Tài liệu Nghiên cứu tính toán trào lưu công suất trong microgrid vận hành độc lập có xét tới sự phụ thuộc của nguồn phát, phụ tải vào tần số và điện áp

MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH & TIẾNG VIỆT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ............................................................................................ 1 2. Mục đích nghiên cứu ...................................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 2 4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 2 5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn................................................................. 3 6. Cấu trúc của luận văn ..................................................................................... 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ LƯỚI MICROGRID .............................. 5 1.1. Khái niệm về lưới Microgrid ............................................................................... 5 1.2. Vai trò, tác dụng, cách thức làm việc của lưới Microgrid ................................... 7 1.3. Phân loại lưới Microgrid ...................................................................................... 9 1.3.1. Microgrid khách hàng hay Microgrid thực sự (µgrids) ............................ 9 1.3.2. Lưới Microgrids công cộng do nhà nước đầu tư và vận hành hay còn gọi là lưới cực nhỏ (mgrids) ..................................................................................... 9 1.3.3. Lưới ảo (Vgrids) ..................................................................................... 10 1.3.4. Lưới ở khu vực xa xôi hẻo lánh (rgrids) ................................................ 10 1.4. Sự phù hợp của việc hình thành Microgrid tại Việt Nam trong tương lai ......... 10 1.5. Các ví dụ điển hình về Microgrids hiện có trên thế giới.................................... 13 1.5.1. Santa Rita Jail ......................................................................................... 13 1.5.2. Fort Collin .............................................................................................. 14 1.5.3. The Sendai Microgrid ............................................................................. 15 1.5.4. Hartley Bay............................................................................................. 16 1.5.5. New York University ............................................................................. 18 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1.......................................................................................... 19 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRÀO LƯU CÔNG SUẤT TRONG MICROGRID VẬN HÀNH ĐỘC LẬP CÓ XÉT TỚI SỰ PHỤ THUỘC CỦA NGUỒN PHÁT, PHỤ TẢI VÀO TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP .............. 20 2.1. Giới thiệu chung ................................................................................................. 20 2.2. Mô hình mô phỏng lưới điện 3 pha cân bằng trong Microgrids vận hành độc lập22 2.2.1. Mô hình phụ tải tiêu thụ ............................................................................. 22 2.2.2. Mô hình máy phát (DG)............................................................................. 24 2.2.3. Hệ phương trình tính toán .......................................................................... 26 2.3. Mô hình mô phỏng lưới điện 3 pha không cân bằng trong Microgrid vận hành độc lập ............................................................................................................... 29 2.3.1. Mô hình đường dây .................................................................................... 29 2.3.2. Mô hình tải ................................................................................................. 31 2.3.3. Mô hình các máy phát ................................................................................ 31 2.3.4. Hệ phương trình tính toán .......................................................................... 31 2.4. Thuật toán phương pháp vùng tin tưởng (Newton- Trust Region Method) giải bài toán tính toán trào lưu công suất trong Microgrid vận hành độc lập .................. 34 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2.......................................................................................... 39 CHƯƠNG 3. ÁP DỤNG TÍNH TOÁN TRÊN LƯỚI ĐIỆN THỬ NGHIỆM TIÊU CHUẨN IEEE ................................................................................................. 40 3.1. Lưới điện IEEE thử nghiệm 38 nút 3 pha cân bằng:.......................................... 