Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện: Tối ưu hóa hệ thống Microgrid cho hệ thống lưới điện đảo Phú Quý sử dụng giải thuật di truyền

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Phúc Khải

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Lê Thị Tịnh Minh

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Hữu Vinh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 16 tháng 07 năm 2022

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS Nguyễn Văn Liêm - Chủ tịch Hội đồng

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN LONG VŨ MSHV: 2070675 Ngày, tháng, năm sinh: 28/04/1998 Nơi sinh: Ninh Thuận Chuyên ngành: Kỹ thuật điện - Mã số: 8520201

I TÊN ĐỀ TÀI:

Tên tiếng Việt: Tối ưu hóa hệ thống Microgrid cho hệ thống lưới điện đảo Phú Quý sử

dụng giải thuật di truyền

Tên tiếng Anh: Optimization of The Microgrid System for Phu Quy Island Using Genetic

Algorithms

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tìm hiểu, nghiên cứu về các mô hình lưới điện siêu nhỏ (Microgrid) có sự kết hợp giữa các nguồn năng lượng phân tán và hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS)

2 Tìm hiểu, nghiên cứu về thuật toán di truyền (Genetic Algorithms-GA) 3 Tìm hiểu, xây dựng và vận dụng bài toán tối ưu vào lưới điện siêu nhỏ

4 Mô hình hóa, mô phỏng và tính toán hoạt động của lưới điện siêu nhỏ vào hệ thống điện đảo Phú Quý bằng phần mềm MATLAB Từ đó đưa ra các nhận xét vá đánh giá cho thuật toán đã đề xuất

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/02/2022 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Phúc Khải

Tp HCM, ngày tháng năm 2022

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS Nguyễn Phúc Khải TS Nguyễn Nhật Nam TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LỜI CÁM ƠN

Kiến thức rộng lớn muôn màu muôn vẻ, nắm bắt được kiến thức và làm chủ được công nghệ là một hành trình gian khổ và vất vả Trên con đường thành công đó không có sự thành công nào mà không gắn liền với sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp Trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Bách Khoa TP.HCM em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo, điều đó thật đáng quý và trân trọng

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô giáo trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, đặc biệt là các Thầy Cô bộ môn Hệ thống điện, khoa Điện – Điện tử đã truyền đạt cho em những kiến thức bổ tích, giúp em khắc phục được nhiều thiếu sót trong quá trình học tập, nghiên cứu và làm việc

Đặc biệt, em xin gửi đến Tiến sĩ Nguyễn Phúc Khải người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này lời cảm ơn sâu sắc nhất Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Công ty Cổ phần Đầu Tư và Tư Vấn Năng Lượng Bền Vững đã không ngừng hỗ trợ, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu thực hiện luận văn

Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, các anh chị và các bạn đã luôn giúp đỡ, sát cánh trong quá trình làm luận văn và trong quãng thời gian tươi đẹp trên ghế nhà trường này

Sau cùng, em xin kính chúc quý thầy cô thật dồi dào sức khỏe, tràn đầy vui tươi để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau

TP.HCM, ngày tháng năm 2022

Học viên thực hiện

Nguyễn Long Vũ

Hệ thống điện trên huyện đảo Phú Quý là một mô hình thực tế về việc vận hành hệ thống hỗn hợp gió-mặt trời-diesel độc lập Hiện nay, phụ tải trên đảo Phú Quý chủ yếu là phụ tải sinh hoạt, nên khoảng thời gian từ 23h-6h công suất phụ tải thấp Khi đó công suất phát từ điện gió sẽ cắt giảm để cân bằng công suất Phương pháp vận hành này sẽ gây lãng phí năng lượng từ điện gió

Luận văn này thực hiện thu thập dữ liệu hoạt động của toàn hệ thống điện trên đảo trong một năm đồng thời tiến hành mô phỏng bằng MATLAB và sử dụng thuật toán di truyền nhằm nghiên cứu tính khả thi của việc tích hợp hệ thống tích trữ điện năng (ESS) vào hệ thống điện hiện hữu của huyện đảo Mục đích nghiên cứu chính của bài báo: Tính toán định lượng tính hiệu quả của việc tích hợp hệ thống ESS vào lưới điện đảo Phú Quý.

The power system on Phu Quy Island district is a practical model of operating an independent Wind-Solar-Diesel hybrid system Now, the load on Phu Quy Island is mainly daily-life load, so the period from 23:00 to 6:00 is low At that time, the power generated from wind power will be reduced to balance the capacity This operating method will waste energy from wind power

This thesis collects operational data of the entire power system on the island in one year, and simultaneously conducts simulations with MATLAB and uses genetic algorithms to study the feasibility of integrating an energy storage system (ESS) into the existing power system of the island Main research purpose of the paper: Quantitative calculation of the effectiveness of integrating the ESS system into the Phu Quy Island power grid

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Nguyễn Long Vũ, xin cam đoan luận văn thạc sĩ đề tài “Điều độ kinh tế trong hệ thống microgrid sử dụng giải thuật di truyền” là công trình nghiên cứu của chính bản thân tôi, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Phúc Khải

Các số liệu, kết quả mô phỏng trong luận văn này là trung thực Tôi cam đoan không sao chép bất kỳ công trình khoa học nào của người khác, mọi sự tham khảo đều có trích dẫn rõ ràng

TP.HCM, ngày tháng 06 năm 2022

Người cam đoan

Nguyễn Long Vũ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Giới thiệu về đề tài nghiên cứu 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MICROGRID VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN ĐẢO PHÚ QUÝ 4

2.1 Khái niệm về Microgrid (MG): 4

2.2 Các chế độ vận hành của hệ thống Microgrid 5

2.3 Các thành phần trong hệ thống Microgrid 6

2.4 Hệ thống điện tại đảo Phú Quý 20

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH BÀI TOÀN TỐI ƯU TRONG HỆ THỐNG MICROGRID 25

3.1 Mô hình hóa các phần tử trong Microgrid: 25

3.2 Hàm mục tiêu 31

CHƯƠNG 4 THUẬT TOÁN DI TRUYỀN 34

4.1 Thuật toán di truyền: 34

4.2 Xây dựng thuật toán 36

4.3 Mô tả về các mô hình 41

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ 54

5.1 Dữ liệu đầu vào 54

5.2 Mô phỏng hệ thống điện hiện hữu 56

5.3 Mô phỏng hệ thống điện khi bổ sung ESS 57

5.4 Kết quả tối ưu hàm chi phí và độ tin cậy 60

5.5 Nhận xét 66

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 68

6.1 Kết luận 68

6.2 Hướng phát triển trong tương lai 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

PHỤ LỤC 73

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Mô hình hệ thống Microgrid độc lập điển hình 5

Hình 2.2 Mô hình Microgrid được kết nối với NPG 6

Hình 2.3 Các thành phần chính của máy phát điện sử dụng động cơ diesel 7

Hình 2.4 Pin năng lượng mặt trời PV Cell – PV Module – Strings – Arrays [4] 8

Hình 2.5 Cấu tạo pin năng lượng mặt trời [5] 9

Hình 2.6 Hai loại pin năng lượng mặt trời Monocrystalline silicon và Polyocrystalline silicon 9

Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời [5] 12

Hình 2.8 Tuabin gió loại A 14

Hình 2.9 Tuabin gió loại B 14

Hình 2.10 Tuabin gió loại C 15

Hình 2.11 Tuabin gió loại D 15

Hình 2.12 Sơ đồ phân loại ESS theo dạng năng lượng lưu trữ [8] 16

Hình 2.13 Sơ đồ hoạt động của Hệ thống Lưu trữ Năng lượng Pin (BESS) 19

Hình 2.14 Hệ thống máy phát điện Diesel của đảo Phú Quý [nguồn: EVNSPC] 21

Hình 2.15 Hệ thống điện gió đảo Phú Quý [nguồn: EVNSPC] 21

Hình 2.16 Dự án nhà máy điện mặt trời tại đảo Phú Quý 22

Hình 4.2 Lưu đồ thực hiện thuật toán di truyền 35

Hình 4.3 Hình ảnh minh họa cho Cấp (Rank) 37

Hình 4.4 Lưu đồ thuật toán hệ thống máy phát Diesel 42

Hình 4.5 Lưu đồ thuật toán mô hình hệ thống năng lượng mặt trời 43

Hình 4.6 Lưu đồ thuật toán mô hình hệ thống năng lượng gió 44

Hình 4.7 Lưu đồ thuật toán của mô hình hệ thống lưu trữ năng lượn 50

Hình 4.8 Lưu đồ của mô hình thuật toán Simulation 52

Hình 4.9 Lưu đồ mô hình thuật toán Optimazation 53

Hình 5.1 Vị trí thu thập dữ liệu gió so với dự án điện gió đảo Phú Quý [Google Earth] 54Hình 5.2 Phân bố công suất khi chưa sử dụng ESS trong ngày 28/4/2021 56Hình 5.3 Phân bố công suất khi bổ sung ESS trong ngày 22/11/2021 58Hình 5.4 Kết quả tối ưu của hệ thống năng lượng hỗn hợp pin PV-gió-diesel không nối lưới (độ tin cậy và chi phí vòng đời của hệ thống) 62Hình 5.5 Phân bố công suất tại ngày gió thấp (28/4/2021) 65Hình 5.6 Phân bố công suất thời điểm tốc độ gió cao (21/11/2021) 66

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Thiên độ δ của ngày 21 hàng tháng 29

Bảng 2 Giải thích các điều kiện dừng của thuật toán 40

Bảng 3 Thông tin đầu vào cho các mô hình phần tử trong lưới điện siêu nhỏ 55

Bảng 4 Chi phí vòng đời dự án trong trường hợp chưa có ESS 56

Bảng 5 Sản lượng điện từng loại nguồn 57

Bảng 6 Sản lượng điện từng loại nguồn trong vòng một năm sau khi bổ sung ESS 59

Bảng 7 Chi phí vòng đời dự án trong trường hợp có ESS 59

Bảng 8 Giới hạn của các biến quyết định 61

Bảng 9 Kết quả của việc tối ưu hóa chi phí vòng đời và độ tin cậy 63

Bảng 10 Chi phí từng thành phần hệ thống sau khi thực hiện thuật toán tối ưu 63

Bảng 11 Sản lượng điện theo từng nguồn sau khi thực hiện thuật toán tối ưu 64

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu về đề tài nghiên cứu

Ngày nay để đáp ứng nhu cầu gần như không giới hạn của các nền kinh tế, các nhà máy điện – chủ yếu là thủy điện và nhiệt điện (sử dụng nhiên liệu than, khí, dầu hoặc hạt nhân) ngày càng được mở rộng và quy mô và công suất Điều này dẫn đến nguy cơ lớn cho các nền kinh tế khi bất cứ sự cố nào từ các nhà máy điện đều gây ảnh hưởng nặng nề trên bình diện rộng Chính từ đó với sự phát triển của khoa học công nghệ, mạng điện siêu nhỏ ra đời (Microgrid) nhằm khắc phục những nhược điểm của hệ thống mạng điện truyền thống

Tuy nhiên, vấn đề lớn đối với Microgrid là làm sao tối ưu hóa được công suất, duy trì được tính ổn định và liên tục của điện áp cung cấp cho dù đang hoạt động ở chế độ độc lập hay chế độ nối lưới Do đó, việc tìm ra phương pháp hiệu quả điều phối hệ thống các nguồn năng lượng tái tạo đa dạng (mặt trời, gió, diesel, hệ thống pin lưu trữ) kết hợp với các nguồn năng lượng khác hiện hữu là một việc cần thiết

Mô hình Microgrid thực tế tại Việt Nam, có thể kể đến hệ thống điện trên huyện đảo Phú Quý là một hệ thống hỗn hợp gió-mặt trời-diesel độc lập Tuy đảo Phú Quý được đầu tư hệ thống điện gió kết hợp năng lượng mặt trời có tổng công suất tương đối lớn so với tải, nhưng sản lượng điện từ các nguồn năng lượng tái tạo thâm nhập còn thấp Phương pháp vận hành này sẽ gây lãng phí năng lượng từ các nguồn năng lượng tái tạo Bên cạnh đó, với sự thay đổi liên tục của công suất phụ tải cũng như là công suất của nguồn phát điện gió, điều này làm mất công bằng công suất của hệ thống nên làm cho tần số của hệ thống mất ổn định

Do vậy, luận văn được thực hiện nhằm mục đích xác định sự hiệu quả của việc tích hợp ESS vào lưới điện đảo Phú Quý như một mô hình Microgrid có các nguồn phát gió, mặt trời và diesel

Dữ liệu vận hành được thu thập thực tế để tính toán mô phỏng hoạt động của hệ thống nhằm tối ưu tỷ lệ thâm nhập của năng lượng tái tạo cho lưới Microgrid tại đảo Phú Quý Các kết quả tính toán mô phỏng khi sử dụng ESS được thực hiện trong một năm và so sánh với dữ liệu vận hành thực tế khi chưa áp dụng giải pháp nhằm xác định tính khả thi của phương án

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Đề tài tập trung vào mục tiêu chính là xây dựng thuật toán để thực hiện mục tiêu đề ra Theo đó để đạt được mục tiêu này đề tài cần tập trung nghiên cứu bốn mục tiêu cơ bản - Một là nghiên cứu và nắm vững cơ sở lý thuyết của phương pháp giải thuật di truyền (Genetic Algorithm – GA) trong việc giải các bài toán tối ưu hóa

- Tiếp theo là nghiên cứu các mô hình hệ thống Microgrid cho lưới điện đảo Phú Quý có tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS- Energy Storage System)

- Ba là dựa trên các phân tích, tìm hiểu về phương pháp GA và hệ thống Microgird, đề tài áp dụng phương pháp GA để tìm:

+ Cực tiểu chi phí năng lượng cho vòng đời hệ thống;

+ Chiến lược điều khiển trong hệ thống dựa theo trạng thái sạc và xả của hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS- Energy Storage System) từ đó tối ưu dung lượng lưu trữ năng lượng cho hệ thống điện đảo Phú Quý, cực tiểu chi phí vận hành máy phát diesel;

+ Xem xét độ tin cậy của hệ thống

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài Tối ưu hóa hệ thống Microgrid cho hệ thống lưới điện đảo Phú Quý sử dụng

giải thuật di truyền nên đối tượng nghiên cứu là thuật toán GA và bài toán điều độ kinh

tế trong Microgrid của hệ thống điện đảo Phú Quý – Bình Thuận

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện dựa trên mô hình toán học và dùng phần mềm MATLAB để giải thuật toán tối ưu

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Để nghiên cứu các nội dung nêu trên, tôi đã lựa chọn phương pháp nghiên cứu như sau: - Nghiên cứu về lý thuyết của thuật toán GA trên và đưa vào lập trình

- Sử dụng phần mềm MATLAB để mô hình hóa các nguồn năng lượng tái tạo và triển khai thuật toán

1.5 Cấu trúc luận văn

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 2: Tổng quan hệ thống Microgrid và hệ thống điện tại đảo Phú Quý

Chương 3: Mô hình bài toàn tối ưu trong hệ thống Microgrid Chương 4: Thuật toán di truyền

Chương 5: Kết quả và nhận xét đánh giá Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MICROGRID VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN ĐẢO PHÚ QUÝ

2.1 Khái niệm về Microgrid (MG):

Microgrid là hệ thống lưới điện nhỏ được gần tải tiêu thụ và có sự kết hợp những nguồn phát với hệ thống lưới hạ thế Hệ thống microgrid sử dụng các nguồn phát phân bố như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, máy phát điện, pin nhiên liệu, ắc quy, Tùy vào đặc điểm vị trí, nhu cầu tải và yêu cầu người sử dụng mà có những cấu hình kết hợp các nguồn này với nhau Những hệ thống microgrid nhỏ này hoạt động như những mô đun nhỏ trong lưới điện, nó giúp lưới điện giảm thiệt hại khi bị sự cố Microgrid hỗ trợ tính linh động, hiệu quả của lưới điện bởi sự kết hợp việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo với nhau như là năng lượng mặt trời, gió và các nguồn năng lượng khác Hơn nữa, việc sử dụng các nguồn tại chỗ phục vụ cho tải trong khu vực đó giúp giảm tổn thất đường dây và phân phối điện năng cũng như việc tăng hiệu suất truyền tải của lưới Mặc dù hệ thống Microgrid có nhiều cấu trúc, phụ thuộc từng mục đích sử dụng cũng như điều kiện kinh tế, cơ sở kỹ thuật Về cơ bản, hệ thống Microgrid bao gồm các thành phần: nguồn phát, hệ thống quản lý năng lượng, hệ thống lưu trữ năng lượng và phụ tải tiêu thụ Thành phần cơ bản đầu tiên cho mọi hệ thống microgrid là nguồn phát Nguồn năng lượng thường được hiệu chỉnh theo nhu cầu của hệ thống microgrid, như việc phát công suất mong muốn Trong đó, năng lượng mặt trời dần dần trở thành nguồn năng lượng phổ biến Bên cạnh đó, năng lượng gió cũng thường được sử dụng trong hệ thống microgrid Hệ thống quản lý năng lượng xử lý chuyển đổi các nguồn năng lượng từ nguồn phát đến các tải tiêu thụ Tùy thuộc vào loại tải mà hệ thống quản lý năng lượng điều khiển các bộ chinh lưu, nghịch lưu phục vụ đúng mục đích Bên cạnh đó, hệ thống quản lý năng lượng sẽ tối ưu việc vận hành theo từng mục đích của người sử dụng Hệ thống lưu trữ năng lượng thông thường sử dụng ắc quy để tiết kiệm chi phí đầu tư Hệ thống Microgrid có thể vận hành ở cả 2 chế độ: có điện lưới và không có điện lưới Ở chế độ nối điện lưới, các nguồn phát phân tán của hệ thống Microgrid sẽ hỗ trợ nguồn lưới tiết kiệm năng lượng hóa thạch khi hệ đủ năng lượng cung cấp cho tải Trong khi chế độ độc lập, hệ thống Microgrid sẽ kết hợp những nguồn phát phân tán để cung cấp năng lượng cho tải sao cho đảm bảo tối ưu vận hành [1]

2.2 Các chế độ vận hành của hệ thống Microgrid

Một Microgrid có thể tự sản xuất điện và cũng có thể mua điện từ lưới điện quốc gia (NPG) nếu Microgrid đó được kết nối với lưới điện Các Microgrid không kết nối với lưới điện được gọi là Microgrid độc lập, trong khi các MG có thể bán/mua điện từ lưới điện quốc gia được gọi là MG nối lưới

2.2.1 Microgrid độc lập:

Một Microgrid độc lập có thể sản xuất điện từ các nguồn năng lượng của chính nó, bao gồm các nguồn thông thường và năng lượng tái tạo Một Microgrid độc lập có thể hoạt động độc lập với lưới điện và thích hợp cho các khu vực hẻo lánh, mà lưới điện quốc gia thể không đáp ứng Các thành phần tạo ra bao gồm cả nguồn năng lượng tái tạo (PV, WT và thủy điện nhỏ) và nguồn thông thường (diesel) Như có thể thấy trong Hình 2.1, điện được tạo ra bởi các nguồn Microgrid độc lập có thể được lưu trữ trong ESS bằng cách sử dụng bộ sạc ESS, hoặc được sử dụng cho tải xoay chiều bằng cách sử dụng bộ biến tần Việc lưu trữ hoặc sử dụng điện để đáp ứng nhu cầu được quản lý bởi một hệ thống điều khiển, sử dụng các thuật toán tối ưu hóa để giảm thiểu chi phí vận hành [2]

Hình 2.1 Mô hình hệ thống Microgrid độc lập điển hình

2.2.2 Microgrid kết nối lưới

Các Microgrid kết nối lưới với NPG được gọi là các MG nối lưới Các MG này có thể tạo ra điện từ (các) máy phát điện của chính chúng hoặc mua điện trực tiếp từ NPG Nếu sản lượng điện trong MG vượt quá mức tiêu thụ hiện tại, MG có thể bán điện cho NPG để thu lợi nhuận Ví dụ về MG được kết nối lưới được thể hiện trong Hình 2.2, bao gồm các tấm PV, hệ thống lưu trữ, tải và NPG Như có thể thấy trong Hình 2.2, MG có thể

mua hoặc bán điện từ NPG Điện do hệ thống PV sản xuất có thể được sử dụng để: (i) đáp ứng nhu cầu của người sử dụng, (ii) lưu trữ điện hoặc (iii) bán lại cho NPG Ngược lại, khi không có PV, điện có thể được sử dụng từ: (i) bộ lưu trữ năng lượng hoặc (ii) điện mua từ NPG Do đó, bộ điều khiển quản lý điện năng thích ứng (APM) đã được sử dụng để quản lý năng lượng của hệ thống với mục tiêu giảm thiểu tổng chi phí điện năng mua từ NPG (Hình 2.2)

