Trang chủ Công nghệ & Ứng dụng Công nghệ & Ứng dụng Hệ thống điện, xu thế phát triển và các thách thức

Hệ thống điện, xu thế phát triển và các thách thức

Ngày nay, sự phát triển của khoa học công nghệ đã mang đến nhiều thay đổi lớn trong các ngành công nghiệp, trong đó phải kể đến ngành Điện lực. Các thay đổi lớn gồm có sự thay đổi cơ cấu phát điện, nâng cao tỉ trọng của điện năng sản xuất từ năng lượng tái tạo, các thay đổi trong phụ tải điện, ứng dụng ngày càng nhiều của những thành tựu công nghệ thông tin và truyền thông. Đứng trên góc nhìn của người đào tạo ngành Điện nói chung và đặc biệt là lĩnh vực Hệ thống điện, các thay đổi này đang và sẽ tạo ra những thay đổi mới trong nhu cầu nhân lực, dẫn đến các yêu cầu về thay đổi chương trình đào tạo. Chúng tôi xin giới thiệu với các độc giả sê ri bài viết về các xu hướng thay đổi trong ngành Điện lực và yêu cầu đào tạo. Bài viết đầu tiên này sẽ giới thiệu về các xu thế phát triển mới của các hệ thống sản xuất, tiêu thụ, truyền tải điện.

Điện năng, một dạng hàng hoá đặc biệt

Mi gia đình đu b ra mt s tin nht đnh đ tr cho lượng đin năng tiêu th trong tháng. Tuy nhiên, khác vi thc phm, xăng du,... đin năng không thđược sn xut trước, tiêu th sau quy mô ln. H thng đin truyn thng da trên năng lượng thuđin, nhit đin - nơi các ngun năng lượng sơ cp thường xa nơi tiêu th. Vì thế hình nh thường thy khi chúng ta nói đến h thng đin là các đường dây truyn ti. Mi khi ph ti có thay đi, các máy phát đin cách hàng trăm, hàng ngàn cây s s t đng điu chnh đ cân bng công sut.

Đc đim trên dn đến các vn đ kinh đin trong vn hành h thng đin truyn thng: nếu được qun lý thng nht bi mt thc th (nhà nước), h thng đin sđm bo tt hơn vic điu phi cân bng cung cu, đm bo n đnh năng lượng cho quc gia. Vì thế, khi các quc gia tiến hành tư nhân hóa, tư nhân hoá ngành đin thường din ra sau cùng sau các ngành công nghip ln khác như du khí, khai khoáng, giao thông vn ti,...

Tuy nhiên, vic tư nhân hoá đ to thêm các ngun lc cho ngành đin là mt l trình không th tránh được, đc bit vi nhng quc gia có tc đ tăng trưởng kinh tế và nhu cu đin năng mc cao như Vit Nam (xem Hình 1).

alt

H.1 Nhu cầu điện năng của Việt Nam đến 2030, phương án cao và phương án cơ sở. Nguồn: Viện Năng lượng - Bộ Công thương.

Trên lý thuyết, vic to ra th trường cnh tranh s giúp gim chi phí chung cho xã hi. Tuy vy do đc thù v cách thc vn hành, th trường đin ch có th thc hin được khi có đ h tng công ngh thông tin, h thng pháp lut cht chđđm bo cung cp đin n đnh và liên tc, do phi điu phi gia rt nhiu người tham gia, t khâu phát đin, truyn ti đến khâu tiêu th. Ngày nay, nn tng khoa hc công nghđã cho phép vn hành th trường đin cnh tranh các quy mô khác nhau. Th trường mua bán đin có th din ra theo hp đng dài hn, th trường đin ngày ti (24h), th trường đin gi ti, và th trường thi gian thc, vi nhiu giao dch song phương và hình thc thanh toán.

alt

H.2 Biểu đồ công suất phát, phụ tải và giá điện của nước Đức trong ngày 28.10.2017. Nguồn: https://www.agora-energiewende.de/en/

Hình 2 minh ho biu đ công sut phát, công sut ph ti, và giá bán đin (Euro/MWh) ca nước Đc trong ngày 28.10.2017. Trong ngày này, nước Đc có dư tha nhiu năng lượng gió và mt tri, dn đến lượng xut khu đin trong ngày sang các nước xung quanh tăng cao, đng thi giá đin trong ngày có nhiu thi đim xung âm. Tm gác li s thú v ca các con s, ch nói trên quan đim vn hành, cn có h tng thông tin, truyn thông phát trin và các công c phn mm h trđ mnh mi có thđm bo vn hành h thng vi s biến đng ln như vy ch trong phm vi 24 gi.

