Chương 1 Tổng quan Trong thực tế, có nhiều kiểu hệ thống điện MG như sức gió-diesel, sức gió-hóa thạch, hay sức gió-diesel-mặt trời [6]. Trong đó, vai trò của các thiết bị lưu trữ năng lượng ngày càng trở nên quan trọng. Hệ thống điện MG là mô hình năng lượng điện phổ biến cho các khu vực hải đảo hoặc khu vực xa xôi không nối với điện lưới. Luận án này nghiên cứu hệ thống điện MG hoạt động chế độ không nối lưới quốc gia với cấu trúc hệ thống điện MG bao gồm phụ tải tiêu thụ AC, kho điện ESS (energy storage system) dùng để bù trên bus hệ thống nhằm ổn định các dao động trên nguồn RES và phụ tải, các nguồn phát phân tán DG như gió WTG, mặt trời PV, và diesel DEG.
Các nguồn phát DEG có khả năng điều độ phát nền, phủ đỉnh, điều tần trong hệ thống, bù công suất phản kháng, khả năng trụ lưới hay nói đúng hơn là duy trì ổn định dài hạn cho hệ thống. Các nguồn còn lại là WTG và PV chịu biến động bất thường theo thời tiết. Ngoài ra, sự biến động của phụ tải theo các giờ khác nhau cũng ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ thống trong thời gian ngắn hạn. Hơn nữa, trong quá trình vận hành máy phát diesel có thể xảy ra sự cố hỏng hóc bất thường.
Do vậy, MG được tích hợp kho điện ESS (hệ thống tích trữ năng lượng) có thể bù cho các nguồn phát hoặc cho toàn hệ thống MG như mô tả trong Hình 1.3 Vấn đề đánh giá kinh tế của hệ thống điện MG Về mặt kinh tế, do chi phí vận hành điện gió và mặt trời rất thấp, có thể làm tăng chỉ số hoàn vốn đầu tư IRR và giảm thời gian thu hồi vốn trong vòng đời đầu tư thiết bị. Việc lựa chọn tỷ lệ đầu tư số lượng máy phát (diesel, sức gió, mặt trời) tùy thuộc vào mục đích đầu tư. Thông thường lựa chọn công suất định mức của máy phát diesel bằng tổng công suất lắp đặt của gió và mặt trời, trong trường hợp mất toàn bộ gió-mặt trời máy phát diesel gánh tải toàn hệ thống. Nghiên cứu của Goel & Ali [14] chỉ ra rằng: đối với hệ thống điện lai kích cỡ nhỏ, hệ thống điện gió-diesel-mặt trời hiệu quả hơn các kiểu còn lại từ chi phí sản xuất ra 1kWh đến chi phí vận hành mặc dù có tỷ lệ sản xuất dư thừa là 1,1% cao hơn các hệ thống còn lại.
Đối với các hệ thống điện MG không nối lưới điện quốc gia, việc sử dụng máy diesel là một giải pháp thông dụng có tác dụng vừa phát nền vừa phủ đỉnh. Ngoài ra vấn đề khí thải cũng cần lưu ý, chẳng hạn với máy phát diesel công suất 10-15kVA tiêu hao 3 lít nhiên liệu/giờ và thải ra 2,63kg CO2/lit [14]. Mặc dù còn những nhược điểm như trên, ngày nay công nghệ chế tạo máy phát diesel đã khá hoàn thiện như công nghệ động cơ phun nhiêu liệu điện tử FI (fuel injected) đã năng cao 20% hiệu suất [15], đảm bảo tốt các yêu cầu cơ bản về khả năng đáp ứng nhanh nhu cầu phụ tải (duy trì tần số) và điều khiển điện áp. Điểm yếu lớn nhất của máy phát diesel là không vận hành được ở mức công suất phát quá thấp, thông thường tải thiếu chúng phát ở 30%- 40% định mức vừa tránh vận hành kém hiệu quả vừa duy trì chế độ đốt nhiên liệu [15].
