GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
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
Năm 2010, thế giới chỉ có khoảng 17.000 xe điện lưu thông, nhưng đến năm 2019 con số này đã tăng lên 7,2 triệu xe Trung Quốc chiếm thị phần lớn nhất trong doanh số toàn cầu với 47% do mục tiêu giảm nhập khẩu năng lượng, cải thiện chất lượng không khí và xây dựng ngành công nghiệp ô tô 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, xe điện vẫn còn một số hạn chế đáng kể cần khắc phục Thứ nhất, dung lượng và giá thành ắc quy/pin còn cao, dẫn đến quãng đường di chuyển hạn chế Thứ hai, thời gian sạc dài và thiếu trạm sạc công cộng khiến việc sử dụng xe điện kém tiện lợi Cuối cùng, vấn đề xử lý pin thải sau khi hết hạn sử dụng là một thách thức lớn đối với 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
VinFast sẽ lắp đặt 3 loại trụ sạc ô tô điện Trụ sạc DC60kW có dạng tủ đứng, cung cấp nguồn điện một chiều để sạc trực tiếp cho pin, mỗi trụ có 2 cổng sạc công suất 60kW/cổng Thời gian sạc từ 30-90 phút sẽ cung cấp 80% dung lượng pin, tùy theo 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
Trụ sạc xe máy điện VinFast được trang bị 4 cổng sạc, có khả năng sạc đầy xe trong khoảng 4 giờ Mạng lưới trạm sạc xe máy điện của VinFast đã được đưa vào sử dụng, cung cấp dịch vụ sạc miễn phí cho người dùng xe điện trong giai đoạn đầu.
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
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
Để đáp ứng nhu cầu xe điện ngày càng tăng, ngành điện cần có chiến lược quy hoạch lưới điện hợp lý Chiến lược này bao gồm việc xây dựng trạm biến áp và đường dây truyền tải điện, đảm bảo quản lý và vận hành hệ thống hiệu quả và tiết kiệm.
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.
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
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
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
Công nghệ V2G và G2V cho phép EV tham gia vào thị trường điện bằng cách kiểm soát việc phát và sạc điện Trong V2G một chiều, pin EV được coi như tải linh động để cân bằng lưới điện Do dung lượng pin hạn chế, EV riêng lẻ thường kết hợp với các bộ tổng hợp của bên thứ ba hoặc đội điều hành để đóng vai trò cung cấp dịch vụ phụ trợ cho lưới điện, như cân bằng tần số, điện áp và nguồn điện.
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
Tốc độ sạc Chậm Bình thường Nhanh Sạc nhanh
Mức độ 1 2 3 1 2 3 Điện áp 120VDC 240VDC - 200-
Công suất cực đại 2KW 20kW >20KW 40KW 100KW 240KW
Kết nối với lưới 1 pha 1 hoặc 3 pha - 3 pha 3 pha 3 pha
Thời gian sạc 17h 1.2h - 1.2h 20ph