TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------ NGUYỄN VĂN MINH CHÁNH TÍNH TOÁN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM KHI CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO KẾT NỐI VÀO LƯỚI Chuyên ngành : Kỹ thuậ
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
Lý do chọn đề tài
Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời đặt ra vấn đề phân bố nguồn điện không đồng đều giữa các miền/ khu vực trong cả nước nên chất lượng điện áp trên lưới truyền tải Việt Nam không ổn định Đồng thời, các nhà máy năng lượng mặt trời phần lớn tập trung ở các vùng có nguồn nắng lớn nên lượng công suất phát đổ ra các đường dây trên các khu vực đó rất lớn dễ dẫn đến quá tải đường dây Năng lượng tái tạo lại có tính chất không tích trữ, lưu trữ được cần phát tối đa công suất của các nhà máy năng lượng tái tạo để tối ưu chi phí
Từ những vấn đề nêu trên mà việc tối ưu công suất phát để nâng cao độ ổn định trong truyền tải, tăng khả năng điều chỉnh điện áp, tối ưu chi phí được xem xét giải quyết nhằm đảm bảo vận hành an toàn, tin cậy và kinh tế hệ thống điện.
Nội dung của đề tài
Để thực hiện đề tài, đầu tiên cần nắm vững các kiến thức lý thuyết về các chế độ trong hệ thống điện, có kiến thức tổng quan về năng lượng tái tạo Tiếp đến là tìm hiểu và sử dụng phần mềm PSS/E để chạy mô phỏng, tính toán Sau khi nắm vững được các kiến thức nêu trên, cần thực hiện thu thập các số liệu thực tế về quy hoạch lưới điện truyền tải chủ yếu khu vực Bình Thuận, Ninh Thuận và các tỉnh lân cận của Việt Nam và đưa ra các mô hình mô phỏng
Dựa vào các dữ liệu thu thập được, tiến hành xây dựng các kịch bản, tính toán như sau:
- Tính toán trào lưu công suất và tổn thất công suất trên toàn lưới điện khi không có điện mặt trời
- Tính toán trào lưu công suất và tổn thất công suất trên toàn lưới điện khi có điện mặt trời đấu nối vào hệ thống.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn
Luận văn giúp hiểu về các chế độ trong hệ thống điện, những thay đổi của hệ thống điện khi có các nguồn năng lượng tái tạo kết nối vào lưới Đồng thời, nghiên cứu tính toán phân bố tối ưu công suất phát sao cho tổn thất trên lưới điện tối thiểu nhằm đảm bảo vận hành an toàn, tin cậy và kinh tế hệ thống điện
Luận văn giúp mô hình hóa hệ thống điện Việt Nam để đưa vào phần mềm, công cụ tính toán Từ đó giúp đưa ra được các đánh giá, nhận xét cho lưới điện bằng việc phân tích kết quả tính toán
Bên cạnh đó, nghiên cứu cho thấy việc tối ưu công suất phát giúp nhiều cho tính toán tổn thất công suất trên lưới điện truyền tải của hệ thống điện Việt Nam Từ đó, đưa ra các phương án giảm thiểu tổn thất công suất trên lưới sao cho tối ưu nhất Do đó, đây là một giải pháp cần được xem xét để áp dụng cho hệ thống điện Việt Nam.
Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện đề tài “Tính toán tối ưu công suất phát hệ thống điện Việt Nam khi các nguồn năng lượng tái tạo kết nối vào lưới” phương pháp nghiên cứu như sau:
- Nghiên cứu về lý thuyết và các tài liệu liên quan để tìm hiểu về các chế độ trong hệ thống điện
- Sử dụng phần mềm PSS/E phiên bản 35.0 để mô phỏng lưới điện truyền tải Việt
Nam, thực hiện các tính toán hệ thống điện như trào lưu công suất, đặc biệt là bài toán tối ưu công suất phát sao cho tối thiểu tổn thất công suất cho toàn lưới điện.
