ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

VÕ VĂN PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG
CỦA NGUỒN ĐIỆN GIĨ CƠNG SUẤT LỚN
ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số:

9 52 02 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – 2016


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

VÕ VĂN PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG
CỦA NGUỒN ĐIỆN GIĨ CƠNG SUẤT LỚN
ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số:

9 52 02 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS. Đinh Thành Việt
2. GS.TSKH. Trần Quốc Tuấn

Đà Nẵng – 2023


i

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Những số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận án

Võ Văn Phương


ii

MỤC LỤC


LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
MỤC LỤC ...................................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH .........................................................................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... xi
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu .......................................................................................... 2
3. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 3
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ......................................................... 4
6. Bố cục của luận án .............................................................................................. 5
CHƯƠNG 1 ................................................................................................................ 6
TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ VÀ CÁC NGHIÊN CỨU VỀ VẤN
ĐỀ ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN GIĨ CƠNG SUẤT LỚN ĐẾN HỆ
THỐNG ĐIỆN VÀ THỊ TRƯỜNG ĐIỆN ................................................................. 6
1.1. Tổng quan về nguồn điện gió .......................................................................... 6
1.2. Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện gió cơng suất lớn đối
với hệ thống điện và thị trường điện ..................................................................... 13
1.2.1. Các nghiên cứu về ảnh hưởng của nguồn điện gió đến hệ thống
điện và thị trường điện...................................................................................... 14
1.2.2. Các nghiên cứu về quy hoạch phát triển nguồn điện gió ....................... 15
1.2.3. Các nghiên cứu về dự báo cơng suất phát nguồn điện gió ..................... 17
1.3. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 29
CHƯƠNG 2 .............................................................................................................. 30
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN GIĨ CƠNG SUẤT
LỚN ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ THỊ TRƯỜNG ĐIỆN ...................................... 30


iii

2.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 30
2.2. Mơ hình turbine, máy phát điện gió............................................................... 31
2.2.1. Phân loại turbine gió............................................................................... 31
2.2.2. Cấu trúc turbine gió: ............................................................................... 32
2.2.3. Turbine gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
nối lưới ............................................................................................................. 33
2.2.4. Năng lượng gió và cơng suất gió:........................................................... 35
2.2.5. Bộ chuyển đổi phía máy phát và phía lưới: ............................................ 37
2.2.6. Bộ điều khiển góc cánh: ......................................................................... 37
2.3. Ảnh hưởng của nguồn điện gió cơng suất lớn đến hệ thống điện ................. 37
2.3.1. Cân bằng công suất và ổn định hệ thống điện ........................................ 37
2.3.2. Chất lượng điện năng ............................................................................. 38
2.3.3. Ảnh hưởng đến đường dây tải điện ........................................................ 39
2.3.4. Ảnh hưởng đến vận hành tối ưu các nhà máy điện ................................ 39
2.3.5. An ninh cung cấp điện và môi trường .................................................... 40
2.4. Nghiên cứu tính tốn và phân tích ảnh hưởng của nguồn điện gió đến
hệ thống điện ......................................................................................................... 40
2.4.1. Lưới điện nghiên cứu ............................................................................. 41
2.4.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................. 46
2.5. Ảnh hưởng của nguồn điện gió cơng suất lớn đến thị trường điện ............... 69
2.5.1. Ảnh hưởng đến giá thị trường ................................................................ 69
2.5.2. Tăng chi phí cho các dịch vụ phụ trợ ..................................................... 71
2.5.3. Ảnh hưởng đến tài chính của nhà máy điện gió tham gia trong thị
trường điện ....................................................................................................... 72
2.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của sai số dự báo cơng suất phát nguồn điện gió
đến doanh thu của nhà máy điện gió tham gia trong thị trường phát điện
cạnh tranh .............................................................................................................. 73
2.7. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 77
CHƯƠNG 3 .............................................................................................................. 79



iv
NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HOÁ TÍCH HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI
TẠO VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN XÉT ĐẾN CÁC KỊCH BẢN GIẢM LƯỢNG
KHÍ THẢI CO2 ......................................................................................................... 79
3.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 79
3.2. Mơ hình tính tốn ........................................................................................... 80
3.2.1. Hàm mục tiêu ......................................................................................... 80
3.2.2. Các ràng buộc ......................................................................................... 81
3.2.3. Phát thải CO2 .......................................................................................... 81
3.2.4. Thuật tốn tối ưu hố tích hợp nguồn năng lượng tái tạo vào hệ
thống điện xét đến các kịch bản giảm lượng khí thải CO2 ............................... 82
3.3. Nghiên cứu tối ưu hố tích hợp nguồn năng lượng tái tạo vào hệ thống
điện theo các kịch bản giảm lượng khí thải CO2 .................................................. 83
3.3.1. Mơ hình lưới điện nghiên cứu ................................................................ 83
3.3.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................. 87
3.4. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 95
CHƯƠNG 4 .............................................................................................................. 97
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ BÁO CƠNG SUẤT PHÁT
NGUỒN ĐIỆN GIĨ SỬ DỤNG MẠNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO KẾT HỢP
VỚI CÁC THUẬT TOÁN TỐI ƯU ......................................................................... 97
4.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 97
4.2. Mạng trí tuệ nhân tạo và thuật tốn tối ưu ..................................................... 99
4.2.1. Mạng trí tuệ nhân tạo (ANN) ................................................................. 99
4.2.2. Thuật toán tối ưu hoá bầy đàn .............................................................. 101
4.2.3. Thuật toán di truyền (GA) .................................................................... 103
4.2.4. Thuật toán PSO-ANN để huấn luyện mạng trí tuệ nhân tạo ................ 105
4.3. Mơ hình dự báo cơng suất phát nguồn điện gió sử dụng mạng trí tuệ
nhân tạo kết hợp với các thuật tốn tối ưu .......................................................... 108
4.3.1. Mơ hình dự báo cơng suất phát nguồn điện gió PSO-PSO-ANN ........ 108

