Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện áp dụng thuật toán stochastic fractal search tính toán tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống microgrid vận hành độc lập

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện ứng dụng thuật toán stochastic fractal search tối ưu dung lượng thành phần trong hệ thống microgrid độc lập.

• Tác giả: Hồ Trường Giang
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Áp dụng thuật toán Stochastic Fractal Search tính toán tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống Microgrid vận hành độc lập
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc ứng dụng thuật toán Stochastic Fractal Search (SFS) để tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống microgrid độc lập. Microgrid là một hệ thống tích hợp năng lượng bao gồm các nguồn phát phân tán (DER), tải tiêu thụ và hệ thống giám sát. Hệ thống này có thể vận hành độc lập hoặc kết nối với lưới điện chính. Tối ưu hóa hệ thống là một vấn đề quan trọng, đặc biệt trong việc quản lý năng lượng tái tạo và giảm chi phí vận hành. Thuật toán SFS được chọn vì khả năng giải quyết các bài toán tối ưu hóa phức tạp một cách hiệu quả.

1.1 Mục tiêu

Mục tiêu chính của luận văn thạc sĩ là áp dụng thuật toán SFS để tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống microgrid độc lập. Cụ thể, nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa công suất giữa các nguồn phát như máy phát diesel, năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Tối ưu hóa hệ thống nhằm đảm bảo cung cấp đủ nhu cầu phụ tải với chi phí nhiên liệu và vận hành thấp nhất.

1.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của luận văn thạc sĩ bao gồm việc phân tích và áp dụng thuật toán SFS để giải các bài toán tối ưu dung lượng trong hệ thống microgrid độc lập. Các mô hình cụ thể được nghiên cứu bao gồm hệ thống với 2 máy phát diesel, 1 bộ năng lượng mặt trời và 1 bộ năng lượng gió; hệ thống với 52 máy phát diesel và 1 bộ năng lượng gió; và hệ thống với 10 máy phát diesel, 1 bộ năng lượng mặt trời và 1 bộ năng lượng gió.

II. Tổng quan về hệ thống Microgrid

Hệ thống microgrid là một hệ thống tích hợp năng lượng bao gồm các nguồn phát phân tán (DER), hệ thống lưu trữ năng lượng (DES) và các phụ tải. Microgrid có thể vận hành độc lập hoặc kết nối với lưới điện chính. Các thành phần chính của hệ thống microgrid bao gồm máy phát diesel, hệ thống năng lượng mặt trời, turbine gió và hệ thống lưu trữ năng lượng. Quản lý năng lượng trong hệ thống microgrid là một vấn đề phức tạp, đòi hỏi các giải pháp tối ưu hóa hiệu quả.

2.1 Các thành phần chính

Các thành phần chính của hệ thống microgrid bao gồm máy phát diesel, hệ thống năng lượng mặt trời, turbine gió và hệ thống lưu trữ năng lượng. Máy phát diesel là nguồn phát điện chính, trong khi năng lượng mặt trời và năng lượng gió là các nguồn năng lượng tái tạo. Hệ thống lưu trữ năng lượng đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng cung cầu điện năng.

2.2 Vận hành độc lập

Hệ thống microgrid độc lập có thể vận hành mà không cần kết nối với lưới điện chính. Điều này đặc biệt hữu ích ở các khu vực nông thôn, miền núi hoặc hải đảo, nơi việc kết nối với lưới điện quốc gia gặp nhiều khó khăn. Tối ưu hóa hệ thống trong trường hợp này nhằm đảm bảo cung cấp đủ nhu cầu phụ tải với chi phí thấp nhất.

III. Thuật toán Stochastic Fractal Search

Thuật toán Stochastic Fractal Search (SFS) là một phương pháp tối ưu hóa dựa trên nguyên lý fractal và quá trình khuếch tán ngẫu nhiên. SFS được sử dụng để giải các bài toán tối ưu hóa phức tạp, đặc biệt trong lĩnh vực quản lý năng lượng và tối ưu hóa hệ thống. Thuật toán SFS có khả năng tìm kiếm các giải pháp tối ưu một cách hiệu quả, đặc biệt trong các hệ thống có nhiều biến số và ràng buộc.

3.1 Nguyên lý hoạt động

Thuật toán SFS hoạt động dựa trên nguyên lý fractal và quá trình khuếch tán ngẫu nhiên. Quá trình này bao gồm việc tạo ra các điểm ngẫu nhiên trong không gian tìm kiếm và cập nhật các điểm này dựa trên các quy tắc thống kê. SFS có khả năng tìm kiếm các giải pháp tối ưu một cách nhanh chóng và hiệu quả.

