Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết này đề xuất và xây dựng chiến lược vận hành cho mô hình tích hợp của nhiều dạng năng lượng khác nhau ở quy mô nhỏ bao gồm điện năng, khí tự nhiên, điện mặt trời, gió, tích trữ, làm mát, gia nhiệt và đặc biệt có xét đến hệ thống phát điện nhiệt thải dựa trên chu trình Rankine hữu cơ (ORANIC RANKINE CYCLE - ORC).
TNU Journal of Science and Technology 227(08): 417 - 426 OPTIMIZING OPERATION OF MICRO-ENERGY NETWORK BASED ON COMBINED COOLING, HEATING AND POWER (CCPHP) MODEL, EXTENDING TO ENERGY-HEAT GENERATOR WITH THE USE OF ORGANIC RANKINE CYCLE (ORC) Pham Thi Hong Anh1*, Pham Thi Ngoc Dung2 1TNU 2TNU - University of Information and Communication Technology - University of Technology ARTICLE INFO ABSTRACT Received: 04/3/2022 The Combined Cooling, Heating and Power model (CCHP) is considered the foundation for forming an integrated network of different types of energy – including the Energy Hub (EH) model This paper proposes and develops an operating strategy for an integrated model of many different forms of energy at a small scale, including electricity, natural gas, solar power, wind, storage, cooling, heating and particularly the waste heat generation system based on the Organic Rankine Cycle (ORC) The optimization problem is set up with a multi-objective function to minimize primary energy consumption and carbon emissions Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm is used to solve the problem of optimizing the operation of each element in the model Finally, comparative analysis of the proposed model with the Micro grid (MG) is performed to show the advantages in saving energy and reducing emissions Revised: 29/5/2022 Published: 31/5/2022 KEYWORDS Micro – energy networks Natural gas Electricity Optimal operation Energy hub CCHP VẬN HÀNH TỐI ƯU MẠNG LƯỚI NĂNG LƯỢNG SIÊU NHỎ TRÊN CƠ SỞ MƠ HÌNH LÀM MÁT, GIA NHIỆT KẾT HỢP NĂNG LƯỢNG ĐIỆN (COMBINED COOLING, HEATING AND POWER - CCHP) MỞ RỘNG CÓ XÉT ĐẾN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN – NHIỆT DỰA TRÊN CHU TRÌNH RANKINE HỮU CƠ (ORGANIC RANKINE CYCLE - ORC) Phạm Thị Hồng Anh1*, Phạm Thị Ngọc Dung2 1Trường 2Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông – ĐH Thái Nguyên Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Ngun THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Mơ hình làm mát, sưởi ấm kết hợp lượng điện (Combined Cooling, Heating and Power - CCHP) xem sở ban đầu Ngày hoàn thiện: 29/5/2022 cho việc xây dựng hình thành nên mạng lưới tích hợp dạng lượng khác - có mơ hình Energy Hub (EH) Bài Ngày đăng: 31/5/2022 báo đề xuất xây dựng chiến lược vận hành cho mơ hình tích hợp nhiều dạng lượng khác quy mô nhỏ bao gồm TỪ KHĨA điện năng, khí tự nhiên, điện mặt trời, gió, tích trữ, làm mát, gia nhiệt Mạng lượng siêu nhỏ đặc biệt có xét đến hệ thống phát điện nhiệt thải dựa chu trình Rankine hữu (ORANIC RANKINE CYCLE - ORC) Bài tốn tối Khí tự nhiên ưu thiết lập với hàm đa mục tiêu giảm thiểu tiêu thụ Năng lượng điện lượng sơ cấp phát thải Carbon Thuật toán tối ưu bầy đàn (Particle Vận hành tối ưu Swarm Optimization - PSO) sử dụng để giải vấn đề tối Trung tâm Năng lượng ưu hoạt động phần tử mơ hình Cuối cùng, thực phân tích so sánh mơ hình đề xuất với lưới điện siêu nhỏ (Micro grid CCHP – MG) để làm rõ lợi việc tiết kiệm lượng giảm lượng khí thải mơi trường DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.5611 Ngày nhận bài: 04/3/2022 * Corresponding author Email: pthanh@ictu.