4.3.2. Mơ hình dự báo cơng suất phát nguồn điện gió GA-PSO-ANN .......... 110


v
4.3.3. Dữ liệu .................................................................................................. 113
4.4. Kết quả thử nghiệm...................................................................................... 116
4.4.1. Phương pháp đánh giá kết quả ............................................................. 116
4.4.2. Kết quả thử nghiệm .............................................................................. 117
4.5. Kết luận chương 4 ........................................................................................ 122
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 124
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ANN

Artificial Neural Network - Mạng trí tuệ nhân tạo

BESS

Battery Energy Storage System - Hệ thống tích trữ năng lượng

CAGR

Compound Annual Growth Rate - Tốc độ tăng trưởng hàng năm kép


COP21

The 21st Conference of the Parties - Hội nghị thượng đỉnh lần thứ 21
Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu

EMS

Energy Management Systems - Hệ thống quản lý năng lượng

EVN

Tập đoàn Điện lực Việt Nam

GA

Genetic Algorithm - Thuật toán di truyền

GDP

Gross Domestic Product - Tổng sản phẩm nội địa

GHG

Green-house Gases - Khí nhà kính

GWEC

Global Wind Energy Council - Uỷ ban năng lượng gió tồn cầu


IEA

International Energy Agency - Cơ quan năng lượng quốc tế

IRENA

International Renewable Energy Agency - Cơ quan năng lượng tái
tạo quốc tế

MAPE

Mean Absolute Percentage Error - Sai số phần trăm giá trị tuyệt đối
trung bình

MBA

Máy biến áp

NMĐ

Nhà máy điện

MOPSO

Multi Objective Particle Swarm Optimisation - Thuật toán tối ưu hoá
bầy đàn đa mục tiêu

MSE

Mean Squared Error - Sai số bình phương trung bình


NLTT

Năng lượng tái tạo

PSO

Particle Swarm Optimisation - Thuật toán tối ưu hoá bầy đàn

SCADA

Supervisory Control and Data Acquisition - Hệ thống giám sát, điều
khiển và thu thập dữ liệu


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Cơng suất lắp đặt mới nguồn điện gió tồn thế giới qua các năm .............. 7
Hình 1.2. Luỹ kế tổng cơng suất lắp đặt nguồn điện gió trên tồn thế giới ................ 7
Hình 1.3. Tỷ trọng đóng góp lắp đặt mới nguồn điện gió trong năm 2022 của
các khu vực (biểu đồ bên trái) và các quốc gia (biểu đồ bên phải) ............................. 8
Hình 1.4. Sản lượng điện năng do các nguồn điện gió phát ra ................................... 9
Hình 1.5. Bản đồ tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 100m ................................ 11
Hình 2.1. Turbine gió trục ngang (a) và turbine gió trục đứng (b) ........................... 32
Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc cơ bản turbine gió sử dụng máy phát điện đồng bộ
nam châm vĩnh cửu nối lưới...................................................................................... 34
Hình 2.3. Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa 𝑐𝑝 và 𝜆 .................................... 36
Hình 2.4. Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa 𝑃𝑚 và tốc độ gió ..................... 36

Hình 2.5. Sơ đồ lưới điện IEEE 9 nút và các nhà máy điện gió nghiên cứu ............ 41
Hình 2.6. Sơ đồ lưới điện IEEE 9 nút bổ sung thêm nhà máy điện gió thể hiện
trên chương trình mơ phỏng ...................................................................................... 42
Hình 2.7. Mơ hình turbin gió sử dụng máy phát cảm ứng điện từ ............................ 45
Hình 2.8. Mơ hình nhà máy điện gió trong phần mềm DigSilent ............................. 45
Hình 2.9. Điện áp tại các nút ở kịch bản 1 ................................................................ 47
Hình 2.10. Điện áp tại các nút ở kịch bản 2 .............................................................. 47
Hình 2.11. Điện áp tại các nút ở kịch bản 3 .............................................................. 47
Hình 2.12. Công suất phát của các nguồn ở kịch bản 1 ............................................ 48
Hình 2.13. Cơng suất phát của các nguồn ở kịch bản 2 ............................................ 48
Hình 2.14. Cơng suất phát của các nguồn ở kịch bản 3 ............................................ 49
Hình 2.15. Cơng suất truyền tải trên các đường dây ở kịch bản 1 ............................ 49
Hình 2.16. Cơng suất truyền tải trên các đường dây ở kịch bản 2 ............................ 50
Hình 2.17. Cơng suất truyền tải trên các đường dây ở kịch bản ............................... 50
Hình 2.18. Đồ thị dịng điện ngắn mạch ở kịch bản 1 .............................................. 51
Hình 2.19. Đồ thị dịng điện ngắn mạch ở kịch bản 2 .............................................. 52


