Năng lượng tái tạo và vấn đề tích hợp hệ thống điện [Kỳ 2]: Giải pháp cho ĐMTMN

Năng lượng tái tạo và vấn đề tích hợp hệ thống điện [Kỳ 1]: Bất cập sau các quyết định


KỲ 2: ẢNH  HƯỞNG CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI MÁI NHÀ ĐỐI VỚI HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ GIẢI PHÁP VẬN HÀNH ỔN ĐỊNH TRONG ĐIỀU KIỆN NGUỒN ĐIỆN MẶT TRỜI MÁI NHÀ BÙNG NỔ


Trong giai đoạn 3 tháng cuối năm 2020 đã chứng kiến sự tăng trưởng bùng nổ các nguồn điện mặt trời được hưởng chính sách ưu đãi về giá FIT 2 (theo Quyết định số 13), đặc biệt là nguồn điện mặt trời mái nhà.

Đến ngày 31/12/2020, đã có hàng loạt nhà máy điện mặt trời trang trại đi vào vận hành và 101.996 công trình điện mặt trời mái nhà được đấu nối vào hệ thống điện, với tổng công suất lên đến 9.583 MWp. Tổng công suất hai nguồn điện mặt trời trang trại (ĐMTTT) và ĐMTMN lên tới 16.640 MW.

Theo số liệu thống kê, toàn bộ sản lượng điện phát từ điện mặt trời trên toàn quốc trong cả năm 2020 là 10,6 tỷ kWh. Trong đó, riêng điện mặt trời mái nhà là 1,16 tỷ kWh, chiếm khoảng 4,3% tổng sản lượng huy động nguồn toàn hệ thống điện quốc gia.

Để làm rõ và có cái nhìn thấu đáo các vấn đề bất cập hệ thống điện khi tỷ trọng các nguồn ĐMTMN tăng cao như trên, Công ty Tư vấn Xây dựng Điện 2 (PECC2) đã thực hiện báo cáo nội bộ với mục tiêu rà soát, tính toán kiểm tra, phân tích và đưa ra các nhận định về vấn đề này. Cụ thể như sau:

1/ Ảnh hưởng của điện mặt trời mái nhà trong chế độ huy động nguồn của hệ thống điện:

So với tổng công suất nguồn của toàn hệ thống khoảng 69.280 MW đến cuối năm 2020, tỷ trọng ĐMT trong hệ thống đã đạt khoảng 24%. Sự bùng nổ quá nhanh của điện mặt trời đã khiến hệ thống điện bắt đầu gặp những thách thức trong vận hành, đặc biệt là vào giai đoạn nhu cầu tiêu thụ điện giảm sút do tác động của Covid-19. Vào một số thời điểm thấp điểm trưa, khi tổng công suất điện mặt trời đồng thời phát thì việc vận hành hệ thống sẽ tiềm ẩn nhiều rủi ro. Biểu đồ phụ tải ngày thấp điểm trưa điển hình như sau:

Hình 3: Biểu đồ phụ tải thấp điểm trưa điển hình [13].


Từ hình dạng biểu đồ phụ tải ngày thấp điểm trưa điển hình, có thể nhận thấy:

Một là: Khung giờ xảy ra hiện tượng thừa công suất vào giờ thấp điểm trưa khoảng từ 10h - 15h (nhất là vào các ngày nghỉ cuối tuần, nghỉ lễ) do lúc này phụ tải xuống thấp, nhưng bức xạ mặt trời lại tốt nhất trong ngày.

Hai là: Vào khung giờ cao điểm tối (khoảng từ 18h - 20h) là thời điểm mà nhu cầu tiêu thụ điện cao nhất trong ngày, hệ thống điện cần một lượng công suất phát điện khá lớn, nhưng lúc này khả năng đáp ứng của hàng chục nghìn MW điện mặt trời hầu như không còn. Vì vậy, để đảm bảo cung cấp điện, hệ thống điện luôn cần phải duy trì sẵn sàng một số tổ máy phát điện truyền thống.

