Nghiên cứu lưới điện Microgrid, Nguyên tắc vận hành và các chế độ trong môi trường Matlab

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU KHOA HỌC CCM Converter Control Modelling : Mô hình điều khiển chuyển đổi DERs Distributed Energy Resources : Những nguồn năng lượng phân phối DFIG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

CÁC CHẾ ĐỘ TRONG MÔI TRƯỜNG MATLAB

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU LƯỚI ĐIỆN MICROGRID, NGUYÊN TẮC VẬN HÀNH VÀ

CÁC CHẾ ĐỘ TRONG MÔI TRƯỜNG MATLAB

SV2020 - 18

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật

SV thực hiện: Lê Nguyễn Yến Trúc ( chủ nhiệm đề tài) Nữ

Phạm Đoan Nam Dân tộc: Kinh

Lớp, khoa: 169420A, Điện – Điện Tử Năm thứ: 4 /Số năm đào tạo: 4.5 Ngành học: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Điện Tử

Người hướng dẫn: ThS Lê Trọng Nghĩa

TP Hồ Chí Minh, 07/2020

PHỤ LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC BẢNG

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU KHOA HỌC

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

MỞ ĐẦU 1

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài trong và ngoài nước 1

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ngoài nước 1

1.1.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng trong nước 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 3

1.3 Mục tiêu đề tài 5

1.4 Phương pháp nghiên cứu 6

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 6

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 6

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 6

1.6 Nội dung nghiên cứu 6

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MICROGRID 8

1.1 Khái niệm về MicroGrid 8

1.2 Các thành phần trong MicroGrid 8

1.2.1 Máy phát phân tán(DG): 8

1.2.2 Các thiết bị lưu trữ năng lượng [9] 9

1.2.3 Tải khu vực 10

1.2.4 Thiết bị đóng cắt kết nối lưới 11

1.3 Cấu trúc của MicroGrid [10] 13

1.3.1 Cấu trúc MicroGrid AC 13

1.3.2 Cấu trúc MicroGrid DC 14

1.3.3 Cấu trúc MicroGrid kết hợp AC-DC 16

1.3.4 Cấu trúc MicroGrid AC với bộ lưu trữ DC 16

1.3.5 Cấu trúc MicroGrid DC - khu vực 18

1.3.6 Cấu trúc Microgrid sử dụng máy biến áp thể rắn ( Cấu trúc Microgrid chuyển đổi trạng thái ) [12] 18

1.4 Đặc điểm của MicroGrid 20

1.4.1 MicroGrid ở chế độ nối lưới 20

1.4.2 MicroGrid ở chế độ tách lưới 20

1.5 Phân bố trào lưu công suất trong Microgrid 21

1.5.1 Mục đích của việc phân bố trào lưu công suất 21

1.5.2 Thuật toán 21

1.6 Ưu điểm, nhược điểm và những thách thức của MicroGrid 23

1.6.1 Ưu điểm của MicroGrid 23

1.6.2 Nhược điểm của MicroGrid 24

1.6.3 Những thách thức của MicroGrids 25

CHƯƠNG II CÁC MÔ HÌNH VÀ THÔNG SỐ CƠ BẢN TRONG MÔ HÌNH MICROGRID 27

2.1 Pin quang điện 27

2.1.1 Tổng quan về pin quang điện [14] 27

2.1.2 Mô hình tương đương [15] 28

2.1.3 Mô hình MG sử dụng pin quang điện 31

2.2 Tuabin Gió 32

2.2.1 Turbine gió: 32

2.2.2 Cấu tạo của turbin gió 33

2.2.3 Nguyên lý làm việc của tuabin gió 35

2.2.4 Mô hình tương đương của tuabin gió 36

2.3 Bộ Boost Converter (DC/DC) 37

2.3.1 Bộ Boost Converter (DC/DC) trong hệ thống năng lượng mặt trời 37

2.3.2 Nguyên lý bộ DC-DC Boost Converter 38

2.4 Bộ nghịch lưu ( DC/AC ) 39

2.4.1 Bộ nghịch lưu ( DC/AC ) trong hệ thống năng lượng mặt trời 39

2.4.2 Nguyên lý hoạt động 39

2.5 Máy biến áp 41

2.5.1 Máy biến áp 3 pha 41

2.5.2 Cấu tạo máy biến áp ba pha 42

2.5.3 Nguyên lý hoạt động của máy biến áp 3 pha 43

2.6 Lưới điện 44

CHƯƠNG III MÔ PHỎNG LƯỚI ĐIỆN MICROGRID Ở CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH 46

3.1 Mô hình POWER PV - BATTERY MICRO GRID 46

3.1.2 Tổng quan mô hình 46

3.1.2 Nguyên tắc vận hành mô hình 46

3.1.3 Các chế độ vận hành 48

3.1.4 Phân bố trào lưu công suất lưới điện MicroGrid 54

3.2 Mô hình POWER WIND_DFIG MICRO GRID 57

3.2.1 Tổng quan mô hình 58

3.2.2 Nguyên tắc vận hành mô hình 60

3.2.3 Các chế độ vận hành 65

3.2.4 Phân bố trào lưu công suất lưới điện MicroGrid ở chế độ nối lưới 71

CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 74

4.1 Kết luận 74

4.2 Hướng phát triển 74

MỤC LỤC THAM KHẢO 75

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tỉ lệ năng lượng tái tạo trong tổng sản lượng điện toàn cầu, cuối năm

2016[1] 3

Hình 1.2 Công suất pin quang điện toàn cầu theo quốc gia và khu vực 2006-2016[2] 3

Hình 1.3 Công suất điện gió và công suất mới bổ sung toàn cầu, 2006-2016 theo IEA PVPS/Becquerel Institute 4

Hình 1.4 Sản lượng năng lượng tái tạo dự tính đạt được trong tương lai 4

Hình 1.5 Mô hình cơ bản về Microgrid 8

Hình 1.6 Mô hình ESS tổng hợp sử dụng trong Microgrid 10

Hình 1.7 Cấu trúc Microgrid AC sử dụng static switch [10] 12

Hình 1.8 Cấu trúc microgrid AC 14

Hình 1.9 Cấu trúc microgrid DC 15

Hình 1.10 Cấu trúc microgrid kết hợp AC-DC 16

Hình 1.11 Cấu trúc microgrid AC với bộ lưu trữ DC 17

Hình 1.12 Cấu trúc mô hình microgrid DC-khu vực 18

Hình 1.13 Cấu tạo máy biến áp thể rắn 19

Hình 1.14 Cấu trúc mô hình microgrid sử dụng máy biến áp thể rắn 20

Hình 3.1 Giải thích hiện tượng quang điện trong 28

Hình 3.2 Mô hình tương đương của một tế bào quang điện 28

Hình 3.3 Đặc tính I-V và P-V của tế bào quang điện 29

Hình 3.4 Đặc tính array PV khi mắc nối tiếp 30

Hình 3.5 Đặc tính array PV khi mắc song song 31

Hình 3.6 Mô hình Pv Array 100 kW 31

Hình 3.7 Phân loại tuabin gió 32

Hình 3.8 Cấu tạo của tuabin gió 33

Hình 3.9 Hình mô tả tốc độ gió thay đổi ban đầu và sau khi truyền đền cánh quạt 36

Hình 3.10 Vị trí kết nối bộ Boost Converter (DC/DC) 37

Hình 3.11 Bộ boost converter trong mô hình mô phỏng matlap 38

Hình 3.12 Quá trình hoạt động của Boost được chia thành hai chế độ 38

Hình 3.13 Chế độ 1 38

Hình 3.14 Chế độ 2 39

Hình 3.15 Bộ chuyển đổi DC-AC [6] 39

Hình 3.16 Cấu trúc của một biến tần 3 pha 40

Hình 3.17 Dạng sóng điện áp ngõ ra trên pha A 40

Hình 3.18 Mô hình máy biến áp trong Matlap 41

Hình 3.19 Lõi máy biến áp 3 pha 42

Hình 3.20 Sơ đồ cuộn sơ cấp trong máy biến áp nối hình sao 43

Hình 3.21 Mô hình lưới điện và truyền tải trong môi trường Matlab 45

Hình 3.22 Mô hình lưới điện – Utility Grid trong môi trường Matlab 45

Hình 4.1 Mô hình POWER PV - BATTERY MICROGRID trên môi trường Matlab 46 Hình 4.2 Lưới điện chính và đường dây truyền tải 47

