Tối ưu hóa hệ thống microgrid cho hệ thống lưới điện đảo Phú Quý sử dụng giải thuật di truyền

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật điện tối ưu hóa hệ thống microgrid cho hệ thống lưới điện đảo phú quý sử dụng giải thuật, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyễn Long Vũ
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Phúc Khải
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Tối ưu hóa hệ thống microgrid cho lưới điện đảo Phú Quý bằng giải thuật di truyền
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Giới thiệu về đề tài nghiên cứu
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Cấu trúc luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MICROGRID VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN ĐẢO PHÚ QUÝ
• 2.1. Khái niệm về Microgrid (MG)
• 2.2. Các chế độ vận hành của hệ thống Microgrid
• 2.3. Các thành phần trong hệ thống Microgrid
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH BÀI TOÀN TỐI ƯU TRONG HỆ THỐNG MICROGRID
• 3.1. Mô hình hóa các phần tử trong Microgrid
• 3.2. Hàm mục tiêu
• 4. CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN DI TRUYỀN
• 4.1. Thuật toán di truyền
• 4.2. Xây dựng thuật toán
• 4.3. Mô tả về các mô hình
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ
• 5.1. Dữ liệu đầu vào
• 5.2. Mô phỏng hệ thống điện hiện hữu
• 5.3. Mô phỏng hệ thống điện khi bổ sung ESS
• 5.4. Kết quả tối ưu hàm chi phí và độ tin cậy
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Hướng phát triển trong tương lai
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống Microgrid

Hệ thống microgrid là một mô hình lưới điện nhỏ, gần gũi với tải tiêu thụ, bao gồm sự kết hợp của nhiều nguồn năng lượng khác nhau như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, và máy phát điện diesel. Mục tiêu chính của việc phát triển microgrid là tối ưu hóa hiệu suất và tính ổn định của lưới điện, đặc biệt là trong các khu vực hẻo lánh như đảo Phú Quý. Hệ thống này giúp giảm tổn thất trong quá trình truyền tải điện và nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng. Theo nghiên cứu, việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo có thể giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, đồng thời tăng cường tính bền vững cho hệ thống điện. Đặc biệt, nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) vào microgrid có thể cải thiện hiệu quả hoạt động và giảm chi phí vận hành. Điều này cho thấy rằng việc tối ưu hóa microgrid là rất cần thiết trong bối cảnh hiện nay.

1.1. Khái niệm về Microgrid

Microgrid là một hệ thống lưới điện nhỏ có khả năng hoạt động độc lập hoặc kết nối với lưới điện chính. Việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió trong microgrid giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng cường tính bền vững cho hệ thống điện. Các thành phần chính của microgrid bao gồm nguồn phát điện, hệ thống quản lý năng lượng, và hệ thống lưu trữ năng lượng. Sự kết hợp này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn đảm bảo cung cấp điện liên tục cho các tải tiêu thụ, đặc biệt trong các khu vực không có lưới điện quốc gia.

1.2. Các chế độ vận hành của Microgrid

Microgrid có thể hoạt động ở hai chế độ chính: chế độ độc lập và chế độ nối lưới. Trong chế độ độc lập, microgrid tự sản xuất điện từ các nguồn năng lượng tái tạo và có thể hoạt động mà không cần kết nối với lưới điện chính. Ngược lại, chế độ nối lưới cho phép microgrid mua hoặc bán điện với lưới điện quốc gia. Việc lựa chọn chế độ vận hành phù hợp sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và chi phí vận hành của hệ thống. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa chế độ vận hành có thể giúp giảm thiểu chi phí và nâng cao độ tin cậy cho hệ thống điện.

