Nội dung

PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 255 TÍCH HỢP CÁC NGUỒN ĐIỆN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LƯỚI ĐIỆN HUYỆN ĐẢO PHÚ QUÝ Nguyễn Đức Trung, Trưởng phòng Dự án & CNMT Công ty Tư vấn điện miền Nam Tóm tắt: Tích hợp các nguồn điện và tự động hóa lưới điện là giải pháp để cung cấp, phát triển nguồn năng lượng bền vững cho huyện đảo Phú Quý. Từ các mô hình tích hợp năng lượng được nghiên cứu, ứng dụng trên thế giới và thực trạng cung cấp điện trên huyện đảo Phú Quý, bài viết đề xuất giải pháp tích hợp các nguồn điện và tự động hóa lưới điện huyện đảo Phú Quý, bao gồm: phát triển nguồn điện trên đảo, cấu trúc lại lưới điện trên đảo, xây dựng hệ thống điều khiển mini SCADA, tích hợp các nguồn điện với lưới điện, xây dựng biểu đồ công suất thu – phát đáp ứng phụ tải. Từ khóa: năng lượng, nguồn điện, tích hợp, Phú Quý. Summary: The integration of power sources and automation of power grids is the solution to supply and develop sustainable energy sources for Phu Quy island district. From the integrated energy models studied, applied in the world and the current situation of power supply in Phu Quy island district, the paper proposes solutions integrating electricity sources and automation of Phu Quy district island grid. These include: developing island power, reconstructing the island grid, building a SCADA mini-control system, integrating the power sources with the power grid. Keywords: energy, power, integrated, Phu Quy. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Huyện đảo Phú Quý gồm 10 đảo lớn nhỏ, đảo chính là đảo Phú Quý, diện tích tự nhiên 17,82 km2, cách Phan Thiết khoảng 120 km về hướng Đông Nam, dân số khoảng 27,5 ngàn người. Đảo Phú Quý có tầm quan trọng và vị trí chiến lược trong phát triển kinh tế, an ninh quốc phòng của quốc gia. Trong những năm qua, cùng với tập trung phát huy nội lực, bộ mặt nông thôn - đô thị hóa của huyện đảo ngày một khởi sắc, đời sống nhân dân được cải thiện rõ nét. Phú Quý xác định mục tiêu phát triển kinh tế với tốc độ tăng trưởng kinh tế phù hợp và bền vững, chuyển dịch cơ cấu kinh tế theo hướng ngành nông - lâm - ngư nghiệp, ngành công nghiệp - xây dựng, ngành dịch vụ. Một trong những động lực để phát triển nhanh kinh tế - xã hội, giữ vững an ninh – quốc phòng của huyện đảo Phú Quý là thiết lập bền vững nguồn cung cấp điện. Do cách xa đất liền, hiện nay điện lưới quốc gia vẫn chưa đến được đảo. Tích hợp các nguồn điện và tự động hóa lưới điện là một trong những giải pháp nhằm góp phần thực hiện mục tiêu nói trên ở huyện đảo Phú Quý. 256 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 2. CÁC DẠNG NĂNG LƯỢNG VÀ MÔ HÌNH TÍCH HỢP NGUỒN ĐIỆN ĐƯỢC ỨNG DỤNG TRÊN THẾ GIỚI 2.1. Một số dạng tích hợp năng lượng Hiện nay trên thế giới, để giảm thiểu ảnh hưởng xấu (dao động tần số, điện áp) đến lưới điện do tính không ổn định của các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió và năng lượng mặt trời, một trong những giải pháp phù hợp là kết hợp chúng với các nguồn năng lượng khác đủ lớn để có thể điều tần trong trường hợp năng lượng gió, năng lượng mặt trời có biến động. Cụ thể, đó là việc tích hợp diesel – gió – năng lượng mặt trời với các dạng năng lượng khác. Các dạng năng lượng khác bao gồm:  Thủy điện tích năng: là nhà máy thủy điện kiểu bơm tích lũy, sử dụng điện năng của các nhà máy điện phát non tải trong hệ thống điện vào những giờ thấp điểm (ban đêm) để bơm nước từ bể nước thấp lên bể cao. Vào thời điểm nhu cầu tiêu thụ điện năng lớn, nước sẽ được xả từ hồ chứa cao xuống hồ chứa thấp hơn thông qua các tua bin để phát điện lên lưới.  