Chương I. Microgrid là gi? Lưới điện siêu nhỏ (Microgrid - MG) là một hệ thống bao gồm các nguồn năng lượng có công suất nhỏ va phát điện phân tán (Distributed Energy Resources — DER) như: nguồn pin mặt trời, pin nhiên liệu, turbine gid, microturbine. Ngoài ra còn có các hệ thống đo lường và các phụ tải. Công nghệ điều khiến cho lưới điện siêu nhỏ có thể hoạt động độc lập hoặc tích hợp chúng vào lưới điện phân phối.
Một số hướng nghiên cứu đã thực hiện về microgrid trên thé giới Vì là một hướng phát triển mới và đây triển vọng cho nên microgrid dang là dé tài nghiên cứu của rất nhiều nhóm nghiên cứu từ các trường đại học đến các doanh nghiệp làm về lĩnh vực năng lượng trên toàn thế giới. Với ưu thế về việc sử dụng hiệu quả năng lượng, giảm lượng khí thải từ việc tăng cường sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, nâng cao vai trò của người sử dụng năng lượng trong việc quản lý và tối ưu hiệu năng dùng điện, microgrid thật sự trở thành xu thé cho ngành điện trong tương lai. Là một hướng phat trién mới nên rat cần tăng cường nghiên cứu đề nâng cao hiệu quả khi ap dụng vào thực tiên. Các hướng nghiên cứu đã thực hiện liên quan tới microgrid: - _ Cấu hình tiêu chuẩn để xây dựng một hệ thông microgrid.
- Cac bộ bién đối công suất sử dung trong hệ thống microgrid. - _ Điều khiến cho các pin mặt trời và tuabine gió trong hệ thống microgrid. - _ Giải thuật tối ưu trào lưu công suất trong hệ thống microgrid. - Tinh toán sử dụng các loại động co diesel trong hệ thông microgrid.
- _ Hoạch định kế hoạch vận hành cho hệ thống microgrid. - Du đoán nhu cau tải trong hệ thống microgrid. - Du đoán công suất cung cấp được từ các pin mặt trời và tuabine gió trong hệ thống. - Sa thải phụ tải trong microgrid.
Có rat nhiều hướng nghiên cứu dé phục vu cho việc phát triển của hệ thống microgrid nham phát huy các ưu điểm đồng thời khắc phục các hạn chế dé nâng cao chất lượng điện năng và hiệu suất sử dụng điện. Các hướng nghiên cứu quan tâm dén vân dé xây dựng hệ thông, điêu khiên hệ thong, nâng cao các công nghệ băng các bộ biên đôi công suat, giảm hao phí trên đường dây, giảm tôn thât qua các bộ biên đôi công suât, giảm sóng hài, tránh hiện tượng nhiều. Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528 13 | GVHD: PGS. Phan Thị Thanh Bình Môi hướng khác nhau đều có rat nhiêu đê tai nhỏ liên quan, nô lực trong nghiên cứu của các đơn vi trên thê giới rat đáng ghi nhận và cân được dau tu hơn nữa.
Các nghiên cứu vê hướng quản lý năng lượng trong microgrid Việc phát triển của microgrid hiển nhiên đòi hỏi sự phát triển về van dé quản lý năng lượng trong microgrid. Đề đáp ứng nhu cầu đó các nhà khoa học đã nghiên cứu rất nhiều dé tài liên quan đến van dé này. Từ những van dé cơ bản như làm sao dé sử dụng năng lượng hợp lý trong microgrid, cân đối chi phí băng việc cân nhắc sử dung hay không sử dụng phụ tải, đánh giá việc lắp đặt pin lưu trữ và các nguén điện mặt trời hay điện gió ở các vị trí phù hợp trong microgrid. Bên cạnh đó còn các van đề về tối ưu chỉ phí vận hành của microgrid, nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng trong microgrid, nâng cao chất lượng điện năng cung cấp như điện áp, tần số .Mục tiêu cuối cùng là giảm chi phí vận hành nhằm giảm giá thành của điện, tránh thất thoát trong quá trình sử dụng điện.
