CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ MICROGRID 1.1 Khái niệm về MicroGrid Hình 1.5 Mô hình cơ bản về Microgrid Microgrid là một hệ thống năng lượng độc lập và có thể điều khiển, bao gồm thế hệ phân tán (DG), tải, lưu trữ năng lượng (ES) và các thiết bị điều khiển, trong đó DG và ES được kết nối trực tiếp song song với phía hộ tiêu thụ. Microgrid có thể được coi là một hệ thống điện nhỏ kết hợp việc tạo, truyền và phân phối điện năng, và có thể đạt được sự cân bằng năng lượng và phân bổ năng lượng tối ưu trên một khu vực nhất định, như một nguồn năng lượng từ hệ thống hoặc tải trong mạng phân phối. Ngoài ra, nó có thể bao gồm một hoặc nhiều nhà máy điện để đáp ứng nhu cầu của một trung tâm phụ tải, có thể là các văn phòng, nhà máy hoặc nhà ở xa nơi cung cấp điện truyền thống đắt tiền.
So với các mạng truyền tải và phân phối (T & D) truyền thống, một microgrid có cấu trúc linh hoạt hơn nhiều.2 Các thành phần trong MicroGrid 1.1 Máy phát phân tán(DG): Để giảm sự phụ thuộc vào việc sản xuất năng lượng điện từ nhiên liệu hóa thạch, vì vậy các công nghệ năng lượng tái tạo phân tán đang ngày càng trở nên quan trọng trong hệ thống cung cấp năng lượng của nhiều quốc gia. Các đơn vị phát điện phân tán (DG) 8 Luan van có thể được định nghĩa là các đơn vị nhỏ tạo ra năng lượng điện gần vị trí của tải dựa trên các kỹ thuật năng lượng tái tạo (bao gồm năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng địa nhiệt), máy phát điện diesel, pin nhiên liệu,. Trong các hệ thống phân phối sử dụng DG, căn cứ vào công suất hoạt động và hiệu suất làm việc của DG để thiết kế phù hợp với mục đích sử dụng của hệ thống. Kết nối DG với một hệ thống phân phối mang lại nhiều lợi ích khác nhau, điển hình như chủ đầu tư, lưới điện quốc gia và người dùng.
Việc đưa năng lượng PV vào hoạt động đã có từ rất lâu, sự tiến bộ đáng kể khi các mô-đun PV đã bắt đầu phát minh ra tế bào silicon, tiếp theo đó là công nghệ thin-flim. Điều đáng nói là công nghệ năng lượng mặt trời có vô số lợi thế như không có khí thải, dịch vụ lâu dài và hoạt động không ồn ào. Không chỉ điều này, nó không đòi hỏi chi phí bảo trì và nhiên liệu cao. Hơn nữa, năng lượng mặt trời được coi là dư thừa và vô hạn.
Tuy nhiên, mức độ tạo ra năng lượng lớn của PV cùng với sự thay đổi phụ tải biến đổi liên tục có thể gây ra sự dao động điện cùng với sự leo thang điện áp không lường trước được, các vấn đề ổn định điện áp và tổn thất điện năng cao hơn trong các mạng phân phối điện. Cùng với DG dựa trên kỹ thuật năng lượng tái tạo là công nghệ năng lượng mặt trời thì công nghệ năng lượng gió cũng là một nguồn năng lượng dư thừa và vô hạn. Tuy nhiên, các vấn đề chính liên quan đến phát điện gió là tính chất không liên tục, chi phí đầu tư ban đầu cao. Ngoài ra, một số vấn đề có thể xảy ra trong quá trình vận hành khi gió quá mạnh hoặc đồng thời tắt.
Microgrid là một quy mô nhỏ, lưới cục bộ thường bao gồm thế hệ phân tán có thể hoạt động đồng bộ với lưới hoặc độc lập. Microgrids thường được xây dựng vì lý do phục hồi, nhưng cũng có lý do kinh tế. Đôi khi, việc ngắt kết nối khỏi lưới điện và chạy máy phát điện diesel rẻ hơn so với mua điện. Nhưng lý do chính là khả năng phục hồi và độ tin cậy.
