Tài liệu Luận văn sử dụng tối ưu nguồn năng lượng gió và năng lượng mặt trời trong lưới điện microgrid​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- NGUYỄN ANH TUÂN SỬ DỤNG TỐI ƯU NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG LƯỚI ĐIỆN MICROGRID LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM --------------------------- NGUYỄN ANH TUÂN SỬ DỤNG TỐI ƯU NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG LƯỚI ĐIỆN MICROGRID LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS.NGUYỄN THANH PHƯƠNG TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày 28 tháng 07 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT 1 2 3 4 5 Họ và tên PGS. TS. Ngô Cao Cường PGS. TS. Huỳnh Châu Duy TS. Võ Hoàng Duy PGS. TS. Nguyễn Hùng TS. Đoàn Thị Bằng Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện 1 Phản biện 2 Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. HCM, ngày 16 tháng 07 năm 2018 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN ANH TUÂN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 28/11/1991 Nơi sinh: Phan Thiết – Bình Thuận Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1641830022 I- Tên đề tài: SỬ DỤNG TỐI ƯU NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG LƯỚI ĐIỆN MICROGRID. II- Nhiệm vụ và nội dung: - Tìm hiểu hệ thống microgrid ở các nước phát triển. - Tìm hiểu các nguồn phát năng lượng sạch: năng lượng mặt trời và năng lượng gió. - Xây dựng chương trình điều khiển sử dụng ưu tiên từ nguồn năng lượng tái tạo trong hệ thống lưới điện microgrid. - Dùng phần mềm Matlad để mô phỏng hệ thống điều khiển của microgrid. III- Ngày giao nhiệm vụ: 09/01/2018 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 16/07/2018 V- Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Thanh Phương CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn (Ký và ghi rõ họ tên) Nguyễn Anh Tuân ii LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Thanh Phương, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em thực hiện và hoàn thành luận văn này. Em xin cảm ơn đến quý thầy cô đã giảng dạy em trong thời gian học chương trình cao học tại lớp cao học 16SMĐ11 tại trường đại học Công nghệ TP.HCM. Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đã luôn động viên tôi trong suất quá trình học tập và thực hiện luận văn. Nguyễn Anh Tuân iii TÓM TẮT Trong bối cảnh thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa, khi mà nhu cầu điện tăng cao để cung cấp cho các hoạt động sản xuất và sinh hoạt. Bên cạnh đó thì nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt đã và đang đáp ứng phần lớn nhu cầu năng lượng của con người thì không bền vững. Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch là một trong những nguyên nhân chính gây ra biến đổi khí hậu và thậm chí làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Hơn nữa, các nguồn nhiên liệu nói trên đang dần cạn kiệt, vì vậy việc nghiên cứu và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời hay năng lượng sinh khối là một nhu cầu tất yếu. Việc sử dụng năng lượng hiệu quả, đặc biệt là sử dụng năng lượng tái tạo sẽ nâng cao chất lượng không khí cho người dân, giảm áp lực nhập khẩu nguồn nguyên liệu hóa thạch trong sản xuất điện. Theo các nghiên cứu mới nhất cho rằng nước ta là quốc gia có nguồn năng lượng tái tạo phong phú, đa dạng như năng lượng gió, mặt trời, năng lượng sinh khối,... Nhưng để sử dụng một cách hiệu quả, tin cậy từ các nguồn năng lượng trên để sản xuất điện đáp ứng cho các hoạt động sản xuất đời sống hàng ngày, nội dung nghiên cứu trong luận văn này tập trung vào nghiên cứu hệ thống điều khiển trong lưới điện Microgrid, sử dụng tối ưu nguồn năng lượng tái tạo (từ năng lượng mặt trời, năng lượng gió) cung cấp cho tải. iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii TÓM TẮT ................................................................................................................. iii MỤC LỤC ................................................................................................................. iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT................................................................................. vi DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................ vii CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ........................................................................................1 1.1Đặt vấn đề ........................................................................................................... 1 1.2Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................................... 2 1.3Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 2 1.4Phương pháp nghiên cứu: ................................................................................... 3 1.5 Nội dung luận văn: ............................................................................................ 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU .................................4 2.1 Hệ thống Microgrid là gì? ................................................................................. 4 2.2 Khái niệm hệ thống microgrid: ......................................................................... 5 2.3 Cấu trúc và hoạt động của hệ thống Microgrid ................................................. 7 2.3.1 Chế độ kết nối lưới: ....................................................................................8 2.3.2 Chế độ cô lập với lưới: ...............................................................................8 2.3.3 Chế độ sử dụng nguồn năng lượng tích trữ: ...............................................8 2.4 Tổng quan về năng lượng gió Việt Nam và tiềm năng phát triển ..................... 9 2.4.1 Thực trạng sử dụng năng lượng gió ở Việt Nam ......................................10 2.4.2 Ảnh hưởng môi trường xung quanh sử dụng năng lượng gió ..................12 2.5 Tổng quan về năng lượng mặt trời tại Việt Nam và tiềm năng phát triển ...... 14 2.5.1 Thực trạng sử dụng năng mặt trời ở Việt Nam .........................................16 2.5.2 Ảnh hưởng môi trường xung quanh sử dụng năng lượng mặt trời ...........17 2.6 Tổng quan điện lưới Việt Nam ........................................................................ 17 CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT VÀ TÍNH TOÁN ...........................................................19 3.1 Pin năng lượng mặt trời và phương trình toán của pin năng lượng mặt trời... 19 3.1.1 Pin năng lượng mặt trời ............................................................................19 3.1.2 Phân loại pin mặt trời................................................................................19 3.1.3 Phương trình toán pin năng lượng mặt trời ..............................................20 3.1.4 Các bước thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời ................................22 v 3.2 Năng lượng điện gió và phương trình toán của turbine điện gió .................... 24 3.2.1 Năng lượng gió .........................................................................................24 3.2.2 Phân loại turbine gió .................................................................................25 3.2.3 Cấu tạo turbine gió: ..................................................................................28 3.2.4 Nguyên lý hoạt động turbine gió ..............................................................29 3.2.5 Phương trình toán turbine gió ...................................................................30 3.2.6 Máy phát điện ...........................................................................................32 3.3 Pin lưu trữ năng lượng (Battery) ..................................................................... 33 3.3.1 Nguyên lý hoạt động của pin axít chì .......................................................34 CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ....................................................36 4.1 Sơ đồ kết nối máy phát điện gió và bộ pin năng lượng mặt trời cung cấp cho tải qua bộ điều khiển microgrid ............................................................................. 36 4.2 Khối pin năng lượng mặt trời mô phỏng Simulink/Matlab ............................. 37 4.3 Khối turbine gió ............................................................................................... 38 4.4 Khối điều khiển pin lưu trữ năng lượng (battery) ........................................... 39 4.5 Khối microgrid control .................................................................................... 40 4.5.1 Thuật toán điều khiển ...............................................................................42 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.....................................................................43 5.1 Trường hợp khi thay đổi công suất của turbine gió và pin mặt trời ................ 43 5.1.1 Trường hợp nghiên cứu ............................................................................43 5.1.2 Kết quả mô phỏng khối pin năng lượng mặt trời .....................................43 5.1.3 Kết quả mô phỏng turbine gió ..................................................................44 5.1.4. Kết quả mô phỏng của Battery ................................................................44 5.2 Trường hợp khi thay đổi công suất turbine gió ............................................... 45 5.2.1 Trường hợp nghiên cứu ............................................................................45 5.2.2 Kết quả mô phỏng khối pin năng lượng mặt trời .....................................45 5.2.3 Kết quả mô phỏng turbine gió ..................................................................46 5.2.4. Kết quả mô phỏng của Battery ................................................................47 5.3 Điện áp ngõ ra ................................................................................................. 48 6.1 Kết luận và đánh giá ........................................................................................ 50 6.2 Các vấn đề được thực hiện trong luận văn ...................................................... 50 6.3 Đề nghị và các hướng phát triển của luận văn. ............................................... 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................51 vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Diễn giải tiếng Anh Diễn giải Tiếng Việt Nguồn năng lượng phân bố Bộ điều khiển trung tâm Microgrid Bộ điều khiển nguồn 1 DER Distributed Energy resource 2 MGCC Microgrid central controller 3 MC 4 DMS Hệ thống quản lý phân phối 5 DS Microsource controller Distribution Management System Distributed Storage 6 PCC Point of Vommon Couling Thanh cái 7 THD Total Harmonic Distortion Độ méo dạng sóng hài 8 WB 9 GIZ 10 11 12 13 HAWT VAWT SOC NLTT World Bank Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit Horizontal Axis Wind Turbine Vertical Axis Wind Turbines State of charge Ngân hàng thế giới Tổ chức hợp tác quốc tế Đức Turbin gió trục ngang Turbin gió trục đứng Trạng thái pin Battery Năng lượng tái tạo Bộ nhớ phân phối vii DANH MỤC CÁC HÌNH HÌNH 2.1: MÔ HÌNH HỆ THỐNG MICROGRID ........................................................ 4 HÌNH 2.2 : MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MICROGRID CÔNG SUẤT 500 KW............. 6 HÌNH 2.3: SƠ ĐỒ KẾT NỐI HỆ THỐNG MICROGRID VỚI LƯỚI.......................... 7 HÌNH 2.4: BẢN ĐỒ PHÂN BỐ TỐC ĐỘ GIÓ VIỆT NAM Ở ĐỘ CAO 80 M ........... 9 HÌNH 2.5: BẢN ĐỒ TIỀM NĂNG ĐIỆN MẶT TRỜI Ở VIỆT NAM ....................... 15 HÌNH 2.6: BẢN ĐỒ HỆ THỐNG ĐIỆN 500KV VIỆT NAM ĐẾN NĂM 2030 ....... 18 HÌNH 3.1: PHÂN LOẠI PIN MẶT TRỜI ................................................................... 19 HÌNH 3.2: QUY TRÌNH TẠO MODULE ................................................................... 20 HÌNH 3.3: CẤU TẠO MODULE ................................................................................. 20 HÌNH 3.4: MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG PIN MẶT TRỜI ................................... 21 HÌNH 3.5: MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA TẾ BÀO QUANG ĐIỆN ....................... 21 HÌNH 3.6: CƯỜNG ĐỘ BỨC XẠ TỚI TẤM PIN ...................................................... 23 HÌNH 3.7: GÓC TIA BỨC XẠ MẶT TRỜI ĐẾN TẤM PIN ..................................... 23 HÌNH 3.8: HÌNH THÀNH GIÓ TRÊN TRÁI ĐẤT .................................................... 24 HÌNH 3.9: NĂNG LƯỢNG GIÓ QUA MẶT PHẲNG HÌNH TRÒN ........................ 25 HÌNH 3.10: TURBINE GIÓ TRỤC ĐỨNG Ở CÁC NƯỚC CHÂU ÂU .................... 26 HÌNH 3.11: TURBINE GIÓ TRỤC NGANG Ở TUY PHONG - BÌNH THUẬN ...... 26 HÌNH 3.12: CẤU TẠO TURBINE GIÓ TRỤC NGANG ........................................... 28 HÌNH 3.13: GÓC PITCH CÁNH QUẠT GIÓ ............................................................. 30 HÌNH 3.14: GIỚI HẠN VÀ HIỆU SUẤT ROTOR ..................................................... 32 HÌNH 3.15: CẤU HÌNH PIN BATTERY .................................................................... 35 HÌNH 3.16: MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG PIN BATTERY ............................................. 35 HÌNH 4.1: SƠ ĐỒ KẾT NỐI HỆ THỐNG MICROGRID .......................................... 36 HÌNH 4.2: SƠ ĐỒ KẾT NỐI HỆ THỐNG MICROGRID (MATLAB/SIMULINK) . 36 HÌNH 4.3: SƠ ĐỒ KHỐI PIN NLMT (MATLAB/SIMULINK) ................................. 37 viii HÌNH 4.4: SƠ ĐỒ KHỐI TURBIN GIÓ (MATLAB/SIMULINK) ............................ 38 HÌNH 4.5: SƠ ĐỒ KHỐI BATTERY (MATLAB/SIMULINK) ................................. 39 HÌNH 4.6: KHỐI MICOGRID CONTROL IN MATLAB/SIMULINK...................... 40 HÌNH 4.7: SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ...................................................... 42 HÌNH 5.1: CÔNG SUẤT PIN MẶT TRỜI (1) ........................................................... 43 HÌNH 5.2: CÔNG SUẤT TURBINE GIÓ (1) .............................................................. 44 HÌNH 5.3: CÔNG SUẤT CỦA BATTERY (1) ........................................................... 44 HÌNH 5.4: CÂN BẰNG CÔNG SUẤT CHO TẢI (1) ................................................. 45 HÌNH 5.5: CÔNG SUẤT PIN MẶT TRỜI (2) ............................................................ 46 HÌNH 5.6: CÔNG SUẤT TURBINE GIÓ (2) .............................................................. 47 HÌNH 5.7: CÔNG SUẤT CỦA BATTERY (2) ........................................................... 47 HÌNH 5.8: CÂN BẰNG CÔNG SUẤT CHO TẢI (2) ................................................. 48 HÌNH 5.9: ĐIỆN ÁP NGÕ RA DC CỦA PIN MẶT TRỜI ......................................... 48 HÌNH 5.10 ĐIỆN ÁP NGÕ RA DC CỦA TURBINE GIÓ ......................................... 49 HÌNH 5.11: ĐIỆN ÁP NGÕ RA CUNG CẤP CHO TẢI ............................................ 49 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Điện và thông tin liên lạc điện tử là một trong những công nghệ chính đóng góp đáng kể vào sự phát triển nhanh chóng của nền văn minh nhân loại trong thế kỷ XX. Đặc biệt trong thời đại hiện nay, nhu cầu về điện cho tất cả các lĩnh vực kinh tế, sản xuất, đời sống sinh hoạt ngày càng tăng cao. Sự thiếu hụt năng lượng đã phải đối mặt trong nhiều quốc gia gần đây đã trực tiếp ảnh hưởng kinh tế, xã hội, phát triển của đất nước. Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng theo cấp số nhân trên toàn thế giới và tiết kiệm năng lượng đã trở thành một nhu cầu của thời đại. Các hệ thống phân phối truyền tải điện vẫn còn vận hành theo phương cách nhiều thập kỷ trước. Thiếu sự đầu tư cho việc cài đặt mới kết hợp với các thành phần mạng (lưới điện hiện hành trên 40 tuổi) đã dẫn đến hệ thống điện không hiệu quả và ngày càng không ổn định. Thực tế cho thấy ngành điện cần phải được thay đổi để đáp ứng với nhu cầu của xã hội kỹ thuật số hiện đại. Khách hàng không chỉ yêu cầu về lượng điện đơn thuần cho sản xuất và sinh hoạt mà còn yêu cầu về chất lượng, độ tin cậy và cần có nhiều dịch vụ cung ứng điện để chọn lựa. Và đồng thời giá điện ngày càng tăng là một trong những vấn đề đáng quan tâm hiện nay. Bên cạnh đó, mọi người ngày càng nhận ra những ảnh hưởng tiêu cực đối với môi trường khi con người đốt các loại năng lượng hóa thạch để sản xuất điện, thiên tai xảy ra nhiều hơn với cường độ phá hoại ngày càng nghiêm trọng hơn và các nỗ lực đang được xây dựng trên nhiều lĩnh vực để giảm thiểu sự phát thải CO 2. Sự nóng lên của trái đất do việc sử dụng năng lượng theo cách