II. Tối ưu hóa hệ thống điện đảo Phú Quý

Đảo Phú Quý hiện đang sử dụng một hệ thống điện hỗn hợp gió-mặt trời-diesel, tuy nhiên, việc vận hành vẫn còn nhiều hạn chế. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống điện bằng cách sử dụng giải thuật di truyền. Mô hình hóa và mô phỏng hoạt động của hệ thống điện được thực hiện thông qua phần mềm MATLAB. Kết quả từ mô phỏng cho thấy rằng việc tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) có thể cải thiện đáng kể hiệu suất hoạt động của microgrid. Cụ thể, việc này không chỉ giúp cân bằng công suất mà còn giảm thiểu lãng phí năng lượng từ các nguồn tái tạo. Điều này khẳng định rằng việc tối ưu hóa hệ thống điện là một yếu tố then chốt trong việc phát triển bền vững cho đảo Phú Quý.

2.1. Mô hình bài toán tối ưu

Mô hình bài toán tối ưu trong nghiên cứu này được xây dựng dựa trên các yếu tố như chi phí vận hành, độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống. Mục tiêu chính là tìm ra giải pháp tối ưu cho việc điều phối năng lượng trong microgrid, bao gồm việc tối ưu hóa dung lượng lưu trữ năng lượng và chi phí vận hành máy phát diesel. Việc áp dụng giải thuật di truyền giúp tìm ra các giải pháp tối ưu một cách hiệu quả, đồng thời đảm bảo tính khả thi trong thực tế. Kết quả cho thấy rằng việc áp dụng mô hình tối ưu này có thể giúp nâng cao hiệu suất hoạt động và giảm thiểu chi phí cho hệ thống điện.

2.2. Kết quả và nhận xét đánh giá

Kết quả từ mô phỏng cho thấy rằng việc bổ sung ESS vào hệ thống điện hiện tại đã tạo ra sự cải thiện rõ rệt về hiệu suất và độ tin cậy. Cụ thể, chi phí vòng đời của hệ thống đã giảm đáng kể, đồng thời sản lượng điện từ các nguồn năng lượng tái tạo cũng tăng lên. Điều này khẳng định rằng việc tối ưu hóa hệ thống điện đảo Phú Quý không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững cho khu vực. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc áp dụng công nghệ điện thông minh và quản lý năng lượng hiệu quả trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện trên huyện đảo Phú Quý là một mô hình thực tế vận hành hệ thống hỗn hợp gió-mặt trời-diesel độc lập, phục vụ nhu cầu sinh hoạt và sản xuất của cư dân địa phương. Theo số liệu thu thập trong một năm, phụ tải trên đảo có đặc điểm thấp vào khoảng thời gian từ 23h đến 6h sáng, dẫn đến việc công suất phát từ điện gió phải cắt giảm để cân bằng công suất, gây lãng phí năng lượng tái tạo. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tối ưu hóa hệ thống Microgrid trên đảo Phú Quý bằng cách tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) và áp dụng giải thuật di truyền (Genetic Algorithm - GA) nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo, giảm chi phí vận hành và tăng độ tin cậy cung cấp điện.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình Microgrid độc lập trên đảo Phú Quý, với dữ liệu vận hành thực tế thu thập trong năm 2021, sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng và tối ưu hóa hệ thống. Luận văn có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp năng lượng bền vững cho các khu vực hẻo lánh, góp phần giảm phát thải khí nhà kính và nâng cao hiệu quả kinh tế của hệ thống điện đảo. Các chỉ số đánh giá chính bao gồm chi phí vòng đời hệ thống, độ tin cậy cung cấp điện và tỷ lệ thâm nhập năng lượng tái tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: mô hình hệ thống Microgrid và giải thuật di truyền (GA). Microgrid được định nghĩa là hệ thống lưới điện nhỏ gần tải tiêu thụ, kết hợp các nguồn năng lượng phân tán như điện gió, điện mặt trời, máy phát diesel và hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS). Microgrid có thể vận hành ở chế độ độc lập hoặc nối lưới, với mục tiêu tối ưu hóa công suất, duy trì ổn định điện áp và giảm tổn thất truyền tải.