Hình 4.3 Mô hình hộ tiêu thụ phía hạ thế 47

Hình 4.4 Dạng sóng ngõ ra công suất 48

Hình 4.5 Đặt tín hiệu cắt cho tải nhà số 3 51

Hình 4.6 Sự dao động trong khoảng thời gian cắt tải 52

Hình 4.7 Dao động của các dạng sóng lúc 11h00 53

Hình 4.8 Đặt tín hiệu giảm công suất PV trên Matlab 54

Hình 4.9 Sơ đồ đơn tuyến mô hình microgird_power_battery 55

Hình 4.10 Các thông số này sẽ được nhập vào các Block và các Bus 55

Hình 4.11 Phân tích lưu lượng tải trên các bus ở chế độ tách lưới 56

Hình 4.12 Mô tả stator và roto của máy phát DFIG nối lên lưới 58

Hình 4.13 Sơ đồ mô hình Microgrid WINH_DFIG 59

Hình 4.14 Khối năng lượng gió trong mô hình 60

Hình 4.15 Khối Wind Speed cài đặt tốc độ gió 61

Hình 4.16 Thông số cài đặt cho máy phát bên trong tuabin 61

Hình 4.17 Thông số cài đặt của tuabin 62

Hình 4.18 Sơ đồ biểu diễn 4 điểm làm việc đặc trưng của tuabin 62

Hình 4.19 Đường dây truyền tải năng lượng điện từ tua bin đến nguồn chính 63

Hình 4.20 Sơ đồ cấu trúc bên trong trang trại Plant 2MW 63

Hình 4.21 Lưới điện chính, nguồn xoay chiều 120kV 64

Hình 4.22 Sơ đồ làm việc của thành phần trong tua bin gió 65

Hình 4.23 Các thông số đang hoạt động hiện tại của Tuabin 65

Hình 4.24 Các giá trị đo đươc trong quá trình làm việc trên lưới grid 67

Hình 4.25 Cài đặt khối bước tốc độ gió trong matlap 68

Hình 4.26 Thay đổi giá trị của Nguồn AC 120kV 69

Hình 4.27 Cài đặt pha xảy ra lỗi trên nông trại 70

Hình 4.28 Hình mô phỏng hệ thống thay đổi khi xảy ra lỗi trên pha A 71

Hình 4.29 Giá trị thực sau khi phân bố tại các nút cân bằng 72

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Những dự án năng lượng tái tạo lớn của những doanh nghiệp nổi bật 2

Bảng 4.1: Tóm tắt quy trình 51

Bảng 4.2 Lưu lượng tải hội tụ trong 6 lần lặp 55

Bảng 4.3 Kết quả tính toán phân bố trào lưu công suất lưới điện MicroGrid ở chế độ vận hành nối lưới 56

Bảng 4.4 Kết quả tính toán phân bố trào lưu công suất lưới điện MicroGrid ở chế độ vận hành nối lưới 57

Bảng 4.5 các giá trị ban đầu tại các bus của hệ thống 71

Bảng 4.6 giá trị phân bố công suất của các bus theo đơn vị cơ bản (pu) 72

Bảng 4.7 Tổng công suất phát, hao hụt, và tổng lượng PQ của hệ thống 73

Bảng 4.8 Kết quả tính toán phân bố trào lưu công suất lưới điện MicroGrid ở chế độ vận hành nối lưới 73

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU KHOA HỌC

CCM (Converter Control Modelling) : Mô hình điều khiển chuyển đổi

DERs (Distributed Energy Resources) : Những nguồn năng lượng phân phối

DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) : Máy phát điện cấp nguồn từ hai phía

ESS (Energy Storage System) : Hệ thống năng lượng lưu trữ

IEA (International Energy Agency) : Cơ quan năng lượng Quốc Tế

IEEE (Institute of Electrical and

Electronics Engineers)

: Viện kỹ nghệ Điện và Điện Tử

MG (MicroGrid) : Lưới điện siêu nhỏ

MPPT (Maximum power point tracking) : Bộ theo dõi điểm công suất cực đại

PCC (Point of Common Coupling) : Điểm khớp nối chung

PV (PhotoVoltaics) : Điện mặt trời

PWM (Pulse Width Modulation) : Điều chế độ rộng xung

RPM (Revolutions per minute) : Số vòng quay (vòng/phút)

SOC (State of Charge) : Mức độ năng lượng của pin so với công suất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU LƯỚI ĐIỆN MICROGRID, NGUYÊN TẮC VẬN HÀNH

VÀ CÁC CHẾ ĐỘ TRONG MÔI TRƯỜNG MATLAB

- Chủ nhiệm đề tài: Lê Nguyễn Yến Trúc Mã số SV: 16142516

- Lớp: 169420A Khoa: Điện – Điện tử

- Thành viên đề tài:

Stt Họ và tên MSSV Lớp Khoa

1 Lê Nguyễn Yến Trúc 16142516 169420A Điện – Điện tử

- Người hướng dẫn: Th.S Lê Trọng Nghĩa

2 Mục tiêu đề tài:

Nghiên cứu lưới điện microgrid, nguyên tắc vận hành và các chế độ trong môi trường matlab, tập trung vào 2 dạng mô hình chính là năng lượng mặt trời PV và năng lượng gió dùng máy phát DFIG Đồng thời kế thừa những kết quả nghiên cứu đi trước

để tìm hiểu và tiếp tục phát triển, mở rộng đề tài nghiên cứu

3 Tính mới và sáng tạo:

Hiện nay, đề tài nghiên cứu còn khá mới mẻ, do vậy tài liệu tham khảo xoay quanh

đề tài vẫn còn hạn chế Hơn thế nữa, việc triển khai cấu trúc, xây dựng một mô hình truyền tải điện với sự kết hợp giữa MicroGrid và lưới điện chính là một đề tài mới Từ

đó, nhóm kết hợp vận hành trên một không gian mở là Matlab, kết hợp các yếu tố vận hành hoàn toàn từ thực tiễn như mây che hệ thống sản xuất pin năng lượng mặt trời hoặc bóng che theo từng khung giờ như: giờ chiều Ngoài ra, nhóm còn kết hợp giữa cái dạng

sự cố có thể xảy ra trên mô hình như ngắn mạch…

4 Kết quả nghiên cứu:

Đề tài này đã triển khai xây dựng mô hình hóa, mô tả diễn biến của hệ thống trong thời gian, thời tiết thực tế, kiểm soát lượng công suất tiêu thụ và sản xuất bao gồm cả khi hòa lưới và không hòa lưới, điều mà các nhà đầu tư quan tâm Mô phỏng các chế độ

vận hành hệ thống, chủ động tạo các sự cố có thể xẩy ra trên hệ thống để giám sát dạng sóng ngõ ra, phân bố trào lưu công suất, kiểm soát được chất lượng hệ thống

Đề tài là tiền đề để các báo cáo sau kế thừa và phát triển ở các dạng năng lượng tái tạo khác, những nội dung được khai thác trong bài nghiên cứu hoàn toàn mới Dự đoán, hiện thực hóa quá trình vận hành, điều khiển và làm việc của dạng năng lượng tái tạo mới trước khi dự toán cho hệ thống và đưa vào đầu tư xây dựng, phát triển và nhận rộng

mô hình ngoài thực tế Đổng thời, là cơ sở để các hãng sản xuất thiết bị chứng minh, thuyết phục thị trường tiêu thụ

5 Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

Việc mô phỏng hệ thống và vận hành để dự đoán trước được rủi ro của hệ thống, do vậy mô phỏng nhằm tránh đi những tổn thất về kinh tế và ngân sách doanh nghiệp đầu

tư là rất cần thiết, đón đầu và bắt kịp xu hướng phát triển ngành năng lượng tái tạo Góp phần tăng độ tin cậy cho việc hòa lưới của năng lượng điện được sản xuất ra, đảm bảo

độ an toàn điện, thúc đẩy phát triển, tiến hành đầu tư xây dựng hệ thống nhanh rộng hơn

6 Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài:

Ngày 14 tháng 07 năm 2020

SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài

(kí, họ và tên)

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề

tài (phần này do người hướng dẫn ghi):

………

………

………

………

………

………

………

……… Ngày 14 tháng 07 năm 2020

Người hướng dẫn

(kí, họ và tên)

