Luận án tiến sĩ: Nâng cao hiệu quả chương trình quản lý nhu cầu năng lượng bằng điều khiển nguồn phân tán - Nguyễn Minh Cường (Học viện Khoa học và Công nghệ)

Chương trình quản lý nhu cầu năng lượng định hình lại cấu trúc đồ thị phụ tải. Nhu cầu điện tăng trưởng nhanh gây quá tải cục bộ vào giờ cao điểm. Giải pháp xây thêm nhà máy điện đòi hỏi vốn đầu tư rất lớn. Nâng cấp đường dây truyền tải cũng gặp nhiều rào cản về mặt bằng. Vì vậy, giải pháp demand side management DSM mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội. Cơ chế này khuyến khích hộ tiêu thụ điều chỉnh lịch vận hành thiết bị. Lưới điện vận hành an toàn hơn trong mọi chế độ làm việc. Hiệu quả sử dụng năng lượng toàn hệ thống được cải thiện đáng kể. Khách hàng giảm chi phí tiền điện hàng tháng. Đơn vị phân phối giảm thiểu rủi ro sự cố điện diện rộng.

Nguồn điện phân tán bao gồm hệ thống pin mặt trời và tuabin gió. Các nguồn năng lượng sạch này được lắp đặt trực tiếp gần phụ tải. Việc phát điện tại chỗ giảm thiểu áp lực lên hệ thống truyền tải cao thế. Nguồn năng lượng sạch góp phần giảm phát thải khí nhà kính. Tuy vậy, công suất phát phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện thời tiết. Sự thay đổi bức xạ mặt trời và tốc độ gió gây biến động điện áp. Hiện tượng này làm phức tạp thêm công tác điều độ hệ thống. Việc tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng là yêu cầu cấp thiết. Sự phối hợp giữa nguồn phát phân tán và lưu trữ đảm bảo tính liên tục của nguồn cấp.

Hệ thống điện Việt Nam đang chứng kiến tốc độ tăng trưởng nguồn năng lượng tái tạo kỷ lục. Tỷ trọng điện mặt trời và điện gió tăng nhanh tạo ra hiện tượng thừa nguồn cục bộ. Hiện tượng này thường xuyên xảy ra vào khung giờ trưa. Ngược lại, vào giờ cao điểm tối, hệ thống lại thiếu hụt nguồn phủ đỉnh. Tình trạng nghẽn mạch lưới điện truyền tải diễn ra thường xuyên. Chương trình quản lý nhu cầu năng lượng tại Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế. Cơ chế khuyến khích phụ tải tham gia thị trường điện chưa đồng bộ. Việc áp dụng các giải pháp công nghệ điều khiển tự động là chìa khóa giải quyết bài toán này.

Cắt đỉnh phụ tải peak shaving là mục tiêu hàng đầu của các công ty điện lực. Nhu cầu tiêu thụ điện cực đại thường xuất hiện trong khoảng thời gian ngắn. Tuy nhiên, công suất đỉnh này quyết định quy mô đầu tư hạ tầng nguồn và lưới. Biện pháp cắt đỉnh phụ tải peak shaving giúp làm phẳng đồ thị phụ tải. Nguồn pin mặt trời và hệ thống lưu trữ phát công suất tối đa vào giờ cao điểm. Các thiết bị tiêu thụ công suất lớn được tạm dừng hoặc giảm tải. Nhờ đó, công suất nhận từ lưới giảm xuống mức an toàn. Nguy cơ quá tải máy biến áp phân phối được triệt tiêu hoàn toàn. Chi phí vận hành toàn hệ thống giảm đi rõ rệt.

Chiến lược dịch chuyển phụ tải load shifting tối ưu hóa thời điểm sử dụng điện năng. Khách hàng chuyển một phần nhu cầu dùng điện từ giờ cao điểm sang giờ thấp điểm. Quá trình này không làm giảm tổng sản lượng điện tiêu thụ trong ngày. Dịch chuyển phụ tải load shifting tận dụng tối đa giá điện thấp vào ban đêm. Hệ thống lưu trữ năng lượng được sạc đầy trong khung giờ thấp điểm. Năng lượng tích trữ này được xả ra để cung cấp cho tải vào giờ cao điểm. Các dây chuyền sản xuất công nghiệp linh hoạt thay đổi ca làm việc. Hiệu quả sử dụng năng lượng được nâng cao mà không ảnh hưởng tới tiến độ sản xuất.

