Kinh nghiệm quốc tế về quản lý, vận hành nguồn điện mặt trời trong hệ thống điện

BÀI 2: KINH NGHIỆM QUỐC TẾ VỀ PHÁT TRIỂN, QUẢN LÝ, VẬN HÀNH NGUỒN ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ CÁC NGUỒN NLTT KHÁC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA

PGS, TS. NGUYỄN CẢNH NAM [*]

Điện mặt trời, hay còn gọi là quang điện ứng dụng kỹ thuật biến đổi ánh nắng mặt trời trực tiếp thành điện năng nhờ pin mặt trời (Photovoltaic Solar Cells - PV).

Một hệ thống quang điện mặt trời thường gồm các thành phần chính như: Tấm quang điện, biến tần, hệ thống ắc quy lưu trữ nguồn điện năng thu được, đồng hồ điện 2 chiều dùng để đo nguồn điện dư thừa nếu sử dụng không hết.

Hiện có 2 loại mô hình điện mặt trời phổ biến là điện mặt trời hoà lưới (có lưu trữ và không lưu trữ điện năng) và điện mặt trời độc lập. Hệ thống điện mặt trời nối lưới được xây dựng ở tất cả các quy mô công suất, từ một vài kW đến hàng trăm MW. Đến năm 2019 sản lượng điện mặt trời toàn thế giới đạt 724,1 tỷ kWh, cao gấp gần 4 lần so với năm 2014 và tăng 24,2% so với năm 2018, chiếm 25,8% tổng sản lượng điện năng lượng tái tạo - NLTT (phi thủy điện) và chiếm 2,7% tổng sản lượng điện toàn cầu [2].

1/ Những tác động của điện mặt trời đến chất lượng điện năng và hệ thống điện:

Một là: Ảnh hưởng của các nguồn PV trên lưới điện truyền tải:

- Gây ra các dao động công suất, tần số và điện áp.

- Sự thay đổi các yêu cầu/tiêu chuẩn với các dịch vụ phụ trợ để có thể cân bằng công suất phụ tải trong điều kiện có PV.

- Làm giảm quán tính và giảm hệ số cản dao động của lưới dẫn đến làm giảm tính ổn định của hệ thống điện.

- Gây ra quá độ điện từ.

- Gây ra các dao động điện áp, các nhấp nháy điện áp vượt quá phạm vi quy định làm giảm chất lượng điện năng.

- Hiệu suất truyền tải của các đường dây phục vụ truyền tải công suất PV lớn thường thấp hơn hiệu suất thông thường.

Hai là: Ảnh hưởng của các nguồn PV trên lưới điện phân phối:

- Tăng tổn thất và gây ra quá tải ở các đoạn dây gần cuối phát tuyến.

- Quá áp dọc đường dây phân phối và ảnh hưởng đến hoạt động các thiết bị điều áp lưới phân phối, cũng như các thiết bị bảo vệ lưới.

- Mất cân bằng pha.

- Giảm hiệu suất máy biến áp trung gian.

- Giảm chất lượng điện năng do các bộ nghịch lưu PV thường tạo ra các hài điện áp.

2/ Các giải pháp cho việc tích hợp và vận hành các nguồn PV trên lưới điện:

Các giải pháp quản lý, vận hành, điều khiển hệ thống điện:

- Xác định cân bằng cung cầu năng lượng: Tính toán lượng công suất PV (hay các dạng NLTT không điều độ được) lớn nhất có thể tích hợp vào hệ thống. Tổ chức Năng lượng Quốc tế (IEA) đã đề xuất một phương pháp tương ứng cho việc này, được gọi là phương pháp Đánh giá tính linh hoạt - FAST (Flexibility Assessment) [9].

- Công tác vận hành, điều khiển của quản lý/điều độ hệ thống điện: Cần thực hiện việc lên kế hoạch điều độ căn cứ vào dự báo phụ tải, các nguồn điện truyền thống, nguồn PV cũng như các nguồn điện NLTT biến thiên khác và những kịch bản có thể phát sinh, sau đó trong quá trình vận hành thì cần giám sát diễn biến của các nguồn PV, các nguồn điện NLTT khác và phụ tải một cách liên tục và kịp thời có những động tác điều khiển hợp lý để giữ cân bằng công suất hệ thống và ổn định tần số.

- Đặt ra các yêu cầu kỹ thuật kết nối nguồn PV vào lưới điện: Cần có các đáp ứng nhanh và tự động về công suất, điện áp phù hợp với quy luật điều tần, điều áp và hỗ trợ tính ổn định của hệ thống. Việc thực thi các đáp ứng này được quy định trong bộ yêu cầu kỹ thuật cho việc kết nối nguồn PV vào lưới (đã được nhiều quốc gia thiết lập).  