MỞ ĐẦU

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài trong và ngoài nước

Lưới điện siêu nhỏ (Microgrid - MG) là một hệ thống bao gồm các nguồn năng lượng điện phân tán (Distributed Energy Resources – DER) như: nguồn pin mặt trời, pin nhiên liệu, turbine gió, microturbine vv Ngoài ra còn có các hệ thống đo lường và các phụ tải Công nghệ điều khiển cho lưới điện siêu nhỏ có thể hoạt động độc lập hoặc tích hợp chúng vào lưới điện phân phối, thông qua hệ thống điều khiển và giám sát, nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh và điều khiển nối lưới linh hoạt Ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất trong điều khiển nối lưới các nguồn phân tán có những ưu điểm như: Khả năng truyền năng lượng theo cả 2 hướng Các DERs nối lưới cho phép chúng đạt được quy mô tương đương và mức độ cung cấp điện ổn định như các nhà máy điện truyền thống Kết hợp với mạch lọc để loại trừ các sóng hài bậc cao, điều này có ý nghĩa lớn đến việc cải thiện chất lượng điện năng

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng ngoài nước

Theo nghiên cứu của tác giả E M Natsheh[2] triển khai mô hình mới của hệ thống hỗn hợp PV / WT kết nối lưới thông minh để tối ưu hóa hiệu suất, độ tin cậy của hệ thống và hiệu quả vận hành, bao gồm mảng quang điện, tuabin gió, máy phát không đồng bộ (cảm ứng), bộ điều khiển và bộ chuyển đổi Mô hình được triển khai bằng phần mềm MATLAB / SIMULINK Thuật toán Perturb và quan sát (P & O) được sử dụng để tối đa hóa công suất được tạo dựa trên việc thực hiện theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) cho hệ thống Microgrid

Ở một bài báo khác được IEEE công bố[4] của tác giả T Morstyn đề xuất một chiến lược điều khiển phân tán thống nhất cho các chế độ vận hành microgrid DC, mà không cần các cơ chế phát hiện tín hiệu điện áp, thường được yêu cầu cho các phương pháp điều khiển không tập trung, dựa trên sự tích hợp mới của các bộ điều khiển phân tán để cân bằng năng lượng giữa các hệ thống lưu trữ năng lượng microgrid DC Các bộ điều khiển phân tán được sử dụng để điều chỉnh điện áp bus microgrid DC trung bình

và một phương pháp mới để điều khiển bộ chỉnh lưu kết nối lưới duy trì điều khiển phân tán kết cấu

1.1.2 Tình hình nghiên cứu, ứng dụng trong nước

Trong "Mô hình điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện đồng

bộ nam châm vĩnh cửu" [5] Bài báo đã xây dựng được mô hình và đưa ra kết quả mô

phỏng điều khiển nối lưới cho microturbine sử dụng máy phát điện PMSG[6], nhằm duy trì công suất phát tối đa của hệ thống của cô Lê Kim Anh

Trong bài báo “phương pháp hoạch định sa thải phụ tải kết hợp mức độ ưu tiên và quy tắc talmud trong microgrid ở chế độ tách lưới” [7] đề xuất phương pháp hoạch định

sa thải phụ tải kết hợp mức độ ưu tiên và quy tắc Talmud, cho kết quả sa thải phụ tải luôn đảm bảo duy trì đầy đủ công suất của các tải quan trọng và đảm bảo khai thác hết lượng công suất phát khả dụng có trong microgrid Chương trình sa thải phụ tải đề xuất được thử nghiệm trên microgrid ở chế độ tách lưới khi một trong hai lưới microgrid và lưới điện chính có sự cố Trong trường hợp thiếu hụt nguồn cung cấp, sa thải phụ tải cần phải được thực hiện trong chế độ microgrid tách lưới, để giảm bớt lượng tải

Hiện nay, cả nước đã có hơn 10 doanh nghiệp nổi bật không ngừng đẩy mạnh đầu

tư năng lượng sạch cho Việt Nam với những dự án tạo ra sản lượng điện từ năng lượng tái tạo rất đáng chú ý như:

- Nhà máy điện gió Trung Nam

- Nhà máy điện mặt trời Trung Nam Trà Vinh

- Nhà máy điện mặt trời Hòa Hội

Bình Định, Phú Yên

4 TẬP ĐOÀN TTC Nhà máy điện mặt

trời TTC Số 1 và 2

290.88 Huế, Gia Lai,

Bình Thuận, Long An

5 TẬP ĐOÀN BIM

GROUP

- Nhà máy nhiệt mặt trời BIM 1,2,3

265.5 Ninh Thuận,

Tây Ninh

Bảng 1.1 Những dự án năng lượng tái tạo lớn của những doanh nghiệp nổi bật

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay trên toàn cầu, các nước phát triển không ngừng đầu tư phát triển sản xuất năng lượng sạch Biểu đồ bên dưới cho thấy tổng sản lượng được đáp ứng bởi năng lương tái tạo chiếm 25% tổng sản lượng điện vào cuối năm 2016 trong đó 8% được sản xuất bởi các nguồn năng lượng mới như mặt trời, địa nhiệt, gió, điện sinh học

Hình 1.1 Tỉ lệ năng lượng tái tạo trong tổng sản lượng điện toàn cầu, cuối năm

2016[1]

Năm 2016, ít nhất 75 GW công suất quang điện mặt trời thêm mới toàn cầu - tương đương với trung bình hơn 31.000 tấm pin năng lượng mặt trời được lắp đặt mỗi giờ

Hình 1.2 Công suất pin quang điện toàn cầu theo quốc gia và khu vực 2006-2016[2]

Công suất của năng lượng gió cung cấp sản lượng điện ngày càng lớn và được đầu

tư mạnh trên toàn cầu, cuối năm 2016, trên 90 quốc gia đã đưa điện gió vào vận hành thương mại, và trên 29 quốc gia đang vận hành công suất trên 1GW

Hình 1.3 Công suất điện gió và công suất mới bổ sung toàn cầu, 2006-2016 theo IEA

Hình 1.4 Sản lượng năng lượng tái tạo dự tính đạt được trong tương lai

Đứng trước tình trạng biến đổi khí hậu toàn cầu, trái đất nóng lên từ nhiều nguyên nhân và trong đó có ảnh hưởng của ngành công nghiệp sản xuất năng lượng, các quốc gia dần dần đẩy mạnh đầu tư vào nguồn năng lượng tái tạo mới như đã nói trên và tạo thành những lưới Microgrid liên kết từ những nanogrid nhỏ hơn, một lưới Microgrid siêu nhỏ và độc lập

Microgrid có thể xem là một tổ máy phát độc lập, cấp điện và hòa lên lưới điện quốc gia, phát triển lưới điện thị trường, giúp giảm căng thẳng cho lưới điện trung tâm trong thời gian có nhu cầu cao nhất Microgrid hoạt động như một nhà khai thác lưới tài nguyên bổ sung có thể yêu cầu trong các giai đoạn này Microgrids có thể ít tốn kém hơn để xây dựng và bảo trì so với các trạm biến áp, truyền tải hoặc cơ sở hạ tầng lưới mới khác, chúng có thể hoạt động như "các giải pháp thay thế không dây", một nguồn lực được xây dựng để cải thiện độ tin cậy thay cho việc sửa chữa hoặc nâng cấp lưới đắt tiền hơn

Nhóm sinh viên đã nhận thấy nhiều khía cạnh cần được khai thác và nghiên cứu

từ những nội dung nhóm đã tìm hiểu về Microgrid Vận hành hệ thống lưới điện độc lập trong việc cung cấp điện, giảm gánh nặng cho lưới điện quốc gia đồng thời đảm bảo độ tin cậy của chất lượng điện năng từ những nguồn năng lượng tái tạo mới là vô cùng cấp thiết Để hình dung được tất cả những trường hợp vận hành có thể xẩy ra trên thực tế nhóm đã tiến hành mô phỏng mô hình trên phần mềm matlap ở nhiều chế độ vận hành khác nhau của lưới Microgid ở hai dạng năng lượng gió và năng lượng mặt trời

Việc nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo phân tán để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc cải thiện chất lượng điện năng, bên cạnh

đó góp phần làm giảm biến đổi khí hậu và giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch có nguy cơ cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường Việc nghiên cứu nguyên tắc vận hành của MicroGrid, mô phỏng các chế độ vận hành, cũng như dự đoán trước được các dự cố xảy ra vô cùng cần thiết trong môi trường hệ thống điện thực tế

