Xác định dung lượng tối ưu của thiết bị lưu trữ điện năng cho hệ thống cô lập có nguồn năng lượng mới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐINH XUÂN THẮNG XÁC ĐỊNH DUNG LƯỢNG TỐI ƯU CỦA THIẾT BỊ LƯU TRỮ ĐIỆN NĂNG CHO HỆ THỐNG CÔ LẬP CÓ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TIỄN SỸ: ĐINH QUANG HUY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TIẾN SỸ: NGUYỄN ĐỨC HUY HÀ NỘI–NĂM 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Những kết nghiên cứu trình bày luận văn hồn tồn trung thực tơi, khơng vi phạm điều luật sở hữu trí tuệ pháp luật Việt Nam Nếu sai, tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước pháp luật Tác giả luận văn Đinh Xuân Thắng MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ CHƯƠNG I TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tình hình sử dụng lượng gió 1.3 Mục tiêu luận văn 12 CHƯƠNG 14 HỆ THỐNG ĐIỆN KẾT HỢP GIÓ - DIESEL 14 2.1 Lưới điện quy mô nhỏ 2.1.1 Hệ thống phân phối 2.1.2 Tích hợp điện gió 2.1.3 Hệ thống điện kết hợp gió - diesel 14 16 17 18 2.2 Các ràng buộc vận hành hệ thống hỗn hợp gió - diesel 2.2.1 Cân công suất tác dụng, dự phịng nóng 2.2.2 Cơng suất phản kháng, đặc tính cơng suất phát diesel 2.2.3 Quan điểm dự phòng nóng 19 19 21 23 2.3 Các chế độ vận hành 2.3.1 Chế độ xác lập 2.3.2 Chế độ độ 24 24 25 2.4 Các giải pháp phụ trợ nâng cao ổn định hệ thống hỗn hợp diesel-gió 26 2.4.1 Thiết bị phụ trợ nâng cao ổn định 26 2.4.2 Máy phát diesel tải thấp 27 2.4.3 Thiết bị phụ trợ tích trữ lượng (kho điện) 28 CHƯƠNG 30 THIẾT LẬP MƠ HÌNH 30 3.1 Ứng dụng phương pháp tối ưu hóa ngẫu nhiên hệ thống điện 30 3.2 Mơ tả tốn 3.2.1 Hệ thống điện gió - diesel 3.2.2 Đặc tính Gió Tải 32 33 34 3.3 Thiết lập toán 3.3.1 Hàm mục tiêu 3.3.2 Các ràng buộc 3.3.3 Quy mô toán 37 37 38 40 CHƯƠNG 41 CÁC KẾT QUẢ TÍNH TỐN 41 4.1 Thơng số chung 41 4.2 Đánh giá tiêu kinh tế thay đổi số lượng máy phát diesel vận hành thường trực 43 4.3 Đánh giá tiêu kinh tế thay đổi tốc độ tăng trưởng phụ tải hàng năm 46 4.4 Đánh giá tiêu kinh tế thay đổi giá bán điện 48 4.5 Đánh giá tiêu kinh tế chi phí phát điện diesel thay đổi 51 4.6 Đánh giá tiêu kinh tế thay đổi mức dự phịng nóng 53 4.7 Đánh giá tiêu kinh tế thay đổi giá kho điện 56 4.8 Đánh giá tiêu kinh tế thay đổi giá biến đổi công suất 58 CHƯƠNG 61 MỘT SỐ KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC 64 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT GDP USD DER CSPK SCADA NPV ESS Tổng sản phẩm quốc gia Đô la mỹ Nguồn lượng phân tán (Distributed Energy resources) Công suất phản kháng Hệ thống điều khiển, giám sát, thu thập liệu (Supervisory Control And Data Acquisition) Giá trị (Net present value) Thiết bị lưu trữ lượng (Energy Storage System) DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 4.1: Thông số phụ tải theo thời gian ngày 41 Bảng 4.2: Phân bố xác suất tốc độ gió cơng suất tuabin [2] 42 Bảng 4.3: Kết tính tốn thay đổ số lượng máy phát diesel vận hành thường trực 44 Bảng 4.4 Kết tính tốn thay đổi mức độ tăng trưởng phụ tải hàng năm 46 Bảng 4.5: Kết tính tốn thay đổi