Chỉ tính riêng các nguồn ĐMTMN thì tỷ trọng đã đạt đến khoảng 25% vào thời điểm trưa ngày nghỉ lễ, nghỉ tết. Vào các thời điểm thấp điểm trưa để có thể phát toàn bộ công suất các nguồn ĐMTMN cần phải cắt giảm một lượng công suất nguồn điện của hệ thống rất lớn với mức cắt giảm cao nhất khoảng 30%. Nếu xét trong một năm thì tổng điện năng của các nguồn khác nguồn ĐMTMN phải huy động giảm thêm khoảng 5,15% - tức khoảng 13,87 tỷ kWh.

Thêm vào đó, ảnh hưởng của mưa lũ miền Bắc và đặc biệt là đợt lũ cực đoan kéo dài ở miền Trung, nhiều hồ thủy điện trên hệ thống có lưu lượng nước về lớn và có những thời điểm có từ 40 - 50 hồ miền Bắc và Trung phải xả tràn. Áp lực khai thác cao các nguồn thủy điện cũng là một trong những nguyên nhân dẫn đến giảm phát các nguồn năng lượng khác trên toàn quốc.

Bên cạnh hiện tượng chênh lệch về công suất phụ tải ở các thời điểm trong ngày, thì nhu cầu phụ tải giữa ngày làm việc và ngày nghỉ cũng có sự chênh lệch khá lớn. Trong đó, giá trị chênh lệch giữa công suất đỉnh của ngày nghỉ và ngày thường trong tuần lên tới khoảng 5.000 MW, nên vào những ngày nghỉ cuối tuần, hệ thống điện đã phải ngừng dự phòng nhiều tổ máy nhiệt điện than (NĐT) và tua bin khí (TBK) trên cơ sở đảm bảo đủ số tổ máy nối lưới tối thiểu theo điều kiện kỹ thuật của hệ thống (đảm bảo khả dụng, chế độ điện áp, giới hạn truyền tải...).

Hình 4: Biểu đồ công suất phát của các nguồn của các ngày nghỉ lễ, nghỉ tết sau khi xuất hiện ĐMTMN [13].

2/ Ảnh hưởng của điện mặt trời mái nhà với điện áp của hệ thống điện:

Việc khai thác tối đa công suất phát của các nguồn ĐMTMN làm điện áp trong hệ thống điện phân phối, cũng như truyền tải dâng cao. Kết quả được thể hiện ở hình dưới:

Hình 5: Biểu đồ phần trăm gia tăng điện áp trung bình giữa trước và sau khi có ĐMT áp mái của lưới điện 110 kV theo khu vực từng tỉnh (tăng lên) [13].

3/ Ảnh hưởng của điện mặt trời mái nhà đối với khả năng điều tần của hệ thống điện:

Một cách tiếp cận mới để ổn định tần số lưới là thêm quán tính quay ảo vào các máy phát điện phân phối. Một máy điện bất kỳ có thể tạo ra quán tính ảo bằng cách thêm vào bộ tích trữ năng lượng ngắn hạn, kết hợp với cơ chế điều khiển phù hợp cho bộ chuyển đổi điện tử công suất của nó. Khi đó, một máy phát điện có thể hoạt động giống như một máy phát điện đồng bộ ảo Virtual Synchronous Generator (VSG) trong những khoảng thời gian ngắn và góp phần ổn định tần số lưới điện.

Những nguồn ĐMTMN đóng vai trò như các nguồn phân tán, là nguồn cung cấp cho các bộ tích trữ năng lượng. Với mức thâm nhập cho phép khoảng dưới 20% tính toán mô phỏng cho thấy sự có mặt của các nguồn ĐMTMN sẽ có tác dụng giảm thiểu dao động của đáp ứng tần số và điện áp hệ thống như mô tả ở hình dưới.

Hình 6: Đồ thị dao động tần số trước và sau khi có ĐMTMN với VSG [13].


