Luận án nâng cao hiệu quả quản lý nhu cầu năng lượng bằng biện pháp điều khiển các nguồn phân tán - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tính cấp thiết của đề tài Các nguồn điện truyền thống sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch, thủy năng của các dòng sông đang hủy hoại môi trường ngày càng nghiêm trọng. Đồng thời, đường truyền công suất trong hệ thống điện (EPS - Electric Power System) truyền thống đã bộc lộ những nhược điểm như chỉ truyền công suất theo một hướng duy nhất từ nguồn đến tải, gây tổn thất công suất lớn. Các quốc gia trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đều đang đề ra các chương trình kích thích nhằm phát triển các nguồn năng lượng tái tạo. Điều này đã tạo động lực cho các nhà đầu tư và các nhà khoa học nghiên cứu vào lĩnh vực ứng dụng các nguồn năng lượng tái tạo mà chủ yếu là nguồn pin mặt trời (PVG - Photovoltaic Power Generation) và nguồn điện gió (WG - Wind Power Generation).

Với lợi thế có thể lắp đặt ở các mái nhà, PVG và các loại WG ít tạo tiếng ồn đã và đang xu hướng được lắp đặt tại các hộ phụ tải để đáp ứng trực tiếp cho các phụ tải trước khi bán điện về EPS. Trong các hệ thống này, chương trình quản lý nhu cầu năng lượng theo yêu cầu (DSM - Demand-Side Management) cũng là một trong những trọng tâm nghiên cứu của các nhà khoa học nhằm đề ra các chiến lược vận hành khác nhau theo yêu cầu của EPS ở mỗi quốc gia. Cho đến nay, DSM đã được thực hiện bởi nhiều nhà nghiên cứu trong nước và trên thế giới nhưng vẫn chưa có nghiên cứu nào giải quyết trọn về hệ thống khai thác PVG và WG trong điều kiện thực tế tại Việt Nam. Đồng thời, chưa kết hợp giải quyết các bài toán khai thác tối đa năng lượng từ hai loại nguồn này trong cùng một hệ thống.

Bởi vậy tác giả chọn đề tài nghiên cứu "Nâng cao hiệu quả chương trình quản lý nhu cầu năng lượng bằng biện pháp điều khiển các nguồn phân tán" nhằm hoàn thiện các vấn đề còn đang bỏ ngỏ hoặc chưa quan tâm đầy đủ như đã kể trên. Mục đích nghiên cứu Đề tài xây dựng chiến lược cho chương trình DSM nhằm vận hành hệ thống khai thác PVG và WG trong EPS Việt Nam. Chiến lược này sẽ phân tích biểu đồ giá bán và giá mua điện tại Việt Nam. Đồng thời, đề tài sẽ xây dựng các bộ điều khiển để có thể đáp ứng được các yêu cầu của chương trình DSM.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc hệ thống khai thác PVG và WG trong mạng điện phân tán 1 pha có đủ cơ sở dữ liệu về công tác dự báo đồ thị phụ tải và các thông số đầu vào trong một giai đoạn tương lai nhất định. Mạng điện này có sự tham gia của kho điện ES (Energy Storage) với vai trò cân bằng công suất giữa các nguồn và phụ tải. - Phạm vi nghiên cứu: các panel của PVG là đồng đều nhau và tốc độ gió là đồng đều nhau tại mọi vị trí trên cánh quạt của turbine. Luận án không xét đến chủng loại và khả năng phóng nạp của kho điện (ES - Energy Storage) cũng như điều khiển ES.

Trọng tâm nghiên cứu của luận án - Xây dựng các chiến lược vận hành cho chương trình DSM trong hệ thống khai thác PVG, WG, ES và lưới điện để đáp ứng cho yêu cầu của phụ tải. Các chiến lược này đáp ứng riêng cho EPS Việt Nam, qua đó đáp ứng yêu cầu chỉ mua điện từ EPS vào giờ thấp điểm. - Xây dựng các bộ điều khiển có thể đáp ứng các yêu cầu của chương trình DSM. Đó là bộ điều khiển giúp khai thác tối đa công suất từ PVG và WG ở mọi điều kiện vận hành, bộ điều khiển ghép nối lưới để đáp ứng yêu cầu về công suất đặt.

Phương pháp nghiên cứu - Phân tích lý thuyết về các yêu cầu của chương trình DSM nói chung, yêu cầu của EPS Việt Nam và đặc điểm của mỗi loại nguồn. - Xây dựng chiến lược đề ra cho toàn hệ thống và mô phỏng kiểm chứng. 3 - Xây dựng các bộ điều khiển cho các BBĐ để thực hiện các yêu cầu của chương trình DSM và mô phỏng kiểm chứng. - Xây dựng mô hình thực nghiệm kiểm chứng khả năng khai thác tối đa công suất tại MPP cho PVG và bài toán phân bổ công suất tự nhiên hoặc theo yêu cầu.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học của đề tài là xây dựng mô hình hệ thống khai thác PVG và WG vận hành theo các yêu cầu của chương trình DSM trong điều kiện thực tế EPS Việt Nam. Đồng thời xây dựng các bộ điều khiển có thể đáp ứng được các yêu cầu của chương trình DSM đã đề ra. -Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là đề xuất một phương pháp vận hành có khả năng đem lại hiệu quả năng lượng, giúp thay đổi luồng công suất trong toàn hệ thống, hạn chế lượng điện năng cần mua từ EPS cho hệ thống khai thác hệ nguồn có sự tham gia của ES dung lượng lớn và đem lại những kinh nghiệm về lắp đặt thực nghiệm. Cấu trúc luận án Luận án được bố cục thành 4 chương.