Biểu giá điện theo thời gian sử dụng TOU tạo ra tín hiệu giá rõ ràng cho thị trường. Khung giờ bình thường, cao điểm và thấp điểm có mức giá chênh lệch đáng kể. Cơ chế này kích thích người dùng đầu tư hệ thống điện mặt trời và pin lưu trữ. Khi giá điện cao điểm ở mức cao, nguồn phát tại chỗ giúp cắt giảm chi phí tức thì. Doanh nghiệp sản xuất tối ưu hóa biểu đồ phụ tải để giảm hóa đơn tiền điện. Đơn vị vận hành lưới điện chủ động dự báo phụ tải điện chính xác hơn. Sự tương tác hai chiều giữa giá điện và hành vi tiêu dùng tạo nên thị trường điện linh hoạt. Lợi ích kinh tế được chia sẻ công bằng giữa khách hàng và ngành điện.

Đặc tính nguồn quang điện được mô tả qua phương trình phi tuyến dòng điện và điện áp. Công suất phát của dàn pin thay đổi liên tục theo cường độ bức xạ và nhiệt độ môi trường. Thuật toán MPPT đảm bảo hệ thống luôn thu nhận năng lượng cực đại. Trong khi đó, mô hình tuabin gió mô tả quá trình biến đổi động năng gió thành cơ năng. Phương trình khí động học thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất cơ trục quay. Máy phát điện biến đổi cơ năng thành điện năng đưa lên thanh cái DC. Các tham số mô hình được xác định chính xác theo điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam.

Hệ thống lưu trữ năng lượng đóng vai trò bộ đệm công suất linh hoạt. Mô hình toán học của pin lưu trữ thể hiện trạng thái nạp và phóng điện qua biến SOC. Giới hạn dung lượng và dòng nạp xả được kiểm soát nghiêm ngặt nhằm kéo dài tuổi thọ pin. Việc xác định dung lượng tối ưu của hệ thống lưu trữ là bài toán kinh tế kỹ thuật phức tạp. Dung lượng quá lớn làm tăng chi phí đầu tư ban đầu. Dung lượng quá nhỏ không đáp ứng được yêu cầu cắt đỉnh phụ tải. Mô hình toán học thiết lập hàm mục tiêu cân bằng giữa chi phí đầu tư và lợi ích tiết kiệm điện.

Công tác dự báo phụ tải điện quyết định chất lượng của chương trình điều độ năng lượng. Dữ liệu tiêu thụ điện quá khứ kết hợp thông tin thời tiết để dự đoán nhu cầu phụ tải. Dự báo chính xác hỗ trợ hệ thống lập kế hoạch nạp xả pin lưu trữ hợp lý. Sai số dự báo thấp giúp hạn chế việc mua điện lưới vào khung giờ cao điểm. Các thuật toán học máy hiện đại nâng cao độ tin cậy của mô hình dự báo. Phụ tải được phân loại chi tiết thành tải ưu tiên và tải linh hoạt. Khả năng dự báo phụ tải điện giúp chủ động triển khai các kịch bản đáp ứng nhu cầu điện.

Bộ biến đổi điện tử công suất là thành phần trung tâm kết nối các nguồn phân tán. Bộ biến đổi DC/DC tăng áp kết nối giàn pin mặt trời với thanh cái DC chung. Bộ biến đổi DC/DC hai chiều điều khiển quá trình nạp xả cho hệ thống pin lưu trữ. Bộ nghịch lưu DC/AC hòa lưới chịu trách nhiệm biến đổi nguồn một chiều thành xoay chiều. Lý thuyết điều khiển tín hiệu nhỏ được ứng dụng để thiết kế các bộ điều khiển vòng kín. Hệ thống duy trì điện áp thanh cái DC ổn định trong mọi điều kiện tải biến động. Chất lượng điện năng đầu ra đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật hòa lưới khắt khe.