- Các giải pháp kỹ thuật phân tán trên lưới: Một trong những cách để giảm ảnh hưởng của nguồn PV đối với lưới điện mà vẫn tích hợp được lượng lớn công suất PV vào lưới là tăng cường ưu tiên lắp đặt cho các nguồn PV có tính phân tán thay vì PV tập trung như PV trên mái nhà, trên các công trình công cộng… Các nguồn PV phân tán sẽ được tiêu thụ một phần bởi các phụ tải tại chỗ, hoặc xung quanh, làm giảm gánh nặng truyền tải và quá áp so với PV tập trung.

Một số các giải pháp sử dụng thiết bị phân tán phổ biến là lắp đặt các thiết bị bù linh hoạt như SVC, STATCOM (lưới truyền tải), D-STATCOM (lưới phân phối) để cải thiện ổn định tĩnh, ổn định động, ổn định điện áp (lưới truyền tải) và chất lượng điện áp trong hệ thống.

3/ Chín vấn đề thường gặp ảnh hưởng đến các tấm panel PV và các giải pháp xử lý:

- Sự phân hủy và ăn mòn bên trong: Để tránh lỗi này, tất cả các thành phần của tấm điện quang mặt trời phải được ép dưới áp suất chân không, đảm bảo chất lượng.

- Các vấn đề về điện: Bao gồm hệ thống dây điện bị lỗi, kết nối lỏng lẻo, ăn mòn và oxy hóa có thể gây trở ngại cho việc sản xuất điện. Việc giải quyết lỗi này do thợ điện chuyên nghiệp có trình độ cao, được cấp phép hoạt động thực hiện.

- Vết nứt nhỏ trên mặt tấm panel: Đây là những vết nứt nhỏ trên bề mặt do nhiều nguyên nhân trong quá trình sản xuất, vận chuyển, nhiệt độ nắng nóng ngoài trời. Để khắc phục lỗi này, ngoài việc lựa chọn tấm panel đạt chất lượng, đòi hỏi việc vận chuyển và lắp đặt một cách cẩn thận nhất.

- Điểm nóng: Các điểm nóng xảy ra khi các tấm panel quá nóng và quá tải do sự tích tụ bụi bẩn trên các tấm, hoặc các kết nối được hàn kém. Chúng có thể làm suy giảm chức năng, hiệu suất và tuổi thọ của các tấm pin mặt trời. Cần phải có các giải pháp thích hợp khắc phục các nguyên nhân gây ra lỗi này.

- Hiệu ứng PID (Potential Induced Degradation). Nó có thể xảy ra do sự chênh lệch điện áp giữa tiếp đất và bảng điều khiển panel mặt trời. Hiệu ứng PID có thể làm giảm hiệu quả, hiệu suất và tuổi thọ của các tấm panel. Các phương pháp làm giảm PID, gồm: Sử dụng các thiết bị hỗ trợ (Inverter transformer, Offset Box), sử dụng các tấm pin đạt tiêu chuẩn IEC.

- Chim đậu và phân chim bám trên tấm pin sẽ làm giảm đáng kể sản lượng điện. Cần có các giải pháp ngăn chặn, hoặc xua đuổi chúng.

- Những vết mòn trên tấm panel: Chỉ xuất hiện sau một vài năm và do một số yếu tố gây ra, bao gồm cả keo bạc bị lỗi (được sử dụng trong sản xuất các tấm) hoặc do các vết nứt nhỏ trong hệ thống PV. Điều này gây ra độ ẩm, dẫn đến quá trình oxy hóa giữa vật liệu bao bọc và bạc dán, làm giảm hiệu suất của hệ thống pin mặt trời và khiến nó sớm hỏng hóc. Đòi hỏi phải lựa chọn tấm pin đạt tiêu chuẩn IEC.

- Các vấn đề về mái nhà: Trong một số trường hợp, việc lắp đặt hệ thống PV có thể làm hỏng mái nhà và gây thấm nước, hoặc dột mưa. Do vậy, phải thường xuyên kiểm tra mái nhà và gọi cho những người thợ lắp đặt hệ thống PV nếu nó có sự cố này.

- Sự cố biến tần: Các tấm panel mặt trời sử dụng một bộ biến tần để chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều. Hầu hết các tấm pin mặt trời có thể tồn tại đến 20 năm, nhưng các bộ biến tần có tuổi thọ ngắn hơn. Do vậy phải thay đổi biến tần trung bình 10 đến 15 năm một lần.

Nhóm giải pháp chung cho điện gió, điện mặt trời và nguồn điện năng lượng tái tạo khác [5]

- Nhà máy điện ảo (Virtual Power Plant - VPP): Là một tập hợp của các nguồn điện phân tán, được kết nối với nhau thông qua hệ thống điều khiển dựa trên công nghệ thông tin và viễn thông. VPP hoạt động như một thực thể quan sát được trong hệ thống điện, luôn phải kết nối với lưới điện, và có thể ở hình thức tĩnh hay động (tức có thể thay đổi thành phần tham gia tùy thời điểm). VPP cần phải có ba đặc tính sau:

Một là: VPP bao gồm một tập hợp các nguồn điện phân tán, trong đó thường có các nguồn điện NLTT, thiết bị lưu trữ năng lượng và tải linh hoạt. Kết quả của việc kết hợp này là VPP có thể được tham số hóa bởi một bộ tham số tương ứng với nhà máy điện quay truyền thống, bao gồm công suất phát điều khiển được tốc độ thay đổi công suất phát, khả năng điều chỉnh điện áp và khả năng dự trữ công suất.

