Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện: Phân bố công suất tối ưu cho lưới điện phân phối có các trạm sạc xe điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÂM BỬU QUÍ

PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỐI ƯU CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN PHÚC KHẢI

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV 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

TS Lê Kỷ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Lâm Bửu Quí MSHV: 2070020

Ngày tháng năm sinh: 10/07/1997 Nơi sinh: Hòa Thành - Tây NinhChuyên ngành: Hệ thống điện Mã số: 8520201

I TÊN ĐỀ TÀI:

- Phân bố công suất tối ưu cho lưới điện phân phối có các trạm sạc xe điện - Optimal power flow for distribution grids considering electric vehicle

charging station

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu về mô hình trạm sạc, các lưới mô phỏng, lưới thực và nguồn năng lượng tái tạo

- Tìm giải thuật tính toán tối ưu công suất cho lưới điện có trạm sạc xe điện - Tìm giải thuật tính toán tối ưu công suất cho lưới điện có trạm sạc xe điện và

nguồn năng lượng tái tạo

- Thiết kế mô hình và mô phỏng trên phần mềm Matlab - Phân tích kết quả mô phỏng và đưa ra kết luận

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/09/2021

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIÊM VỤ: 12/12/2021 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN PHÚC KHẢI

Tp.HCM, ngày tháng năm 2022

TS Nguyễn Phúc Khải

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

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

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình thực hiện Luận văn Thạc sĩ, em đã nhận được sự giúp đỡ và hỗ trợ nhiệt tình từ các thầy cô trong bộ môn Hệ thống điện – Trường đại học Bách Khoa

TPHCM, đặc biệt là thầy TS Nguyễn Phúc Khải đã tận tình chỉ bảo trong việc hướng

dẫn tiếp cận vấn đề, tìm kiếm tài liệu và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành Luận văn

Với tình cảm chân thành, em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô tại trường

đại học Bách Khoa, đặc biệt là thầy TS Nguyễn Phúc Khải đã mang đến cho em nhiều

kiến thức bổ ích để không chỉ là thực hiện Luận văn tốt nghiệp mà còn là hành trang vững chắc cho sự nghiệp trong tương lai

Xin cảm ơn Cha Mẹ, đồng nghiệp và bạn bè đã động viên, khích lệ em trong suốt quá trình làm luận văn

Do giới hạn về kiến thức và khả năng lý luận của bản thân nên Luận văn còn nhiều thiếu sót và hạn chế, kính mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô để em có thể hoàn thiện bản thân trong tương lai

Kính chúc quý thầy cô thật nhiều sức khỏe và thành công trong cuộc sống Em xin chân thành cám ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2022 Sinh viên thực hiện

Lâm Bửu Quí

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Các nước trên thế giới đã triển khai nhiều nghiên cứu ứng dụng nhằm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, giảm ô nhiễm môi trường, giảm phát thải khí nhà kính Trong lĩnh vực giao thông vận tải, các phương tiện điện đang phát triển cực kỳ nhanh chóng và ảnh hưởng đến khả năng chịu tải và chất lượng điện năng, làm giảm chất lượng điện áp và giảm tổn thất Do đó, việc quy hoạch và phát triển lưới điện cần được thực hiện kịp thời

Bài toán được trình bày dưới hai quan điểm Thứ nhất, theo quan điểm của người vận hành hệ thống điện, chất lượng điện áp và tổn thất là hai yếu tố quan trọng nhất Thứ hai, đối với chủ sở hữu của EV, chi phí và kế hoạch sạc/xả tối ưu được xem xét

Bài toán được mô phỏng trên phần mềm Matlab với lưới điện IEEE 33 nút, IEEE 69 nút và lưới điện thực tại Công ty Điện lực Phú Thọ Thuật toán tối ưu hóa MFO cải tiến được sử dụng để tìm các giải pháp tối ưu để tối thiểu hàm mục tiêu Kết quả được sử dụng để đánh giá khả năng cung cấp điện cho trạm nạp tại mỗi nút và khả năng cung cấp điện tối đa cho trạm sạc xe điện cho tất cả các hệ thống lưới điện trong nghiên cứu

Luận văn được bố cục gồm sáu chương Chương 1 giới thiệu tổng quan đề tài, các nghiên cứu đã được thực hiện liên quan đến đề tài Các cơ sở lý thuyết được áp dụng trong đề tài bao gồm lý thuyết về xe điện và trạm sạc cũng như tác động của chúng đối với hệ thống điện cùng với sự ảnh hưởng của nguồn năng lượng tái tạo được trình bày cụ thể trong chương 2 Trong nội dung chương 3, các mô hình của các đối tượng nghiên cứu được xây dựng Bài toán phân bố công suất tối ưu cho lưới điện phân phối có các trạm sạc xe điện được trình bày trong chương 4 Chương 5 là bài toán phân bố công suất tối ưu cho lưới điện phân phối có các trạm sạc xe điện và nguồn năng lượng tái tạo Cuối cùng, chương 6 đưa ra kết luận và hướng phát triển trong tương lai của đề tài

ABSTRACTS

Countries around the world have implemented many applied researches to reduce dependence on fossil fuels, reduce environmental pollution and reduce greenhouse gas emissions In the field of transportation, electric vehicles are developing extremely rapidly and affecting load capacity and power quality, increasing voltage flicker and losses The planning and development of the power grid should be promoted timely

The problem is presented in two perspectives Firstly, from the point of view of the power system operator, power quality and loss are the two most important factors Second, for the owner of the EVs, cost and optimal charging/discharging plan are considered

The problem is simulated on Matlab software with IEEE 33-bus system, IEEE bus and a real system at Phu Tho Power Company The improved MFO optimization algorithm is used to find the optimal solutions to minimize the objective function The results are used to evaluate the ability to supply power to the charging station at each bus and the maximum ability to supply electricity to the electric vehicle charging station for all power grid systems in the study

69-The thesis is organized into six chapters Chapter 01 introduces the overview of the topic, the research that has been done related to the topic The theory of electric vehicles and charging stations as well as their impact on the electrical system along with the influence of renewable energy sources are presented in detail in the chapter 2 In the content of chapter 3, models of research objects are built The optimal power distribution problem for the distribution grid with electric vehicle charging stations is presented in chapter 4 Chapter 5 is the optimal power distribution problem for the distribution grid with electric vehicle charging stations and renewable energy sources Finally, chapter 6 gives the conclusion and future development direction of the topic

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

Đây là công trình nghiên cứu cá nhân của tôi trong thời gian qua Mọi số liệu sử dụng phân tích trong luận văn và kết quả nghiên cứu là do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách khách quan, trung thực, có nguồn gốc rõ ràng và chưa được công bố dưới bất kỳ hình thức nào

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sự không trung thực trong thông tin sử dụng trong công trình nghiên cứu này

Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Lâm Bửu Quí

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT……… …… xi

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1

1.1.Xu hướng phát triển của xe điện và hệ thống các trạm sạc 1

1.2.Tính cấp thiết của đề tài 6

1.3.Các nghiên cứu liên quan 7

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

2.1.Tổng quan về công nghệ xe điện 10

2.2.Tác động của hệ thống trạm sạc khi tích hợp vào lưới điện phân phối 12

2.2.1 Tác động lên độ ổn định lưới điện 12

2.2.1.1 Ảnh hưởng đến ổn định điện áp 13

2.2.1.2 Ảnh hưởng đến sự ổn định tần số 15

2.2.1.3 Ảnh hưởng đến ổn định dao động 17

2.2.2 Tác động lên chất lượng điện năng 19

2.3.Tác động của xe điện lên các nguồn năng lượng tái tạo 21

2.3.1 Thúc đẩy nguồn năng lượng tái tạo phát triển 21

2.3.2 Tích hợp xe điện với nguồn năng lượng tái tạo 23

CHƯƠNG 3: CÁC MÔ HÌNH ĐỀ XUẤT 24

3.1.Mục tiêu nghiên cứu 24

3.2.Mô hình hệ thống và bài toán xem xét 24

3.2.1 Mô hình tải EV 24

3.2.2 Mô hình lưới điện chuẩn IEEE 33 nút 26

3.2.3 Mô hình lưới điện chuẩn IEEE 69 nút 27

3.2.4 Mô hình lưới điện thực tế 28

3.3.Phương pháp luận 29

3.3.1 Giới thiệu thuật toán MFO [45] 29

3.3.2 Thuật toán MFO cải tiến được đề xuất 31

CHƯƠNG 4: PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỐI ƯU CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ CÁC TRẠM SẠC XE ĐIỆN 33