24 luan an Chương 1 Tổng quan Đặc biệt, hãng Powercorp Pty Ltd phát triển thế hệ máy diesel tải thấp LLD (low-load diesel) cho phép vận hành dưới 10%, giúp giảm chi phí nhiên liệu nhưng vẫn đảm bảo được yêu cầu điều tần, điều áp khi chạm nền và đảm bảo dự phòng nóng cho hệ thống. Điện gió và điện mặt trời có nhược điểm là nguồn sơ cấp không ổn định phụ thuộc vào thời tiết cho nên chúng không thể thay thế được nguồn điện duy trì như máy phát diesel. Trong mọi kiểu điện MG không nối lưới, máy phát diesel luôn có mặt để duy trì hệ thống. Hiện tại chưa có tài liệu chuẩn phân loại mức độ thâm nhập của gió về hệ thống điện MG gió-diesel-mặt trời.
Nghiên cứu [16] xét riêng ảnh hưởng sự xâm nhập của điện mặt trời lên quá trình quá độ của hệ thống với ba trường hợp sự xâm nhập điện mặt trời với tỷ lệ 5%, 10%, và 15% của tổng công suất phụ tải. Nghiên cứu này chỉ ra rằng sự xâm nhập của điện mặt trời làm cho điện áp tại các điểm phát lên lưới bị dao động đáng kể, với mức độ thâm nhập cao, cần thiết phải có hệ thống điều khiển hỗn hợp. Riêng đối với hệ thống điện MG sử dụng điện gió được phân loại theo mức độ thâm nhập của điện gió vào hệ thống, được định nghĩa như sau [15], [17]: Công suất phát của điện gió (kW) Mức độ thâm nhập tức thời = Công suất phụ tải (1.1) Sản lượng phát điện gió (kWh) Mức độ thâm nhập trung bình = (1.2) Sản lượng tiêu thụ của phụ tải Bài toán xây dựng và thiết kế các hệ thống điện MG, yếu tố bất định của các nguồn điện năng lượng tái tạo như điện gió và điện mặt trời làm cho bài toán thiết kế trở nên phức tạp. Do đó, các biến đầu vào như công suất gió, công suất điện mặt trời, nhu cầu phụ tải cần phải được coi như các biến ngẫu nhiên với mức độ kỳ vọng và hàm phân bố xác suất phù hợp.
Điều này dẫn đến các mô hình tính toán tối ưu ngẫu nhiên phức tạp, làm cho bài toán thiết kế quy hoạch hệ thống điện lai có nhiều khác biệt so với bài toán quy hoạch thiết kế hệ thống điện truyền thống. Ở một số nghiên cứu chuyên sâu, bài toán tính toán thiết kế hệ thống điện lai được mô tả dưới dạng bài toán quy hoạch ngẫu nhiên, trong đó xét đến các ràng buộc kỹ thuật đặc trưng cho từng ví dụ áp dụng cụ thể (tỉ lệ giữa nguồn và tải, mức độ yêu cầu về độ tin cậy cung cấp điện năng) [18]–[20].3 Chế độ làm việc của hệ thống điện MG Chế độ làm việc của hệ thống điện lai MG không nối lưới cũng tương tự như chế độ làm việc của hệ thống điện quy mô lớn từ các yêu cầu kỹ thuật đến tính kinh tế trong vận hành. Điểm khác biệt căn bản giữa hai hệ thống là hệ thống điện MG không nối lưới có các nguồn phân tán từ điện gió và điện mặt trời là không ổn định, phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. 25 luan an Chương 1 Tổng quan Ngày nay các thiết bị biến đổi điện tử công suất cho hệ phát điện gió và mặt trời cho phép điều khiển dòng công suất phát như có thể cắt bớt nguồn phát hoặc chế độ bám tải theo ý muốn một cách linh hoạt.
