Tài liệu áp dụng thuật toán stochastic fractal search tính toán tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống microgrid vận hành độc lập

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- HỒ TRƯỜNG GIANG ÁP DỤNG THUẬT TOÁN STOCHASTIC FRACTAL SEARCH TÍNH TOÁN TỐI ƯU DUNG LƯỢNG CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG MICROGRID VẬN HÀNH ĐỘC LẬP. Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số: 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : ..................................................................... Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................... Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................... Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . . Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. ................................................................................................................ 2. ................................................................................................................ 3. ................................................................................................................ 4. ................................................................................................................ 5. ................................................................................................................ 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 Trang i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên:…HỒ TRƯỜNG GIANG.......... MSHV:…7140405 ........................ Ngày, tháng, năm sinh:…06/12/1984 .................. Nơi sinh:…Bà Rịa – Vũng Tàu ..... Chuyên ngành: …Kỹ Thuật Điện ........................ Mã số: …60520202 ....................... TÊN ĐỀ TÀI: Áp dụng thuật toán Stochastic Fractal Search tính toán tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống Microgrid vận hành độc lập. I. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu về hệ thống Microgrid vận hành độc lập. - Nghiên cứu thuật toán Stochastic Fractal Search. - Nghiên cứu bài toán tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống Microgrid. - Áp dụng thuật toán Stochastic Fractal Search tính toán tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống Microgrid vận hành độc lập với các kịch bản khác nhau. II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:…10/07/2017 .......................................................... III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: …17/06/2018 ........................................ IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: …TS Nguyễn Ngọc Phúc Diễm ................................ Tp. HCM, ngày…..tháng…..năm….. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô, TS Nguyễn Ngọc Phúc Diễm, người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Em cũng đặc biệt cảm ơn Thầy Võ Ngọc Điều và Thầy Trần Thế Tùng, hai thầy đã hỗ trợ nhiệt tình, cung cấp cho em những tài liệu, phương pháp nghiên cứu và những kinh nghiệm quý báu để em có thể hoàn thành tốt nhiệm vụ của mình. Đồng thời, em cũng xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử, Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP.HCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, em xin được gửi lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn bè, những người luôn quan tâm động viên, tạo mọi điều kiện tốt nhất để em có động lực học tập, phấn đấu trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn! CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Microgrid là một hệ thống tích hợp năng lượng bao gồm nhiều nguồn phát phân tán khác nhau (DER), các tải tiêu thụ và hệ thống đo đạc giám sát. Nó có thể được vận hành theo chế độ độc lập hoặc nối lưới. Với sự đa dạng của nguồn năng lượng đầu vào, hệ thống microgrid là nguồn cung cấp đa dạng các bài toán về tối ứu hóa và tối ưu dung lượng là một trong những vấn đề được nghiên cứu khá nhiều. Tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống microgrid vận hành độc lập là tính toán, phối hợp công suất giữa các nguồn phát phân tán sao cho hệ thống đảm bảo cung cấp đầy đủ nhu cầu phụ tải với chi phí nhiên liệu và vận hành các nguồn phát là thấp nhất. Bài toán tối ưu dung lượng được khảo sát trong luận văn bao gồm: - Tối ưu dung lượng cho hệ microgrid gồm 2 máy phát diesel, 1 bộ năng lượng mặt trời và 1 bộ năng lượng gió. - Tối ưu dung lượng cho hệ microgrid gồm 52 máy phát diesel và 1 bộ năng lượng gió. - Tối ưu dung lượng cho hệ microgrid gồm 10 máy phát diesel, 1 bộ năng lượng mặt trời và 1 bộ năng lượng gió. Kết quả bài toán được so sánh với các thuật toán Hybrid Differential Evolution and Harmony Search (DE-HS), Direct Search Method (DSM), thuật toán Fuzzy-Optimization (FO). Từ kết quả đó, so sánh mức độ hiệu quả của thuật toán SFS trong việc giải các bài toán tối ưu dung lượng. CBHD: TS.Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang iv ABSTRACT Microgrids is an integrated energy system consists of distributed energy resources (DER), loads and measurement system. It can be operated in standalone or grid mode. With the diversity of input power, the microgrid system is the source providing a variety of optimization and capacity optimization problems is one of the many researched issues.Optimizing the amount of components in a stand-alone microgrid system is the calculation and coordination of capacity between dispersed sources so as to adequately supply the load demand with fuel costs and operating costs is lowest. The optimization problem studied in the thesis includes: - Optimized for microgrid systems including 2 diesel generators, 1 set of solar power and 1 set of wind power. - Optimized for microgrid systems including 52 diesel generators and 1 set of wind power. - Optimized for microgrid systems including 10 diesel generators, 1 set of solar power and 1 set of wind power. The results were compared with the Hybrid Differential Evolution and Harmony Search (DE-HS) algorithms, the Direct Search Method (DSM), the FuzzyOptimization (FO) algorithm. From that result, compare the efficiency of the SFS algorithm in solving the optimization problems. CBHD: TS.Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang v LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và kết luận nêu trong luận văn là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu. TP.HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2018 Hồ Trường Giang CBHD: TS.Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang vi MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... II TÓM TẮT LUẬN VĂN ......................................................................................... III ABSTRACT ............................................................................................................ IV LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... V DANH MỤC CÁC HÌNH ...................................................................................... IX DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... X CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ......................................................................................1 1.1. LỜI MỞ ĐẦU .........................................................................................................1 1.2. MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN ...................................................................................2 1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ................................................................2 1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...............................................................................3 1.5. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN .......................................................................................3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN.....................................................................................4 2.1. KHÁI NIỆM MICRO GRID .....................................................................................4 2.2. CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG MICROGRID ...........................................4 2.2.1. Hệ thống máy phát phân tán (DG)............................................................4 2.2.1.1 Máy phát dùng động cơ đốt trong .......................................................5 2.2.1.2 Hệ thống điện mặt trời ........................................................................6 