40 3.1.1. Tính toán dòng công suất với đầy đủ 5 máy phát .................................. 42 3.1.2. Tính toán với trường hợp cắt công suất tác dụng của máy phát số 34 ... 45 3.1.3. Tính toán với trường hợp cắt giảm công suất tác dụng của phụ tải số 7 và 14 ........................................................................................................... 46 3.2. Lưới điện thử nghiệm 25 nút 3 pha không cân bằng: ........................................ 48 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3.......................................................................................... 49 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 51 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 54 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH & TIẾNG VIỆT NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN TRÀO LƯU CÔNG SUẤT TRONG MICROGRID VẬN HÀNH ĐỘC LẬP CÓ XÉT TỚI SỰ PHỤ THUỘC CỦA NGUỒN PHÁT, PHỤ TẢI VÀO TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP Học viên: Võ Thanh Hải Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201. Khóa: K34.KTĐ.QB. Trường Đại học Bách khoa- ĐHĐN Tóm tắt - Lưới Microgrid đang ngày càng được phát triển xây dựng ở nhiều nước trên thế giới để cung cấp điện cho các khu vực xa trung tâm, tận dụng được nguồn năng lượng tái tạo, đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện. Việc tính toán trào lưu công suất và các thông số vận hành của lưới điện này khi vận hành độc lập nếu sử dụng các phương pháp tính toán trào lưu công suất truyền thống có sử dụng nút cân bằng hệ thống sẽ cho ra kết quả không phù hợp với thực tế. Trong lưới điện này sự phụ thuộc của công suất nguồn, phụ tải vào tần số và điện áp là rất lớn. Trong luận văn, phương pháp tính trào lưu công suất và các thông số vận hành của lưới điện Microgrid vận hành ở chế độ độc lập có xét đến sự phụ thuộc của nguồn phát và phụ tải vào tần số và điện áp được trình bày. Trong phương pháp, thuật toán vùng tin tưởng (Newton Trust Region) được sử dụng. Phương pháp được áp dụng tính toán trên một số lưới điện mẫu IEEE cho kết quả tốt. Từ khóa - Microgrid; trào lưu công suất; nút cân bằng; thuật toán vùng tin tưởng; chế độ vận hành độc lập. RESEARCH ON CALCULATION OF POWER FLOW IN MICROGRID IN ISLANDED MODE CONSIDERING DEPENDENCE OF GENERATION SOURCES AND LOADS ON FREQUENCY AND VOLTAGE Abstract- Microgrid is increasingly being developed in many countries around the world to provide electricity to remote areas, make use of renewable energy sources, and ensure the reliability of power supply. Using traditional power flow calculation methods with the slack bus to calculate power flow and operating parameters of this grid in islanded mode usually obtains results that do not match reality. In this grid the dependency of the generation sources and the loads on frequency and voltage is very significant. In the thesis, methodology for calculating power flow and operating parameters of Microgrid in islanded mode considering dependence of generation sources and loads on frequency and voltage is presented. In the method, the Newton Trust Region algorithm is used. The method is applied on IEEE test systems showing good performance. Key words - Microgrid; power flow; slack bus; Newton Trust Region Method; islanded mode. DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang 2.1 Hệ số phụ tải dân cư 23 2.2 Hệ số phụ tải thương mại 23 2.3 Hệ số phụ tải công nghiệp 23 2.4 Thông số đặc tính của các loại tải tĩnh 24 3.1 Thông số đường dây lưới điện thử nghiệm IEEE 38 nút 41 3.2 Thông số các máy phát và phụ tải của lưới 38 nút IEEE thử nghiệm 42 3.3 Kết quả tính toán tổng hợp khi cắt máy phát số 34 46 3.4 Kết quả tính toán tổng hợp khi cắt giảm 100% công suất tác dụng của phụ tải số 7 và 14 47 3.5 Kết quả công suất phát của các máy phát, p.u. 49 DANH MỤC CÁC HÌNH Số Tên hình Trang hiệu 1.1. Một ví dụ về mô hình lưới điện Microgrid 6 Mô tả cấu trúc và các thông số chính của lưới điện Microgrid 1.2. 14 Fort Collin. 2.1. Sơ đồ một lưới Microgrid 20 2.2. Mô hình điều khiển máy phát DG vận hành theo chế độ Droop 25 Mô hình đoạn đường dây 3 pha 4 dây có trung tính nối đất giữa 2.3. 29 hai nút i và j 2.4. Sơ đồ thuật toán phương pháp Newton- Trust region 38 2.5. Giao diện Mô đun tính toán trào lưu Microgrid vận hành độc lập 39 3.1. Sơ đồ lưới điện thử nghiệm IEEE 38 nút 40 So sánh kết quả tính toán của đề tài với kết quả tính toán trên 3.2. 45 lưới điện thử nghiệm IEEE 38 nút Kết quả so sánh công suất tác dụng của các máy phát ở trạng 3.3. 