Hình 2.2 Mô hình Microgrid được kết nối với NPG

2.3 Các thành phần trong hệ thống Microgrid 2.3.1 Máy phát điện động cơ đốt trong

Đây là loại máy phát sử dụng động cơ đốt trong để quay máy phát tạo ra điện năng Có hai loại động cơ: động cơ đánh lửa cưỡng bức và động cơ đánh lửa nén Điểm khác biệt giữa hai loại động cơ này là loại nhiên liệu sử dụng, hệ thống cung cấp và kiểu đốt cháy nhiên liệu Động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể dùng xăng, khí thiên nhiên, biogas, khí đốt hóa lỏng làm nhiên liệu Hỗn hợp cháy (gồm nhiên liệu và không khí) được đưa vào động cơ để thực hiện hành trình nén và được kích nổ nhờ bu - gi đánh lửa tạo quá trình cháy, dãn nở và tạo momen xoắn quay máy phát tạo ra điện năng Động cơ đánh lừa nén sử dụng nhiêu liệu là dầu diesel Đối với động cơ diesel, sau khi kim phun nhiên liệu thực hiện phun với tốc độ và áp suất cao kết hợp với buồng xoáy lốc trên đỉnh piston tạo ra hỗn hợp cháy Hỗn hợp này được nén với tỷ số nén cao và tự bốc cháy, dãn nở và tạo momen xoắn quay máy phát tạo ra điện năng Hiệu suất của động cơ diesel lớn hơn

khoảng 1,5 lần so với động cơ đánh lửa cưỡng bức Nhiên liệu diesel thường rẻ hơn nhiêu liệu khác [3]

Máy phát điện dùng động cơ đốt trong có khả năng tận dụng nguồn nhiệt thải để tạo ra nhiệt năng, nước nóng cung cấp cho các hộ tiệu thụ Tính năng này giúp tăng hiệu năng sử dụng nhiên liệu từ 35-48 % lên đến 70 % Máy phát điện dùng động cơ đốt trong thường được sử dụng phổ biến hơn cả, bởi giá thành rẻ, bền, tính ổn định cao và thời gian khởi động ngắn Khuyết điểm của máy phát này là khả năng xả khí thải gây hiệu ứng nhà kính ra môi trường

Hình 2.3 Các thành phần chính của máy phát điện sử dụng động cơ diesel

Các thành phần chính của máy phát điện Diesel, bao gồm: - 1 Động cơ

- 2 Đầu phát

- 3 Hệ thống nhiên liệu - 4 Ổn áp

- 5 Hệ thống làm mát và hệ thống xả - 7 Bộ nạp ắc – quy

- 8 Control Panel hay thiết bị điều khiển - 9 Kết cấu khung chính

2.3.2 Hệ thống năng lượng mặt trời (PV)

Hình 2.4 Pin năng lượng mặt trời PV Cell – PV Module – Strings – Arrays [4]

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bảo quang điện), là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diode p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy từ xa, thiết bị bơm nước Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong

Hình 2.5 Cấu tạo pin năng lượng mặt trời [5]

Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là các silic tinh thể Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành các loại sau [6]:

Thế hệ thứ nhất

Đây là những tấm pin năng lượng mặt trời truyền thống, loại pin lâu đời nhất được làm từ silicon bao gồm Monocrystalline silicon và Polyocrystalline silicon Đây cũng là thế hệ phổ biến nhất trong thị trường quang điện hiện nay Theo thống kê năm 2019 thị trường PV toàn cầu chiếm 95% là những tấm pin loại này

Hình 2.6 Hai loại pin năng lượng mặt trời Monocrystalline silicon và Polyocrystalline silicon

- Tấm pin đơn tinh thể (Monocrystalline Solar Panels)

+ Đây là những tấm pin được làm từ silicon đơn tinh thể, có độ tinh khiết cao Các tế bào silicon đơn tinh thể có màu đen hoặc xanh ánh kim Những tế bào silicon đơn tinh thể có độ bền cao lên tới trên 25 năm Tuy nhiên hiệu suất chuyển đổi của chúng cũng giảm dần theo từng năm (khoảng 0,5% mỗi năm) Nhược điểm của những tấm pin loại này là yêu cầu độ tinh khiết cao của tinh thể silicon dẫn tới việc sản xuất tinh thể silicon là phức tạp và giá thành sẽ tăng cao Bên cạnh đó những tế bào này cũng dễ bị rạn nứt khi có tác động cơ học Hiện nay, hiệu xuất chuyển đổi cao nhất của tế bào quang điện dạng này đã đạt tới 26.7% và module đã đạt tới 610W/panel với hiệu xuất chuyển đổi của module là 22.3%

- Tấm pin đa tinh thể (Polycrystalline Solar Panels)

+ Những tấm pin đa tinh thể được sản xuất bằng cách nung chảy silicon thô sau đó đổ vào khuôn, làm nguội và cắt thành những tấm wafer Quy trình sản xuất đơn giản, ít tốn kém, giá thành cũng thấp hơn những tấm tin đơn tinh thể Tuy vậy, những tấm pin đa tinh thể hiệu suất chuyển đổi thấp hơn, hoạt động kém hiệu quả hơn những tấm pin đơn tinh thể ở cùng điều kiện nhiệt độ tăng cao Năm 2019, hiệu suất chuyển đổi của tế bào đa tinh thể đạt cao nhất là 22.3%

Thế hệ thứ hai

- Pin mặt trời màng mỏng Amorphous silicon

+ Tế bào quang điện màng mỏng được sản xuất bằng cách lắng màng silicon lên nền thủy tinh Loại này ít tốn silicon được sử dụng để sản xuất hơn so với các tế bào đơn tinh thể hoặc đa tinh thể, nhưng hiệu suất chuyển đổi của tế bào dạng này không cao Một cách để cải thiện hiệu quả của tế bào là tạo cấu trúc phân lớp của một số tế bào Ưu điểm chính của công nghệ loại này là silicon vô định hình có thể được lắng đọng trên nhiều loại chất nền, có thể được tạo ra linh hoạt và có các hình dạng khác nhau và do đó có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng Silicon vô định hình cũng ít bị quá nhiệt, điều này thường làm giảm hiệu suất của pin mặt trời

- Pin mặt trời màng mỏng CdTe

+ Đây là một loại công nghệ khác, những năm gần đây trở nên khá phổ biến do chi phí đầu tư thấp, dễ tái chế, hiệu suất chuyển đổi tốt, khả năng hấp thụ bước sóng của ánh sáng rộng hơn silicon, tăng khả năng ứng dụng của những tấm pin loại này Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của những tấm pin màng mỏng CdTe là vấn đề rủi ro môi trường Trong quá trình sản xuất cần tập trung một lượng lớn Cadmium và Telluride Đối với Cadmium là tác động độc hại tới môi trường, con người còn Telluride vấn đề lớn nhất là nguồn cung Hiện nay, hiệu suất chuyển đổi của tế bào quang điện loại này đạt 21% và hiệu suất chuyển đổi của module đạt 18.3% (First solar)

- Pin mặt trời màng mỏng CIGS

+ Trong tất cả công nghệ pin mặt trời màng mỏng thì CIGS là công nghệ đạt hiệu quả cao nhất, Những module CIGS đang ngày càng trở nên phổ biến hơn trong ngành quang điện vì nó không chứa Cadmium độc hại Các tế bào CIGS được sản xuất bằng cách lắng đọng các kim loại với một lớp mỏng trên chất nền Tính tới năm 2019, hiệu suất chuyển đổi của tế bào quang điện CIGS cao nhất đạt 23.1% và đạt 17.6% đối với module (ZSW)