viii
Hình 2.20. Đồ thị dịng điện ngắn mạch ở kịch bản 3 .............................................. 52
Hình 2.21. Vi phạm mức độ mang tải các thiết bị ở kịch bản 1 ............................... 54
Hình 2.22. Vi phạm điện áp tại các nút ở kịch bản 1 ................................................ 54
Hình 2.23. Vi phạm mức độ mang tải các thiết bị ở kịch bản 2 ............................... 54
Hình 2.24. Vi phạm điện áp tại các nút ở kịch bản 2 ................................................ 55
Hình 2.25. Vi phạm mức độ mang tải các thiết bị ở kịch bản 3 ............................... 55
Hình 2.26. Vi phạm điện áp tại các nút ở kịch bản 3 ................................................ 55
Hình 2.27. Điện áp tại nút 8, điện áp tại nút 5 và dòng điện ngắn mạch tại nút
8 ở kịch bản 1 ............................................................................................................ 56
Hình 2.28. Điện áp tại nút 8, điện áp tại nút 5 và dòng điện ngắn mạch tại nút
8 ở kịch bản 2 ............................................................................................................ 57

Hình 2.29. Điện áp tại nút 8, điện áp tại nút 5 và dòng điện ngắn mạch tại nút
8 ở kịch bản 3 ............................................................................................................ 57
Hình 2.30. Dao động điện áp tại các thanh cái 230kV khi ngắn mạch tại nút 8
ở kịch bản 1 ............................................................................................................... 58
Hình 2.31. Dao động điện áp tại các thanh cái 230kV khi ngắn mạch tại nút 8
ở kịch bản 2 ............................................................................................................... 58
Hình 2.32. Dao động điện áp tại các thanh cái 230kV khi ngắn mạch tại nút 8
ở kịch bản 3 ............................................................................................................... 59
Hình 2.33. Đồ thị dao động tốc độ, góc lệch rotor các nguồn và tần số hệ thống
ở kịch bản 1 ............................................................................................................... 60
Hình 2.34. Đồ thị dao động tốc độ, góc lệch rotor các nguồn và tần số hệ thống
ở kịch bản 2 ............................................................................................................... 60
Hình 2.35. Đồ thị dao động tốc độ, góc lệch rotor các nguồn và tần số hệ thống
ở kịch bản 3 ............................................................................................................... 61
Hình 2.36. Đường cong cơng suất các tuabin gió ..................................................... 62
Hình 2.37. Dao động cơng suất phát các nhà máy, điện áp khi vận tốc gió thay
đổi đột ngột từ 14 m/s đến 9m/s ................................................................................ 62


ix
Hình 2.38. Dao động cơng suất phát các nhà máy, điện áp khi vận tốc gió thay
đổi đột ngột từ 14 m/s đến 2m/s ................................................................................ 63
Hình 2.39. Cơng suất phát của Wind1 ...................................................................... 65
Hình 2.40. Cơng suất phát của Wind2 ...................................................................... 65
Hình 2.41. Điện áp tại các thanh cái ......................................................................... 66
Hình 2.42. Cơng suất truyền tải trên các nhánh ........................................................ 66
Hình 2.43. Tổn thất cơng suất tại các thời điểm ....................................................... 67
Hình 2.44. Cơng suất phát của Wind1 ...................................................................... 68
Hình 2.45. Cơng suất phát của Wind2 ...................................................................... 68
Hình 2.46. Điện áp trên các thanh cái ....................................................................... 69

Hình 2.47. Cơng suất truyền tải trên các đường dây ................................................. 69
Hình 2.48. Ảnh hưởng của nguồn điện gió đến giá thị trường ................................. 70
Hình 2.49 Đồ thị giá điện theo từng giờ trong ngày của các nhà máy điện .............. 74
Hình 3.1. Lưu đồ thuật tốn tối ưu hố tích hợp nguồn năng lượng tái tạo vào
hệ thống điện ............................................................................................................. 83
Hình 3.2. Sơ đồ lưới điện nghiên cứu ....................................................................... 84
Hình 3.3. Phân bố phụ tải tại các nút ........................................................................ 86
Hình 3.4. Kết quả mô phỏng phân bố sản lượng phát điện các loại nguồn theo
các kịch bản khác nhau ............................................................................................. 88
Hình 3.5. Biểu đồ phát tương ứng với các kịch bản giảm mức phát thải 0%,
8%, 25% .................................................................................................................... 90
Hình 3.6. Mức độ mang tải các đường dây ở kịch bản 4 .......................................... 91
Hình 3.7. Phân bổ sản lượng phát điện các nhà máy khi có sự thâm nhập của
BESS ......................................................................................................................... 92
Hình 3.8. Đồ thị nạp xả của các hệ thống BESS ....................................................... 92
Hình 3.9. Mức giảm phát thải CO2 và tỉ lệ tương ứng ở các kịch bản ..................... 93
Hình 3.10. Tỉ lệ sản lượng phát của các loại nhà máy điện theo các kịch bản ......... 94
Hình 3.11. Tỉ lệ cơng suất lắp đặt các loại nguồn điện theo các kịch bản mô
phỏng ......................................................................................................................... 95