46 thái bình thường và sau khi cắt P máy phát 34 Kết quả so sánh công suất tác dụng của các máy phát ở trạng 3.4. thái bình thường và sau khi cắt giảm công suất tác dụng của phụ 47 tải số 7 và 14 3.5. Sơ đồ lưới điện thử nghiệm IEEE 25 nút 48 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Microgrid (Lưới điện nhỏ) là hệ thống gồm các nguồn năng lượng phân tán được kết nối với nhau để cung cấp điện cho phụ tải, có thể được vận hành nối với lưới điện quốc gia hoặc vận hành độc lập. Với mục tiêu bảo vệ môi trường, tăng cường các nguồn năng lượng tái tạo nhằm bổ sung sự thiếu hụt năng lượng từ các nguồn hóa thạch trong tương lai, các mô hình Microgrid hiện đang được nghiên cứu sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới. Hiện nay Chính phủ Việt Nam cũng đã nhận thức được tầm quan trọng và cần thiết phải phát triển nguồn năng lượng tái tạo trong hệ thống năng lượng Việt Nam. Do vậy hướng nghiên cứu về năng lượng nói chung và năng lượng tái tạo nói riêng cũng như việc sử dụng Microgrid đang là vấn đề nóng và cần được quan tâm. Khi một Microgrid được vận hành nối lưới, các nguồn phát trong Microgrid sẽ được điều khiển để cung cấp lượng điện năng theo yêu cầu vào lưới điện quốc gia. Khi Microgrid vận hành độc lập để cung cấp điện cho một khu vực, các nguồn phát này được điều khiển vận hành nhằm cung cấp toàn bộ nhu cầu điện năng trong khu vực. Trong chế độ vận hành này, sự ảnh hưởng qua lại giữa công suất của phụ tải và nguồn phát với tần số và điện áp là rất lớn, việc duy trì điện áp và tần số trong khoảng dao động cho phép so với tiêu chuẩn là vấn đề cần phải được quan tâm. Tuy nhiên hiện nay, các chương trình hay phần mềm tính toán lưới điện đều sử dụng các phương pháp tính toán trào lưu công suất truyền thống, thường cần sử dụng nút Slack_bus là nút có khả năng cung cấp điện năng tùy ý, còn gọi là nút cân bằng (Reference bus) của hệ thống và không tính tới sự phụ thuộc của phụ tải, nguồn phát vào tần số. Các phương pháp này không thích hợp cho Microgrid vận hành độc lập gồm nhiều nguồn phát với công suất nhỏ tương đương nhau, giới hạn thay đổi công suất của các máy phát là nhỏ, không phải tùy ý. Do vậy cần có giải pháp phù hợp để giải quyết bài toán tính toán trào lưu công suất trong Microgrid. Với các lý do trên, đề tài “Nghiên cứu tính toán trào lưu công suất trong Microgrid vận hành độc lập có xét tới sự phụ thuộc của nguồn phát, phụ tải vào tần số và điện áp” nhằm mục đích nắm bắt được bài toán, ứng dụng các chương 2 trình hiện có để thiết lập và giải bài toán làm tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về lưới Microgrid. 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu nắm bắt được một phương pháp tính toán trào lưu công suất trong Microgrid vận hành độc lập có xét tới sự phụ thuộc của nguồn phát, phụ tải vào điện áp và tần số. Tính toán thử nghiệm sử dụng phần mềm Matlab, kiểm chứng kết quả nghiên cứu có trước trên lưới IEEE tiêu chuẩn. - Tạo tiền đề để tiếp tục các nghiên cứu tiếp theo về lĩnh vực tính toán tối ưu hóa dòng công suất trong Microgrid vận hành độc lập có xét tới sự phụ thuộc của nguồn phát, phụ tải vào điện áp và tần số. - Giải quyết được bài toán tính toán trào lưu công suất và tiếp theo là bài toán tối ưu hóa trào lưu công suất sẽ đưa ra các giải pháp hoàn chỉnh hơn trong điều khiển, vận hành nhằm giảm thiểu tổn thất công suất tác dụng trên Microgird vận hành độc lập và dễ dàng áp dụng trong thực tế hiện nay đang có ngày càng nhiều Microgrid đưa vào vận hành 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Chế độ vận hành độc lập của Microgrid; các phương pháp tính toán trào lưu công suất trong lưới điện nói chung và trong Microgrid nói riêng. - Phạm vi nghiên cứu: Lý thuyết về tính toán trào lưu công suất trong lưới điện và lưới Microgrid vận hành độc lập; Các mô hình Microgrid thử nghiệm IEEE để chứng minh tính đúng đắn của phương pháp đề xuất. 4. Phương pháp nghiên cứu Trên cơ sở đánh giá các đặc điểm của Microgrid cũng như tổng quan tình hình vấn đề nghiên cứu trào lưu công suất trong lưới điện nói chung và trong lưới Microgrid nói riêng, đề tài sẽ đề xuất sử dụng một phương pháp phù hợp có thể giải quyết vấn đề đặt ra về bài toán tính toán trào lưu công suất trong Microgrid vận hành độc lập. Áp dụng tính toán thử nghiệm ở môi trường Matlab trên một vài mô hình Microgrid thử nghiệm IEEE để chứng minh tính đúng đắn của phương pháp. 3 5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn Kết quả của đề tài có thể ứng dụng rộng rãi cho các Microgrid vận hành độc lập cung cấp điện cho các khu vực dân cư ở vùng sâu vùng xa. Kết quả thu được của đề tài về mặt lý thuyết sẽ mở ra hướng nghiên cứu mới trong công tác nghiên cứu thiết kế, lập trình phần mềm tính toán trào lưu công suất trong Microgrid vận hành độc lập, góp phần giúp các đơn vị điều độ hệ thống điện, các cơ quan quản lý vận hành Microgrid. Tạo tiền đề giải quyết các bài toán tính tối ưu dòng công suất trong lưới Microgrid. 