Thế hệ thứ 3

Pin mặt trời thế hệ thứ 3 bao gồm nhiều loại vật liệu khác nhau cả hữu cơ và vô cơ Hầu hết chúng vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu, phát triển như: DSSC (dye-sensitized solar cell), Polymer và Organic PV, Quantum dot PV, Perovskite Những công nghệ này hiện nay chưa có tính ổn định và còn những rào cản rất lớn như về hiệu suất, tuổi thọ, công nghệ, điều kiện ứng dụng và một yếu tố quan trọng nhất là tính hiệu quả về kinh tế

Với những thành công trong nghiên cứu, sản xuất, ứng dụng đã cho ra đời hàng loạt những tấm pin năng lượng mặt trời công suất cao, hiệu quả về kinh tế đã khiến ngành công nghiệp quang điện đang ngày càng trở nên quan trọng trở thành một nguồn năng lượng không thể thiếu ở hiện tại và tương lai Đây chính là một ngành công nghiệp có tiềm năng và quy mô lớn Quang điện sẽ là nguồn năng lượng tiên phong trong các nguồn năng lượng tái tạo và sẽ dần thay thế các nguồn năng lượng truyền thống Từ những thông tin về các thế hệ pin mặt trời, tin chắc rằng thế hệ thứ hai sẽ là thế hệ pin mặt trời phát triển bùng nổ trong những năm sắp tới vì công nghệ sản xuất đã đạt tới độ chin cùng những ưu điểm của thế hệ này như: khả năng ứng dụng rộng rãi trong mọi

lĩnh vực, chi phí sản xuất thấp, ít tốn vật liệu, hiệu suất, độ bền cao, ít ảnh hưởng bởi nhiệt độ, dễ dàng tái chế Đặc biệt là pin mặt trời màng mỏng CIGS vì ngoài những ưu điểm trên thì pin mặt trời màng mỏng CIGS thân thiện với môt trường và khoảng cách giữa hiệu suất của tế bào và module còn rất lớn Những yếu tố này là tiềm năng rất lớn cho pin mặt trời màng mỏng CIGS trong tương lai

Nguyên lý hoạt động: Ánh sáng mặt trời bao gồm các hạt rất nhỏ gọi là photon được tỏa ra từ mặt trời Khi va chạm với các nguyên tử silicon của pin năng lượng mặt trời, những hạt photon truyền năng lượng của chúng tới các electron rời rạc, kích thích làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng thời ở nguyên tử xuất hiện chỗ trống vì thiếu electron

Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động của pin năng lượng mặt trời [5]

Tuy nhiên giải phóng các electron chỉ mới là một nửa công việc của pin năng lượng mặt trời, sau đó nó cần phải dồn các electron rãi rác này vào một dòng điện Điều này liên quan đến việc tạo ra một sự mất cân bằng điện trong pin mặt trời, có tác dụng giống như xây một con dốc để các electron chảy theo cùng một hướng Sự mất cân bằng này có thể được tạo ra bởi tổ chức bên trong của silicon Nguyên tử silicon được sắp xếp cùng nhau trong một cấu trúc ràng buộc chặt chẽ Bằng cách ép một số lượng nhỏ các nguyên tố khác vào cấu trúc này, sẽ có hai loại silicon khác nhau được tạo ra: loại n và loại p Chất bán dẫn loại n (bán dẫn âm - Negative có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân, đấy chính là các electron dẫn chính Chất bán dẫn loại p (bán dẫn dương - Positive) có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống Khi hai loại bán dẫn này được đặt cạnh nhau trong một pin năng lượng mặt trời,

electron dẫn chính của loại n sẽ nhảy qua để lấp đầy những khoảng trống của loại p Điều này có nghĩa là silicon loại n tích điện dương và silicon loại p được tích điện âm, tạo ra một điện trường trên pin mặt trời Vì silicon là một chất bán dẫn nên có thể hoạt động như một chất cách điện và duy trì sự mất cân bằng này Khi làm cho electron đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử silicon, photon trong ánh sáng mặt trời đưa các electron này vào một trật tự nhất định, cung cấp dòng điện cho máy tính, vệ tinh và tất cả các thiết bị ở giữa

2.3.3 Hệ thống năng lượng gió (WT)

Tuabin gió có thể được thiết kế để hoạt động ở tốc độ cố định hoặc ở tốc độ thay đổi Nhiều tuabin gió công suất thấp được chế tạo cho đến nay được chế tạo theo cái gọi là "khái niệm Đan Mạch" rất phổ biến vào những năm 80, trong đó năng lượng gió được biến đổi thành năng lượng điện bằng cách sử dụng một máy cảm ứng lồng sóc đơn giản được kết nối trực tiếp với lưới điện ba pha Rotor của tuabin gió được ghép với trục máy phát bằng hộp giảm tốc tỷ số cố định Tại bất kỳ điểm vận hành nào, tuabin này về cơ bản phải được vận hành ở tốc độ không đổi Mặt khác, các tuabin gió công suất lớn hiện đại trong khoảng 2-10 MW chủ yếu dựa trên hoạt động ở tốc độ thay đổi với điều khiển góc bước lưỡi thu được chủ yếu nhờ thiết bị điện tử công suất, mặc dù cũng có thể sử dụng điện trở rotor của máy phát điện biến đổi Các tuabin gió này chủ yếu có thể được phát triển bằng cách sử dụng một hệ thống trực tiếp được xây dựng với một PMSG dẫn động trực tiếp (không có hộp số) được kết nối với lưới điện thông qua một bộ chuyển đổi năng lượng đầy đủ hoặc một hệ thống máy phát điện cảm ứng kép (DFIG) bao gồm một DFIG với một bộ chuyển đổi công suất quy mô một phần được kết nối với các cuộn dây rôto Dựa trên các khái niệm này, các thiết kế tuabin gió được áp dụng phổ biến nhất có thể được phân loại thành bốn khái niệm tuabin gió, như được mô tả dưới đây [7]:

- Tuabin gió loại A: Tua bin gió tốc độ cố định kết nối trực tiếp với lưới điện thông qua máy phát điện cảm ứng lồng sóc

Hình 2.8 Tuabin gió loại A

- Tuabin gió loại B: Tuabin gió tốc độ thay đổi một phần được kết nối trực tiếp với lưới điện thông qua máy phát cảm ứng rotor dây quấn có điện trở rotor thay đổi

Hình 2.9 Tuabin gió loại B

- Tuabin gió loại C: Tuabin gió tốc độ thay đổi được kết nối trực tiếp với lưới điện thông qua máy phát điện cảm ứng cấp nguồn kép được điều khiển bằng bộ chuyển đổi điện quy mô một phần

Hình 2.10 Tuabin gió loại C

- Tuabin gió loại D: Tuabin gió tốc độ biến đổi trực tiếp được kết nối với lưới điện thông qua bộ biến đổi điện năng toàn diện

Hình 2.11 Tuabin gió loại D

2.3.4 Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS)

Nhu cầu lưu trữ năng lượng ngày càng tăng đã thúc đẩy con người nỗ lực không ngừng để nghiên cứu các phương pháp lưu trữ năng lượng mới hiệu quả hơn và phục vụ cho các nhu cầu cụ thể Hệ thống lưu trữ năng lượng có thể được phân loại dựa trên chức

năng, tốc độ đáp ứng, thời gian lưu trữ, dạng năng lượng được lưu trữ, v.v Việc phân loại ESS dựa trên dạng năng lượng dự trữ sẽ được trình bày tại chương này Năng lượng có thể được lưu trữ dưới dạng năng lượng cơ học, điện hóa, hóa học hoặc nhiệt năng, cũng như dưới dạng điện trường hoặc từ trường Nó cũng có thể tích trữ năng lượng dưới dạng lai của hai dạng khác nhau [8]