x
Hình 4.1. Sơ đồ mạng nơron nhiều lớp truyền thẳng .............................................. 100
Hình 4.2. Sơ đồ cập nhật các thơng số vị trí và vận tốc của thuật tốn PSO .......... 102
Hình 4.3. Lưu đồ thuật tốn di truyền [140] ........................................................... 104
Hình 4.4. Mơ hình thuật tốn PSO-ANN ................................................................ 105
Hình 4.5. Sơ đồ thực hiện thuật tốn PSO-ANN .................................................... 107
Hình 4.6. Mơ hình thuật tốn PSO-PSO-ANN ....................................................... 108
Hình 4.7. Lưu đồ thuật tốn của thuật tốn PSO-PSO-ANN .................................. 109
Hình 4.8. Mơ hình thuật tốn GA-PSO-ANN ......................................................... 111

Hình 4.9. Lưu đồ thuật tốn GA-PSO-ANN ........................................................... 112
Hình 4.10. Các trụ điện gió thuộc Nhà máy điện gió Tuy Phong - Bình Thuận .... 113
Hình 4.11. Tiềm năng gió ở Tuy Phong Bình Thuận [6] ........................................ 113
Hình 4.12. Cấu tạo của tubin gió............................................................................. 115
Hình 4.13. Dữ liệu cơng suất phát và vận tốc gió của tuabin ................................. 116
Hình 4.14. Chỉ số MAPE cho 24 lần thử nghiệm ................................................... 118
Hình 4.15. Chỉ số MSE cho 24 lần thử nghiệm ...................................................... 118
Hình 4.16. Giá trị trung bình của MAPE cho 24 lần thử nghiệm ........................... 119
Hình 4.17. Giá trị trung bình MSE cho 24 lần thử nghiệm..................................... 119
Hình 4.18. Cơng suất phát thực tế và dự báo của tuabin gió trong 24h .................. 120
Hình 4.19. Cơng suất phát thực tế và dự báo của tuabin gió trong 24h (mơ hình
GA-PSO-ANN ........................................................................................................ 121
Hình 4.20. Đồ thị sai số MAPE trung bình của mơ hình dự báo sử dụng
Tensorflow so với một số mơ hình dự báo khác ..................................................... 122


xi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Thông số các nút trong sơ đồ nghiên cứu ................................................. 43
Bảng 2.2. Thông số các nguồn trong sơ đồ nghiên cứu ............................................ 43
Bảng 2.3. Thông số các tải trong sơ đồ nghiên cứu .................................................. 43
Bảng 2.4. Thông số các đường dây trong sơ đồ nghiên cứu ..................................... 44
Bảng 2.5. Thông số các máy biến áp trong sơ đồ nghiên cứu .................................. 44
Bảng 2.6. Tổn thất cơng suất tác dụng trong tồn hệ thống điện trong 03 kịch
bản nghiên cứu .......................................................................................................... 46
Bảng 2.7. Số liệu công suất phát thực tế và công suất phát dự báo của NMĐ
gió .............................................................................................................................. 74
Bảng 2.8. Kết quả tính tốn doanh thu của nhà máy ................................................ 76

Bảng 3.1. Thống kê tỉ lệ sản lượng phát điện trong các kịch bản ............................. 93
Bảng 3.2. Thống kê tỉ lệ công suất lắp đặt trong các kịch bản ................................. 94
Bảng 4.1. Các thông số của thuật tốn PSO............................................................ 106
Bảng 4.2. Bảng thơng số về tuabin ......................................................................... 114
Bảng 4.3. Bảng thông số máy phát ......................................................................... 115
Bảng 4.4. Sai số của mơ hình dự báo đề xuất so sánh với mơ hình PSO-ANN
và Adam-ANN ........................................................................................................ 117
Bảng 4.5. Giá trị trung bình của MAPE và MSE .................................................... 119
Bảng 4.6. So sánh giá trị MAPE của mơ hình đề xuất so với các mơ hình khác .... 123


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, song song với cơng cuộc cơng nghiệp hóa - hiện đại hóa thì nhu
cầu về năng lượng cũng là một vấn đề quan trọng cần phải được quan tâm đúng
mức. Tuy nhiên, các nguồn năng lượng truyền thống từ nhiên liệu hố thạch như
than đá, dầu mỏ, khí đốt... đang ngày càng cạn kiệt, đồng thời gây ô nhiễm môi
trường và là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính. Trong những năm gần
đây, tồn thế giới đã có chung nhận thức sâu sắc về tình trạng của hành tinh chúng
ta. Quá trình phát triển của con người đã gây nên nhiều hậu quả đối với thế giới tự
nhiên, trong đó có vấn đề về biến đổi khí hậu do khí thải từ q trình sản xuất cơng
nghiệp. Những hậu quả này sẽ tác động ngược trở lại, gây ảnh hưởng xấu đối với sự
phát triển kinh tế, xã hội và an ninh của nhân loại. Hầu hết các quốc gia trên thế giới
đều đồng thuận và có chung nhận thức rằng biến đổi khí hậu thực sự đang là tình
trạng khẩn cấp tồn cầu. Do đó, Liên Hợp Quốc đã nhấn mạnh lời kêu gọi hành
động khẩn cấp để đạt mức phát thải khí nhà kính (GHG) bằng khơng vào năm 2050
- lời kêu gọi đã được hơn 120 quốc gia đại diện cho hơn một nửa GDP toàn cầu,
cùng với hàng nghìn doanh nghiệp, các nhà đầu tư, các thành phố, các vùng lãnh

