CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG HỖN HỢP 1. Giới thiệu Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (AEO 2015), tổng lượng điện sản lượng tăng từ 1065 GW lên 1261GW vào năm 2040. Tuy nhiên, điện sản lượng từ các nguồn thông thường như than giảm từ 39% năm 2013 xuống 34% trong 2040 trong khi tỷ trọng khí đốt tự nhiên trong sản xuất điện tăng từ 27% lên 31%. Trong trường hợp các nhà máy điện hạt nhân, tỷ trọng sản xuất điện giảm từ 19% đến 15%.
Mặt khác, có một sự tăng trưởng đáng kể trong thị phần của năng lượng tái tạo sản xuất năng lượng từ năm 2013 đến năm 2040 như được chỉ ra trong hình 1. Điều cần trông đợi là đến năm 2040, gần 60% sản lượng điện là từ các nguồn tái tạo [2]. Tỷ trọng sản xuất điện bằng nhiên liệu (2000-2040) [1] Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, thủy điện là nguồn đóng góp lớn nhất của ngành điện trong danh mục sản xuất điện tái tạo. Tuy nhiên, một sự tăng trưởng cũng được thấy trong hệ thống phát điện bằng năng lượng gió và mặt trời.
Hình 1-2 phản ánh đến năm 2040, dự kiến 2/3 sản lượng điện được sản xuất bằng năng lượng tái tạo nguồn năng lượng sẽ được đóng góp bởi gió và năng lượng mặt trời. Thêm vào đó, sự đóng góp của năng lượng địa nhiệt và sinh khối cũng đang tăng với tốc độ trung bình nhanh hơn giá. Học viên: Đặng Thanh Phú 6 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ Hình 1. Chia sẻ về sản xuất năng lượng tái tạo theo nguồn [1] Bất chấp sự sụt giảm tỷ trọng sản xuất điện từ các nguồn thông thường và dự đoán về sự tăng trưởng đáng kể trong thị phần các nguồn tái tạo, nhưng các nguồn tái tạo không được coi là nguồn điện đáng tin cậy nhất do những nhược điểm di truyền của họ.
Nhược điểm lớn của gió và mặt trời các nguồn năng lượng là sự phụ thuộc của chúng vào thời tiết khiến chúng không liên tục trong thiên nhiên. Chúng có thể xuất hiện cùng một lúc nhưng có thể biến mất hoàn toàn vào thời điểm khác. Hạn chế này có thể được loại bỏ bằng cách tích hợp các nguồn năng lượng này để phát triển hệ thống năng lượng lai [3-5]. Hệ thống năng lượng hỗn hợp độc lập Trong những năm gần đây, những cải tiến to lớn đã được thực hiện để có các nguồn năng lượng chủ đạo.
Mặc dù năng lượng tái tạo là nguồn hiệu quả và năng lượng sạch, tuy nhiên điều này có một số nhược điểm do bản chất ngẫu nhiên. Đối với ví dụ, năng lượng gió và năng lượng mặt trời, không thường xuyên có sẵn. Một số, như nhiên liệu tế bào, biểu hiện phản ứng chậm. Do đó, chúng được yêu cầu phải được tích hợp và/hoặc được kết nối với lưới điện tiện ích để tạo thành một máy phát điện đa nguồn hoặc hệ thống năng lượng lai (HES) trong đó các nguồn năng lượng này bổ sung cho nhau để cung cấp một nguồn điện đáng tin cậy [6].