Hình 2.12 Sơ đồ phân loại ESS theo dạng năng lượng lưu trữ [8]

a Lưu trữ năng lượng cơ học

Năng lượng cơ học là một trong những dạng năng lượng lâu đời nhất mà loài người đã và đang sử dụng cho các mục đích sử dụng đa dạng Một lợi thế của năng lượng cơ học là nó có thể được lưu trữ dễ dàng và trong thời gian dài Nó rất linh hoạt theo nghĩa có thể dễ dàng chuyển đổi thành và từ các dạng năng lượng khác Cơ năng có thể xuất hiện dưới dạng thế năng hoặc động năng Khí có áp và lò xo cưỡng bức là hai biến thể của thế năng, trong khi động năng có thể được tích trữ trong chuyển động của một vật Ba hình thức của hệ thống lưu trữ cơ học được xây dựng ở đây Trong số đó, hệ thống lưu trữ năng lượng thủy điện được bơm và hệ thống lưu trữ năng lượng khí nén lưu trữ năng lượng tiềm năng, trong khi hệ thống lưu trữ năng lượng bánh đà lưu trữ động năng

b Lưu trữ năng lượng nhiệt

Nhiệt năng có thể được lưu trữ dưới dạng nhiệt tiềm ẩn, nhiệt cảm ứng và các phản ứng nhiệt hóa thuận nghịch Tích trữ năng lượng nhiệt (TES) đã được sử dụng trong một thời gian dài để tái phân phối năng lượng và hiệu quả năng lượng trên cơ sở ngắn hạn hoặc dài hạn Trong TES, năng lượng được tích trữ bởi làm mát hoặc sưởi ấm một phương tiện, có thể được sử dụng để làm mát hoặc sưởi ấm các vật thể khác, hoặc thậm chí để tạo ra nguồn điện TES tìm thấy các ứng dụng trong các ngành công nghiệp hoặc tòa nhà và có thể tăng hiệu quả tổng thể, độ tin cậy và tính kinh tế Hệ thống này hoàn toàn thân thiện với môi trường TES thường được sử dụng cùng với các hệ thống quang điện mặt trời (PV), trong đó năng lượng nhiệt của mặt trời được lưu trữ một cách hiệu quả Bằng cách này, ngoài việc tạo ra quang điện, các hệ thống điện mặt trời có thể đảm bảo thu được một lượng lớn năng lượng từ mặt trời, có thể được sử dụng vào ban đêm hoặc vào những thời điểm khí hậu bất thường Máy tập trung năng lượng mặt trời cũng sử dụng TES cho mục đích lưu trữ năng lượng nhiệt tập trung từ ánh sáng mặt trời Hệ thống TES có thể mở đường hiệu quả cho một tương lai với năng lượng mặt trời 24 ‐ h Hơn nữa, họ tìm thấy các ứng dụng rộng rãi trong việc chuyển tải và sản xuất điện cho động cơ nhiệt TES có tổn thất tự phóng điện thấp (0,05–1%), mật độ năng lượng tốt (80–500 Wh / L), năng lượng riêng cao (80–250 Wh/kg) và chi phí vốn thấp (3-60%), mặc dù cũng có hiệu suất chu trình thấp từ 30–60%

c Lưu trữ năng lượng tĩnh điện và từ tính

Năng lượng có thể được lưu trữ dưới dạng điện trường và từ trường bằng siêu tụ điện và nam châm siêu dẫn, tương ứng Chúng là các thiết bị lưu trữ có mật độ năng lượng trung bình và công suất cao, rất hữu ích trong việc đáp ứng nhu cầu điện năng cao nhất, làm mịn công suất đầu ra và thu hồi năng lượng trong các thiết bị vận chuyển khối lượng lớn Phần này có thể được mô tả trong hai phần phụ chính lưu trữ năng lượng tĩnh điện và từ trường Tích trữ năng lượng tĩnh điện chủ yếu ở dạng tụ điện và siêu tụ điện Siêu tụ điện còn được gọi phổ biến là lớp điện kép tụ điện (EDLC)

d Lưu trữ năng lượng điện hóa

Hệ thống lưu trữ điện hóa (ECSS) bao gồm tất cả bộ lưu trữ năng lượng pin có thể sạc lại (BES) và pin dòng (FB), lưu trữ năng lượng điện dưới dạng năng lượng hóa học Nó là một trong những công nghệ lâu đời nhất và trưởng thành nhất hiện có Tại đây, năng lượng hóa học có trong các vật liệu hoạt động được chuyển hóa thành năng lượng điện bằng phản ứng oxi hóa - khử điện hóa ECSS, có nhiều mật độ năng lượng khác nhau, từ 10 Wh/kg đến 13 kW/kg, là hệ thống lưu trữ năng lượng điện lớn nhất hiện có Hơn nữa, chúng có hiệu suất cao từ 70 - 80% và lượng phát thải chất độc hại không đáng kể Ngoài ra, chúng yêu cầu rất ít bảo trì, điều này khiến chúng trở thành đối thủ chính trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng

Pin có thể được thực hiện trong các ứng dụng lưu trữ tiện ích khác nhau như cạo tải, cân bằng đỉnh, v.v Sơ đồ hoạt động của Hệ thống Lưu trữ Năng lượng Pin (BESS) được thể hiện trong Hình 2.13 Một tế bào pin bao gồm hai điện cực tích điện trái dấu - cực dương và cực âm Các điện cực này được đặt chìm trong chất điện phân, có thể ở trạng thái lỏng, rắn hoặc nhớt Trong giai đoạn phóng điện, phản ứng điện hóa xảy ra và kim loại ở anot tan vào chất điện phân dưới dạng anion, để lại các electron ở anot Các electron này đi từ cực dương sang cực âm qua mạch ngoài; do đó, dòng điện được tạo ra do sự di chuyển của các electron Trong giai đoạn tích điện, các điện tử di chuyển theo hướng ngược lại, tức là từ cực âm sang cực dương Điện áp được tạo ra bởi một tế bào pin không đủ để đáp ứng yêu cầu Do đó, nhiều tế bào pin được mắc nối tiếp để tạo ra điện áp đầu ra mong muốn

Tùy thuộc vào hóa học và cấu tạo, pin có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau như axit-chì, ion lithium (ion li-ti), không khí kim loại, gốc niken, dòng chảy, lithium

polyphosphate (li-po), v.v Trong phần này, mô tả chi tiết về các loại BES khác nhau được trình bày Hơn nữa, mô hình mạch điện tương đương của các BES chính cũng được trình bày trong phần này, được thực hiện bằng cách xác định thực nghiệm các thông số của pin như điện trở trong, điện trở ngoài, điện dung, sức điện động (EMF), đáp ứng thoáng qua, điện áp mạch hở, dòng điện ngắn mạch và kiểu suy giảm của pin Các thông số này phụ thuộc không tuyến tính vào trạng thái hiện tại, nhiệt độ và trạng thái điện tích (SOC)

