Sử dụng năng lượng tái tạo trên tàu thủy

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Số 06/2022 Sử dụng lượng tái tạo tàu thủy ■ GS.TSKH.THÂN NGỌC HOÀN Trường Đại học Thủy lợi TĨM TẢT: Bài báo trình bày tổng quan việc kết hợp lượng tái tạo (năng lượng điện gió lượng điện mặt trời) chuyển lưới điện dòng xoay chiều tàu thủy sang sử dụng lưới điện chiều Việc sử dụng điện gió điện mặt trời đồng thời chuyển lưới điện xoay chiều sang lưới điện chiều tàu thủy có nhiều ưu đem lại hiệu kinh tế giảm thải khí nhà kính TỪ KHĨA: Năng lượng tái tạo, lưới điện chiều, điều khiển, quản lý lượng ABSTRACT: The paper presents the combined use of renewable energy (wind power and solar power) and the conversion of the AC power grid to the DC grid on ships Using wind and solar power and converting the AC grid to DC power grid on ships has many advantages, bringing economic efficiency and reducing greenhouse gas emissions KEYWORDS: Renewable energy, DC power grid, control, management energy system 1.ĐẶTVẤNĐỂ Việc sử dụng lượng từ khống sản thải mơi trường khí làm nhiễm mơi trường, biến đổi khí hậu trái đất Năng lượng điện gió, lượng điện mặt trời (PV) dạng nàng lượng sạch, thân thiện với môi trường, áp dụng ngày tăng giới Nhằm mục đích sử dụng tiết kiệm lượng từ hóa thạch, nâng cao hiệu khai thác tàu, giảm khí thải nhà kính, nghiên cứu sử dụng lượng mặt trời, lượng gió cho tàu thủy thực bước đáu áp dụng [3,4, 6] Khi sử dụng lượng tái tạo cho tàu thủy nên chuyển từ lưới điện dòng xoay chiểu sang dịng chiểu DC lưới DC có nhiều ưu điểm Tuy nhiên, để khai thác lưới điện chiểu tàu thủy cẩn giải loạt vấn để vể quản lý, điểu khiển bảo vệ Bài báo đề cập tới nội dung HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN DÒNG XOAY CHIÉU TRÊN TÀU THỦY Hình 2.1 giản đồ hệ thống dịng điện xoay chiểu AC tàu thủy Các máy phát đồng pha lai động diesel tạo cơng suất dịng điện xoay chiểu pha Qua hệ thống cầu dao đưa vào bảng phân điện chính, từ bảng điện cấp cho phụ tải khác tàu 170 Hình 2.1: Sơ đồ khối lưới điện AC tàu thủy Hệ thống có nhược điểm sau: - Các tổ máy phát điện phải làm việc với tốc độ cố định, nên hạn chế cải thiện hiệu suất sử dụng nhiên liệu; - Cấu tạo nguồn AC gây vấn để công suất phản kháng không mong muốn chất lượng nguốn không đảm bảo; - Các máy biến áp tần số thấp chiếm nhiều không gian trọng lượng tàu HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TÀU THỦY KẾT NỐI VỚI NGUỐN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Năng lượng mặt trời, điện gió loại lượng dịng DC khơng liên tục Sự xuất nguồn phát DC mảng PV, lượng gió, hệ thống lưu trữ lượng tạo vi lưới dòng chiều Việc nghiên cứu lưới điện chiểu tạo phương pháp điểu khiển, quản lý tối ưu hóa khai thác cho phép ứng dụng lưới điện chiểu tàu thủy [3] Tải AC Tai DC Hình 3.1: Mạch điện tàu thủy kết nối lượng tái tạo Hình 3.1 sơ cấu trúc mạng lưới điện chiểu nối nguồn điện tái tạo dùng tàu thủy Hệ thống gổm: tổ máy phát diesel phát lượng AC, qua chỉnh lưu, nối lưới DC Nối với cáp DC gồm nguồn tua-bin gió qua chỉnh lưu, nguồn phát PV qua nâng điện áp tích KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 06/2022 lượng Phía tải có tải AC tải DC Tải AC nối lưới qua biến tần, tải DC nối qua biến đổi Tất hình thành lưới điện tích hợp (IPS) Lưới điện tàu thủy tích hợp lượng