Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ cùng với sự tăng trưởng của nhu cầu điện năng, các nguồn năng lượng tái tạo kết nối với hệ thống điện phân phối dưới dạng các nguồn phân tán là một trong những lựa chọn phổ biến để hỗ trợ phát điện với chi phí tiết kiệm và giảm thiểu phát thải ra môi trường. Đặc biệt, với nguồn năng lượng tái tạo phổ biến như hệ thống điện mặt trời – pin quang điện (PV) phụ thuộc vào các nguồn sơ cấp tự nhiên khó có thể được kiểm soát dẫn đến sự dao động về công suất gây ra ảnh hưởng nhất định trên lưới điện. Việc tích hợp điện mặt trời với sản lượng thấp trong lưới phân phối có thể được coi là giải pháp phụ trợ để cải thiện chất lượng điện áp lưới và giảm tổn thất điện năng.

Nguyên nhân gây ra hiện tượng quá điện áp khi có sự tham gia điện mặt trời trong lưới điện phân phối

Tuy nhiên, khi tỷ lệ hòa lưới PV cao hơn có thể gây khó khăn trong việc kiểm soát và vận hành lưới điện. Một trong số những thách thức liên quan đến tỷ lệ thâm nhập PV cao là: gây quá tải các thành phần trong lưới điện như máy biến áp và đường dây, gây dao động dòng công suất tác dụng và phản kháng, tạo ra sai lệch các thiết bị bảo vệ trong lưới điện, mất cân bằng điện áp,… Trong các ảnh hưởng trên, quá điện áp là thách thức chính gây ra sự hạn chế việc phát triển rộng rãi hệ thống PV trong lưới điện phân phối. Hệ thống PV đã gây ra hiện tượng quá điện áp, đồng thời tạo ra dòng công suất ngược từ khách hàng về phía nguồn trong thời điểm mức tiêu thụ của phụ tải tương đối nhỏ trong khi sản lượng PV tại thời điểm đó khá cao. Như vậy với một tỷ lệ hòa lưới cao của điện mặt trời trong lưới điện thì hiện tượng quá điện áp chắc chắn sẽ xảy ra, và sẽ diễn ra càng trầm trọng hơn trong lưới phân phối bởi tỷ lệ R/X của lưới phân phối tương đối lớn.

Các biện pháp cải thiện điện áp khi có sự tham gia điện mặt trời trong lưới điện phân phối.

Theo tiêu chuẩn ANSI C84.1, biên độ điện áp tại điểm kết nối phải được giới hạn ở ngưỡng ±5%𝑈𝑑𝑚. Do vậy, ta có thể ước tính công suất tác dụng tối đa có thể đưa vào lưới điện mà không gây ra quá điện áp như sau:

Nhìn vào công thức trên, ta có thể thấy để gia tăng lượng công suất tải vào lưới mà không gây vượt giới hạn điện áp cho phép tại điểm kết nối chung (hoặc đảm bảo tiêu chuẩn điện áp khi có tỷ lệ thâm nhập cao của PV) ta có thể áp dụng các phương pháp:

• Cải tạo lưới điện để giảm 𝑋𝑡ℎ, 𝑅𝑡ℎ
• Sử dụng công suất phản kháng để điều chỉnh điện áp của lưới điện
• Sử dụng bộ điều áp dưới tải (OLTC) để thay đổi 𝑈𝑡ℎ
• Sử dụng bộ tích trữ năng lượng để cắt giảm công suất điện mặt trời thâm nhập vào lưới điện

Trong các phương pháp trên, nâng cấp lưới điện dường như là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để giải quyết vấn đề quá điện áp trong điều kiện công suất PV cao. Chúng ta có thể giảm điện trở của các đường dây trong lưới phân phối bằng cách thay thế các đường dây cũ bằng các đường dây mới có tiết diện lớn hơn hoặc thêm các đường dây mới song song với các đường dây cũ nhằm giảm sự gia tăng điện áp tại các điểm kết nối chung. Ngoài ra, việc giảm trở kháng của đường dây cũng có thể thực hiện bằng cách thay thế máy biến áp. Tuy nhiên, phương pháp nâng cấp đường dây không hiệu quả, hạn chế chính của việc nâng cấp lưới điện là chi phí cao và khó ước lượng cho toàn bộ hệ thống lưới điện. Chi phí này sẽ biến đổi tùy thuộc vào cấu trúc của lưới điện, công suất ngắn mạch, chiều dài các tuyến dây và loại dây dẫn được sử dụng khi cải tạo lưới điện. Hơn nữa, công suất đầu ra của hệ thống PV thường nhhơn nhiều so với sản lượng được tính toán lý thuyết trong một năm, vì vậy việc nâng cấp lưới điện không được xem là một giải pháp tiết kiệm chi phí để cải thiện điện áp.