Hình 2.13 Sơ đồ hoạt động của Hệ thống Lưu trữ Năng lượng Pin (BESS)

e Lưu trữ năng lượng hóa học

Năng lượng có thể được lưu trữ trong một thời gian dài dưới dạng liên kết hóa học của các phân tử Khi các phân tử phản ứng hóa học và sự chuyển điện tử diễn ra, năng lượng có thể được tạo ra Chất phản ứng và sản phẩm của phản ứng hóa học là hoàn toàn khác nhau Do đó, năng lượng có thể được chuyển đổi từ dạng hóa học này sang dạng hóa học khác Bằng cách lưu trữ năng lượng hóa học (ChES) này, gần 100 GWh năng lượng có thể được lưu trữ Hai dạng ChES chính là ES nhiệt hóa và ES điện hóa, với dạng sau được sử dụng rộng rãi nhất Pin nhiên liệu được sử dụng trong quá trình lưu trữ năng lượng điện hóa, trong đó dòng điện liên tục thu được khi có sẵn nhiên liệu hóa học Các phần sau đây thảo luận về những điều cơ bản của pin nhiên liệu và các biến thể khác nhau của chúng

2.4 Hệ thống điện tại đảo Phú Quý

Tháng 05/2019, Tổng Công ty Điện lực miền Nam chính thức đưa công trình “Phát triển và hiện đại hóa hệ thống nguồn - lưới điện huyện đảo Phú Quý” đưa vào sử dụng và tổ chức gắn biển cho công trình này tại huyện đảo Phú Quý (Bình Thuận) [9]

Dự án “Phát triển và hiện đại hóa hệ thống nguồn - lưới điện huyện Đảo Phú Quý” thuộc Chương trình Hỗ trợ phát triển chính sách cải cách ngành điện giai đoạn 3 (DPL3) vay vốn Ngân hàng Thế giới (WB) và nguồn vốn đối ứng Tổng Công ty Điện lực Miền Nam với tổng mức đầu tư gần 271 tỷ đồng Dự án do Tổng Công ty Điện lực Miền Nam làm chủ đầu tư và Công ty Điện lực Bình Thuận quản lý dự án

Mục tiêu dự án nhằm hiện đại hóa nguồn và lưới điện trên huyện Đảo Phú Quý; xây dựng và vận hành các nguồn năng lượng trên đảo với công nghệ hiện đại, đáp ứng vận hành hỗn hợp tự động tối ưu các nguồn Diesel-gió, và các nguồn năng lượng mặt trời, hệ thống tích năng trong tương lai Đồng thời, dự án còn phát triển hệ thống nguồn và lưới điện đáp ứng nhu cầu điện ngày một tăng cao trên huyện đảo, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện 24/24 giờ, an toàn trong cung cấp điện, hiện đại hóa công tác kinh doanh điện, quản lý điều hành lưới điện và góp phần bảo đảm an ninh - quốc phòng biển đảo, phục vụ kinh tế - xã hội tại huyện đảo tiền tiêu

Nguồn điện cung cấp cho huyện đảo Phú Quý hiện nay chủ yếu từ nguồn điện diesel và điện gió bao gồm [10]:

- Nguồn diesel: công suất thiết kế 5MW gồm 6 máy phát Cummin 500kW và 2 máy phát Perkin 1000kW Năm 2018, nhà máy đã được mở rộng bổ sung thêm 5 máy phát điện diesel công suất 1000kW, nâng tổng công suất đặt của toàn nhà máy lên 10 MW

- Điện gió: tổng công suất 6MW, gồm 3 turbine Vestas với công suất mỗi turbine là 2MW

Hình 2.14 Hệ thống máy phát điện Diesel của đảo Phú Quý [nguồn: EVNSPC]

Hình 2.15 Hệ thống điện gió đảo Phú Quý [nguồn: EVNSPC]

- Vào tháng 01/2021, dự án nhà máy điện mặt trời với tổng công suất lắp đặt 806kWp đã được đưa vào sử dụng, giúp giảm tải cho hệ thống máy phát điện diesel hiện hữu vào ban ngày, chuyển sang sử dụng hệ thống máy phát điện diesel vào ban đêm Ngoài ra nhà máy điện mặt trời huyện đảo Phú Quý sẽ đảm bảo cung cấp điện ổn định liên tục 24/24h cho nhu cầu sinh hoạt, dịch vụ, sản xuất… của người dân và doanh nghiệp trên đảo, tạo động lực phát triển kinh tế xã hội nơi đây, đặc biệt là phục vụ phát triển kinh tế biển và các hoạt động tham quan du lịch, phát triển bền vững và bảo vệ môi trường biển, giữ gìn và bảo vệ vùng trời vùng biển của Tổ quốc [11]

Hình 2.16 Dự án nhà máy điện mặt trời tại đảo Phú Quý

Trước ngày 01/7/2014, nguồn cấp điện trên đảo do nhà máy diesel và nhà máy phong điện vận hành hỗn hợp cung cấp điện theo phương thức vận hành 16 giờ/ngày Sau ngày 01/7/2014, điện được cung cấp 24/24 Tỷ lệ phát điện của diesel và điện gió tương ứng là 65% và 35% Khi tốc độ gió thấp hoặc khi tốc độ gió quá cao kèm theo gió giật, máy phát turbine gió bị tách khỏi lưới, việc cung cấp điệndo máy phát diesel đảm nhận Đối với phụ tải huyện đảo Phú Quý, công suất phụ tải yêu cầu với phụ tải cực đại và cực tiểu lần lượt là Pmax = 3500 kW, Pmin = 1510 kW Việc đảm bảo công suất để cung cấp

đủ cho phụ tải là vô cùng cần thiết Đồ thị phụ tải của huyện đảo Phú Quý được thể hiện như trong Hình 2.17 [12]

Hình 2.17 Đồ thị phụ tải ngày

Trong giai đoạn 2019-2029, dự báo tốc độ tăng trưởng phụ tải hàng năm khoảng 8-10% Với yêu cầu đảm bảo cấp điện theo phương thức vận hành 24/24, hệ thống điện trên huyện đảo Phú Quý hiện nay luôn phải duy trì phát điện diesel nhằm đảo bảo ổn định lưới, dự phòng quay (spinning reserve), đảm bảo cấp điện ổn định cho phụ tải khi nguồn năng lượng gió biến động [10]

Để giảm tối đa tỉ lệ thâm nhập của nguồn diesel, luận văn đề xuất sử dụng cấu trúc Microgrid như Hình 2.18 cho lưới điện đảo Phú Quý có tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS-Energy Storage System) ESS sẽ giúp tích trữ năng lượng khi công suất của điện gió và năng lượng mặt trời lớn hơn công suất phụ tải yêu cầu và phát điện trở lại lưới khi công suất của điện năng lượng tái tạo nhỏ hơn công suất của phụ tải ESS giúp tận dụng tối đa năng lượng từ nguồn điện gió cũng như là các nguồn năng lượng tái tạo khác

Hình 2.18 Lưới điện Microgrid sử dụng cho huyện đảo Phú Quý

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH BÀI TOÀN TỐI ƯU TRONG HỆ THỐNG MICROGRID