tái tạo khai thác lưới điện chiểu DC Lưới điện có ưu điểm sau: - Không dùng máy biến áp tần số thấp, dùng máy biến áp điện tử công suất nhỏ gọn; - Đưa nguồn chiều vào làm việc song song ngắt khỏi lưới dễ dàng; Khơng có vấn đề sóng điểu hịa cân bằng; Khơng cẩn hóa Do khơng có cơng suất kháng phân phối DC, tổn hao điện trở cáp giảm Do không cần đồng hóa nên máy phát nhanh chóng nối vào lưới DC Việc phân chia công suất tổ máy phát phụ thuộc vào đặc tính ngồi máy phát (Hình 3.2), biểu diễn sau [5]: v„.=v* -B ,p, LƯỚI PHÂN PHỐI DỊNG MỘTCHIẼUTRÊNTÀUTHỦY Lưới phân phối điện dịng chiểu tàu thủy xây dựng theo hai nguyên lý: loại xun tâm loại vịng (Hình 4.1) Hệ thống xun tâm có trạm phát điện tâm tải Dòng điện theo hướng, cố xảy dẫn đến cung cấp cho nhiều phận (Hình 4.1 a) Khi có thay đổi nguồn phát ảnh hưởng nghiêm trọng đến tải làm dao động điện áp, độ tin cậy ổn định giảm Hệ thống phân phối theo vịng (Hình 4.1 b), dòng lượng chạy theo đường ngắn đường tối ưu, tức nơi xảy cố hệ thõng, cách ly cắt nguồn gần phận khác hoạt động bình thường (1) Trong đó: Pvi - Hệ số tỷ lệ; P - Hiệu công suất tác dụng điểm đặt công suất thực tế; VDG| V*DC - Điện áp đo giá trị tham chiếu, i = 1,2, , n; n - số nguồn phát Hệ số Pvi phải điều chỉnh thích hợp theo giá trị định mức máy phát (DG) điều kiện hoạt động định \ì độ dốc lớn cho phép chia sẻ điện tót Tính chất biểu diễn Hình 3.2 Khi tích hợp lưới (IPS), tất tải cấp điện từ chung, nên cho phép xử lý tải nguồn phát tối ưu hiệu Điều khiển lưới điện cần thực tối ưu hóa, tự động phát nhiễu loạn hệ thống Bộ lưu điện lưới tích hợp hoạt động nhánh phản hói, giúp lưu trữ lượng lớn liỢng điểu kiện cần huy động lượng lơn sử dụng nguồn dự phòng Khi có tnay đổi tải cố lưới điện, IPS cung cấp quản lý thời gian thực để hỗ trợ hệ thống [1] I Đặc tính hệ thống điện tích hợp giống với vi bi làm việc chế độ ốc đảo Hệ thống cân công suất :àu thủy tương đối yếu nguồn phát có cơng suất xấp xỉ tải Áp dụng lưới điện chiều làm tăng khả tồn tại, giới hạn dịng cố, dùng máy phát diesel tốc đệ cao, hiệu suất cao nên cải thiện hiệu sử dụng nhiên liệ J hệ thống, giúp cải thiện mơi trường trái đất Hình 4.1: cấu trúc li điện phân phối tàu thủy Ngồi ra, cáp vòng cho phép tải quan trọng lấy lượng từ nhiều nguồn qua chuyển mạch thông thường nhiều điểm tiếp xúc chuyển đổi nhiều đầu nối Do đó, tải quan trọng bảo đảm khơng bị gián đoạn hoạt động Cấu trúc vòng chia thành vùng điện tương ứng, nối với cáp cung cấp hai bên cổng mạn phải Hình 4.2 Như vậy, số lớn tải trọng khu vực cấp điện từ hai bên tàu để tăng cường độ tin cậy Nên chọn giá trị định mức cáp chiều kv kích thước trọng lượng thiết bị lắp đặt tàu bị giới hạn khơng gian hạn chế Địi khơng bõ trí cầu dao cáp vịng mà đường dây cấp điện cho khu để có sựcố ngắt điện tối thiểu Phải có thơng tin cơng tắc để có cố lưới điện DC cung cấp dịng điện theo hướng ữ) Hình 4.2: cấu trúc lưới điện tàu thủy phân vùng: a) - sử dụng cáp bên; b) - Sừ dụng cáp song song ĐIÉU KHIỂN LƯỚI PHÂN PHỐI DÒNG MỘT CHIỂU TRÊNTÀUTHỦY 5.1 Sử dụng công nghệ lưới thông minh cho lưới điện tàu thủy tích hợp nguồn phát tái tạo Lưới điện tàu thủy tích hợp nguồn lượng tái tạo đảm bảo hoạt động hệ thống không bị gián đoạn Ở Hình 3.2: Đặc tính ngồi máy phát DC [5] lưới điện này, công suất tải tăng yêu cầu công suất hỗ trợ truyền