hiện nay đang được cho là quá sức chịu đựng của trái đất vào năm 2050 với dân số khoảng 9,5 tỷ người. Do đó tình hình biến đổi khí hậu hiện nay gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến ngành điện, đặc biệt là việc cung cấp điện. Nguồn nhiên liệu hóa thạch cũng sẽ cạn kiệt và đất 2 nước chúng ta là phụ thuộc khá nhiều vào tài nguyên thiên nhiên hữu hạn cho các nhà máy điện. Điều này như một lời cảnh tỉnh nghiêm trọng, bởi đó không chỉ ảnh hưởng đến việc giải quyết các vấn đề kinh tế mà còn gây tác động đến khí hậu và ô nhiễm. Từ đó hệ thống lưới điện siêu nhỏ (Microgrid) được hình thành và nhận được nhiều sự chú ý trên thế giới, vì hiệu quả của các hệ thống này. Microgrid là một hệ thống năng lượng địa phương được tạo ra ở khu vực nhỏ, hoạt động độc lập với với mạng lưới năng lượng lớn hơn và có thể tái tạo, dự trữ năng lượng. 1.2 Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt đã và đang đáp ứng phần lớn nhu cầu năng lượng của con người nhưng nó tác động lại với khí hậu toàn cầu. Biểu hiện rõ nhất là sự nóng lên của trái đất, là băng tan, nước biển dâng cao, các hiện tượng thời tiết bất thường, bão lũ, sóng thần, động đất, hạn hán và giá rét kéo dài... dẫn đến thiếu lương thực, thực phẩm... Việt Nam là một quốc gia ven biển nên chịu ảnh hưởng trực tiếp từ hiện tượng nước biển dâng. Nguyên nhân chính gây ra sự biến đổi khí hậu là do tác động của con người, đó là sự gia tăng khí CO2 trong khí quyển do khai thác và sử dụng năng lượng hóa thạch. Trong khi đó, hầu hết các hoạt động liên quan đến NLTT bao gồm sản xuất, lắp đặt, vận hành lại tạo ra ít khí nhà kính so với nguồn nhiên liệu hóa thạch. Vì vậy, để giảm biến đổi khí hậu, năng lượng cần chuyển dịch từ dạng không bền vững sang dạng năng lượng bền vững. 1.3 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu lí thuyết có liên quan đến đề tài, tìm hiểu các máy phát từ nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng gió ưu tiên sử dụng nguồn năng lượng tái tạo, giảm thiểu sử dụng năng lượng điện từ lưới. Nghiên cứu mô hình điều khiển hệ thống microgrid, dựa trên theo dõi công suất nguồn phát để điều khiển bù công suất cho tải. 3 1.4 Phương pháp nghiên cứu: Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên cứu. Nghiên cứu tổng quan về năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của pin mặt trời, máy phát điện gió. Xây dựng chương trình điều khiển hệ thống ổn định công suất đáp ứng cho phụ tải, khi có ảnh hưởng môi trường làm giảm công suất từ máy phát. Mô phỏng Matlab hệ thống điều khiển Microgrid. 1.5 Nội dung luận văn: Luận văn được tổ chức thành 6 phần: Chương 1, Chương 2, Chương 3, Chương 4, Chương 5 và Chương 6. Cụ thể các phần như sau: Chương 1: Giới thiệu. Chương 2: Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu. Chương 3: Khảo sát và tính toán. Chương 4: Mô hình hóa và mô phỏng. Chương 5: Kết quả mô phỏng. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 2.1 Hệ thống Microgrid là gì? Lưới điện siêu nhỏ (Microgrid - MG) là một hệ thống bao gồm các nguồn năng lượng có công suất nhỏ và phát điện phân tán (Distributed Energy Resources – DER) như: nguồn pin mặt trời, pin nhiên liệu, turbine gió, microturbine..vv. Ngoài ra còn có các hệ thống đo lường và các phụ tải. Công nghệ điều khiển cho lưới điện siêu nhỏ có thể hoạt động độc lập hoặc tích hợp chúng vào lưới điện phân phối, thông qua hệ thống điều khiển và giám sát như (hình 2.1), nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh và điều khiển nối lưới linh hoạt. Hình 2.1: Mô hình hệ thống Microgrid 5 2.2 Khái niệm hệ thống microgrid: Việc hình thành microgrid được dựa trên khả năng kiểm soát các hoạt động của hệ thống, gồm các máy phát điện của turbine gió, pin năng lượng mặt trời, cùng với các thiết bị lưu trữ,... Khả năng kiểm soát cho phép mạng lưới phân phối vẫn hoạt động khi bị tách khỏi lưới điện chính, trong trường hợp có sự cố, do sự cố, hoặc là ưu tiên cho các nguồn cung cấp từ năng lượng tái tạo để bảo vệ môi trường, từ đó tăng độ tin cậy cho hệ thống. Hệ thống microgrid có thể vận hành ở cả hai trạng thái: trạng thái bình thường (nối lưới) và trạng thái cách li (cô lập). + Thông thường các microgrid vận hành trong trạng thái kết nối lưới trừ trường hợp tại các đảo. 