3.1 Mô hình hóa các phần tử trong Microgrid: 3.1.1 Máy phát Diesel (Diesel Generator - DG):

Cần có một máy phát điện diesel để hệ thống Microgrid hoạt động như một nguồn điện dự phòng Nó bắt đầu hoạt động khi ESS được xả đến độ sâu cho phép và giá trị định mức công suất của nó ít nhất phải bằng tải tối đa trong đường cong tải hàng ngày Mức tiêu thụ nhiên liệu của máy phát diesel phụ thuộc vào công suất định mức của máy phát và công suất đầu ra thực tế do nó cung cấp Sử dụng đường cong tiêu thụ nhiên liệu do nhà sản xuất cung cấp là cách chính xác để tính toán mức tiêu thụ nhiên liệu ở bất kỳ tải nào do máy phát diesel cung cấp Các nhà sản xuất thường đưa ra giá trị tiêu thụ nhiên liệu ở công suất định mức và không bao gồm đường cong tiêu thụ nhiên liệu Vì vậy công thức bên dưới được sử dụng để tính toán mức tiêu thụ nhiên liệu của máy phát điện diesel (𝑓𝑢𝑒𝑙𝑐𝑜𝑛𝑠 ) tính bằng (L/h)

Trong các mô hình khác nhau được nêu trong bài báo [13], một mối quan hệ tuyến tính

được giả định giữa mức tiêu thụ nhiên liệu DG (fuelcons) và sản lượng DG tương ứng Về mặt toán học, nó được định nghĩa là:

𝑓𝑢𝑒𝑙𝑐𝑜𝑛𝑠 = 𝐹0𝑃𝐷𝐺,𝑟+ 𝐹1𝑃𝐷𝐺Trong đó:

- F0 : Hệ số chặn đường cong nhiên liệu (fuel curve intercept coefficient) - 0,246 L/h/kWrated

- F1 : Hệ số góc đường cong nhiên liệu (fuel curve slope coefficient) – 0,08145 L/h/kW

- PDG,r : Công suất định mức của DG - PDG : Công suất tức thời của DG

3.1.2 Tuabin gió (Wind Turbine – WT):

Công suất WT sinh ra từ năng lượng gió tích lũy trong cánh quạt tuabin, phụ thuộc hệ số công suất Cp và được xác định bằng công thức [14]:

𝑃𝑊𝑇 ={

0 , 𝑣𝑤 < 𝑣𝑐𝑢𝑡−𝑖𝑛1

2𝜌 ⋅ 𝜋 ⋅ 𝑅2⋅ 𝑣𝑤3 ⋅ 𝐶𝑝 , 𝑣𝑐𝑢𝑡−𝑖𝑛 ≤ 𝑣𝑤 ≤ 𝑣𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑 𝑃𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑 , 𝑣𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑 ≤ 𝑣𝑤 ≤ 𝑣𝑐𝑢𝑡−𝑜𝑢𝑡

0 , 𝑣𝑤 > 𝑣𝑐𝑢𝑡−𝑜𝑢𝑡với:

- ρ : Mật độ không khí (1,225kg/m3) - R : Bán kính cánh quạt gió (m) - 𝑣𝑤 : Tốc độ gió (m/s)

- Vùng III, trong này công suất gió tăng, nhưng công suất của tuabin bị giới hạn bởi công suất danh định PN Ở tốc độ gió trên danh định VN nếu tăng kích thước, công suất máy phát, sức bền cơ của cấu trúc thì lợi ích sản xuất điện sẽ không bù lại được chi phí ban đầu

- Vùng IV, khi tốc độ gió vượt quá tốc độ cực đại mà tuabin có thể chịu đựng thì tuabin sẽ được dừng bởi hệ thống dừng khẩn cấp để bảo vệ hư hỏng phần cơ

3.1.3 Pin quang điện (Photovoltaic - PV):

Mô phỏng hàng giờ của hệ thống pin quang điện (PV) được thực hiện thông qua phương trình sau theo [15]:

𝑃𝑃𝑉 = ŋ𝑃𝑉,𝑆𝑇𝐶 [ 1 + 𝜇

ŋ𝑃𝑉,𝑆𝑇𝐶(𝑇𝛼 − 𝑇𝑆𝑇𝐶)

+ 𝜇ŋ𝑃𝑉,𝑆𝑇𝐶

9,55,7 + 3,8𝑣

𝑁𝑂𝐶𝑇 − 20

800 (1 − ŋ𝑃𝑉,𝑆𝑇𝐶)𝐺𝑔,𝑡 ] 𝐴𝑃𝑉𝐺𝑔,𝑡Trong đó:

- PPV : Công suất đầu ra của hệ thống PV (W)

- ȠPV, STC : Hiệu suất của mô-đun PV ở điều kiện tiêu chuẩn (STC) (%) - μ : Hệ số nhiệt độ của công suất đầu ra (%/°C)

- Tα : Nhiệt độ môi trường (°C)

- TSTC : Nhiệt độ điều kiện tiêu chuẩn (25°C) - v : Tốc độ gió (m/s)

- NOCT : Nhiệt độ vận hành bình thường (°C)

- APV : Diện tích lắp đặt PV (m2) liên quan đến công suất đỉnh - GG,t : Bức xạ mặt trời toàn cầu (W/m2)

3.1.4 Cường độ bức xạ mặt trời (Solar radiation)

Tổng bức xạ mặt trời GG,t (W/m2) phụ thuộc vào bức xạ nằm ngang (horizontal radiation) , hướng bề mặt (surface orientation) và bao gồm ba thành phần khác nhau: bức xạ chùm tia trực tiếp (Beam radiation) - GB,t (W/m2), bức xạ khuếch tán (Diffuse radiation) - GD,t

(W/m2) và bức xạ phản xạ (Reflected radiation) GR,t (W/m2), công thức được thể hiện như sau [15]:

𝐺𝐺,𝑡 = 𝐺𝐵,𝑡 + 𝐺𝐷,𝑡 + 𝐺𝑅,𝑡

Thành phần bức xạ chùm tia trực tiếp có thể được tính toán từ bức xạ ngang (Horizontal radiation) thông qua phương trình sau đây được trình bày trong [15]:

𝐺𝐵,𝑡 = 𝐺𝐺,ℎ − 𝐺𝐷,ℎ

𝑐𝑜𝑠(90 − 𝛼)𝑐𝑜𝑠(𝜃) Trong đó:

- GG,h : Bức xạ theo phương ngang (W/m2)

- GD,h : Bức xạ khuếch tán theo phương ngang (W/m2) - α : Cao độ mặt trời (Solar Altitude) ( ̊ )

- θ : góc tới - Angle of Incidence ( ˚ ) Thành phần khuếch tán:

𝐺𝐷,𝑡 = 𝐺𝐷,ℎ1 + cos(𝛽)2Thành phần phản xạ được biểu diễn như sau:

𝐺𝑅,𝑡 = 𝜌𝑔𝐺𝑅,ℎ1 − cos(𝛽)2

Trong đó: ρg là hệ số phản xạ, đối với mặt phẳng cỏ là 0.02

Thiên độ δ – là góc hợp bởi mặt phẳng xích đạo với đường thẳng nối tâm mặt trời và tâm trái đất (δ < 0 khi mặt trời ở bán cầu Nam) δ biến thiên trong khoảng +/- 23.45˚ Thiên độ δ là một hàm của hình sin tính theo ngày:

𝛿 = 23.45 sin (360284 + 𝑛365 )