6. Cấu trúc của luận văn Luận văn gồm có 03 chương: - Chương 1: Tổng quan chung về lưới Microgrid + Trình bày về khái niệm, vai trò, tác dụng và cách thức làm việc của lưới Microgrid. + Phân loại lưới Microgrid, phân biệt giữa Microgrid và Smart-Grid. + Sự phù hợp của việc hình thành lưới Microgrid ở Việt Nam. Các ví dụ điển hình về lưới Microgrid đã và đang vận hành trên thế giới. - Chương 2: Nghiên cứu phương pháp tính toán trào lưu công suất trong Microgrid vận hành độc lập có xét tới sự phụ thuộc của nguồn phát, phụ tải vào tần số và điện áp. + Trình bày về các đặc tính vận hành của lưới Microgrid khi vận hành ở chế độ nối với lưới điện quốc gia hoặc khi vận hành độc lập. Nghiên cứu phương pháp tính toán trào lưu công suất trong lưới Microgrid vận hành độc lập không sử dụng nút cân bằng hệ thống (nút Slack_bus) có xét tới sự phụ thuộc của nguồn phát, phụ tải vào tần số và điện áp. + Lập các hệ phương trình phi tuyến để tính toán các thông số vận hành Microgrid trong hai trường hợp 3 pha cân bằng và 3 pha không cân bằng. + Thiết lập Mô đun tính toán trên phần mềm Matlab để tính toán trào lưu công suất của Microgrid vận hành độc lập theo phương pháp vùng tin tưởng (Newton- Trust Region). 4 - Chương 3: Áp dụng tính toán trên lưới điện thử nghiệm tiêu chuẩn IEEE Sử dụng Mô đun đã thiết lập trên Matlab để tính toán trên lưới điện thử nghiệm tiêu chuẩn IEEE cho hai trường hợp 3 pha cân bằng và 3 pha không cân bằng. So sánh kết quả tính được với kết quả của [2]. 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ LƯỚI MICROGRID 1.1. Khái niệm về lưới Microgrid Microgrid đã được thừa nhận như là một nhân tố quan trọng nhằm cải thiện chất lượng cũng như độ tin cậy cung cấp điện năng, gia tăng hiệu suất của hệ thống điện, giảm tổn thất điện năng trên toàn hệ thống điện và đem lại khả năng vận hành lưới điện độc lập để cấp điện cho phụ tải của một khu vực tách biệt, xa các khu trung tâm, xa nguồn điện truyền thống, xa lưới điện quốc gia. Rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã tiên phong đưa ra các khái niệm về lưới Microgrid như là một cách gọi khác của việc tích hợp các nguồn năng lượng phân tán quy mô công suất nhỏ (thường là nhỏ hơn 1MW) vào hệ thống điện. Nhiều thuật ngữ khác cũng thường được sử dụng để mô tả những khái niệm đơn giản như: các nhà máy điện ảo (virtual power plants), lưới nhỏ (minigrids), lưới điện phân phối thông minh (smart distribution networks), nguồn phát điện phân tán (distributed or dispersed generation)… Theo các nhà nghiên cứu ở phòng thí nghiệm Berkeley (Berkeley Lab) thì: Microgrid là một tập hợp các phần tử bao gồm các nguồn phát điện và các phụ tải ở một khu vực được kết nối đồng bộ với lưới điện quốc gia, tuy nhiên nó có thể tách rời và vận hành độc lập trong trường hợp không thể duy trì cấp điện từ lưới điện quốc gia do ở xa hoặc do vấn đề về chi phí năng lượng, chi phí đầu tư quá cao1. Các nhà quản lý về lĩnh vực lưới Microgrid ở Bộ năng lượng của Mỹ (U.S. Department of Energy Microgrid Exchange Group) lại mô tả Microgrid như sau: Microgrid là một nhóm bao gồm các phụ tải được kết nối với nhau và các nguồn năng lượng phân tán trong một khu vực nhất định, nhóm này hoạt động như một thực thể trong lưới điện quốc gia và có thể tự/được điều khiển độc lập mà không liên quan đến điều độ lưới điện quốc gia. Microgrid có thể chủ động kết nối hoặc tách rời khỏi lưới điện quốc gia và nó vận hành ở cả chế độ nối lưới hay độc lập không nối lưới2. Một định nghĩa khác được các nhà nghiên cứu thuộc website General Microgrid đưa ra về Microgrid: Microgrid là một hệ thống năng lượng rời rạc bao gồm các nguồn năng lượng phân tán (bao gồm cả quản lý nhu cầu điện năng, lưu trữ 1 2 https://building-microgrid.lbl.gov/about-microgrids DOE Microgrid Workshop Report 6 điện năng, và các máy phát điện) và các phụ tải, hệ thống này có khả năng hoạt động song song hoặc độc lập với lưới điện quốc gia3. Nhìn chung các khái niệm về Microgrid ở trên chưa có một sự thống nhất hoàn toàn với nhau về câu chữ, tuy nhiên đều xoay quanh các đặc điểm là tập hợp các nguồn phân tán và phụ tải ở một khu vực nhất định, có thể nối lưới hoặc vận hành độc lập. Một định nghĩa chính thức đã được đưa ra bởi Hội đồng quốc tế về hệ thống lưới điện lớn (Conseil international des grands réseaux électriques or (CIGRÉ)) về lưới Microgrid như sau: Microgrids là các hệ thống phân phối điện bao gồm các phụ tải và các nguồn năng lượng phân tán, (như các máy phát điện phân tán, các thiết bị lưu trữ hoặc các phụ tải có thể điều khiển được), có thể được phối hợp vận hành điều khiển trong trường hợp nối lưới với hệ thống điện quốc gia hoặc tự vận hành điều khiển trong trường hợp không nối lưới với hệ thống điện quốc gia. Hình 1.1. Một ví dụ về mô hình lưới điện Microgrid 3 https://www.generalmicrogrids.com/about-microgrids 7 1.2. Vai trò, tác dụng, cách thức làm việc của lưới Microgrid Như đã nêu trong phần định nghĩa lưới Microgrid, lưới Microgrid có thể vận hành ở hai chế độ, vận hành song song nối lưới hoặc vận hành độc lập dạng tách đảo với đầy đủ các chức năng của một lưới điện hoàn chỉnh khi cần thiết. Theo truyền thống và phần lớn hiện nay vẫn vậy, các phụ tải như các hộ gia đình, các khu nhà tập thể, các công ty, doanh nghiệp được kết nối trực tiếp với hệ thống lưới điện truyền tải quốc gia nơi kết nối, truyền tải điện năng từ các nhà máy sản xuất điện tới phụ tải trên toàn quốc. Một lưới điện Microgrid cũng kết nối với hệ thống truyền tải quốc gia này, nó như một phần tử trong lưới điện truyền tải quốc gia, tuy nhiên nó có thể tách rời và tự cung cấp điện năng cho phụ tải ở khu vực lắp đặt lưới Microgrid trong các trường hợp đường dây kết nối với lưới điện quốc gia bị sự cố đứt dây, đổ cột do bão gây nên hoặc khi lượng điện phát ra từ các nhà máy điện chính bị thiếu hụt, không đủ khả năng cấp điện tới các phụ tải thuộc khu vực này hoặc vì lý do nào đó. Khi đó lưới Microgrid có thể vận hành và cung cấp điện tới các phụ tải trong khu vực nhờ các nguồn phát điện từ nguồn năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng gió hoặc các nguồn phát điện phân tán khác. Tùy thuộc vào điều kiện sẵn sàng của các nguồn phát điện trong lưới Microgrid và nhu cầu phụ tải trong khu vực mà lưới Microgrid có thể vận hành độc lập trong thời gian đủ dài để đảm bảo cấp điện cho các phụ tải. Một lưới Microgrid kết nối với lưới điện quốc gia tại một điểm PCC (point of common coupling) gọi là điểm đấu nối PCC. Tại điểm này, điện áp được duy trì ở giá trị phù hợp với việc hòa điện phát ra từ lưới Microgrid vào hệ thống lưới điện quốc gia. Khi có sự cố hay lý do nào đó, việc ngừng kết nối với lưới điện quốc gia cũng được thể hiện tại điểm đấu nối này thông qua một thiết bị đóng cắt để Microgrid có thể vận hành như một hệ thống độc lập, tách đảo. Việc xây dựng và tích hợp các lưới Microgrid đang ngày càng được mở rộng trong hệ thống điện của nhiều nước trên thế giới. Mặc dù các mục tiêu của các lưới Microgrid xây dựng cho mỗi khu vực là được xác định và khác nhau, phù hợp với yêu cầu, điều kiện của từng vùng, những lưới Microgrid này cũng đã chứng tỏ được khả năng hỗ trợ và vai trò của mình trong việc cung cấp chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện cao hơn so với lưới điện truyền thống và hiệu suất sử dụng năng lượng điện được cải thiện, tổn thất trên lưới điện giảm như đã được chứng minh, công bố trong các nghiên cứu [3], [14], [15]. Cụ thể vai trò, tác dụng của lưới Microgrid: 8 - Tận dụng được các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sạch trong tự nhiên để cung cấp điện cho các hộ dân cư, khu vực, cộng đồng dân cư xa xôi, hẻo lánh, không có điều điện được cung cấp điện từ điện lưới quốc gia. - Với các khu vực, cộng đồng dân cư có điều kiện được cung cấp điện từ điện lưới quốc gia, lưới Microgrid sẽ vận hành song song với lưới điện quốc gia, hỗ trợ cung cấp điện cho phụ tải các khu vực này, giúp: + Giảm tổn thất trong việc truyền tải điện năng: với việc các nguồn năng lượng tái tạo, các nguồn điện năng khác được kết nối, cung cấp điện trực tiếp cho phụ tải tiêu dùng ở khu vực xây dựng các nguồn điện này sẽ giúp tránh được hiện tượng phải truyền tải lượng lớn điện năng đi xa. Điều này trực tiếp giúp giảm tổn thất điện năng trên đường dây truyền tải. + Giảm chi phí tiêu thụ điện năng cho các hộ phụ tải: trong chế độ vận hành nối lưới, khi các nguồn điện năng từ năng lượng tái tạo hay từ các nguồn điện khác có khả năng cung cấp điện nhiều hơn nhu cầu phụ tải đặt tại khu vực xây dựng các nguồn phát điện này, tùy theo cơ chế thị trường, vào lúc cao điểm, giá thành điện năng mua từ lưới điện quốc gia cao thì các hộ phụ tải hoặc khu vực cộng đồng dân cư sở hữu lưới Microgrid có thể huy động các nguồn phát điện năng để tự cung cấp, đảm bảo nhu cầu điện năng cho mình. Phần điện năng còn thiếu hoặc dư thừa có thể nhận tiếp hoặc truyền tải lên hệ thống điện quốc gia. Như vậy lượng điện phải mua từ hệ thống điện quốc gia được giảm xuống, trực tiếp làm