1 .2Các thành phần trong MicroGrid
1.3 .1Cấu trúc MicroGrid AC
1.3.6 Cấu trúc Microgrid sử dụng máy biến áp thể rắ n( Cấu trúc Microgrid chuyển
Solid State Transformer (SST) hay còn gọi là máy biến áp thể rắn, nó thường được biết đến với ứng dụng cao trong hệ thống smart grid. SST có những đặc điểm như có thể
trao đổi năng lượng hai chiều, cách ly về điện, sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất kết hợp máy biến áp tần số cao. Hơn nữa, có thể điều khiển dịng điện, điện áp đầu ra chủ động. Có tính năng bảo về q dịng, ngắn mạch và có kích thước nhỏ gọn hơn so với máy biến áp truyền thống.
Hình 1.13 Cấu tạo máy biến áp thể rắn
SST là bộ chuyển đổi năng lượng đầu ra kép đầu vào đơn. Giai đoạn đầu tiên, bộ chuyển đổi AC/DC cung cấp điện áp khơng đổi và quản lí dịng điện chảy vào lưới. Tiếp theo, bộ chuyển đổi DC/DC điều chỉnh mức điện áp theo yêu cầu của tải DC. Giai đoạn cuối cùng là bộ chuyển đổi DC tạo ra điện áp chất lượng cao cho trạm AC để cung cấp theo yêu cầu tải AC.
Trong kiểu mơ hình này, biến áp tần số của lưới được thay thế bằng biến áp thể rắn (SST). SST có thể sử dụng máy biến áp tần số cao, giảm về cả kích thước và trọng lượng liên quan đến máy biến áp tần số của lưới và có thể cung cấp nguồn cấp AC và DC cho microgrid. Ngồi ra, SST có thể quản lý luồng năng lượng giữa các bộ cấp
nguồn và lưới. Tải AC được kết nối trực tiếp với trạm AC và tải DC được kết nối với trạm DC. Các máy phát phân tán khuyến khích được kết nối với bộ nạp DC , vì về mặt thiết kế điện và thuật toán điều khiển sẽ đơn giản và mạnh mẽ hơn.
Mơ hình microgrid sử dụng máy biến áp thể rắn có các ưu điểm sau: năng lượng chất lượng cao, thiết kế về mặt điện tử đơn giản, kết nối tải đơn giản, tương thích với tải lưới AC và quản lý tối ưu các thiết bị lưu trữ năng lượng. Bên cạnh đó cũng tồn tại nhược điểm đó là máy biến áp trạng thái rắn, vì nó là bộ chuyển đổi điện nối tiếp nên làm giảm độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống.
Hình 1.14 Cấu trúc mơ hình microgrid sử dụng máy biến áp thể rắn 1.4 Đặc điểm của MicroGrid rắn 1.4 Đặc điểm của MicroGrid
Một microgrid có thể vận hành ở cả hai trạng thái: trạng thái bình thường (nối lưới) và trạng thái cách li (độc lập). Thông thường các microgrid vận hành trong trạng thái kết nối lưới trừ trường hợp sự cố. Vì vậy lợi ích của các microgrids sinh ra chủ yếu trong trạng thái này. Để có thể vận hành lâu dài trong chế độ độc lập, microgrid phải thỏa mãn các yêu cầu cao về dung lượng lưu trữ và công suất phát của các nguồn phân tán để đảm bảo cấp điện liên tục hoặc phải thực hiện sa thải phụ tải phù hợp.
1.4.1 MicroGrid ở chế độ nối lưới
Hệ thống Microgrid ở chế độ nối lưới có thể chuyển đổi kết nối giữa các nguồn điện phân tán và lưới điện chính để cung cấp năng lượng cho tải.
Ở chế độ này, việc kết nối lưới tại điểm kết nối chung PCC phải đảm bảo các tiêu chuẩn quốc gia về chất lượng điện năng. Kết nối song song của máy phát điện được quản lý bởi các tiêu chuẩn quốc gia [13]. Các tiêu chuẩn yêu cầu là việc kết nối phải đảm bảo điện áp kết nối tại điểm kết nối chung PCC, cũng như đảm bảo chất lượng điện năng như giới hạn độ méo dạng sóng hài THD (total harmonic distortion) là nhỏ.
Ở chế độ này, tải được cấp năng lượng hồn tồn từ các nguồn phân tán thơng qua các bộ chuyển đổi công suất trong hệ thống Microgrid khi lưới điện chính bị ngắt kết nối.