4.1.Mô hình bài toán đánh giá khả năng tải của lưới điện đối với trạm sạc 33

4.1.1 Hàm mục tiêu 33

4.1.2 Các điều kiện ràng buộc vận hành 33

4.1.2.1 Các điều kiện về cân bằng công suất 33

4.1.2.2 Điều kiện giới hạn của máy phát 34

4.1.2.3 Điều kiện giới hạn công suất trạm sạc 34

4.1.2.4 Điều kiện về công suất truyền tải của các nhánh 34

4.1.2.5 Điều kiện giới hạn điện áp tại các nút tải 34

4.1.2.6 Mô hình hóa các ràng buộc trong bài toán tối ưu 34

4.1.3 Ứng dụng thuật toán MFO cải tiến vào việc giải quyết bài toán 36

4.1.3.1 Vector lời giải 36

4.1.3.2 Khởi tạo giá trị ban đầu 36

4.2.Kết quả mô phỏng và phân tích 37

4.2.1 Lưới điện phân phối chuẩn IEEE 33 nút 38

4.2.1.1 Tối ưu công suất tụ bù lắp trên lưới điện 38

4.2.1.2 Đánh giá khả năng tải của từng nút trong hệ thống IEEE 33 nút 41

4.2.1.3 Đánh giá khả năng tải của toàn lưới IEEE 33 nút 43

4.2.2 Lưới điện phân phối chuẩn IEEE 69 nút 45

4.2.2.1 Tối ưu công suất tụ bù lắp trên lưới điện 45

4.2.2.2 Đánh giá khả năng tải của từng nút trong hệ thống IEEE 69 nút 48

4.2.2.3 Đánh giá khả năng tải của toàn lưới IEEE 69 nút 50

4.2.3 Lưới điện phân phối thực Phú Thọ 52

4.2.3.1 Đánh giá tổng quan lưới Phú Thọ 52

4.2.3.2 Đánh giá khả năng tải của từng nút trong hệ thống lưới Phú Thọ 54

4.2.3.3 Đánh giá khả năng tải của toàn lưới Phú Thọ 56

CHƯƠNG 5: PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TỐI ƯU CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ TRẠM SẠC VÀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO 58

5.1.Mô hình bài toán có xét đến năng lượng tái tạo 58

5.1.1 Hàm mục tiêu 58

5.1.1.1 Tổn thất điện năng 58

5.1.1.2 Độ lệch điện áp 58

5.1.1.3 Chi phí sạc điện từ lưới và cấp nguồn 59

5.1.2 Các điều kiện ràng buộc của bài toán 59

5.1.2.1 Điều kiện về cân bằng công suất 59

5.1.2.2 Giới hạn điện áp vận hành 60

5.1.2.3 Điều kiện về công suất truyền tải của các nhánh 60

5.1.2.4 Ràng buộc về trạng thái trạm sạc (SoC) 60

5.1.2.5 Ràng buộc về công suất nạp và xả của trạm sạc 60

5.1.2.6 Mô hình hóa các ràng buộc trong bài toán tối ưu 60

5.1.3 Ứng dụng thuật toán MFO cải tiến vào việc giải quyết bài toán 61

5.1.3.1 Vector lời giải 61

5.1.3.2 Khởi tạo giá trị ban đầu 61

5.2.Kết quả mô phỏng và phân tích 62

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 70

6.1.Kết luận 70

6.2.Hướng phát triển trong tương lai 70

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC 77

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 83

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Công nghệ sạc ô tô điện 2

Hình 1 2 Xe điện phổ biến với người tiêu dùng 2

Hình 1 3 Thiết kế trụ sạc ô tô điện DC60kW của VinFast 3

Hình 1 4 Thiết bị sạc ô tô điện DC30kW tại một trạm sạc 4

Hình 1 5 Thiết bị sạc ô tô điện AC11kW 4

Hình 1 6 Mô hình trạm sạc ô tô điện VinFast tại tòa nhà chung cư, văn phòng 5

Hình 1 7 Mô hình trạm sạc ô tô điện VinFast tại điểm dừng nghỉ cao tốc 6

Hình 1 8 Mô hình một trạm sạc ô tô điện VinFast tại một bãi đỗ xe ngoài trời 6

Hình 2 1 Hệ thống đẩy điện và sạc điện EV [1] 10

Hình 2 2 Hệ thống đẩy điện của xe điện [1] 11

Hình 2 3 Mô hình kết nối V2G 11

Hình 2 4.Biên độ tải khi tích hợp EV [2] 14

Hình 2 5.Biên độ tải khi tích hợp thêm EV [2] 15

Hình 2 6 Mô hình phân tán khi tích hợp EV [2] 16

Hình 2 7 Mô hình phân tán khi tích hợp EV [2] 16

Hình 2 8 Sơ đồ khối cấu trúc bộ sạc EV 17

Hình 2 9 Hệ thống SMIB với tải EV 18

Hình 2 10 Tỷ lệ giảm chấn đối với hệ thống khi thay đổi giá trị a và α [3] 18

Hình 2 13 Công suất phát cực tiểu 22

Hình 2 14 Công suất phát cực đại 22

Hình 2 15 Cơ sở hạ tầng sạc thông minh và tối ưu cho xe điện 23

Hình 3 1 Sơ đồ khối bộ sạc EV 24

Hình 3 2 Cấu tao bộ lọc tích cực 24

Hình 3 3 Bộ điều khiển bộ lọc tích cực 25

Hình 3 4 Bộ chuyển đổi Buck 25

Hình 3 5 Mạch tương đương của pin EV 25

Hình 3 6 Mô hình đơn giản của bộ sạc kết nối PCC 25

Hình 3 7 Sơ đồ một sợi lưới điện phân phối IEEE 33 nút 27

Hình 3 8 Sơ đồ một sợi lưới điện phân phối IEEE 69 nút 27

Hình 3 9 Sơ đồ lưới điện Phú Thọ Q10 28

Hình 3 10 Sơ đồ lưới điện Phú Thọ Q11 28

Hình 3 11 Các con bướm bị bẫy bởi nguồn sáng nhân tạo 29

Hình 3 12 Hình xoắn ốc lôgarit, không gian xung quanh ngọn lửa 30

Hình 3 13 Một số vị trí con bướm có thể tiếp cận ngọn lửa bằng lôgarit 30

Hình 3 14 Số lượng ngọn lửa sau mỗi vòng lặp 32

Hình 3 15 Sơ đồ khối thực hiện thuật toán MFO 32

Hình 4 1.Sơ đồ khối thực hiện bài toán 37

Hình 4 2 Điện áp các nút của hệ thống IEEE 33 nút 38

Hình 4 3 Điện áp các nút của hệ thống IEEE 33 nút khi lắp thêm 38

Hình 4 4 Dùng thuật toán tối ưu tìm vị trí và công suất tụ bù trên lưới IEE33 nút 39Hình 4 5 Lắp thêm tụ bù vào lưới IEEE 33 nút để cải thiện điện áp 39

Hình 4 6 Cải thiện điện áp nút với tụ bù 40

Hình 4 7 Khảo sát khả năng tải sau khi lắp tụ bù tại nút 6 40

Hình 4 8 Biểu đồ điện áp lưới 33 nút khi có tụ bù 41

Hình 4 9 Đồ thị điện áp các nút khi tối ưu công suất EV lưới 33 nút 43

Hình 4 10 Điện áp lưới khi lắp toàn diện EV 44

Hình 4 11 Điện áp các nút của hệ thống IEEE 69 nút 45

Hình 4 12 Điện áp các nút của hệ thống IEEE 69 nút khi lắp thêm EV tại nút 11 45Hình 4 14 Dùng thuật toán tối ưu tìm vị trí và công suất tụ bù trên lưới IEEE 69 nút 46