Giải thuật di truyền là phương pháp tối ưu hóa dựa trên nguyên lý tiến hóa sinh học, sử dụng các phép toán chọn lọc, lai ghép và đột biến để tìm kiếm lời giải tối ưu cho bài toán đa mục tiêu. Trong nghiên cứu này, GA được áp dụng để tối ưu hóa chi phí vòng đời hệ thống (LCC) và độ tin cậy cung cấp điện (REL), đồng thời xác định các biến quyết định như công suất lắp đặt PV, tuabin gió, ESS và các tham số vận hành.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

• Microgrid (MG): hệ thống điện nhỏ gần tải, kết hợp nhiều nguồn năng lượng phân tán.
• Energy Storage System (ESS): hệ thống lưu trữ năng lượng, chủ yếu sử dụng pin để cân bằng công suất và tăng tính ổn định.
• Genetic Algorithm (GA): thuật toán tối ưu dựa trên tiến hóa sinh học.
• Chi phí vòng đời (LCC): tổng chi phí đầu tư, vận hành, bảo trì và thay thế trong suốt vòng đời dự án.
• Độ tin cậy (REL): tỷ lệ thời gian hệ thống có thể cung cấp điện đầy đủ cho phụ tải.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là số liệu vận hành thực tế của hệ thống điện đảo Phú Quý trong năm 2021, bao gồm công suất phát điện từ các nguồn gió, mặt trời, diesel và phụ tải tiêu thụ theo giờ. Dữ liệu này được sử dụng để xây dựng mô hình toán học các thành phần trong Microgrid: máy phát diesel, tuabin gió, pin mặt trời và hệ thống lưu trữ năng lượng.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng và tối ưu hóa bằng phần mềm MATLAB, sử dụng giải thuật di truyền đa mục tiêu (gamultiobj) để tìm ra cấu hình hệ thống tối ưu về chi phí và độ tin cậy. Cỡ mẫu thuật toán được thiết lập với kích thước quần thể và số thế hệ phù hợp nhằm đảm bảo hội tụ và đa dạng giải pháp. Các biến quyết định gồm: độ nghiêng và góc phương vị của PV, công suất lắp đặt PV, chiều cao và công suất tuabin gió, công suất ESS.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2022, bao gồm các bước thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, lập trình thuật toán, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tối ưu hóa chi phí vòng đời (LCC): Việc tích hợp ESS giúp giảm chi phí vòng đời hệ thống từ khoảng 271 tỷ đồng xuống còn khoảng 230 tỷ đồng, tương đương giảm khoảng 15%. Chi phí vận hành máy phát diesel giảm đáng kể do giảm thời gian hoạt động.

2. Tăng độ tin cậy cung cấp điện (REL): Độ tin cậy của hệ thống tăng từ khoảng 85% lên trên 95% khi sử dụng ESS, nhờ khả năng lưu trữ và cung cấp điện trong các thời điểm phụ tải cao hoặc nguồn tái tạo thấp.

3. Tăng tỷ lệ thâm nhập năng lượng tái tạo: Sản lượng điện từ nguồn gió và mặt trời tăng lên khoảng 40% so với trước khi có ESS, giúp giảm phụ thuộc vào nguồn diesel truyền thống.

4. Giảm lãng phí năng lượng gió: ESS giúp lưu trữ năng lượng dư thừa vào ban đêm khi phụ tải thấp, giảm cắt giảm công suất gió từ khoảng 20% xuống dưới 5%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các cải thiện trên là do ESS đóng vai trò như bộ đệm năng lượng, giúp cân bằng công suất giữa nguồn phát và phụ tải, đặc biệt trong các khoảng thời gian phụ tải thấp hoặc biến động nguồn tái tạo. So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này phù hợp với xu hướng ứng dụng ESS để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của Microgrid.

Việc sử dụng giải thuật di truyền đa mục tiêu cho phép cân bằng giữa chi phí và độ tin cậy, đồng thời tìm ra cấu hình hệ thống tối ưu với các biến quyết định đa dạng. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố công suất theo thời gian, bảng so sánh chi phí và độ tin cậy trước và sau khi tích hợp ESS, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) quy mô phù hợp: Ưu tiên đầu tư ESS với công suất tối ưu theo kết quả mô phỏng, nhằm giảm chi phí vận hành và tăng độ tin cậy trong vòng 2-3 năm tới. Chủ thể thực hiện: Tổng Công ty Điện lực miền Nam và Công ty Điện lực Bình Thuận.

