CHƯƠNG 1 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1. Giới thiệu Trên thế giới, hệ thống điện thông thường đang đối mặt với các vấn đề như sự cạn kiệt dần của các nguồn nhiêu liệu hóa thạch, hiệu suất năng lượng kém và ô nhiễm môi trường. Những vấn đề này đã dẫn đến một xu hướng mới trong việc tạo ra năng lượng tại cấp điện áp phân phối là sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như khí thiên nhiên, khí sinh học, năng lượng gió, pin quang điện, pin nhiên liệu… và hòa chúng vào mạng lưới điện phân phối. Đây là hình thức phát công suất được gọi là hệ thống phát điện phân tán và các nguồn năng lượng gọi là các nguồn năng lượng phân tán.
Microgrid có quy mô nhỏ, mạng lưới cung ứng kết hợp nhiệt và điện hạ thế được thiết kế để cung cấp điện và tải nhiệt cho một cộng đồng nhỏ, chẳng hạn như một khu chung cư hoặc một vùng ngoại ô địa phương, hoặc một cộng đồng học tập hoặc một cộng đồng công cộng như một trường đại học hoặc trường học, một khu vực thương mại, một khu công nghiệp hoặc một khu vực đô thị. Microgrid về cơ bản là một mạng lưới phân phối tích cực vì nó tập hợp các hệ thống phát điện phân tán và các tải khác nhau ở cấp điện áp phân phối. Các máy phát điện làm việc trong một Microgrid thường là các nguồn năng lượng tái tạo tập hợp lại với nhau để tạo ra điện tại cấp điện áp phân phối. Nhìn từ góc độ hoạt động, các nguồn năng lượng tái tạo phải được trang bị với các giao diện điện tử công suất và được điều khiển linh hoạt để đảm bảo hoạt động như là một hệ thống tổng hợp duy nhất và để duy trì chất lượng điện năng và năng lượng ngõ ra.
Tính linh hoạt trong điều khiển này sẽ cho phép các Microgrid hỗ trợ cho hệ thống lưới chính như một nguồn đơn có điều khiển đáp ứng năng lượng cục bộ cần độ tin cậy và an ninh. Sự khác biệt chủ yếu giữa một Microgrid và một nhà máy điện thông thường là: __________________________________________________________________ 8 ___________________________________________________________________ (1) Các nguồn cung cấp trong Microgrid thường có công suất nhỏ hơn nhiều đối với các máy phát điện lớn trong các nhà máy điện thông thường. (2) Sản lượng điện phát ở cấp điện áp phân phối của một Microgrid có thể được đưa trực tiếp vào mạng lưới phân phối tiện ích. (3) Các nguồn cung cấp trong Microgrid thường được lắp đặt gần cơ sở của khách hàng do đó các tải điện/nhiệt có thể được cung cấp một cách hiệu quả với độ lệch điện áp và tần số đạt yêu cầu và tổn thất đường dây không đáng kể.
Các Microgrid hoạt động trong hai chế độ: nối lưới và độc lập. a/Microgrid hoạt động độc lập b/Kết nối với lưới chính Hình 1.1 Các hình các dạng của Microgrid 1. Tiềm năng năng lượng tái tạo ở Việt Nam Ở Việt Nam, nguồn năng lượng hóa thạch đang suy giảm dần do trữ lượng có hạn mà nhu cầu sử dụng ngày càng lớn, kèm theo đó là việc tiêu thụ nguồn năng lượng này đang gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Trong khi đó, tiềm năng để phát triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo là rất lớn, việc phát triển năng lượng tái tạo sẽ góp phần giảm tiêu hao năng lượng hóa thạch, đồng thời giảm phát thải khí nhà kính.
Do đó, các nguồn điện được sản xuất ra từ các nguồn năng lượng tái tạo đang được xem là sự bổ sung lý tưởng cho sự thiếu hụt điện năng và không chỉ giúp đa dạng hóa các nguồn năng lượng mà còn góp phần phân tán rủi ro, tăng cường đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia. __________________________________________________________________ 9 ___________________________________________________________________ Năng lượng gió Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió. So sánh tốc độ gió trung bình trong vùng biển Đông Việt Nam và các vùng biển lân cận cho thấy gió tại biển Đông khá mạnh và thay đổi nhiều theo mùa. Trong chương trình đánh giá về năng lượng cho Châu Á, Ngân Hàng Thế Giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất với tổng tiềm năng điện gió của Việt Nam ước đạt 513.360 MW tức là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La, và hơn 10 lần tổng công suất dự báo của ngành điện vào năm 2020.
Năng lượng mặt trời Việt Nam cũng được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 5 kWh/m2. Trong khi đó cường độ bức xạ mặt trời lại thấp hơn ở các vùng phía Bắc, ước tính khoảng 4 kWh/m2 do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và mưa phùn vào mùa đông và mùa xuân. Ở Việt Nam, bức xạ mặt trời trung bình 230-250 kcal/cm2 theo hướng tăng dần về phía Nam chiếm khoảng 2.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE. Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước.
Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm. Năng lượng mặt trời được khai thác sử dụng chủ yếu cho các mục đích như: sản xuất điện và cung cấp nhiệt. Do những yếu tố thuận lợi trên, ta cần phải nghiên cứu và phát triển các hệ thống năng lượng có kết cấu dạng Microgrid có hoặc không có kết nối lưới. Các nghiên cứu đã thực hiện Khi số lượng nguồn năng lượng tái tạo và các máy phát phân phối ngày càng tăng thì yêu cầu có các chiến lược điều khiển mới cho việc hoạt động và quản lý của lưới điện để duy trì hoặc cải thiện độ tin cậy và chất lượng trong việc cung cấp công __________________________________________________________________ 10 ___________________________________________________________________ suất được đề ra.
Ngoài ra, sự mở rộng tự do của các lưới dẫn đến có các cấu trúc quản lý mới, phục vụ cho việc kinh doanh mua bán năng lượng ngày càng trở nên quan trọng. Việc lưu trữ năng lượng trong một hệ thống phát và cung cấp điện cho phép tách việc phát điện theo yêu cầu. Nói cách khác, lượng điện có thể được sản xuất vào những thời điểm mà nhu cầu thấp, chi phí phát điện thấp hoặc từ các nguồn năng lượng tái tạo, để cung cấp tại những thời điểm nhu cầu cao, chi phí phát điện cao hoặc khi không có sự cung cấp nào khác có sẵn. Việc tích hợp thích hợp của các nguồn năng lượng tái tạo với các hệ thống lưu trữ cho phép thâm nhập một thị trường lớn hơn và kết quả là tiết kiệm được các nguồn năng lượng sơ cấp và giảm khí thải.
Trong luận văn này, một xu hướng trong kỹ thuật điện tử công suất cho việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo với hệ thống lưu trữ được trình bày. Ngoài ra như thể hiện ở hình 1.1, khi ta có hai hay nhiều bộ nghịch lưu ba pha có công suất như nhau, kết nối với nhau và hoạt động như một Microgrid độc lập. Cần phải có biện pháp để các bộ nghịch lưu có thể hoạt động song song với nhau mà vẫn bảo đảm tính ổn định của hệ thống và giúp cho các bộ nghịch lưu không bị quá tải. Trên thế giới, một vài phương pháp điều khiển đã được thực hiện để đạt được điều này, như là phương pháp điều khiển tập trung [1], phương pháp điều khiển chính-phụ (master-slave) [2]-[4], phương pháp điều khiển sai lệch công suất [5],[6], phương pháp điều khiển mạng lưới kết nối chung [7], và phương pháp điều khiển droop control cho tần số và điện áp [8]-[13].
Trong phương pháp cuối cùng, bộ điều khiển chỉ dựa trên thông tin đo lường tại các bộ nghịch lưu, không cần sự liên lạc hay trao đổi thông tin giữa các bộ nghịch lưu mà vẫn có thể chia công suất PQ đều nhau giữa các bộ nghịch lưu có cùng công suất. Công suất PQ giữa các bộ đều nhau, dẫn tới việc kéo dài tuổi thọ cho các thiết bị khi chạy tải nhẹ cũng như giúp cho hệ thống ổn định. Do đó tiết kiệm được chi phí bảo dưỡng thiết bị và chi phí phát sinh khi cần tăng công suất tiêu thụ, chỉ cần bổ sung thêm các bộ nghịch lưu có công suất tương tương, không phải đầu tư lại toàn bộ hệ thống. Phạm vi đề tài Phương pháp điều khiển droop control không sử dụng giao tiếp tỏ ra thuận lợi khi không cần sự liên lạc hay trao đổi thông tin giữa các bộ nghịch lưu có cùng công suất mà vẫn có thể chia sẻ được công suất PQ đều nhau giữa các bộ nghịch lưu khi ta dự đoán trước được công suất tiêu thụ của các bộ nghịch lưu.
Tuy nhiên, một trong những nhược điểm của phương pháp điều khiển droop control truyền thống là khả năng chia công suất sẽ kém đi nếu tổng trở kháng ngõ ra và trở kháng đường dây không bằng nhau. Để giải quyết vấn đề này, các cuộn cảm có thể được thêm vào giữa các bộ nghịch lưu và tải, nhưng chúng khá nặng và cồng kềnh [14]. Như một phương pháp thay thế, một vòng lặp trở kháng ảo được cộng vào để cải thiện độ chính xác trong việc chia tải [15], [16]. Nhưng vẫn dừng lại ở dạng các bộ nghịch lưu một pha hay nếu là ba pha thì công suất vẫn còn thấp, dùng cuộn cảm lọc khá lớn, và trở kháng đường dây khá nhỏ khi kết nối với tải phi tuyến.
Luận văn phát triển mô hình hai bộ nghịch lưu ba pha kết nối song song với một dạng trở kháng ảo áp dụng giải thuật tích phân chung bậc hai (second-order general-integrator – SOGI) nhằm giải quyết tốt vấn đề chia công suất PQ, THD% áp khi sử dụng cuộn lọc nhỏ và trở kháng đường dây kết nối tải lớn hơn.2 thể hiện mô hình nghiên cứu trong luận văn gồm hai phần: (1) Sự kết hợp các nguồn năng lượng tái tạo với hệ thống lưu trữ. (2) Hai bộ nghịch lưu kết nối song song với nhau. Sự kết hợp các nguồn năng lượng tái tạo với hệ thống lưu trữ. Lf DC to AC DC Inverter 1 Cf Lf Tải DC to AC DC Inverter 2 Cf b.
Hai bộ nghịch lưu kết nối song song với nhau Hình 1.2 Mô hình nghiên cứu trong luận văn.