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 417 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 417 - 426 Giới thiệu Trước vấn đề ngày cộm cạn kiệt lượng (NL), ô nhiễm mơi trường biến đổi khí hậu; hệ thống mạng lưới NL phân tán lấy nguồn NL làm chủ đạo ngày quan tâm nhiều Năm 2011, học giả người Mỹ Jeremy Rifkin lần đưa tầm nhìn mạng lưới NL (Energy internet - EI) “Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 3” [1] để tăng cường xây dựng mạng lưới NL cách toàn diện, tương tác kết hợp dạng NL khác NL điện, khí, nhiệt, lạnh trở thành điểm nóng nghiên cứu [2]-[4] Hệ thống làm mát, sưởi ấm kết hợp NL điện (Combined Cooling, heating and power - CCHP) tuabin khí mơ hình sở cho việc xây dựng tích hợp trung tâm NL (Energy Hub – EH) Trên quan điểm đó, khái niệm mơ hình mạng lưới điện phân tán siêu nhỏ (Micro grid – MG) dần chuyển thành Micro Energy networks (MEN) [5]-[7] Một số nghiên cứu điển hình như: X D Xue, (2016) thiết lập mô hình đa mục tiêu cho CCHP, sử dụng thuật tốn di truyền để tối ưu hóa cơng suất thiết bị hệ thống chế độ vận hành, đồng thời phân tích tác động giá NL lưu trữ NL đến lợi ích chung [8] Trên sở phân tích hội mà việc nghiên cứu phát triển hệ thống CCHP phân tán phải đối mặt, nhóm tác giả M Geidl G Andersson, (2003) đề xuất mơ hình phối hợp hiệu với hệ thống điện [9]; Z Chen đồng xây dựng mơ hình hệ thống đồng phát dựa lý thuyết mơ hình EH, đưa ba chế độ hoạt động tách hoàn toàn, ghép phần ghép hoàn toàn hệ thống NL [10]; nhóm nghiên cứu M Arnold, R Negenborn, G Andersson, (2010) thiết lập mơ hình lập trình tuyến tính số ngun hỗn hợp cho cấu hình tối ưu phối hợp cơng suất hệ thống CCHP đa vùng dựa ràng buộc cân NL mơ hình mạng lưới nhiệt [11]; Tương tự, tác giả X Zhao đồng đề xuất mơ hình quy hoạch với độ tin cậy tối ưu kết nối NL điện khí tự nhiên trung tâm NL [12], đồng thời chứng minh hiệu thơng qua mơ phỏng, qua cho thấy việc nghiên cứu kết hợp làm mát, sưởi ấm, điện khí đốt cần thiết Tuy vậy, mục tiêu nghiên cứu giới hạn hệ thống CCHP mà khơng tính đến việc tiếp cận nguồn NL khác EH cho phép kết nối nhiều dạng NL khác NL mặt trời, gió thiết bị lưu trữ vào CCHP Cụ thể, phân tích chế độ hoạt động đánh giá số hệ thống sau kết nối bổ sung NL mặt trời [13] ; thiết lập mô hình tốn học để tối ưu hóa hệ thống lưu trữ cắt giảm đỉnh đồ thị phụ tải, đồng thời tiến hành phân tích sở giảm thiểu chi phí NL [14] Tuy nhiên, nghiên cứu chưa xem xét đến khía cạnh NL mơi trường; Một số nghiên cứu khác lấy mơ hình EI làm tảng để nghiên cứu mối quan hệ chuyển hóa tương đương dạng NL khác [15] –[17], qua xem xét tỷ lệ hiệu loại hình NL sử dụng thuật tốn bầy đàn chưa xét đến chuyển đổi nhiệt điện Với mơ hình EI, kết nối đa NL trở thành xu hướng phát triển tất yếu Thêm vào đó, tiến vượt bậc mặt cơng nghệ nguồn phân tán yếu tố dẫn đến phát triển MEN Trên sở nghiên cứu đầy đủ trước mơ hình CCHP, nghiên cứu tiến hành bổ sung thêm hệ thống phát điện – nhiệt dựa chu trình Rankine hữu (Oranic Rankine Cycle - ORC) nhằm tái sử dụng lượng nhiệt dư thừa, đồng thời kết hợp với hai dạng nguồn NL mặt trời gió Mỗi dạng NL kết hợp qua EH tạo thành trung tâm NL vi mơ truyền dẫn, chuyển đổi lưu trữ Tiếp theo, vấn đề tối ưu hóa xem xét cách tồn diện cách thiết lập mơ hình tốn học phần tử, phân tích chiến lược điều khiển chế độ vận hành chúng để tiến tới tối ưu đa mục tiêu bao gồm: chi phí kinh tế, mức NL tiêu thụ phát thải môi trường Cuối phần thảo luận hướng nghiên cứu Mạng NL siêu nhỏ (Micro Energy Networks – MEN) 2.1 Cấu trúc MEN định nghĩa hệ thống cung cấp NL tồn diện quy mơ nhỏ tích hợp nhằm liên kết, chuyển đổi, ghép nối, lưu trữ NL với mục tiêu làm cải thiện tỷ lệ sử dụng http://jst.tnu.edu.vn 418 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 417 - 426 NL, giảm chi phí cho người sử dụng giảm thiểu nhiễm mơi trường (Hình 1) Thực chất MEN phát triển dựa tảng cấu trúc trung tâm lượng (Energy hub, EH) NL MEN khí tự nhiên, tận dụng triệt để NL tái tạo NL mặt trời, NL gió NL sinh khối, giảm thiểu việc sử dụng NL hóa thạch truyền thống than đá dầu mỏ, đáp ứng yêu cầu nhiều loại hình phụ tải như: tải làm mát, nhiệt, điện khí theo yêu cầu người sử dụng Đồng thời, MEN sử dụng điện chức lưu trữ nhiệt để cải thiện đặc tính ổn định việc cung cấp NL MEN hoạt động độc lập, không đáp ứng nhu cầu phụ tải sản lượng NL dư thừa, kết nối với mạng NL để hồn thành q trình truyền – chuyển đổi NL NL GIĨ Micro Energy Networks NL MẶT TRỜI Điều khiển trung tâm NL SƠ CẤP PHỤ TẢI Energy Networks Tải nhiệt HT Nhiệt Tải Điện HT Điện Tải Khí HT Khí tự nhiên MICRO-TURBINE NL Hóa thạch NL Gió NL Mặt trời Thủy NL Sinh khối ENERGY HUB Kết nối lượng hỗn hợp ES PV ORC , PHÁT ĐIỆN NHIỆT MẶT TRỜI Khí tự nhiên EC, HC HS GAS ĐIỆN NĂNG PV: Photovoltaic Solar Energy NHIỆT NĂNG ES: Electrical Storage KHÍ GAS Hình Cấu trúc MEN TẢI LẠNH TẢI NĨNG LỊ ĐỐT NL SINH KHỐI Dịng chảy lượng Tín hiệu thơng tin TẢI ĐIỆN CẤP KHÍ GAS HS: Heat Storage Hình Xây dựng mơ hình tích hợp EH sở CCHP Bài báo đề xuất cấu trúc trung tâm kết nối nhiều dạng NL khác hình Trong đó, mơ hình CCHP truyền thống cải tiến nâng cấp dựa ORC xem xét trình xử lý nhiệt Đồng thời, mơ hình bổ sung thêm dạng nguồn NL tái tạo hệ thống lưu trữ NL Do hạn chế định việc phát triển sử dụng NL thủy điện địa nhiệt, để thuận tiện cho việc mô tả, số nguồn NL tái tạo điển NL gió, NL sinh khối NL mặt trời lựa chọn NL gió trực tiếp chuyển đổi thành NL điện EW thơng qua turbine sản xuất điện gió; NL sinh khối chuyển đổi thành khí sinh học đưa vào bình lưu khí sau lọc NL mặt trời sử dụng cho phát điện thu nhiệt Các dạng đầu tương ứng NL điện EPV điện nhiệt QPV; Tua bin khí tạo NL điện EMT lượng nhiệt lại sau trình phát Hình cho thấy nhiệt cịn lại Qre khí thải Microtubine (MT) sử dụng tiếp cho tạo nhiệt ORC để tạo NL điện (Qre1), phần nhiệt lại Qre2 kết hợp lượng nhiệt chuyển hóa từ mặt trời QPV, nhiệt từ lò đốt QGS để cung cấp cho tải nóng, cho chuyển đổi nhiệt – lạnh (dàn lạnh hấp thụ) nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng đa dạng Tải làm mát kết nối với thiết bị lưu trữ nhiệt để thực việc lưu trữ giải phóng NL nhiệt; tải cung cấp máy làm lạnh hấp thụ máy làm lạnh điện (công suất đầu vào ECOOL) nhằm hỗ trợ, bổ sung cơng suất cho Mơ hình EH đề xuất bao gồm nhiều dạng NL khác nhằm kết nối đáp ứng đa dạng loại hình phụ tải Đặc biệt, mơ hình mở rộng nội hàm bổ sung thiết bị ORC giúp tận dụng tối đa lượng nhiệt thứ cấp Microturbine Qua cho thấy, EH khơng thiết bị chịu trách nhiệm truyền chuyển hóa NL mà tạo thành lõi điều khiển bổ sung nhiều dạng NL khác kết nối với trung tâm điều khiển EH điều chỉnh dịng NL theo thời gian thực đáp ứng nhanh với thay đổi hệ thống Đây coi xu hướng phát triển EI 2.2 Chu trình Rankine hữu (ORC) Theo [18], hệ thống tuần hồn mơi chất hữu (ORC) (hình 3) giải pháp hiệu việc tận dụng nhiệt thải trung bình thấp để sản xuất điện ORC sử dụng loại http://jst.tnu.edu.vn 419 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 417 - 426 chất hữu làm môi chất tuần hồn cho hệ thống, thích hợp cho việc ứng dụng thu hồi nguồn nhiệt thải NL thấp NL sinh khối, lượng nhiệt thải sau turbine khí.v.v Từ nhiều năm trước, mơi chất hữu có nhiệt độ sôi thấp quan tâm, nghiên cứu ứng dụng như: Benzen (C6H6, C6H5CH3, R123, R113) ngành cơng nghiệp đóng tàu, xi măng, lọc hóa dầu Nhiệt độ thấp chuyển đổi thành cơng hữu ích chuyển đổi trực tiếp sang điện Đây giải pháp đơn giản hiệu để tận dụng nguồn nhiệt thải dồi chưa sử dụng để chuyển thành điện mà không phát thải CO2, giúp doanh nghiệp sản xuất giảm chi phí NL, mang lại lợi ích kinh tế góp phần bảo vệ môi trường, hướng đến mục tiêu phát triển bền vững Nguyên lý làm việc chu trình Rankine hữu giống chu trình Rankine: chất lỏng làm việc bơm (Pump) bơm đến lò (Boiler), nơi làm bay hơi, qua thiết bị giãn nở (Sự giãn nở turbine)và sau qua trao đổi nhiệt bình ngưng (Condenser), nơi cuối ngưng tụ lại Hình Sơ đồ ngun lý chu trình ORC Mơ hình tốn học 3.1 Energy hub L1 c11 c12 c1m P1 L c = 21 c22 c2 m P2 cnm Pm Ln cn1 cn (1) Khái niệm cấu trúc EH giới thiệu nghiên cứu [16]; cách tổng quát, EH xem nút mạng lưới NL với nhiều đầu vào đầu Trong đó: P, L ký hiệu NL đầu vào, dạng NL tương ứng Bản chất EH mô tả mối quan hệ chức đầu vào/ra MEN Ma trận ghép nối (1) sử dụng đại diện cho trạng thái ổn định lý tưởng EH: L = CP (2) Trong đó: Li (i = 1,2,…, n) đầu dạng NL thứ i; Pj (j = 1,2,…, m) NL đầu vào thứ j; cij hệ số ghép nối, thường bao gồm hai phần: hệ số phân phối hiệu suất Khi yếu tố phi tuyến xuất hiện, hệ số ghép cij khơng cịn số xác định mà hàm mức NL đầu vào, thời gian chạy, điều kiện môi trường yếu tố khác Ma trận ghép nối (1) khơng phải hệ phương trình đại số tuyến tính đơn giản, có thay đổi tương ứng với thay đổi điều kiện bên ngồi, hình thức tn theo cơng thức không ảnh hưởng nguyên lý tối ưu hóa phương pháp giải Nếu xét đến tác động hệ thống lưu trữ NL (đầu mơ hình EH), gọi M ma trận lưu trữ cơng thức viết sau: L + M = CP (3) Trong đó, ma trận M xác định: http://jst.tnu.edu.vn 420 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 417 - 426 M s11 s12 s1m E1 M s = 21 s22 s2 m E2 snm Em M n sn1 sn (4) Trong công thức (4) : Ei (i = 1, 2, , m) khả lưu trữ NL thứ i; sij hệ số ghép nối tích trữ NL ma trận S có tính đến yếu tố thay đổi trạng thái nạp/phóng điện hiệu suất [19], từ ta có cơng thức tổng qt (5): P L = C − S E (5) 3.2 Microturbine (MT) Tua bin khí siêu nhỏ (MT) thiết bị quan trọng để thực chuyển đổi NL EH nguồn điện MEN Hiệu suất bị ảnh hưởng yếu tố tải, nhiệt độ Mơ hình toán sau: EMT = PE GT t EMT GMT = E , MT Q = G MT Q,re re (6) Trong đó, PE, GT sản lượng điện MT; GMT mức tiêu thụ khí; EMT Qre sản lượng điện nhiệt thải thu hồi tuabin khí; ηE, MT ηQ hiệu suất biến đổi điện hiệu suất thu hồi nhiệt tương ứng 3.3 Mơ hình tốn hệ thống phát điện nhiệt thải (nhiệt độ thấp) dựa ORC Sản xuất nhiệt điện thải nhiệt độ thấp dựa ORC bổ sung quan trọng cho MT cách quan trọng để chuyển đổi nhiệt - điện, đóng vai trị quan trọng việc sử dụng chuyển đổi lượng Mơ hình toán: EORC = Qre1Q , re1 (7) Qre1 = QreQ , re Trong đó: EORC NL điện đầu phát điện nhiệt độ thấp dựa ORC; Qre1 nhiệt đầu vào; ηQ, rel hiệu suất chuyển đổi nhiệt - điện giá trị liên quan đến nhiệt độ khí thải, chất lỏng làm việc v.v.; vQ, re hệ số phân phối, giá trị tỷ số nhiệt đầu vào ORC nhiệt thải tuabin khí 3.4 Gas boiler (nồi gas) Nhiệt lượng lị đốt gas sinh có liên quan đến hiệu suất lò hơi: QGS = GGSQ,GS (8) Trong công thức (8): GGS, QGS lượng khí tiêu thụ nhiệt đầu lị hơi; ηQ, GS hiệu suất nhiệt 3.5 Pin lượng mặt trời PV Giả thiết công suất phụ thuộc vào ánh sáng nhiệt độ, ta có: WPV EPV = W 1 + kT (T − Tr ) PE , PV t r W Q = PV 1 + k (T − T ) P t PV T2 r Q , PV W http://jst.tnu.edu.vn 421 (9) Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 417 - 426 Trong đó: EPV QPV cơng suất phát nhiệt lượng thu NL mặt trời; WPV Wr cường độ ánh sáng thực cường độ ánh sáng tham chiếu; T Tr nhiệt độ thực nhiệt độ chuẩn ; PE, PV PQ, PV công suất quang điện công suất thu NL mặt trời cường độ ánh sáng chuẩn nhiệt độ chuẩn; kT1 kT2 hệ số nhiệt độ 3.6 Máy lạnh hấp thụ (HC) Một phần nhiệt hệ thống mơ hình máy làm lạnh hấp thụ cung cấp trực tiếp cho chất tải nhiệt phần chuyển thành nhiệt lạnh đáp ứng nhu cầu sử dụng điều chỉnh với thiết bị lưu trữ nhiệt lạnh Mơ hình tốn: QHC = QACQ,AC QAC = ( Qre2 + QPV + QGS )Q,AC Qre2 = (1 − Q,re )Qre (10) Trong đó: QHC QAC công suất làm lạnh đầu nhiệt đầu vào thiết bị làm lạnh hấp thụ; ηQ, AC hiệu suất chuyển đổi từ nhiệt sang làm lạnh; Qre2 nhiệt dư tuabin khí loại bỏ khỏi phần phát điện; vQ, AC hệ số phân phối 3.7 Máy làm lạnh sử dụng điện Thiết bị làm lạnh cung cấp chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ hiệu suất NL kiểu máy Mơ tả tốn học sau: QEC = ECOOLEC (11) QEC nhiệt lượng đầu ra; ECOOL ηEC điện đầu vào hiệu suất chuyển đổi máy lạnh 3.8 Hệ thống tích trữ Các hệ thống lưu trữ giúp ổn định điều hịa NL mơ hình MEN Nghiên cứu đề xuất sử dụng lưu trữ điện nhiệt [19], chúng mô tả sau: EOUT Esrore (k + 1) = Estore (k )(1 − E , IN ) + EIN E , IN − E OUT Q OUT Q (k + 1) = Q (k )(1 − ) + Q store Q , IN IN Q , IN − srore Q.OUT (12) Trong đó, Estore(k) Qstore(k) điện nhiệt tích trữ thời điểm k; μE, IN μQ, IN hệ số tổn thất lưu trữ điện nhiệt lưu trữ; EIN , EOUT, QIN, QOUT NL tích điện, phóng điện, tích trữ nhiệt tỏa nhiệt; ηE, IN, ηE, OUT, ηQ, IN, ηQ, OUT tương ứng với hiệu xuất Sạc/xả Vận hành tối ưu MEN Trong MEN, nguồn phân tán (gió, mặt trời…) dễ bị ảnh hưởng yếu tố tự nhiên thời tiết, nhiệt độ… dẫn đến khó kiểm sốt cơng suất đầu Các giải pháp thông thường ưu tiên sử dụng cố gắng khai thác chúng mức tối đa Khí gas sử dụng Turbine khí nồi thuộc lượng sạch, nhiễm so với lượng hóa thạch truyền thống nên coi NL để đáp ứng nhu cầu tải Trong báo này, giả định MEN kết nối với lưới điện lượng bên sử dụng ưu tiên Nhu cầu phát điện phụ tải NL tái tạo gió ánh sáng dự đốn dựa liệu lịch sử, nhiệt, điện, nhu cầu tải khí để đạt kế hoạch vận hành tốt Hàm mục tiêu ràng buộc toán học sau: http://jst.tnu.edu.vn 422 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology min y = F ( x) = s.t x G(x)=0 H(x) 227(08): 417 - 426 f ( x), f ( x), , f ( x) T n (13) Trong đó: y hàm mục tiêu; x biến tối ưu hóa; Ω khơng gian nghiệm; fi mục tiêu tối ưu hóa thứ i; G (x) H (x) ràng buộc Kết hợp với trung tâm ghép nối đa NL, biến tối ưu hóa báo trạng thái hoạt động tuabin khí vi mơ lưu trữ NL; mục tiêu tối ưu hóa số kinh tế, số tiêu thụ NL số môi trường 4.1 Các số đánh giá 4.1.1 Chỉ số kinh tế Chỉ số kinh tế [20] F1 tính theo năm, chủ yếu bao gồm hệ thống chi phí lắp đặt Cins , chi phí vận hành Co chi phí tiêu thụ NL Cenergy : F1 = Cins + Cop + Cenergy (14) - Trong chi phí lắp đặt Cins xác định sau: n Cins = N Y − (1 + r ) r i i i =1 (15) − mi Trong công thức (15): n số loại thiết bị; Ni số đơn vị thiết bị loại i; Yi chi phí lắp đặt thiết bị tương ứng thứ i; r hệ số chiết khấu, thường lấy 0,1; mi tuổi thọ sử dụng thiết bị Chi phí vận hành hệ thống C0 tính sau, đó: OM, i chi phí vận hành thiết bị thứ i; Ei, h phụ tải theo thiết bị loại i: n C0 p = N O E i i =1 - Chi phí tiêu thụ NL: M ,i (16) i,h h Cenergy = V gas , h pgas + Cele (17) h Trong đó: Vgas , h lượng khí tiêu thụ hàng thiết bị; Pgas giá khí đốt tự nhiên; Cele chi phí mua điện từ lưới điện lớn 4.1.2 Chỉ số tiêu thụ NL Mức tiêu thụ NL sơ cấp NL tiêu thụ sơ cấp tương ứng với mức tiêu thụ khí đốt tự nhiên hệ thống điện mua Tỷ lệ sử dụng NL sơ cấp tỷ lệ tổng NL đầu hệ thống tổng NL tiêu thụ sơ cấp Tỷ lệ sử dụng NL sơ cấp cao hiệu tiết kiệm NL hệ thống tốt Trong báo này, tiêu thụ NL sơ cấp F2 sử dụng làm số tiêu thụ F2 = Egrid e + GIN f NL: (18) Với E grid điện mua từ lưới điện lớn; GIN đầu vào khí gas; e f hệ số chuyển đổi điện mua từ lưới điện lượng sơ cấp tương ứng 4.1.3 Các số môi trường Các tiêu môi trường hệ thống lưới lượng vi mô chủ yếu bao gồm hai phần: phát thải Carbon phát thải Nitơ, báo này, phát thải Carbon sử dụng để đại diện cho F3 = Egrid e,C + GIN f,C tiêu môi trường F3: (19) Với e,C f,C hệ số phát thải Cacbon tương ứng điện lưới mạng khí Gas http://jst.tnu.edu.vn 423 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 417 - 426 4.2 Các ràng buộc Ngoài ràng buộc theo biểu thức tốn học từ (6) đến (12), mơ hình toán cần đáp ứng ràng buộc sau: 4.2.1 Cân tải NL n EN = EGrid + E (20) DG , i i =1 n QL = Q (21) DG , i i =1 Trong đó: EDG ,i NL điện cung cấp thiết bị phân phối thứ i; QL tổng tải làm mát sưởi ấm; QDG ,i NL làm mát sưởi ấm thiết bị phân phối thứ i cung cấp 4.2.2 Công suất giới hạn hệ thống Pi ,min Pi Pi ,max (22) Trong công thức: Pi ,min Pi ,max công suất đầu max dạng NL phân bố cấp thứ i; Pi công suất đầu thực tế NL phân bố cấp i 4.2.3 Giới hạn hệ thống tích trữ t Pstore,min Pstore Pstore,max (23) Pb,min P Pb,max t b (24) Trong công thức: P P tương ứng dung lượng lưu trữ công suất sạc xả thiết bị thời điểm t bất kỳ; Pstore,min Pstore,max dung lượng tối thiểu tối đa thiết bị lưu trữ NL; Pb,min Pb,max công suất sạc xả tối thiểu tối đa thiết bị t store t b Kết tính tốn 5.1 Dữ liệu tính tốn Dữ liệu phụ tải tòa nhà giả định sử dụng để áp dụng mơ hình MEN, diện tích tịa nhà 5000 m2 vùng phủ sóng điều hịa khơng khí 4423 m2 Phần mềm mơ mức tiêu thụ NL tòa nhà sử dụng để lấy liệu làm mát, sưởi ấm tiêu thụ điện hàng năm Do thông tin tiêu thụ lượng tòa nhà trung tâm mua sắm mùa thay đổi tương đối ít, để đơn giản hóa việc tính tốn, thơng tin tiêu thụ lượng ngày điển hình quý chọn làm tham chiếu, xét 24 ngày Biểu đồ phụ tải tham chiếu hình 4; biểu giá lượng tham chiếu hình [21] 3,5 Điện Nhiệt nóng Nhiệt lạnh 3,0 Tải (MW) 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 10 15 20 Thời gian (giờ) 25 Hình Nhu cầu tiêu thụ lượng http://jst.tnu.edu.vn Hình Biểu giá lượng 424 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 417 - 426 Để đơn giản hóa tính tốn làm bật ưu điểm công nghệ ORC, số giả thiết đề cập: Vì nhu cầu tải nhiệt trường hợp nhỏ nhiều so với tải làm mát tải điện, nên liên kết lưu trữ nhiệt lò nhiệt thải bỏ qua trường hợp này; phong điện không xem xét ví dụ này, trường hợp có, mơ hình điện gió kết nối với EH để vận hành; tất lượng mặt trời sử dụng để phát điện… Dựa liệu làm mát, sưởi ấm tải điện, công suất tải tối đa hệ thống 279kW Do đó, cơng suất phát điện tối đa MT mạng vi lượng đặt 200 kW, công suất định mức PV 100 kW, công suất tối đa ORC 35 kW 5.2 Kết tính Thuật tốn PSO lựa chọn nghiên cứu (MATLAB) để giải vấn đề tối ưu hóa đa mục tiêu vận hành MEN Theo thông tin tham số thiết bị trên, đặt số hạt m 100 số lần lặp 1000 Kết tính tốn cho bảng 1: Bảng So sánh số lượng Loại hình Lưới điện truyền thống MEN ko có ORC MEN có ORC Tiêu thụ NL sơ cấp/ MWh 2553,7 1714,1 1658,3 % NL sử dụng 56,8 84,6 87,5 Phát thải carbon/Kg 168500 113100 109200 Có thể thấy từ Bảng 1, tiêu thụ NL sơ cấp MEN giảm 35,1% so với lưới điện truyền thống tỷ lệ sử dụng NL tăng 30,7%; điều kiện, nhiệt tổng hợp phát điện không sử dụng công nghệ phát nhiệt thải ORC, tỷ lệ sử dụng NL hệ thống thấp 2,9% so với hệ thống MEN có phát nhiệt thải ORC Nó cho thấy hệ thống MEN đề xuất vượt trội nhiều so với hệ thống truyền thống tiêu thụ lượng sơ cấp sử dụng lượng Trường hợp phụ tải đáp ứng từ lưới điện truyền thống, số tối ưu so sánh bảng cho thấy chi phí kinh tế MEN đề xuất giảm thấp Ngun nhân có bổ sung thiết bị phát nhiệt thải ORC Bảng So sánh số kinh tế Loại hình MG MEN Chi phí đầu tư (10^6 VNĐ) 47560 34584 Chi phí NL tiêu thụ (10^6 VNĐ /ngày) 2600 1980 Chi phí phát thải (10^6 VNĐ /ngày) 26 16 Phát thải Carbon số quan trọng để đánh giá mức độ thân thiện với môi trường Dữ liệu Bảng cho thấy mức phát thải carbon MEN thấp 35,2% so với hệ thống lưới điện truyền thống 3%; thấp so với hệ thống lưới vi mô không phát nhiệt thải ORC 5% MEN sử dụng lượng mặt trời khí tự nhiên làm lượng sơ cấp chính, giúp giảm tổng lượng khí thải Carbon giảm nhẹ tốt vấn đề môi trường hiệu ứng nhà kính Kết luận Trên sở mơ hình CCHP, báo đề xuất xây dựng mô hình EH có xét đến hệ thống phát nhiệt tải thấp ORC nhằm đáp ứng đồng thời ba mục tiêu tối ưu hệ thống gồm: chi phí đầu tư thiết bị, chi phí sử dụng lượng mơi trường Theo nhu cầu phụ tải điển hình hàng ngày bốn mùa, thuật toán PSO sử dụng để giải chiến lược vận hành máy phát lưu trữ lượng, đồng thời thu số tối ưu hệ thống Kết tính tốn được so sánh với lưới điện truyền thống cho thấy chi phí vận hành MEN đem lại hiệu tốt so với lưới điện truyền thống; điều giúp cho việc đặt tảng xây dựng Internet lượng tương lai thêm sở vững Kết phân tích tính tốn cho thấy, q trình biến đổi NL, tốc độ phản ứng NL điện nhiệt khác Do cần có thêm http://jst.tnu.edu.vn 425 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 227(08): 417 - 426 nghiên cứu chuyên sâu vấn đề để hoàn thiện q trình đưa mơ hình MEN vào thực tiễn sử dụng Lời cám ơn Bài báo sản phẩm đề tài NCKH cấp sở, mã số T2022-07-12 Trường Đại học Công nghệ Thông tin Truyền thơng – Đại học Thái Ngun cấp kinh phí, năm 2022 TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] J Rifkin, The third industrial revolution: how lateral power is transforming energy, the economy, and the world New Yord: Palgrave MacMillan, 2011 [2] J Hongjie, W Dan, and X Xiadong, et al., “Research on some key problems related to ontegrated energy systems,” Automation of Electric Power Systems, vol 39, no 7, pp 198-207, 2015 [3] K Sun et al., "Provincial regional Energy Internet framework and development tendency analysis," Power System Protection and Control, vol 45, no 3, pp 1-9, 2017 [4 ] Y Wang, N Zhang, and C Kang, "Review and prospect of optimal planning and operation of energy hub in energy internet," Proceedings of the Chinese Society of Electrical Engineering, 2015 [5] M Xu, N Tai, and W Huang, "Energy router design based on community energy network," Power System Protection and Control, vol 44, no 23, pp 177-183, 2016 [6] T Ma, J Wu, and L Hao, "Energy flow calculation and integrated simulation of micro-energy