Bố cục của luận văn
Tên luận văn: “Tính toán tối ưu công suất phát hệ thống điện Việt Nam khi các nguồn năng lượng tái tạo kết nối vào lưới”
Bố cục của luận văn bao gồm 5 chương, nội dung cụ thể của từng chương như sau:
- Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài
- Chương 2: Tổng quan về hệ thống điện Việt Nam hiện nay
- Chương 3: Chức năng phân bố tối ưu công suất (OPF) trong phần mềm PSS/E
- Chương 4: Tính toán phân bố tối ưu công suất phát để tổn thất công suất trên hệ thống điện Việt Nam tối thiểu
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VIỆT NAM HIỆN NAY
Tổng quan hệ thống điện Việt Nam hiện nay
Việt Nam có quy mô nguồn điện đứng thứ 2 Đông Nam Á, quy mô lưới điện 500kV dài gấp 5 lần chiều dài đất nước
Về nguồn điện, mặc dù thu nhập bình quân đầu người của Việt Nam ở mức 121 thế giới nhưng quy mô nguồn điện đã đứng thứ 23 toàn cầu và đứng thứ 2 Đông Nam Á Trong đó, tổng công suất đặt nguồn điện toàn hệ thống đã đạt hơn 54.880MW, tăng trưởng 1800 lần so với năm 1954 Sản lượng điện sản xuất và mua của EVN năm 2019 đạt 231,1 tỷ kWh Việt Nam đã cấp điện lưới quốc gia cho 63/63 tỉnh thành và 11/12 huyện đảo với tỷ lệ hộ dân có điện trong cả nước đạt 99,25% [2]
Có thể thấy rằng, từ những bước chân của những người kỹ sư xây dựng nhà máy điện đầu tiên, đến nay, nguồn điện Việt Nam đã phát triển vượt bậc, khai thác gần như tối đa các nguồn năng lượng sơ cấp mà đất nước đang có Đi cùng việc phát triển nguồn điện, lưới điện Việt Nam cũng có những bước phát triển đáng ghi nhận, kể cả lượng và chất Kể từ khi hoàn thành đường dây 500kV Bắc –
Nam mạch 1 vào năm 1995 đến nay, lưới điện 500kV đã được xây dựng với chiều dài hơn 8.000km, gấp hơn 4,8 lần chiều dài đất nước và lưới 220kV có tổng chiều dài hơn
17.600km, gấp gần 11 lần chiều dài đất nước Tổng dung lượng MBA cũng đạt khoảng
57.750MVA với 31 trạm biến áp 500/220kV và 128 trạm biến áp 220/110kV để đáp ứng chuyển tải điện năng đến hầu hết các phụ tải trên khắp cả nước [3]
Bên cạnh đó, EVN đã tích cực ứng dụng nhiều tiến bộ khoa học công nghệ vào quản lý vận hành lưới điện nhằm nâng cao chất lượng điện năng và đảm bảo cấp điện an toàn, chẳng hạn hệ thống SCADA và UAV, hệ thống định vị sự cố, ứng dụng vật liệu mới như dây siêu nhiệt, dây dẫn tốn thất thấp,… Kết quả là, tổn thất hệ thống điện đã đạt ở mức 6,5% [2], thuộc mức thấp của thế giới Đồng thời, hầu hết các trạm biến áp
110kV trên lưới điện đều được thiết kế, cải tạo thành trạm biến áp không người trực nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất
Tính đến thời điểm hiện tại, khoảng 64% [4] trạm biến áp 220kV của NPT, 100%
[5] trạm biến áp của EVNHCM và khoảng 95% [6] trạm biến áp của EVNCPC là trạm biến áp không người trực Những thành tựu này đóng góp vào thành tích chung của lưới điện Việt Nam trong việc luôn giữ vững và phát huy vai trò truyển tải điện năng kịp thời cho toàn bộ nền kinh tế và xã hội.