1.3 Mục tiêu đề tài

Trong bài báo được công bố của tác giả Lê Kim Anh chưa nhắc đến kết quả của các chế độ vận hành hòa lưới hay độc lập và mô phỏng hệ thống khi có sự cố Ở bài báo

số 2 [7], nội dung bài bái chỉ dừng lại ở vấn đề vận hành Microgrid sa thải phụ tải khi

có sự cố đối với một trong hai lưới chính và siêu nhỏ mà chưa có các chế độ vận hành khác như quá độ, sự cố thoáng qua…

Do vậy, mục tiêu đề tài cần phải làm rõ được nghiên cứu lưới điện microgrid, nguyên tắc vận hành và các chế độ trong môi trường matlab, tập trung vào 2 dạng mô hình chính là năng lượng mặt trời PV và năng lượng gió dùng máy phát DFIG Đồng thời kế thừa những kết quả nghiên cứu đi trước để tìm hiểu và tiếp tục phát triển, mở rộng đề tài nghiên cứu

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên những lý thuyết của hai hệ thống năng lượng tái tạo đã chọn, thu thập

dữ liệu và đưa ra kết quả sát thực Đồng thời, sử dụng các khối mẫu trong môi trường Simulink như biến tần, máy cắt, bus, Panel, máy phát Dfig và các Trig, tín hiệu điều khiển trong môi trường Matlap xây dựng mô hình hoạt động để mô phỏng các chế độ vận hành, phân bố công suất đến phụ tải độc lập và nối lưới Đề tài nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu tài liệu, tổng hợp, phân tích

- Ứng dụng phần mềm Matlab để mô hình hóa hệ thống Microgrid và phân tích

dữ liệu bằng công cụ Simulink

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu

- Các thành phần trong lưới điện MicroGrid

- Nguyên tắc vận hành trong MicroGrid

- Các chế độ vận hành trong MicroGrid

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài sẽ giới hạn trong phạm vi nghiên cứu lưới điện microgrid sử dụng nguồn năng lượng phân tán của năng lượng PV và năng lượng gió Nghiên cứu nguyên tắc vận hành và các chế độ trong môi trường matlab và mô phỏng thu thập số liệu trên hệ thống điện bằng phần mềm matlab

1.6 Nội dung nghiên cứu

Để làm rõ đề tài nói trên, nhóm cần phải làm rõ những nội dung về lưới Microgrid, các chế độ của lưới và nguyên tắt vận hành Do đó, cần chia ra thành các chương như sau:

 Chương 1: Tổng quan về MicroGrid - mục tiêu của chương 1 sẽ làm rõ lý thuyết của Microgrid, thành phần, cấu trúc, đặc điểm và ưu nhược điểm của mô hình lưới điện siêu nhỏ này

 Chương 2: Các mô hình thực hiện bao gồm - mô hình power microgrid, power_wind_dfig, mô hình chuyển đổi AC-DC-AC và các cấu trúc liên quan như máy phát, biến tần…

 Chương 3: Mô phỏng lưới điện microgrid ở các chế độ vận hành - tiến hành mô phỏng các mô hình đã dựng ở chương 3, thu thập và phân tích số liệu, giải thích và nhận xét kết quả nghiên cứu

 Chương 4: Kết luận và hướng phát triển: Nhận xét kết quả nghiên cứu so với mục tiêu đã đề ra và đề xuất những hướng phát triển cho những đề tài

kế thừa tiếp theo

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MICROGRID

1.1 Khái niệm về MicroGrid

Hình 1.5 Mô hình cơ bản về Microgrid

Microgrid là một hệ thống năng lượng độc lập và có thể điều khiển, bao gồm thế hệ phân tán (DG), tải, lưu trữ năng lượng (ES) và các thiết bị điều khiển, trong đó DG và

ES được kết nối trực tiếp song song với phía hộ tiêu thụ

Microgrid có thể được coi là một hệ thống điện nhỏ kết hợp việc tạo, truyền và phân phối điện năng, và có thể đạt được sự cân bằng năng lượng và phân bổ năng lượng tối

ưu trên một khu vực nhất định, như một nguồn năng lượng từ hệ thống hoặc tải trong mạng phân phối Ngoài ra, nó có thể bao gồm một hoặc nhiều nhà máy điện để đáp ứng nhu cầu của một trung tâm phụ tải, có thể là các văn phòng, nhà máy hoặc nhà ở xa nơi cung cấp điện truyền thống đắt tiền So với các mạng truyền tải và phân phối (T & D) truyền thống, một microgrid có cấu trúc linh hoạt hơn nhiều

có thể được định nghĩa là các đơn vị nhỏ tạo ra năng lượng điện gần vị trí của tải dựa trên các kỹ thuật năng lượng tái tạo (bao gồm năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng địa nhiệt), máy phát điện diesel, pin nhiên liệu, Trong các hệ thống phân phối sử dụng DG, căn cứ vào công suất hoạt động và hiệu suất làm việc của DG để thiết

kế phù hợp với mục đích sử dụng của hệ thống

Kết nối DG với một hệ thống phân phối mang lại nhiều lợi ích khác nhau, điển hình như chủ đầu tư, lưới điện quốc gia và người dùng Việc đưa năng lượng PV vào hoạt động đã có từ rất lâu, sự tiến bộ đáng kể khi các mô-đun PV đã bắt đầu phát minh ra tế bào silicon, tiếp theo đó là công nghệ thin-flim Điều đáng nói là công nghệ năng lượng mặt trời có vô số lợi thế như không có khí thải, dịch vụ lâu dài và hoạt động không ồn

ào Không chỉ điều này, nó không đòi hỏi chi phí bảo trì và nhiên liệu cao Hơn nữa, năng lượng mặt trời được coi là dư thừa và vô hạn Tuy nhiên, mức độ tạo ra năng lượng lớn của PV cùng với sự thay đổi phụ tải biến đổi liên tục có thể gây ra sự dao động điện cùng với sự leo thang điện áp không lường trước được, các vấn đề ổn định điện áp và tổn thất điện năng cao hơn trong các mạng phân phối điện

Cùng với DG dựa trên kỹ thuật năng lượng tái tạo là công nghệ năng lượng mặt trời thì công nghệ năng lượng gió cũng là một nguồn năng lượng dư thừa và vô hạn Tuy nhiên, các vấn đề chính liên quan đến phát điện gió là tính chất không liên tục, chi phí đầu tư ban đầu cao Ngoài ra, một số vấn đề có thể xảy ra trong quá trình vận hành khi gió quá mạnh hoặc đồng thời tắt

Microgrid là một quy mô nhỏ, lưới cục bộ thường bao gồm thế hệ phân tán có thể hoạt động đồng bộ với lưới hoặc độc lập Microgrids thường được xây dựng vì lý do phục hồi, nhưng cũng có lý do kinh tế Đôi khi, việc ngắt kết nối khỏi lưới điện và chạy máy phát điện diesel rẻ hơn so với mua điện Nhưng lý do chính là khả năng phục hồi

và độ tin cậy

Khi mất điện, microgrid có thể ngắt kết nối với lưới điện và tiếp tục hoạt động bằng cách sử dụng các nguồn phát phân tán của riêng mình và lưu trữ năng lượng (battery) là một tài nguyên thế hệ phân tán khác

1.2.2 Các thiết bị lưu trữ năng lượng [9]

Trong nhiều dự án microgrid, hệ thống năng lượng lưu trữ (ESS) được sử dụng trong

mô hình tổng hợp Một ESS tổng hợp là một cơ sở lưu trữ năng lượng lớn, có thể bao gồm một số đơn vị lưu trữ Ví dụ, hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) bao gồm

hàng trăm pin hoặc hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà (FESS) bao gồm nhiều đơn vị

bánh đà Nó thường có công suất lớn để lưu trữ một năng lượng động năng khổng lồ và

khả năng sản xuất năng lượng cao

Một mô hình điển hình của ESS tổng hợp trong microgrid Có một trang trại quang

điện (PV) trong microgrid như một nhà máy điện tái tạo tổng hợp ESS tổng hợp được

kết nối trên cùng một thanh bus với trang trại PV Vì vậy, nhà máy điện tái tạo làm việc

song song với ESS tổng hợp để cung cấp năng lượng ổn định cho các phụ tải Và đó

chính là mục đích chính của ESS

Hình 1.6 Mô hình ESS tổng hợp sử dụng trong Microgrid

1.2.3 Tải khu vực

Trong hệ thống điện phân phối hiện đại, chia làm 3 phụ tải:

- Phụ tải loại 1 là những phụ tải mà khi bị sự cố ngừng cung cấp điện sẽ gây ra những

thiệt hại lớn về kinh tế, đe dọa tính mạng con người, hoặc ảnh hưởng có hại lớn về chính

trị Phụ tải loại 1 phải được thiết kế cung cấp điện với độ tin cậy cao Thường dùng hai

nguồn đến, đường dây hai lộ hoặc có nguồn dự phòng nhằm giảm xác suất mất điện

xuống rất nhỏ, thường xem bằng thời gian tự động đóng nguồn dự phòng

- Phụ tải loại 2 là những phụ tải tuy có tầm quan trong lớn, nhưng nếu bị ngừng cung

cấp điện chỉ dẫn đến những thiệt hại về kinh tế do ngừng trệ sản xuất, hư hỏng sản xuất,

hư hỏng sản phẩm, lãng phí lao động Phương án cung cấp điện cho phụ tải loại 2 có

hoặc

không có nguồn dự phòng; đường dây đơn hoặc kép phải dựa trên kết quả so sánh giữa vốn đầu tư phải tăng thêm và giá trị thiệt hại kinh tế khi ngừng cung cấp điện Đối với phụ tải loại 2 cho phép ngừng cung cấp điện trong thời gian đóng nguồn dự trữ bằng tay

- Phụ tải loại 3 là những phụ tải cho phép cung cấp điện với mức độ tin cậy thấp, nghĩa là cho phép mất điện trong thời gian sửa chữa, thay thế thiết bị bị sự cố nhưng thường không quá 1 ngày đêm Phương án cung cấp điện cho phụ tải loại 3 có thể dùng một nguồn, đường dây một lộ

Khác với hệ thống cung cấp điện hiện đại, hệ thống cung cấp điện trong microgrid có thể kết nối hoặc ngắt kết nối phụ thuộc vào công suất và dung lượng dự trữ hiện có của

hệ thống nên trong hệ thống cung cấp điện microgird được chia làm 2 loại phụ tải:

- Phụ tải loại 1 là những phụ tải có tầm quan trọng lớn, yêu cầu đảm bảo về độ tin cậy và chất lượng điện năng Việc ngừng cung cấp điện có thể làm gián đoạn sản xuất, lãng phí nhân công lao động,…

- Phụ tải loại 2 là loại phụ tải cho phép mất điện trong thời gian sửa chữa, thay thế các thiết bị hư hỏng và bảo trì

1.2.4 Thiết bị đóng cắt kết nối lưới

Bộ ngắt mạch thông minh được sử dụng để quản lý sự kết nối của các máy phát phân tán, tải cục bộ và lưới Bộ ngắt mạch chính, được gọi là Công tắc tĩnh, được đặt tại điểm khớp nối chung (PCC) của microgrid và quản lý chế độ vận hành được kết nối lưới, chế

độ đảo và chuyển đổi giữa cả hai chế độ vận hành Hơn nữa, có thể sử dụng các bộ ngắt mạch bổ sung để quản lý kết nối của một số nguồn cấp dữ liệu hoặc tải như hình 2.3 để kết nối tải không quan trọng, tải quan trọng

Hình 1.7 Cấu trúc Microgrid AC sử dụng static switch [10]

Dựa vào công nghệ chuyển đổi lưới, gián đoạn nhất thời có thể xảy ra trong quá trình chuyển đổi từ chế độ kết nối (grid-connected mode) lưới sang chế độ đảo lưới (islanded mode) Nếu tải yêu cầu ngắt chuyển đổi với tốc độ cao thì phải chọn công nghệ của công tắc tĩnh phù hợp với yêu cầu

Công tắc tĩnh là một thiết bị điện tử công suất thường được lựa chọn cho ứng dụng đảo lưới tự động và nhanh và chỉ dử dụng cho lưới đồng bộ Nó có khả năng cô lập tải nhạy và nguồn micro ( microsource ) từ hệ thống phân phối ít hơn 1/15 chu kỳ nếu hệ thống bị lỗi hoặc bị nhiễu

Có 2 công nghệ chính được sử dụng trong công tắc tĩnh [11]:

+ SCRs( Silicon controlled rectifiers )

+IGBTs( Insulated Gate Bipolar Transistors )

Sự khác biệt giữa các công nghệ công tắc tĩnh phụ thuộc tốc độ phản hồi của thiết

bị

+ SCR là công tắc có thể phản hồi và thực hiện trong khoảng từ ½ - 1 chu kỳ + IGBT là công tắc có thể phản hồi và thực hiện trong khoảng100 µ𝑠 và có thể ngắt dòng ngay tức thời trong thời gian rất ngắn

Có 2 vấn đề kỹ thuật cần được giải quyết trong khi sử dụng công tắc tĩnh trong microgrid:

+ Phối hợp giữa bộ điều khiển nguồn phân tấn ( microsource control) với công tắc tĩnh ( đặc biệt là trong trường hợp đồng bộ hóa hoạt động)

+ Phối hợp với các thiết bị bảo vệ khác ( điều chỉnh, đánh giá đường cong và sự liên tục của tải trọng)

1.3 Cấu trúc của MicroGrid [10]

Nhu cầu về sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo ở các thành phố lớn ngày càng tăng và tích hợp chúng vào lưới điện hiện đại đã trở thành những thách thức hấp dẫn

Sự tích hợp ổn định và đáng tin cậy của các nhà máy phát phân tán tái tạo vào lưới điện

và các tải cục bộ là điều đáng quan tâm

Hầu hết các nhà máy phát điện hiện đại có hệ thống điều khiển tập trung và vị trí phát điện xa so với tải, trong khi đó hều hết các nguồn phân tán DG được phân phối và kết nối với các mạng điện áp thấp hoặc trung bình và gần tải Khi nhu cầu năng lượng tăng, sự cố mất điện và thiếu năng lượng cũng tăng, để các nguồn phân tán có thể sử dụng các nguồn năng lượng để cung cấp năng lượng liên tục và bền vững Trong phần này sẽ trình bày cái nhìn tổng quan hoàn chỉnh về cấu trúc hệ thống microgrid

1.3.1 Cấu trúc MicroGrid AC

Cấu trúc microgrid AC có thể gồm 1 hoặc nhiều bus AC và các thiết bị được nối trực tiếp với bus phải giao tiếp AC Điều đó cũng có nghĩa rằng, các nguồn phân tán cũng giao tiếp AC với bus thông qua bộ chuyển đổi công suất DC/AC Microgrid được kết nối với lưới tại điểm khớp nối chung (PCC) Do đó, toàn bộ microgrid có thể được xem

là một trạm từ hệ thống phân phối của lưới hiện đại

Hình 1.8 Cấu trúc microgrid AC

Sơ đồ cấu trúc microgrid ở hình trên được hình thành từ 3 trạm hệ thống, gồm trạm

1, trạm 2, trạm 3 Trạm 1 và 2 bao gồm các nguồn phân tán và các tải quan trọng, trong khi tải không quan trọng được kết nối với trạm 3 Mỗi trạm đều chứa tải, các nguồn phân tán và năng lượng lưu trữ Bộ ngắt (CB) cấu hình lại microgrid để điều chỉnh việc tạo

và kết hợp với bất kì điều kiện vận hành nào Công tắc tĩnh quản lí kết nối microgrid với nguồn lưới phân phối Nếu chất lượng phân phối cho tải kém thì công tắc tĩnh sẽ được kích hoạt ngắt kết nối khỏi microgrid Khi đó microgrid được vận hành ở chế độ đảo, điều kiện ở chế độ đảo là quá áp (+20%), sụt áp (-10%), sụt tần số (-0.5 Hz), quá dòng (30%) Đồng thời khi lưới bị lỗi, các tải không quan trọng sẽ được ngắt khỏi lưới để tránh những hư hỏng không cần thiết Công tắc tĩnh được mở và tải quan trọng được cấp nguồn từ cả hai phía đó là nguồn phân tán và năng lượng dự trữ trong pin và tụ điện

Trong kiến trúc microgrid AC, khi hoạt động ở chế độ kết nối lưới, nguồn điện truyền trực tiếp từ lưới, tránh mọi bộ chuyển đổi nối tiếp; tính năng này cung cấp độ tin cậy cao Các trạm (feeder1, feeder2, feeder 3) phải có cùng tần số, điện áp như lưới điện,