Hình 4 13 Lắp thêm tụ bù vào lưới IEEE 69 nút để cải thiện điện áp 46

Hình 4 15 Cải thiện điện áp nút với tụ bù 47

Hình 4 16 Khảo sát khả năng tải sau khi lắp tụ bù tại nút 11 47

Hình 4 17 Biểu đồ điện áp lưới 69 nút khi có tụ bù 48

Hình 4 18 Đồ thị điện áp các nút khi tối ưu công suất EV lưới 66 nút 50

Hình 4 19 Điện áp lưới khi lắp toàn diện EV 52

Hình 4 20 Lưới điện Phú Thọ 52

Hình 4 21 Điện áp các nút của hệ thống lưới Phú Thọ 53

Hình 4 22 Điện áp các nút của lưới Phú Thọ khi lắp thêm EV tại nút 22 54

Hình 4 23 Đồ thị điện áp các nút khi tối ưu công suất EV trên lưới Phú Thọ 56

Hình 4 24 Điện áp lưới khi lắp toàn diện EV lưới Phú Thọ 57

Hình 5 1 Công suất nguồn năng lượng tái tạo trong ngày[43] 63

Hình 5 2 Biểu đồ phụ tải trong thời gian thực[43] 63

Hình 5 3.Biến thiên giá điện trong một ngày[43] 64

Hình 5 4 SoC và E_price trong trường hợp 66

Hình 5 5 SoC và E_price trong trường hợp 2 66

Hình 5 6.SoC và E_price trong trường hợp 3 67

Hình 5 7 SoC và E_price trong trường hợp 4 68

Hình 5 8 Đồ thị điện áp ứng với các trường hợp 69

Hình 5 9.Đáp ứng bộ sạc EV trong 24h (Case4) 69

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1 Phân loại trạm sạc dựa trên tiêu chuẩn SAE 12

Bảng 2 2 Các thông số mô hình tải EV với điện trở dẫn khác nhau 14

Bảng 2 3 Tóm tắt tác động của hệ thống EV lên lưới điện 19

Bảng 2 4 Ảnh hưởng chất lượng điện năng khi tích hợp EV vào hệ thống 21

Bảng 4 1 Ảnh hưởng của trạm sạc lên lưới IEEE 33 nút 41

Bảng 4 2 Khả năng cung cấp điện cho trạm sạc của lưới IEEE 33 nút 42

Bảng 4 3 Bảng tóm tắt đánh giá toàn lưới trên lưới IEEE 33 nút 43

Bảng 4 4 Khả năng cung cấp điện toàn bộ của lưới IEEE 33 nút 44

Bảng 4 5 Ảnh hưởng của trạm sạc lên lưới IEEE 69 nút 48

Bảng 4 6 Khả năng cung cấp điện cho trạm sạc của lưới IEEE 69 nút 49

Bảng 4 7 Bảng tóm tắt kết quả trên lưới IEEE 69 nút 50

Bảng 4 8 Khả năng cung cấp điện toàn bộ của lưới IEEE 69 nút 51

Bảng 4 9 Ảnh hưởng của trạm sạc lên lưới Phú Thọ 53

Bảng 4 10 Khả năng cung cấp điện cho trạm sạc của lưới Phú Thọ 54

Bảng 4 11 Bảng tóm tắt kết quả trên lưới Phú Thọ 56

Bảng 4 12 Khả năng cung cấp điện toàn bộ của lưới Phú Thọ 57

Bảng 5 1 So sánh hàm mục tiêu của các trường hợp 65

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

AC Alternating Current Dòng diện xoay chiều

GWP Global Warming Potential Nóng lên toàn cầu

IEEE Institute of Electrical and Hội Kỹ sư Điện và Điện tử Electronics Engineers

G2V Grid to Vehicle Lưới tác động đến xe điện PCC Point of Common Coupling Điểm kết nối chung

RES Renewable Energy Source Nguồn năng lượng tái tạo SAE Society of Automotive Hiệp hội các Kỹ sư Oto xe máy

Engineers

SMIB Single-machine Infinite-bus Sơ đồ đơn tuyến có nút cân bằng

V2G Vehicle to Grid Xe điện tác động lên lưới

Giới thiệu tổng quan HV: Lâm Bửu Quí

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 Xu hướng phát triển của xe điện và hệ thống các trạm sạc

Trong nhiều thế kỷ qua, động cơ đốt trong luôn đóng một vai trò quan trọng, đặc biệt trong phát triển phương tiện giao thông vận tải Cùng với sự phát triển về kinh tế-xã hội, sự gia tăng nhanh chóng về số lượng phương tiện cũng ngày một gia tăng đã đặt các quốc gia trước những thách thức lớn về các vấn đề ô nhiễm môi trường, nhu cầu về năng lượng

Trong bối cảnh đó, các nước trên thế giới đã triển khai nhiều nghiên cứu ứng dụng nhằm giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, giảm ô nhiễm môi trường và giảm phát thải khí nhà kính Trong lĩnh vực vận tải nổi lên một số xu hướng rõ nét về ứng công nghệ tiết kiệm năng lượng thay thế xăng dầu, đặc biệt phương tiện giao thông chạy bằng điện đã được quan tâm, phát triển ở nhiều nước trên thế giới

Theo thống kê của Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA), vào năm 2010, chỉ có khoảng 17.000 ôtô điện lưu thông trên toàn cầu Đến năm 2019, con số đã tăng lên 7,2 triệu chiếc, trong đó Trung Quốc là nước chiếm thị phần lớn nhất trong doanh số bán ra toàn cầu của xe điện (47%) do mục tiêu giảm nhập khẩu năng lượng, làm sạch chất lượng không khí đô thị, xây dựng ngành công nghiệp ôtô trong nước

Chính phủ các nước cũng không đứng ngoài “cuộc cách mạng xanh” này Pháp và Anh đã tuyên bố sẽ chấm dứt việc bán xe sử dụng động cơ đốt trong từ năm 2040 Tại Việt Nam, thực trạng ô nhiễm không khí đã đến hồi cảnh báo, Chính phủ đã đề nghị Bộ Giao thông Vận tải nghiên cứu giải pháp thắt chặt kiểm soát khí thải với cả ôtô, xe máy

Bên cạnh đó, Nghị định 57/2020 có hiệu lực từ 10/07/2020 đã mở cửa thu hút các doanh nghiệp đầu tư sản xuất xe điện, xe hybrid, xe sử dụng nhiên liệu sinh học và khí thiên nhiên (gọi chung là xe xanh) tại Việt Nam Cụ thể, linh kiện nhập khẩu phục vụ sản xuất ’xe xanh’ được hưởng thuế 0%, đồng thời áp dụng cho các công ty

Giới thiệu tổng quan HV: Lâm Bửu Quí

sản xuất linh kiện và phụ tùng, thay vì chỉ bó hẹp với các doanh nghiệp sản xuất ôtô như trước đây

Nếu nói về lợi ích của xe điện so với xe sử dụng động cơ đốt trong thì trực quan nhất là khả năng tiết kiệm chi phí Xe điện có chi phí vận hành thấp hơn rất đáng kể so với xe truyền thống sử dụng động cơ đốt trong, bao gồm cả xe cả chi phí nhiên liệu và sửa chữa

Tuy nhiên, có một hạn chế đáng kể khi sử dụng xe điện là vấn đề về dung lượng và giá thành ắc quy/pin, thời gian sạc, trạm sạc và xử lý pin thải để bảo vệ môi trường