Khi lưới điện chính bị sự cố hệ thống phải cơ lập để bảo vệ hệ thống microgrid. Trong chế độ này các bộ biến đổi công suất sẽ đảm nhiệm vai trị duy trì điện áp và tần số, trong điều kiện có sự mất cân bằng về phụ tải và chất lượng điện năng suy giảm. Do sự suy giảm công suất từ nguồn cung cấp, nên trong trường hợp này, lưới Microgrid có thể sẽ sa thải một số phụ tải không quan trọng để đảm bảo sự ổn định và chất lượng cung cấp điện cho hệ thống Microgrid. Trong trường hợp muốn đảm bảo sự cung cấp liên tục
ở phía tải, phải lưu ý đến việc tính tốn cơng suất phát và dự trữ của nguồn phân tán trong hệ thống.
1.5 Phân bố trào lưu công suất trong Microgrid
1.5.1 Mục đích của việc phân bố trào lưu cơng suất.
Nghiên cứu phân bố cơng suất tức là phân bố dịng tải, là một phần rất quan trọng trong phân tích hệ thống điện. Nó rất cần thiết để quy hoạch, vận hành kinh tế và điều khiển hệ thống điện hiện hữu cũng như quy hoạch mở rộng trong tương lai. Nội dung của bài toán là xác định các giá trị biên độ và góc pha của điện áp ở mỗi nút và giá trị công suất tác dụng và phản kháng trên mỗi đường dây để phục vụ cho mục đích tính tổn thất điện áp, tính tổn thất cơng suất và tổn thất điện năng để phục vụ quy hoạch, thiết kế và vận hành lưới điện.
Khi quy hoạch thiết kế, việc chọn các sơ đồ và thiết bị phân phối như: dây dẫn, điện kháng, thiết bị bù, thiết bị đóng cắt và bảo vệ … phải đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật cụ thể là: có khả năng tải cơng suất theo u cầu của phụ tải ở chế độ bình thường và sự cố, điện áp các nút nằm trong rào điện thế quy định. ∆P và ∆S là hai chỉ tiêu kinh tế quan trọng tham gia vào hàm mục tiêu kinh tế để lựa chọn phương án tối ưu.
Trong vận hành phải kiểm tra thiết bị về điều kiện kỹ thuật, điền kiện phát nóng, điều kiện tổn thất điện áp và điều kiện kinh tế. Nếu các điều kiện này bị vi phạm thì cần có biện pháp cải tạo hay đề ra phương án vận hành lưới thích hợp.
1.5.2 Thuật tốn
Hai phương pháp Gauss-seidel và Newton-Raphson là hai thuật tốn giải phương trình phi tuyến với một hoặc n ẩn bằng cách lặp thơng thường. Hai phương pháp đều có
điểm chung là thay thế liên tiếp các giá trị nghiệm trong vùng lân cận cho đến khi giá trị nghiệm tìm được có sai số bé nhất ( xấp xỉ bằng không).
1.5.2.1 Gauss-seidel
Cho phương trình phi tuyến f(x).
Giải, tìm nghiệm của phương trình này bằng cách viết lại như sau: x = g(x)
Nếu x(0) là giá trị ban đầu được gán của biến x, phương trình lập tiếp theo sẽ là:
x(1) = g(x(2))
x(2) = g(x(0))…
x(k+1) = g(x(k)), lặp đi lặp lại cho đến khi độ chênh lệch giữa x(k+1) và x(k)) nhỏ hơn giá trị sai số yêu cầu.
Phương pháp này tồn tại những hạn chế nhất định, nếu ngay lần lập đầu tiên, giá trị x được chọn nằm ngồi vùng nghiệm, thì đồ thị khơng giao nhau và dễ đi đến kết luận phân kỳ (vô nghiệm).
1.5.2.2 Newton-Raphson
Đây là phương pháp giải nghiệm xấp xỉ trên cơ sở chưa biết giá trị nghiệm ban đầu, và sử dụng khai triển chuỗi Taylor mở rộng.
Cho phương trình phi tuyến f(x) = c.
Nếu x(0) là giá trị xấp xỉ ban đầu của quá trình giải bài tốn, và Δx(0) là sai số từ quá trình giải thì: f(x(0) + Δx(0)) = c.
Áp dụng phương pháp khai triển Taylor cho hàm số f(x(0) + Δx(0)) ta có:
f(x(0)) + (
Giả sử rằng sai số Δx(0) là rất nhỏ, không xét đến thành phần bậc cao hơn, kết quả như sau: Δc(0) = c - f(x(0)) = ( )(0) Δx(0) Δx(0) = Δx(k) = Δc (0) )(0) Δc ( ) ( )( ) x(k+1) = x(k) + Δx(k) 22
Ưu điểm của phương pháp này là có thể giải được phương trình tổng quát và bất chấp giá trị x ban đầu được chọn nằm trong vùng phân kỳ, giá trị thu được sẽ được hội tụ tại điểm có nghiệm gần nhất.