thổ… hưởng ứng [1].
Trong bối cảnh đó, việc khai thác các nguồn năng lượng sạch, các nguồn năng
lượng tái tạo để thay thế các nguồn năng lượng hố thạch một cách hiệu quả, đóng
góp tích cực cho mục tiêu giảm lượng khí thải nhà kính, giảm thiểu các tác động
xấu đến môi trường, đảm bảo cung cấp năng lượng phục vụ cho việc phát triển kinh
tế - xã hội là xu hướng tất yếu trên toàn thế giới. Một trong những nguồn năng
lượng tái tạo có tiềm năng rất lớn hiện nay là nguồn năng lượng gió.
Theo báo cáo của GWEC, để đạt được mục tiêu giảm mức phát thải khí nhà
kính bằng khơng vào năm 2050 thì phải giảm dần và loại bỏ các nguồn năng lượng
từ nhiên liệu hóa thạch, đồng thời phải đẩy mạnh việc khai thác các nguồn năng
lượng tái tạo. Đối với các nguồn điện gió, tốc độ phát triển hàng năm sẽ cần phải


2
đẩy mạnh hơn nữa, đạt 160 GW vào năm 2025 và sau đó là 280 GW vào năm 2030
- gấp 3 lần cơng suất hiện có [1].
Theo báo cáo của IEA, việc giảm chi phí đầu tư cùng với các chính sách hỗ
trợ bền vững của các quốc gia dự kiến sẽ thúc đẩy tăng trưởng năng lượng tái tạo
mạnh mẽ sau năm 2022. Nguồn điện gió và nguồn điện mặt trời đã và đang là giải
pháp tiết kiệm và hiệu quả nhất để bổ sung thêm các nhà máy sản xuất điện mới ở
hầu hết các quốc gia hiện nay. Ở những quốc gia có tiềm năng năng lượng tái tạo tốt
và có cơ chế chính sách khuyến khích về mặt tài chính, các nhà máy điện gió và
năng lượng mặt trời sẽ thách thức các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch
hiện có. Nhìn chung, các nguồn điện từ năng lượng tái tạo sẽ chiếm khoảng 95%
mức tăng rịng của cơng suất điện tồn cầu đến năm 2025 [2].
Từ những số liệu trên có thể nhận thấy việc xây dựng và khai thác các nguồn
điện gió đã và đang được các quốc gia trên toàn thế giới chú trọng phát triển mạnh
mẽ.
Tuy nhiên, quá trình mở rộng và phát triển các nguồn điện gió cơng suất lớn
sẽ tạo nên sự biến đổi lớn trong cơ cấu nguồn điện của các quốc gia, gây ra nhiều

ảnh hưởng đến hệ thống điện và thị trường điện. Một số câu hỏi được đặt ra như:
Quy hoạch phát triển các nhà máy điện gió như thế nào là phù hợp? Mơ hình nào để
có thể dự đốn tương đối khả năng phát cơng suất của các nguồn năng lượng gió?
Các vấn đề cần xem xét trong q trình tích hợp nguồn năng lượng gió?...
Do đó, luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện gió cơng suất
lớn đối với hệ thống điện và thị trường điện nhằm giải quyết các vấn đề nêu trên.

2. Mục đích nghiên cứu
Sau khi tìm hiểu tồn bộ nội dung của các tác giả đã được nghiên cứu và
trình bày ở trên, để tìm lời giải cho việc nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện gió
cơng suất lớn đối với hệ thống điện và thị trường điện. Mục đích nghiên cứu của
luận án là:
-

Tìm hiểu về các nghiên cứu trong và ngồi nước có liên quan đến tích hợp
và vận hành nguồn năng lượng gió.


3
-

Nghiên cứu các mơ hình mạng trí tuệ nhân tạo, học máy, học sâu… được
sử dụng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Từ đó nghiên cứu xây dựng mơ
hình dự báo cơng suất phát nguồn điện gió sử dụng mạng trí tuệ nhân tạo
kết hợp với các thuật tốn tối ưu. Đồng thời cũng nghiên cứu đánh giá ảnh
hưởng của việc dự báo cơng suất phát nguồn điện gió đến thị trường điện.

-

Nghiên cứu xây dựng mơ hình phục vụ cho bài tốn quy hoạch, tích hợp

nguồn điện gió vào hệ thống điện, đề xuất phương pháp trong việc tính
tốn tích hợp nguồn điện gió và hệ thống điện.