Tuy nhiên, công suất phát của các nguồn ĐMT phụ thuộc rất nhiều vào các biến động thời tiết (mây che, thời gian nắng trong ngày…), nếu lượng công suất tăng/sụt giảm đột ngột sẽ ảnh hưởng rất lớn đến công tác điều tần, điều áp hệ thống điện của các đơn vị quản lý vận hành.

Khi mức độ thâm nhập ĐMTMN ở mức cao khoảng 25% vào thời điểm trưa ngày nghỉ lễ, nghỉ tết, lúc này nếu xét cả ĐMT trang trại thì tỷ lệ này đạt khoảng 50%, nếu xảy ra hiện tượng sụt giảm một lượng công suất lớn do biến động thời tiết thì có nguy cơ sụp đổ tần số và điện áp, gây mất ổn định HTĐ.  

Hình 7: Đồ thị dao động tần số và điện áp trường hợp sự cố gây mất 50% công suất nguồn NLTT tại Nam Úc [16].


Vậy giải pháp nào để vận hành ổn định an toàn đối với hệ thống điện Việt Nam trong điều kiện nguồn điện mặt trời mái nhà bùng nổ?

Để đảm bảo an ninh và an toàn trong vận hành hệ thống điện, báo cáo của PECC2 kiến nghị cần thực hiện một số giải pháp sau:

Thứ nhất: Đối với các hệ thống ĐMTMN vẫn chưa có cơ chế, quy định cụ thể về lắp đặt thiết bị đóng - cắt, điều khoản giám sát, ngừng, giảm công suất phát của dự án ĐMTMN theo lệnh của chỉ huy điều độ trong trường hợp sự cố, hoặc quá tải lưới điện. Do đó, kiến nghị:

(1) Có cơ chế và quy định về việc cắt giảm công suất các nguồn ĐMTMN để đảm bảo HTĐ vận hành an toàn, ổn định.

(2) Trang bị hệ thống hỗ trợ cắt giảm công suất các nguồn ĐMTMN khi có lệnh của đơn vị điều độ.

(3) Trang bị hệ thống tự động giám sát và tối ưu hóa điều chỉnh công suất phát của các nguồn ĐMTMN (trong đó, bao gồm các nhà máy điện năng lượng tái tạo theo thời gian thực, đảm bảo tính công khai, minh bạch trong việc điều độ vận hành hệ thống điện quốc gia).

Thứ hai: Về dài hạn, khi mức độ xâm nhập của ĐMT tăng cao, những biện pháp điều khiển tần số và biện pháp cắt giảm cần được phối hợp hiệu quả để đảm bảo an ninh hệ thống trong những điều kiện gay gắt nhất. Vì vậy, cần có những hệ thống dự phòng đáp ứng nhanh để đảm bảo các biện pháp giảm thiểu hoạt động hiệu quả:

(1) Lắp đặt hệ thống tích trữ năng lượng có khả năng cung cấp dự trữ nhanh chóng.

(2) Xây dựng thêm các nhà máy thủy điện tích năng nhằm chuyển dịch sử dụng năng lượng sản xuất dư thừa từ nguồn điện mặt trời mái nhà ban ngày sang phục vụ nhu cầu phụ tải cao vào ban đêm.

(3) Nghiên cứu về thế hệ PV trong tương lai có khả năng đáp ứng nhanh tương tự quán tính hệ thống để hỗ trợ việc điều khiển tần số.

(4) Cải tiến công cụ mô phỏng giả lập hệ thống điện với khả năng mô phỏng chính xác đáp ứng hệ thống với những yếu tố đầu vào thay đổi sẽ cho phép vận hành hệ thống chính xác và tối ưu.

Thứ ba: Bổ sung các quy định về yêu cầu kỹ thuật thống nhất đối với các inverter trong hệ thống để để có thể vận hành an toàn trong các điều kiện tần số nằm ngoài dải cho phép.