Cho nên việc cân bằng công suất trên hệ thống điện MG không nối lưới được cho là có thể kiểm soát được (controllable). Luận án này sẽ xét bài toán tối ưu hóa chế độ xác lập một mặt có nhiệm vụ cực tiểu hóa chi phí sản xuất, mặt khác nhằm tận dụng nguồn năng lượng tái tạo và giảm thiểu sản xuất điện từ máy phát diesel bằng cách lựa chọn đúng các thông số điều khiển là các thông số quyết định hàm mục tiêu chi phí. Mục này được tổng hợp từ các tài liệu [17], [21] và [22].1 Nguồn điện và các chế độ làm việc 1.1 Yêu cầu nguồn điện Các nguồn điện phân tán trong hệ thống điện MG không nối lưới có công suất nhỏ cỡ vài MW đến chục MW. Mặc dù quy mô nhỏ nhưng cấu trúc nguồn điện phân tán cũng phải thỏa mãn các điều kiện vận hành như sau: - Đáp ứng đủ năng lượng cho phụ tải với độ tin cậy cao; - Đáp ứng đủ công suất tác dụng và phản kháng trong mọi tình huống vận hành với độ tin cậy cao; - Đảm bảo vận hành với giá thành sản xuất điện năng nhỏ nhất đồng thời tận dụng tối đa nguồn điện gió và mặt trời với giá thành sản xuất gần như bằng không.
Đối với hệ thống điện MG có máy phát diesel chạy nền và tích hợp kho điện được thiết kế sao cho đảm bảo cân bằng năng lượng. Trường hợp khi mất nguồn điện gió và mặt trời, máy phát diesel vẫn đảm bảo phát đủ năng lượng cho hệ thống. Cân bằng công suất phụ thuộc vào nguồn phát diesel và kho điện tích trữ với công suất dự trữ linh hoạt. Trong đó công suất đặt của nguồn phát diesel luôn phải lớn hơn công suất phụ tải lớn nhất trong năm.
Ngoài ra công suất khả phát của máy phát diesel tham gia vận hành lớn hơn công suất đang phát một lượng (dự phòng nóng) đủ để đáp ứng các sự cố mất nguồn và điều chỉnh tần số hệ thống khi phụ tải tăng nhanh lớn hơn khả năng đáp ứng của kho điện.2 Các chế độ làm việc của hệ thống điện Chế độ làm việc hệ thống điện là quá trình điện diễn ra trong từng thời điểm hoặc khoảng thời gian nhất định được đặc trưng bởi các thông số chế độ như U, I, P, Q, cos biến thiên theo thời gian. Có hai chế độ làm việc của hệ thống điện là chế độ xác lập và chế độ quá độ. Chế độ xác lập: là chế độ mà các thông số biến đổi rất nhỏ xung quanh giá trị trung bình. Trong cấu trúc điều khiển phân tầng, chế độ này thuộc điều tần cấp III.
Có chế độ xác lập bình thường là chế độ làm việc bình thường của hệ thống điện, và chế độ xác lập sau sự cố. + Chế độ xác lập bình thường thỏa mãn các điều kiện như: chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện, chi phí sản xuất điện là tối thiểu. 26 luan an Chương 1 Tổng quan + Chế độ xác lập sau sự cố có các chỉ tiêu thấp hơn chế độ xác lập bình thường. Chế độ quá độ: là chế độ mà các thông số biến thiên lớn theo thời gian.2 Chất lượng điện năng Khi hệ thống điện sức gió và mặt trời hòa vào hệ thống phải tuân theo các tiêu chuẩn chất lượng điện năng của hệ thống điện gồm tần số, biên độ, góc pha và các thành phần sóng hài được quy định trong Grid-codes.1 Chất lượng tần số Chất lượng tần số được đánh giá bằng độ lệch tần số so với tần số định mức.
Khi tần số biến thiên nhanh với tốc độ lớn 0,1% thì dao động tần số hay độ lệch giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của tần số khi tần số phải nằm trong giá trị cho phép.