Y nghĩa của hướng nghiên cứu đối với thực tiễn Hướng nghiên cứu của luận án này nhằm mục đích hoạch định kế hoạch vận hành cho hệ thống microgrid, với mục tiêu là tìm ra được kế hoạch có chi phí thấp nhất để tối ưu hiệu quả sử dụng điện của hệ thống. Nó mang ý nghĩa vô cùng quan trọng vì sẽ tiết kiệm được chi phí nhưng vẫn đảm bảo cung cấp đủ điện cho nhu cau sử dụng đồng thời sử dụng tối đa được nguồn điện từ mặt trời và sự linh động của hệ thống pin lưu trữ. Luận án đưa ra bài toán dự báo tốc độ gid của khu vực, từ đó dự báo được lượng năng lượng sản xuất ra được từ các turbine 210, khién hé thong dự báo tốt hon va bám sát hon với thực tế. Luận án đồng thời còn đưa ra cách giải quyết cho bai toán quản ly năng lượng khi tốc độ gió trong khoảng giá trỊ.
Luận án còn vạch ra phản ứng của hệ thống, thay đôi kế hoạch hoạt động dựa vào sự thay đôi nhu câu so với thực tê, mục đích cũng là giảm tôi đa chi phí vận hành của hệ thông. Nếu hướng nghiên cứu thành công sẽ mang lại ý nghĩa rất lớn cho người trực tiếp vận hành hệ thống microgrid. Giá thành giảm và tiết kiệm được những khoảng tiền cần thiết để nâng cấp hay bảo trì hệ thống, hoặc đầu tư cho các hoạt động nghiên cứu để nâng cao hiệu quả vận hành. Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528 14 | GVHD: PGS.
Phan Thị Thanh Bình Chương II. Mo hình bài toán Như đã dé cập, một mô hình microgrid cần phải có những thành phan sau: - _ Hệ thống cấp nguồn từ nguồn năng lượng tái tao: các tam pin năng lượng mặt trời, các tua bin gid. - _ Hệ thống pin lưu trữ năng lượng - _ Hệ thống điện từ các máy phat diesel. - Cac tải tiêu thụ - Nguôn cấp điện từ lưới phân phối (có thé có hoặc không, tùy vào chế độ hoạt động: nối lưới hoặc độc lập).
Với chế độ độc lập, mục tiêu chính của quản lý năng lượng là ôn định hệ thống VỚI Các điều kiện về tần số và điện áp. Trong chế độ nối lưới, mục tiêu phố biến là tối thiểu chi phí vận hành của hệ thống, để làm được điều này ta phải đưa ra được phương án vận hành hệ thống với việc điều khiến mức phát điện của các máy phát diesel và mức nạp xả của các pin lưu trữ từ đó xác định lượng điện cần mua từ lưới. Việc quan lý năng lượng trong microgrid có thé được chia ra làm 3 cấp độ khác nhau tùy thuộc vao các cách tiếp cận của người vận hành. Ở trong luận án này, ta quan tâm nhiều nhất tới trào lưu công suất trong hệ thống, quyết định xem các máy phát diesel sẽ phát vào hệ thống bao nhiêu công suất, lượng mua từ lưới phân phối và lượng nạp xả vào pin lưu trữ, từ đó giảm thiểu chi phí vận hành phát sinh từ giá phải trả cho nhà cung cấp điện và tiền nhiên liệu cho chạy động cơ diesel.
Chính vì quan tâm nhiều tới các điều kiện ràng buộc của hệ thống nên cần chạy bài toán trào lưu công suất nhằm xác định các thông số dòng va áp trong hệ thống để có thé chắc chắn phương án hiệu chỉnh thông số điều khiển của hệ thống không vi phạm các điều kiện vận hành làm tốn hại đến hệ thống. Bài toán trào lưu công suất Bài toán trào lưu công suất nhằm mục đích tối ưu những mục tiêu của hệ thống dưới những điều kiện ràng buộc khác nhau. Những ràng buộc nảy có thể bao gồm cả công suất thực và công suất phản kháng ra vào lưới, điện áp và góc pha của thanh cái; mục tiêu có thể là tối thiểu chi phí phát hoặc là tối đa mức sử dung của tai; những ràng buộc có thé là mức điện áp hay mức công suất, hoặc có thé là đường dây truyền tải phải chịu nhiệt độ hay các giới hạn 6n định. Rang buộc ở từng phan tử trong microgrid sẽ được nói tới trong các mục sau, giờ ta xem xét phương pháp giải quyết bài toán trào lưu công suất về phương diện giải tích.
Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528 15 | GVHD: PGS. Phan Thị Thanh Bình Goi N là sô nút trong mạng lưới, i=1.N, 1 là chi sô của môi nút và môi nút có 4 tín hiệu độc lập sau: - P(t) — Công suất thực, day trực tiếp từ nút vào lưới (dương với máy phát, âm với tải). Q,(t) — Công suất phan kháng, day vao lưới. V,() — Điện ap tai nút đang xét.
6;(t)- Góc pha của điện áp Vị. Các phan từ cơ bản trong microgrid được liệt kê trong bang sau. Phân tử Ký hiệu bus/ bus/ Tải PCC Av ° Điểm nối với lưới phân phối utility grid Bang 1 Các phan tử trong microgrid và ky hiệu [1] Điểm PCC trong microgrid có thé xem như là nút slack trong lưới điện này. Vi thé ta luôn đặt nó có thứ tự là 1, và đây là điểm có điệp áp và góc pha xác định, và những giá trị này không thé điều khiến được (do phụ thuộc vào lưới phân phối).
Hệ phương trình sau biểu diễn cho mạng lưới 3 pha đối xứng: N P; = : j=l N (1) J=1 Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528 16| Trang GVHD: PGS. Phan Thị Thanh Bình Y,; và Ø;;là điện dẫn và góc pha. ï;; là dòng trên dây dẫn (độ lớn). Với mạng 3 pha không đối xứng ta phải xét hệ (1) với từng pha riêng biệt rồi giải, tương đối phức tap hơn so với 3 pha đối xứng.[1] Bởi vì khi giải bài toán các thông số về công suất (P,Q), điện áp (V), dòng (I), góc pha (ổ) và pin lưu trữ năng lượng đều phụ thuộc lẫn nhau.
Ta dùng các phương pháp lặp để giải bài toán này (ví dụ như Newton-Raphson). Từ đó ta tính toán ra các thông số dựa trên ràng buộc sẽ được bài tới phía sau đây. Các ràng buộc đối với pin dự trữ năng lượng Đây là yếu t6 ảnh hưởng nhiều nhất tới lời giải của bài toán tối ưu đã đặt ra. Do là một ân số có tính nhân quả tức là chịu ảnh hưởng của hoạt động của các giờ trước và tác động lên các giờ sau.(t) = Dung lượng hiện thời hay trạng thái sạc của pin dự trữ.
Vix(t) = Vs; Có định 0< EC) S Ei max —Piratea S Pi(t) < +Pirateq Mức nap hoặc xả tối đa của pin năng dự trữ Tổn thất của bộ pin dự trữ sẽ được tính chung trong hệ số tôn thất của toàn hệ thống. Nếu người vận hành muốn có thể thêm hệ số vào để tính toán mà không làm ảnh hưởng tới giải thuật chung của bài toán. Phương trình trạng thái: d dt U fil L? i) “—E. Exx(t + 1) = E;¡x„Œ) + P(t) Công thức nay thê hiện mức nạp xả của pin dự trữ phụ thuộc vào mức lưu trữ hiện tai cua pin va kha năng nạp hoặc xả tôi đa của pin trong một đơn vi thời gian nào đó.