2. Áp dụng giải thuật di truyền trong quản lý vận hành Microgrid: Sử dụng GA để tối ưu hóa liên tục các tham số vận hành, giúp điều phối hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo và diesel. Thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn vận hành hiện tại.

3. Nâng cao công suất nguồn năng lượng tái tạo: Mở rộng công suất điện mặt trời và điện gió dựa trên kết quả tối ưu, nhằm tăng tỷ lệ thâm nhập năng lượng sạch trong vòng 5 năm tới. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án năng lượng tái tạo địa phương.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo về quản lý Microgrid và thuật toán tối ưu cho đội ngũ kỹ thuật, đảm bảo vận hành hiệu quả và bền vững. Thời gian: trong 1 năm đầu sau khi triển khai ESS.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý ngành điện lực: Giúp hiểu rõ về giải pháp tối ưu hóa Microgrid, từ đó hoạch định chính sách phát triển năng lượng tái tạo và lưu trữ năng lượng phù hợp.

2. Kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện: Áp dụng các mô hình và thuật toán tối ưu trong quản lý vận hành hệ thống Microgrid thực tế, nâng cao hiệu quả và độ tin cậy.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật điện: Tham khảo phương pháp mô hình hóa, mô phỏng và ứng dụng giải thuật di truyền trong bài toán tối ưu hệ thống điện phân tán.

4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp năng lượng tái tạo: Đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của việc tích hợp ESS vào hệ thống điện đảo, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý.

Câu hỏi thường gặp

1. Giải thuật di truyền là gì và tại sao được chọn cho bài toán này?
   Giải thuật di truyền là phương pháp tối ưu hóa dựa trên nguyên lý tiến hóa sinh học, giúp tìm kiếm lời giải tối ưu trong không gian lớn và phức tạp. Nó phù hợp với bài toán đa mục tiêu và biến quyết định đa dạng trong tối ưu hóa Microgrid.

2. Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) có vai trò gì trong Microgrid?
   ESS giúp lưu trữ năng lượng dư thừa từ nguồn tái tạo khi phụ tải thấp và cung cấp điện khi nguồn tái tạo không đủ, từ đó tăng độ tin cậy và giảm chi phí vận hành máy phát diesel.

3. Phạm vi nghiên cứu có áp dụng được cho các đảo khác không?
   Phương pháp và mô hình có thể áp dụng cho các đảo hoặc khu vực hẻo lánh có đặc điểm tương tự về nguồn năng lượng và phụ tải, tuy nhiên cần điều chỉnh tham số phù hợp với điều kiện địa phương.

4. Chi phí đầu tư cho ESS có đáng kể không?
   Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cho ESS khá cao, nhưng theo mô phỏng, tổng chi phí vòng đời hệ thống giảm khoảng 15% nhờ tiết kiệm nhiên liệu và tăng hiệu quả vận hành.

5. Làm thế nào để đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện trong Microgrid?
   Bằng cách tích hợp ESS và sử dụng thuật toán tối ưu để điều phối nguồn phát, hệ thống có thể đáp ứng phụ tải liên tục, giảm thiểu thời gian mất điện và tăng độ tin cậy lên trên 95%.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình tối ưu hóa hệ thống Microgrid cho đảo Phú Quý, tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng và áp dụng giải thuật di truyền đa mục tiêu.
• Kết quả mô phỏng cho thấy ESS giúp giảm chi phí vòng đời hệ thống khoảng 15%, tăng độ tin cậy cung cấp điện từ 85% lên trên 95%.
• Tỷ lệ thâm nhập năng lượng tái tạo được nâng cao, giảm đáng kể sự phụ thuộc vào nguồn diesel truyền thống.
• Phương pháp và kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các hệ thống Microgrid tương tự tại các khu vực hẻo lánh khác.
• Đề xuất triển khai ESS và áp dụng giải thuật di truyền trong quản lý vận hành hệ thống nhằm nâng cao hiệu quả và bền vững trong tương lai.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực tế hệ thống ESS trên đảo Phú Quý, đồng thời phát triển phần mềm quản lý vận hành dựa trên giải thuật di truyền.

Các đơn vị quản lý và nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo nên phối hợp để ứng dụng kết quả nghiên cứu, thúc đẩy phát triển hệ thống Microgrid bền vững cho các đảo và vùng sâu vùng xa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về đề tài Chương 2: Tổng quan hệ thống Microgrid và hệ thống điện tại đảo Phú Quý HVTH: Nguyễn Long Vũ Trang 2 GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải Luận văn thạc sĩ Chương 3: Mô hình bài toàn tối ưu trong hệ thống Microgrid Chương 4: Thuật toán di truyền Chương 5: Kết quả và nhận xét đánh giá Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Tài liệu tham khảo HVTH: Nguyễn Long Vũ Trang 3 GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải Luận văn thạc sĩ CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ MICROGRID VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN ĐẢO PHÚ QUÝ 2.

Khái niệm về Microgrid (MG): Microgrid là hệ thống lưới điện nhỏ được gần tải tiêu thụ và có sự kết hợp những nguồn phát với hệ thống lưới hạ thế. Hệ thống microgrid sử dụng các nguồn phát phân bố như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, máy phát điện, pin nhiên liệu, ắc quy,. Tùy vào đặc điểm vị trí, nhu cầu tải và yêu cầu người sử dụng mà có những cấu hình kết hợp các nguồn này với nhau. Những hệ thống microgrid nhỏ này hoạt động như những mô đun nhỏ trong lưới điện, nó giúp lưới điện giảm thiệt hại khi bị sự cố.

Microgrid hỗ trợ tính linh động, hiệu quả của lưới điện bởi sự kết hợp việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo với nhau như là năng lượng mặt trời, gió và các nguồn năng lượng khác. Hơn nữa, việc sử dụng các nguồn tại chỗ phục vụ cho tải trong khu vực đó giúp giảm tổn thất đường dây và phân phối điện năng cũng như việc tăng hiệu suất truyền tải của lưới. Mặc dù hệ thống Microgrid có nhiều cấu trúc, phụ thuộc từng mục đích sử dụng cũng như điều kiện kinh tế, cơ sở kỹ thuật. Về cơ bản, hệ thống Microgrid bao gồm các thành phần: nguồn phát, hệ thống quản lý năng lượng, hệ thống lưu trữ năng lượng và phụ tải tiêu thụ.

Thành phần cơ bản đầu tiên cho mọi hệ thống microgrid là nguồn phát. Nguồn năng lượng thường được hiệu chỉnh theo nhu cầu của hệ thống microgrid, như việc phát công suất mong muốn. Trong đó, năng lượng mặt trời dần dần trở thành nguồn năng lượng phổ biến. Bên cạnh đó, năng lượng gió cũng thường được sử dụng trong hệ thống microgrid.

Hệ thống quản lý năng lượng xử lý chuyển đổi các nguồn năng lượng từ nguồn phát đến các tải tiêu thụ. Tùy thuộc vào loại tải mà hệ thống quản lý năng lượng điều khiển các bộ chinh lưu, nghịch lưu phục vụ đúng mục đích. Bên cạnh đó, hệ thống quản lý năng lượng sẽ tối ưu việc vận hành theo từng mục đích của người sử dụng. Hệ thống lưu trữ năng lượng thông thường sử dụng ắc quy để tiết kiệm chi phí đầu tư.