Hình 1 1 Công nghệ sạc ô tô điện

Hình 1 2 Xe điện phổ biến với người tiêu dùng

Giới thiệu tổng quan HV: Lâm Bửu Quí

Ngoài ra, những dòng pin Lithium-ion phát triển bởi VinFast và LG Chem trên các dòng xe điện của hãng xe Việt cũng cho những sự tiết kiệm tương tự với khả năng sạc nhanh và đi trong quãng đường dài lên tới 80km cho 1 lần sạc

Thị trường xe điện tại Việt Nam đang là một thị trường vô cùng thu hút sự quan tâm của mọi người, đặc biệt là giới trẻ hiện nay Bên cạnh việc phát triển các sản phẩm thì việc phát triển cơ sở hạ tầng, đặc biệt là các trạm sạc là vô cùng cấp thiết trong tương lai gần Hệ thống trạm sạc của VinFast sẽ phủ khắp tại Việt Nam

Theo dự kiến, sẽ có 3 loại trụ sạc ô tô điện được VinFast triển khai lắp đặt Thiết bị sạc ô tô điện DC60kW cung cấp nguồn điện một chiều để sạc trực tiếp cho pin, được thiết kế dạng tủ đứng Mỗi thiết bị được trang bị 2 cổng sạc với công suất 60kW/1 cổng sạc Thời gian sạc khoảng 30 - 90 phút sẽ cho 80% dung lượng pin (tùy từng dòng xe)

Hình 1 3 Thiết kế trụ sạc ô tô điện DC60kW của VinFast

Thiết bị sạc ô tô điện DC30kW thường được sử dụng tại các điểm dừng nghỉ, bãi đỗ xe công cộng Trong khoảng thời gian ngắn từ 40 - 120 phút, thiết bị này cho phép sạc đầy 80% dung lượng pin (tùy dòng xe)

Giới thiệu tổng quan HV: Lâm Bửu Quí

Thiết bị sạc ô tô điện AC11kW được trang bị tại các bãi đỗ xe công cộng, khách hàng có thể đỗ hoặc gửi xe trong thời gian dài Thời gian sạc đầy khoảng 6 - 8h

Hình 1 5 Thiết bị sạc ô tô điện AC11kW

Mỗi trụ sạc xe máy điện VinFast được thiết kế 4 cổng sạc Thời gian sạc đầy tiêu chuẩn khoảng 4h

Đến nay, các trạm sạc xe máy điện do VinFast triển khai đã bắt đầu được sử dụng Trong thời gian đầu, VinFast cho phép người đi xe máy điện được sạc hoàn toàn miễn phí

Hình 1 4 Thiết bị sạc ô tô điện DC30kW tại một trạm sạc

Giới thiệu tổng quan HV: Lâm Bửu Quí

Tại các bãi đỗ xe, bến xe, các trạm sạc xe điện VinFast thường cung cấp tối thiểu 5 trụ sạc nhanh ô tô điện công suất 30kW, ít nhất 5 trụ sạc ô tô điện công suất 11kW, và tối thiểu 8 lốt sạc xe máy điện 1,2kW

Ở mỗi tòa chung cư, văn phòng, VinFast dự kiến triển khai từ 1-2 trụ sạc ô tô DC30kW và từ 6-7 trụ sạc AC11kW (tổng cộng có thể sạc đồng thời cho 9 xe ô tô điện) và ít nhất 4 trụ sạc xe máy điện cho phép sạc đồng thời 16 xe

Hình 1 6 Mô hình trạm sạc ô tô điện VinFast tại tòa nhà chung cư, văn phòng

Tại các trung tâm thương mại, dự kiến VinFast sẽ triển khai các trạm sạc hỗn hợp bao gồm: 6-8 trụ sạc nhanh ô tô điện công suất 30kW, 2-4 trụ sạc ô tô điện công suất 11kW và tối thiểu 2 trụ sạc xe máy điện có thể sạc đồng thời 8 xe máy điện

Thiết bị sạc ô tô điện được triển khai dọc đường cao tốc, quốc lộ là trụ sạc nhanh DC60kW, với 2 cổng sạc có thể phục vụ đồng thời 2 xe cùng lúc Tại mỗi trạm sạc ở các trạm dừng nghỉ, trạm xăng dầu, VinFast dự kiến triển khai 10 trụ sạc DC60kW như vậy Ngoài ra, tại các cửa hàng xăng dầu trong đô thị, VinFast dự kiến triển khai tối thiểu 2 trụ sạc DC60kW, có thể sạc đồng thời 4 xe ô tô điện

Giới thiệu tổng quan HV: Lâm Bửu Quí

Hình 1 7 Mô hình trạm sạc ô tô điện VinFast tại điểm dừng nghỉ cao tốc

Bên cạnh những địa điểm nêu trên, VinFast cũng có kế hoạch lắp đặt các trạm sạc tại những vị trí phù hợp (đảm bảo về diện tích, đủ nguồn điện, độ an toàn, khả năng phòng chống cháy nổ, ) Các trạm sạc này thông thường sẽ có quy mô nhỏ, có thể đặt tại các khu vực vỉa hè hay những nơi công cộng

Hình 1 8 Mô hình một trạm sạc ô tô điện VinFast tại một bãi đỗ xe ngoài trời

Tất cả các trạm sạc được VinFast triển khai đều tích hợp với ứng dụng quản lý sạc pin, cho phép người dùng theo dõi chính xác thời gian sạc, lượng điện sạc

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Với xu hướng phát triển của xe điện và hệ thống trạm sạc trong thời gian tới thì một vấn đề cần đặc biệt quan tâm là khả năng cung cấp điện của lưới điện cho các hệ thống trạm sạc, đảm bảo vận hành liên tục và ổn định

Giới thiệu tổng quan HV: Lâm Bửu Quí

Với đặc điểm vận hành của xe điện thì nó vừa là tải tiêu thụ điện vừa là thiết bị dự trữ năng lượng tức thời nên có thể xem đây là một loại tải đặc biệt trong hệ thống điện và cần được xem xét dưới nhiều góc độ

Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong việc sử dụng xe điện thay cho các phương tiện truyền thống, ngành điện cần có chiến lược kịp thời trong việc quy hoạch lưới điện, xây dựng trạm biến và đường dây truyền tải điện nhằm chủ động trong việc quản lý và lên kế hoạch vận hành hiệu quả và kinh tế

Bên cạnh đó, với xu hướng phát triển các nguồn năng lượng xanh trên toàn thế giới thì các nguồn năng lượng tái tạo đang có cơ hội phát triển mạnh và có tỷ lệ xâm nhập ngày càng cao trong hệ thống điện Kết hợp với các hệ thống xe điện và trạm sạc tạo thành hệ thống vô cùng phức tạp và khó điều khiển, gây nhiều trở ngại cho ngành điện trong việc điều khiển và vận hành tối ưu

Đề tài này nhằm mục đích đi tìm câu trả lời cho vấn đề trên trong việc ảnh hưởng của trạm sạc (tải đặc biệt), nguồn phân tán (nguồn đặc biệt) lên khả năng lưới điện phân phối truyền thống và giải quyết các vấn đề liên quan

Để đánh giá sát với thực tế và có ý nghĩa trong nghiên cứu, một mô hình lưới điện cụ thể sẽ là đối tượng của luận văn trong việc triển khai thuật toán và chạy mô

phỏng

1.3 Các nghiên cứu liên quan

Với sự tích hợp của hệ thống EV vào lưới điện ngày càng tăng, một số nghiên cứu đã được thực hiện để chỉ ra tác động của việc tích hợp hệ thống trạm sạc lưới điện của phân phối Các nghiên cứu được báo cáo đã khảo sát rộng rãi tác động của việc tích hợp EV vào lưới điện trên các khía cạnh của vấn đề chất lượng điện như cấu hình điện áp, sóng hài và tổn thất điện năng [4], cũng như các vấn đề ổn định của lưới điện Hơn nữa, với sự thâm nhập cao của EV trong lưới điện, giá điện sẽ bị tác động đáng kể Một số nghiên cứu đã được báo cáo trong các tài liệu về khía cạnh kinh tế năng lượng