Kỳ tới: Thách thức và giải pháp để phát triển nguồn điện gió, mặt trời trong Quy hoạch điện VIII

THS. VŨ ĐỨC QUANG - TRUNG TÂM ĐÀO TẠO VÀ NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN - PECC2

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Năng lượng Việt Nam, “Kết luận của Thủ tướng về dự thảo cơ chế phát triển điện mặt trời”. [Trực tuyến]. Địa chỉ: http://nangluongvietnam.vn/dien-hat-nhan-nang-luong-tai-tao/ket-luan-cua-thu-tuong-ve-du-thao-co-che-phat-trien-dien-mat-troi.html. [Truy cập: 22/11/2020]

[2] Bản tin PECC2, “Thị trường năng lượng tái tạo Việt Nam: “Trứng vàng” ngàn tỷ cho nhà đầu tư”, 1/10/2018 [Trực tuyến]. Địa chỉ: http: //www.pecc2.com/Detail.aspx?newsID=51041. [Truy cập: 22/11/2020].

[3] Tạp chí Công Thương, “Phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam: Sức bật từ chính sách”. [Trực tuyến]. Địa chỉ: http://tapchicongthuong.vn/bai-viet/phat-trien-nang-luong-tai-tao-tai-viet-nam-suc-bat-tu-chinh-sach-75060.htm. [Truy cập: 22/11/2020].

[4] Hoàng Hải, “Bùng nổ năng lượng mặt trời áp mái – giới hạn nào để tránh “khủng hoảng thừa,”” Bản tin PECC2, 26/11/2020 [Trực tuyến]. Địa chỉ:http: //www.pecc2.com/Detail.aspx?newsID=1015188. [Truy cập: 15/12/2020].

[5] Năng lượng Việt Nam, “Phát triển năng lượng tái tạo Việt Nam: Vì sao còn “mắc kẹt””. [Trực tuyến]. Địa chỉ: http://nangluongvietnam.vn/nhan-dinh-phan-bien-kien-nghi/phat-trien-nang-luong-tai-tao-viet-nam-vi-sao-con-mac-ket.html. [Truy cập: 22/11/2020].

[6] EVNGENCO1, “Việt Nam cần phát triển năng lượng tái tạo, nhưng…” , 28/8/2019. [Trực tuyến]. Địa chỉ: https://www.evngenco1.vn/d6/vi-VN/news/Viet-Nam-can-phat-trien-nang-luong-tai-tao-nhung-6-1322-516. [Truy cập 22/11/2020].

[7] EVN, “Quyết định 13/2020/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ chính thức có hiệu lực thi hành từ ngày 22/5/2020, điện mặt trời mái nhà được kỳ vọng phát triển mạnh” , 23/5/2020. [Trực tuyến]. Địa chỉ: https://www.evn.com.vn/d6/news/Quyet-dinh-132020QD-TTg-cua-Thu-tuong-Chinh-phu-chinh-thuc-co-hieu-luc-thi-hanh-tu-ngay-2252020-dien-mat-troi-mai-nha-duoc-ky-vong-phat-trien-manh-66-142-25694.aspx. [Truy cập 22/11/2020].

[8] Năng lượng sạch Việt Nam, “Sẽ sớm đề xuất cho phép kéo dài ưu đãi với các dự án điện gió” , 23/9/2020. [Trực tuyến]. Địa chỉhttps://nangluongsachvietnam.vn/d6/vi-VN/news/Se-som-de-xuat-cho-phep-keo-dai-uu-dai-voi-cac-du-an-dien-gio-6-164-7963. [Truy cập 22/11/2020].

[10] Viện Năng Lượng, “Báo cáo dự thảo lần 3 đề án Quy hoạch phát triển Điện lực Quốc gia thời kỳ 2021 – 2030 tầm nhìn đến năm 2025”, tháng 2/2021.

[11] PECC2, “Báo cáo nghiên cứu đấu nối giải tỏa công suất các dự án nhà máy điện mặt trời, điện gió toàn quốc đến năm 2020”, tháng 7/2018.