Trong lưới điện truyền tải, tỷ lệ R/X thường tương đối nhỏ, do đó, việc phân bổ công suất phản kháng là một biện pháp chính để điều chỉnh điện áp trong hệ thống điện. Tuy nhiên, trong lưới phân phối, tỷ lệ này thường rất lớn, vì vậy việc sử dụng công suất phản kháng thường không hiệu. Mặc dù vậy, đây vẫn là một giải pháp hữu hiệu để gia tăng công suất tối đa được phép truyền vào lưới từ PV. Hiệu quả của phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc lưới điện và tỷ lệ R/X của lưới. Đặc biệt khi sử dụng nguồn công suất phản kháng tạo bởi biến tần của PV một cách không hợp lý có thể dẫn đến tắc nghẽn, và tăng tổn thất công suất trong lưới điện phân phối.

Sử dụng máy biến áp có điều áp dưới tải là một giải pháp hiệu quả chống quá áp nhưng đồng thời cần có phương pháp điều chỉnh OLTC tối ưu để vừa có thể gia tăng tuổi thọ cho OLTC vừa đảm bảo giải quyết vấn đề vi phạm điện áp của lưới điện. Các nghiên cứu trước đây đã đề ra phương pháp điều khiển OLTC thông qua tín hiệu điện áp được lấy ở tất cả các điểm trong lưới điện. Phương pháp này yêu cầu chi phí đầu tư và vận hành ban đầu cho cơ sở hạ tầng của công nghệ thông tin và truyền thông, điều này có thể làm tăng đáng kể chi phí chung và làm giảm hiệu quả kinh tế của việc sử dụng máy biến áp với OLTC. Nếu chỉ sử dụng một bộ OLTC thì việc công suất PV phân phối không đồng đều trong lưới điện rất đáng quan ngại. Bởi với lưới điện có nhiều xuất tuyến vào những thời điểm OLTC tác động ngăn hiện tượng quá áp tại 1 xuất tuyến (có PV) nhưng đồng thời có thể làm cho 1 xuất tuyến khác (không có PV) xuất hiện điện áp thấp ngoài khoảng cho phép. Chính vì lý do như vậy nên việc sử dụng OLTC cần phải được phối hợp cùng các biện pháp cải thiện điện áp khác ở trong lưới.

Cắt giảm công suất PV là giải pháp hiệu quả để ngăn ngừa vượt ngưỡng điện áp. Nhưng năng lượng mặt trời là năng lượng xanh và miễn phí, việc cắt giảm sản lượng có thể là một giải pháp khó có thể chấp nhận được. Tuy nhiên, đây có lẽ là giải pháp tất yếu và kinh tế cho hệ thống PV tích hợp vào lưới điện phân phối. Chính vì vậy trong những năm gần đây, hệ thống lưu trữ năng lượng đã được đề xuất như một giải pháp giúp vượt qua những thách thức của công nghệ năng lượng tái tạo. Công suất của PV hòa vào lưới được giới hạn ở một lượng cụ thể bằng cách lưu trữ năng lượng dư thừa và năng lượng lưu trữ này có thể được sử dụng hợp lý cho mức tiêu phụ tải hoặc khi nhu cầu sử dụng điện tăng cao,...

Công nghệ lưu trữ dạng pin - giải pháp điều chỉnh điện áp mới trong lưới điện phân phối

Công nghệ lưu trữ dạng pin (BESS) đã phát triển phổ biến trong những năm gần đây nhưng mối quan tâm chính về ứng dụng BESS vẫn là vốn đầu tư ban đầu vào hệ thống. Như vậy cần phải có chiến lược tối ưu hóa quy mô của các bộ lưu trữ năng lượng xem xét tới các yếu tố: phân tích đánh giá được lợi ích kinh tế mà BESS đem lại, khả năng đảm bảo trong việc cải thiện điện áp, tuổi thọ ở các chế độ hoạt động khác nhau, phối hợp BESS với các công cụ điều chỉnh điện áp khác,. . . Hơn nữa với chiến lược điều khiển BESS hiệu quả có thể giảm thiểu tổng tổn thất đồng thời kiểm soát điện áp lưới trong điều kiện có tỷ lệ hòa lưới cao của PV.

Tuy nhiên để mở rộng ứng dụng BESS trong lưới phân phối, nghiên cứu về tối ưu hóa vị trí và kích thước của BESS là hai yếu tố vô cùng quan trọng để đảm bảo sử dụng hiệu quả trong các ứng dụng thương mại. Hai yếu tố này có tác động đáng kể đến khía cạnh lợi ích kinh tế khi BESS được tích hợp trong lưới điện, việc bố trí không phù hợp và kích thước quá lớn của BESS có thể làm tăng chi phí đầu tư. Do đó, các chiến lược xác định quy mô cần được xem xét thêm về vị trí cũng như việc phối hợp vận hành của các hệ thống BESS để giải quyết những thách thức mà các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và hệ thống PV nói riêng gây ra cho lưới điện.