Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MICROGRID 1.1 Giới thiệu chung về lưới điện siêu nhỏ Microgrid Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường đang vô cùng nan giải trong bất kì lĩnh vực nào và ở bất kì đâu. Trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng hệ thống điện đang dần chuyển sang lưới điện thông minh (SG). Với các tiêu chí như hiệu quả năng lượng, thân thiện với môi trường, an toàn khi vận hành và sửa chữa, ít tổn thất khi truyền tải là các mối quan tâm hàng đầu cho một lưới điện thông minh. Từ đó khái niệm về Microgrid (MG) - lưới điện siêu nhỏ có thể đáp ứng các tiêu chí trên được hình thành.
MG được coi là một công nghệ khả thi để tích hợp các dạng năng lượng tái tạo (RES) với lưới điện truyền thống. Hiện nay, với sự phát triển của các công nghệ kỹ thuật số mới, chẳng hạn như các hệ thống vi xử lý và những tiến bộ trong điện tử công suất, nhiều dự án với các ý tưởng mới mẻ đã được thực hiện, đặc biệt là trong quá trình phát triển các bộ điều khiển và chuyển đổi năng lượng điện tử. MG không chỉ tích hợp các nguồn phân tán và năng lượng sạch vào lưới điện chính một cách đáng tin cậy mà còn đảm bảo về vấn đề ô nhiễm môi trường đồng thời đảm bảo tin cậy cao ổn định trong quá trình hoạt động khi đối mặt với các hiện tượng tự nhiên. Năng lượng sạch bao gồm các nguồn như PV, gió và pin lưu trữ năng lượng được tích hợp vào lưới điện siêu nhỏ trên quy mô hộ gia đình, một công trình, thị trấn hoặc có thể là một hòn đảo độc lập.
Vậy Microgrid là gì ? 1.1 Microgrid là gì? Microgrid là một hệ thống điện độc lập, có thể điều khiển được, bao gồm nguồn phân tán (DG), tải, lưu trữ năng lượng (ES) và thiết bị điều khiển. Một Microgrid có thể hoạt động song song với lưới chính hoặc có thể hoạt động ở chế độ đảo có chủ đích. Một Microgrid có thể được coi là một lưới điện siêu nhỏ bao gồm việc tạo ra, truyền tải và phân phối đồng thời có thể đạt được năng lượng cân bằng và phân bổ năng lượng tối ưu trên một khu vực nhất định hoặc dưới dạng nguồn điện hoặc tải trong mạng phân phối. Ngoài ra, Microgrid có thể bao gồm một hoặc nhiều nhà máy điện ảo (VPP) để đáp ứng nhu cầu của một trung tâm phụ tải, có thể là các văn phòng, nhà máy quan trọng hoặc các khu dân cư xa xôi, hẻo lánh, nơi mà cách cung cấp điện truyền thống là vô cùng tốn kém.
So với cách truyền tải và phân phối điện truyền thống thì một Microgrid sẽ tối ưu và linh hoạt hơn [2],[4].1: Mô hình lưới điện Microgrid [5] 1.2 Lịch sử phát triển Năm 2001, Giáo sư RH Lasseter của Đại học Wisconsin-Madison đề xuất khái niệm “lưới vi mô”. Sau đó, Hiệp hội Giải pháp Công nghệ Độ tin cậy Điện (CERTS) và Dự án Microgrid của Ủy ban Châu Âu cũng đưa ra định nghĩa của họ về lưới điện siêu nhỏ. Năm 2002, Đại học Kỹ thuật Quốc gia Athens (NTUA) đã xây dựng một dự án lưới điện siêu nhỏ trong phòng thí nghiệm được gọi là Cơ sở Phòng thí nghiệm Hệ thống Điện NTUA để thử nghiệm về việc kiểm soát tài nguyên phân tán (DR) và tải bằng công nghệ đa tác nhân. Năm 2003, Đại học Wisconsin đã thành lập một phòng thí nghiệm nhỏ Microgrid (NREL Laboratory Microgrid) với công suất 80 kVA, để thử nghiệm về việc kiểm soát nhiều loại DRs khác nhau trong các chế độ hoạt động khác nhau; một Microgrid phòng thí nghiệm 480V khác được thành lập tại khu thử nghiệm Walnut, Columbus, Ohio, để thử nghiệm các đặc tính động lực học của các thành phần khác nhau của Microgrid.
Trong cùng thời gian, nhiều dự án trình diễn đã được xây dựng liên tiếp trên khắp thế giới, bao gồm hệ thống Sendai của Nhật Bản (2004), Shimizu Microgrid (2005), và Tokyo Gas Microgrid (2006); Labein Microgrid của Tây Ban Nha (2005); Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia của Hoa Kỳ (2005) và Trạm bơm Clearwell của Palmdale (2006); và Manheim Microgrid của Đức (2006). Trong cùng năm, nhiều dự án trình diễn 2 đã được xây dựng trên khắp thế giới, bao gồm lưới điện siêu nhỏ 7,2 kV ở Mad River Park, Vermont, Hoa Kỳ; lưới điện 400 V Microgrid ở Quần đảo Kythnos, Hy Lạp; cũng như các dự án Aichi, Kyo-tango và Hachinohe ở Nhật Bản [6]. Năm 2004, cơ sở thử nghiệm CESI RICERCA được xây dựng tại Milan, Ý, có thể được tái cấu trúc thành các cấu trúc liên kết khác nhau để phục vụ các thử nghiệm hoạt động ở trạng thái ổn định và thoáng qua cũng như phân tích chất lượng điện năng. Năm 2008, Đại học Thiên Tân và Đại học Công nghệ Hợp Phì đã tiến hành các thử nghiệm và nghiên cứu về lưới điện siêu nhỏ.
Đại học Thiên Tân tập trung vào việc điều động khoa học các nguồn năng lượng khác nhau với hy vọng cải thiện hiệu suất năng lượng, đáp ứng các nhu cầu khác nhau và nâng cao độ tin cậy, trong khi Đại học Công nghệ Hợp Phì đặt trọng tâm vào kiểm soát vận hành và quản lý năng lượng. Năm 2005, trung tâm nghiên cứu điều khiển và công suất của Đại học Hoàng gia London được thành lập ở London, Vương quốc Anh, để kiểm tra nguyên mẫu mạng phân phối và tải. Kể từ năm 2006, lưới điện siêu nhỏ đã liên tiếp được đưa vào Chương trình 863 (Kế hoạch Phát triển Công nghệ cao của Nhà nước) và Chương trình 973 (Chương trình Nghiên cứu Cơ bản của National) của Trung Quốc. Năm 2006, Đại học Thanh Hoa bắt đầu nghiên cứu mạng lưới vi mô và thành lập một phòng thí nghiệm Microgrid bao gồm DG, ES và các tải sử dụng các cơ sở trong Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về Hệ thống điện và Thiết bị tạo và Mô phỏng và Kiểm soát An toàn thuộc Khoa Kỹ thuật Điện.
Năm 2008, Đại học Thiên Tân và Đại học Công nghệ Hợp Phì đã tiến hành các thử nghiệm và nghiên cứu về lưới điện siêu nhỏ. Đại học Thiên Tân tập trung vào việc điều động khoa học các nguồn năng lượng khác nhau với hy vọng cải thiện hiệu suất năng lượng, đáp ứng các nhu cầu khác nhau và nâng cao độ tin cậy, trong khi Đại học Công nghệ Hợp Phì đặt trọng tâm vào kiểm soát vận hành và quản lý năng lượng. Năm 2010, Tổng công ty Lưới điện Nhà nước Trung Quốc (SGCC) đã xây dựng một dự án trình diễn ở Trịnh Châu để nghiên cứu điều khiển hoạt động của một tổ hợp lưới điện siêu nhỏ tạo ra và ứng dụng lưu trữ năng lượng và năng lượng điện tử PV (quang điện) phân tán và một dự án khác ở Tây An để nghiên cứu công nghệ điều khiển Microgrid kết hợp lưu trữ năng lượng / phát điện phân tán. Năm 2010, Công ty Lưới điện Phương Nam Trung Quốc đã xây dựng một dự án trình diễn cung cấp năng lượng phân tán - kết hợp làm mát và cấp điện (CCP) ở Foshan như một chủ đề trong Chương trình 863 của Trung Quốc [6].2 Cấu trúc, thành phần và phân loại Microgrid 1.1 Cấu trúc MG MG có cấu trúc điều khiển tập trung ba lớp.