Năng lượng mới và tái tạo

Vi s cn kit ca năng lượng hoá thch, vic phát trin các ngun năng lượng tái to (NLTT): Đin gió, đin mt tri, đa nhit,... là xu thế tt yếu nhm đm bo an ninh năng lượng và phát trin bn vng cho mi quc gia. Chi phí đu tư cho các ngun năng lượng tái to đang ngày càng tr nên cnh tranh, và mi quc gia đu cn xác đnh cho mình mt l trình phát trin các ngun năng lượng bn vng này.

Vit Nam có khí hu nhit đi gió mùa, do đó tim năng phát trin các ngun đin NLTT như đin gió, đin mt tri tương đi di dào. Tng tim năng đin gió có th khai thác được ca Vit Nam, (theo Wind Resource Atlas of Vietnam) là 26763MW. Vđin mt tri, theo thng kê ca Cc Đin lc và Năng lượng tái to đến 10/6/2018, thì đã có 286 dán đin mt tri đ xut b sung quy hoch vi tng công sut vào khong 19.300MW.

Mt s nước trên thế gii như Costa Rica, Iceland, NLTT đã chiếm gn 100% cơ cu cơ cu ngun đin. Tuy rng các nước k trên đu có nhng đc trưng như dân s nh, ngun năng lượng sơ cp di dào, nhưng không th ph nhn rng đó là nhng thành tu đáng khâm phc v phát trin năng lượng sch.

Xu thế phát trin các ngun NLTT thay cho các ngun năng lượng truyn thng cũng được ghi nhn ti nhiu quc gia khác. Hình 3 trình bày cơ cu ngun ca bang California (M) đến 2050, theo đó đin mt tri và đin gió s chiếm t trng ln, ngun nhit đin than và đin ht nhân sđược dng hoàn toàn.

alt

H. 3 Cơ cấu nguồn điện của bang California (Mỹ) đến 2050. Tạp chí Power and Energy số tháng 7-8/2018.

Tuy nhiên, vic phát trin các ngun NLTT cũng đt ra nhng thách thc không nh cho bài toán quy hoch, vn hành h thng đin và th trường đin:

  • Ngun NLTT có đc tính thay đi ngu nhiên, do vy vic điu đ vn hành tr nên rt phc tp, do phương thc vn hành khó d báo trước. Ví dụ d phòng công sut là bài toán đơn gin vi ngun đin truyn thng, thì li rt khó thc hin vi h thng có nhiu NLTT vì s thay đi liên tc ca năng lượng gió và mt trời.
  • Công ngh phát đin ca các ngun NLTT không s dng máy phát đin đng b như các nhà máy đin truyn thng, tạo nên các bài toán mi cho vn hành và điu khiển. Các vấn đề đang có tính thời sự rất nóng hiện nay trên thế giới cũng như ở Việt Nam, đó là tăng cường ổn định cho hệ thống điện với sự tăng trưởng của các nguồn năng lượng gió và mặt trời, duy trì kết nối lưới của nhà máy điện gió và mặt trời khi có biến động điện áp, phối hợp các hệ thống bảo vệ rơ le giữa nhà máy điện gió/mặt trời và hệ thống bảo vệ rơ le trên lưới điện,...
  • Các bài toán quy hoch ngun và quy hoch lưới đin cũng tr nên rt phc tp do mô hình tính toán được chuyn đi t mô hình xác đnh (deterministic) sang mô hình ti ưu ngu nhiên (stochastic).

Phụ tải điện thông minh, xe điện và thiết bị lưu trữ

Mt công vic có ý nghĩa quan trng trong vn hành h thng đin là điu khin nhu cu ph ti (DSM - Demand Side Management). Dch chuyn các ph ti tiêu th khi gi cao đim giúp gim gánh nng cho h thng, gim bt áp lc đu tư phát trin ngun. Trước đây, DSM thc hin ch yếu thông qua công tác tuyên truyn vn đng, các ph ti công nghip và các nhà máy thuđin tích năng. Trong thi đi ca Internet vn vt hin nay, ph ti đin khu vc dân dng có th tham gia rt tích cc vào DSM. Nh vào h tng công ngh thông tin, ph ti sđiu chnh công sut, thi đim tiêu thđáp ng theo tín hiu ca lưới đin đng thi gim thiu chi phí s dng đin.

alt

H.4 Cơ cấu phụ tải điện của bang California đến 2050. Tạp chí Power and Energy số tháng 7-8/2018.