1.6 Ưu điểm, nhược điểm và những thách thức của MicroGrid
1.6.1 Ưu điểm của MicroGrid
Đảm bảo độ tin cậy của hệ thống điện: khi phụ tải bị ngưng cấp điện có thể gây ra những tổn thất rất lớn về mặt kinh tế. Sự kết hợp giữa Microgrid và lưới điện chính làm giảm căng thẳng cho lưới điện trong khung giờ cao điểm. Nó xem như nguồn điện dự phịng nếu lưới điện chính bị sập, giúp duy trì hoạt động của các cơ sở quan trọng như là trường học, nhà máy nước và trạm xăng. Hơn nữa, nó có thể là nguồn điện chính cho các vùng cao mà cơ sở hạ tầng của lưới điện lực chưa thể đáp ứng được.
Tạo doanh thu nhờ bán năng lượng. Microgrids có thể cung cấp nguồn doanh thu cho khách hàng của họ. Họ có doanh thu bằng cách bán năng lượng trở lại lưới điện. Điều này mang đến cho người tiêu dùng một loại kiểm sốt mới trong thị trường năng lượng. Họ khơng những tiêu thụ năng lượng, mà cịn có thể sản xuất và kiểm sốt nó thơng qua các ứng dụng.
Thúc đẩy tăng trưởng kinh tế. Microgrids giúp ngăn ngừa mất điện cho xí nghiệp sản xuất, vẫn đảm bảo tính liên tục làm việc trong thời gian bị gián đoạn.
Thúc đẩy năng lượng tái tạo, đồng thời tạo ra nhiều việc làm ở địa phương hơn. Nhiều người quan tâm đến việc theo đuổi các mục tiêu năng lượng sạch sẽ giúp ích cho mơi trường. Microgrids có thể bao gồm một loạt các nguồn sản xuất năng lượng xanh, như gió và mặt trời, giúp cắt giảm lượng khí thải carbon và giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.
Tăng cường an ninh mạng. Cấu trúc phân tán của một microgrid làm cho nó có khả năng chống lại các cuộc tấn cơng mạng nhiều hơn. Hơn nữa, microgrids có thể được lắp đặt nhanh hơn các nhà máy điện truyền thống, giúp đáp ứng nhu cầu cơng cộng nhanh hơn.
Xanh hóa thảm thực vật: Năng lượng mặt trời mà lưới Microgrid mang lại xuất hiện hầu hết ở những khu vực có cường độ ánh sáng cao và khí hậu khắc nghiệt, đồng nghĩa với thảm thực vật ở nơi này vô cùng khô cháy và đất đai cằn cỗi. Sự che phủ của hệ thống tấm pin mặt trời giúp cho xanh hóa thảm thực vật phía bên dưới, cái thiện nơng
nghiệp, giảm lượng khí CO2 đồng thời thay đổi khí hậu tại khu vực theo hướng tích cực
hơn.
1.6.2 Nhược điểm của MicroGrid
Lưới Microgrid dần phát triển và mở mộng trong bối cảnh phát triển năng lượng sạch và năng lượng tái tạo thay thế cho các năng lượng sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch truyền thống gây ơ nhiễm môi trường là xu hướng phát triển năng lượng điện của tất cả quốc gia hiện nay. Tuy nhiên, song song với những ưu điểm của lưới Microgrid đã nhắc đến ở trên là những mặc hạn chế đi cùng đáng quan tâm đến, nó ảnh hưởng đến các yếu tố mà một lưới điện hịa với nhau khơng thể khơng nhắc đến:
Không thể tạo ra một lượng lớn điện ở một nơi: lưới Microgrid hiện nay mặc dù đã cung cấp nguồn năng lượng cho hệ thống điện quốc gia, sản lượng điện tăng nhanh qua các năm. Tuy nhiên, để tạo ra công suất lớn trên một vùng diện tích là vấn đề cịn nhiều khó khăn, địa hình khai thác năng lượng. Để đáp ứng hệ thống trên diện rộng cần đáp ứng đủ diện tích lắp đặt trên diện rộng, đó là một khó khăn mở rộng cũng như xây dựng hệ thống tập trung theo vùng, khó quy hoạch tập trung và khó có sản lượng
điện như truyền thống.
Đồng bộ hóa với lưới chính: Để lưới Microgrid và lưới điện quốc gia hòa đồng bộ với nhau, lưới Microgrid phải đảm bảo yếu tố tần số và góc lệch pha trùng với lưới chính, để thực hiện được điều đó, năng lượng điện sinh ra cần được xử lý bởi các bộ biến đổi công suất, khá tốn kém kinh phí đầu tư.
Cung cấp năng lượng thất thường: Tuy Microgrid là một nguồn dự phòng đáng tin cậy và liên tục cho lưới điện chính, nhưng nguồn phát phụ thuộc hồn tồn vào yếu tố mơi trường, nên năng lượng tạo ra có biên độ khơng cố định.