Dump load: tải giả được sử dụng để tải công suất thừa của hệ thống, giúp cân bằng năng lượng và ổn định hệ thống;  Diesel tải thấp: là loại máy phát điện diesel có khả năng phát điện liên tục với phụ tải chỉ bằng 30% công suất tối đa của máy;  Thiết bị lưu trữ điện năng như: ắc quy, pin sạc, flywhee (hệ thống bánh xe dự trữ năng lượng), flue cell (pin nhiên liệu), supper capacitor (siêu tụ). 2.2. Mô hình tích hợp các nguồn năng lượng Một số mô hình tích hợp các nguồn năng lượng vào hệ thống điện không nối lưới điện quốc gia hiện nay đã vận hành có hiệu quả. a) Mô hình thực tế 1: Mô hình đã triển khai tại đảo El Hierro, Tây Ban Nha, với thông số chính như sau:  Gió: 11,5 MW gió; thủy điện tích năng; 11,3 MW; diesel: 10 MW.  Pmax: 7,56 MW (số liệu năm 2011). Hình 1: Mô hình thực tế 1 PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 257 b) Mô hình thực tế 2: Mô hình đã triển khai tại đảo Bonaire (vùng Caribbean), Hà Lan, với thông số chính như sau:  Gió: 10,8 MW gió; diesel: 17 MW (3 MW diesel tải thấp); battery: 3 MW.  Pmax: 12 MW. Hình 2: Mô hình thực tế 2 c) Mô hình đề xuất của Danvest: Mô hình điều khiển điển hình được giới thiệu bởi Danvest, Denmark. Giải pháp kết hợp các nguồn năng lượng tái tạo, diesel tải thấp, tải giả. Hình 3: Mô hình đề xuất của Danvest 258 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 Khuyến cáo của NREL: Mô hình điều khiển được NREL, USA (National Renewable Energy Laboratory) cho giải pháp tích hợp năng lượng tái tạo không nối lưới điện quốc gia với độ thâm nhập công suất > 50%. Hình 4: Khuyến cáo của NREL 3. VỀ HIỆN TRẠNG LƯỚI ĐIỆN VÀ NGUỒN ĐIỆN TRÊN HUYỆN ĐẢO PHÚ QUÝ Trước yêu cầu phải đảm bảo cung cấp điện an toàn, ổn định phục vụ phát triển kinh tế - xã hội huyện đảo Phú Quý, góp phần giữ vững an ninh quốc phòng biển đảo, Tổng công ty Điện lực miền Nam đang triển khai thực hiện đầu tư thí điểm cung cấp điện cho đảo Phú Quý bằng hệ thống tích hợp các nguồn điện và tự động hóa lưới điện trên đảo. Hiện trạng lưới điện, nguồn điện và tình hình cung cấp điện hiện nay trên huyện đảo Phú Quý như sau: a) Nguồn điện: Hiện tại huyện đảo Phú Quý được cấp điện qua 02 nguồn điện chính: 01 nguồn diesel và 01 nguồn điện gió với công suất lắp đặt như sau:  Nhà máy điện diesel gồm 08 máy phát với công suất đặt là 5 MW.  Nhà máy điện gió gồm 03 turbin gió với tổng công suất lắp đặt là 6 MW. b) Lưới điện:  Chiều dài đường dây trung áp là 25,2 km;  Chiều dài đường dây hạ áp là 37,2 km;  Có 37 trạm biến áp với tổng công suất 4.342,5 kVA. PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 259 c) Tình trạng vận hành:  Điện thương phẩm năm 2016 đạt 12.167.718 kWh;  Số khách hàng sử dụng điện 65.366 khách hàng, đạt tỉ lệ 99,59% hộ có điện;  Tổn thất điện năng trên lưới điện hiện nay là 7,75%. d) Nhận xét chung về hệ thống điện trên đảo:  Nguồn điện: không khai thác triệt để nguồn phát từ điện gió, không có nguồn phát điện dự phòng.  Lưới điện: tổn thất cao, độ tin cậy cung cấp điện thấp vì lưới điện chủ yếu hình tia, dây dẫn chủ yếu là dây nhôm lõi thép trần, tiết diện nhỏ, chưa kết nối mạch vòng các tuyến trục chính, thiết bị đóng cắt tự động trên lưới ít, thời gian xử lý sự cố và tái lập sau sự cố lâu.  Với thời gian phát điện hiện nay trên đảo là 24 h/ngày và giá điện giảm bằng giá điện lưới quốc gia trong đất liền, mỗi năm ngành điện vẫn phải bù lỗ trên 100 tỉ đồng mỗi năm.  Theo dự báo nhu cầu phụ tải của đảo Phú Quý đến năm 2030, khả năng đáp ứng của lưới điện hiện nay là rất thấp. 4. GIẢI PHÁP TÍCH HỢP CÁC NGUỒN ĐIỆN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LƯỚI ĐIỆN HUYỆN ĐẢO PHÚ QUÝ Để giải quyết tình trạng cung cấp điện trên đảo Phú Quý nhằm tăng cường khả năng đáp ứng nhu cầu phụ tải và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện góp phần phát triển kinh tế - xã hội trên đảo, việc cần thực hiện là tái cấu trúc lại lưới điện, tiến đến tự động hóa hệ thống lưới điện phân phối trên đảo Phú Quý, đồng thời điều khiển tích hợp các nguồn điện hiện có, các nguồn năng lượng mới, năng lượng tái tạo trên đảo. Trên đảo Phú Quý có ngọn núi Cấm (cao 108 m) có thể lợi dụng địa thế để làm nhà máy thủy điện tích năng. Tuy nhiên do vị trí của đảo Phú Quý nên cả 3 núi có cao độ trên đảo Phú Quý là núi Cấm, núi Cao Cát và đồi Ông Đụn đều là các vị trí chiến lược quốc phòng nên khả năng thực hiện nhà máy thủy điện tích năng trên đảo Phú Quý là không thể. Sau khi xem xét các giải pháp có thể áp dụng và tính toán đến việc tận dụng tối đa điện năng phát của các nguồn năng lượng tái tạo (gió và năng lượng mặt trời), khả năng mở rộng năng lực cung cấp điện trong tương lai khi phụ tải trên đảo tăng, chúng tôi đề nghị chọn giải pháp tích năng bằng thiết bị lưu trữ điện năng (pin lithium) để tích trữ điện. Để làm được điều này, cần triển khai các giải pháp sau: 4.1. Phát triển nguồn điện trên đảo Trang bị, lắp đặt thiết bị lưu trữ điện năng (Pin lithium) để tích trữ điện có dung lượng bằng 50% (3 MWh) công suất lắp đặt điện gió nhằm tận dụng triệt để nguồn điện gió lúc lưới điện thấp điểm và phát lại lúc cao điểm. 260 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 Hình 5: Hệ thống lưu trữ điện năng (Pin lithium) của hãng AES 4.2. Cấu trúc lại lưới điện trên đảo  Hiện đại hóa hệ thống đo đếm phục vụ kinh doanh điện năng bằng cách đầu tư mới công tơ điện tử, thay thế công tơ điện cơ cho khách hàng sử dụng điện.  Xây dựng và cải tạo lưới điện nhằm hiện đại hoá, tự động hóa lưới điện phân phối đảm bảo vận hành tối ưu hệ thống, tăng độ tin cậy cung cấp điện như: (*). Bọc hóa và kín hóa lưới điện, phát triển và xây dựng các mạch vòng liên kết lưới điện trên đảo nhằm giảm suất sự cố mất điện và đảm bảo vận hành hệ thống lưới điện theo tiêu chuẩn N-1; (**). Lắp đặt các thiết bị phân đoạn, đóng cắt có tính năng điều khiển xa. 4.3. Xây dựng hệ thống điều khiển mini SCADA Xây dựng hệ thống viễn thông chuyên ngành mini SCADA phục vụ giám sát, điều khiển đóng cắt từ xa các thiết bị trên lưới nhằm tự động hóa lưới điện trên đảo. 4.4. Tích hợp các nguồn điện với lưới điện Hình 6: Mô hình lưới điện thông minh (smart grid) tích hợp các nguồn năng lượng PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 261  Kết hợp với hệ thống mini SCADA để tích hợp, điều khiển các nguồn điện như: Pin lithium, Diesel và Turbine gió hiện hữu có xem xét mở rộng các nguồn điện Diesel, turbin gió và bộ tích trữ điện năng khác trong tương lai.  Tích hợp và điều khiển các nguồn phát điện trên lưới theo nhu cầu phụ tải. 4.5. Xây dựng biểu đồ công suất thu - phát đáp ứng phụ tải  Xây dựng biểu đồ phụ tải ngày đặc trưng theo mùa, theo quý trong năm. Trên cơ sở lập bảng tính toán cân bằng công suất thu – phát với mức độ ưu tiên tận dụng nguồn năng lượng gió, thiết bị lưu trữ điện năng (Pin lithium sẽ đầu tư) và cuối cùng là nguồn Diesel phát bù công suất trong trường hợp thiếu hụt nguồn, từ đó xây dựng biểu đồ điều khiển các nguồn phát điện hiện có theo thực tế phụ tải tại đảo Phú Quý.  Biểu đồ cân bằng công suất giữa phụ tải – điện gió – diesel điển hình hiện nay (chưa điều khiển tích hợp), nguồn diesel vẫn phát chính nhằm ổn định dao động tần số, điện áp trên lưới. Hình 7: Đồ thị phụ tải ngày điển hình của huyện đảo Phú Quý (chưa tích hợp)  Biểu đồ cân bằng công suất: Phụ tải – Điện gió – Pin lưu trữ điện năng (sau khi điều khiển tích hợp các nguồn năng lượng): nguồn phát chủ yếu là điện gió, nguồn Pin lưu trữ điện năng sẽ phát lúc điện gió thiếu hụt công suất và vận hành nạp xả nhằm ổn định dao động tần số, điện áp trên lưới. Nguồn Diesel sẽ phát dự phòng. 262 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017 Hình 8: Đồ thị phụ tải ngày điển hình huyện đảo Phú Quý (sau khi tích hợp)  Bảng cân bằng công suất điển hình theo từng khung giờ sau khi điều khiển tích hợp các nguồn năng lượng: KHUNG GIỜ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 P.TẢI 1428 1302 1300 1318 1318 1346 1488 1926 2182 2013 1873 1802 GIÓ 2088 1992 1920 1908 1890 1935 2595 2050 2700 1584 2763 2487 PIN 0 0 0 0 0 0 0 0 0 429 0 0 DIESEL 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 KHUNG GIỜ 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 P.TẢI 1531 1757 1839 1985 1853 2166 1968 1840 1828 1645 1510 1390 GIÓ 1374 2556 1842 2919 2697 2122 2877 2715 2643 2202 2190 2040 PIN 157 0 0 0 0 44 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 DIESEL  Khi nhu cầu phụ tải trên đảo ngày càng tăng, nguồn Diesel sẽ tăng cường công suất phát lên lưới nhằm ổn định nguồn phát và tăng độ tin cậy cung cấp điện của hệ thống. PHÂN BAN NGUỒN ĐIỆN | 263 5. KẾT LUẬN Với mô hình và giải pháp tích hợp điều khiển các nguồn điện trên đảo Phú Quý nêu trên, nếu đạt hiệu quả, sẽ triển khai áp dụng cho các đảo xa đất liền mà lưới điện quốc gia không đến được nhằm đa dạng hóa các nguồn cấp điện, giảm chi phí đầu tư xây dựng nguồn cấp điện truyền thống và đường dây truyền tải điện đi xa, đồng thời giảm các tác động đến môi trường. Đặc biệt hiệu quả hơn đối với vùng sâu, vùng xa, vùng biên giới, hải đảo, nơi điện lưới quốc gia khó tiếp cận. Giải pháp đề xuất của chúng tôi sẽ đạt được các mục tiêu chính: (1). Tích hợp và điều khiển được các nguồn phát điện trên lưới theo nhu cầu phụ tải, tận dụng triệt để nguồn điện gió lúc lưới điện thấp điểm và phát lại lúc cao điểm, giảm phát điện từ nguồn Diesel; (2). Tăng khả năng cung cấp điện nhờ bộ lưu trữ điện năng; (3). Tự động hóa hệ thống điện trên đảo, giảm suất sự cố trên lưới điện, giảm thời gian xử lý sự cố và khắc phục nhanh nhờ tính năng điều khiển xa, giảm tổn thất điện năng trên lưới điện; (4). Giảm bù lỗ giá điện nhờ cắt giảm hoặc ngắt hoàn toàn diesel chạy nền; (5). Tăng độ tin cậy lưới điện đảo Phú Quý nhờ khả năng đáp ứng tức thời của hệ thống Pin lưu trữ điện năng. Tổng công ty Điện lực miền Nam đang triển khai đẩy nhanh lộ trình xây dựng lưới điện thông minh, với mục tiêu trước mắt là tự động hóa hệ thống lưới điện nhằm tăng độ ổn định cung cấp điện, giảm thời gian xử lý sự cố, giảm chi phí vận hành, thực hiện sử dụng năng lượng điện tiết kiệm và hiệu quả,... đáp ứng nhu cầu cung cấp điện liên tục, ổn định và chất lượng điện ngày càng cao. Giải pháp đề xuất của chúng tôi về việc tích hợp các nguồn điện và tự động hóa lưới điện huyện đảo Phú Quý chính là góp phần cụ thể vào việc triển khai lộ trình nói trên. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nghị định số 102/2003/NĐ-CP ngày 03/9/2013 của Chính phủ về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. [2] https://hub.globalccsinstitute.com/publications/electricity-storage-and-renewablesisland-power-guide-decision-makers/5c-bonaire [3] https://www.endesa.com/en/projects/a201611-el-hierro-renewablesustainability.html [4] http://www.danvest.com/documenten/Danvest%20Brochure%202012.pdf [5] http://www.rfa.org/vietnamese/news/ReadersOpinions/vn-re-ene-205006212017144742.html [6] http://innovation.aes.com/home/default.aspx