3. Phương pháp nghiên cứu
Để nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện gió cơng suất lớn đối với hệ thống
điện và thị trường điện, phương pháp nghiên cứu trong luận án này sẽ thực hiện như
sau:
-

Phương pháp nghiên cứu tài liệu: thu thập và nghiên cứu các tài liệu trong
và ngoài nước đề cập đến vấn đề tích hợp và tối ưu hóa vận hành nguồn
năng lượng gió trong hệ thống điện.

-

Phương pháp xử lý thông tin: thu thập và xử lý thơng tin định lượng về tình
hình khai thác và phát triển các nguồn năng lượng gió trong nước và thế
giới, các thông tin về dữ liệu thời tiết, dữ liệu lịch sử vận hành của các
nguồn điện, hệ thống điện.

-

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, lập trình, mơ phỏng trên các
phần mềm DIgSILENT PowerFactory, Matlab, Python…

-

Thử nghiệm ứng dụng phù hợp với các lưới điện giả định.

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Luận án nghiên cứu về nguồn điện gió và một số
dạng năng lượng tái tạo có liên quan; nghiên cứu các phần mềm và ngơn ngữ lập
trình Matlab, Python phục vụ mơ phỏng, tính tốn.
Phạm vi nghiên cứu: Luận án nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến cơng
tác dự báo cơng suất phát nguồn điện gió, vấn đề quy hoạch và vấn đề tính tốn tối
ưu nguồn điện gió.


4

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Với nội dung nêu trên, kết quả của luận án sẽ có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa
thực tiễn như sau:
-

Luận án tiến hành nghiên cứu và xây dựng mơ hình dự báo cơng suất phát
nguồn điện gió sử dụng mạng trí tuệ nhân tạo kết hợp với các thuật toán tối
ưu. Hướng nghiên cứu này cũng phù hợp với định hướng phát triển khoa
học công nghệ phù hợp với cuộc cách mạng công nghiệp 4.0.

-

Cho thấy sự cần thiết của việc nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện gió
cơng suất lớn đến hệ thống điện và thị trường điện, đặc biệt là tính tốn quy
hoạch lưới điện. Luận án nghiên cứu xây dựng mơ hình phục vụ cho bài
tốn quy hoạch, tích hợp nguồn điện gió vào hệ thống điện, đề xuất phương
pháp trong việc tính tốn tích hợp nguồn điện gió vào hệ thống điện.

-


Nội dung nghiên cứu được đăng trên tạp chí khoa học quốc tế sẽ là nguồn
tài liệu tham khảo cho các tác giả có nhu cầu nghiên cứu theo hướng tương
tự.

-

Mơ hình dự báo cơng suất phát nguồn điện gió do luận án đề xuất có thể
được sử dụng cho các nhà máy điện gió, các trung tâm điều độ nhằm phục
vụ cho công tác điều độ, vận hành, lập kế hoạch sản xuất các nhà máy điện
gió.

-

Mơ hình tính tốn quy hoạch cho phép các đơn vị tư vấn, các cơ quan chức
năng có một cơng cụ tính tốn phục vụ cho bài toán quy hoạch hệ thống
điện với mức độ thâm nhập (tỷ lệ giữa tổng công suất lắp đặt các nguồn
điện gió và phụ tải đỉnh của hệ thống) ngày càng cao của các nguồn năng
lượng tái tạo.

-

Các kết quả nghiên cứu cũng sẽ có đóng góp tích cực cho công tác đẩy
mạnh khai thác, ứng dụng và mở rộng các nguồn năng lượng tái tạo, đặc
biệt là nguồn năng lượng gió.


5

6. Bố cục của luận án
Bố cục luận án gồm có: phần mở đầu, 4 chương nội dung, phần kết luận,

danh mục các cơng trình cơng bố, danh mục các tài liệu tham khảo và các phụ lục.
Chương 1. Tổng quan về nguồn điện gió và các nghiên cứu về vấn đề ảnh
hưởng của nguồn điện gió cơng suất lớn đến hệ thống điện và thị trường điện.
Chương 2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện gió cơng suất lớn đến hệ
thống điện và thị trường điện.
Chương 3. Nghiên cứu tối ưu hố tích hợp nguồn năng lượng tái tạo vào hệ
thống điện xét đến các kịch bản giảm lượng khí thải CO2.
Chương 4. Nghiên cứu xây dựng mơ hình dự báo cơng suất phát nguồn điện
gió sử dụng mạng trí tuệ nhân tạo kết hợp với các thuật tốn tối ưu.


6

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ VÀ CÁC NGHIÊN
CỨU VỀ VẤN ĐỀ ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN
GIĨ CƠNG SUẤT LỚN ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ THỊ
TRƯỜNG ĐIỆN
1.1. Tổng quan về nguồn điện gió
Năng lượng điện gió là nguồn năng lượng sạch và có tiềm năng rất lớn. Trên
thế giới, ngày càng nhiều quốc gia khai thác các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt
là nguồn năng lượng gió nhằm bổ sung cho nhu cầu năng lượng ngày càng tăng
trong bối cảnh các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Ngày nay cơng
nghệ điện gió phát triển mạnh mẽ và có sự cạnh tranh lớn, với tốc độ phát triển như
hiện nay thì khơng bao lâu nữa năng lượng điện gió sẽ chiếm phần lớn trong thị
trường năng lượng của thế giới. Việc đầu tư phát triển nguồn điện gió mang lại
nhiều lợi ích thiết thực. Cụ thể:
-

Khơng tổn hao nguyên, nhiên liệu trong quá trình vận hành và sản xuất,

cho nên có chi phí thấp, vì vậy năng lượng điện gió có thể cạnh tranh với
các nguồn năng lượng khác như than đá, khí đốt...