Không nhng các ph ti đin tr nên thông minh hơn, cơ cu ph ti cũng s có nhng thay đi mnh. Trong tương lai, hu hết các lưới đin đu s có thêm nhu cu ph ti t các xe đin (transportation electrification), h thng sưởi gas chuyn sang sưởi đin, sn xut hydrogen phc v pin lưu tr năng lượng (xem ví d Hình 4 ca lưới đin California). Quá trình dch chuyn cơ cu tiêu th năng lượng t các ngun hoá thch sang s dng đin s to nên nhng áp lc mi cho lưới đin và càng thúc đy các cơ chế chính sách, các thiết b thông minh nhm thc hin DSM mt cách hiu qu nht.

Do ci tiến công ngh, chi phí thiết b lưu trđin năng gim rt nhanh trong giai đon gn đây càng thúc đy s có mt ca các thiết b này trong h thng đin. Pin Lithium-ion được s dng ph biến nht do công ngh tt và giá cđang dn hp lý. Thiết b lưu tr cũng là mt b sung cn thiết cho s gia tăng s lượng các xe đin và ngun NLTT. Đin năng t các ngun NLTT sđược lưu tr dưới dng năng lượng hydrogen (H2), sau đó cung cp cho các xe đin da trên pin nhiên liu và các máy phát pin nhiên liu. Mô hình xã hi H2 cũng đang được khá nhiu nước theo đui, đc bit là Nht Bn.

Nh các thiết b lưu trđin năng, vic vn hành ca h thng đin tr nên d dàng, linh hot và n đnh hơn. S tích hp ca NLTT cùng thiết b lưu trđin đang dn tr thành các yếu t không tách ri trong các khái nim v h thng đin thông minh (smart grid).

Nền công nghiệp thế hệ 4.0, trí tuệ nhân tạo, tính toán khoa học và phân tích số liệu

Hin nay, các nghiên cu v nn công nghip thế h 4, trí tu nhân to (Artificial Intelligence), công c phân tích s liu (Data Analytics), máy hc (Machine Learning) đang rt phát trin. Vy các lĩnh vc này cóng dng gì trong ngành công nghip sn xut, truyn ti, phân phi và tiêu thđin năng? Dưới đây là mt vài thông tin đin hình:

  • Các bài toán lp kế hoch ngn hn và dài hn cho h thng đin vn luôn là các bài toán quy hoch toán hc có quy mô lớn. Việc tính toán lch phát đin ngày ti cho th trường đin dn đến mt bài toán quy hoch nguyên có hàng trăm ngàn biến. Các bài toán này cn đến phn mm tính toán hin đi (IBM CPLEX, Gurobi,...) và h thng máy tính mnh đ có thđưa ra li gii đáp ng nhu cu lp kế hoch vn hành.
  • Mng trí tu nhân tạo đã được ng dng t khá lâu trong d báo nhu cu ph ti, d giá điện. Các mng trí tu nhân tạo cũng đang được ng dng mnh m trong lĩnh vc chn đoán s c và lên kế hoch sa cha (predictive maintenance) đi vi các thiết b đin quan trng như máy biến áp lực.
  • S phát trin ca phn cng và nhu cu thc tế dn đến hướng nghiên cu mi trong ngành H thng đin, trong đó mô phng quá trình vt lý, h thng thông tin truyn thông, người vn hành/s dng, và s tương tác gia các đi tượng nói trên (Cyberphysical Simulation). Phương pháp mô phng này cho phép đánh giá mt cách hiu qu s vn hành ca lưới đin vi các thiết bđiu chnh, điu khin, vi s tương tác ca người s dng, đánh giá kh năng can thip ca hacker và hoạt đng ca h thống.
  • Sđa dng ca cu trúc h thng và các ph ti thông minh s thúc đy các nghiên cu v mô hình th trường đin mi cho phép tương tác gia các ph ti đin như P2P trading, thanh toán bng công nghblockchain.

Thay cho lời kết

Với bài viết này, chúng tôi hy vọng cung cấp cho các bạn người đọc những thông tin mới về xu thế phát triển của ngành Điện. Đứng trên góc độ trường Đại học, các thay đổi mới và nhanh chóng này đang tạo ra những thách thức không nhỏ trong việc xây dựng chương trình đào tạo phù hợp với thực tế. Trong bài viết sau, các tác giả sẽ trình bày về những thay đổi trong chương trình đào tạo trong lĩnh vực kỹ thuật điện và hệ thống điện ở các nước trên thế giới với những thách thức và cơ hội mới hiện nay.

Theo tác giả Nguyễn Đức Huy - Bộ môn Hệ thống điện, Trường ĐH Bách khoa Hà Nội

Tạp chí Tự động hóa ngày nay, số tháng 8/2018


Newer news items:
Older news items:

 

Hỗ trợ online

Hỗ trợ Web
Mr Phương: 0988906030

Liên kết & Quảng cáo






 



Nhà tài trợ


Sửa biến tần

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết