CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN MICROGRID 1.1 Tổng quan về Microgrid Trong hai thập kỷ gần đây, mạng lưới điện ngày càng phát triển rộng rãi và không ngừng đổi mới, nâng cấp. Việc triển khai rộng rãi các nguồn năng lượng phân tán trong các lĩnh vực khác nhau và kết hợp công nghệ thông tin và truyền thông với vận hành hệ thống điện đã tạo tiền đề cho việc quản lý lưới điện phi tập trung. Microgrids đã được sử dụng trên toàn cầu để cải thiện độ tin cậy và khả năng phục hồi của mạng điện, tạo điều kiện tích hợp các nguồn tài nguyên tái tạo và đáp ứng nhu cầu rộng rãi của các cộng đồng khác nhau từ các khu vực đô thị lớn đến các vùng nông thôn và vùng sâu vùng xa.[2] Một microgrid có thể kết nối hoặc ngắt kết nối khỏi lưới điện chính do điều kiện vật chất hoặc kinh tế quy định. Nó có thể hoạt động trên cả chế độ kết nối lưới điện (đồng bộ với lưới điện) hoặc ở chế độ đảo (hoạt động tự động và ngắt kết nối với chính lưới điện).
Lưới điện siêu nhỏ có thể được coi là một hệ thống điện nhỏ bao gồm việc tạo ra, truyền tải và phân phối điện. Đồng thời có thể đạt được sự cân bằng công suất và phân bổ năng lượng tối ưu hơn trên một khu vực nhất định, hoặc như một nguồn điện ảo hoặc tải trong mạng phân phối. Ngoài ra, microgrid còn có thể bao gồm một hoặc nhiều nhà máy điện ảo (VPP) để đáp ứng nhu cầu của một trung tâm phụ tải, có thể là các văn phòng quan trọng, nhà máy hoặc các khu dân cư xa nơi cung cấp điện.1: Sơ đồ bố trí tổng quan lưới điện microgrid[12] 1.2 Cấu trúc của microgrid Có ba điểm chính để xác định một Microgrid:[1] • Ranh giới điện được xác định rõ ràng. • Một hệ thống điều khiển có khả năng quản lý các phần tử như DER, công tắc và tải có thể điều khiển trong microgrid.
• Công suất phát cao hơn mức tải tới hạn của lưới điện.2: Cấu trúc của một microgrid[1] Các thành phần cơ bản của một microgrid trình bày ở Bảng 1.1: Các thành phần của microgrid Máy phát Có thể được kiểm soát hoàn toàn. Bao gồm cả các điện có thể nguồn không tái tạo: máy phát điện diesel và khí 1 điều chỉnh đốt và các máy phát điện tái tạo như: sinh khối, công suất địa nhiệt và các nhà máy thủy điện nhỏ Máy phát Bao gồm các nguồn tài nguyên tái tạo không liên điện không tục như: quang điện mặt trời (PV), năng lượng gió 2 thể điều và bộ thu nhiệt mặt trời. Thông thường, mục tiêu chỉnh công hoạt động là khai thác công suất tối đa có thể từ suất các máy phát điện này Hệ thống Bao gồm nhiều loại công nghệ với các đặc điểm 3 lưu trữ khác nhau và rất cần thiết cho hoạt động của lưới năng lượng điện siêu nhỏ Do tính chất nhạy cảm, các tải quan trọng không Tải quan 4 thể được điều chỉnh, giảm hoặc dịch chuyển trong trọng thời gian đó Tải không Là tải ít quan trọng hơn, có thể được điều khiển 5 quan trọng để đáp ứng nhu cầu trong chế độ nối lưới hoặc 3 ngắt kết nối trong quá trình vận hành đảo để đảm bảo cung cấp điện cho các phụ tải quan trọng Bên cạnh những phần cơ bản này, microgrid yêu cầu cơ sở hạ tầng như: Bảng 1.2: Cơ sở hạ tầng cần thiết cho microgrid Tùy thuộc vào loại microgrid (AC, DC hoặc hybrid) và mức điện áp, mỗi DER và tải có thể cần bộ chuyển đổi để kết nối với mạng của Bộ chuyển đổi microgrid. Ví dụ, các nguồn DC như tấm PV, pin, pin nhiên liệu và tải nguồn DC được tích hợp với lưới điện AC sử dụng bộ chuyển đổi DC-AC(bộ biến tần).
Máy phát điện tốc độ thay đổi như tuabin gió và bộ điều khiển tốc độ cao cần bộ chuyển đổi điện AC-AC Microgrids được trang bị các thiết bị giám sát cần thiết để cảm nhận, Giám sát ghi và truyền các thông số điện quan trọng cần thiết để điều khiển và mô tả đặc tính của hệ thống như điện áp, tần số và tải Lưới điện siêu nhỏ yêu cầu một hệ thống điều khiển để quản lý năng lượng, độ ổn định và các hành động chuyển mạch để đảm bảo hoạt động Điều khiển đầy đủ trong tất cả các tình huống vận hành (ví dụ: được kết nối với mạng, hoạt động ở chế độ đảo) Việc kết nối lưới điện nhỏ với mạng lưới phân phối được tạo điều kiện Điểm kết nối thuận lợi tại PCC. Giao diện kết nối có thể được thiết lập bằng cách sử chung (PCC) dụng bộ ngắt mạch, công tắc trạng thái rắn hoặc bộ chuyển đổi nối tiếp Các thành Bao gồm các thiết bị cần thiết khác như đường dây phân phối và công phần hệ thống tắc cần thiết để thiết lập lưới điện siêu nhỏ phân phối cần thiết 4 1.3 Phân loại Microgrids Các microgrid có thể được phân loại thành các nhóm khác nhau như trong Hình 1. Một microgrid linh hoạt phải có khả năng nhập/xuất năng lượng từ lưới điện, đồng thời kiểm soát các dòng năng lượng hoạt động và phản kháng bằng cách quản lý việc lưu trữ năng lượng.3: Phân loại microgrid[3] 1.1 Dựa trên các chế độ hoạt động Các chế độ hoạt động của microgrid được biết đến và xác định như sau[4],[5]: kết nối lưới, chuyển tiếp hoặc đảo và kết nối lại, cho phép microgrid tăng độ tin cậy của nguồn cung cấp năng lượng bằng cách ngắt kết nối khỏi lưới điện trong trường hợp hệ thống bị lỗi hoặc giảm chất lượng điện năng.[7] Ở trạng thái vận hành độc lập, lưới điện siêu nhỏ phải duy trì cân bằng công suất phản kháng một cách độc lập do không tồn tại bus vô hạn.[8],[9] Có hai thách thức chính trong chế độ độc lập: duy trì cường độ thích hợp và tần số của điện áp và duy trì cân bằng công suất trong lưới điện siêu nhỏ. Thuật toán GA được đề xuất[10] để bố trí tụ điện shunt tối ưu trong các microgrid trong mạng phân phối.
Trong đó, hoạt động ở chế độ độc lập được quan tâm về các chi phí: Chi phí năng lượng và tổn thất năng lượng, chi phí đầu tư của các tụ điện shunt đã lắp đặt và chi phí tiêu dùng của các điều kiện gián đoạn. 5 Ở chế độ độc lập không có sự hỗ trợ từ lưới điện và việc điều khiển lưới điện siêu nhỏ trở nên phức tạp hơn khi thực hiện các chế độ vận hành kết nối lưới, lưới điện nhỏ được kết nối với lưới điện tiện ích thông qua một công tắc chuyển tĩnh.[11] Ở chế độ nối lưới, lưới điện siêu nhỏ có thể trao đổi nguồn điện với lưới điện bên ngoài để duy trì nguồn cung cấp trong lưới điện nhỏ cục bộ, mặc dù dòng điện của lưới điện nhỏ là hai chiều. Khi ở chế độ độc lập, nguồn điện của lưới điện nhỏ phải đáp ứng nhu cầu phụ tải.2 Dựa trên hệ thống phân phối Về nguồn điện, lưới điện siêu nhỏ được phân loại là hệ thống điện xoay chiều, hệ thống điện một chiều và hệ thống kết hợp.[14] Có rất nhiều nghiên cứu về ưu điểm và nhược điểm của cả hai loại mạch AC và DC. Lưới điện một chiều có thể được áp dụng ở chế độ nối lưới hoặc ở chế độ vận hành độc lập.[15],[16] Cấu trúc điển Hình của lưới điện được mô tả ở Hình 1.4: (a) AC microgrid và (b) DC microgrid[6] Các AC microgrid có nhược điểm chính là việc điều khiển và vận hành phức tạp, khó khăn.
So với AC microgrid, DC microgrid có ưu điểm là độ tin cậy và hiệu quả cao hơn và thuận tiện trong việc kết nối với các nguồn năng lượng phân phối khác nhau. 6 Sự khác biệt chính giữa vi mạch DC và AC được trình bày trong Bảng 1.3: So sánh hiệu suất của microgrid được mô tả dựa trên hệ thống phân phối Các yếu tố DC microgrid AC microgrid Bộ chuyển đổi nguồn kết Có Không nối nối tiếp Khả năng cấu Hình lại các Không Có cơ sở hiện có Không bị ảnh hưởng bởi Bị ảnh hưởng bởi các tác Sự ổn định các tác động bên ngoài động nhiễu bên ngoài Cách tiếp cận kiểm soát Quá trình kiểm soát phức Điều khiển microgrid đơn giản tạp do tần số Thiết bị tương thích với Không Có lưới Số lượng giao diện điện tử Trung bình Cao công suất cần thiết Độ phức tạp của các giao diện điện tử công suất cần Đơn giản Phức tạp thiết Chất lượng của năng lượng Cao Thấp trong lưới vi mô Dễ dàng quản lý việc lưu Có Không trữ năng lượng Các thành phần bảo vệ Các chương trình bảo vệ Hệ thống bảo vệ phức tạp, tốn kém đơn giản, rẻ Cấu trúc của lưới điện hỗn hợp được mô tả trong Hình 1. Trong đó, microgrid được kết nối với lưới điện chính thông qua một công tắc truyền tải tĩnh (STS).[17],[18] Dòng điện giữa các mạng và lưới điện tiện ích được điều khiển thông qua giao diện bộ chuyển đổi điện tử công suất. [19] Mục đích của việc xây dựng các vi mạch hỗn hợp là cải thiện 7 hiệu quả tổng thể của mạng, chúng bao gồm giảm thiểu các giai đoạn chuyển đổi, tăng độ tin cậy, giảm các thiết bị giao tiếp và giảm chi phí năng lượng.5: Cấu trúc của microgrid hỗn hợp[3] 1.4 Điều khiển Microgrid Microgrid là một hệ thống lưới điện, cung cấp điện năng đáng tin cậy, tự chủ và chất lượng cao theo quan điểm của phía khách hàng.[22],[23] Để phối hợp các loại vi nguồn khác nhau trong việc thiết lập một hệ thống microgrid điều khiển tần số và điện áp ổn định là một nhiệm vụ khó khăn.[24] Các mục tiêu điều khiển lưới điện vi mô bao gồm: điều khiển công suất phản kháng và hoạt động độc lập, điều chỉnh độ chùng điện áp và sự mất cân bằng của hệ thống, và đáp ứng các yêu cầu động lực học tải của lưới điện.
Để đảm bảo hoạt động tốt, hệ thống điện cần có các chiến lược điều khiển thích hợp. Điều khiển microgrid bao gồm: bộ điều khiển nguồn và tải vi mô, bộ điều khiển trung tâm hệ thống microgrid và hệ thống quản lý phân phối. Kiểm soát microgrid được đánh giá trong nhiều nghiên cứu, và nó có thể được phân nhóm dựa trên sơ đồ cây, Hình 1.6: Cấu trúc của phương pháp điều khiển microgrid[3] 1.1 Sơ đồ điều khiển phân cấp Các chiến lược kiểm soát lưới vi mô gồm ba cấp: cấp chính, cấp hai và cấp ba. Hai cấp đầu tiên được liên kết với hoạt động duy nhất của lưới vi mô.
Trong khi, chiến lược thứ ba được liên kết với hoạt động điều phối của mạng lưới vi mô và mạng máy chủ.