2.2.1.3 Hệ thống điện gió ..............................................................................17 2.2.1.4 Năng lượng sinh khối ........................................................................21 2.2.1.5 Turbine khí, Microturbine .................................................................21 2.2.1.6 Pin nhiên liệu – Fuel cell...................................................................22 2.2.2. Hệ thống lưu trữ năng lượng (DS): ........................................................24 2.2.2.1 Pin, ắc-quy : ......................................................................................24 2.2.2.2 Hệ thống điện phân và lưu trữ hydrogen : ........................................25 2.2.2.3 Hệ thống bánh đà (flywheel):............................................................26 2.2.2.4 Siêu tụ điện (super capacitor): ..........................................................26 2.2.3. Hệ thống giám sát, điều khiển (MCS):....................................................27 CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang vii 2.2.3.1 Cấp quản lí nối lưới:..........................................................................28 2.2.3.2 Cấp kiểm soát hệ thống : ...................................................................28 2.2.3.3 Cấp kiểm soát bộ phận : ....................................................................29 2.3. GIỚI THIỆU MỘT SỐ THUẬT TOÁN ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN TỐI ƯU TRONG HỆ THỐNG MICROGRID : ......................................................................................30 2.3.1. Thuật toán Particle Swarm Optimization (PSO) ....................................30 2.3.2. Thuật toán Artificial Bee Colony (ABC) .................................................31 2.3.3. Thuật toán Ant Lion Optimizer (ALO) ....................................................33 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH BÀI TOÁN TỐI ƯU DUNG LƯỢNG CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG MICRO GRID ......................................................34 3.1. MÔ HÌNH TỐI ƯU HÓA TRONG HỆ THỐNG MICROGRID ...................................34 3.1.1. Giới thiệu: ...............................................................................................34 3.1.2. Mô hình tối ưu hóa ..................................................................................34 3.2. CÁC THÀNH PHẦN TRONG MÔ HÌNH TỐI ƯU HÓA.............................................35 3.2.1. Turbine gió ..............................................................................................35 3.2.2. Năng lượng mặt trời : .............................................................................36 3.2.3. Mức tiêu hao nhiên liệu của máy phát Diesel .........................................36 3.3. HÀM MỤC TIÊU VÀ RÀNG BUỘC ........................................................................37 3.3.1. Hàm mục tiêu ..........................................................................................37 3.3.2. Hàm ràng buộc ........................................................................................37 CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN STOCHASTIC FRACTAL SEARCH VÀ ÁP DỤNG ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU DUNG LƯỢNG .....................................39 4.1. GIỚI THIỆU THUẬT TOÁN STOCHASTIC FRACTAL SEARCH (SFS)..................39 4.2. QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN (DIFFUSION PROCESS – DP) ...................................40 4.3. QUÁ TRÌNH CẬP NHẬT .......................................................................................41 4.3.1. Phương pháp thống kê đầu tiên ..............................................................41 4.3.2. Phương pháp thống kê thứ hai ................................................................42 4.4. THUẬT TOÁN TÌM KIẾM NGẪU NHIÊN FRACTAL ..............................................42 4.4.1. Thuật toán SFS cho bài toán tối ưu dung lượng .....................................42 4.4.2. Thuật toán cho hàm quá trình cập nhật ..................................................43 CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang viii 4.5. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ...................................................................................44 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN .................................................................45 5.1. BÀI TOÁN TỐI ƯU - HỆ THỐNG MICROGRID GỒM 2 MÁY PHÁT DIESEL, 1 BỘ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ 1 BỘ NĂNG LƯỢNG GIÓ ......................................45 5.1.1. Mô tả bài toán: ........................................................................................45 5.1.2. Thực hiện tính toán với SFS: ..................................................................46 5.2. BÀI TOÁN TỐI ƯU - HỆ THỐNG MICROGRID GỒM 52 MÁY PHÁT DIESEL, VÀ 1 BỘ NĂNG LƯỢNG GIÓ .......................................................................................49 5.2.1. Mô tả bài toán: ........................................................................................49 5.2.2. Thực hiện tính toán với SFS: ..................................................................50 5.3. BÀI TOÁN TỐI ƯU - HỆ THỐNG MICROGRID GỒM 10 MÁY PHÁT DIESEL, 1 BỘ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ 1 BỘ NĂNG LƯỢNG GIÓ ......................................51 5.3.1. Mô tả bài toán: ........................................................................................51 5.3.2. Thực hiện tính toán với SFS: ..................................................................52 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .....................................58 6.1. KẾT LUẬN...........................................................................................................58 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI ..........................................................58 6.3. LỜI KẾT ..............................................................................................................59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................60 PHỤ LỤC .................................................................................................................63 CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang ix DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1. Các thành phần trong hệ thống Micro grid ................................................. 4 Hình 2.2 Các thành phần chính của máy phát điện dùng động cơ diesel ................... 5 Hình 2.3 Cấu trúc 1 nhà máy điện mặt trời ................................................................. 7 Hình 2.4 Các loại tấm năng lượng mặt trời ................................................................. 8 Hình 2.5 Tấm PV ........................................................................................................ 9 Hình 2.6 Hiệu suất của một số loại tấm PV được cải thiện theo công nghệ chế tạo đến năm 2015 ........................................................................................... 10 Hình 2.7 Công nghệ lắp cố định các tấm PV ............................................................ 11 Hình 2.8 Công nghệ lắp đặt hệ thống các tấm PV xoay theo một trục ..................... 12 Hình 2.9 Công nghệ lắp đặt hệ thống PV định hướng theo 2 trục ............................ 12 Hình 2.10 Điện PV lắp trên trang trại ....................................................................... 13 Hình 2.11 Điện PV lắp trên bãi đỗ xe ....................................................................... 13 Hình 2.12 Điện mặt trời PV lắp trên kênh mương .................................................... 14 Hình 2.13 Điện mặt trời PV lắp ngoài biển ( nhà máy lấn biển ) ............................. 14 Hình 2.14 Điện mặt trời PV lắp ngoài biển ( nhà máy trên dàn nổi ) ....................... 14 Hình 2.15 Điện mặt trời PV nổi (floating) ................................................................ 15 Hình 2.16 Inverter trung tâm và inverter chuỗi ....................................................... 17 Hình 2.17 Turbine gió có hộp số (Gearbox) ............................................................. 18 Hình 2.18 Turbine gió không có hộp số.................................................................... 18 Hình 2.19 Bộ Pin/Ắc-quy trong Microgrid ............................................................... 