Do đó, các tải, máy phát và thiết bị lưu trữ năng lượng cũng phải phải tuân theo lưới Hạn chế của kiến trúc này là số lượng lớn giao tiếp của thiết bị điện tử công suất (biến tần, bộ chuyển đổi qua lại), do đó có thể làm giảm hiệu quả cung cấp điện và độ tin cậy tổng thể của microgrid

1.3.2 Cấu trúc MicroGrid DC

Mô hình microgrid DC được kết nối với lưới thông qua bộ chuyển đổi AC/DC từ lưới điện Để DC microgrid có thể xuất ra được phần thừa trong công suất tạo ra, cần phải có thiết bị điện tử giao tiếp hai chiều ( công tơ điện 2 chiều) Mô hình DC microgrid được trình bày gồm một bus DC, hầu hết các nguồn phân tán đều cần bộ chuyển đổi điện tử DC/DC hoặc AC/DC để có thể giao tiếp với bus theo các điều kiện cần thiết về

áp và tần số Tải AC yêu cầu bộ chuyển đổi DC/AC để điều chỉnh điện áp bus theo điều kiện cần thiết, còn đối với tải DC thì có thể kết nối trực tiếp với bus DC hoặc đôi khi có thể cần vào bộ chuyển đổi DC/DC, tùy thuộc vào điện áp của bus Để cung cấp năng lượng ổn định, một số tụ điện có thể được thêm vào bus

Hình 1.9 Cấu trúc microgrid DC

Khi lưới phân phối thất bại, microgrid phải tự điều chỉnh điện áp bus DC, không có

bộ chuyển đổi AC / DC chính Hơn nữa, việc kiểm soát dòng điện từ các nguồn phân tán và các thiết bị lưu trữ năng lượng phải được tính toán đến năng lượng lưu trữ có sẵn

để có được độ tin cậy tốt nhất

Cấu trúc microgric DC có một số ưu điểm hơn so với cấu trúc microgrid AC: Giảm

số lượng số lượng bộ chuyển đổi công suất (DC/DC, bộ chỉnh lưu ), nên cấu trúc sẽ có phần đơn giản hơn Chất lượng điện áp và khả năng đáp ứng của điện áp trên bus DC với yêu cầu của microgrid rất cao Do đó, một số tải DC có thể kết nối trực tếp với bus

DC

Hạn chế chính của mô hình microgid DC này là bộ kết nối trực tiếp hai chiều AC/DC

xử lí toàn bộ dòng điện chạy từ lưới phân phối, nên do đó làm giảm đi độ tin cậy Ngoài

ra, mô hình này còn yêu cầu lắp đặt cụ thể đó là không được sử dụng hệ thống cáp và

thiết bị AC hiện có Một nhược điểm nữa của cấu trúc DC là tải AC không thể kết nối trực tiếp với microgrid và điện áp trên bus DC không được chuẩn hóa

1.3.3 Cấu trúc MicroGrid kết hợp AC-DC

Cấu trúc của microgrid kết hợp AC-DC bao gồm một microgrid AC chính và một microgrid DC phụ được liên kết với nhau bằng bộ chuyển đổi AC/DC 2 chiều Các nguồn phân tán có thể được kết nối trạm phân phối AC hoặc trạm phân phối DC Tải

AC sẽ được sẽ được kết nối với trạm phân phối AC, tải DC sẽ được kết nối với trạm phân phối DC Lưới con DC có thể hoạt động như một máy phát hoặc tải của microgrid

AC, tùy thuộc vào cân bằng công suất tại trạm phân phối DC

Hình 1.10 Cấu trúc microgrid kết hợp AC-DC

Cấu trúc này kết hợp những lợi thế của microgrid AC và microgrid DC Trong cấu trúc này có sự kết nối trực tiếp với lưới điện, do đó có độ tin cậy cao Bộ AC cho phép

sử dụng các thiết bị hiện có Bên cạnh đó, bộ DC cũng sử dụng số lượng bộ chuyển đổi đơn giản Hơn nữa, một số tải DC có thể được kết nối trực tiếp với trạm phân phối DC

mà không cần bất kỳ bộ chuyển đổi nguồn nào Cấu trúc microgrid này cũng phù hợp

để lắp đặt cho các tải quan trọng ( ở trạm phân phối DC) kết hợp với các tải có công suất lớn ( ở trạm phân phối AC)

1.3.4 Cấu trúc MicroGrid AC với bộ lưu trữ DC

Để cải thiện tính linh hoạt của microgrid AC, có thể đặt các thiết bị lưu trữ năng lượng ở một bus DC riêng biệt, trong khi các nguồn phát phân tán và tải AC được đặt ở một bus AC thông thường Việc kết nối với lưới được thực hiện bằng một công tắc tĩnh, quản lý quá trình chuyển đổi từ chế độ vận hành được kết nối sang lưới và ngắt kết nối lưới Cấu trúc này được gọi là AC microgrid với bộ lưu trữ DC

Hình 1.11 Cấu trúc microgrid AC với bộ lưu trữ DC

Trong cấu trúc microgrid AC với bộ lưu trữ DC, nguồn phát phân tán và tải có thể được nhóm lại tại một trạm phân phối hoặc phân phối ở các trạm khác nhau Các thiết

bị lưu trữ năng lượng được đặt trong một bus DC riêng biệt và thiết vị điện tử công suất hai chiều AC/DC được sử dụng để kết nối với thiết bị lưu trữ năng lượng

Vì việc kết nối song song một số thiết bị lưu trữ năng lượng với bus DC dễ dàng, cấu trúc này tập trung tất cả các thiết bị lại với nhau Do đó, mô hình microgrid này nhìn thấy một hệ thống lưu trữ năng lượng tập trung

Hiệu năng của cấu trúc microgrid này tương tự cấu hình microgrid kết hợp AC-DC, với khả năng quản lý lưu trữ năng lượng dễ dàng hơn Tuy nhiên, việc lưu trữ năng lượng phải được tập trung tại điểm thích hợp của microgrid Vì vậy cấu trúc microgrid

này có thể hữu ích trong những cơ sở năng lượng tập trung, điển hình là khu dân cư có năng lượng cộng đồng

1.3.5 Cấu trúc MicroGrid DC - khu vực

Trong cấu trúc micro DC – khu vực, một số trạm cấp nguồn DC được kết nối tập trung với bus AC chính thông qua bộ chuyển đổi AC/DC hai chiều

Hình 1.12 Cấu trúc mô hình microgrid DC-khu vực

Sơ đồ cấu trúc điển hình của mô hình này được trình bày như hình trên Nguồn phân tán và tải được kết nối với các bộ cấp nguồn DC Trong mô hình này, bộ cấp nguồn DC

có thể cung cấp các mức điện áp khác nhau, cải thiện hiệu suất của microgrid

Cấu trúc microgrid này có những ưu điểm và nhược điểm giống như microgrid DC, nhưng microgrid DC-khu vực cho phép các trạm phân phối DC có điện áp khác nhau và được quyền lựa chọn kỹ thuật quản lý trên mỗi trạm phân phân phối DC Hạn chế chính của cấu trúc này sự phức tạp gia tăng do sự liên kết giữa các nguồn cấp dữ liệu Microgrid này có thể phù hợp cho các cơ sở yêu cầu chất lượng điện áp và độ tin cậy cao nhất

1.3.6 Cấu trúc Microgrid sử dụng máy biến áp thể rắn ( Cấu trúc Microgrid chuyển đổi trạng thái ) [12]

Solid State Transformer (SST) hay còn gọi là máy biến áp thể rắn, nó thường được biết đến với ứng dụng cao trong hệ thống smart grid SST có những đặc điểm như có thể

trao đổi năng lượng hai chiều, cách ly về điện, sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất

kết hợp máy biến áp tần số cao Hơn nữa, có thể điều khiển dòng điện, điện áp đầu ra

chủ động Có tính năng bảo về quá dòng, ngắn mạch và có kích thước nhỏ gọn hơn so

với máy biến áp truyền thống

Hình 1.13 Cấu tạo máy biến áp thể rắn

SST là bộ chuyển đổi năng lượng đầu ra kép đầu vào đơn Giai đoạn đầu tiên, bộ

chuyển đổi AC/DC cung cấp điện áp không đổi và quản lí dòng điện chảy vào lưới Tiếp

theo, bộ chuyển đổi DC/DC điều chỉnh mức điện áp theo yêu cầu của tải DC Giai đoạn

cuối cùng là bộ chuyển đổi DC tạo ra điện áp chất lượng cao cho trạm AC để cung cấp

theo yêu cầu tải AC

Trong kiểu mô hình này, biến áp tần số của lưới được thay thế bằng biến áp thể rắn

(SST) SST có thể sử dụng máy biến áp tần số cao, giảm về cả kích thước và trọng lượng

liên quan đến máy biến áp tần số của lưới và có thể cung cấp nguồn cấp AC và DC cho

microgrid Ngoài ra, SST có thể quản lý luồng năng lượng giữa các bộ cấp nguồn và

lưới Tải AC được kết nối trực tiếp với trạm AC và tải DC được kết nối với trạm DC

Các máy phát phân tán khuyến khích được kết nối với bộ nạp DC , vì về mặt thiết kế

điện và thuật toán điều khiển sẽ đơn giản và mạnh mẽ hơn

Mô hình microgrid sử dụng máy biến áp thể rắn có các ưu điểm sau: năng lượng chất

lượng cao, thiết kế về mặt điện tử đơn giản, kết nối tải đơn giản, tương thích với tải lưới

AC và quản lý tối ưu các thiết bị lưu trữ năng lượng Bên cạnh đó cũng tồn tại nhược

điểm đó là máy biến áp trạng thái rắn, vì nó là bộ chuyển đổi điện nối tiếp nên làm giảm

độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống

Hình 1.14 Cấu trúc mô hình microgrid sử dụng máy biến áp thể rắn

1.4 Đặc điểm của MicroGrid

Một microgrid có thể vận hành ở cả hai trạng thái: trạng thái bình thường (nối lưới)

và trạng thái cách li (độc lập) Thông thường các microgrid vận hành trong trạng thái kết nối lưới trừ trường hợp sự cố Vì vậy lợi ích của các microgrids sinh ra chủ yếu trong trạng thái này Để có thể vận hành lâu dài trong chế độ độc lập, microgrid phải thỏa mãn các yêu cầu cao về dung lượng lưu trữ và công suất phát của các nguồn phân tán để đảm bảo cấp điện liên tục hoặc phải thực hiện sa thải phụ tải phù hợp

1.4.1 MicroGrid ở chế độ nối lưới

Hệ thống Microgrid ở chế độ nối lưới có thể chuyển đổi kết nối giữa các nguồn điện phân tán và lưới điện chính để cung cấp năng lượng cho tải

Ở chế độ này, việc kết nối lưới tại điểm kết nối chung PCC phải đảm bảo các tiêu chuẩn quốc gia về chất lượng điện năng Kết nối song song của máy phát điện được

quản lý bởi các tiêu chuẩn quốc gia [13] Các tiêu chuẩn yêu cầu là việc kết nối phải

đảm bảo điện áp kết nối tại điểm kết nối chung PCC, cũng như đảm bảo chất lượng điện năng như giới hạn độ méo dạng sóng hài THD (total harmonic distortion) là nhỏ

1.4.2 MicroGrid ở chế độ tách lưới

Ở chế độ này, tải được cấp năng lượng hoàn toàn từ các nguồn phân tán thông qua các bộ chuyển đổi công suất trong hệ thống Microgrid khi lưới điện chính bị ngắt kết nối

Khi lưới điện chính bị sự cố hệ thống phải cô lập để bảo vệ hệ thống microgrid Trong chế độ này các bộ biến đổi công suất sẽ đảm nhiệm vai trò duy trì điện áp và tần

số, trong điều kiện có sự mất cân bằng về phụ tải và chất lượng điện năng suy giảm Do

sự suy giảm công suất từ nguồn cung cấp, nên trong trường hợp này, lưới Microgrid có thể sẽ sa thải một số phụ tải không quan trọng để đảm bảo sự ổn định và chất lượng cung cấp điện cho hệ thống Microgrid Trong trường hợp muốn đảm bảo sự cung cấp liên tục

ở phía tải, phải lưu ý đến việc tính toán công suất phát và dự trữ của nguồn phân tán trong hệ thống

1.5 Phân bố trào lưu công suất trong Microgrid

1.5.1 Mục đích của việc phân bố trào lưu công suất

Nghiên cứu phân bố công suất tức là phân bố dòng tải, là một phần rất quan trọng trong phân tích hệ thống điện Nó rất cần thiết để quy hoạch, vận hành kinh tế và điều khiển hệ thống điện hiện hữu cũng như quy hoạch mở rộng trong tương lai Nội dung của bài toán là xác định các giá trị biên độ và góc pha của điện áp ở mỗi nút và giá trị công suất tác dụng và phản kháng trên mỗi đường dây để phục vụ cho mục đích tính tổn thất điện áp, tính tổn thất công suất và tổn thất điện năng để phục vụ quy hoạch, thiết kế

và vận hành lưới điện

Khi quy hoạch thiết kế, việc chọn các sơ đồ và thiết bị phân phối như: dây dẫn, điện kháng, thiết bị bù, thiết bị đóng cắt và bảo vệ … phải đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật

cụ thể là: có khả năng tải công suất theo yêu cầu của phụ tải ở chế độ bình thường và sự

cố, điện áp các nút nằm trong rào điện thế quy định ∆P và ∆S là hai chỉ tiêu kinh tế quan trọng tham gia vào hàm mục tiêu kinh tế để lựa chọn phương án tối ưu

Trong vận hành phải kiểm tra thiết bị về điều kiện kỹ thuật, điền kiện phát nóng, điều kiện tổn thất điện áp và điều kiện kinh tế Nếu các điều kiện này bị vi phạm thì cần có biện pháp cải tạo hay đề ra phương án vận hành lưới thích hợp

1.5.2 Thuật toán

Hai phương pháp Gauss-seidel và Newton-Raphson là hai thuật toán giải phương trình phi tuyến với một hoặc n ẩn bằng cách lặp thông thường Hai phương pháp đều có

điểm chung là thay thế liên tiếp các giá trị nghiệm trong vùng lân cận cho đến khi giá trị nghiệm tìm được có sai số bé nhất ( xấp xỉ bằng không)

1.5.2.1 Gauss-seidel

Cho phương trình phi tuyến f(x)

Giải, tìm nghiệm của phương trình này bằng cách viết lại như sau:

1.5.2.2 Newton-Raphson

Đây là phương pháp giải nghiệm xấp xỉ trên cơ sở chưa biết giá trị nghiệm ban đầu, và sử dụng khai triển chuỗi Taylor mở rộng

Cho phương trình phi tuyến f(x) = c

Nếu x(0) là giá trị xấp xỉ ban đầu của quá trình giải bài toán, và Δx(0) là sai số từ quá trình giải thì: f(x(0) + Δx(0)) = c

Áp dụng phương pháp khai triển Taylor cho hàm số f(x(0) + Δx(0)) ta có:

f(x(0)) + (𝑑𝑓

𝑑𝑥)(0) Δx(0) + 1

2!(𝑑2𝑓

𝑑𝑥2)(0) (Δx(0))2 +…= c Giả sử rằng sai số Δx(0) là rất nhỏ, không xét đến thành phần bậc cao hơn, kết quả như sau:

Ưu điểm của phương pháp này là có thể giải được phương trình tổng quát và bất chấp giá trị x ban đầu được chọn nằm trong vùng phân kỳ, giá trị thu được sẽ được hội

tụ tại điểm có nghiệm gần nhất

1.6 Ưu điểm, nhược điểm và những thách thức của MicroGrid

1.6.1 Ưu điểm của MicroGrid

Đảm bảo độ tin cậy của hệ thống điện: khi phụ tải bị ngưng cấp điện có thể gây ra những tổn thất rất lớn về mặt kinh tế Sự kết hợp giữa Microgrid và lưới điện chính làm giảm căng thẳng cho lưới điện trong khung giờ cao điểm Nó xem như nguồn điện dự phòng nếu lưới điện chính bị sập, giúp duy trì hoạt động của các cơ sở quan trọng như

là trường học, nhà máy nước và trạm xăng Hơn nữa, nó có thể là nguồn điện chính cho các vùng cao mà cơ sở hạ tầng của lưới điện lực chưa thể đáp ứng được

Tạo doanh thu nhờ bán năng lượng Microgrids có thể cung cấp nguồn doanh thu cho khách hàng của họ Họ có doanh thu bằng cách bán năng lượng trở lại lưới điện Điều này mang đến cho người tiêu dùng một loại kiểm soát mới trong thị trường năng lượng Họ không những tiêu thụ năng lượng, mà còn có thể sản xuất và kiểm soát nó thông qua các ứng dụng