-

Nhà máy điện gió khơng gây ơ nhiễm mơi trường và góp phần tạo cảnh
quan cho việc phát triển du lịch tại khu vực.

-

Tạo môi trường thân thiện, các hoạt động nông nghiệp, cơng nghiệp vẫn
có thể hoạt động và sản xuất gần nhà máy.

-

Các nhà máy điện gió thường tập trung ở đồng bằng, nơng thơn, miền
núi, hải đảo, có thể tạo cơ hội việc làm cho công nhân tại địa phương đó.

Theo báo cáo của GWEC, năm 2022 tiếp tục là một năm sự tăng trưởng
mạnh mẽ của nguồn điện gió trên tồn thế giới với 77,6 GW nguồn điện gió lắp đặt
mới, nâng tổng công suất lắp đặt luỹ kế của nguồn điện gió trên tồn thế giới đạt
mức 906 GW, tăng 9% so với năm 2021 như minh hoạ ở hình 1.1 và hình 1.2 [1].


7

Hình 1.1. Cơng suất lắp đặt mới nguồn điện gió tồn thế giới qua các năm

Hình 1.2. Luỹ kế tổng cơng suất lắp đặt nguồn điện gió trên tồn thế giới
Mặc dù cơng suất điện gió trên bờ lắp đặt mới năm 2022 giảm so với năm

2020 và 2021, con số này vẫn cao thứ ba trong lịch sử (68,8 GW so với 72,5 GW
năm 2021 và 88,4 GW năm 2020). Tổng cơng suất điện gió ngồi khơi lắp đặt mới
năm 2022 là 8,8 GW, giảm nhiều so với năm 2021 (21 GW) nhưng vẫn cao thứ nhì
trong lịch sử. Khu vực châu Á – Thái Bình Dương năm 2022 giảm gần 3% tỷ trọng


8
nguồn điện gió lắp đặt mới so với năm 2021 nhưng vẫn là thị trường lớn nhất của
điện gió trên tồn thế giới, trong đó Trung Quốc đóng góp 87% tăng trưởng năm
2022. Là thị trường điện gió lớn thứ nhì, châu Âu ghi nhận con số kỷ lục về điện gió
trên bờ được lắp đặt năm 2022, đạt giá trị 25% so với 19% của năm 2021. Khu vực
Bắc Mỹ duy trì vị trí số 3 nhưng giảm 2% tỷ trọng do sự chững lại của nền kinh tế
Hoa Kỳ. Năm 2022, Brazil và khu vực Mỹ Latin chứng kiến một năm tăng trưởng
kỷ lục về điện gió lắp đặt mới, tăng 1% so với năm 2021. Tại châu Phi và khu vực
Trung Đông, sau giai đoạn phát triển mạnh về điện gió năm 2021, đến năm 2022 chỉ
có thêm 453 MW điện gió được nối lưới, thấp nhất kể từ năm 2013. Năm quốc gia
có cơng suất điện gió lắp đặt mới lớn nhất năm 2022 là Trung Quốc, Hoa Kỳ,
Brazil, Đức và Thụy Điển. Các nước này trong năm qua đã đóng góp 71% tỷ trọng
tăng trưởng của toàn thế giới và giảm 3,7% so với năm 2021 theo thống kê, xuất
phát chủ yếu từ việc 02 thị trường lớn nhất là Trung Quốc và Hoa Kỳ đã giảm tổng
cộng 5% tỷ trọng trong 02 năm liên tiếp. Nếu xét về tổng cơng suất đặt điện gió, 05
quốc gia duy trì được vị thế dẫn đầu cho đến cuối năm 2022 là Trung Quốc, Hoa
Kỳ, Đức, Ấn Độ và Tây Ban Nha, chiếm tỷ trọng 72% so với tồn thế giới [1].

Hình 1.3. Tỷ trọng đóng góp lắp đặt mới nguồn điện gió trong năm 2022 của các
khu vực (biểu đồ bên trái) và các quốc gia (biểu đồ bên phải)


9
Từ năm 2010 đến năm 2018, sản lượng điện năng do nguồn điện gió phát ra

đã tăng gấp 3,7 lần, từ 343 terawatt-hours (TWh) đến 1263 TWh, như minh hoạ ở
hình 1.4 [3].