động điện sử dụng công suất nguồn tái tạo để đáp ứng yêu cầu vị trí thời điểm 171 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 06/2022 Thực tế, động diesel phát điện nguồn lượng điện tất ứng dụng hàng hải Tuy nhiên, biến động tức thời phía tải phá vỡ sựcân phát điện tiêu thụ điện, làm giảm tiết kiệm nhiên liệu Sự diện nguồn tái tạo điểu khiển bơm lượng hai chiều vào hệ thống để đạt điểu hịa cơng suất tải, điều chỉnh hiệu suất nhiên liệu 5.1.1 Giám sát cố hệ thống Việc giám sát bảo vệ hệ thống phải đặt lên hàng đầu Khi hệ thống hoạt động trạng thái ổn định, giám sát cố bảo vệ phải đảm bảo thiết bị làm việc giới hạn cho phép Khi có có dao động thay đổi tải đột ngột, công suất phát thay đổi Khi có dao động điện áp dịng điện phải loại bỏ Các thiết bị đo lường lắp đặt cực máy phát điện, tải DC đặt ngưỡng để phát dao động vùng xác định phát tín hiệu 5.1.2 Điều khiển lưới điện tàu thủy Do đưa lượng tái tạo xuống tàu nên lưới điện tàu lưới điện chiêu Có thể sử dụng phương pháp điểu khiển lưới điện chiểu đất liền hoạt động chế độ ốc đảo để điểu khiển lưới điện tàu Lưới điện chiểu vận hành theo hướng thơng minh hóa sở sử dụng cơng nghệ thông tin truyền thông để tối Ưu truyền dẫn, phân phối điện cho tải Lưới điện thông minh cho phép thực điểu khiển phân tán, thành vi lưới sử dụng loại thiết bị lưu trữ lượng khác Từ góc độ điểu khiển quản lý việc tích hợp lượng tái tạo cần có qui định kích thước phù hợp cho hệ thống điện tàu, để hiệu suất công suất phát tàu đạt tối ưu Bằng điều khiển phối hợp nguồn lượng tái tạo nguổn phát tàu đạt tiêu thụ nhiên liệu thấp phát thải nhất, mà đảm bảo nhu cầu tải động cao 5.2 Quản lý hệ thống lượng điện chiều tàu thủy 5.2.1 Điểu khiển phân cấp kết nối hệ thống điện thông minh Với hỗ trợ cơng nghệ thơng minh cho phép phân rã hồn tồn lưới điện thành vi lưới Mạng điện thông minh công nghệ khác kết nối chúng lại thành mạng điện linh hoạt độc lập với Trên tàu thủy tiết kiệm nhiên liệu giữ vai trò quan trọng, việc tích hợp hệ thống dựa DC có nhiều ưu điểm, cịn nhiều vấn để nghiên cứu để tiết kiệm tối đa nhiên liệu, cụ thể: - Về mặt hệ thống, cần ổn định, cẩn trì trạng thái cân độc lập điều kiện bình thường trở vể trạng thái cân vận hành sau bị xáo trộn; - vể nguồn phát phải trì khơi phục cáp DC chung điện áp định mức chúng với khả chịu điện áp chấp nhận được; - vể quản lý điện phải tối ưu hóa hiệu suất hệ thống cách lập kế hoạch can thiệp có chủ đích mà khơng ảnh hưởng đến việc tối đa hóa cung cấp điện cho phía tải Nguồn lượng tái tạo tàu thủy làm việc 172 nối lưới độc lập điểu kiện định, nguồn phát tái tạo độc lập cấp điện cho tải, điều kiện khác nguồn phát nối lưới nhằm cung cấp bổ sung lượng cho nhu cầu tàu tăng, cần điều kiện để lượng từ nguồn tái tạo xâm nhập vào lưới chung nhiều nhằm tiết kiệm nhiên liệu, cần tập trung vào điều khiển lưới điện, nhằm cung cấp chức tối ưu hóa phương pháp định đê’ đạt mục tiêu tối ưu hóa cụ thể 5.2.2 Phối hợp điều khiển tập trung, phi tập trung phối hợp điều khiển phân tán Thường dùng phương pháp điều khiển phân cấp phù hợp việc phân tích tính chất lớp điểu khiển khác Ba cách điều khiển: tập trung, phi tập trung phân tán Điểu khiển tập trung dùng điểu khiển trung tâm mạng truyền thông Để thực tối ưu hóa cấp hệ thống nên dùng điểu khiển tập trung cho phép thu thập xử lý liệu