độ làm việc bình thường khi chưa có sự tham gia của hai nhà máy ĐMT nói trên.
Bảng 1. Trào lưu và tổn thất công suất trên lưới điện 110 kV
Bảng 2. Điện áp trên các điểm nút của lưới điện 110 kV Bình Định
1.1.3 Khảo sát đường cong P – V và Q – V
Bằng cách tăng dần phụ tải đường cong P – V được xây dựng như trên Hình 2. Đường cong P – V cho thấy tải tăng dần đến 40 MW, nút điện áp tại Đức Phổ (DPH) là thấp nhất là 0,73 (gây sụp đổ điện áp).
Quan sát trên Hình 6, nút Phước Sơn có độ dự trữ công suất lớn nhất, khả năng ổn định điện áp ở nút này cao hơn nút Tam Quan và Đức Phổ.
2. Chế độ làm việc khi có sự tham gia của nhà máy điện mặt trời [1, 5]
2.1.1. Trào lưu công suất và điện áp nút
Bảng 3. Trào lưu và tổn thất công suất trên lưới điện 110 kV khi có sự tham gia của điện mặt trời.
Bảng 4. Điện áp trên các điểm nút của lưới điện 110kV Bình Định khi có sự tham gia của ĐMT
Khi có sự tham gia của nhà máy ĐMT Cát Hiệp và Fujiwara, điện áp tại các nút trên lưới điện được cải thiện đáng kể. Chẳng hạn nút Phước Sơn từ 0,8429 pu tăng lên 0,9123 pu, nút Tam Quan từ 0,8442pu tăng lên 0,8956 pu, nút Đức Phổ từ 0,8842 pu tăng lên 0,88944 pu. Tổn thất trên đường dây cũng giảm xuống, cụ thể:
Quy Nhơn 2 – Quy Nhơn 220 từ 0,2 MW xuống 0,1 MW; Nhơn Tân – Quy Nhơn 220 từ 1MW xuống 0,8 MW; Phước Sơn – Nhơn Hội từ 0,8 MW xuống 0,8 MW; Phước Sơn – Quy Nhơn từ 0,8 MW xuống 0,6 MW; Phước Sơn – Quy Nhơn 220 từ 0,6 xuống 0,6 MW; Phù Mỹ – Hoài Nhơn từ 0,7 MW xuống 0,5 MW.
2.1.2. Khảo sát đường cong P – V và Q – V
Khi có sự tham gia của Nhà máy ĐMT Cát Hiệp và Fujiwara hiện tượng sụp đổ điện áp chỉ xảy ra khi phụ tải vượt mức 90 MW.
Trên Hình 9 cho thấy độ dự trữ công suất phản kháng ở nút Đức Phổ, Tam Quan, Phước Sơn tăng lên so với khi chưa có sự tham gia của nhà máy ĐMT.
Trên cơ sở giả định bằng cách mô phỏng chế độ vận hành lưới 110 kV tỉnh Bình Định bằng phần mềm PSS/E trong trường hợp có và chưa có sự tham gia của nguồn điện phân tán. Kết quả mô phỏng giúp cho người vận hành xác định được giới hạn công suất của nút phụ tải gây nên sụp đổ điện áp để từ đó có thể vận hành lưới điện đảm bảo chất lượng điện năng, an toàn và hiệu quả.
3. Khả năng làm việc của Nhà máy Điện mặt trời Fujiwara Bình Định khi ngắn mạch trên lưới điện [5]
Sơ đồ cấu trúc Nhà máy ĐMT Fujiwara Bình Định được thể hiện trên Hình 10.
Một trong những yêu cầu để nhà máy ĐMT có thế nối lưới 110 kV là khả năng vẫn duy trì phát điện khi lưới bị sự cố ngắn mạch trong thời gian 150 ms. Điều này có nghĩa là khi lưới bị sự cố ngắn mạch, nhà máy ĐMT sẽ giảm công suất tác dụng và phát công suất phản kháng để hỗ trợ lưới điện vượt qua điện áp thấp (LVRT -Low Voltage Ride Through) [1].
Để đánh giá khả năng duy trì phát điện của nhà máy ĐMT Fujiwara – Bình Định đến lưới 110 kV, tiến hành xét các dạng sự cố ngắn mạch bao gồm: Ngắn mạch 1 pha, ngắn mạch 2 pha, và ngắn mạch 3 pha tại điểm đấu nối giữa lưới điện 110 kV với nhà máy. Sử dụng phần mềm PSCAD để mô phỏng, kết quả mô phỏng cho các dạng ngắn mạch được trình bày như sau [3]:
Tại thời điểm ngắn mạch, dòng điện của pha ngắn mạch tăng cao nhất so với 2 pha còn lại; điện áp của pha bị ngắn mạch bằng 0, điện áp 2 pha còn lại giảm xuống. Khi điện áp giảm xuống dưới 0,85 pu, bộ điều khiển phát hiện điện áp thấp trên lưới hoạt động, điều khiển phát công suất phản kháng vào lưới nhằm hỗ trợ để nâng điện áp lưới điện trong thời gian xảy ra ngắn mạch. Trong thời gian xảy ra sự cố, nhà máy ĐMT vẫn phát công suất tác dụng vào lưới điện. Tính đến thời điểm 150 ms khi đã giải trừ sự cố ngắn mạch trên lưới điện, điện áp lưới được phục hồi, nhà máy ĐMT phát công suất tác dụng như trước khi xảy ra sự cố, đảm bảo yêu cầu về điện áp.