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về các đặc điểm của PVG và WG, qua đó chỉ ra đặc điểm của các đối tượng nghiên cứu. Đồng thời, chương này cũng tìm hiểu xu hướng nghiên cứu trong nước và trên thế giới về DSM, trong đó đưa ra được cấu trúc chung của hệ thống khai thác PVG và WG có thể vận hành theo chương trình DSM. Từ đó, đưa ra những điểm hạn chế và đề xuất hướng nghiên cứu cho luận án. Chương 2: Giới thiệu mô tả toán học của PVG và WG dựa trên việc tổng hợp từ các tài liệu tham khảo.

Chương này cũng đề xuất mới các chiến lược DSM và thuật toán xác định dung lượng tối ưu cho ES áp dụng vào các điều kiện thực tế về EPS Việt Nam. 4 Chương 3: Xây dựng cấu trúc điều khiển cho toàn hệ thống và các bộ điều khiển cho cấu trúc này. Bộ điều khiển IB-AVC sử dụng kết quả của thuật toán IB và bộ điều khiển PID được áp dụng để điều khiển PVG. Bộ điều khiển H-CS được áp dụng để điều khiển WG.

Bộ điều khiển ghép nối lưới 1 pha sử dụng bộ điều khiển cộng hưởng được áp dụng để điều khiển BBĐ DC/AC. Chương 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm kiểm chứng khả năng khai thác tối đa công suất từ PVG trong mọi điều kiện vận hành và khả năng điều tiết luồng công suất tự nhiên hay theo yêu cầu theo mô hình của chương trình DSM. Kết luận chung của luận án và kiến nghị. 5 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN PHÂN TÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ NHU CẦU NĂNG LƯỢNG 1.

Khái quát về nguồn pin mặt trời và điện gió 1. Khái quát về nguồn pin mặt trời PVG hiện nay là một loại nguồn khai thác nguồn năng lượng tái tạo với tiềm năng lớn. Mặc dù PVG hiện nay có nhiều chủng loại khác nhau nhưng phổ biến nhất là loại được cấu tạo từ chất bán dẫn Si. Phần tử nhỏ nhất đã và được thương mại hóa nhiều nhất của loại này là các tế bào quang điện (cell).

Từ đây, các cell được tổ hợp thành các panel bán sẵn trên thị trường với các công suất, điện áp, dòng điện khác nhau [9]. Chế độ làm việc của PVG phụ thuộc vào công suất của bức xạ mặt trời (G), nhiệt độ (T) của lớp tiếp giáp p-n và công suất tiêu thụ của phụ tải. Các panel chỉ phát ra điện năng khi có bức xạ ánh sáng, trong đó bức xạ mặt trời được xem là tốt nhất vì PVG được thiết kế với dải bước sóng hấp thụ phù hợp nhất với loại bức xạ này. Mỗi panel được các nhà sản xuất bán ra thị trường với các thông số đặc trưng kiểm nghiệm ở điều kiện vận hành tiêu chuẩn (STC - Standard Test Condition).

Trong điều kiện vận hành thực tế, các thông số này có thể thay đổi tùy thuộc vào cặp giá trị (G, T), trong đó G có sự biến thiên liên tục với biên độ lớn trong khi T biến thiên rất chậm [9]. Một đặc điểm cần lưu ý đối với PVG đó là lượng công suất phát ra có thể thay đổi theo công suất yêu cầu của phụ tải tuy nhiên chỉ có một giá trị công suất là lớn nhất tương ứng với điểm công suất cực đại (MPP - Maximum Power Point) [9]. Điểm vận hành này cũng chính là mục tiêu của hầu hết các nghiên cứu về PVG. Khái quát về nguồn điện gió Một WG cơ bản bao gồm một turbine, bộ truyền động, máy phát điện.

Các cánh của turbine nhận năng lượng từ gió để tạo thành chuyển động quay 6 trên trục turbine và làm quay máy phát. Khả năng phát điện của máy phát phụ thuộc vào bộ loại máy phát được sử dụng (đồng bộ, không đồng bộ). Do nghiên cứu này tập trung vào đối tượng WG công suất vừa và nhỏ sử dụng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSG (Pernament Magnetment Synchronous Generator) nên khả năng làm việc của WG có thể được phân chia thành 4 vùng theo tốc độ gió như mô tả trên Hình 1.1 [6], [32]: P (W) PWGr vùng I vùng II vùng III vùng IV Tốc độ gió vw (m/s) vcut-in vr vcut-out Hình 1. Khả năng làm việc của WG trong đó: vcut-in là vận tốc gió bắt đầu phát công suất, vcut-out là vận tốc gió cho turbine dừng hoạt động, vr là vận tốc gió định mức, vw là vận tốc gió tức thời, PWGr là công suất gió định mức của WG.

Chế độ làm việc của WG được phân chia theo vùng như trên Hình 1.1 như sau [6]: Vùng I (vw < vcut-in) hoặc vùng IV (vw > vcut-out): WG không phát ra được điện năng. Ở vùng I, turbine quay nhưng không đủ từ trường. Ở vùng IV, không cho turbine quay để bảo vệ cho turbine không bị hỏng. Vùng II (vcut-in  vw < vr): WG có thể phát ra được điện năng nhưng luôn dưới giá trị định mức.

Vùng III (vr  vw < vcut-out): WG có thể phát ra lượng điện năng định mức. Vấn đề DSM trên thế giới và tại Việt Nam 1. Vấn đề DSM trên thế giới EPS hiện nay đang chuyển sang cấu trúc phân tán và được vận hành theo hướng thông minh hóa trên cơ sở sử dụng công nghệ thông tin và truyền thông để tối ưu việc truyền dẫn, phân phối điện năng giữa nhà sản xuất và hộ tiêu thụ, hợp nhất cơ sở hạ tầng điện với cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc.