Thiết kế tối ưu hệ thống hybrid năng lượng mặt trời, bộ dự trữ và diesel

Bài viết Thiết kế tối ưu hệ thống hybrid năng lượng mặt trời, bộ dự trữ và diesel trình bày một phương pháp mới thiết kế tối ưu môt hệ thống hybrid gồm năng lượng mặt trời (Photovoltaic -PV) kết hợp với bộ dữ trữ (battery energy storage system-BESS) và Diesel. Phương pháp tối ưu được sử dụng là tối ưu có ràng buộc.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(102).2016 THIẾT KẾ TỐI ƯU HỆ THỐNG HYBRID NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, BỘ DỰ TRỮ VÀ DIESEL OPTIMAL DESIGN OF HYBRID PHOTOVOLTAIC SYSTEM – BATTERY ENERGY STORAGE SYSTEM AND DIESEL Lưu Ngọc An1, Lưu Thanh Bình2 Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; lnan@dut.udn.vn Công ty Lưới điện Miền Nam; thanhbinhvtg06@gmail.com Tóm tắt - Bài báo trình bày phương pháp thiết kế tối ưu môt hệ thống hybrid gồm lượng mặt trời (Photovoltaic -PV) kết hợp với trữ (battery energy storage system-BESS) Diesel 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, đồng thời 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 thông qua kết mơ tính tốn phần mềm MATLAB Abstract - In this paper, a novel method to determine the optimal design of a hybrid Photovoltaic system (PV)-battery energy storage system (BESS) and Diesel 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 operations, reliability and safety of the system The optimal values of the BESS capacity, the number of PV panels and the maximum power of PV system are estimated with simulation and calculation results with MATLAB software Từ khóa - hệ thống lượng mặt trời; dự trữ lượng; Diesel; chi phí năm; thiết kế tối ưu Key words - PV system; battery energy storage system; diesel;annual cost of the system; optimal design Đặt vấn đề lập mặt trời-gió-diesel kết hợp với dự trữ phương pháp Multi-objective evolution algorithm (MOEAs) Hàm mục tiêu giá thành lượng trung bình lượng phát thải CO2 Thêm vào đó, phương pháp MOEAs thuật tốn gen sử dụng để tìm tổng giá thành, lượng phát thải CO2 phụ tải chưa đáp ứng 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 Kết tìm giá trị tối ưu kích thước hệ thống để đáp ứng cho phụ tải phân tích ảnh hưởng yếu tố khác đến kích thước hệ thống Một giải pháp tối ưu phương pháp lặp khác đề cập [6], [7] Trong đó, dung lượng hệ thống HPWS tính tốn tối ưu, đảm bảo yêu cầu kinh tế kĩ thuật 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 kết hợp với diesel dự trữ 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 tốn thiết kế tối ưu hệ thống thực qua bước Đầu tiên, 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 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 xem giải pháp sử dụng rộng rãi nước giới Bên cạnh đó, với vùng sâu vùng xa hải đảo, nơi lưới điện hệ thống khơng thể cung cấp đầy đủ, việc sử dụng lượng tái tạo kết hợp với Diesel giải pháp thiết thực Hệ thống lượng mặt trời kết hợp với lưu trữ Diesel 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 diesel Ngược lại, lượng điện tạo hệ thống mặt trời lớn giá trị yêu cầu phụ tải lượng điện thừa tích lũy dự trữ để sử dụng thời điểm phù hợp Tối ưu thiết kế cho hệ thống lượng mặt trời kết hợp với dự trữ Diesel nghiên cứu thời gian gần Trong đó, vấn đề đáng quan tâm tối ưu dung lượng phần tử tối ưu hoạt động hệ thống Để giải vấn đề này, phương pháp tối ưu sử dụng [1] phương pháp lặp phương pháp trí tuệ nhân tạo Trong [2], áp dụng giải thuật gen để tối ưu dung lượng hệ thống PV-diesel-BESS Hàm mục tiêu xác định tối ưu số lượng panel PV, pin dung lượng diesel Ngoài [3], giải thuật gen sử dụng để tối ưu cấu trúc vận hành cho hệ thống PV/diesel Đầu tiên, cấu trúc tối ưu hệ thống Sau đó, tối ưu hệ vận hành hệ thống với cấu trúc xác định phần trước Hàm mục tiêu giá thành hệ thống Trong [4], tác giả đưa phương pháp tối ưu đa mục tiêu cho hệ thống cô Lưu Ngọc An, Lưu Thanh Bình Cấu trúc hệ thống Trong phần này, hệ thống hybrid PV-Diesel-BESS thể Hình DC Bộ trữ SOC= AC Phụ tải AC AC BUS Diesel Hình Hệ thống hybrid PV-Diesel-BESS 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: 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): cường độ xạ mặt trời Trong báo này, PV sử dụng loại Photowatt PW230-235 (235W) Các cường độ xạ mặt trời ngày mùa hè mùa đơng hiển thị Hình (dữ liệu thu thập vùng Alpes-Pháp vào ngày 10/1/2014 ngày 10/7/2014) Summer day Winter day 1000 Solar radiation (W/m2) Solar radiation (W/m2) 800 800 600 400 200 10 15 Time (h) 20 25 600 200 0 10 15 Time (h) 20 25 Hình Bức xạ mặt trời ngày mùa hè ngày mùa đông 2.2 Máy phát Diesel Máy phát điện diesel sử dụng để cung cấp cho phụ tải trường hợp tổng điện cung cấp nguồn lượng mặt trời PV dự trữ BESS không đủ để cung cấp cho tải Máy phát điện Diesel khởi động để đáp ứng nhu cầu phụ tải tự động cắt khỏi lưới nguồn lượng mặt trời PV Bess đủ để cấp cho phụ tải Máy phát điện diesel không nên vận hành công suất cần phát mức công suất tối thiểu mà nhà sản xuất khuyến nghị Máy phát điện diesel hoạt động theo điều kiện biên sau: PDmin ≤ PD(t) ≤ PDmax (2) Trong báo này, công suất tối đa/ tối thiểu máy phát điện diesel đưa ra: PDmin = 0.3 PR PDmax = PR (4) Trong đó, PR công suất định mức diesel 2.3 Bộ trữ (BESS) Trạng thái nạp/xả trữ phụ thuộc vào chiến (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 công suất thêm vào hay bớt khoảng thời gian từ t-∆t đến t Trạng thái nạp xả vào thời gian tính theo cơng thức: SOC(t)=SOC(t-1)+ PPV (t)+ Pdiesel (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, tác giả sử dụng đặc tính phụ tải mùa hè mùa đông Hình (số liệu phụ tải vùng Alpes-Pháp ngày 10/1/2014 ngày 10/7/2014) 50 50 40 40 30 30 20 10 400 C(t) Cref Load demand (kW) DC Load demand (kW) Nguồn Mặt trời 0 lược vận hành hệ thống BESS nạp tổng nguồn từ PV lớn tải Ngược lại, tổng nguồn PV khơng đủ BESS xả để cung cấp cho tải Trạng thái nạp/xả BESS tính sau: 20 10 15 Time(h) 20 25 10 10 15 Time (h) 20 25 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) với mong muốn lượng khí thải CO2 đến mức nhỏ Hàm chi phí bao gồm vốn đầu tư ban đầu chi phí hoạt động suốt thời gian dự án Trong báo này, tuổi thọ thiết bị hệ thống coi nhau, ngoại trừ 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, inverter, BESS Diesel; - Chi phí thay thiết bị suốt thời gian vận hành; - Chi phí bảo trì hệ thống lượng mặt trời, hệ thống dự trữ lượng; - Chi phí tiêu thụ nhiên liệu cho diesel suốt thời gian vận hành; - Chi phí vận hành bảo trì máy phát điện Diesel 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 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(102).2016 operation maintenance - AOM), chi phí thay hàng năm (annual replacement cost - ARC), chi phí nhiên liệu hàng năm diesel (annual fuel cost - AFC) chi phí khí thải hàng năm (annual emission cost - AEC) ACS tính sau: ACS = ACC+AOM+ARC+AFC+AEC (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: hệ số thu hồi vốn CRF = i.(1+i) y (9) (1+i)y -1 Ccap: giá thành vốn đầu tư (US $); y: thời gian dự án; i: lãi suất thực hàng năm Lãi suất thực hàng năm tính sau: i= i' -f (10) 1+f i ': lãi suất cho vay (%); f: tỷ lệ lạm phát hàng năm (%) - Chi phí vận hành hàng năm: AOM = Ccap (11) i (13) -1 - Chi phí nhiên liệu hàng năm diesel: AFC= Cf ∑8760 (14) t=1 F(t) Trong đó: CF: chi phí cho lít nhiên liệu; F (t): Cơng suất tiêu thụ theo diesel F(t) = (0.246.PD(t) + 0.08415 PR) Trong đó: PD (t) cơng suất diesel thời điểm t - Các chi phí khí thải hàng năm (phát thải CO2): AEC= ∑8760 t=1 Ef Ecf PDG (t) 1000 (15) Trong đó: Ef: hàm phát thải (kg/kWh); Ecf: hệ số chi phí phát thải ($/tấn) 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 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: (16) η.W.Giờgiờ nắng/ngày Trong đó: η: hiệu suất tổn hao chuyển đổi; W: cơng 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 (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 lượng để cung cấp đủ nhu cầu phụ tải mà khơng có PV Diesel Do vậy, dung lượng BESS phải thỏa điều kiện sau: 0≤Cb ≤ λ: độ tin cậy thành phần - Chi phí thay hàng năm: ARC = Crep.SFF (i,yrep) (12) Trong đó: Crep: chi phí thay hệ thống dự trữ; SFF: hệ số vốn đầu tư chìm (quỹ hồn trái), tính sau: SFF =(1+i)y ≤ NPV ≤ EL-ngày 5.EL-ngày DOD.ηb (18) - Công suất định mức diesel (PR): Công suất định mức máy phát điện diesel giới hạn từ (khơng có máy phát diesel) đến giá trị mà diesel đáp ứng cơng suất đỉnh phụ tải yêu cầu: 0≤ PR ≤ PL_peak (19) * Ràng buộc vận hành Các ràng buộc vận hành tóm tắt sau: PL(t) = PPV(t) + PB(t) + PDiesel(t) (20) SOCmin≤ SOC(t) ≤ SOCmax (21) PBmin≤ PB(t) ≤ PBmax (22) Các ràng buộc 20, 21, 22 thể qua chiến lược vận hành với mục tiêu: + Sử dụng tối đa công suất từ nguồn mặt trời; + Hạn chế sử dụng máy phát Diesel; + Giảm tối đa lượng phát thải CO2 Chiến lược vận hành thể sau: * PPV(t)>PL(t): BESS nạp tới giá trị giá trị nhỏ giới hạn đầy dự trữ BESS (với lượng công suất ∆PBch=(CBmax-CB(t))/∆t) công suất thừa (Ppv(t) –PL(t)) PB(t) = (PPV(t) –PL(t), ∆PB_ch) (23) * PPV(t)>PL(t): Công suất nguồn cung cấp Diesel pin: - Nếu công suất thiếu (do lượng từ mặt trời không đủ để cấp cho phụ tải) (Pdif(t) = PL(t)-PPV(t)) so với công suất tối thiểu diesel (PDmin) + Nếu lượng lại BESS (∆PB_dis(t) = (CB(t)CBmin)/∆t) đủ để cung cấp cho Pdif (t), BESS xả để cung cấp cho phụ tải Diesel dừng hoạt động Pgrid(t)=PL(t)-PPV(t)-PB(t) (24) + Nếu Pdif(t) > ∆PB_dis(t), Diesel hoạt động PDmin BESS nạp với giá trị sau: Lưu Ngọc An, Lưu Thanh Bình ERE ERE +Ediesel = Esolar Esolar +Ediesel (28) Trong ≤ FR ≤ 1, FR=0, có nghĩa phụ tải cung cấp điện Diesel 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 +EDiesel = Eexcess Esolar +EDiesel (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 hybrid gồm lượng mặt trời diesel trữ Các liệu xạ mặt trời thông số phụ tải thể Hình 2, thơng số kinh tế thể Bảng (các liệu lấy từ vùng Alpes-Pháp) 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) Thiết kế tối ưu hệ thống lượng mặt trời kết hợp với BESS Diesel với so sánh dùng Diesel thể Bảng Hệ thống tối ưu bao gồm 440 pin măt trời loại PW230-235 (công suất phát cực đại hệ thống lượng mặt trời 103.4kW), dự trữ BESS có dung lượng 495kWh công suất định mức Diesel 50kW Dựa vào bảng nhận thấy tổng chi phí năm xác định 53.296 ($US) hệ thống hybrid, sử dụng Diesel giá trị 71.060 ($US), từ Bảng Dữ liệu kinh tế Thời gian dự án (năm) 20 Lãi suất i '(%) Tỷ lệ lạm phát (%) 1,6 Giá thành diesel (US $ / kW) 500 Giá thành panel PV (US $ / W) 0,92 Giá thành dự trữ (US $ / kWh) 200 Giá thành biến tần (US $ / kW) 1000 Giá thành nhiên liệu (Cf) (US $ / l) 0,7 Chi phí phát thải (US $ / tấn) 55 Bảng Kết tính tốn Hệ thống hỗn hợp Chỉ có Diesel Cơng suất cực đại PV (kW) 103.05 (440x235) Dung lượng BESS (kWh) 495 Công suất định mức diesel (kW) 50 SOCmin / SOCmax (%) 50 20/90 - Điện phụ tải hàng năm 286853.5 286853.5 Khí thải CO2 hàng năm (tấn) 34.8 100.6 53.296 71.060 0.19 0.24 Tổng chi phí năm (US$) Giá điện trung bình (US$/kW) Phân bố cơng suất hệ thống hybrid PV-DieselBESS phụ tải ngày mùa hè ngày mùa đông thể tương ứng Hình 4, 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 4, ngày, phụ tải cung cấp trữ; sau đó, lượng mặt trời đủ, cung cấp cho tải công suất thừa nạp cho dự trữ Và cuối cùng, phụ tải cấp dự trữ BESS cuối ngày chuẩn bị cho ngày tới Ngày mùaday hè power Summer 100 80 Power (kW) FR= kết luận mặt kinh tế hệ thống hybrid gồm lượng mặt trời diesel kết hợp với trữ kinh tế (giá điện trung bình năm 0,19$US so với 0,24 $US) Ngoài ra, với việc sử dụng hệ thống hybrid lượng khí thải CO2 phát hàng năm hơn, 34,8 tấn, sử dụng Diesel giá trị 100,6 Công suất (kW) PB(t) = Pdif(t)-PDmin (25) - Nếu Pdif (t) > PDmin, có trường hợp xảy sau: + Nếu Pdif (t) ≤ ∆PB_dis (t), BESS cung cấp cho phụ tải lượng (Pdif (t)) Diesel ngừng làm việc + Nếu Pdif (t)> PDmin + ∆PB_dis (t), BESS cung cấp cho phụ tải lượng (∆PB_dis (t)) Diesel hoạt động, cung cấp lượng công suất: PD(t) = Pdif (t)- ∆PB_dis (t) (26) + Nếu ∆PB_dis (t)