Năng lượng tái tạo và những khó khăn gặp phải
Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng về quy mô của hệ thống điện Việt Nam cũng đối mặt với nhiều thách thức lớn không dễ giải quyết Đó là vấn đề phân bố phụ tải điện không cân đối giữa các miền và giữa các khu vực trong miền, với hơn 45% ở miền Nam, gần 45% ở miền Bắc và khoảng 10% ở miền Trung Mật độ phụ tải và lưới điện tại những vùng kinh tế trọng điểm miền cao gây ra dòng ngắn mạch cao tại khu vực, ảnh hưởng nghiệm trọng đến toàn bộ hệ thống điện Một số nơi, dòng ngắn mạch đã vượt mức dòng cắt cho phép của thiết bị tại các trung tâm phụ tải, dù đã áp dụng giải pháp hạn chế dòng ngắn mạch, như tại Nhà máy Nhiệt điện Phú Mỹ, Phú Lâm, Nhà Bè, Củ
Chi,… Bên cạnh đó, do sự phát triển không cân đối nguồn giữa các miền trong thời gian vừa qua, các nguồn điện mới chủ yếu tập trung ở miền Bắc và Bắc Miền Trung dẫn đến nhu cầu truyền tải theo trục Bắc – Nam tăng cao, EVN đang triển khai đường dây 500kV mạch 3 để giải quyết vấn đề trên
Hiện nay, hệ thống lưới điện truyền tải Việt Nam chưa đáp ứng tiêu chí N-1 Lưới điện cũng xảy ra hiện tượng đầy tải, quá tải ở nhiều vị trí sau khi các dự án điện mặt trời được ồ ạt đầu tư và được đưa vào vận hành trong thời gian qua Trong khi lưới điện ở nhiều khu vực chưa được xây dựng đồng bộ thì đến 12/2019 đã có tổng cộng 4900 MW nguồn điện năng lượng tái tạo (khoảng 9% tổng công suất nguồn điện) được hòa vào lưới điện quốc gia [2] Hậu quả là, ở một số khu vực, trong đó có lưới điện 220/110kV của tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận đã xảy ra hiện tượng đầy, quá tải, một số nhà máy
Việc vận hành hệ thống điện quốc gia cũng gặp rất nhiều khó khăn bởi tỷ trọng nguồn năng lượng tái tạo trong hệ thống ngày càng cao, trong khi đó, nguồn năng lượng tái tạo lại có đặc tính không liên tục cấp điện do phụ thuộc vào thời thiết Con số này chiếm khoảng 15 – 20% tổng cung năng lượng vào năm 2030 và khoảng 25 – 30% tổng cung năng lượng vào năm 2045 [7] Đặc biệc, các nhà máy điện mặt trời lại không phát công suất khi không có ánh sáng mặt trời hoặc vào ban đêm, làm thiếu hụt một lượng lớn công suất trên lưới điện quốc gia Chưa kể, tốc độ thay đổi tải của nguồn năng lượng tái tạo khá nhanh Thống kê của Trung tâm điều độ hệ thống điện quốc gia về các dự án điện mặt trời đã vận hành cho thấy, công suất phát có thể thay đổi từ 60 – 80% trong khoảng thời gian chỉ 5-10 phút [8] Ở thời điển hiện tại, giá thành thiết bị công nghệ tích trữ năng lượng tương đối cao và chưa được trang bị trong hệ thống điện nên yêu cầu công suất dự phòng tăng cao để đáp ứng các thay đổi của nguồn năng lượng tái tạo khi công suất phát của các nguồn này thay đổi Vì thế, đồng thời với việc phát triển năng lượng tái tạo, hệ thống điện Việt
Nam cần đầu tư xây dựng nguồn điện có khả năng thay đổi tải nhanh theo phụ tải như các nhà máy thủy điện tích năng hoặc các nhà máy điện tua bin khí chu trình tổng hợp
Khu vực Ninh Thuận, Bình Thuận
Tình trạng quá tải lưới điện ở Ninh Thuận, Bình Thuận đã giảm, sau khi một số dự án truyền tải đưa vào vận hành đã giúp cho các dự án điện mặt trời phát được điện lên lưới Song, nguy cơ tắc nghẽn lại tiếp tục báo động và có thể lặp lại tình trạng quá tải, khi có thêm nhiều dự án điện gió đang chạy đua bổ sung một lượng điện khá lớn vào hệ thống