Giới thiệu tổng quan HV: Lâm Bửu Quí

Một loạt các công cụ mô phỏng có sẵn để thiết kế và phân tích các hệ thống với nhiều loại phương tiện, hệ thống giao thông và sự tích hợp của chúng với lưới điện phân phối đã được nghiên cứu [5] Mỗi công cụ được chuyên dụng để mô phỏng các hệ thống cụ thể Đối với mô hình và phân tích xe ADVANCE, FASTSim, V2G-Sim, bộ công cụ mô phỏng DYNA4, bộ công cụ Modelica, CASPOC và các công cụ mô phỏng Sabre là thích hợp Đối với mô hình và phân tích V2G ADVANCE, FAST- Sim, V2G-Sim, OpenDSS, GridLAB-D, ORCED, MesapPlaNet, MARKAL/TIMES, EMCAS, HOMER, bộ công cụ Modelica và bộ công cụ ETAP là lý tưởng Một số công cụ chuyên biệt V2G đã được phát triển để chỉ để thiết kế hệ thống V2G Các công cụ khác có thể phù hợp hơn để phân tích và quản lý tác động của EV trên lưới điện (ví dụ: thông qua lập lịch sạc), chẳng hạn như PSAT, IKARUS, GTMax, EnergyPLAN và EMCAS Để phân tích hệ thống điện và tích hợp năng lượng tái tạo với các hệ thống điều khiển phân tán, Simpow, OpenDSS, GridLAB-D, PSAT, ORCED, Mesap- PlaNet, MARKAL/TIMES, GTMax, EnergyPLAN, EMCAS, HOMER, PowerFactory, PLEXOS, InterPSS, IPSA, MiPower, Xendee, CASPOC, HYPERSIM, ePOWERgrid đều là những công cụ tuyệt vời Một số công cụ mô phỏng dựa trên điện toán đám mây có sẵn và dễ dàng truy cập trên toàn cầu, chẳng hạn như InterPSS, Xendee, NEPLAN Trong hầu hết các tình huống, không có một công cụ phần mềm nào đủ để phân tích và tối ưu hóa tất cả các khía cạnh của hệ thống khi điều tra sự tích hợp của EV với lưới điện phân phối Tuy nhiên, việc xem xét này sẽ giúp lựa chọn sự kết hợp thích hợp của các công cụ để giải quyết các vấn đề cụ thể và cũng có thể giúp xác định các cơ hội để phát triển các công cụ mới và cải tiến

Một mô hình dự báo để ước tính nhu cầu sạc xe điện dựa trên công nghệ dữ liệu lớn được xây dựng trong [6], trong đó dữ liệu lịch sử về giao thông và dữ liệu thời tiết đã được sử dụng để xây dựng mô hình dự báo Các quy trình dự báo bao gồm phân tích cụm để phân loại các mẫu lưu lượng, phân tích quan hệ để xác định các yếu tố ảnh hưởng và cây quyết định để thiết lập các tiêu chí phân loại Các biến được xem xét trong nghiên cứu này là thời gian bắt đầu sạc được xác định bởi các mô hình giao thông trong thế giới thực và trạng thái sạc ban đầu của pin Mô hình nhu cầu sạc xe

Giới thiệu tổng quan HV: Lâm Bửu Quí

điện được đề xuất có thể là nền tảng cho việc nghiên cứu tác động của việc sạc xe điện đối với hệ thống điện

Một nghiên cứu nhằm đánh giá cụ thể các khía cạnh tính toán và thuật toán của các kỹ thuật tối ưu hóa được sử dụng phổ biển hiện nay trên thế giới [7] Trong đó lập trình tuyến tính và các thuật toán metaheuristic ngày càng chiếm ưu thế và được tập trung phát triển

Các loại mô hình tải EV khác nhau đã được xem xét trong các nghiên cứu khác nhau, ví dụ, mô hình tải điện không đổi (P) của EV không phụ thuộc vào mức điện áp và mô hình tải trở kháng không đổi (Z) với tỷ lệ không đổi giữa điện áp đầu vào và dòng điện được trình bày trong [8] Ngược lại, mô hình tải dòng điện không đổi (I) của EV đã được trình bày trong [9] Trong [10], một mô hình tải tĩnh cho sạc nhanh EV với bộ chỉnh lưu AC – DC và bộ chuyển đổi DC – DC đã được phát triển để nghiên cứu sự ổn định của lưới điện

Các mô hình đề xuất HV: Lâm Bửu Quí

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về công nghệ xe điện

Các công nghệ xe điện (EV) có thể được chia thành hai thành phần chính là hệ thống đẩy điện và hệ thống sạc EV, như trong hình 2.1 Hệ thống đẩy điện cung cấp năng lượng cần thiết cho động cơ EV khi lái xe Hệ thống sạc EV cung cấp năng lượng cho pin EV khi đang đỗ và kết nối với lưới điện

Hệ thống đẩy điện của xe điện bao gồm máy điện, bộ chuyển đổi điện, bộ pin và bộ điều khiển như các thành phần chính như trong 2.2 [1]

Công nghệ sạc kết nối hệ thống EV với lưới điện, có thể được phân loại thành AC và DC theo ba cấp độ, như được thể hiện trong bảng 2.1 Một số Ủy ban đã được thành lập để xây dựng các tiêu chuẩn sạc của EV như Hiệp hội Kỹ sư Ô tô (SAE), Ủy ban Cơ điện Quốc tế (IEC) và tiêu chuẩn CHAdeMO Bảng 2.1 cho thấy các loại bộ sạc EV dựa trên tiêu chuẩn SAE Bộ sạc EV AC cấp 1 và 2 có thể được sử dụng để sạc tại nhà, trong khi bộ sạc DC có thể được sử dụng để sạc nhanh thương mại [10] Các trạm sạc nhanh có thể được so sánh với các trạm xăng và sự thâm nhập cao của EV có tính năng sạc nhanh sẽ lấy từ nguồn điện một lượng điện năng lớn, có thể ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của lưới điện [10]

Hình 2 1 Hệ thống đẩy điện và sạc điện EV [1]

Các mô hình đề xuất HV: Lâm Bửu Quí

EV cũng có thể được sử dụng để phát năng lượng dự trữ vào lưới điện, và chủ sở hữu EV có thể là người tham gia trên thị trường điện Công nghệ V2G và G2V là các cơ chế kiểm soát việc phát điện và sạc điện của EV đối với lưới điện, và có thể kiểm soát các EV như các nhà cung cấp dịch vụ phụ trợ cho lưới điện Trong V2G một chiều, pin EV được coi như một tải có thể chuyển đổi để cân bằng nguồn điện trong lưới điện Pin của một EV riêng lẻ là quá nhỏ để ảnh hưởng đến lưới điện Một bộ tổng hợp EV, bao gồm một số lượng lớn các EV sẽ đóng vai trò trung gian giữa các EV riêng lẻ và nhà điều hành thị trường (MO) Xe điện có thể kết nối riêng lẻ với bộ tổng hợp của bên thứ ba hoặc với tư cách là người điều hành đội xe (bãi đậu xe) trong một thành phố hoặc toàn bộ khu vực, như thể hiện trong Hình 2.3 Bộ tổng hợp EV có thể giảm lượng tín hiệu giao tiếp tới MO Do đó, bộ tổng hợp EV có thể giảm độ phức tạp của nhà điều hành thị trường và cải thiện rủi ro về an ninh mạng

Hình 2 2 Hệ thống đẩy điện của xe điện [1]