Lớp trên cùng là lớp điều phối mạng phân phối, lớp này điều phối và điều động microgrid để duy trì tính bảo mật và tính kinh tế của mạng phân phối, và microgrid được điều chỉnh và kiểm soát bởi mạng phân phối. Lớp giữa là lớp điều khiển tập trung, đây là lớp dự báo nhu cầu tải và đầu ra của DG, phát triển kế hoạch vận hành, điều chỉnh kế hoạch và kiểm soát việc bắt đầu và dừng của DG, tải và ES trong thời gian thực dựa trên các thông tin như dòng điện, điện áp và công suất, từ đó đảm bảo ổn định điện áp và tần số của MG. Trong hệ thống vận hành nối lưới, MG hoạt động cho hiệu quả kinh tế tốt nhất trong chế độ đảo, MG điều chỉnh đầu ra của DG và mức tiêu thụ tải để đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn. Lớp dưới cùng là lớp kiểm soát cục bộ, thực hiện điều phối các DG, kiểm soát sạc và xả các ES đồng thời kiểm soát tải trong microgrid [6].2: Thành phần và cấu trúc Microgrid [6] 4 Hình 1.3: Cấu trúc điều khiển Microgrid ba lớp [6] a.
Lớp điều phối mạng phân phối Lớp điều phối mạng phân phối giữ cho mạng phân phối hoạt động kinh tế, an toàn hơn và MG được điều chỉnh, kiểm soát bởi mạng phân phối. MG hoạt động rất linh hoạt và có thể kiểm soát được. Lớp điều phối mạng phân phối này có thể hoạt động song song với MG hoặc ở chế độ đảo trong trường hợp MG bị lỗi hoặc khi cần thiết. Trong các tình huống đặc biệt (ví dụ: động đất, bão tuyết hoặc lũ lụt), MG có thể đóng vai trò dự trữ cho mạng lưới phân phối, do đó hỗ trợ hiệu quả cho MG và tăng tốc độ khôi phục của MG khỏi sự cố.
Trong trường hợp thiếu điện, MG có thể chuyển tải bằng nguồn dự trữ năng lượng của chính MG, do đó tránh được sự cố tràn lan của mạng phân phối và giảm khả năng dự trữ cho MG. Trong các trường hợp bình thường, lớp đầu tiên này tham gia điều phối MG để đạt hiệu quả kinh tế tốt nhất [6]. Lớp điều khiển tập trung Lớp điều khiển tập trung là trung tâm điều khiển microgrid (MGCC) và là cốt lõi của hệ thống điều khiển MG. Lớp điều khiển tập trung này quản lý tập trung các DG, ES và tải, đồng thời giám sát và kiểm soát toàn bộ MG.
Lớp điều khiển tập trung còn tối ưu 5 hóa chiến lược điều khiển trong thời gian thực dựa trên các điều kiện hoạt động để đảm bảo chuyển giao thông suốt giữa kết nối lưới, đảo và khi MG ngừng hoạt động. Trong hoạt động kết nối lưới điện, lớp điều chỉnh lưới điện vi mô để có hiệu suất tốt nhất; trong hoạt động đảo, lớp điều chỉnh đầu ra DG và tiêu thụ tải để đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của lưới vi mô [6]. Trong hoạt động kết nối lưới, lớp điều khiển tập trung hoạt động để có hiệu suất kinh tế tốt nhất và điều phối các DG và ES khác nhau để chuyển tải nhằm làm mịn đường cong của tải. Trong quá trình chuyển đổi giữa chế độ nối lưới và chế độ đảo, lớp điều phối bộ điều khiển tập trung điều khiển cục bộ để thực hiện chuyển đổi nhanh chóng.
Trong hoạt động đảo, lớp này điều phối các DG, ES và tải khác nhau để duy trì cung cấp cho các phụ tải quan trọng và vận hành an toàn của MG.