EVN đã hoàn thành vượt tiến độ một số công trình lưới điện phục vụ giải tỏa công suất các nguồn điện mặt trời, điện gió ở khu vực Ninh Thuận và Bình Thuận
Các công trình truyền tải điện được bổ sung quy hoạch dự kiến đều đạt và vượt tiến độ so với kế hoạch ban đầu, bao gồm: Nâng công suất trạm 220kV Tháp Chàm từ
2x125MVA lên 2x250MVA Cụ thể, bổ sung thêm máy biến áp thứ 2 tại trạm 220kV
Hàm Tân, đầu tư xây dựng trạm 220kV Phan Rí (2x250MVA) và đường dây đấu nối và nâng công suất các trạm 500kV Vĩnh Tân, Di Linh
Vào tháng 10/2019, Tổng Công ty Truyền tải điện Quốc gia (thuộc EVN) đã hoàn thành nâng công suất trạm 220kV Tháp Chàm, vượt tiến độ 1 năm so với kế hoạch và hoàn thành đầu tư xây dựng trạm biến áp thứ 2 trạm 220kV Hàm Tân Mặc dù vậy, các công trình lưới điện 220kV nêu trên được tính toán đề xuất tương ứng với tổng quy mô các nhà máy điện mặt trời và điện gió được phê duyệt bổ sung quy hoạch tính đến thời điểm tháng 9/2018 Trên thực tế, trong thời gian từ tháng 8/2018 đến tháng 12/2018 đã có thêm một số nhà máy năng lượng tái tạo tiếp tục được bổ sung quy hoạch, gây đầy và quá tải một số đường dây 110kV và trạm biến áp 220 kV khu vực Ninh Thuận, Bình
Hình 2-1 Công trình nâng công suất trạm 220 kV Tháp Chàm tại Ninh Thuận Để góp phần tăng cường khả năng giải tỏa công suất các nguồn năng lượng tái tạo trên địa bàn các tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận ngay từ năm 2020, EVN đã bổ sung quy hoạch trạm 220kV Phước Thái từ quy mô công suất 250MVA lên mức 650MVA, tiến độ phấn đấu hoàn thành năm 2020 Bổ sung quy hoạch thêm trạm biến áp
220/110kV, công suất 250MVA tại vị trí trạm cắt 110kV Vĩnh Hảo 6 ở tỉnh Bình Thuận và nhánh rẽ 220kV đấu chuyển tiếp vào 1 mạch đường dây 220kV Phan Rí – Vĩnh Tân, chiều dài khoảng 2x1km tại huyện Ninh Phước, tỉnh Ninh Thuận có mục tiêu thu gom công suất nguồn năng lượng tái tạo trong khu vực hai tỉnh Ninh Thuận và Bình Thuận để truyền tải lên hệ thống truyền tải điện quốc gia, bảo đảm cung cấp điện cho các tỉnh thành phía nam
Công trình được đóng điện ngày 29/6/2020, giúp giải tỏa hơn 300MW nguồn năng lượng tái tạo trong khu vực lên hệ thống điện quốc gia
Theo đó với 21 công trình lưới điện 110kV đến 500 kV đã được đưa vào vận hành, phục vụ giải tỏa các nguồn điện năng lượng tái tạo với tổng chiều dài đường dây trên
750km và các trạm biến áp tổng dung lượng 5.025MVA
Ngoài ra, với việc dự án trạm biến áp kết hợp đường dây 500kV đang được thực hiên tại huyện Thuận Nam (Ninh Thuận) đã triển khai thành công và chuẩn bị đưa vào vận hành Đường dây 500 kV sẽ kết nối từ trạm biến áp điểm chuyển Vân Phong – Vĩnh
Tân dài 2km và từ điểm chuyển Vân Phong – Vĩnh Tân kết nối nhiệt điện Vĩnh Tân dài
Với kết cấu lưới điện theo Quy hoạch điện VII điều chỉnh, đến năm 2025 cơ bản có thể đáp ứng giải tỏa Tuy nhiên, trong trường hợp toàn bộ các dự án đưọc đưa vào vận hành trong giai đoạn 2021-2023 sẽ xuất hiện quá tải cục bộ tại một số khu vực tương ứng khoảng 20-35% tổng công suất đặt không giải tỏa được
Có nghĩa, tổng công suất nguồn điện năng lượng tái tạo có thể giải tỏa được là
11.000 MW (năm 2021) và tăng lên 11.745 MW (năm 2023) Tổng công suất nguồn điện năng lượng tái tạo không giải tỏa được do hạ tầng lưới điện không đáp ứng kịp tiến độ năm 2021 là 2.300MW và năm 2023 là 1.555MW, chủ yếu tại khu vực Nam Trung