Hình 2 3 Mô hình kết nối V2G

Các mô hình đề xuất HV: Lâm Bửu Quí

Bảng 2 1 Phân loại trạm sạc dựa trên tiêu chuẩn SAE

Điện áp 120VDC 240VDC - 300VDC 200- 300VDC 200- 600VDC

Kết nối với lưới 1 pha 1 hoặc 3 pha - 3 pha 3 pha 3 pha

2.2 Tác động của hệ thống trạm sạc khi tích hợp vào lưới điện phân phối

2.2.1 Tác động lên độ ổn định lưới điện

Tính ổn định của hệ thống điện có nghĩa là khả năng hệ thống điện lấy lại tình trạng hoạt động ổn định sau khi gặp sự cố Nhiều vụ mất điện đã được báo cáo do hệ thống điện không ổn định cho thấy tầm quan trọng của các nghiên cứu về độ ổn định Đối với các xe điện, khi sạc từ lưới điện sẽ tồn tại dưới dạng tải phi tuyến tính có các đặc tính khác với tải thông thường, chúng có thể gây ra căng thẳng cho hệ thống điện Hơn nữa, sự không chắc chắn về điểm kết nối EV, thời gian và khoảng thời gian sạc gây ra những thách thức trong việc dự đoán hành vi của loại tải mới này Do đó, việc sạc EV quy mô lớn có thể gây ra lo ngại về độ ổn định của hệ thống điện [10] Trước đây, các nghiên cứu về độ ổn định chỉ dành cho phần truyền tải của hệ thống điện

Tuy nhiên, với sự thâm nhập cao của các EV vào mạng phân phối, ngành điện cũng đang tập trung vào nghiên cứu độ ổn định của mạng phân phối [11] Vì các đặc tính của tải có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ ổn định của hệ thống điện, nên cần có một mô hình tải EV chính xác để nghiên cứu độ ổn định của hệ thống [10] Các loại

Các mô hình đề xuất HV: Lâm Bửu Quí

mô hình tải EV khác nhau đã được xem xét trong các nghiên cứu khác nhau, ví dụ, mô hình tải điện không đổi (P) của EV không phụ thuộc vào mức điện áp và mô hình tải trở kháng không đổi (Z) với tỷ lệ không đổi giữa điện áp đầu vào và dòng điện được trình bày trong [8] Ngược lại, mô hình tải dòng điện không đổi (I) của EV đã được trình bày trong [9] Trong [10], một mô hình tải tĩnh cho sạc nhanh EV với bộ chỉnh lưu AC – DC và bộ chuyển đổi DC – DC đã được phát triển để nghiên cứu sự ổn định của lưới điện

Tác động của việc tích hợp các EV đối với sự ổn định của mạng phân phối còn do các xung sóng hài dòng điện và tiêu thụ công suất phản kháng Kết quả cho thấy độ ổn định của hệ thống bị suy giảm do kết nối EV và thời gian phục hồi để đạt được điều kiện trạng thái ổn định tăng lên Sau đây, sẽ giải thích tác động của việc tích hợp EV vào lưới đối với các dạng ổn định hệ thống điện khác nhau như ổn định điện áp, ổn định tần số và ổn định dao động

2.2.1.1 Ảnh hưởng đến ổn định điện áp

Thuật ngữ ổn định điện áp dùng để chỉ khả năng duy trì điện áp của lưới điện ở mức điện áp cho phép trong tất cả các thanh cái sau bất kỳ nhiễu nào Sự thay đổi của nhu cầu phụ tải và đặc tính phụ tải có thể ảnh hưởng đáng kể đến sự ổn định điện áp lưới Vì đặc tính tải EV thay đổi so với các mô hình tải thông thường (mô hình ZIP), nên mô hình tải chính xác là điều cần thiết để nghiên cứu và phân tích tác động của việc tích hợp EV đối với sự ổn định điện áp lưới Một mô hình tải EV đã được trình bày trong [10], [12], mô hình hóa hành vi tải EV là sự kết hợp của thành phần công suất không đổi và thành phần hàm mũ âm phụ thuộc điện áp như trong 2.1.

Các mô hình đề xuất HV: Lâm Bửu Quí

Bảng 2 2 Các thông số mô hình tải EV với điện trở dẫn khác nhau

Hình 2 4.Biên độ tải khi tích hợp EV [2]

Các mô hình đề xuất HV: Lâm Bửu Quí

2.2.1.2 Ảnh hưởng đến sự ổn định tần số

Bất kỳ sự mất cân bằng nào giữa phát và tiêu thụ trong lưới điện có thể gây ra tần số lệch khỏi giá trị cho phép của nó Giới hạn ổn định tần số trong điều kiện hệ thống điện là khả năng hệ thống điện duy trì được tần số cho phép sau khi xảy ra rối loạn trong lưới điện Với sự thâm nhập cao của các EV, trong khi sạc nhu cầu phụ tải trong lưới điện sẽ tăng đột biến, và để đáp ứng nhu cầu phụ tải tăng lên, cần phải tăng cường phát điện để duy trì tần số lưới điện trong giới hạn cho phép Hơn nữa, sự không chắc chắn về số lượng kết nối EV, khoảng thời gian kết nối và ngắt kết nối có khả năng làm tăng mức độ không chắc chắn đối với nhu cầu tải Bằng cách điều chỉnh thời gian và tốc độ sạc hoặc xả, EV hoạt động như một tải có thể kiểm soát được Nhận thức được thuộc tính này, các nghiên cứu gần đây như [13], [14], [15], [16] đã chứng minh rằng các EV có thể được sử dụng để cân bằng nhu cầu phụ tải và sản lượng điện trong lưới điện, và do đó, chúng có thể được sử dụng để điều chỉnh tần số lưới điện Các EV có thể tham gia vào việc điều chỉnh tần số lưới điện bằng cách sử dụng hệ thống điều độ phân tán hoặc hệ thống điều độ tập trung Trong hệ thống điều phối phân tán, các EV tham gia được tích hợp tại các vị trí phân tán trong lưới điện Mỗi EV tham gia giao tiếp với nhà điều hành lưới điện để cung cấp điện cho lưới, như trong Hình 2.6

Hình 2 5.Biên độ tải khi tích hợp thêm EV [2]

Các mô hình đề xuất HV: Lâm Bửu Quí

Hình 2 6 Mô hình phân tán khi tích hợp EV [2]

Mặt khác, ở chế độ điều phối tập trung, thông qua một bộ tổng hợp, các EV được đặt trong trạm sạc, trong bãi đậu xe hoặc trong một cộng đồng để tham gia vào việc điều chỉnh tần số, như thể hiện trong Hình 2.7

Hình 2 7 Mô hình phân tán khi tích hợp EV [2]

Đơn vị vận hành lưới điện liên lạc với bộ phận tổng hợp về nguồn điện yêu cầu được điều động để điều chỉnh tần số lưới điện, trong khi bộ phận tổng hợp quản lý việc điều động điện từ các EV Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh tiềm năng tham gia của các bộ tổng hợp EV trong thị trường dịch vụ phụ trợ, vì EV có tốc độ tăng tốc nhanh hơn so với tua bin khí thông thường Trong [17] đã xem xét quá trình sạc/xả các EV và điều khiển SoC để cải thiện độ ổn định tần số của lưới điện siêu nhỏ bằng cách sử dụng điều khiển dự đoán đa mô hình Trong một nghiên cứu tương tự [18], các EV đã được xem như bộ điều khiển tần số thứ

Các mô hình đề xuất HV: Lâm Bửu Quí

cấp và sơ cấp để duy trì tần số lưới dưới sự dao động của tải bằng cách sử dụng bộ điều khiển H∞ phản hồi đầu ra động với nhiều thời gian trễ trong đầu vào điều khiển

2.2.1.3 Ảnh hưởng đến ổn định dao động

Thuật ngữ ổn định dao động trong hệ thống điện thường dùng để chỉ khả năng duy trì đồng bộ của các máy phát điện trong lưới điện sau khi xảy ra nhiễu, điều này phụ thuộc vào khả năng duy trì của từng máy điện trong hệ thống, khôi phục trạng thái cân bằng giữa mômen điện từ và mômen cơ Sự xâm nhập của hệ thống trạm sạc vào lưới điện ngày càng lớn chắc chắn sẽ ảnh hưởng đến sự ổn định dao động của lưới điện Tuy nhiên, vì các đặc tính của tải EV khác đáng kể so với tải trở kháng không đổi, dòng điện và công suất (ZIP) thông thường, điều cần thiết là phải mô hình hóa các tải EV một cách chi tiết để phân tích tác động của chúng đến độ ổn định dao động của lưới điện Trong [12], [19], mô hình tải của bộ sạc EV, bao gồm bộ chuyển đổi AC – DC, bộ chuyển đổi DC – DC, bộ lọc và các thiết bị điều khiển đi kèm (Hình 2.8), đã được phát triển, đại diện cho mô hình tải của hệ thống sạc EV như một tổ hợp của thành phần công suất không đổi và thành phần hàm mũ âm phụ thuộc điện áp, như được chỉ ra trong 2.1