Thuật toán điều độ điều phối luồng công suất tại nút phụ tải một cách tự động. Thuật toán liên tục so sánh công suất phát từ năng lượng tái tạo với nhu cầu tiêu thụ. Khi nguồn phân tán phát dư thừa, năng lượng được ưu tiên nạp vào hệ thống lưu trữ. Khi công suất phát thiếu hụt trong giờ cao điểm, hệ thống lưu trữ lập tức xả điện bù đắp. Thuật toán tối ưu hóa chi phí mua điện theo biểu giá điện theo thời gian sử dụng TOU. Mọi ràng buộc kỹ thuật của thiết bị đều được thỏa mãn trong quá trình vận hành. Quá trình chuyển đổi giữa các chế độ diễn ra mượt mà và không gây gián đoạn cấp điện.

Chương trình đáp ứng nhu cầu điện demand response DR nâng cao khả năng thích ứng của tải tiêu thụ. Tải điện được phân cấp ưu tiên dựa trên tính chất công nghệ của hộ tiêu dùng. Khi hệ thống điện phát tín hiệu khẩn cấp, các tải không thiết yếu tự động cắt giảm. Sự tương tác thông minh giữa lưới điện và phụ tải giúp ổn định tần số hệ thống. Đáp ứng nhu cầu điện demand response DR kết hợp chặt chẽ với nguồn phát tại chỗ. Khách hàng tham gia chương trình nhận được khoản chiết khấu giá điện hấp dẫn. Cơ chế này giảm áp lực vận hành cho các nguồn điện dự phòng đắt đỏ của lưới điện quốc gia.

Nghiên cứu xây dựng hai kịch bản vận hành chi tiết để so sánh đánh giá. Kịch bản cơ sở vận hành hệ thống theo phương thức truyền thống không có điều khiển tối ưu. Kịch bản thứ hai áp dụng toàn diện thuật toán điều độ luồng công suất có quản lý nhu cầu năng lượng. Trong kịch bản tối ưu, công suất đỉnh nhận từ lưới giảm hơn ba mươi phần trăm. Hệ thống lưu trữ năng lượng phối hợp nhuần nhuyễn với nguồn pin mặt trời và điện gió. Biến động điện áp thanh cái DC luôn nằm trong ngưỡng an toàn cho phép. Kết quả mô phỏng chứng minh hệ thống phản ứng nhanh nhạy trước sự thay đổi đột ngột của bức xạ.

Đánh giá kinh tế kỹ thuật khẳng định thời gian hoàn vốn đầu tư được rút ngắn đáng kể. Nhờ giảm công suất đỉnh, tiền phạt vượt công suất phản kháng được loại bỏ hoàn toàn. Chi phí mua điện giờ cao điểm giảm sâu nhờ khai thác tối đa nguồn điện sạch tại chỗ. Hiệu quả sử dụng năng lượng của toàn bộ hệ thống tăng lên rõ rệt qua các chỉ số định lượng. Hệ số sử dụng thiết bị tăng cao trong khi tổn thất công suất giảm mạnh. Tuổi thọ của các thiết bị đóng cắt được kéo dài nhờ giảm tần suất chuyển mạch đột ngột. Dự án mang lại lợi ích tài chính bền vững cho doanh nghiệp đầu tư.

Tích hợp nguồn phân tán và DSM là bước đệm quan trọng tiến tới lưới điện thông minh smart grid. Mạng lưới điện tương lai đòi hỏi khả năng tự phục hồi và tương tác đa chiều. Cảm biến thông minh cùng hạ tầng đo đếm tiên tiến thu thập dữ liệu thời gian thực liên tục. Nền tảng điều khiển tự động hóa cho phép điều độ linh hoạt hàng triệu nút phụ tải phân tán. Lưới điện thông minh smart grid khai thác tối đa tiềm năng của năng lượng tái tạo sạch. Sự phát triển này thúc đẩy quá trình chuyển dịch năng lượng xanh và bền vững. Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học giá trị cho việc hoàn thiện chính sách phát triển điện lực.