Hai là: VPP có hệ thống điều khiển để khiến nó có thể vận hành như một thực thể trong hệ thống điện. Hệ thống điều khiển này có thể ở hình thức điều khiển tập trung hay phân tán.

Ba là: VPP thường có thể có một trong hai vai trò, hoặc là cung cấp dịch vụ phụ trợ cho hệ thống, hoặc là tham gia thị trường điện như một nhà máy điện quay đơn lẻ.

Với những đặc điểm trên, mô hình VPP có năng lực tự điều tiết các dao động công suất của các nguồn điện NLTT thành phần của nó, hình thành quán tính như thể một nhà máy điện quay, và vì thế có thể giúp tích hợp các nguồn điện mặt trời, điện gió vào lưới mà không tạo ra các ảnh hưởng như đã đề cập đối với lưới điện.

Mô hình VPP hiện nay đang được phát triển ở một số nơi trên thế giới như Úc, Nhật Bản, châu Âu... Điển hình là hệ thống VPP ở Nam Úc gồm 50.000 hộ tiêu thụ với 50.000 PV mái nhà tương ứng và hệ thống lưu trữ năng lượng Tesla PowerWall [5]. 

- Lưới điện nhỏ (Microgrid): Là một nhóm các phụ tải và nguồn điện phân tán kết nối với nhau, có ranh giới điện được xác định rõ ràng, hoạt động như một thực thể điều khiển được đối với lưới điện, và có thể vận hành trong cả hai chế độ: hoặc kết nối lưới, hoặc cô lập khỏi lưới.

So sánh với VPP, lưới điện nhỏ có các điểm khác biệt sau: Có năng lực vận hành độc lập với lưới điện, và có ranh giới điện được xác định rõ ràng. Lưới điện nhỏ có năng lực tự trị cao hơn VPP, và tương tự như VPP, nó có thể giúp tích hợp các nguồn PV cũng như các nguồn điện NLTT khác vào hệ thống điện một cách hiệu quả và tin cậy. 

Các dự án lưới điện nhỏ đã bắt đầu được phát triển ở nhiều nơi trên thế giới từ hơn 10 năm trước, như ở Đức, Tây ban Nha, Bồ Đào Nha, Ý, Nhật, Hàn Quốc, Bắc Mỹ [5].

Kỳ tới: Kinh nghiệm quốc tế về phát triển điện NLTT phù hợp với nền kinh tế, hạ tầng lưới điện và giải pháp lưu trữ, lựa chọn nguồn lợi thế

[*] HỘI ĐỒNG KHOA HỌC TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM; KHOA QUẢN LÝ CÔNG NGHIỆP VÀ NĂNG LƯỢNG - EPU

Tài liệu tham khảo:

 [1] Nguyễn Mạnh Hiến: Những thách thức khi đấu nối nhà máy điện gió vào hệ thống điện. https://nangluongsachvietnam.vn/d6/vi-VN/news/Nhung-thach-thuc-khi-dau-noi-nha-may-dien-gio-vao-he-thong-dien-6-17-1440.

[2] Nguyễn Cảnh Nam: Năng lượng tái tạo ‘phi thủy điện’ thế giới và vấn đề tham khảo cho Việt Nam. NangluongVietnam Online 06:47 |13/07/2020.

[3] Nguyễn Huy Hoạch: Phát triển điện mặt trời kết hợp công nghệ lưu trữ năng lượng ở Việt Nam. NangluongVietnam Online 08:31 |07/01/2021.

[4] Nguyễn Cảnh Nam: Toàn cảnh ngành điện thế giới và những điều suy ngẫm cho Việt Nam. NangluongVietnam Online 14:32 |25/08/2020, 05:56 |28/08/2020, 07:08 |01/09/2020.

[5] Trần Huỳnh Ngọc, Lê Thanh Nghị: Tích hợp điện mặt trời vào lưới điện. NangluongVietnam Online  07:22 |18/02/2021.

[6] Ứng dụng Pin Vanadium phục vụ sản xuất nông nghiệp và an ninh năng lượng. KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ Thứ Sáu, 05/07/2019 10:47:00 +07:00.

[7] Các loại pin phổ biến được sử dụng trong năng lượng mặt trời + lưu trữ. https://lithaco.vn/cac-loai-pin-pho-bien-duoc-su-dung-trong-nang-luong-mat-troi-luu-tru/.

[8] H. Asano, K. Yajima and Y. Kaya, "Influence of photovoltaic power generation on required capacity for load frequency control," in IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 11, no. 1, pp. 188-193, March 1996, doi: 10.1109/60.486595.

[9] Chandler, “H. Harnessing Variable Renewables - A Guide to the Balancing Challenge,” OECD/International Energy Agency 2011, ISBN 978-92-64-11138-7.