liên quan điểu khiển chi phí tăng phi tuyến tăng truy cập thông tin cần lưu ý đến an toàn mạng chống hacker làm sai lệch điểu khiển Điểu khiển phi tập trung sử dụng điểu khiển địa phương Điểu khiển phi tập trung dùng phương pháp: tín hiệu cáp chiều, tín hiệu cơng suất đường dây Phương pháp dùng nhiều phương pháp chủ/tớ điều khiển nhiều chế độ Ưu điểm phi tập trung độc lập với truyền thông điểu khiển trung tâm làm cho tính linh hoạt cao loại trừ cố đơn lẻ Nhược điểm thiếu nhận thức vể thông tin tổng quát dẫn đến hạn chế tính đặc biệt thực tối ưu hóa Điểu khiển phân tán phương pháp khơng có điểu khiển trung tâm, điểu khiển cục giao tiếp với Hệ thống gổm nhiều đại diện, điều khiển cục coi đại diện thông minh tất đại diện kết hợp với Điểu khiển phân tán sử dụng thuật toán thuận DÙNG CÔNG NGHỆ LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH CHO LƯỚI ĐIỆN DC TRÊN TÀU 6.1 Quản lý thông minh để giảm chi phí phát thải Một chuyến bình thường biển chia thành giai đoạn nhưcập bến, tăng tốc, giảm tốc, hành trình Do vậy, sử dụng lượng tàu lập kế hoạch quản lý tối ưu hóa trước để điều phối việc phát phân phối điện tàu nhằm tiết kiệm tối ưu nhiên liệu Tuy nhiên, thực tế tàu gặp nhiều trường hợp khơng có sẵn thiết kế sóng gió, khoảng cách di chuyển tàu khơng tính ban đẩu, nên tiêu thụ nhiên liệu ngoại tuyến khơng cịn phù hợp Để khắc phục nhược điểm phương pháp ngoại tuyến, phương pháp điểu khiển đa chê độ điểu khiển mức lượng theo trạng thái cụ thể hệ thống sửdụng [1], - Quản lý lượng phía phát: Để lập kế hoạch tiêu thụ nhiên liệu, cẩn kết hợp quản lý phía phát điện tải Do mức tiêu hao nhiên liệu hàm phi tuyến tốc độ động điểu kiện tải, có vùng hiệu suất làm việc cao Vì thế, phải đảm bảo động làm việc khu vực hiệu suất cao có tốc độ ứng với tốc độ khơng tải KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Só 06/2022 - Quản lý lượng phía tải áp dụng phương pháp giảm tải: Hệ thống sử dụng lượng điện tàu hệ thống quay chong chóng Do đó, việc giảm tải thường dẫn đến giảm tính tải có nhiệm vụ định tàu hệ thống truyền động chong chóng tàu Khi hệ thống có lượng tái tạo nhận cân công suất hoạt động tàu thực quản lý dòng điện nguồn tái tạo DC, cho phép thiết bị điện khác tàu hoạt động linh , hoạt Sự có mặt lượng tái tạo, độc lập phát tải giúp cải thiện đáng kể khả tiêu hao nhiên liệu Khi hãm chế độ máy phát, động phát lượng điện Với trợ giúp trích trữ, lượng lưu trữ phần tồn bộ, đó, giúp giảm chi ohí chung tàu Lưới điện lượng tái tạo nguồn lượng chuyến ngắn hạn cảng H>ay điểu kiện khẩn cấp 6.2 Bảo vệ thông minh tái cấu trúc đảm bảo độ tin cậy cao Bảo vệ nhiệm vụ vơ quan trọng, địi hỏi phát triển hệ thống bảo vệ phù hợp tin cậy Thách tmức bảo vệ nguồn phát DC tập trung bảo vệ b ến tần phía tải Sự cố mạng phía tiêu thụ bao gồm biến tần tình cố kép mạng AC va DC Do biến đổi điện tử cơng suất có qn tính nnỏ so với biến áp thông thường nên khả tải tức thơi biến đổi điện tử công suất phải hạn chế Trong trường hợp này, hệ thống bảo vệ nguồn phát dòng mot chiều DC gốm thiết bị ngắt dòng điện, rơ-le bảo vệ, thiet bị đo lường hệ thống nối đất Năm loại bảo vệ cụ the là: bảo vệ lưới, bảo vệ biển đổi, bảo vệ tổ máy phát, bảo vệ đường dây cung cấp bảo vệ [2,4], Việc chọn thiết bị bảo vệ biến tần xác định theo cơng suất tác dụng mà theo dịng điện ngắn mạch Nếu bảo vệ không tốt xảy cố lan rộng thành sựcố khu vực hệ thống Bảo vệ cố cácm li điểm có vấn đề lớn để đảm bảo an toàn lưới điện trung áp tàu thủy, cần lưu ý vấn để trễ thông tin sai số đo lường Các khái niệm thông minh hệ thốr g chuyên gia dùng lưới DC để dự báo có đảm bảo hoạt động bảo vệ xảy cố [7], Chia lưới điện thành số vi mạng cấu trúc lạl sau cố loại bỏ Việc chia thành vi mạng nhằm giảm thiểu khu vực bị cách li có cố, trì cung cấp điện cho vùng khơng bị cố Phân chia lưới điện thành tiểu khu kết nối chúng lại thành lưới điện nối mạng cải thiện hoạt động tăng độ tin cậy lượng tái tạo tàu thủy Đó vấn để điểu khiển, quản lý bảo vệ lưới điện Những vấn để nêu mang tính định hướng, thực cần cụ thể tàu tiến hành thiết kế nhằm đạt hiệu đưa lượng tái tạo lên tàu Việc sử dụng lượng tái tạo tàu thủy vừa đảm bảo tính linh hoạt lưới điện tàu thủy, vừa giúp giảm thiểu chi phí nhiên liệu giảm phát thái khí nhà kính đảm bảo mơi trường Đó xu hướng phát triển cho tương lai Tài liệu tham khảo [1], Gayathri Seenumaniand others Real-Time Power Management ofIntegrated Power Systems in All ElectricShips Leveraging Multi Time Scale Property IEEE trans.on control sys.Tech.Vol 20, N01,2012 [2], Teja Sree Mummadi and Dr.R.Vijay, Optimal Design and Power Management in Shipboard System, Journal of Science and Technology, vol.17, December [3], Jin Zheming, Sulligoi Giorgio, Cuzner Rob, Meng Lexuan, Quintero Juan Carlos Vasquez, Guerrero Josep M, Next-Generation Shipboard DC Power System, IEEE Electrification Magazine 2016 [4], DC Microgrids-Part II: A Review of Power Architectures, Applications and Standardization Issues [5] Jackson John Justo, Francis Mwasilu, Ju Lee, JinWoo Jung (2013), AC-microgrids versus DC-microgrids with distributed energy resources: A review a Renewable and Sustainable Energy, Reviews, vol, pp.387-405 [6], R Elavarasi and others Integration of Wind Energy System in Shipboard using Frequency converter TEST Engineering & Managemanet January - February 2020 [7], Arshid Shariatzade and others Optimal Control Algorithms for Reconfiguration of Shipboard Microgrid Distribution System Usinglntelligent Techniques IEEE Trans, on Ind Appl vol.53, no.1,2017 Ngày nhận bài: 25/4/2022 Ngày chấp nhận đăng: 22/5/2022 Người phản biện: PGS TS Nguyễn Tiến Ban PGS.TS Hồng Xn Bình KẾT LUẬN Tau thủy nơi tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch nhiều nhưnc lại nơi có điều kiện phát triển lượng tái tạo Việc nghiên cứu đưa lượng tái tạo xuống tàu thủy giới tích cực thực Khi đưa lượng tái tạopruống tàu thủy nên chuyển từ lưới xoay chiểu sang cniều Bài báo trình bày cách tổng quát vấn đề cần giải lưới điện chiểu dùng 173 ... lưới điện tàu thủy phân vùng: a) - sử dụng cáp bên; b) - Sừ dụng cáp song song ĐIÉU KHIỂN LƯỚI PHÂN PHỐI DÒNG MỘT CHIỂU TRÊNTÀUTHỦY 5.1 Sử dụng công nghệ lưới thông minh cho lưới điện tàu thủy tích... Tau thủy nơi tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch nhiều nhưnc lại nơi có điều kiện phát triển lượng tái tạo Việc nghiên cứu đưa lượng tái tạo xuống tàu thủy giới tích cực thực Khi đưa lượng tái tạopruống... chóng tàu Khi hệ thống có lượng tái tạo nhận cân công suất hoạt động tàu thực quản lý dòng điện nguồn tái tạo DC, cho phép thiết bị điện khác tàu hoạt động linh , hoạt Sự có mặt lượng tái tạo,