Hệ thống Microgrid có thể vận hành ở cả 2 chế độ: có điện lưới và không có điện lưới. Ở chế độ nối điện lưới, các nguồn phát phân tán của hệ thống Microgrid sẽ hỗ trợ nguồn lưới tiết kiệm năng lượng hóa thạch khi hệ đủ năng lượng cung cấp cho tải. Trong khi chế độ độc lập, hệ thống Microgrid sẽ kết hợp những nguồn phát phân tán để cung cấp năng lượng cho tải sao cho đảm bảo tối ưu vận hành [1]. HVTH: Nguyễn Long Vũ Trang 4 GVHD: TS.

Nguyễn Phúc Khải Luận văn thạc sĩ 2. Các chế độ vận hành của hệ thống Microgrid Một Microgrid có thể tự sản xuất điện và cũng có thể mua điện từ lưới điện quốc gia (NPG) nếu Microgrid đó được kết nối với lưới điện. Các Microgrid không kết nối với lưới điện được gọi là Microgrid độc lập, trong khi các MG có thể bán/mua điện từ lưới điện quốc gia được gọi là MG nối lưới. Microgrid độc lập: Một Microgrid độc lập có thể sản xuất điện từ các nguồn năng lượng của chính nó, bao gồm các nguồn thông thường và năng lượng tái tạo.

Một Microgrid độc lập có thể hoạt động độc lập với lưới điện và thích hợp cho các khu vực hẻo lánh, mà lưới điện quốc gia thể không đáp ứng. Các thành phần tạo ra bao gồm cả nguồn năng lượng tái tạo (PV, WT và thủy điện nhỏ) và nguồn thông thường (diesel). Như có thể thấy trong Hình 2.1, điện được tạo ra bởi các nguồn Microgrid độc lập có thể được lưu trữ trong ESS bằng cách sử dụng bộ sạc ESS, hoặc được sử dụng cho tải xoay chiều bằng cách sử dụng bộ biến tần. Việc lưu trữ hoặc sử dụng điện để đáp ứng nhu cầu được quản lý bởi một hệ thống điều khiển, sử dụng các thuật toán tối ưu hóa để giảm thiểu chi phí vận hành [2].

Mô hình hệ thống Microgrid độc lập điển hình 2. Microgrid kết nối lưới Các Microgrid kết nối lưới với NPG được gọi là các MG nối lưới. Các MG này có thể tạo ra điện từ (các) máy phát điện của chính chúng hoặc mua điện trực tiếp từ NPG. Nếu sản lượng điện trong MG vượt quá mức tiêu thụ hiện tại, MG có thể bán điện cho NPG để thu lợi nhuận.

Ví dụ về MG được kết nối lưới được thể hiện trong Hình 2.2, bao gồm các tấm PV, hệ thống lưu trữ, tải và NPG. Như có thể thấy trong Hình 2.2, MG có thể HVTH: Nguyễn Long Vũ Trang 5 GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải Luận văn thạc sĩ mua hoặc bán điện từ NPG. Điện do hệ thống PV sản xuất có thể được sử dụng để: (i) đáp ứng nhu cầu của người sử dụng, (ii) lưu trữ điện hoặc (iii) bán lại cho NPG.

Ngược lại, khi không có PV, điện có thể được sử dụng từ: (i) bộ lưu trữ năng lượng hoặc (ii) điện mua từ NPG. Do đó, bộ điều khiển quản lý điện năng thích ứng (APM) đã được sử dụng để quản lý năng lượng của hệ thống với mục tiêu giảm thiểu tổng chi phí điện năng mua từ NPG (Hình 2. Mô hình Microgrid được kết nối với NPG 2. Các thành phần trong hệ thống Microgrid 2.

Máy phát điện động cơ đốt trong Đây là loại máy phát sử dụng động cơ đốt trong để quay máy phát tạo ra điện năng. Có hai loại động cơ: động cơ đánh lửa cưỡng bức và động cơ đánh lửa nén. Điểm khác biệt giữa hai loại động cơ này là loại nhiên liệu sử dụng, hệ thống cung cấp và kiểu đốt cháy nhiên liệu. Động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể dùng xăng, khí thiên nhiên, biogas, khí đốt hóa lỏng làm nhiên liệu.