25 Hình 2.20 Hệ thống điện phân và lưu trữ hydrogen ................................................. 25 Hình 2.21 Hệ thống bánh đà (flywheel) .................................................................... 26 Hình 3.1 Các yếu tố đầu vào của Microgrid ............................................................. 35 Hình 4.1 Quá trình khuếch tán .................................................................................. 39 Hình 5.1 Tốc độ hội tụ của hàm mục tiêu theo từng giờ .......................................... 46 Hình 5.2 Đồ thị nhu cầu phụ tải ................................................................................ 52 Hình 5.3 Tốc độ hội tụ của hàm mục tiêu theo từng giờ .......................................... 53 CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang x DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 5.1 Nhu cầu công suất trong theo giờ trong 1 ngày ......................................... 45 Bảng 5.2 Bảng phân bố công suất theo từng giờ ...................................................... 47 Bảng 5.3 Bảng chi phí nhiên liệu theo từng giờ........................................................ 48 Bảng 5.4 Bảng tổng hợp chi phí nhiên liệu trong 1 ngày ......................................... 49 Bảng 5.5 So sánh kết quả giữa các thuật toán ........................................................... 49 Bảng 5.6 Bảng phân bố công suất theo từng giờ ...................................................... 50 Bảng 5.7 Bảng tổng hợp chi phí ................................................................................ 51 Bảng 5.8 So sánh kết quả giữa các thuật toán ........................................................... 51 Bảng 5.9 Bảng số liệu bức xạ mặt trời và tốc độ gió ................................................ 52 Bảng 5.10 Bảng phân bố công suất theo từng giờ .................................................... 53 Bảng 5.11 Bảng phân bố công suất theo từng giờ (tiếp theo) ................................... 54 Bảng 5.12 Bảng chi phí nhiên liệu cho máy phát diesel theo từng giờ..................... 55 Bảng 5.13 Bảng chi phí nhiên liệu cho máy phát diesel theo từng giờ (tiếp theo) ... 56 Bảng 5.14 So sánh kết quả giữa các thuật toán ......................................................... 57 CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1. Lời mở đầu Ngày nay để đáp ứng nhu cầu gần như không giới hạn của các nền kinh tế, các nhà máy điện – chủ yếu là thủy điện và nhiệt điện ngày càng được mở rộng về quy mô và công suất. Tuy nhiên, các nguồn nhiên liệu chính - năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, khí thải từ hệ thống nhiệt điện là nguyên nhân góp phần tạo nên hiệu ứng nhà kính gây hiện tượng nóng lên toàn cầu. Bên cạnh đó, khi có bất kì sự cố nào từ nhà máy điện đều gây ảnh hưởng nặng nề trên phạm vi rộng. Do đó, để khắc phục những nhược điểm trên của hệ thống điện truyền thống, khái niệm Micro grid - lưới điện siêu nhỏ đã ra đời. Microgrid là một hình thức thu nhỏ của hệ thống điện. Nó có thể sản xuất, dự trữ, và phân phối điện năng cho tải tiêu thụ. Micro grid có thể kết nối với lưới điện phân phối chính và cũng có thể vận hành độc lập. Có thể nói, Micro grid đã đánh dấu bước phát triển chuyển lưới điện phân phối từ trạng thái từ bị động (chỉ nhận nguồn từ lưới chính) sang trạng thái chủ động (có thể tự cung tự cấp). Đặc biệt, các khu vực nông thôn, miền núi, hải đảo,.. việc cấp điện từ lưới điện quốc gia gặp nhiều khó khăn, phải truyền tải điện năng đi xa dẫn đến chi phí đầu tư cao, tổn hao công suất lớn gây lãng phí. Trong trường hợp này, hệ thống Micro grid vận hành độc lập với các nguồn năng lượng phân tán là giải pháp hữu hiệu nhất. Trong hệ thống Microgrid vận hành độc lập, vấn đề tính toán, phối hợp công suất giữa các nguồn phát phân tán sao cho đảm bảo cung cấp đầy đủ nhu cầu phụ tải với chi phí nhiên liệu, chi phí vận hành các nguồn phát thấp nhất là nhiệm vụ đầy quan trọng và thử thách. Và đó cũng chính là lý do lựa chọn đề tài: Áp dụng thuật toán Stochastic Fractal Search tính toán tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống Micro grid vận hành độc lập. CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang 2 1.2. Mục tiêu của luận văn Đề tài tập trung vào mục tiêu chính là xây dựng thuật toán để thực hiện mục tiêu đề ra. Theo đó để đạt được mục tiêu này đề tài cần tập trung nghiên cứu bốn mục tiêu cơ bản. - Nghiên cứu và nắm vững cơ sở lý thuyết của phương pháp Stochastic Fractal Search (SFS) trong việc giải các bài toán tối ưu hóa. - Nghiên cứu các mô hình, hệ thống microgrid trên thực tế, cấu tạo, chức năng, những yêu cầu về cấu hình, hệ thống kết nối và phân phối điện năng của từng mô hình. - Dựa trên các phân tích, tìm hiểu về thuật toán SFS và hệ thống microgird, đề tài áp dụng thuật toán SFS tính toán tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống microgrid vận hành độc lập cho các trường hợp: hệ microgrid gồm 2 máy phát diesel, 1 bộ năng lượng mặt trời và 1 bộ năng lượng gió [1-3]; hệ microgrid gồm 52 máy phát diesel và 1 bộ năng lượng gió [4]; hệ microgrid gồm 10 máy phát diesel, 1 bộ năng lượng mặt trời và 1 bộ năng lượng gió [5]. - So sánh, đánh giá kết quả với các phương pháp khác để cải tiến thuật toán hiệu quả hơn. 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đề tài Áp dụng thuật toán Stochastic Fractal Search tính toán tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống Micro grid vận hành độc lập nên đối tượng nghiên cứu là thuật toán SFS và bài toán tối ưu dung lượng. Thông qua việc phân tích tìm hiểu thuật toán SFS và bài toán tính toán tối ưu dung lượng các thành phần trong Microgrid, đề tài sẽ áp dụng thuật toán này để giải các bài toán tối ưu cụ thể. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện dựa trên mô hình toán học và dùng phần mềm Matlab để giải các thuật toán tối ưu. Hàm mục tiêu được đặt ra là cực tiểu chi phí đầu vào thông qua các hàm chi phí nhiên liệu của máy phát diesel, hàm chi phí của turbine bin gió, tấm pin năng lượng mặt trời. Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu với các mô hình cụ thể: hệ microgrid gồm 2 máy phát diesel, 1 bộ năng lượng mặt trời CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang 3 và 1 bộ năng lượng gió; hệ microgrid gồm 52 máy phát diesel và 1 bộ năng lượng gió; hệ microgrid gồm 10 máy phát diesel, 1 bộ năng lượng mặt trời và 1 bộ năng lượng gió. 1.4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết và code của thuật toán SFS. - Sử dụng phần mềm Matlab phân tích và tính toán tối ưu cho hệ thống Microgrid. 1.5. Bố cục của luận văn Nội dung chính của luận văn được thể hiện qua 06 chương: - Chương 1: Giới thiệu - Chương 2: Tổng quan - Chương 3: Mô hình bài toán tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống Microgird vận hành độc lập - Chương 4: Thuật toán Stochastic Fractal Search và áp dụng để giải bài toán tối ưu dung lượng - Chương 5: Kết quả tính toán - Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1. Khái niệm Micro grid Microgrid là một hệ thống năng lượng tích hợp bao gồm các nguồn năng lượng phân tán (DER - Distributed Energy Resources), hệ thống quản lý điều khiển và các phụ tải. Trong đó các nguồn năng lượng phân tán DER bao gồm hệ thống máy phát phân tán (DG – Distributed Generators) và hệ thống lưu trữ năng lượng (DES – Distributed Energy Storage). 2.2. Các thành phần trong hệ thống Microgrid Hình 2.1. Các thành phần trong hệ thống Micro grid 2.2.1. Hệ thống máy phát phân tán (DG) Các máy phát phân tán (DG) là nguồn phát điện năng chính của hệ thống Microgrid. Với trình độ khoa học công nghệ ngày càng phát triển, DG ngày càng có kích thước nhỏ gọn hơn nhưng vẫn có thể đáp ứng nhu cầu điện năng của tải tiêu thụ, thậm chí có thể phát ngược điện năng trở về lưới phân phối chính. DG thường có các dạng sau: CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang 5 - Máy phát dùng động cơ đốt trong (như máy phát diesel) - Hệ thống pin mặt trời, turbine gió, sinh khối. - Turbine khí, microturbine. - Pin nhiên liệu 2.2.1.1 Máy phát dùng động cơ đốt trong Đây là loại máy phát sử dụng động cơ đốt trong để quay máy phát tạo ra điện năng. Có hai loại động cơ: động cơ đánh lửa cưỡng bức và động cơ đánh lửa nén. Điểm khác biệt giữa hai loại động cơ này là loại nhiên liệu sử dụng, hệ thống cung cấp và kiểu đốt cháy nhiên liệu. Động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể dùng xăng, khí thiên nhiên, biogas, khí đốt hóa lỏng làm nhiên liệu. Hỗn hợp cháy (gồm nhiên liệu và không khí) được đưa vào động cơ để thực hiện hành trình nén và được kích nổ nhờ bu-gi đánh lửa tạo quá trình cháy, dãn nở và tạo momen xoắn quay máy phát tạo ra điện năng. Động cơ đánh lửa nén sử dụng nhiêu liệu là dầu diesel. Đối với động cơ diesel, sau khi kim phun nhiên liệu thực hiện phun với tốc độ và áp suất cao kết hợp với buồng xoáy lốc trên đỉnh piston tạo ra hỗn hợp cháy. Hỗn hợp này được nén với tỷ số nén cao và tự bốc cháy, dãn nở và tạo momen xoắn quay máy phát tạo ra điện năng. Hiệu suất của động cơ diesel lớn hơn khoảng 1,5 lần so với động cơ đánh lửa cưỡng bức. Nhiên liệu diesel thường rẻ hơn nhiêu liệu khác. Hình 2.2 Các thành phần chính của máy phát điện dùng động cơ diesel CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang 6 (1) Động cơ (2) Đầu phát (3) Hệ thống nhiên liệu (4) Ổn áp (5) Hệ thống làm mát và hệ thống xả (6) (7) Bộ nạp ac-quy (8) Control Panel hay thiết bị điều khiển (9) Kết cấu khung chính Máy phát điện dùng động cơ đốt trong có khả năng tận dụng nguồn nhiệt thải để tạo ra nhiệt năng, nước nóng cung cấp cho các hộ tiệu thụ. Tính năng này giúp tăng hiệu năng sử dụng nhiên liệu từ 35-48% lên đến 70%. Máy phát điện dùng động cơ đốt trong thường được sử dụng phổ biến hơn cả, bởi giá thành rẻ, bền, tính ổn định cao và thời gian khởi động ngắn. Khuyết điểm của máy phát này là khả năng xả khí thải gây hiệu ứng nhà kính ra môi trường. 2.2.1.2 Hệ thống điện mặt trời Sơ đồ cấu trúc điển hình của 1 nhà máy điện mặt trời gồm có: - Dàn pin năng lượng mặt trời - Bộ chuyển đổi điện - Hệ thống giám sát và điều khiển - Trạm nâng và hệ thống truyền tải. CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang 7 Hình 2.3 Cấu trúc 1 nhà máy điện mặt trời  Tấm pin năng lượng mặt trời Cách phổ biến để thu năng lượng mặt trời là sử dụng các tấm pin quang điện (PV) để thu nhận năng lượng từ ánh sáng mặt trời. Các tấm PV sẽ chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng 1 chiều DC nhờ vào hiệu ứng quang điện. Năng lượng điện một chiều này sẽ được biến đổi thành dòng điện xoay chiều có cùng tần số với tần số lưới điện nhờ vào các bộ biến tần. Lượng điện năng trên sẽ được hòa với điện lưới nhờ các máy biến áp nâng áp và hệ thống truyền tải điện Các vật liệu có thể chế tạo được các module PV thường bị hạn chế bởi các đặc tính bán dẫn bất thường cần thiết cho các tế bào PV. Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho tấm PV là các silic tinh thể, hệ vật liệu CIS (Đồng – Indi – diselenide), CdTe (Cadimi Telua). Các công nghệ PV mới xuất hiện như các tế bào hữu cơ được làm từ polyme vẫn chưa được thương mại hoá. Mỗi vật liệu có những đặc điểm riêng ảnh hưởng đến hiệu suất của tế bào, phương pháp sản xuất và chi phí. Các tế bào PV có thể được sản xuất dựa trên các tấm silic (được sản xuất bằng cách cắt các tấm mỏng từ một khối silic) hoặc các công nghệ "màng mỏng" (trong đó một lớp mỏng vật liệu bán dẫn được lắng đọng trên nền vật liệu có chi phí thấp). CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang Trang 8 Các tế bào PV có thể được mô tả theo cấu trúc dải dài của vật liệu bán dẫn như “đơn tinh thể” (hay còn gọi là "monocrystalline"), "đa tinh thể" (hay còn gọi là "polycrystalline") hoặc vật liệu vô định hình Silicon tinh thể (c-Si): Các mô-đun được làm từ các tế bào (cell) của silic đơn tinh thể hoặc đa tinh thể. Các cell đơn tinh thể nói chung là hiệu quả nhất nhưng cũng tốn kém hơn nhiều so với đa tinh thể. Thin-fim: Các mô-đun PV được tạo ra dưới sự lắng đọng một lớp mỏng chất bán dẫn lên bề mặt của vật liệu có chi phí thấp. Các chất bán dẫn được làm từ: - Silicon vô định hình (a-Si). - Cadmium Telluride (CdTe). - Đồng - Inden - Selenide (CIS). - Đồng Indium (Gallium) Di-Selenide (CIGS / CIS). Tấm PV dị thể có lớp bán dẫn thuần (Heterojunction with Intrinsic Thinlayer -HIT): là sự kết hợp của nhóm tinh thể silic (c-Si) và nhóm Thin film. Do chi phí sản xuất giảm và sự phát triển của công nghệ, các mô-đun tinh thể dự kiến sẽ duy trì thị phần lên đến 80% cho đến ít nhất năm 2017. Các mô-đun màng mỏng chiếm khoảng 17% và hiệu quả cao chiếm khoảng 3%. Hình 2.4 Các loại tấm năng lượng mặt trời CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm HVTH: Hồ Trường Giang