grid with combined cooling, heating and power," Automation of electric power systems, vol 40, no 23, pp 22-27, 2016 [7] T.T Ha, Y Zhang et al, “Energy EH modeling to minimize residential energy costs considering solar energy and BESS,” J Mod Power Syst Clean Energy, vol 5, no 3, pp 389-399, 2017 [8] X D Xue et al., "Micro energy network design for community based on compressed air energy storage," Proc CSEE, vol 36, pp 12, pp 1-7, 2016 [9] M Geidl and G Andersson, “A modeling and optimization approach for multiple energy carrier power flow,” Power Tech IEEE, St Petersburg, Russia, 27-30 June 2005, pp 1-7 [10] Z Chen et al., "Research on optimal day-ahead economic dispatching strategy for microgrid considering P2G and multi-source energy storage system," Proceedings of the CSEE, vol 37, no 11, pp 3067-3077, 2017 [11] M Arnold, R Negenborn, and G Andersson, “Distributed Predictive Control for Energy EH Coordination in Coupled Electricity and Gas Networks,” Int Syst Cont Auto Sci Engin, vol 42, pp 235-273, 2010 [12] X Zhao et al., "An improved energy flow calculation method for integrated electricity and natural gas system," Transactions of China electrotechnical society, vol 33, no 3, pp 467-477, 2018 [13] M Rastegar, M Fotuhi-Firuzabad, and M Lehtonen, “Home load management in a residential energy EH,” Elect Power syst res, vol 119, pp 322-328, 2015 [14] X W Shen, Y D Han, and S Z Zhu, “Comprehensive power-supply planning for active distribution system considering cooling, heating and power load balance,” J Mod Power Syst Clean Energy, vol 3, no 4, pp 485-493, 2015 [15] M X Liu, Y G Shi, and F Fang, “Combined cooling, heating and power systems,” Renew and Sustain Energy Rev., vol 35, pp 1-22, 2014 [16] M Mohammadi, Y Noorollahi, B Mohammadiivatloo, “Energy EH: From a model to a concept – A review,” Renewable & Sustainable Energy Reviews, vol 80, pp 1512-1527, 2017 [17] S Pazouki, M R Haghifam, and A Moser, “Uncertainty modeling in optimal operation of energy EH in presence of wind, storage and demand response,” Int J Electr Power Energy Syst., vol 61, pp 335-345, 2014 [18] T D Hoang and A N Hoang, “Study on heat pump with refrigerant system using organic rankine cycle process,” The University of Danang - Journal of Science and Technology, vol 17, no 2, pp 13-17, 2019 [19] A Sheikhi, B Shahab, and A M Ranjbar, "An autonomous demand response program for electricity and natural gas networks in smart energy hubs," Energy, vol 89, pp 490-499, 2015 [20] L Saarinen, “Modelling and control of a district heating system,” M.Sc thesis, Department of Information Technology, Uppsala University, Mar 2008 [21] T H A Pham and T N D Pham, "Research influences the structure to the operation of the energy hub," TNU Journal of Science and Technology, vol 200, no 07, pp 55 -62, 2019 http://jst.tnu.edu.vn 426 Email: jst@tnu.edu.vn ... nhiệt, lạnh trở thành điểm nóng nghiên cứu [2 ]-[ 4] Hệ thống làm mát, sưởi ấm kết hợp NL điện (Combined Cooling, heating and power - CCHP) tuabin khí mơ hình sở cho việc xây dựng tích hợp trung tâm... nhiệt trường hợp nhỏ nhiều so với tải làm mát tải điện, nên liên kết lưu trữ nhiệt lò nhiệt thải bỏ qua trường hợp này; phong điện không xem xét ví dụ này, trường hợp có, mơ hình điện gió kết nối... nối với EH để vận hành; tất lượng mặt trời sử dụng để phát điện? ?? Dựa liệu làm mát, sưởi ấm tải điện, công suất tải tối đa hệ thống 279kW Do đó, cơng suất phát điện tối đa MT mạng vi lượng đặt 200