giảm chi phí tiêu thụ điện năng cho các hộ phụ tải. + Tăng độ tin cậy cung cấp điện, tăng khả năng phục hồi lưới điện cấp điện cho các hộ phụ tải trong trường hợp bị sự cố, gián đoạn cung cấp nguồn điện từ lưới điện quốc gia. Đa số các Microgrid này cung cấp điện xoay chiều AC và kết nối trực tiếp với lưới điện truyền thống. Ngoài lưới điện Microgrid cung cấp điện xoay chiều AC, hiện nay các nhà nghiên cứu, các nhà sản xuất cũng đang đề xuất, nghiên cứu xây dựng mô hình lưới điện Micogrid cung cấp điện một chiều DC đấu nối trực tiếp vào các phụ tải sử dụng điện thuần 1 chiều [4], các máy tính điện tử để bàn [5], các đèn chiếu sáng LED sử dụng điện 1 chiều [6] và hệ thống các tòa nhà cao tầng. Theo các nghiên cứu, ngoài những vai trò, tác dụng như đã nêu ở trên đối với lưới điện Micorgrid cung cấp điện xoay chiều AC, những hệ thống lưới điện Microgrid cung cấp điện 1 chiều DC này có thể mang lại hiệu suất cao hơn, tổn thất ít hơn do không phải 9 chuyển đổi nhiều lần từ điện áp một chiều DC sang điện áp xoay chiều AC và từ điện áp xoay chiều AC sang điện áp một chiều DC trước khi cung cấp điện cho các phụ tải tiêu dùng. Tính linh hoạt trong việc cung cấp điện cũng là một trong những ưu điểm của Microgrid cung cấp điện một chiều DC. Đặc biệt, khi các nguồn phát điện từ năng lượng tái tạo cung cấp điện ngay tại chỗ, khu vực đặt máy phát và có sự hỗ trợ của các thiết bị lưu trữ điện năng sẽ càng làm cho tính linh hoạt cung cấp điện cũng như chất lượng, độ tin cậy cung cấp điện năng tới các phụ tải được cao hơn [7]. 1.3. Phân loại lưới Microgrid Về cơ bản, theo các tài liệu hiện có mà tác giả tìm hiểu được, hiện có 04 loại lưới Microgrid, đó là: 1.3.1. Microgrid khách hàng hay Microgrid thực sự (µgrids) Là các lưới Microgrid do các khách hàng tự đầu tư để sử dụng và thường sử dụng một điểm nối lưới (PCC) duy nhất. Rất nhiều ví dụ điển hình hiện có về lưới Microgrid loại này. Các lưới Microgrid này thường dễ hình dung và nhận diện bởi chúng rất phù hợp với điều kiện công nghệ hiện có và tương thích với cấu trúc lưới điện thông thường. Lưới Microgrid kiểu này được coi như là một khách hàng truyền thống của lưới điện quốc gia, sử dụng các thiết bị đo đếm net_metering để đối trừ lượng điện nhận được từ lưới điện quốc gia với lượng điện được phát lên lưới điện quốc gia từ lưới µgrids. Lưới điện kiểu này được kỳ vọng sẽ là công nghệ lưới Microgrid được triển khai xây dựng sớm và phổ biến nhất. 1.3.2. Lưới Microgrids công cộng do nhà nước đầu tư và vận hành hay còn gọi là lưới cực nhỏ (mgrids) Lưới mgrids bao gồm một bộ phận được điều khiển vận hành của lưới điện quốc gia. Về các công nghệ phát điện, chúng không khác biệt so với các công nghệ phát điện trong lưới µgrids. Tuy nhiên sự khác biệt cơ bản ở chỗ mô hình kinh doanh điện và điều khiển. Việc mua bán điện và điều khiển vận hành lưới do cơ quan điều độ của lưới điện quốc gia hoặc khu vực nắm quyền bởi vì các nguồn phát điện phân tán được đấu nối vào hệ thống lưới điện do điện lực quốc gia hoặc vùng đầu tư xây dựng. Nói cách khác, bất kỳ lưới mgrid nào đều phải thích nghi với các chuẩn điều khiển, đấu nối với lưới điện hiện có và vai trò điều khiển của cơ quan điều độ vùng hoặc cơ quan điều độ quốc gia là chính yếu. 10 1.3.3. Lưới ảo (Vgrids) Vgrids bao gồm các nguồn phát điện phân tán tại nhiều khu vực, nhưng được phối hợp vận hành theo cách thức các nguồn phát điện phân tán này hoạt động như một thực thể có thể tự điều khiển độc lập để đáp ứng được các yêu cầu đặt ra của lưới điện về điện áp và tần số nhằm phát được điện vào lưới. Hiện nay chưa nhiều lưới điện kiểu này được xây dựng, chúng mới được đề xuất, đề cập tới trong các nghiên cứu. Hệ thống lưới Vgrid phải được xây dựng có thể vận hành được như một lưới Microgrid vận hành độc lập hoặc phối hợp vận hành với nhiều lưới Microgrid vận hành độc lập khác. 1.3.4. Lưới ở khu vực xa xôi hẻo lánh (rgrids) Lưới rgrids là kiểu lưới điện không thể kết nối với hệ thống điện quốc gia, nó bắt buộc phải vận hành độc lập và bao gồm các công nghệ điều khiển tương tự như trong các lưới Microgrid khác để đảm bảo được điều kiện vận hành trong thời gian dài. Kiểu lưới này, theo quan điểm của các nhà nghiên cứu, thường được mô tả như lưới điện Microgrid. 