Hình 1.4. Sản lượng điện năng do các nguồn điện gió phát ra
Từ những số liệu trên có thể nhận thấy nguồn năng lượng gió đã và đang
được các nước trên thế giới chú trọng khai thác mạnh mẽ.
Tại Việt Nam, việc phát triển nguồn điện gió đã được chính phủ và các nhà
đầu tư quan tâm trong thời gian qua.
Nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa và bờ biển dài hơn 3200 km, hơn nữa
cịn có cả gió mùa Tây Nam thổi vào mùa hè, tốc độ gió trung bình ở biển Đơng
Việt Nam khá mạnh. Vì vậy, nhờ vào vị trí địa lý mà tiềm năng về năng lượng gió ở
Việt Nam là rất triển vọng. Việt Nam là nước có tiềm năng năng lượng gió tốt nhất
trong 4 nước (Campuchia, Lào, Thái Lan và Việt Nam) với 39% lãnh thổ có tốc độ
gió lớn hơn 6 m/s tại độ cao 65 m, tương đương với 513 GW. Đặc biệt, hơn 8%
lãnh thổ, tương đương 112 GW được đánh giá là có tiềm năng năng lượng gió tốt.


10
Ước tính trên đất liền, Việt Nam có thể phát triển khoảng 30 GW điện gió. Cùng với
tiềm năng điện gió ngồi khơi, chúng ta có thể phát triển khoảng 100 GW cơng suất
điện gió [4].
Theo Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030,
tầm nhìn đến năm 2050, Chính phủ Việt Nam đã nêu rõ quan điểm phát triển kết
hợp phát triển năng lượng tái tạo với triển khai thực hiện các mục tiêu kinh tế, xã
hội và môi trường; phát triển và sử dụng năng lượng tái tạo kết hợp với phát triển
công nghiệp năng lượng tái tạo; kết hợp sử dụng công nghệ ngắn hạn với phát triển
công nghệ dài hạn; kết hợp chính sách ưu đãi, hỗ trợ với cơ chế thị trường và kết
hợp tái cơ cấu với nâng cao năng lực quản lý nhà nước trong lĩnh vực năng lượng
tái tạo [5].
Với quan điểm phát triển cụ thể và rõ ràng như vậy, chiến lược phát triển năng

lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn 2050 đã đặt ra định hướng phát
triển nguồn điện gió sao cho sản lượng điện sản xuất từ nguồn điện gió đạt khoảng
16 tỷ kWh vào năm 2030 và khoảng 53 tỷ kWh vào năm 2050. Bản chiến lược cũng
đã đặt mục tiêu đưa tỷ lệ điện năng sản xuất từ nguồn điện gió đạt khoảng 2,7% vào
năm 2030 và khoảng 5% vào năm 2050 [5].
Việt Nam được xem là nước có tiềm năng lớn để phát triển nguồn điện gió,
với tiềm năng khai thác được thể hiện như hình 1.5 [6]:


11

Hình 1.5. Bản đồ tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 100m


12
Các tỉnh phía Nam của miền Trung Việt Nam (Ninh Thuận, Bình Thuận) là
những nơi có điện gió đặc biệt phát triển với tổng công suất gần 340 MW và đang
không ngừng mở rộng về số lượng lẫn quy mô. Một số nhà máy điện gió như Trung
Nam Ninh Thuận (152 MW), Win Energy Chính Thắng (50 MW), Đầm Nại (40
MW), Mũi Dinh (37.6 MW), Bình Thạnh (30 MW)… được đưa vào vận hành đã
góp phần tiết kiệm được tài nguyên, chi phí nhiên liệu cũng như cũng như giảm
thiểu được những tác động tiêu cực đến môi trường trong hoạt động sản xuất điện
năng. Trong đo điện gió Bình Thạnh (trước đây gọi là điện gió Tuy Phong) là nhà
máy điện gió đầu tiên của Việt Nam được khởi công xây dựng từ năm 2008 do
Công ty cổ phần Năng lượng tái tạo Việt Nam (REVN) đầu tư, đến năm 2012 dự án
này được đưa vào hoạt động với 20 turbine gió có tổng cơng suất đặt 30 MW và trở
thành nhà máy điện gió lớn nhất Đơng Nam Á, mỗi năm dự án sản xuất 85 triệu
kWh điện và giảm phát thải hàng năm 58.000 tấn CO2.
Theo Quy hoạch điện VIII đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt, việc
quy hoạch phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, nhất là điện gió rất được chú

trọng. Quy mơ dự kiến đến năm 2030, điện gió trên bờ đạt 21.880 MW (14,5% tổng
công suất các nhà máy điện), điện gió ngồi khơi đạt 6.000 MW (4,0% tổng cơng
suất các nhà máy điện), trường hợp công nghệ tiến triển nhanh, giá điện và chi phí
truyền tải hợp lý thì phát triển quy mô cao hơn. Định hướng năm 2050, điện gió trên
bờ đạt 60.050 - 77.050 MW (12,2 - 13,4% tổng cơng suất các nhà máy điện); điện
gió ngồi khơi đạt 70.000 - 91.500 MW (14,3 - 16% tổng công suất các nhà máy
điện). Điện gió ngồi khơi tuy có tiềm năng rất lớn nhưng đến nay chưa có kinh
nghiệm thực hiện tại Việt Nam, do vậy đặt ra thách thức rất lớn để đạt được mục
tiêu phát triển đầy tham vọng này.
Việc quy hoạch, phát triển nguồn điện gió công suất lớn ở Việt Nam đang
đối mặt với một số khó khăn, thách thức như sau:
-

Thiếu các chính sách đồng bộ và đủ mạnh, bao gồm từ điều tra, đánh
giá tiềm năng đến khai thác và sử dụng nên các dự án thực hiện cịn
khá ít;