[12] PECC2, “Báo cáo phương án truyền tải công suất các nguồn điện khu vực Nam Trung Bộ 2 (tỉnh Ninh Thuận, Bình Thuận)”, tháng 8/2019.

[13] PECC2, “Báo cáo nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện mặt trời áp mái lên Hệ thống điện”, tháng 1/2021.

[14] PECC2, “Báo cáo nghiên cứu phương án giải tỏa công suất các dự án năng lượng tái tạo toàn quốc đến năm 2025”, tháng 9/2020.

[15] Nguyễn Lê Quốc Khánh, “HVDC xứng đáng một vé để lên "con tàu" Quy hoạch điện VIII”, Bản tin PECC2, 25/05/2020 [Trực tuyến]. Địa chỉ: http://pecc2.com/Detail.aspx?isMonthlyNew=1&newsID=101401&MonthlyCatID=15. [Truy cập: 04/01/2021].

[16] Trương Cảnh Toàn, “Quy hoạch điện VIII theo góc nhìn của những người làm tư vấn”, Bản tin PECC2, 31/03/2021 [Trực tuyến]. Địa chỉ: http://pecc2.com/Detail.aspx?isMonthlyNew=1&newsID=131581&MonthlyCatID=1024&year=2021. [Truy cập: 04/01/2021].

[17] Bộ Công Thương Việt Nam, “Phát triển bền vững nguồn Năng lượng tái tạo nối lưới và Điện mặt trời mái nhà”, 09/07/2020 [Trực tuyến]. Địa chỉ: https://www.moit.gov.vn/web/guest/tin-chi-tiet/-/chi-tiet/phat-trien-ben-vung-nguon-nang-luong-tai-tao-noi-luoi-va-%C4%91ien-mat-troi-mai-nha-19897-2401.html. [Truy cập: 04/01/2021].

[18] R. Yan, N. -Masood, T. Kumar Saha, F. Bai and H. Gu, "The Anatomy of the 2016 South Australia Blackout: A Catastrophic Event in a High Renewable Network," in IEEE Transactions on Power Systems, vol. 33, no. 5, pp. 5374-5388, Sept. 2018, doi: 10.1109/TPWRS.2018.2820150.

[19] PECC2, “Nghiên cứu phương án truyền tải điện cao áp một chiều (HVDC)”, tháng 7/2020.

[20] PECC2, “Nghiên cứu lắp đặt hệ thống tích trữ năng lượng dùng pin (BESS) trên hệ thống điện”, tháng 4/2019.

[21] Sewdien, V., Wang, X., Rueda Torres, J., & van der Meijden, M. (2020). Critical Review of Mitigation Solutions for SSO in Modern Transmission Grids. Energies, 13(13), 3449.

[22] Dong, X. L., Tian, X., Zhang, Y., & Song, J. (2017). Practical SSR incidence and influencing factor analysis of DFIG-based series-compensated transmission system in Guyuan farms. High Voltage Engineering, 43(1), 321-8.

[23] Global Systems Laboratory, “Atmospheric Science for Renewable Energy Challenges”, https://www.esrl.noaa.gov/gsd/renewable/challenges.html.

[24] PECC2, “Khó như… dự báo điện gió, điện mặt trời”, 28/9/2020.

[25] NREL, “Wind-to-Hydrogen Project”, https://www.nrel.gov/hydrogen/wind-to-hydrogen.html

[26] Siemen Gamesa, “Green hydrogen Fuel for the future”, https://www.siemensgamesa.com/en-int/products-and-services/hybrid-and-storage/green-hydrogen
 

(BÀI ĐĂNG TRONG KỶ YẾU HỘI THẢO “PHÁT TRIỂN NĂNG LƯỢNG SẠCH VIỆT NAM” DO CÔNG TY CỔ PHẦN TƯ VẤN XÂY DỰNG ĐIỆN 2 TỔ CHỨC, NGÀY 16/4/2021)