Thúc đẩy tăng trưởng kinh tế Microgrids giúp ngăn ngừa mất điện cho xí nghiệp sản xuất, vẫn đảm bảo tính liên tục làm việc trong thời gian bị gián đoạn

Thúc đẩy năng lượng tái tạo, đồng thời tạo ra nhiều việc làm ở địa phương hơn Nhiều người quan tâm đến việc theo đuổi các mục tiêu năng lượng sạch sẽ giúp ích cho môi trường Microgrids có thể bao gồm một loạt các nguồn sản xuất năng lượng xanh, như gió và mặt trời, giúp cắt giảm lượng khí thải carbon và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch

Tăng cường an ninh mạng Cấu trúc phân tán của một microgrid làm cho nó có khả năng chống lại các cuộc tấn công mạng nhiều hơn Hơn nữa, microgrids có thể được lắp đặt nhanh hơn các nhà máy điện truyền thống, giúp đáp ứng nhu cầu công cộng nhanh hơn

Xanh hóa thảm thực vật: Năng lượng mặt trời mà lưới Microgrid mang lại xuất hiện hầu hết ở những khu vực có cường độ ánh sáng cao và khí hậu khắc nghiệt, đồng nghĩa với thảm thực vật ở nơi này vô cùng khô cháy và đất đai cằn cỗi Sự che phủ của hệ thống tấm pin mặt trời giúp cho xanh hóa thảm thực vật phía bên dưới, cái thiện nông

nghiệp, giảm lượng khí CO2 đồng thời thay đổi khí hậu tại khu vực theo hướng tích cực hơn

1.6.2 Nhược điểm của MicroGrid

Lưới Microgrid dần phát triển và mở mộng trong bối cảnh phát triển năng lượng sạch và năng lượng tái tạo thay thế cho các năng lượng sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch truyền thống gây ô nhiễm môi trường là xu hướng phát triển năng lượng điện của tất cả quốc gia hiện nay Tuy nhiên, song song với những ưu điểm của lưới Microgrid đã nhắc đến ở trên là những mặc hạn chế đi cùng đáng quan tâm đến, nó ảnh hưởng đến các yếu

tố mà một lưới điện hòa với nhau không thể không nhắc đến:

Không thể tạo ra một lượng lớn điện ở một nơi: lưới Microgrid hiện nay mặc dù

đã cung cấp nguồn năng lượng cho hệ thống điện quốc gia, sản lượng điện tăng nhanh qua các năm Tuy nhiên, để tạo ra công suất lớn trên một vùng diện tích là vấn đề còn nhiều khó khăn, địa hình khai thác năng lượng Để đáp ứng hệ thống trên diện rộng cần đáp ứng đủ diện tích lắp đặt trên diện rộng, đó là một khó khăn mở rộng cũng như xây dựng hệ thống tập trung theo vùng, khó quy hoạch tập trung và khó có sản lượng điện như truyền thống

Đồng bộ hóa với lưới chính: Để lưới Microgrid và lưới điện quốc gia hòa đồng bộ với nhau, lưới Microgrid phải đảm bảo yếu tố tần số và góc lệch pha trùng với lưới chính, để thực hiện được điều đó, năng lượng điện sinh ra cần được xử lý bởi các bộ biến đổi công suất, khá tốn kém kinh phí đầu tư

Cung cấp năng lượng thất thường: Tuy Microgrid là một nguồn dự phòng đáng tin cậy và liên tục cho lưới điện chính, nhưng nguồn phát phụ thuộc hoàn toàn vào yếu tố môi trường, nên năng lượng tạo ra có biên độ không cố định

Ảnh hưởng của tua bin gió trong quá trình hoạt động: Trong quá trình hoạt động

âm thanh của tuabin gió làm cho khu vực bị ô nhiễm tiếng ồn, và hệ thống đòi hỏi nơi làm việc phải nằm xa khu dân cư và lượng gió lớn, không bị gián đoạn Điều này gây ra trở ngại cho quá trình vận chuyển và lắp đặt lưới Microgrid

Rác thải công nghệp của hệ thống PV: Pin năng lượng mặt trời được biết đến như thiết bị độc nhất và hiệu quả cao đến thời điểm hiện tại trong mảng năng lượng mặt trời Tuy nhiên, sau vài chục năm hoạt động (từ 25-30 năm) sẽ trở thành phế phẩm, và đáng chú ý hơn, xử lý hoặc tái chế loại rác thải này vô cùng tốn kém và gây ô nhiễm môi

trường, đây là vấn đề mà các doanh nghiệp sản xuất PV đều đang cố gắng tìm ra quy trình xử lý tốt nhất

1.6.3 Những thách thức của MicroGrids

Microgrids đại diện cho một sự thay đổi trong mô hình phân phối năng lượng và gọi là hệ phân tán, khả năng hoạt động ở chế độ độc lập, microgrids có thể duy trì nguồn điện ngay cả khi lưới điện chính bị hỏng Microgrids cung cấp năng lượng sạch cho các địa phương chưa có điều kiện cơ sở hạ tầng phát triển, cải thiện sự ổn định Xong, nó vẫn còn mắt kẹt bởi những thách thức đáng chú ý sau:

Những thách thức công nghệ phải đối mặt trong quá trình vận hành và triển khai microgrids Quá trình đóng ngắt kết nối bộ nạp từ các hệ thống tiện ích gây ra dòng trong microgrids có thể cao hơn nhiều so với các bộ phận gặp phải trong các hệ thống phân tán, nó có thể làm hỏng các thiết bị bảo vệ, đóng ngắt Đây là một mối quan tâm lớn trong quá trình vận hành độc lập Do vậy, có thể dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng cho lưới điện nếu không hiểu rõ hệ thống và cách vận hành

Khi khởi động microgrid ở chế độ độc lập, hệ thống dòng điện xâm nhập có thể gây ra sai lệch đáng kể về tần số và điện áp hệ thống Điều này có thể khiến các máy phát điện bị ngắt và chuyển sang chế độ ngoại tuyến trong giai đoạn ban đầu Các kỹ thuật giảm thiểu liên quan đến phân tích chuyên biệt về các loại máy phát được chọn để cung cấp năng lượng cho microgrid trong tình huống độc lập và tái cấu trúc các điều khiển của chúng cho các ứng dụng microgrid Hơn nữa, bảo vệ phải có khả năng phân biệt các thay đổi năng lượng với các thay đổi liên quan đến lỗi Điều này chỉ xảy ra thông qua thiết kế chu đáo và với sự hiểu biết kỹ lưỡng về hệ thống

Cân bằng giữa công suất máy phát và tải cũng phải được duy trì liên tục trong suốt quá trình hoạt động của microgrid độc lập Thay đổi tải, đặc biệt là tải khối lớn, có thể

có tác động mạnh mẽ hơn đến sự ổn định chung trên hệ thống độc lập so với khi kết nối lưới Điều này được gây ra bởi sự thay đổi tải thường là phần trăm lớn hơn nhiều so với công suất đầu ra Sau đó, việc tạo ra phải được lựa chọn có chủ ý và hệ thống điều khiển microgrid phải có đủ khả năng giám sát sự ổn định của hệ thống và điều phối / sản xuất máy phát điện khi cần thiết để duy trì sự ổn định của hệ thống

Một thách thức với sản xuất điện mặt trời phân tán là vấn đề lưu trữ Thông thường, các chủ sở hữu pin mặt trời sử dụng lưới điện như một hệ thống lưu trữ, họ bán phần điện năng dư thừa lên lưới khi có thể và mua lại từ lưới để bù đắp cho phần thiếu hụt

Đây thường là cách đơn giản và rẻ nhất Tuy nhiên, việc thêm chi phí cho ắc quy vào chi phí ban đầu của hệ thống năng lượng mặt trời để dừng hoàn toàn việc sử dụng điện

từ lưới khiến cho giá điện cao hơn đáng kể so với mua điện thông thường từ lưới điện [8] Những thay đổi khác trong ngành sẽ chỉ làm nghiêm trọng thêm các vấn đề tài chính Chẳng hạn, trong quá khứ, các công ty điện lực có thể trông cậy vào các bộ phận của lưới điện có thời gian khấu hao dài Nhưng lưới điện thông minh phụ thuộc vào các linh kiện điện tử, chẳng hạn như công tơ điện thông minh điều khiển bởi phần mềm, có tuổi thọ ngắn hơn và yêu cầu nâng cấp thường xuyên hơn nhiều