Khi mất điện, microgrid có thể ngắt kết nối với lưới điện và tiếp tục hoạt động bằng cách sử dụng các nguồn phát phân tán của riêng mình và lưu trữ năng lượng (battery) là một tài nguyên thế hệ phân tán khác.2 Các thiết bị lưu trữ năng lượng [9] Trong nhiều dự án microgrid, hệ thống năng lượng lưu trữ (ESS) được sử dụng trong mô hình tổng hợp. Một ESS tổng hợp là một cơ sở lưu trữ năng lượng lớn, có thể bao gồm một số đơn vị lưu trữ. Ví dụ, hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) bao gồm 9 Luan van hàng trăm pin hoặc hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà (FESS) bao gồm nhiều đơn vị bánh đà. Nó thường có công suất lớn để lưu trữ một năng lượng động năng khổng lồ và khả năng sản xuất năng lượng cao.
Một mô hình điển hình của ESS tổng hợp trong microgrid. Có một trang trại quang điện (PV) trong microgrid như một nhà máy điện tái tạo tổng hợp. ESS tổng hợp được kết nối trên cùng một thanh bus với trang trại PV. Vì vậy, nhà máy điện tái tạo làm việc song song với ESS tổng hợp để cung cấp năng lượng ổn định cho các phụ tải.
Và đó chính là mục đích chính của ESS.6 Mô hình ESS tổng hợp sử dụng trong Microgrid 1.3 Tải khu vực Trong hệ thống điện phân phối hiện đại, chia làm 3 phụ tải: - Phụ tải loại 1 là những phụ tải mà khi bị sự cố ngừng cung cấp điện sẽ gây ra những thiệt hại lớn về kinh tế, đe dọa tính mạng con người, hoặc ảnh hưởng có hại lớn về chính trị. Phụ tải loại 1 phải được thiết kế cung cấp điện với độ tin cậy cao. Thường dùng hai nguồn đến, đường dây hai lộ hoặc có nguồn dự phòng. nhằm giảm xác suất mất điện xuống rất nhỏ, thường xem bằng thời gian tự động đóng nguồn dự phòng.
- Phụ tải loại 2 là những phụ tải tuy có tầm quan trong lớn, nhưng nếu bị ngừng cung cấp điện chỉ dẫn đến những thiệt hại về kinh tế do ngừng trệ sản xuất, hư hỏng sản xuất, hư hỏng sản phẩm, lãng phí lao động.Phương án cung cấp điện cho phụ tải loại 2 có hoặc 10 Luan van không có nguồn dự phòng; đường dây đơn hoặc kép.phải dựa trên kết quả so sánh giữa vốn đầu tư phải tăng thêm và giá trị thiệt hại kinh tế khi ngừng cung cấp điện. Đối với phụ tải loại 2 cho phép ngừng cung cấp điện trong thời gian đóng nguồn dự trữ bằng tay. - Phụ tải loại 3 là những phụ tải cho phép cung cấp điện với mức độ tin cậy thấp, nghĩa là cho phép mất điện trong thời gian sửa chữa, thay thế thiết bị bị sự cố nhưng thường không quá 1 ngày đêm. Phương án cung cấp điện cho phụ tải loại 3 có thể dùng một nguồn, đường dây một lộ.
