Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN PHÂN TÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ NHU CẦU NĂNG LƯỢNG 1. Khái quát về nguồn pin mặt trời và điện gió 1. Khái quát về nguồn pin mặt trời PVG hiện nay là một loại nguồn khai thác nguồn năng lượng tái tạo với tiềm năng lớn. Mặc dù PVG hiện nay có nhiều chủng loại khác nhau nhưng phổ biến nhất là loại được cấu tạo từ chất bán dẫn Si.
Phần tử nhỏ nhất đã và được thương mại hóa nhiều nhất của loại này là các tế bào quang điện (cell). Từ đây, các cell được tổ hợp thành các panel bán sẵn trên thị trường với các công suất, điện áp, dòng điện khác nhau [9]. Chế độ làm việc của PVG phụ thuộc vào công suất của bức xạ mặt trời (G), nhiệt độ (T) của lớp tiếp giáp p-n và công suất tiêu thụ của phụ tải. Các panel chỉ phát ra điện năng khi có bức xạ ánh sáng, trong đó bức xạ mặt trời được xem là tốt nhất vì PVG được thiết kế với dải bước sóng hấp thụ phù hợp nhất với loại bức xạ này.
Mỗi panel được các nhà sản xuất bán ra thị trường với các thông số đặc trưng kiểm nghiệm ở điều kiện vận hành tiêu chuẩn (STC - Standard Test Condition). Trong điều kiện vận hành thực tế, các thông số này có thể thay đổi tùy thuộc vào cặp giá trị (G, T), trong đó G có sự biến thiên liên tục với biên độ lớn trong khi T biến thiên rất chậm [9]. Một đặc điểm cần lưu ý đối với PVG đó là lượng công suất phát ra có thể thay đổi theo công suất yêu cầu của phụ tải tuy nhiên chỉ có một giá trị công suất là lớn nhất tương ứng với điểm công suất cực đại (MPP - Maximum Power Point) [9]. Điểm vận hành này cũng chính là mục tiêu của hầu hết các nghiên cứu về PVG.
Khái quát về nguồn điện gió Một WG cơ bản bao gồm một turbine, bộ truyền động, máy phát điện. Các cánh của turbine nhận năng lượng từ gió để tạo thành chuyển động quay luan an 6 trên trục turbine và làm quay máy phát. Khả năng phát điện của máy phát phụ thuộc vào bộ loại máy phát được sử dụng (đồng bộ, không đồng bộ). Do nghiên cứu này tập trung vào đối tượng WG công suất vừa và nhỏ sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG (Pernament Magnetment Synchronous Generator) nên khả năng làm việc của WG có thể được phân chia thành 4 vùng theo tốc độ gió như mô tả trên Hình 1.1 [6], [32]: P (W) PWGr vùng I vùng II vùng III vùng IV Tốc độ gió vw (m/s) vcut-in vr vcut-out Hình 1.
Khả năng làm việc của WG trong đó: vcut-in là vận tốc gió bắt đầu phát công suất, vcut-out là vận tốc gió cho turbine dừng hoạt động, vr là vận tốc gió định mức, vw là vận tốc gió tức thời, PWGr là công suất gió định mức của WG. Chế độ làm việc của WG được phân chia theo vùng như trên Hình 1.1 như sau [6]: Vùng I (vw < vcut-in) hoặc vùng IV (vw > vcut-out): WG không phát ra được điện năng. Ở vùng I, turbine quay nhưng không đủ từ trường. Ở vùng IV, không cho turbine quay để bảo vệ cho turbine không bị hỏng.
Vùng II (vcut-in vw < vr): WG có thể phát ra được điện năng nhưng luôn dưới giá trị định mức. Vùng III (vr vw < vcut-out): WG có thể phát ra lượng điện năng định mức. Vấn đề DSM trên thế giới và tại Việt Nam 1. Vấn đề DSM trên thế giới EPS hiện nay đang chuyển sang cấu trúc phân tán và được vận hành theo hướng thông minh hóa trên cơ sở sử dụng công nghệ thông tin và truyền thông để tối ưu việc truyền dẫn, phân phối điện năng giữa nhà sản xuất và hộ tiêu thụ, hợp nhất cơ sở hạ tầng điện với cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc.
EPS theo mô hình này được trang bị các thiết bị và các công cụ toán học hiện đại để dự báo đồ thị phụ tải và các thông số đầu vào cho việc phát điện trong dài hạn, tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo, tối ưu hóa việc phát và tích trữ năng lượng nhờ các yếu tố thông minh (thời gian thực, tự động hóa, tương tác…). Các yếu tố trên là những tiền đề để những người vận hành EPS xây dựng các chương trình DSM. Các chương trình DSM đã được nghiên cứu từ lâu cho EPS truyền thống nhằm đưa ra kế hoạch vận hành cho toàn hệ thống điện, bao gồm kế hoạch phát điện cho các nhà máy điện, kế hoạch vận hành cho các trạm biến áp trên cở sở dự báo nhiên liệu (nước, than, dầu, khí,.) và dự báo mức tiêu thụ của phụ tải trong một khoảng thời gian nhất định ở thời điểm tương lai. Theo cấu trúc thông minh hóa, chương trình DSM hiện nay đã được đề xuất áp dụng tại mỗi nút có sự tham gia của các nguồn năng lượng tái tạo và kho điện (ES - Energy Storage).