1.4. Sự phù hợp của việc hình thành Microgrid tại Việt Nam trong tương lai Việt Nam là một trong số các quốc gia được đánh giá là có khả năng chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của biến đổi khí hậu (BĐKH)4. Trong nhiều năm qua, Chính phủ Việt Nam đã thực hiện nhiều biện pháp tích cực nhằm thích ứng và giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu thông qua việc thực hiện các chiến lược, chương trình, kế hoạch cấp quốc gia và tham gia các cam kết quốc tế về giảm nhẹ phát thải khí nhà kính. Tại Hội nghị các bên về Công ước Khung của LHQ về biến đổi khí hậu COP21 (Paris 2015), Việt Nam cam kết cắt giảm 8% lượng phát thải khí nhà kính vào năm 2030 so với kịch bản phát triển thông thường (BAU) và có thể giảm đến 25% nếu nhận được hỗ trợ hiệu quả từ cộng đồng quốc tế. Việt Nam đã tổ chức công bố Báo cáo Đóng góp dự kiến do quốc gia tự quyết định - INDC5 nhằm thể hiện nội lực của mình trong công cuộc ứng phó với biến đổi khí hậu. Báo cáo đã được gửi cho Ban Thư ký Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu (UNFCCC). INDC của Việt Nam gồm 2 hợp phần: 4 Báo cáo của IPCC năm 2007 http://www.noccop.org.vn/Data/profile/Airvariable_Projects_110690INDC_Vietnamese.pdf 5 11 (1) Hợp phần giảm nhẹ phát thải khí nhà kính bao gồm các đóng góp vô điều kiện và đóng góp có điều kiện so với kịch bản phát thải thông thường (BAU). Các đóng góp vô điều kiện là các hoạt động sẽ được thực hiện bằng nguồn lực trong nước. Trong khi đó, các đóng góp có điều kiện là những hoạt động có thể được thực hiện nếu nhận được nguồn hỗ trợ về tài chính, công nghệ và tăng cường năng lực từ quốc tế; (2) Hợp phần thích ứng với Biến đổi khí hậu tập trung vào thể chế, chính sách, tài chính, nguồn nhân lực và công nghệ cũng như các biện pháp thích ứng ưu tiên cho giai đoạn 2021-2030 của Chính phủ Việt Nam. Trong 9 giải pháp để đạt được mục tiêu giảm nhẹ phát thải khí nhà kính của INDC có tới 3 giải pháp về nhiên liệu năng lượng là: Giải pháp 2: Nâng cao hiệu suất và hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm mức tiêu hao năng lượng; Giải pháp 3: Thay đổi cơ cấu nhiên liệu trong công nghiệp và giao thông vận tải; Giải pháp 4: Đẩy mạnh khai thác có hiệu quả và tăng tỷ trọng các nguồn năng lượng tái tạo trong sản xuất và tiêu thụ năng lượng6. Một số giải pháp về thay đổi cơ cấu nguồn năng lượng theo hướng xanh hoá đã được Chính phủ đưa vào Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050 tại Quyết định số 2068/QĐ-TTg ngày 25/11/2015 của Thủ tướng Chính phủ. Chiến lược này xác định: “Phát triển điện mặt trời để cung cấp điện cho hệ thống điện quốc gia và khu vực biên giới, hải đảo, vùng sâu, vùng xa chưa thể cấp điện từ nguồn điện lưới quốc gia... Đưa tỷ lệ điện năng sản xuất từ nguồn năng lượng mặt trời trong tổng sản lượng điện sản xuất từ mức không đáng kể hiện nay lên đạt khoảng 0,5% vào năm 2020, khoảng 6% vào năm 2030 và khoảng 20% vào năm 2050”. Ngày 18/3/2016, Thủ tướng Chính phủ cũng đã ra quyết định số 428/QĐTTg Phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 – 2020 có xét đến năm 2030 (gọi tắt là Quy hoạch điện VII điều chỉnh). Quy hoạch điện VII điều chỉnh là một phần của kịch bản giảm nhẹ phát thải KNK trong đóng góp INDC của Việt Nam, trong đó “Đẩy nhanh phát triển nguồn điện sử dụng năng lượng mặt trời, bao gồm cả nguồn tập trung lắp đặt trên mặt đất và nguồn phân tán 6 6 giải pháp khác là: Giải pháp 1: Tăng cường vai trò chủ đạo của Nhà nước trong ứng phó biến đổi khí hậu (BĐKH); Giải pháp 5: Giảm nhẹ phát thải khí nhà kính thông qua phát triển nông nghiệp bền vững, nâng cao hiệu quả và tính cạnh tranh trong sản xuất nông nghiệp; Giải pháp 6: Quản lý và phát triển bền vững, tăng cường hấp thụ các bon và dịch vụ môi trường; bảo tồn đa dạng sinh học gắn với phát triển sinh kế và nâng cao thu nhập cho cộng đồng và người dân phụ thuộc vào rừng; Giải pháp 7: Quản lý chất thải; Giải pháp 8: Tuyên truyền nâng cao nhận thức; Giải pháp 9: Tăng cường hợp tác quốc tế. 12 lắp đặt trên mái nhà: Đưa tổng công suất nguồn điện mặt trời từ mức không đáng kể hiện nay lên khoảng 850 MW vào năm 2020, khoảng 4.000 MW vào năm 2025 và khoảng 12.000 MW vào năm 2030. Điện năng sản xuất từ nguồn điện mặt trời chiếm tỷ trọng khoảng 0,5% năm 2020, khoảng 1,6% vào năm 2025 và khoảng 3,3% vào năm 2030”. Quy hoạch điện VII điều chỉnh sẽ có đóng góp lớn vào mục tiêu cắt giảm khí nhà kính có điều kiện của Việt Nam là 25%, từ đó có mức phát thải CO2e khoảng 3,5 tấn/ đầu người vào năm 2030. Một nội dung quan trọng nữa trong phát triển điện mặt trời nói riêng và phát triển điện từ các nguồn tái tạo nói chung (gió, địa nhiệt, biomass, thuỷ điện nhỏ…) là phát triển phân tán, hình thành các lưới điện địa phương (gọi là các microgrid), có thể vận hành độc lập, không đấu nối với lưới điện quốc gia (ví dụ trên các hải đảo) hoặc tách khỏi lưới điện quốc gia khi cần thiết (ví dụ khi lưới quốc gia bị sự cố hay ngừng vận hành do sửa chữa) và cũng có thể vận hành đấu nối theo phương thức đấu nối vào lưới