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 cách li, microgrid phải thỏa mãn các yêu cầu cao về dung lượng lưu trữ và công suất phát của các nguồn phân bố để đảm bảo cấp điện liên tục hoặc phải thực hiện các biện pháp giảm tải phù hợp. Khác nhau giữa microgrid và một lưới điện thụ động chủ yếu là việc quản lý và vận hành các nguồn, tài nguyên. + Việc vận hành Microgrid bao gồm điều khiển các nguồn phát, quản lý hệ thống dịch vụ, điều khiển tải, giảm thải ra môi trường. Các yếu tố này ảnh hưởng tất cả các mặt: kinh tế, kỹ thuật, môi trường. + Ưu điểm nổi bật khác của Microgrid còn là khả năng tối ưu hóa, mang lại lợi ích tốt nhất cho tất cả các bên. Hệ thống điện không có tổ chức của Microgrid nếu thiếu đi một trong những nhân tố thiết yếu sau: + Phụ tải: Do người sử dụng là nhân tố vừa là nơi tiêu thụ năng lượng và cũng là cung cấp năng lượng (thông qua các nguồn năng lượng phân bố), để 6 từ đó đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện. Hệ thống có thể vận hành ở trạng thái kết nối lưới hoặc cô lập (islanded modes). + Nguồn năng lượng phân bố (Microsource): năng lượng mặt trời, gió, fuel cell và cả hệ thống tích trữ năng lượng. + Hệ thống giám sát và điều khiển: Điều khiển microgrid sẽ buộc người tiêu dùng phải thay đổi nhu cầu của họ, tùy thuộc vào năng lượng tái tạo sẵn có. Theo ý tưởng của Microgrid, việc vận hành sẽ được tái cấu trúc với việc thêm vào các tính năng: bộ đo đếm điện năng, truyền thông và các thiết bị điều khiển để chuyển từ tình trạng “thụ động” ở lưới điện truyền thống chuyển sang tình trạng “tích cực” ở lưới điện Microgrid. + Giảm thiểu ô nhiễm môi trường: đây là một trong những yêu cầu thiết yếu hình thành Microgrid ban đầu là giảm ô nhiễm môi trường. Các nhân tố tham gia vào hệ thống Microgrid: + Nguồn năng lượng phân bố (DER): mặt trời, giò, fuel cell.. + Hệ thống tích trữ năng lượng (Energy storage): pin, siêu tụ, bánh đà (flywheels)… + Hệ thống lưới truyền tải bao gồm cả hệ thống truyền thông để thực hiện giao tiếp và giám sát như: MGCC, MC, hệ thống quản lý DMS. Hình 2.2 : Mô phỏng hệ thống microgrid công suất 500 KW 7 2.3 Cấu trúc và hoạt động của hệ thống Microgrid Hệ thống Microgrid có khả năng kết nối lưới hoặc cô lập với lưới khi lưới điện có sự cố. Hình 2.3: Sơ đồ kết nối hệ thống Microgrid với lưới Cơ cấu gồm các nguồn năng lượng phân bố DGs như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, microturbin, nguồn năng lượng nhiệt lấy từ năng lượng tái tạo, và hệ thống tích trữ năng lượng (DS). Lưới điện của Microgrid sẽ liên kết với một thanh cái chung PCC để liên kết giữa các nguồn phái DGs, DS với các phụ tải như khu dân cư, các tòa nhà, trường học, cụm công nghiệp. Hệ thống điện tử công suất sẽ được sử dụng trong hệ thống để chuyển đổi các nguồn năng lượng tái tạo cung cấp cho các phụ tải tiêu thụ. Như chuyển đổi 8 DC/AC hay AC/AC, AC/DC/AC tùy thuộc vào lưới Microgrid có cấu trúc: DC Microgrid hay AC Microgrid. 2.3.1 Chế độ kết nối lưới: Chế độ này hoạt động như sau, chuyển đổi kết nối các nguồn điện song song với các nguồn khác để cung cấp tải cục bộ và có thể sử dụng hoặc cung cấp điện từ lưới điện chính. Kết nối song song của máy phát điện được quản lý bởi các tiêu chuẩn quốc gia. 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 là nhỏ nhất. 2.3.2 Chế độ cô lập với lưới: Ở chế độ này các bộ biến đổi công suất sẽ vẫn tiếp tục cung cấp năng lượng từ các nguồn năng lượng phân bố cho các phụ tải thuộc hệ thống Microgrid khi lưới điện chính bị ngắt kết nối. Trong chế độ này các bộ biến đổi công suất sẽ đảm nhiệm vai trò 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 lưới. 2.3.3 Chế độ sử dụng nguồn năng lượng tích trữ: Trong một microgrid, pin lưu trữ, hoặc các thiết bị lưu trữ năng lượng khác là cần thiết để xử lý nhiễu về điện áp và tần số và sự thay đổi đột ngột của phụ tải. Nói cách khác, lưu trữ năng lượng là cần thiết để thích ứng với các thay đổi giữa cung và cầu, do đó cải thiện độ tin cậy của các Microgrid. Bộ biến đổi công suất sau đó có thể được sử dụng như một bộ sạc pin.