Tại thời điểm ngắn mạch, dòng điện pha ngắn mạch tăng cao, điện áp hai pha bị ngắn mạch bằng không, điện áp pha còn lại giảm xuống. Khi điện áp lưới giảm thấp hơn 0,2 pu bộ điều khiển phát hiện điện áp thấp trên lưới sẽ khóa không làm việc nghĩa là sẽ không phát công suất phản kháng vào lưới trong thời gian xảy ra ngắn mạch. Tính đến thời điểm 150 ms khi đã giải trừ sự cố ngắn mạch trên lưới điện, điện áp lưới được phục hồi, nhà máy ĐMT phát công suất tác dụng trở lại. Quan sát trên Hình 12 cho thấy trong khoảng 50 ms sau khi sự cố được giải trừ, dòng điện và điện áp dao động nhưng vẫn đảm bảo trong điều kiện vận hành cho phép.
Tại thời điểm ngắn mạch, dòng điện 3 pha tăng cao; điện áp 3 pha bằng 0. Khi điện áp lưới điện giảm thấp gần như bằng 0 pu, bộ điều khiển phát hiện điện áp thấp trên lưới điện, sẽ khóa không làm việc, không phát công suất phản kháng vào lưới trong thời gian xảy ra ngắn mạch. Tính đến thời điểm 150ms khi đã giải trừ sự cố ngắn mạch trên lưới điện, điện áp lưới được phục hồi, nhà máy ĐMT phát công suất tác dụng trở lại. Quan sát trên Hình 13 cho thấy trong khoảng 50 ms sau khi sự cố được giải trừ, dòng điện và điện áp dao động nhưng vẫn đảm bảo trong điều kiện vận hành cho phép.
Qua kết quả mô phỏng cho thấy Nhà máy ĐMT Fujiwara – Bình Định đảm bảo yêu cầu duy trì được khả năng phát điện trong khoảng thời gian 150 ms khi có sự cố ngắn mạch tại thanh cái nhà máy trong trường hợp nhà máy phát công suất lớn nhất (42 MW tương ứng với 85% công suất đặt 50 MWp). Khi sự cố được giải trừ trong khoảng thời gian này nhà máy tiếp tục phát công suất góp phần ổn định cho hệ thống điện trong xu hướng lưới điện hiện nay đang có nhiều nguồn năng lượng tái tạo có công suất phát không chủ động được kết nối với lưới điện.
4. KẾT LUẬN
Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng duy trì phát điện của Nhà máy ĐMT Fujiwara Bình Định được đảm bảo trong thời gian giải trừ sự cố 150 ms, giúp nâng cao ổn định lưới điện 110 kV tỉnh Bình Định trong xu thế các nguồn năng lượng tái tạo ngày càng thâm nhập nhiều đặc biệt là nguồn năng lượng mặt trời.
Nhằm khắc phục nhược điểm trên, một giải pháp mới loại điều khiển tạo lưới dần được phát triển để thích ứng làm việc với hạ tầng điện sử dụng Trí tuệ nhân tạo với khả năng điều chỉnh điện áp và tần số qua việc điều khiển phi tập trung và tại chỗ (local de-centralized control). Trước khi xem xét các đặc tính cần có của thế hệ biến tần mới này, cần xem xét các thách thức kĩ thuật phải giải quyết. Đầu tiên, ứng dụng Trí tuệ nhân tạo này mới này sẽ dần được đưa vào làm việc trên lưới điện, cùng với việc tỉ lệ NLTT xâm nhập ngày càng cao vào lưới điện trong nhiều năm, nhiều thập kỉ tới. Đối với các lưới điện lớn, điều này cũng có nghĩa số lượng có thể lên đến hàng triệu các MPBT sẽ được vận hành trong một phạm vi địa lí rộng lớn. Xem chi tiết bài Ứng dụng AI để cảnh báo sự cố, nâng cao hiệu suất hệ thống điện mặt trời.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Ngô Đăng Lưu Nghiên cứu các chế độ làm việc và ảnh hưởng của nhà máy điện gió và mặt trời đến lưới điện.
[2]. Cục Điều tiết Điện lực (2014), Hội thảo chuyên đề “Xây dựng quy định đấu nối điện gió, điện mặt trời và nghiên cứu tích hợp năng lượng tái tạo tại Việt Nam”.
[3]. GS.TS. Lã Văn Út (2007), Ngắn mạch trong hệ thống điện. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, trang 136-177.
[4]. Lưới điện 110 kV Bình Định (2020), Các bảng số liệu phụ tải tiêu thụ và thông số vận hành năm 2020.
[5]. Nhà máy ĐMT Fujiwara và Cát Hiệp – Bình Định Các bảng số liệu kỹ thuật và thông số vận hành năm 2022.
[6]. Jin-Woo Jung (2009), Overview of Renewable Energy, Dongguk University.
[7]. B. Sorensen (2004), Renewable Energy: It’s Physics, Engineering, Use, Environmental Impacts, Economy and Planning Aspects, Amsterdam… Elsevier.
[8]. Marcelo Godoy Simoes (2004), Renewable Energy system: Design and analysis with induction generators, Boca Raton.
Ngô Đăng Lưu (Công ty Anh Minh Global)
Nguyễn Đình Long (Trường Đại học Đồng Nai)
Nguyễn Hùng (Trường Đại học Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh)
Nguyễn Huy Chương(Phòng Kỹ thuật – Công ty Điện Lực Bình Định)