Ảnh hưởng của tua bin gió trong q trình hoạt động: Trong q trình hoạt động âm thanh của tuabin gió làm cho khu vực bị ơ nhiễm tiếng ồn, và hệ thống đòi hỏi nơi làm việc phải nằm xa khu dân cư và lượng gió lớn, khơng bị gián đoạn. Điều này gây ra trở ngại cho quá trình vận chuyển và lắp đặt lưới Microgrid.
Rác thải công nghệp của hệ thống PV: Pin năng lượng mặt trời được biết đến như thiết bị độc nhất và hiệu quả cao đến thời điểm hiện tại trong mảng năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, sau vài chục năm hoạt động (từ 25-30 năm) sẽ trở thành phế phẩm, và đáng chú ý hơn, xử lý hoặc tái chế loại rác thải này vô cùng tốn kém và gây ô nhiễm môi
trường, đây là vấn đề mà các doanh nghiệp sản xuất PV đều đang cố gắng tìm ra quy trình xử lý tốt nhất.
1.6.3 Những thách thức của MicroGrids
Microgrids đại diện cho một sự thay đổi trong mơ hình phân phối năng lượng và gọi là hệ phân tán, khả năng hoạt động ở chế độ độc lập, microgrids có thể duy trì nguồn điện ngay cả khi lưới điện chính bị hỏng. Microgrids cung cấp năng lượng sạch cho các địa phương chưa có điều kiện cơ sở hạ tầng phát triển, cải thiện sự ổn định. Xong, nó vẫn cịn mắt kẹt bởi những thách thức đáng chú ý sau:
Những thách thức cơng nghệ phải đối mặt trong q trình vận hành và triển khai microgrids. Q trình đóng ngắt kết nối bộ nạp từ các hệ thống tiện ích gây ra dịng trong microgrids có thể cao hơn nhiều so với các bộ phận gặp phải trong các hệ thống phân tán, nó có thể làm hỏng các thiết bị bảo vệ, đóng ngắt. Đây là một mối quan tâm lớn trong quá trình vận hành độc lập. Do vậy, có thể dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng cho lưới điện nếu không hiểu rõ hệ thống và cách vận hành.
Khi khởi động microgrid ở chế độ độc lập, hệ thống dịng điện xâm nhập có thể gây ra sai lệch đáng kể về tần số và điện áp hệ thống. Điều này có thể khiến các máy phát điện bị ngắt và chuyển sang chế độ ngoại tuyến trong giai đoạn ban đầu. Các kỹ thuật giảm thiểu liên quan đến phân tích chuyên biệt về các loại máy phát được chọn để cung cấp năng lượng cho microgrid trong tình huống độc lập và tái cấu trúc các điều khiển của chúng cho các ứng dụng microgrid. Hơn nữa, bảo vệ phải có khả năng phân biệt các thay đổi năng lượng với các thay đổi liên quan đến lỗi. Điều này chỉ xảy ra thông qua thiết kế chu đáo và với sự hiểu biết kỹ lưỡng về hệ thống.
Cân bằng giữa công suất máy phát và tải cũng phải được duy trì liên tục trong suốt quá trình hoạt động của microgrid độc lập. Thay đổi tải, đặc biệt là tải khối lớn, có thể có tác động mạnh mẽ hơn đến sự ổn định chung trên hệ thống độc lập so với khi kết nối lưới. Điều này được gây ra bởi sự thay đổi tải thường là phần trăm lớn hơn nhiều so với cơng suất đầu ra. Sau đó, việc tạo ra phải được lựa chọn có chủ ý và hệ thống điều khiển microgrid phải có đủ khả năng giám sát sự ổn định của hệ thống và điều phối / sản xuất máy phát điện khi cần thiết để duy trì sự ổn định của hệ thống.
Một thách thức với sản xuất điện mặt trời phân tán là vấn đề lưu trữ. Thông thường, các chủ sở hữu pin mặt trời sử dụng lưới điện như một hệ thống lưu trữ, họ bán phần điện năng dư thừa lên lưới khi có thể và mua lại từ lưới để bù đắp cho phần thiếu hụt.
Đây thường là cách đơn giản và rẻ nhất. Tuy nhiên, việc thêm chi phí cho ắc quy vào chi phí ban đầu của hệ thống năng lượng mặt trời để dừng hoàn toàn việc sử dụng điện từ lưới khiến cho giá điện cao hơn đáng kể so với mua điện thông thường từ lưới điện.
[8] Những thay đổi khác trong ngành sẽ chỉ làm nghiêm trọng thêm các vấn đề tài chính. Chẳng hạn, trong q khứ, các cơng ty điện lực có thể trơng cậy vào các bộ