Hệ thống năng lượng hỗn hợp được định nghĩa là “tập hợp các đơn vị nhỏ hợp tác, sản xuất điện hoặc điện và nhiệt, với đa dạng chất mang năng lượng sơ cấp (tái tạo và không tái tạo), và trong khi điều phối hoạt động của họ diễn ra bằng cách sử dụng các hệ thống điện tử công suất tiên tiến” [7].3 cho thấy bố trí của một hệ thống năng lượng hỗn hợp điển hình sử dụng năng lượng tái tạo nguồn năng lượng. Một số kết hợp khả thi của các nguồn năng lượng phân tán để cấu thành HES đã được xác định, trong số đó, Học viên: Đặng Thanh Phú 7 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ dạng HES phổ biến nhất là hệ thống năng lượng hỗn hợp gió-mặt trời giải quyết các vấn đề liên quan đến các thế hệ năng lượng gió và mặt trời độc lập. Trong sự kết hợp này, cả hai nguồn bổ sung cho nhau để nâng cao độ tin cậy của hệ thống tổng thể. Gió có thể tạo ra suốt ngày đêm tùy thuộc vào tình trạng sẵn có và tốc độ của gió trong khi năng lượng mặt trời có thể hỗ trợ nó vào ban ngày khi mức sử dụng ở mức cao nhất.
Đến nâng cao hơn nữa độ tin cậy, một thiết bị lưu trữ cũng có thể được thêm vào hệ thống để nếu nhu cầu ít hơn cung, năng lượng dư thừa có thể được lưu trữ mà sau này có thể được sử dụng trong thời gian tiêu thụ cao điểm hoặc không có RES [8]. Khác có thể kết hợp là gió-mặt trời với hệ thống thủy điện có bơm [9], gió-mặt trời với sinh học khối lượng và quang điện gió với hệ thống pin nhiên liệu [10]. Hệ thống năng lượng lai điển hình Hệ thống năng lượng hỗn hợp có thể hoạt động như một hệ thống phát điện độc lập trong các lĩnh vực không có nguồn điện hoặc việc mở rộng đường dây tải điện và xây dựng các trạm lưới bổ sung không phải là một lựa chọn khả thi [11]. HES cũng có thể được kết nối vào lưới điện tiện ích để nâng cao công suất, hiệu quả và độ tin cậy của nguồn điện hệ thống phân phối [12].
Mặc dù việc tích hợp nhiều nguồn khắc phục được việc cung cấp điện không thường xuyên từ RES nhưng có một số thách thức bổ sung liên quan đến giao diện đa nguồn này. Ví dụ, trong một hệ thống năng lượng hỗn hợp độc lập, do khả năng ngắt điện từ các nguồn gió và mặt trời và các điều kiện tải thay đổi, tính ổn định tổng thể của hệ thống, độ tin cậy và tính liên tục của sự kết hợp này để cung cấp năng lượng cho các tải vẫn còn tương đối Học viên: Đặng Thanh Phú 8 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ thấp. Do đó, một bộ phận lưu trữ năng lượng cần được kết nối để bù đắp hoặc hấp thụ sự chênh lệch giữa công suất tạo ra và công suất cần thiết [13]. Liên quan đến hệ thống nối lưới, việc tích hợp RES với lưới điện tiện ích thậm chí còn có nhiều hậu quả hơn.
Giao diện năng lượng tái tạo có thể gây ra các vấn đề về chất lượng điện do sự thay đổi điện áp cung cấp. Nếu RES được kết nối với bộ nạp với tải ít hơn, có khả năng xảy ra dòng điện ngược. Tương tự như vậy, sự thay đổi nhanh chóng của dòng điện tải gây ra sự thay đổi trong dòng điện của bộ nạp, gây ra các tác động bất lợi như sụt giảm và nhấp nháy điện áp hệ thống. Một vấn đề khác là dòng sóng hài có thể gây ra biến dạng ở dạng sóng điện áp có thể truyền tới lưới điện phân phối [14].
Các lưới tiện ích thông thường thường bao hàm sơ đồ bảo vệ phụ thuộc vào nguồn cung cấp duy nhất. Khi nhiều nguồn, chúng cũng góp phần tạo ra dòng lỗi. Khó phát hiện và có thể tạo ra các vấn đề về bảo vệ. Việc phát hiện và cài đặt các thiết bị bảo vệ được thực hiện theo giá trị của dòng sự cố của hệ thống.