giá bán điện 49 Bảng 4.6: Kết tinh toán thay đổi chi phí phát điện diesel 51 Bảng 4.7: Kết tính tốn thay đổi mức dự phịng nóng 54 Bảng 4.8: Kết tính tốn thay đổi giá thành thiết bị lưu trữ 56 Bảng 4.9: Kết tính tốn thay đổi giá thành biến đổi cơng suất 59 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mức tăng trưởng điện gió theo năm Hình 2.1: Hệ thống lưới điện quy mơ nhỏ [3] 14 Hình 2.2: Đáp ứng tần số hệ thống gió – diesel [2] 20 Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển tần số V80 [2] 21 Hình 2.4: Đặc tính cơng suất làm việc cho phép máy diesel 22 Hình 3.1: Lưu đồ tính tốn hệ thống kho điện cho hệ thống hỗn hợp [4] 32 Hình 3.2: Sơ đồ tổng quát hệ thống lượng gió-diesel lập có sử dụng thiết bị lưu trữ 33 Hình 4.1: Đồ thị phụ tải 42 Hình 4.2: Biểu đồ NPV theo số lượng máy phát diesel vận hành thường trực 44 Hình 4.3: Biểu đồ dung lượng thiết bị lưu trữ theo số lượng diesel vận hành thường trực 45 Hình 4.5: Biểu đồ NPV theo tỷ lệ tăng trưởng phụ tải hàng năm 47 Hình 4.6: Dung lượng thiết bị lưu trữ theo mức độ tăng trưởng phụ tải hàng năm 47 Hình 4.8: Biểu đồ NPV theo giá bán điện 49 Hình 4.9: Dung lượng thiết bị lưu trữ theo giá bán điện 50 Hình 4.10: Cơng suất biến đổi theo giá bán điện 50 Hình 4.11: Biểu đồ NPV theo chi phí phát điện diesel 52 Hình 4.12: Dung lượng thiết bị lưu trữ theo chi phí phát điện diesel 52 Hình 4.13: Cơng suất biến đổi theo chi phí phát điện diesel 53 Hình 4.14: Biểu đồ NPV theo mức dự phịng nóng 54 Hình 4.15: Dung lượng thiết bị lưu trữ theo mức dự phịng nóng 55 Hình 4.16: Cơng suất biến đổi theo mức dự phịng nóng 55 Hình 4.17: Biểu đồ NPV theo giá thành thiết bị lưu trữ 57 Hình 4.18: Dung lượng kho điện theo giá thành thiết bị lưu trữ 57 Hình 4.19: Công suất biến đổi theo giá thành thiết bị lưu trữ 58 Hình 4.20: Biểu đồ NPV theo giá thành biến đổi cơng suất 59 Hình 4.21: Dung lượng kho điện theo giá thành biến đổi cơng suất 60 Hình 4.22: Cơng suất biến đổi theo giá thành biến đổi công suất 60 CHƯƠNG I TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIĨ 1.1 Đặt vấn đề Thế kỷ 20 trải qua với bao tiến vượt bậc loài người Một kỷ người làm nên điều kỳ diệu, phát minh công cụ máy móc giúp nâng cao suất lao động, giúp đáp ứng nhu cầu không ngừng người Nhưng bên cạnh phát triển tiến người phải đối mặt với mặt trái phát triển không bền vững kinh tế giới Môi trường bị hủy hoại, tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt, áp lực công việc ngày lớn với người hàng loạt mặt trái khác Trong kỷ 21 người phải đối diện với loạt thách thức mang tính tồn cầu Các thách thức lớn kể đến bao gơm cạn kiệt lượng truyền thống, môi trường sống bị hủy hoại, bùng nổ dân số, chiến tranh, y tế, v.v Trong vấn đề lượng vấn đề xem quan trọng cấp thất nhiết kỷ 21 Năng lượng hóa thạch ngày cạn kiệt, tranh chấp lãnh thổ, tạo ảnh hưởng để trì nguồn cung cấp lượng mối họa tiềm ẩn nguy xung đột Năng lượng hóa thạch khơng đủ cung cấp cho cỗ máy kinh tế giới ngày phình to làm kinh tế trì trệ dẫn đến khủng hoảng suy thối kinh tế Bất ổn trị xảy nhiều nơi giới Bên cạnh