3.2 Ứng dụng trong tối ưu hóa

Thuật toán SFS được áp dụng để giải các bài toán tối ưu hóa trong hệ thống microgrid độc lập. Cụ thể, SFS được sử dụng để tối ưu hóa công suất giữa các nguồn phát như máy phát diesel, năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Kết quả cho thấy SFS có hiệu quả cao trong việc giảm chi phí nhiên liệu và vận hành hệ thống.

IV. Kết quả và đánh giá

Luận văn thạc sĩ đã áp dụng thuật toán SFS để giải các bài toán tối ưu dung lượng trong hệ thống microgrid độc lập. Kết quả cho thấy SFS có hiệu quả cao trong việc tối ưu hóa công suất giữa các nguồn phát và giảm chi phí vận hành. So sánh với các thuật toán khác như Hybrid Differential Evolution and Harmony Search (DE-HS) và Fuzzy-Optimization (FO), SFS cho thấy sự vượt trội về hiệu quả và tốc độ hội tụ.

4.1 So sánh hiệu quả

Kết quả so sánh giữa thuật toán SFS và các thuật toán khác như DE-HS và FO cho thấy SFS có hiệu quả cao hơn trong việc tối ưu hóa công suất và giảm chi phí vận hành. SFS cũng có tốc độ hội tụ nhanh hơn, giúp tiết kiệm thời gian tính toán.

4.2 Ứng dụng thực tế

Thuật toán SFS có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng thực tế, đặc biệt trong các hệ thống microgrid độc lập ở các khu vực nông thôn, miền núi và hải đảo. Tối ưu hóa hệ thống bằng SFS giúp giảm chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu - Chương 2: Tổng quan - Chương 3: Mô hình bài toán tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống Microgird vận hành độc lập - Chương 4: Thuật toán Stochastic Fractal Search và áp dụng để giải bài toán tối ưu dung lượng - Chương 5: Kết quả tính toán - Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Khái niệm Micro grid Microgrid là một hệ thống năng lượng tích hợp bao gồm các nguồn năng lượng phân tán (DER - Distributed Energy Resources), hệ thống quản lý điều khiển và các phụ tải. Trong đó các nguồn năng lượng phân tán DER bao gồm hệ thống máy phát phân tán (DG – Distributed Generators) và hệ thống lưu trữ năng lượng (DES – Distributed Energy Storage).

Các thành phần trong hệ thống Microgrid Hình 2. Các thành phần trong hệ thống Micro grid 2. Hệ thống máy phát phân tán (DG) Các máy phát phân tán (DG) là nguồn phát điện năng chính của hệ thống Microgrid. Với trình độ khoa học công nghệ ngày càng phát triển, DG ngày càng có kích thước nhỏ gọn hơn nhưng vẫn có thể đáp ứng nhu cầu điện năng của tải tiêu thụ, thậm chí có thể phát ngược điện năng trở về lưới phân phối chính.

DG thường có các dạng sau: CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang 5 - Máy phát dùng động cơ đốt trong (như máy phát diesel) - Hệ thống pin mặt trời, turbine gió, sinh khối. - Turbine khí, microturbine. - Pin nhiên liệu 2.1 Máy phát dùng động cơ đốt trong Đây là loại máy phát sử dụng động cơ đốt trong để quay máy phát tạo ra điện năng.

Có hai loại động cơ: động cơ đánh lửa cưỡng bức và động cơ đánh lửa nén. Điểm khác biệt giữa hai loại động cơ này là loại nhiên liệu sử dụng, hệ thống cung cấp và kiểu đốt cháy nhiên liệu. Động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể dùng xăng, khí thiên nhiên, biogas, khí đốt hóa lỏng làm nhiên liệu. Hỗn hợp cháy (gồm nhiên liệu và không khí) được đưa vào động cơ để thực hiện hành trình nén và được kích nổ nhờ bu-gi đánh lửa tạo quá trình cháy, dãn nở và tạo momen xoắn quay máy phát tạo ra điện năng.

Động cơ đánh lửa nén sử dụng nhiêu liệu là dầu diesel. Đối với động cơ diesel, sau khi kim phun nhiên liệu thực hiện phun với tốc độ và áp suất cao kết hợp với buồng xoáy lốc trên đỉnh piston tạo ra hỗn hợp cháy. Hỗn hợp này được nén với tỷ số nén cao và tự bốc cháy, dãn nở và tạo momen xoắn quay máy phát tạo ra điện năng. Hiệu suất của động cơ diesel lớn hơn khoảng 1,5 lần so với động cơ đánh lửa cưỡng bức.