Mạng điện với sự hỗ trợ của các công nghệ thông minh sẽ cho phép chúng ta phân rã hoàn toàn lưới điện, tạo điều kiện cho các xí nghiệp, nhà máy, trường học và các hộ gia đình tự cung cấp điện phần lớn thời gian trong ngày và nhiều ngày trong năm. Mạng điện thông minh và các công nghệ khác sẽ kết nối các nguồn điện phân tán với nhau để phân lưới điện thành các mạng điện linh hoạt có thể ở trạng thái cô lập hoặc kết nối các mạng điện cô lập với nhau như mô tả trên Hình 1. Việc vận hành linh hoạt này sẽ cho phép bán bớt lượng điện dư thừa hay mua thêm từ lưới điện chính khi cần [8]. luan an 8 Ý tưởng này đã được thực hiện ở thị trấn Fort Collins, bang Colorado (Mỹ).
150000 cư dân của Fort Collins đang cố gắng thực hiện việc mà chưa hề có cộng đồng dân cư nào khác từng làm: biến thị trấn này thành nơi “không tiêu tốn năng lượng”, nói chính xác hơn là không tiêu thụ nhiều hơn năng lượng do cư dân thị trấn tạo ra. Để biến điều đó thành hiện thực, các kỹ sư ở đây đang tích cực triển khai một loạt công nghệ năng lượng tiên tiến, bao gồm turbine khí hỗn hợp thay thế các nhà máy đốt than, các hệ thống năng lượng mặt trời trên mái nhà, những khu vườn năng lượng mặt trời, turbine gió, hệ thống lưu trữ nhiệt và điện, các mạng lưới điện tiểu vi và các chương trình tiết kiệm năng lượng [8]. Mô hình tách đảo khi vận hành mạng điện phân tán thông minh Xu thế vận hành lưới điện theo mô hình trên sẽ trở thành xu thế tất yếu trên toàn thế giới và cũng là yêu cầu cấp bách khi con người muốn duy trì sự tồn tại lâu dài trên trái đất. Khi phân tách thành các mạng điện cục bộ để cấp điện cho một tòa nhà cao tầng, một khách sạn hay các EPS nhỏ của một địa phương ở các vùng sâu vùng xa hẻo lánh, thì các nguồn năng lượng tái tạo sẽ đóng vai trò chủ yếu.
Để áp dụng chương trình DSM tại mỗi nút có sự tham gia của các nguồn năng lượng tái tạo, trung tâm dự báo cần được xây dựng và cung cấp các thông tin chính xác trong mỗi chu kỳ xét [30], [46], [47], [48], [54], [55], [62], [82]. Các nghiên cứu về DSM trên thế giới thường tập trung xây dựng các chương trình quản lý năng lượng, trong đó có thể tính đến giá thành mua bán điện năng khi mua/bán điện với EPS, chi phí đầu tư cho hệ nguồn năng lượng tái tạo,. Vấn đề DSM tại Việt Nam EPS Việt Nam đã và đang triển khai thị trường điện cạnh tranh và các chương trình lắp đặt mới các nguồn năng lượng tái tạo. Đây chính là tiền đề cho việc lựa chọn nhà cung cấp điện năng trong quá trình phân đảo vận hành hệ thống điện.
Hơn nữa, EPS Việt Nam cũng đang quy định phân loại đối tượng mua điện theo hình thức ba giá cho khách hàng sử dụng cho mục đích sản xuất, kinh doanh, dịch vụ được cấp điện qua máy biến áp chuyên dùng từ 25 kVA trở lên hoặc có sản lượng điện sử dụng trung bình ba tháng liên tục từ 2000 kWh/tháng trở lên; đơn vị bán lẻ điện tại khu công nghiệp; đơn vị mua điện để bán lẻ điện ngoài mục đích sinh hoạt tại tổ hợp thương mại - dịch vụ - sinh hoạt. Theo đó, mức giá mua mỗi kWh điện năng cho mỗi khung giờ tương ứng với phụ tải cấp điện áp dưới 6 kV trong EPS Việt Nam được biểu diễn trên Hình 1. Khung giá mua điện theo biểu đồ ba giá tại Việt Nam Biểu đồ khung giá điện trên Hình 1.3 cho thấy giá mua điện tại Việt Nam ở mức giờ cao điểm (3) gần gấp 3 lần so với mức giá giờ thấp điểm (1) và gần gấp đôi giá điện giờ bình thường (2). Hình thức ba giá cho khách hàng luan an 10 nhằm hạn chế lượng điện tiêu thụ vào giờ cao điểm (giờ H) và giờ bình thường (giờ M) trong khi khuyến khích tiêu thụ vào giờ thấp điểm (giờ L).
Bên cạnh đó, EPS Việt Nam cũng đang khuyến khích phát triển các nguồn năng lượng tái tạo với giá thành mua điện gió là 1614 VNĐ/kWh và điện mặt trời là 2086 VNĐ/kWh. Các nguồn này có thể được ghép với nhau thành hệ thống lai tại mỗi nút. Khi đó giá thành bán điện năng của hệ thống lai có thể thay đổi tùy theo lượng công suất tham gia của mỗi nguồn. Bài toán DSM trong luận án quy ước lấy giá thành bán điện thấp hơn của nguồn điện gió (=1614 VND/kWh) để làm căn cứ đánh giá lợi nhuận thu được từ hệ nguồn có được do bán điện [11], [12].
Các phân tích trên cho thấy có thể ứng dụng các nội dung của chương trình DSM vào bài toán khai thác các nguồn năng lượng (điện gió, pin mặt trời), sau đây được gọi là hệ nguồn, để đạt được mục tiêu giảm thiểu lượng điện năng mua điện từ EPS để đáp ứng cho phụ tải trong các điều kiện thực tế tại Việt Nam. Cấu trúc của hệ thống khai thác hệ nguồn vận hành theo chương trình DSM Cấu trúc chung của hệ thống khai thác hệ nguồn vận hành theo chương trình DSM bao gồm 3 khối chính như mô tả trên Hình 1.