việc sử dụng nhiều lượng hóa thạch khiến loạt vấn đề mơi trường nảy sinh Trái đất ấm lên, đất canh tác bị thu hẹp, môi trường bị thay đổi, dịch bệnh xuất khó lường khó kiểm sốt hơn, thiên tai ngày mạnh khó lường hơn, mùa màng thất thu ảnh hưởng đến vấn đề lương thực Tất điều tiềm ẩn giới hỗn độn, tranh chấp, khơng kiểm sốt Từ điều trên, để trì giới ổn định, khơng cách khác phải tìm nguồn lượng tái sinh thay cho nguồn lượng hóa thạch ngày cạn kiệt Hàng loạt lượng hứa hẹn kỷ 21 như: lượng mặt trời, lượng gió, lượng địa nhiệt, lượng sinh khối nguồn lượng khác Bằng tiến khoa học kỹ thuật xu hướng tất yếu giới, lượng tái sinh nghiên cứu sử dụng ngày nhiều Năng lượng gió nguồn lượng tái sinh quan trọng đóng góp ngày lớn vào sản lượng lượng giới 1.2 Tình hình sử dụng lượng gió Hình thể cơng suất sản xuất từ điện gió giới khoảng thời gian từ 1996 đến 2008 [1] Tổng lượng công suất sản xuất giới vào năm 2009 159.2 GW, với 340 TWh lượng, xác nhận mức tăng trưởng 31% năm, số lớn lúc kinh tế toàn cầu gặp nhiều khó khăn Theo thống kê giới, Đức, Tây Ban Nha, Hoa Kỳ, Đan Mạch Ấn Độ quốc gia sử dụng lượng gió nhiều giới Chẳng hạn vào năm 2009, điện gió chiếm 8% tổng số điện sử dụng Đức; số lên đến 14% Ai len 11% Tây Ban Nha Hoa Kỳ sản xuất nhiều điện gió giới với cơng suất nhảy vọt từ GW vào năm 2004 lên đến 35 GW vào 2009 điện gió chiếm 2.4% tộng số điện tiêu dùng Trung Quốc Ấn Độ phát triễn nhanh nguồn lượng với 22.5 GW (Trung Quốc, 2009) 10.9 25 GW (Ấn Độ, 2009) Hình 1.1: Mức M tăng trưởng điệnn gió theo năm Sau cảii cách mở m cửa, kinh tế Việt Nam đãã có nh bước chuyển biến tích cực, cấu u kinh tế t có thay đổii bbản từ nơng nghiệp sang cơng nghiệp p hi đại hóa Nền kinh tế phát triểnn vvới tốc độ nhanh khoảng 7% nhữ ững năm gần đây; điều dẫn đếnn nhu ccầu lượng kinh tế tăng nhanh với v trung bình 12%-13% gầnn ggấp đơi so với tăng trưởng GDP Để th đảm bảo việc cung cấp lượng ng cho nhu ccầu kinh tế đòi hỏii phải ph dự báo nhu cầuu lư lượng tương lai để hoạch ch định đ sách phát triểnn phù hhợp đủ sức đảm đương trọng trách nặặng nề nhu cầu lượng đất nướ ớc Xét nhiều ều khía cạnh việc phát triển lượng l ợng gió llà cơng việc đắn hợp ợp lý Nó giải nhanh chóng vấn đề llượng thời gian ngắn vềề lâu dài d ũng đóng góp khơng nhỏ cho nguồn llượng quốc gia Việt Nam với tiềm lượng l ợng gió tương đối lớn Mặc dù lượng ợng gió có chi phí đầu tư t ngày rẻ, ẻ, vvà nên giải pháp lượng ợng bền vững cho quốc gia v khu vực, ực, việc vận hhành hệ ... ổn định tần số Một nhóm giải pháp quan tâm nghiên cứu cho hệ thống lập có nhà máy điện gió sử dụng thiết bị lưu trữ lượng (pin/ắc quy/siêu tụ) Một mặt, thiết bị lưu trữ lượng cho phép nạp công... thành thiết bị lưu trữ Dung lượng thiết bị lưu trữ công suất biến đổi: 12.000 Dung lượng kho điện (kWh) 10.000 8.000 6.000 4.000 2.000 100 200 300 400 500 600 700 800 Giá thành thiết bị lưu trữ. .. nghèo hệ thống điện vận hành độc lập 1.3 Mục tiêu luận văn Luận văn đặt mục tiêu xây dựng mơ hình tốn tối ưu hóa đầu tư thiết bị lưu trữ lượng cho hệ thống điện lập có nhà máy điện gió Cấu hình hệ