Hình 2 8 Sơ đồ khối cấu trúc bộ sạc EV

Sử dụng mô hình tải nạp EV trong (2.1), một mô hình không gian trạng thái tuyến tính của hệ thống đơn tuyến (SMIB)(Hình 2.9 đã được phát triển trong [3] để phân tích độ ổn định dao động của lưới điện với tải EV Sau đó, mô hình không gian-trạng thái được sử dụng để tính toán tỷ lệ tắt dần của các chế độ dao động

trong hệ thống SMIB bằng cách thay đổi a và α của mô hình tải trong (2.1), được

Các mô hình đề xuất HV: Lâm Bửu Quí

thể hiện trong Hình 2.10 Tỷ số tắt dần là một thước đo mô tả cách dao động trong một hệ thống sẽ phân rã sau một sự cố Nó đã được chỉ ra trong [10] rằng tham số

α là âm trong mô hình tải EV 2.1, có thể là do điện trở bộ lọc, khóa chuyển

đổi và cáp trong hệ thống sạc EV Có thể thấy từ Hình 2.10 rằng tỷ số giảm

chấn của hệ thống SMIB giảm khi một tham số α trong mô hình tải (2.1) trở nên

âm Do đó, việc tích hợp các tải EV trong lưới điện sẽ làm giảm tỷ lệ giảm chấn của dao động

Hình 2 9 Hệ thống SMIB với tải EV

Hình 2 10 Tỷ lệ giảm chấn đối với hệ thống khi thay đổi giá trị a và α [3]

Tóm tắt các tác động của hệ thống EV lên lưới điện được tóm tắt ở Bảng 2.3

Các mô hình đề xuất HV: Lâm Bửu Quí

Bảng 2 3 Tóm tắt tác động của hệ thống EV lên lưới điện

Ổn định điện áp

Sạc EV thể hiện các đặc điểm tải rất khác so với tải thông thường Việc tích hợp EV có thể ảnh hưởng tiêu cực đến sự ổn định điện áp của lưới điện, điều này phụ thuộc vào vị trí, mức độ thâm nhập, thời gian sạc EV

[10], [12]

Ổn định tần số

Sự không ổn định kết nối EV, mức độ thâm nhập và khoảng thời gian kết nối và ngắt kết nối làm tăng mức độ nhu cầu tải và ảnh hưởng tần số lưới Nhưng EV có thể được vận hành là tải điều khiển được với tốc độ tăng tốc nhanh và có thể tham gia vào việc điều chỉnh tần số lưới

[13], [14], [20]

Ổn định dao động

Đặc điểm tải EV khác so với tải thông thường và theo hàm mũ âm nên có tác động nhiều hơn đến độ ổn định dao động của hệ thống điện

[3], [19]

2.2.2 Tác động lên chất lượng điện năng

Việc tích hợp vào lưới điện của các EV có thể ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của hệ thống điện Tác động của EV đến các thông số chất lượng điện bao gồm đồ thị điện áp, mất cân bằng điện áp, tổn thất công suất và sóng hài Các tác động này phụ thuộc vào các đặc tính của sạc EV và số lượng EV Bảng 2.4 tóm tắt và phân loại các thách thức của việc tích hợp EV về các vấn đề chất lượng điện Phần sau sẽ phân loại và tóm tắt các phương pháp tiếp cận để giảm thiểu tác động của tích hợp EV đối với chất lượng điện năng

v Các phương pháp tiếp cận để giảm thiểu tác động của EV đối với đồ thị điện

áp:

Các mô hình đề xuất HV: Lâm Bửu Quí

Ø Bộ điều chỉnh điện áp truyền thống: Sử dụng các thiết bị như tụ điện hay điều áp dưới tải [28], [29]

Ø Quản lý sạc xe điện: Áp dụng quản lý tải thông minh bằng cách phối hợp sạc EV [30]

Ø Các chiến lược điều khiển công suất tác dụng và phản kháng: Việc sạc và xả EV có thể được điều khiển một cách tối ưu và đồng bộ với điện áp lưới điện [22], [31]

v Các phương pháp giảm thiểu tác động của EV mất cân bằng điện áp

Ø Bộ điều chỉnh điện áp: Bộ lưu trữ năng lượng, bộ tụ điện phân phối, dSTATCOM, v.v có thể được sử dụng để giảm sự mất cân bằng điện áp [28], [29]

Ø Quản lý sạc/xả EV: Việc tối ưu hóa tốc độ sạc/xả EV có thể làm giảm sự mất cân bằng điện áp [32]

Ø Phương pháp tái cấu trúc pha: Phương pháp tái cấu trúc pha, ví dụ như biểu giá thời gian sử dụng [33] (ToU) có thể được áp dụng để giảm sự mất cân bằng điện áp

v Các phương pháp giảm thiểu tác động của EV đối với tổn thất điện năng: Ø Phối hợp sạc/xả EV: Hoạt động phối hợp tối ưu của các EV có thể được

sử dụng để san bằng đỉnh tải tối đa và giảm thiểu tổn thất điện năng [34], [35] Bằng cách lên lịch sạc EV trong mạng phân phối, có thể giảm thiểu tổn thất điện năng [36]

Ø Phối hợp với các máy phát điện phân tán: Nhu cầu sạc EV có thể được điều phối với các nguồn phân tán để giảm tổn thất điện năng [20], [23], [37] v Các phương pháp giảm thiểu tác động của EV về sóng hài:

Ø Các bộ lọc truyền thống: Sử dụng thiết bị hiệu chỉnh hệ số công suất và bộ lọc tích cực cho các trạm sạc EV để giảm thiểu biến dạng sóng hài [38], [39], [40]

Ø Triệt tiêu hoặc bơm dòng sóng hài: EV có thể tham gia vào các chức

năng phụ trợ cho sóng hài và công suất phản kháng

Các mô hình đề xuất HV: Lâm Bửu Quí

Ø Phối hợp với máy phát điện gió: Tải EV có thể được phối hợp với máy phát điện gió để tiêu thụ sóng hài do máy phát điện gió tạo ra

Bảng 2 4 Ảnh hưởng chất lượng điện năng khi tích hợp EV vào hệ thống

Biến động điện áp Tác động đến sự dao động điện áp phụ thuộc vào mức độ tích hợp và tốc độ sạc của EVs Khi tốc độ thâm nhập và sạc tăng, tác động sẽ tăng [4], [21], [22] Mất cân bằng điện áp Tác động đến sự mất cân bằng điện áp tăng lên khi

tăng tốc độ sạc một pha EV [23]

Tổn thất Tổn thất điện năng tăng lên với số lượng lớn các hệ thống sạc EV một pha và không điều khiển [23], [24] Quá tải và tổn thất trong máy biến áp phân phối tăng lên với sự thâm nhập cao của các EV [11], [25] Sóng hài Tác động lên sóng hài do EV thay đổi theo mức độ

xâm nhập, tác động tăng khi mức xâm nhập lớn và tốc độ sạc tăng [26], [27] Ngoài ra sóng hài tăng lên khi EV được sạc ngẫu nhiên không điều khiển

2.3 Tác động của xe điện lên các nguồn năng lượng tái tạo

2.3.1 Thúc đẩy nguồn năng lượng tái tạo phát triển

Sự phát triển của xe điện là một trong những động lực quan trọng thúc đẩy sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo

Các thống kê nghiên cứu cho thấy rằng việc chạy xe điện sử dụng các nguồn năng lượng tại tạo (RES), giảm 30% khả năng nóng lên toàn cầu (GWP) Xe điện chỉ trở nên hiệu quả hơn khi sử dụng nguồn năng lượng thích hợp để sạc pin Điều này có thể 100% chỉ bằng cách sử dụng RES Điều này làm tăng nhu cầu thực hiện và tạo ra các nguồn năng lượng tái tạo mới Theo IRENA, một tổ chức liên chính phủ hỗ trợ năng lượng bền vững và khám phá tất cả các loại nguồn

Các mô hình đề xuất HV: Lâm Bửu Quí

năng lượng tái tạo bao gồm năng lượng mặt trời và gió thì vào cuối năm 2018, tổng lượng năng lượng toàn cầu do năng lượng tái tạo tạo ra đã lên tới 2351 GW Tỷ trọng cao nhất là nhà máy thủy điện có công suất lắp máy 1172 GW Năng lượng gió và mặt trời được tính với công suất 564 GW và 486 GW Tổng mức tăng sản lượng năng lượng tái tạo là 171 GW Năng lượng mặt trời tạo ra là 109 GW và năng lượng gió tạo ra là 51 GW Sự gia tăng trong sản xuất năng lượng tái tạo chủ yếu là do các nhà máy năng lượng mặt trời và gió mới được lắp đặt Số lượng lắp đặt mới này chiếm 84% trong năm 2018 Năm 2018, châu Á chiếm 61% công suất mới và ở châu Âu tăng 4,6% Sự gia tăng năng lượng mặt trời diễn ra ở châu Á với công suất 64 GW (70% mức mở rộng toàn cầu vào năm 2018), tiếp theo là Trung Quốc, Ấn Độ, Nhật Bản và Hàn Quốc Sự gia tăng năng lượng gió do Trung Quốc chiếm 20 GW và Hoa Kỳ chiếm 7 GW Các quốc gia có hơn 1GW là Brazil, Pháp, Đức, Ấn Độ và Vương quốc Anh Biểu đồ hàng ngày chi tiết về những ngày có lượng phát điện tối thiểu và tối đa so với công suất lắp đặt của nhà máy điện mặt trời vào tháng 6 tại khu vực Vinnytsia của Ukraine được thể hiện trong Hình 2.13 và Hình 2.14 [41]

Hình 2 11 Công suất phát cực tiểu

Hình 2 12 Công suất phát cực đại

Các mô hình đề xuất HV: Lâm Bửu Quí

2.3.2 Tích hợp xe điện với nguồn năng lượng tái tạo

Cơ sở hạ tầng của hệ thống xe điện thông minh trong tương lai bao gồm việc tích hơp các nguồn năng lượng tái tạo và các hệ thống dự trữ năng lượng như hình 2.15 [42]

Ô tô điện trong công nghệ V2G hoạt động như một đơn vị lưu trữ phân tán Việc truyền điện giữa xe và lưới điện đòi hỏi sự trao đổi thông tin hiệu quả, chẳng hạn như thông tin thống kê, dữ liệu kỹ thuật và trạng thái sạc (SOC) của pin Tích hợp các EV với dòng công suất hai chiều hỗ trợ tích hợp điều khiển nguồn phân tán với lưới điện thông minh Lưới điện trong điều kiện bình thường sẽ nạp điện cho EV khi các nguồn năng lượng phân tán phát công suất lớn EV sẽ hoạt động như một đơn vị lưu trữ phân tán giúp giảm ảnh hưởng của khả năng gián đoạn của các nguồn không liên tục Hoạt động hiệu quả và tiết kiệm chi phí của EV được thực hiện bằng cách sử dụng hiệu quả các sơ đồ điều khiển để sạc và xả tối ưu Để có được lợi nhuận tối đa từ xe điện, cần phải lập lịch tính phí xe điện một cách thông minh Việc tối ưu hóa sạc không có V2G và với V2G được phân tích tương đối bằng phần mềm máy tính Kiểm soát sạc được tối ưu hóa với V2G đã đạt được kết quả hiệu suất tốt hơn bằng cách giảm nhu cầu cao điểm, so với kiểm soát sạc được tối ưu hóa mà không có V2G

Hình 2 13 Cơ sở hạ tầng sạc thông minh và tối ưu cho xe điện

Các mô hình đề xuất HV: Lâm Bửu Quí

Chương 3: CÁC MÔ HÌNH ĐỀ XUẤT

3.1 Mục tiêu nghiên cứu.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm các điểm cơ bản sau:

• Đưa ra các mô hình trạm sạc và xe điện phù hợp với thực tế để các mô phỏng gần với thực nghiệm nhất có thể

• Thiết kế bài toán sử dụng phân bổ công suất để tối ưu việc cấp điện cho các hệ thống trạm sạc và xe điện

• Thiết kế giải thuật đánh giá khả năng cung cấp điện trong khu vực nội thành cho các hệ thống trạm trong tương lai

• Mô phỏng các thiết kế về mô hình và thuật toán sử dụng MATLAB • Phân tích kết quả mô phỏng đưa ra các nhận xét và kết luận

• Mô phỏng trên lưới điện thực tế và rút ra kết luận

• Tìm hiểu bổ sung về sự phối hợp cửa hệ thống xe điện và các nguồn năng

lượng tái tạo vào lưới điện phân phối

3.2 Mô hình hệ thống và bài toán xem xét

Các mô hình đề xuất HV: Lâm Bửu Quí

Bộ điều khiển chỉnh lưu tích cực được thể hiện trong Hình 3.3

Hình 3 3 Bộ điều khiển bộ lọc tích cực

Bộ chuyển đổi Buck được thể hiện trong Hình 3.4

Hình 3 4 Bộ chuyển đổi Buck

Mô hình mạch tương đương của pin EV được thể hiện trong Hình 3.5

Hình 3 5 Mạch tương đương của pin EV

EV được quan sát từ điểm ghép nối chung (PCC)

Hình 3 6 Mô hình đơn giản của bộ sạc kết nối PCC

Các mô hình đề xuất HV: Lâm Bửu Quí

Để tính toán thời gian chờ ở trạm sạc, phân phối Gaussian được sử dụng Phân phối này ước tính tốt nhất về hành vi của người dùng xe điện [44] Phương trình tính toán thời gian đi và đến của xe dựa trên dữ liệu thống kê:

(3.1)

trong đó 𝜇, 𝜎 và 𝑡 lần lượt là giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và thời gian dự kiến cho cả lúc đến và đi của EV đến/đi từ các trạm sạc 𝑋1 và 𝑋2 là các biến ngẫu nhiên có giá trị trung bình bằng 0 và phương sai bằng 1 Phương trình cho thời gian sạc EV theo xác suất:

(3.2) Vì vậy, phương trình tính toán trạng thái sạc mong muốn (SOC) bằng các thông số nêu trên:

3.2.2 Mô hình lưới điện chuẩn IEEE 33 nút

Lưới điện phân phối đầu tiên được sử dụng trong mô phỏng là lưới điện phân phối IEEE 33 nút Cấu trúc của lưới điện hình tia gồm 33 nút, nút thứ nhất là nút cân bằng, tổng công suất thực trong hệ thống là 3,71 MW, công suất phản kháng là 2,31 Mvar và điện áp chuẩn là 1.00 (p.u)

initSoC

Các mô hình đề xuất HV: Lâm Bửu Quí

Hình 3 7 Sơ đồ một sợi lưới điện phân phối IEEE 33 nút 3.2.3 Mô hình lưới điện chuẩn IEEE 69 nút

Lưới điện phân phối thứ hai được sử dụng trong mô phỏng là lưới điện phân phối IEEE 69 nút Cấu trúc của lưới điện hình tia gồm 69 nút, nút thứ nhất là nút cân bằng, tổng công suất thực trong hệ thống là 3802.19 kW, công suất phản kháng là 2694.60 kVAr và điện áp chuẩn là 1.00 (p.u)

Hình 3 8 Sơ đồ một sợi lưới điện phân phối IEEE 69 nút