Nhiên liệu diesel thường rẻ hơn nhiêu liệu khác.2 Các thành phần chính của máy phát điện dùng động cơ diesel CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang 6 (1) Động cơ (2) Đầu phát (3) Hệ thống nhiên liệu (4) Ổn áp (5) Hệ thống làm mát và hệ thống xả (6) (7) Bộ nạp ac-quy (8) Control Panel hay thiết bị điều khiển (9) Kết cấu khung chính Máy phát điện dùng động cơ đốt trong có khả năng tận dụng nguồn nhiệt thải để tạo ra nhiệt năng, nước nóng cung cấp cho các hộ tiệu thụ. Tính năng này giúp tăng hiệu năng sử dụng nhiên liệu từ 35-48% lên đến 70%. Máy phát điện dùng động cơ đốt trong thường được sử dụng phổ biến hơn cả, bởi giá thành rẻ, bền, tính ổn định cao và thời gian khởi động ngắn.

Khuyết điểm của máy phát này là khả năng xả khí thải gây hiệu ứng nhà kính ra môi trường.2 Hệ thống điện mặt trời Sơ đồ cấu trúc điển hình của 1 nhà máy điện mặt trời gồm có: - Dàn pin năng lượng mặt trời - Bộ chuyển đổi điện - Hệ thống giám sát và điều khiển - Trạm nâng và hệ thống truyền tải. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang 7 Hình 2.3 Cấu trúc 1 nhà máy điện mặt trời  Tấm pin năng lượng mặt trời Cách phổ biến để thu năng lượng mặt trời là sử dụng các tấm pin quang điện (PV) để thu nhận năng lượng từ ánh sáng mặt trời. Các tấm PV sẽ chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng 1 chiều DC nhờ vào hiệu ứng quang điện. Năng lượng điện một chiều này sẽ được biến đổi thành dòng điện xoay chiều có cùng tần số với tần số lưới điện nhờ vào các bộ biến tần.

Lượng điện năng trên sẽ được hòa với điện lưới nhờ các máy biến áp nâng áp và hệ thống truyền tải điện Các vật liệu có thể chế tạo được các module PV thường bị hạn chế bởi các đặc tính bán dẫn bất thường cần thiết cho các tế bào PV. Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho tấm PV là các silic tinh thể, hệ vật liệu CIS (Đồng – Indi – diselenide), CdTe (Cadimi Telua). Các công nghệ PV mới xuất hiện như các tế bào hữu cơ được làm từ polyme vẫn chưa được thương mại hoá. Mỗi vật liệu có những đặc điểm riêng ảnh hưởng đến hiệu suất của tế bào, phương pháp sản xuất và chi phí.

Các tế bào PV có thể được sản xuất dựa trên các tấm silic (được sản xuất bằng cách cắt các tấm mỏng từ một khối silic) hoặc các công nghệ "màng mỏng" (trong đó một lớp mỏng vật liệu bán dẫn được lắng đọng trên nền vật liệu có chi phí thấp). Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang 8 Các tế bào PV có thể được mô tả theo cấu trúc dải dài của vật liệu bán dẫn như “đơn tinh thể” (hay còn gọi là "monocrystalline"), "đa tinh thể" (hay còn gọi là "polycrystalline") hoặc vật liệu vô định hình Silicon tinh thể (c-Si): Các mô-đun được làm từ các tế bào (cell) của silic đơn tinh thể hoặc đa tinh thể. Các cell đơn tinh thể nói chung là hiệu quả nhất nhưng cũng tốn kém hơn nhiều so với đa tinh thể. Thin-fim: Các mô-đun PV được tạo ra dưới sự lắng đọng một lớp mỏng chất bán dẫn lên bề mặt của vật liệu có chi phí thấp.

Các chất bán dẫn được làm từ: - Silicon vô định hình (a-Si). - Đồng - Inden - Selenide (CIS). Tấm PV dị thể có lớp bán dẫn thuần (Heterojunction with Intrinsic Thin- layer -HIT): là sự kết hợp của nhóm tinh thể silic (c-Si) và nhóm Thin film. Do chi phí sản xuất giảm và sự phát triển của công nghệ, các mô-đun tinh thể dự kiến sẽ duy trì thị phần lên đến 80% cho đến ít nhất năm 2017.

