6 Lưu Ngọc An, Trần Thị Minh Dung THIẾT KẾ TỐI ƯU HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ BỘ DỰ TRỮ CÓ KẾT NỐI VỚI LƯỚI OPTIMAL DESIGN OF GRID CONNECTED PHOTOVOLTAIC – BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEM Lưu Ngọc A[.]
6 Lưu Ngọc An, Trần Thị Minh Dung THIẾT KẾ TỐI ƯU HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ BỘ DỰ TRỮ CÓ KẾT NỐI VỚI LƯỚI OPTIMAL DESIGN OF GRID-CONNECTED PHOTOVOLTAIC – BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEM Lưu Ngọc An, Trần Thị Minh Dung Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; lnan@dut.udn.vn Tóm tắt - Trong báo này, phương pháp để thiết kế tối ưu hệ thống lượng mặt trời (Photovoltaic -PV) kết hợp với trữ (battery energy storage system-BESS) có kết lưới Phương pháp tối ưu sử dụng tối ưu có ràng buộc Trong đó, hàm mục tiêu xác định tổng chi phí nhỏ hệ thống (annual cost of the system-ACS) mà đáp ứng đầy đủ công suất cho tải năm sử dụng tối đa công suất phát hệ thống lượng mặt trời thỏa mãn điều kiện vận hành, ổn định an toàn hệ thống Giá trị tối ưu dung lượng BESS số lượng pin mặt trời công suất cưc đại hệ thống lượng mặt trời xác định kết mơ tính toán phần mềm MATLAB Abstract - In this paper, a novel method to determine the optimal design of a connected- grid Photovoltaic (PV) - battery energy storage system (BESS) is proposed The method is used as a constrained optimization In particular, the objectives are to minimize the annual cost of the system (ACS) with zero unmet loads as well as to maximize the usage of the PV system with respect to the system operations, reliability and safety The optimal values of the BESS capacity, the number of PV panel and the maximum power of PV system are estimated by the simulation and calculation results with MATLAB Từ khóa - hệ thống lượng mặt trời; dự trữ lượng; lưới điện; chi phí năm; thiết kế tối ưu Key words - PV system; battery energy storage system; grid;annual cost of the system; optimal design Đặt vấn đề Ngày này, với nóng lên khí hậu tồn cầu gây hiệu ứng nhà kính với sản lượng nhiên liệu hóa thạch ngày giảm giá thành ngày tăng, việc sử dụng lượng thay thế, tái tạo giải pháp sử dụng rộng rãi nước giới Hệ thống lượng mặt trời kết hợp với lưu trữ kết nối với lưới nghiên cứu ứng dụng nhiều nơi giới Trong hệ thống này, điện phát hệ thống mặt trời không đủ để cung cấp cho phụ tải sản lượng điện thiếu hụt cung cấp lưới điện Ngược lại, lượng điện tạo hệ thống mặt trời lớn giá trị yêu cầu phụ tải lượng điện thừa bán cho lưới điện với giá định trước Tối ưu thiết kế cho hệ thống lượng mặt trời kết hợp với dự trữ kết nối với lưới nghiên cứu thời gian gần Chẳng hạn, [1], phương pháp cho việc tối ưu thiết kế phân tích kinh tế cho hệ thống lượng mặt trời có kết lưới đưa Trong đó, giá trị tối ưu đưa số lượng, kiểu panel mặt trời chuyển đổi Một phương pháp tối ưu thiết kế cho hệ thống PV-BESS cho lưới điện cô lập giới thiệu [2] Kết ghi nhận giá trị tối ưu công suất định mức PV dung lượng BESS Phương pháp trí tuệ nhân tạo (artificial intelligent_ AI) sử dụng để tối ưu cấu trúc hệ thống lượng mặt trời có kết lưới Trong [3], tác giả sử dụng thuật toán di truyền để xác định tối ưu vị trí dung lượng hệ thống lượng mặt trời có kết nối với lưới Bên cạnh đó, thuật tốn bầy đàn (PSO) sử dụng để tối ưu thiết kế hệ thống hybrid lượng mặt trời có kết lưới [4] So sánh phương pháp PSO GA để đề phương pháp hiệu Phương pháp lặp sử dụng để tìm tối ưu thiết kế cho hệ thống lượng măt trời Trong [5], tác giả sử dụng phương pháp lặp để tính tối ưu thiết kế cho hệ thống hybrid lượng gió mặt trời (HPWS) với dự trữ Một giải pháp tối ưu phương pháp lặp khác đề cập [6], [7] Trong đó, dung lượng hệ thống HPWS tính toán tối ưu đảm bảo yêu cầu tính ổn định hệ thống Trong [8], tác giả đưa phương pháp lặp để tối ưu dung lượng thành phần hệ thống HPWS kết hợp với dự trữ Trong báo này, thiết kế tối ưu cho hệ thống lượng mặt trời có kết lưới giới thiệu Trong đó, tác giả sử dụng phương pháp lặp để tìm tối ưu hệ thống với hàm mục tiêu chi tiêu hàng năm hệ thống (annual cost of system- ACS) thỏa mãn điều kiện tỉ số sử dụng lượng mặt trời, tỉ số công suất thừa hệ thống ràng buộc điều kiện vận hành giới hạn dung lượng thành phần hệ thống Q trình tính toán thiết kế tối ưu hệ thống thực qua bước Đầu tiên, phương pháp lặp, tìm thiết kế hệ thống mà đảm bảo điều kiện đáp ứng đủ cho yêu cầu phụ tải đảm bảo ràng buộc kỹ thuật Sau đó, thiết kế đánh giá dựa vào hàm chi tiêu hàng năm ràng buộc khác để tìm thiết kế tối ưu Kết đạt đánh giá tính hiệu phương pháp đưa Cấu trúc hệ thống Trong phần này, hệ thống lượng mặt trời có kết lưới thể Hình ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 Winter day Summer day DC AC AC BUS DC AC Tarif($US/kWh) Nguồn Mặt trời 0.25 0.25 Phụ tải Tarif ($US/kWh) Bộ trữ 0.2 0.15 0.1 0.15 0.1 0.05 0.05 Lưới điện 0.2 0 10 15 Time(h) 20 0 25 10 15 20 25 Time(h) Hình Hệ thống lượng mặt trời có kết lưới Hình Giá thành mua điện ngày mùa hè mùa đông 2.1 Nguồn mặt trời (PV) Trong phần này, công suất nguồn lượng mặt trời biểu diễn hàm diện tích, xạ hiệu suất Cơng thức biểu diễn sau: 2.3 Bộ dự trữ (BESS) Trạng thái nạp/xả dự trữ phụ thuộc vào chiến lược vận hành hệ thống BESS nạp tổng nguồn từ PV từ nguồn hệ thống lớn tải giá thành thấp Ngược lại, tổng nguồn PV không đủ BESS xả để cung cấp cho tải Trạng thái nạp/xả BESS tính sau: PPV(t)=.Ap.NPV.E(t) (1) Trong đó: : hiệu suất chuyển đổi lượng (%); Ap: diện tích pin; NPV: số lượng pin mặt trời; E(t): xạ mặt trời Ở đây, PV sử dụng loại Photowatt PW230-235 (235W) Các xạ mặt trời ngày mùa hè mùa đông hiển thị Hình (dữ liệu thu thập vùng Alpes-Pháp vào ngày 10/1/2014 ngày 10/7/2014) 400 400 200 200 10 15 Time (h) 20 25 0 10 15 Time (h) 20 25 Hình Bức xạ mặt trời ngày mùa hè ngày mùa đơng 2.2 Lưới điện (grid) Điện cung cấp lưới hệ thống, tổng lượng nguồn từ PV dự trữ không đủ cung cấp cho tải Ngược lại, tổng lượng từ PV lớn yêu cầu từ tải lượng điện thừa bán cho lưới (khi giá thành cao) nạp cho trữ (khi giá thành thấp) Công suất trao đổi với lưới hệ thống (Pgrid(t)) phải giới hạn sau: - Pgrid (t) > 0: Công suất cấp từ lưới hệ thống có ràng buộc sau: Pgrid (t) ≤ Pgrid max (2) - Pgrid (t) < 0: Cơng suất bán cho hệ thống có ràng buộc sau: Pgrid (t) ≥ Pgrid (3) Giá thành mua bán điện hàng ngày sử dụng để tính tốn báo (lấy vùng Alpes-Pháp ngày 10/1/2014 ngày 10/7/2014) thể Hình PPV (t)+ Pgrid (t)–PL (t) Cref ∆t (5) Trong đó: ∆t: khoảng thời gian đơn vị, ∆t = (1 giờ) Hàm ràng buộc liên quan SOC thể hiện: SOCmin ≤ SOC(t) ≤ SOCmax (6) 2.4 Phụ tải Trong báo này, tác giả sử dụng đặc tính phụ tải mùa hè mùa đơng Hình (số liệu phụ tải vùng Alpes-Pháp ngày 10/1/2014 ngày 10/7/2014) Summer day Power (kW) Solar radiation (W/m2) Solar radiation (W/m2) 600 600 0 SOC(t)=SOC t-1 + 800 800 (4) Trong đó: C(t) Cref: Dung lượng BESS thời điểm t dung lượng tham chiếu Trạng thái nạp xả SOC (t) đánh giá giá trị SOC thời điểm trước (t-1) lượng cơng suất thêm vào hay bớt khoảng thời gian từ t-∆t đến t Trạng thái nạp xả vào thời gian tính theo công thức: Winter day 1000 C(t) Cref Winter day 50 50 45 45 40 40 35 35 Power(kW) Summer day SOC= 30 25 20 25 20 15 10 30 15 10 15 Time(h) 20 25 10 10 15 20 25 Time(h) Hình Cơng suất phụ tải ngày mùa hè ngày mùa đông Tối ưu thiết kế hệ thống lượng mặt trời có kết lưới 3.1 Hàm mục tiêu Hàm mục tiêu hàm chi phí hàng năm hệ thống (ACS) Hàm chi phí bao gồm vốn đầu tư ban đầu chi phí hoạt động suốt thời gian dự án lợi nhuận từ việc bán điện lại cho lưới điện Trong báo này, tuổi thọ thiết bị hệ thống coi Lưu Ngọc An, Trần Thị Minh Dung nhau, ngoại trừ dự trữ lượng BESS (vì thay thời gian dự án) Các chi phí hàng năm hệ thống bao gồm: - Chi phí lắp đặt hệ thống PV, BESS, inverter; - Chi phí thay thiết bị suốt thời gian vận hành hệ thống; - Chi phí bảo trì hệ thống lượng mặt trời, hệ thống dự trữ lượng; - Chi phí mua điện từ lưới; - Lợi nhuận từ việc bán điện cho lưới Chi phí hàng năm hệ thống (annual cost of system ACS) bao gồm vốn đầu tư quy đổi hàng năm (annual capital cost-ACC), chi phí bảo dưỡng hàng năm (annual operation maintenance -AOM), chi phí thay hàng năm (annual replacement cost-ARC), chi phí mua điện hàng năm (annual buying cost-ABC) lợi nhuận thu hàng năm bán điện (annual selling cost-ASC) ACS tính sau: ACS = ACC+AOM+ARC+ABC-ASC (7) - Chi phí vốn hàng năm hệ thống PV, BESS inverter tính theo cơng thức sau: ACC = Ccap CRF(i,y) (8) Trong đó: CRF = i.(1+i)y (9) (1+i)y -1 Ccap: giá thành vốn đầu tư (US $) CRF: hệ số thu hồi vốn y: thời gian dự án i: lãi suất thực hàng năm Lãi suất thực hàng năm tính sau: i= i' -f i ': lãi suất cho vay (%) f: tỷ lệ lạm phát hàng năm (%) - Chi phí vận hành hàng năm: (11) λ: độ tin cậy thành phần - Chi phí thay hàng năm: ARC = Crep.SFF (i,yrep) (12) Trong đó: Chi phí thay hệ thống dự trữ: Crep SFF: hệ số vốn đầu tư chìm (quỹ hồn trái), tính sau: i (13) -1 - Chi phí mua điện hàng năm (∆t=1h): supply ABC= ∑8760 t=1 tariff Pgrid (14) - Lợi nhuận thu từ bán điện (∆t=1h): ASCfeed-in = ∑8760 t=1 ratefeed-in Trong đó: EL-ngày feed-in Pgrid η: hiệu suất tổn hao chuyển đổi W: công suất đầu kì vọng PV Giờ nắng/ngày: Số nắng trung bình ngày - Dung lượng BESS (Cb): Dung lượng BESS (kWh) tính phương trình sau: Cb = EL-ngày D DOD.ηb ratefeed-in : tỉ giá bán điện (17) D: số ngày BESS vận hành độc lập DOD: độ sâu phóng điện % Cơng suất BESS giới hạn từ (không dùng BESS) đến giá trị cho BESS vận hành độc lập cung cấp đủ nhu cầu phụ tải ngày Giá trị có nghĩa suốt thời gian này, BESS đủ công suất để cung cấp đủ nhu cầu phụ tải mà khơng có PV lưới Do vậy, dung lượng BESS phải thỏa điều kiện sau: 5.EL-ngày DOD.ηb (18) * Ràng buộc vận hành Các ràng buộc vận hành tóm tắt sau PL(t)= PPV(t)+PB(t)+Pgrid(t) (19) SOCmin≤SOC(t)≤SOCmax (20) PBmin≤PB(t)≤PBmax (21) (22) Các ràng buộc 19, 20, 21 thể qua chiến lược vận hành với mục tiêu: + Sử dụng tối đa công suất từ nguồn lượng tái tạo; + Hạn chế công suất trao đổi với lưới; + Tối ưu lợi nhuận mua bán với lưới Chiến lược vận hành thể sau: * PPV(t)>PL(t): Lượng điện dư thừa PPV(t)-PL(t) (do ∆t=1h) nạp cho BESS bán lại cho lưới sau: - Nếu PPV(t)-PL(t)>PB-ch(t) = (CB_max - CB(t))/t, dự trữ nạp đầy, thừa bán cho lưới (Pgrid< 0) Pgrid(t)= -PPV(t)+PL(t)+ PB-ch(t) (15) (16) η.W.Giờgiờ nắng/ngày max Pmin grid ≤Pgrid (t)≤ Pgrid AOM = Ccap SFF =(1+i)y ≤ NPV ≤ 0≤Cb ≤ (10) 1+f 3.2 Hàm ràng buộc * Điều kiện ràng buộc số lượng dung lượng - Số lượng pin mặt trời PV (NPV): Số lượng pin mặt trời PV giới hạn khoảng từ đến số lượng lớn pin PV cần thiết tương ứng với hệ thống pin PV hoạt động độc lập, đáp ứng đủ cho nhu cầu phụ tải Vì vậy, số lượng NPV phải thỏa điều kiện sau: (23) - Nếu PPV(t)-PL(t) PB-disch(t), BESS xả với lượng PB-disch(t) điện thiếu cung cấp từ lưới điện Pgrid(t)=PL(t)-PPV(t)-PB(t) (27) * Các điều kiện ràng buộc khác Để sử dụng tối đa lợi ích lượng tái tạo mang lại, tỉ lệ lượng tái tạo tỷ lệ công suất dư thừa xem xét trình tối ưu - Tỉ lệ sử dụng lượng tái tạo (Renewable energy fractions-FR) Tỉ lệ sử dụng lượng tái tạo định nghĩa tỷ số lượng tái tạo tổng lượng hệ thống FR= ERE ERE +PGrid = Esolar Esolar +EGrid (28) Trong ≤ FR ≤ 1, FR=0 có nghĩa phụ tải cung cấp điện lưới điện FR=1 nghĩa phụ tải cung cấp hoàn toàn nguồn lượng tái tạo FRdesign ≤ FR ≤ (29) - Tỉ lệ lượng dư thừa (Excess energy ratio-EER): Tỷ lệ lượng dư thừa tỉ số lượng thừa (hiệu số lượng tái tạo với giá trị yêu cầu phụ tải) tổng lượng nguồn hệ thống EER= Eexcess ERE +Egrid = Eexcess Esolar +EGrid (30) Tỷ lệ lượng dư thừa phải nhỏ giá trị thiết kế ≤ EER ≤ EERdesign (31) Kết tính tốn mơ Một chương trình dựa phần mềm MATLAB xây dựng để tính tốn thiết kế tối ưu hệ thống lượng mặt trời có kết lưới Các liệu xạ mặt trời, giá thành mua bán điện thông số phụ tải thể Hình 2, 3, thơng số kinh tế thể Bảng (các liệu lấy từ vùng AlpesPháp) Tỉ lệ sử dụng lượng tái tạo (FRdesign) tổng nguồn cung cấp đặt mức 0,5 0,25 tương ứng cho ngày mùa hè ngày mùa đông Tỷ lệ lượng dư thừa (EERdesign) tất ngày chọn 0,01 Các pin mặt trời PV sử dụng loại Photowatt PW230-235 (235W) Bảng Dữ liệu kinh tế Thời gian dự án (năm) 20 Lãi suất i '(%) Tỷ lệ lạm phát (%) 1,6 Tuổi thọ PV (năm) 20 Tuổi thọ inverter (năm) 20 Tuổi thọ Pin (năm) 10 Giá thành panel PV (US $ / W) 0,92 Giá thành dự trữ (US $ / kWh) 200 Giá thành inverter (US $ / kW) 1000 Thiết kế tối ưu hệ thống lượng mặt trời có kết lưới với so sánh dùng lưới điện hệ thống thể Bảng Hệ thống tối ưu bao gồm 440 pin mặt trời loại PW230-235 (công suất phát cực đại hệ thống lượng mặt trời 103,4kW), dự trữ BESS có dung lượng 295kWh Dựa vào bảng nhận thấy tổng chi phí năm xác định 36.558($US) Trong đó, mua điện trực tiếp từ lưới giá trị 46.084 ($US) Do vậy, từ kết luận mặt kinh tế hệ thống lượng mặt trời có kết lưới kinh tế (giá điện trung bình năm 0,145$US so với 0,183 $US) Bảng Kết tính tốn Hệ thống lượng Lưới điện mặt trời có kết lưới Cơng suất cực đại hệ thống lượng mặt trời (kW) 103.4 (440x235) Dung lượng BESS (kWh) 295 SOCmin (%) 20 SOCmax (%) 90 Điện phụ tải năm (kWh) 250960 250960 Tổng chi phí năm (US$) 36558 46084 Giá điện trung bình năm (US$/kW) 0,145 0,183 Phân bố cơng suất hệ thống lượng mặt trời có kết lưới phụ tải ngày mùa hè ngày mùa đông thể tương ứng Hình 5, Chúng ta thấy rằng, phụ tải ln cấp đầy đủ khơng có tải bị sa thải sử dụng hệ thống thiết kế tối ưu Từ Hình 5, ngày, phụ tải cung cấp lưới điện; sau đó, lượng mặt trời đủ cung cấp cho tải hệ thống khơng nhận công suất từ lưới, công suất thừa nạp cho dự trữ Tiếp theo, công suất thừa bán cho lưới cao điểm Và cuối cùng, phụ tải cấp dự trữ 10h đêm, nhận từ lưới BESS thời gian cuối ngày Trong đó, ngày mùa đơng thời lượng có nắng hay công suất phát từ hệ thống lượng mặt trời không cao, phụ tải chủ yếu nhận điện từ lưới Tuy nhiên, dự trữ nạp 3h từ 11am-2pm xả 3pm-5pm, phụ tải không nhận điện từ lưới từ 11am-4pm 10 Lưu Ngọc An, Trần Thị Minh Dung Kết luận Bài báo trình bày phương pháp để tính tốn thiết kế tối ưu hệ thống lượng mặt trời có kết lưới Phương pháp tối ưu có ràng buộc sử dụng xây dựng phần mềm Matlab để tìm dung lượng tối ưu dự trữ, số lượng pin mặt trời công suất cực đại lớn hệ thống lượng mặt trời Kết mô phân bố công suất hệ thống ngày thể hệ thống vận hành ổn định, an tồn, tận dụng tối đa cơng suất từ nguồn tái tạo hạn chế lượng công suất lấy từ lưới Từ kết đạt chứng tỏ rằng, hệ thống lượng mặt trời có kết lưới kinh tế hiệu so với việc nhận điện từ lưới Từ đây, đề xuất giải pháp sử dụng lượng tái tạo cho hệ thống điện Việt Nam phù hợp với xu toàn cầu Ngày mùa hè 100 Loads Grid BESS PV 80 Cong suat (kW) 60 40 20 -20 -40 -60 10 15 Thoi gian (h) 20 25 Hình Phân bố cơng suất tối ưu ngày hè Ngày mùa dong Cong suat (kW) 100 50 Loads Grid BESS PV TÀI LIỆU THAM KHẢO -50 10 15 Thoi gian (h) 20 25 Hình Phân bố cơng suất tối ưu ngày đông Trạng thái hoạt động nạp xả dự trữ thể rõ Hình Ngày mùa hè 0.8 0.8 0.6 0.6 SOC SOC Ngày mùa dong 0.4 0.4 0.2 0.2 0 10 15 Thoi gian (h) 20 25 0 10 15 Thoi gian (h) 20 25 Hình Trạng thái nạp xả dự trữ ngày hè ngày đơng Chúng ta nhận thấy giá trị SOC nằm giới hạn cho phép, dự trữ điều khiển vận hành tốt giúp tăng tuổi thọ hoạt động [1] Kornelakis, A., and E Koutroulis "Methodology for the design optimisation and the economic analysis of grid-connected photovoltaic systems", IET Renewable Power Generation, vol 3, no 4, p 476-492, 2009 [2] Kaldellis, J K., D Zafirakis, and E Kondili "Optimum sizing of photovoltaic-energy storage systems for autonomous small islands", International journal of electrical power & energy systems vol 32, no 1, p 24-36, 2010 [3] Hernández, J C., A Medina, and F Jurado "Optimal allocation and sizing for profitability and voltage enhancement of PV systems on feeders", Renewable Energy 32.10 (2007): 1768-1789 [4] Kornelakis, Aris, and Yannis Marinakis "Contribution for optimal sizing of grid-connected PV-systems using PSO", vol 35, no 6, p 1333-1341, 2010 [5] S Diaf, M Belhamelb, M Haddadic, A Louchea, “Technical and economic assessment of hybrid photovoltaic/wind system with battery storage in Corsica Island”, Energy Policy, 36 (2) (2008), pp 743–754 [6] H.X Yang, J Burnett, L Lu, “Weather data and probability analysis of hybrid photovoltaic/wind power generation systems in Hong Kong”, Renewable Energy, 28 (2003), pp 1813–1824 [7] H.X Yang, L Lu, W Zhou, "A novel optimization sizing model for hybrid solar–wind power generation system”, Solar Energy, 81 (1) (2007), pp 76–84 [8] A Kaabeche, M Belhamel, R Ibtiouen, “Sizing optimization of grid-independent hybrid photovoltaic/ wind power generation system”, Energy, 36 (2011), pp 1214–1222 (BBT nhận bài: 20/12/2015, phản biện xong: 25/12/2015) ... islands", International journal of electrical power & energy systems vol 32, no 1, p 24-36, 2 010 [3] Hernández, J C., A Medina, and F Jurado "Optimal allocation and sizing for profitability and voltage... trữ ? ?i? ??u khi? ?n v? ?n hành tốt giúp tăng tu? ?i thọ hoạt động [1] Kornelakis, A. , and E Koutroulis "Methodology for the design optimisation and the economic analysis of grid-connected photovoltaic systems",... hàng n? ?m hệ thống (annual cost of system ACS) bao gồm v? ?n đầu tư quy đ? ?i hàng n? ?m (annual capital cost-ACC), chi phí b? ?o dưỡng hàng n? ?m (annual operation maintenance -AOM), chi phí thay hàng n? ?m