Việc bổ sung RES có thể làm tăng giá trị này do đó khả năng ngắt của các thiết bị bảo vệ phải được lựa chọn rất cẩn thận [15]. Các đường dây tải điện trên không thường được trang bị hệ thống tự động lại gần hơn. Vì sự cố tạm thời trên đường dây trên không không tồn tại trong thời gian dài hơn, do đó đường dây không được ngắt vĩnh viễn mà nó được ngắt trong thời gian ngắn hơn và được cấp điện trở lại sau khi khắc phục sự cố. Tự động lại gần thực hiện một số lần thử và nếu sự cố vẫn tiếp diễn thì đường dây hoàn toàn không được cung cấp năng lượng.
Nếu RES được kết nối với hệ thống, đường dây vẫn được cấp điện vĩnh viễn và do đó lỗi tạm thời được coi là lỗi vĩnh viễn, đây là một trường hợp không mong muốn [16]. Nguồn RE kết nối với lưới điện được yêu cầu ngắt trong trường hợp có bất kỳ điều kiện điện áp bất thường nào. Các bộ cấp nguồn gần kề với bộ nối RES được kết nối có thể tạo ra tình huống điện áp bất thường tương tự. Trong những điều kiện như vậy, sơ đồ bảo vệ nguồn RES khó có thể phân biệt giữa sự cố quá / dưới điện áp thực tế và tác động của các bộ cấp khác, do đó nó bị tắt một cách không cần thiết [17].
Trong bất kỳ điều kiện sự cố nào, nguồn năng lượng tái tạo và lưới điện tiện ích đều đóng góp vào dòng điện sự cố do đó dòng điện sự cố tăng lên. Dòng điện sự cố tổng hợp có thể tăng lên nhưng đóng góp từ nguồn năng lượng tái tạo có thể nhiều hơn đóng góp từ lưới điện, do đó các thiết bị bảo vệ tại lưới điện không thể nhận ra lỗi và lỗi vẫn không được chú ý có thể dẫn đến sự cố và hư hỏng hệ thống [18]. Hệ thống nằng lượng hỗn hợp nối lưới Nguồn điện từ hệ thống điện mặt trời, gió hay sinh khối sẽ được đấu nối hòa cùng với điện lưới, thiết bị sẽ sử dụng song song các nguồn năng lượng tái tạo và điện lưới. Qua bộ biến tần (inverter), các nguồn điện hỗn hợp sẽ được thiết lập ưu tiên cung cấp cho tải tiêu thụ trước, nếu còn dư điện, phần dư năng lượng này sẽ được đẩy ngược lên điện lưới.
Trường hợp, cường độ ánh sáng mặt trời thấp, điện gió vẫn ổn đinh lượng điện sinh ra của nguồn PV ít, thêm cả nguồn gió không đủ cung cấp cho các thiết bị đang sử dụng thì Học viên: Đặng Thanh Phú 9 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Trường Đại học Công Nghiệp Quảng Ninh Luận văn Thạc sĩ điện lưới sẽ tự động bổ sung lượng điện còn thiếu. Luôn đảm bảo các thiết bị tải hoạt động bình thường, không bị thiếu điện. Khi trời tối, không có ánh sáng mặt trời, hệ thống điện mặt trời sẽ không sản sinh ra điện. Lúc này, thiết bị tải sử dụng điện lưới bình thường cùng với các nguồn năng lượng tái tạo khác vẫn sản sinh ra năng lượng điện và nguồn lưu trữ song song.
Vì hệ thống điện mặt trời và điện lưới kết nối tự động với nhau nên để đảm bảo an toàn lưới điện, trong trường hợp mất điện lưới, hệ điện mặt trời cũng tự động ngắt để không truyền điện lên lưới. Do đó, lúc này bạn sẽ không có điện sử dụng.