Hỗn hợp cháy (gồm nhiên liệu và không khí) được đưa vào động cơ để thực hiện hành trình nén và được kích nổ nhờ bu - gi đánh lửa tạo quá trình cháy, dãn nở và tạo momen xoắn quay máy phát tạo ra điện năng. Động cơ đánh lừa nén sử dụng nhiêu liệu là dầu diesel. Đối với động cơ diesel, sau khi kim phun nhiên liệu thực hiện phun với tốc độ và áp suất cao kết hợp với buồng xoáy lốc trên đỉnh piston tạo ra hỗn hợp cháy. Hỗn hợp này được nén với tỷ số nén cao và tự bốc cháy, dãn nở và tạo momen xoắn quay máy phát tạo ra điện năng.

Hiệu suất của động cơ diesel lớn hơn HVTH: Nguyễn Long Vũ Trang 6 GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải Luận văn thạc sĩ khoảng 1,5 lần so với động cơ đánh lửa cưỡng bức. Nhiên liệu diesel thường rẻ hơn nhiêu liệu khác [3]. Máy phát điện dùng động cơ đốt trong có khả năng tận dụng nguồn nhiệt thải để tạo ra nhiệt năng, nước nóng cung cấp cho các hộ tiệu thụ.

Tính năng này giúp tăng hiệu năng sử dụng nhiên liệu từ 35-48 % lên đến 70 %. Máy phát điện dùng động cơ đốt trong thường được sử dụng phổ biến hơn cả, bởi giá thành rẻ, bền, tính ổn định cao và thời gian khởi động ngắn. Khuyết điểm của máy phát này là khả năng xả khí thải gây hiệu ứng nhà kính ra môi trường. Các thành phần chính của máy phát điện sử dụng động cơ diesel Các thành phần chính của máy phát điện Diesel, bao gồm: - 1.

Hệ thống nhiên liệu - 4. Hệ thống làm mát và hệ thống xả - 7. Bộ nạp ắc – quy - 8. Control Panel hay thiết bị điều khiển - 9.

Kết cấu khung chính HVTH: Nguyễn Long Vũ Trang 7 GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải Luận văn thạc sĩ 2. Hệ thống năng lượng mặt trời (PV) Hình 2. Pin năng lượng mặt trời PV Cell – PV Module – Strings – Arrays [4] Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bảo quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diode p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được.

Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện. Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng. Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy từ xa, thiết bị bơm nước. Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong.

HVTH: Nguyễn Long Vũ Trang 8 GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải Luận văn thạc sĩ Hình 2. Cấu tạo pin năng lượng mặt trời [5] Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành các loại sau [6]: Thế hệ thứ nhất Đây là những tấm pin năng lượng mặt trời truyền thống, loại pin lâu đời nhất được làm từ silicon bao gồm Monocrystalline silicon và Polyocrystalline silicon.

Đây cũng là thế hệ phổ biến nhất trong thị trường quang điện hiện nay. Theo thống kê năm 2019 thị trường PV toàn cầu chiếm 95% là những tấm pin loại này. Hai loại pin năng lượng mặt trời Monocrystalline silicon và Polyocrystalline silicon HVTH: Nguyễn Long Vũ Trang 9 GVHD: TS. Nguyễn Phúc Khải Luận văn thạc sĩ - Tấm pin đơn tinh thể (Monocrystalline Solar Panels) + Đây là những tấm pin được làm từ silicon đơn tinh thể, có độ tinh khiết cao.

Các tế bào silicon đơn tinh thể có màu đen hoặc xanh ánh kim. Những tế bào silicon đơn tinh thể có độ bền cao lên tới trên 25 năm. Tuy nhiên hiệu suất chuyển đổi của chúng cũng giảm dần theo từng năm (khoảng 0,5% mỗi năm). Nhược điểm của những tấm pin loại này là yêu cầu độ tinh khiết cao của tinh thể silicon dẫn tới việc sản xuất tinh thể silicon là phức tạp và giá thành sẽ tăng cao.

Bên cạnh đó những tế bào này cũng dễ bị rạn nứt khi có tác động cơ học.