Khác với hệ thống cung cấp điện hiện đại, hệ thống cung cấp điện trong microgrid có thể kết nối hoặc ngắt kết nối phụ thuộc vào công suất và dung lượng dự trữ hiện có của hệ thống nên trong hệ thống cung cấp điện microgird được chia làm 2 loại phụ tải: - Phụ tải loại 1 là những phụ tải có tầm quan trọng lớn, yêu cầu đảm bảo về độ tin cậy và chất lượng điện năng. Việc ngừng cung cấp điện có thể làm gián đoạn sản xuất, lãng phí nhân công lao động,… - Phụ tải loại 2 là loại phụ tải cho phép mất điện trong thời gian sửa chữa, thay thế các thiết bị hư hỏng và bảo trì.4 Thiết bị đóng cắt kết nối lưới Bộ ngắt mạch thông minh được sử dụng để quản lý sự kết nối của các máy phát phân tán, tải cục bộ và lưới. Bộ ngắt mạch chính, được gọi là Công tắc tĩnh, được đặt tại điểm khớp nối chung (PCC) của microgrid và quản lý chế độ vận hành được kết nối lưới, chế độ đảo và chuyển đổi giữa cả hai chế độ vận hành. Hơn nữa, có thể sử dụng các bộ ngắt mạch bổ sung để quản lý kết nối của một số nguồn cấp dữ liệu hoặc tải như hình 2.3 để kết nối tải không quan trọng, tải quan trọng.
11 Luan van Hình 1.7 Cấu trúc Microgrid AC sử dụng static switch [10] Dựa vào công nghệ chuyển đổi lưới, gián đoạn nhất thời có thể xảy ra trong quá trình chuyển đổi từ chế độ kết nối (grid-connected mode) lưới sang chế độ đảo lưới (islanded mode). Nếu tải yêu cầu ngắt chuyển đổi với tốc độ cao thì phải chọn công nghệ của công tắc tĩnh phù hợp với yêu cầu. Công tắc tĩnh là một thiết bị điện tử công suất thường được lựa chọn cho ứng dụng đảo lưới tự động và nhanh và chỉ dử dụng cho lưới đồng bộ. Nó có khả năng cô lập tải nhạy và nguồn micro ( microsource ) từ hệ thống phân phối ít hơn 1/15 chu kỳ nếu hệ thống bị lỗi hoặc bị nhiễu.
Có 2 công nghệ chính được sử dụng trong công tắc tĩnh [11]: + SCRs( Silicon controlled rectifiers ) +IGBTs( Insulated Gate Bipolar Transistors ) Sự khác biệt giữa các công nghệ công tắc tĩnh phụ thuộc tốc độ phản hồi của thiết bị. + SCR là công tắc có thể phản hồi và thực hiện trong khoảng từ ½ - 1 chu kỳ. + IGBT là công tắc có thể phản hồi và thực hiện trong khoảng100 µ𝑠 và có thể ngắt dòng ngay tức thời trong thời gian rất ngắn. 12 Luan van Có 2 vấn đề kỹ thuật cần được giải quyết trong khi sử dụng công tắc tĩnh trong microgrid: + Phối hợp giữa bộ điều khiển nguồn phân tấn ( microsource control) với công tắc tĩnh ( đặc biệt là trong trường hợp đồng bộ hóa hoạt động).
+ Phối hợp với các thiết bị bảo vệ khác ( điều chỉnh, đánh giá đường cong và sự liên tục của tải trọng).3 Cấu trúc của MicroGrid [10] Nhu cầu về sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo ở các thành phố lớn ngày càng tăng và tích hợp chúng vào lưới điện hiện đại đã trở thành những thách thức hấp dẫn. Sự tích hợp ổn định và đáng tin cậy của các nhà máy phát phân tán tái tạo vào lưới điện và các tải cục bộ là điều đáng quan tâm. Hầu hết các nhà máy phát điện hiện đại có hệ thống điều khiển tập trung và vị trí phát điện xa so với tải, trong khi đó hều hết các nguồn phân tán DG được phân phối và kết nối với các mạng điện áp thấp hoặc trung bình và gần tải. Khi nhu cầu năng lượng tăng, sự cố mất điện và thiếu năng lượng cũng tăng, để các nguồn phân tán có thể sử dụng các nguồn năng lượng để cung cấp năng lượng liên tục và bền vững.
Trong phần này sẽ trình bày cái nhìn tổng quan hoàn chỉnh về cấu trúc hệ thống microgrid.1 Cấu trúc MicroGrid AC Cấu trúc microgrid AC có thể gồm 1 hoặc nhiều bus AC và các thiết bị được nối trực tiếp với bus phải giao tiếp AC.