Các mô-đun màng mỏng chiếm khoảng 17% và hiệu quả cao chiếm khoảng 3%.4 Các loại tấm năng lượng mặt trời CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang 9 Hình 2. Module PV tinh thể silic: Module PV đơn tinh thể được tạo thành bởi các tinh thể silic có độ tinh khiết cao. Ưu điểm chính của loại này là hiệu suất của các tế bào quang điện cao (17-20%) với độ bền cao và đảm bảo được đặc tính theo thời gian.

Module PV đa tinh thể silic: được tạo thành do các tinh thể silic kết hợp với nhau theo các dạng và hướng khác nhau. Hiệu suất của các tế báo quang điện loại này thấp hơn so với loại đơn tinh thể (15-17%). Mặc dù vậy, tế bào đa tinh thể vẫn có độ bền cao và đảm bảo được đặc tính sử dụng theo thời gian (85% hiệu suất ban đầu sau 20 năm sử dụng). Giá cả mô-đun mono-tinh thể và đa tinh thể đã giảm đáng kể trong hai năm qua.

Module PV dạng màng mỏng (thin film) Tế bào quang điện màng mỏng có cấu trúc không khác nhiều so với tế bào c-Si và vẫn hoạt động dựa trên nguyên lí quang điện. Điểm khác biệt duy nhất giữa tế bào năng lượng mặt trời màng mỏng và c- Si là độ mỏng và sự linh động trong việc ghép cặp của các lớp và chất liệu quang điện: cả cadmium telluride (CdTe) hoặc copper indium gallium deselenide (CIGS) thay vì chỉ là silicon. Các tế bào màng mỏng thường rẻ hơn do vật liệu được sử dụng và quy trình sản xuất đơn giản hơn. Tuy nhiên, các tế bào thin-film thường có hiệu suất thấp hơn (hiệu suất của các tấm PV màng mỏng thường < 14%) CBHD: TS.

Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang 10 c. Module PV dị thể có lớp bán dẫn thuần (HIT) Tấm PV HIT bao gồm một lớp mỏng silic đơn tinh thể được bao quanh bởi các lớp silic vô định hình. Các mô đun HIT hiệu quả hơn các module tinh thể điển hình, nhưng chúng thường có giá đắt hơn.6 Hiệu suất của một số loại tấm PV được cải thiện theo công nghệ chế tạo đến năm 2015 (Nguồn: REN21-2016)  Công nghệ lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời Dựa trên cấu trúc cơ bản của nhà máy điện PV, các mô hình điện mặt trời PV được phân chia dựa trên cách lắp đặt panel PV như sau: - Lắp đặt trên mặt đất - Lắp đặt trên bề mặt công trình - Lắp đặt trên bề mặt kênh mương - Lắp đặt trên mặt biển - Lắp đặt trên mặt hồ a) Hệ thống PV lắp đặt trên mặt đất Hệ thống PV lắp trên mặt đất thường được áp dụng cho các nhà máy có công suất lớn. Các panel PV được lắp đặt trên giá/ khung đỡ được gắn vào hệ CBHD: TS.

Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang 11 thống đỡ cố định trên mặt đất, tùy thuộc vào hệ thống đỡ mà phân chia thành các dạng công nghệ: - Công nghệ lắp cố định các tấm PV theo một hướng nhất định: Đây là cấu hình lắp đặt đơn giản nhất, chi phí lắp đặt và bảo dưỡng thấp nhất cho hệ thống nhà máy điện mặt trời PV. Các tấm PV sẽ được lắp đặt cố định sao cho hướng của các tấm PV nhận được năng lượng bức xạ mặt trời nhiều nhất.7 Công nghệ lắp cố định các tấm PV - Công nghệ lắp đặt hệ thống các tấm PV xoay theo một trục: các tấm PV sẽ được lắp đặt trên một trục có thể xoay theo hướng từ Đông sang Tây nhờ vào các cảm biến và hệ thống điều khiển. Hệ thống sẽ tự động điều chỉnh góc nghiêng của các tấm PV theo hướng từ Đông sang Tây để nhận được bức xạ mặt trời tốt nhất theo từng thời điểm. Tuy nhiên, hệ thống PV xoay theo 1 trục sẽ có thiết kế phức tạp, chi phí đầu tư và nhu cầu sử dụng đất cao hơn so với hệ thống lắp cố định.

Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang 12 Hình 2.