điện quốc gia. Phương thức này khai thác được tối đa tiềm năng điện mặt trời do nó có thể khai thác phân tán ở khắp nơi khi có nắng, giảm được các nguồn cung cấp tập trung, giảm được tổn thất truyền tải điện. Hiện nay ở Việt Nam còn nhiều hộ chưa được sử dụng điện lưới quốc gia, ví dụ như Tây Nguyên còn gần 3%. Họ là các hộ dân/ cộng đồng sống ở những vùng sâu, vùng xa, vùng biên giới. Cấp điện phân tán bằng điện mặt trời và điện gió quy mô nhỏ là một trong các giải pháp tốt để người dân khu vực này tiếp cận nguồn năng lượng hiện đại, nhằm đạt được mục tiêu đến năm 2020, gần như 100% số hộ được sử dụng điện phục vụ đời sống và sản xuất, giảm phá rừng hay sử dụng các loại nhiên liệu nhiều phát thải khác. Nhiều khu vực khác mặc dù đã được cấp điện bằng điện lưới quốc gia, nhưng do đặc điểm mật độ dân cư thưa nên đường dây cung cấp điện dài, chất lượng điện năng không đảm bảo và độ tin cậy cung cấp điện thấp (thời gian ngừng cung cấp điện và số lần ngừng cung cấp điện trong năm cao) cũng rất cần thiết khai thác nguồn gió và mặt trời phân tán hay xây dựng các lưới Microgrid để tăng cường độ tin cậy cung cấp điện và giảm hoá đơn tiền điện cho các hộ tiêu thụ điện, bao gồm người dân, doanh nghiệp và văn phòng/ trụ sở các cơ quan, trường học, bệnh viện v.v... Chính vì vậy, xu hướng phát triển, xây dựng các lưới Microgrid ở Việt Nam là tất yếu sẽ xảy ra trong tương lai. 13 1.5. Các ví dụ điển hình về Microgrids hiện có trên thế giới 1.5.1. Santa Rita Jail Santa Rita Jail được đánh giá là một minh chứng tốt nhất về lưới Microgrid hiện đang vận hành trên thế giới. Các nguồn phát điện trong lưới gồm có: nguồn phát từ điện mặt trời được kết nối vào lưới khoảng 1,5MW, 1MW tế bào nhiên liệu carbonate nóng chảy và máy phát điện diesel dự phòng. Lưới này có thể vận hành nối lưới với lưới điện quốc gia hoặc vận hành độc lập tách lưới điện quốc gia bằng cách sử dụng hệ thống Pin dự trữ điện năng Iron với công suất từ 2-4MWh với mục đích chỉ để cân bằng nguồn khi cần thiết. Hệ thống pin và một bộ chuyển đổi đa chức năng cho phép lưới Microgrid Santa Rita Jail tách rời và kết nối với lưới điện quốc gia một cách dễ dàng. Hệ thống điện được điều khiển bởi Công nghệ Microgrid CERTS được tích hợp trong hệ thống pin lưu trữ và các hệ thống chuyển mạch điện tử. Lưới Microgrid Santa Rita Jail được xây dựng và vận hành vào năm 1989 trên một khu vực rộng khoảng 0,5km2 ở Dublin, California, Mỹ và trên nóc tòa nhà tù với hơn 4000 tù nhân. Trải qua hơn thập kỷ, Alameda County, chủ sở hữu và vận hành lưới điện, đã xây dựng một loạt các nguồn phát điện phân tán nhằm giảm nhu cầu điện năng tiêu thụ của vùng từ lưới điện quốc gia. Lưới Microgird Santa Rita Jail cũng đã trải qua hàng loạt những cải tiến về mặt công nghệ nhằm nâng cao hiệu suất cung cấp điện để có thể đáp ứng được sự gia tăng của nhu cầu phụ tải tại khu vực và giảm nhu cầu cấp điện từ lưới điện quốc gia. Công suất phụ tải đỉnh trong khu vực lưới Microgrid Santa Rita Jail khoảng 3MW. Một số hình ảnh về lưới Microgrid Santa Rita Jail được giới thiệu bên dưới. 14 1.5.2. Fort Collin Hình 1.2. Mô tả cấu trúc và các thông số chính của lưới điện Microgrid Fort Collin. 15 Lưới điện Microgrid Fort Collins được xây dựng ở Colorado, Mỹ, là một phần của dự án Fort Collins Zero Energy District (FortZED). Dự án này lên kế hoạch xây dựng nhiều các nhà máy điện và nhiệt tại khu vực nhằm đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ của cộng đồng dân cư ở đây. Mục tiêu chính của dự án lưới điện Fort Collins là nhằm phát triển và minh chứng về một hệ thống kết hợp, tích hợp các nguồn phân tán hỗn hợp cho thành phố của Fort Collins, giảm nhu cầu phụ tải đỉnh cần cung cấp từ lưới điện quốc gia xuống từ 20% đến 30% dựa trên việc gia tăng nguồn cấp điện năng từ năng lượng tái tạo và mang lại hiệu quả và độ tin cậy cung cấp điện cao hơn cho lưới điện nói chung và cho chủ sở hữu lưới Microgrid Fort Collins nói riêng. Dự án lưới Microgrid cung cấp điện cho nhiều khách hàng tiêu thụ điện quan trọng khác nhau, tiêu biểu như nhà máy bia New Belgium (New Belgium Brewery), phòng thí nghiệm InteGrid, các văn phòng, trụ sở chính quyền của thành phố Fort Collins, Larimer County và cơ sở chính của trường đại học bang Colorado. Nhiều công nghệ phát điện phân tán từ nguồn năng lượng tái tạo được sử dụng trong dự án này: Pin quang điện mặt trời, Tổ hợp phát điện và nhiệt (CHP), Microturbines, các thanh nhiên liệu, các nguồn nhiệt, các thiết bị điều khiển và quản lý phụ tải… Dự án đã được đầu từ khoảng 6,3 triệu đô la Mỹ từ Bộ năng lượng Mỹ và 4,7 triệu đô từ các đối tác công nghiệp khác. 1.5.3. The Sendai Microgrid