Lập kế hoạch vận hành của hệ thống pin tích trữ năng lượng trong thị trường điện ngày tới

PTDF Power Transfer Distribution Factor Hệ số phân bố dịch chuyển công suất truyền tải RD Ramp-rate Down Giới hạn giảm công suất RPF Repeated Power Flow Thuật toán lặp trào lưu công suất

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Lập kế hoạch vận hành của hệ thống

pin tích trữ năng lượng trong

thị trường điện ngày tới

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

Phần lớn các thách thức đến từ bản chất bất định của năng lượng gió và tính phức tạp trong vận hành của các nguồn điện gió trong vận hành thị trường điện Việc sử dụng hệ thống tích trữ năng lượng (Energy storage system – ESS) để tăng độ linh hoạt trong vận hành được xem như là sự bổ sung hợp lý cho hệ thống với số lượng lớn nguồn điện gió Vì vậy, ảnh hưởng và lợi ích của ESS khi tích hợp vào lưới đang được nghiên cứu và đã được đưa vào thử nghiệm cho các công ty bán lẻ điện năng (Load Serving Entities-LSEs) ở thị trường bán buôn Khi việc sử dụng ESS của LSEs trở nên cần thiết với quy mô ngày càng lớn trong tương lai gần, tồn tại những cơ hội cho LSEs hiểu tốt hơn làm thế nào để vận hành tối ưu ESS với mục đích thu hồi vốn hoặc giảm thuế

Trong tương lai gần, các công ty bán lẻ điện năng (LSE) có thể đóng vai trò quan trọng trong việc sử dụng ESS để tối ưu hóa công suất sử dụng cũng như tối đa lợi nhuận của họ Một mối quan ngại khác là việc lập kế hoạch cho ESS được dựa trên

dự báo giá trong các nghiên cứu này và sự ảnh hưởng của công suất nạp/xả của ESS lên giá hệ thống không thể được mô hình hóa trong các cách tiếp cận này Với sự gia tăng về dung lượng cũng như số lượng ESS trong hệ thống, ảnh hưởng này nên được xét đến trong vận hành thị trường điện có ESS

2 Mục tiêu của đề tài

Xuất phát từ các vấn đề đặt ra trên, nghiên cứu sẽ xem xét các vấn đề xung quanh việc tối đa lợi nhuận của công ty bán lẻ điện năng Mục tiêu chính của đề tài như sau:

- Đề xuất bài toán tối ưu 2 lớp với mục tiêu chính là tối đa lợi nhuận của LSE, trong đó: bài toán lớp trên là tối đa lợi nhuận của LSE; bài toán lớp dưới là bài toán cân bằng thị trường Hai bài toán này liên hệ chặt chẽ với nhau và kết quả sau khi giải chính là lợi nhuận kì vọng của LSE cùng với lượng công suất nạp/xả của ESS

- Tích hợp mô hình toán học phức tạp hơn của ESS vào bài toán tối ưu 2 lớp nhằm thu được kết quả chính xác hơn cũng như thể hiện được chính xác hơn quá trình nạp/xả của ESS

3 Nội dung nghiên cứu

Để tích hợp mô hình toán học của ESS vào bài toán, nghiên cứu đề xuất phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn của đường đặc tính nạp/xả của ESS, đưa bài toán từ phi tuyến trở về dạng tuyến tính nguyên thực hỗn hợp Bên cạnh đó, phương pháp xây dựng mô hình bài toán 2 lớp với mục tiêu chính là tối đa lợi nhuận của LSE như sau: bài toán lớp trên tính lợi nhuận của LSE bằng cách lấy doanh thu từ việc bán điện trừ

đi chi phí mua điện từ thị trường bán buôn; bài toán lớp dưới là bài toán cân bằng thị trường được dựa trên bài toán tối ưu hóa trào lưu công suất sử dụng phương pháp dòng điện một chiều Nghiên cứu cũng đề xuất phương pháp giải đồng thời bài toán tối 2 lớp này để cho kết quả chính xác

- Nghiên cứu lý thuyết: thu thập, phân tích và tổng hợp tài liệu, các bài báo khoa học liên quan đến ESS, các phương pháp giải bài toán tối ưu 2 lớp

- Nghiên cứu thực nghiệm và mô hình toán:

 Xây dựng mô hình toán học của ESS

 Xây dựng mô hình bài toán 2 lớp

 Lập trình để giải bài toán tối ưu 2 lớp sử dụng phần mềm GAMS tích hợp

bộ giải tối ưu CPLEX

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Với mức độ thâm nhập ngày càng lớn của các nguồn năng lượng tái tạo như điện gió và điện mặt trời, việc sử dụng ESS trong hệ thống điện được kì vọng là một công

cụ hiệu quả và có tính kinh tế để giảm thiểu tính bất định của các nguồn năng lượng tái tạo này Trong bối cảnh này, việc lập kế hoạch vận hành cho ESS sở hữu bởi các LSE để tối đa hóa lợi nhuận đang được nghiên cứu ngày càng nhiều Do đó, đề tài nghiên cứu “Lập kế hoạch vận hành cho hệ thống tích trữ năng lượng trong thị trường điện ngày tới” sẽ đóng góp một chiến lược khác trong việc vận hành ESS của LSE để tối đa lợi nhuận

Giảng viên hướng dẫn

Ký và ghi rõ họ tên

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Đặng Vũ Kiên

Sinh ngày 14 tháng 3 năm 1997

Học viên lớp đào tạo sau đại học Hệ thống điện – Khóa 2020B – Đại học Bách Khoa

Hà Nội

Xin cam đoan Đề tài “Lập kế hoạch vận hành của hệ thống pin tích trữ năng lượng

trong thị trường điện ngày tới” do giảng viên TS Lê Thị Minh Châu hướng dẫn là

nghiên cứu của riêng tôi Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Hà Nội, ngày 18 tháng 5 năm 2023

Học viên

Luận văn được hoàn thành nhờ sự chỉ bảo, góp ý tận tình của các Thầy, Cô giáo Tuy đã nỗ lực rất nhiều nhưng do thiếu kinh nghiệm thực tế và kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, em rất mong nhận được các ý kiến đánh giá, chỉ bảo của các Thầy Cô giáo để em được mở rộng, nâng cao kiến thức

Em xin chân thành cảm các Thầy Cô giáo trong bộ môn Hệ Thống Điện, đặc biệt

là cô giáo Lê Thị Minh Châu đã tận tình giúp đỡ em trong thời gian vừa qua Em rất mong muốn sẽ tiếp tục nhận được sự giúp đỡ của các Thầy, Cô giáo trong quá trình công tác sau này

Tóm tắt nội dung luận văn

Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của Battery, tính bất định của phụ tải đến doanh thu của đơn vị sở hữu Battery Trong đề tài, các mô hình Battery trong chế độ xác lập được trình bày một cách chi tiết, bài toán lập kế hoạch vận hành cho Battery theo phương pháp truyền thống được đưa ra và so sánh với bài toán lập kế hoạch vận hành cho Battery sử dụng tối ưu hai lớp Cả hai mô hình: truyền thống và tối ưu hai lớp được đề xuất để xét ảnh hưởng của tính bất định của phụ tải và kết quả sẽ được so sánh với nhau Ngoài ra mô hình tối ưu hai lớp còn xét được ảnh hưởng của Battery lên giá biên nút LMP Mô hình bài toán tối ưu hai lớp có thể chuyển về một lớp sử dụng định lý Karush-Kuhn-Tucker (KKT) trở thành mô hình bài toán tối ưu một lớp

có ràng buộc cân bằng MPEC (Mathematical Program with Equilibrium Constraints)

Sử dụng lý thuyết đối ngẫu mạnh (Strong duality theory), bài toán MPEC được biến đổi thành mô hình bài toán tối ưu tuyến tính nguyên thực hỗn hợp MILP (Mixed-Integer Linear Programming) để có thể giải được bằng các phần mềm thương mại Các kết quả tính toán sẽ được thực hiện trên các lưới điện mẫu 5 nút PJM và 24 nút IEEE

Luận văn này gồm các nội dung chính như sau:

1 Chương 1: Giới thiệu đề tài

2 Chương 2: Các mô hình Battery trong chế độ xác lập

3 Chương 3: Mô hình cân bằng thị trường

4 Chương 4: Chiến lược vận hành Battery của công ty bán lẻ điện năng

5 Chương 5: Áp dụng tính toán lưới điện mẫu

Hà Nội, ngày 18 tháng 05 năm 2023

Học viên thực hiện

Đặng Vũ Kiên

CÁC ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN

 Trình bày các mô hình Battery trong chế độ xác lập

 Xây dựng kế hoạch vận hành cho Battery theo phương pháp truyền thống

 Xây dựng kế hoạch vận hành cho Battery dựa trên tối ưu hai lớp

 Phân tích ảnh hưởng của Battery tới lợi nhuận của đơn vị sở hữu và giá biên

nút LMP

 Phân tích ảnh hưởng của độ bất định phụ tải tới lợi nhuận của đơn vị bán lẻ

điện

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ x

DANH MỤC BẢNG BIỂU xii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiii

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.1 CÁC MÔ HÌNH PHÁT TRIỂN CỦA THỊ TRƯỜNG ĐIỆN 1

1.1.1 Mô hình 1: Độc quyền 1

1.1.2 Mô hình 2: Công ty mua bán điện – Phát điện cạnh tranh 2

1.1.3 Mô hình 3: Thị trường bán buôn cạnh tranh 2

1.1.4 Mô hình 4: Thị trường bán lẻ cạnh tranh 3

1.2 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THỊ TRƯỜNG ĐIỆN VIỆT NAM 5

1.2.1 Lộ trình thực hiện phát triển thị trường điện tại Việt Nam 5

1.2.2 Thị trường phát điện cạnh tranh Việt Nam (VCGM) 5

1.2.3 Thị trường bán buôn điện cạnh tranh Việt Nam (VWEM) 10

1.3 SỰ CẦN THIẾT CỦA HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG (ESS) 12

1.4 CÁC LOẠI CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG 12

1.4.1 Thủy điện tích năng 12

1.4.2 Khí nén (Compressed Air Energy Storage – CAES) 13

1.4.3 Battery 15

1.5 CÁC NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ VỀ ĐỀ TÀI 17

1.6 CÁC ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 18

1.7 CÁC NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 18

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH BATTERY TRONG CHẾ ĐỘ XÁC LẬP 20

2.1 MÔ HÌNH LÝ TƯỞNG 20

2.2 MÔ HÌNH PHI TUYẾN 21

2.3 MÔ HÌNH TUYẾN TÍNH HÓA 22

2.4 NHẬN XÉT 26

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH CÂN BẰNG THỊ TRƯỜNG 27

3.1 PHƯƠNG PHÁP DÒNG ĐIỆN 1 CHIỀU (DCPF) 27

3.2 HỆ SỐ PHÂN BỐ DỊCH CHUYỂN CÔNG SUẤT GSF (HAY PTDF) 28

3.3 TRÀO LƯU CÔNG SUẤT TỐI ƯU NHIỀU GIAI ĐOẠN (MP-OPF) 35

3.3.1 Mô hình toán học cơ bản của bài toán MP-OPF 35

3.3.2 Mô hình trào lưu công suất tối ưu nhiều giai đoạn có xét tính bất định 36

3.3.3 Mô hình trào lưu công suất tối ưu nhiều giai đoạn có xét Battery và tính bất định 38

3.4 GIÁ BIÊN NÚT (LMP) VÀ CÁC THÀNH PHẦN 40

3.4.1 Khái niệm giá biên nút 40

3.4.2 LMP khi chưa xét ràng buộc giới hạn nhánh 42

3.4.3 LMP khi xét đến ràng buộc giới hạn nhánh 43

3.5 KẾT LUẬN 46

CHƯƠNG 4 CHIẾN LƯỢC VẬN HÀNH BATTERY CỦA CÔNG TY BÁN LẺ ĐIỆN NĂNG 47

4.1 GIỚI THIỆU CHIẾN LƯỢC VẬN HÀNH CỦA BATTERY 47

4.2 KẾ HOẠCH VẬN HÀNH TRUYỀN THỐNG CỦA BATTERY 49

4.3 KẾ HOẠCH VẬN HÀNH BATTERY DỰA TRÊN TỐI ƯU HAI LỚP 50

4.3.1 Mô hình tổng quát của bài toán 50

4.3.2 Mô hình tối ưu có ràng buộc cân bằng (MPEC) 52

4.3.3 Mô hình tối ưu tuyến tính nguyên thực hỗn hợp (MILP) 54

4.4 KẾ HOẠCH VẬN HÀNH CỦA BATTERY DỰA TRÊN TỐI ƯU HAI LỚP CÓ XÉT TÍNH BẤT ĐỊNH 57

4.5 KẾT LUẬN 59

CHƯƠNG 5 ÁP DỤNG TÍNH TOÁN 60

5.1 LƯỚI 5 NÚT PJM 60

5.1.1 Dữ liệu đầu vào 60

5.1.2 Số lượng biến nguyên, biến liên tục và ràng buộc 62

5.1.3 So sánh, nhận xét các kết quả tính toán 62

5.2 LƯỚI ĐIỆN 24 NÚT IEEE 66

5.2.1 Dữ liệu đầu vào 66

5.2.2 Số lượng biến nguyên, biến liên tục và ràng buộc 69

5.2.3 So sánh, nhận xét các kết quả tính toán 69

5.3 KẾT LUẬN 76

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 77

CHƯƠNG 7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

CHƯƠNG 8 PHỤ LỤC PHẦN LẬP TRÌNH 80

8.1 LẬP TRÌNH LƯỚI 5 NÚT 80

8.2 LẬP TRÌNH LƯỚI 24 NÚT 83

Hình 1-1 Mô hình độc quyền 1

Hình 1-2 Mô hình công ty mua bán điện 2

Hình 1-3 Mô hình thị trường bán buôn cạnh tranh 3

Hình 1-4 Mô hình thị trường bán lẻ cạnh tranh 4

Hình 1-5 Lộ trình thực hiện phát triển thị trường điện tại Việt Nam 5

Hình 1-6 Sơ đồ vận hành VCGM 6

Hình 1-7 Sơ đồ đơn giản thủy điện tích năng 13

Hình 1-8 Nhà máy CAES Nguồn: RWE AG 14

Hình 1-9 Cấu tạo Battery Li-ion Nguồn: HowStuffWorks 15

Hình 1-10 Quá trình nạp của Battery Li-ion Nguồn: HowStuffWorks 16

Hình 1-11 Quá trình xả của Battery Li-ion Nguồn: HowStuffWorks 17

Hình 2-1 Miền làm việc của Battery trong không gian biến % , , d out P SOC P      24

Hình 2-2 Miền làm việc của Battery trong không gian biến P SOC c, %,P in 25

Hình 3-1 Ảnh hưởng của thay đổi công suất nút lên dòng công suất đường dây 29

Hình 3-2 Ảnh hưởng của vị trí thay đổi công suất nút lên đường dây 32

Hình 3-3 Thay đổi công suất vào và ra tại các nút 42

Hình 3-4 Thay đổi công suất vào và ra tại các nút có xét ảnh hưởng đến nhánh 43

Hình 4-1 Cấu trúc thị trường điện và LSEs có lắp đặt Battery 49

Hình 4-2 Sơ đồ khối bài toán tối ưu 2 lớp 50

Hình 4-3 Sơ đồ khối bài toán tối ưu 2 lớp có xét tính bất định 57

Hình 5-1 Sơ đồ lưới điện 5 nút PJM 60

Hình 5-2 Đồ thị phụ tải ngày (5 kịch bản) lưới 5 nút PJM 61

Hình 5-3 Lợi nhuận LSE với các mức dung lượng Battery khác nhau trong các bài toán khác nhau 63

Hình 5-4 LMP ngày tới tại nút D với các mức dung lượng Battery khác nhau 64

Hình 5-5 Năng lượng Battery trong các kế hoạch vận hành khác nhau 65

Hình 5-6 LMP tại nút D trong các kế hoạch vận hành khác nhau 65

Hình 5-7 Sơ đồ lưới 24 nút IEEE 66

Hình 5-8 Đồ thị phụ tải ngày (5 kịch bản) lưới 24 nút IEEE 67

Hình 5-9 Năng lượng Battery trong kế hoạch vận hành truyền thống 70

Hình 5-10 Năng lượng Battery trong kế hoạch vận hành tối ưu 2 lớp 71

Hình 5-11 LMP trong bài toán tối ưu thị trường điện gốc (không có Battery) 72

Hình 5-12 LMP trong kế hoạch vận hành truyền thống 72

Hình 5-13 LMP trong kế hoạch vận hành tối ưu 2 lớp 73

Hình 5-14 LMP với các giá trị độ lệch chuẩn khác nhau 74

Hình 5-15 Mức năng lượng Battery với các giá trị độ lệch chuẩn khác nhau 75

Hình 5-16 Lợi nhuận của từng kịch bản ứng với các giá trị độ lệch chuẩn khác nhau 75

Bảng 5-1 Xác suất từng kịch bản phụ tải lưới 5 nút 61

Bảng 5-2 Thông số Battery lưới 5 nút PJM 61

Bảng 5-3 Đặc tính kinh tế - kỹ thuật của các tổ máy lưới điện 5 nút PJM 62

Bảng 5-4 Dữ liệu nhánh của lưới 5 nút PJM 62

Bảng 5-5 Xác suất từng kịch bản phụ tải lưới 24 nút 67

Bảng 5-6 Thông số Battery lưới 24 nút 68

Bảng 5-7 Đặc tính kinh tế - kỹ thuật cúa các tổ máy lưới điện 24 nút 68

Bảng 5-8 Dữ liệu nhánh của lưới 24 nút IEEE 68

Bảng 5-9 Lợi nhuận kỳ vọng LSE khi không có Battery và có Battery trong các kế hoạch vận hành khác nhau 69

Bảng 5-10 Thông số của Battery – trường hợp thay đổi độ lệch chuẩn σ 74

Bảng 5-11 Lợi nhuận kì vọng tương ứng với các giá trị độ lệch chuẩn 74

Từ viết tắt Tên đầy đủ tiếng Anh Tên đầy đủ tiếng Việt

AC Alternate Current Dòng điện xoay chiều

BOT Build-Operate-Transfer Xây dựng-Vận hành-Chuyển giao CAES Compressed Air Energy

Storage

Lưu trữ điện năng bằng khí nén CfD Contract for Difference Hợp đồng sai khác

DAM Day Ahead Market Thị trường ngày tới

DC Diirect Current Dòng điện một chiều

DCOPF DC Optimal Power Flow Trào lưu công suất tối ưu sử dụng

phương pháp dòng điện một chiều DCPF DC Power Flow Phương pháp dòng điện một chiều Disco Distribution Company Công ty phân phối điện năng

ED Economic Dispatch Bài toán phân bố tối ưu công suất EPTC Electric Power Trading

Company

Công ty mua bán điện ESS Energy Storage System Hệ thống tích trữ năng lượng

GSF Generalized Shift Factor Hệ số thay đổi

IEEE Institute of Electrical and

LMP Locational Marginal Price Giá biên nút

LSE Load Serving Entity Công ty bán lẻ điện năng

MILP Mixed-Integer Linear

Jersey-PPA Power Purchase Agreement Hợp đồng mua bán điện

PTDF Power Transfer Distribution

Factor

Hệ số phân bố dịch chuyển công suất truyền tải

RD Ramp-rate Down Giới hạn giảm công suất

RPF Repeated Power Flow Thuật toán lặp trào lưu công suất RSO Regional System Operator Đơn vị vận hành hệ thống khu vực

RU Ramp-rate Up Giới hạn tăng công suất

SCES Super Capacitor Energy

Storage

Lưu trữ điện năng bằng siêu tụ điện

SMES Superconducting Magnetic

Market

Thị trường bán buôn điện cạnh tranh Việt Nam

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Chương này giới thiệu về các mô hình thị trường điện trên lý thuyết được đề cập trong [1], từ đó hiểu được cơ bản về mô hình thị trường điện và sự phát triển thị trường điện của Việt Nam Đồng thời, chương này cũng giới thiệu về hệ thống tích trữ năng lượng (Energy Storage System – ESS) và vai trò của hệ thống tích trữ năng lượng trong thị trường điện, từ đó đưa ra sự cần thiết của đề tài

1.1 CÁC MÔ HÌNH PHÁT TRIỂN CỦA THỊ TRƯỜNG ĐIỆN

1.1.1 Mô hình 1: Độc quyền

Hình 1-1 Mô hình độc quyền Trong mô hình (a) là mô hình tích hợp dọc hoàn toàn Trong

mô hình (b), có thể có một hoặc nhiều công ty phân phối độc lập

Mô hình độc quyền được thể hiện như Hình 1-1 Mô hình (a) tương ứng với trường hợp đơn vị sở hữu toàn bộ phần phát điện, truyền tải điện và phân phối điện Trong

mô hình (b), phần phát điện và truyền tải thuộc sở hữu của một công ty, công ty này

sẽ bán điện năng đến các công ty phân phối điện độc quyền địa phương Mô hình độc quyền trên không ngăn cấm các hợp đồng song phương giữa các công ty ở những vị trí địa lý khác nhau Có thể thấy trong hình trên, các hợp đồng song phương này xảy

ra ở cấp độ bán buôn

1.1.2 Mô hình 2: Công ty mua bán điện – Phát điện cạnh tranh

Hình 1-2 Mô hình công ty mua bán điện (a) mô hình tích hợp dọc; (b) mô hình phân tách

điện không còn sở hữu toàn bộ phần nguồn nữa Các nhà máy điện độc lập (IPP) được kết nối vào lưới điện và bán điện năng cho công ty mua bán điện Hình 1-2(b) cho thấy

mô hình cải tiến hơn khi mà đơn vị bán điện trở thành công ty mua bán điện và mua toàn bộ điện năng từ các IPP Phần phân phối và bán lẻ cũng được tách riêng ra Các công ty phân phối điện năng (Disco) sẽ mua điện từ công ty mua bán điện duy nhất

Do đó, giá mua và bán điện đưa ra bởi công ty mua bán điện cần phải được điều chỉnh

vì nó sở hữu toàn bộ thị trường phân phối điện và cũng là nơi duy nhất mà các IPP có thể bán điện năng

1.1.3 Mô hình 3: Thị trường bán buôn cạnh tranh

Hình 1-3 Mô hình thị trường bán buôn cạnh tranh

Trong mô hình này, các Disco mua điện năng mà được tiêu thụ bởi khách hàng của họ trực tiếp từ các công ty phát điện Các giao dịch này diễn ra ở thị trường điện bán buôn Các khách hàng lớn như xí nghiệp, nhà máy, khu công nghiệp được phép mua điện trực tiếp từ công ty phát điện ở thị trường bán buôn Ở cấp độ bán buôn, chức năng duy nhất còn độc quyền là sự vận hành thị trường giao ngay và sự vận hành

hệ thống lưới truyền tải Ở cấp độ bán lẻ, hệ thống này vẫn còn mang tính độc quyền bởi mỗi Disco không chỉ vận hành lưới phân phối ở khu vực đó mà còn mua điện thay cho các khách hàng thuộc khu vực mà nó cung cấp dịch vụ

Mô hình này tạo ra sự cạnh tranh giữa các công ty phát điện bởi giá bán buôn được quyết định bởi mối quan hệ giữa cung và cầu Mặt khác, giá bán lẻ cần phải được điều chỉnh bởi các khách hàng không thể chọn một Disco khác nếu giá bán lẻ quá cao

1.1.4 Mô hình 4: Thị trường bán lẻ cạnh tranh

Hình 1-4 Mô hình thị trường bán lẻ cạnh tranh

đó các khách hàng có quyền trực tiếp lựa chọn công ty bán điện năng cho mình Bởi

vì các chi phí giao dịch nên các khách hàng lớn lựa chọn mua điện trực tiếp từ thị trường bán buôn Các khách hàng nhỏ và trung mua điện từ các công ty bán lẻ, các công ty này lại mua điện từ thị trường bán buôn Trong mô hình này, chức năng vận hành lưới phân phối của công ty phân phối điện được tách biệt khỏi chức năng bán lẻ bởi vì họ không còn sự độc quyền địa phương cho việc cung cấp điện năng trong khu vực lưới điện của họ Vì vậy, các chức năng duy nhất có tính độc quyền là cung cấp

và vận hành lưới truyền tải và lưới phân phối

Một khi mô hình cạnh tranh hoàn chỉnh được thiết lập, giá bán lẻ không còn cần phải được điều chỉnh bởi các khách hàng nhỏ có thể thay đổi công ty bán lẻ khi họ được đề nghị mức giá tốt hơn

Chi phí cho lưới truyền tải và lưới phân phối được phân bổ cho các bên sử dụng lưới điện Việc này được thực hiện bởi một đơn vị duy nhất bởi vì tính độc quyền của chúng

1.2 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THỊ TRƯỜNG ĐIỆN VIỆT NAM

1.2.1 Lộ trình thực hiện phát triển thị trường điện tại Việt Nam

Hình 1-5 Lộ trình thực hiện phát triển thị trường điện tại Việt Nam

 Các giai đoạn thực hiện Thị trường điện Việt Nam:

 Thị trường phát điện cạnh tranh Việt Nam (VN Competitive Generation Market - VCGM)

 Thị trường bán buôn điện cạnh tranh Việt Nam (VN Wholesale Electricity Market - VWEM)

 Thị trường bán lẻ điện cạnh tranh Việt Nam (VN Electricity Retail Market - VRM)

 Mỗi giai đoạn được thực hiện theo 02 bước: Thí điểm (Pilot Operation) và hoàn chỉnh (Full Operation)

1.2.2 Thị trường phát điện cạnh tranh Việt Nam (VCGM)

 VCGM là thị trường điều độ tập trung chào giá ngày tới theo chi phí (Day Ahead Mandatory Cost-Based Pool) Vào trước ngày giao dịch, các bản chào giá của các nhà máy điện cho từng chu kì giao dịch hàng giờ của ngày giao dịch được nộp cho SMO (System Market Operator) Dựa trên các bản chào giá, SMO lập lịch huy động dự kiến cho ngày tới bằng phương pháp tối ưu chi phí phát điện có tính đến các ràng buộc kĩ thuật và an ninh trong hệ thống điện

Hình 1-6 Sơ đồ vận hành VCGM

a) Mục tiêu của thị trường phát điện cạnh tranh VCGM

 Tạo môi trường cạnh tranh rõ ràng trong khâu phát điện nhằm giảm chi phí và nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh cũng như trách nhiệm đối với chủ sở hữu của các nhà máy điện Khâu phát điện, thông qua hoạt động của thị trường điện quy luật cung cầu và cạnh tranh sẽ được phản ánh thực chất hơn Trong

cơ chế thị trường điện người sản xuất và cung cấp điện phải quan tâm đúng mức đến đầu tư phát triển và nâng cao hiệu quả vận hành nhằm mục tiêu giảm chi phí, nâng cao khả năng cạnh tranh của các nhà máy điện

 Tạo môi trường hấp dẫn khuyến khích các nhà đầu tư Thị trường điện cạnh tranh không còn là sân chơi độc quyền của EVN Bất kì nhà đầu tư nào cũng

b) Cơ cấu và nguyên tắc hoạt động của thị trường

 Cơ cấu của thị trường: Thị trường phát điện cạnh tranh Việt Nam gồm 2 thị trường thành phần chính sau:

 Thị trường hợp đồng: Các đơn vị phát điện ký hợp đồng với Đơn vị mua buôn duy nhất theo cơ chế hợp đồng

 Thị trường điện giao ngay: áp dụng mô hình thị trường điều độ tập trung chào giá theo chi phí (tiếng Anh: Mandatory Cost-based Gross Pool)

 Nguyên tắc hoạt động của thị trường

 Trong thị trường phát điện cạnh tranh VCGM, toàn bộ điện năng phát của các nhà máy điện được bán cho đơn vị mua buôn duy nhất, lịch huy động các tổ máy được lập căn cứ trên bản chào giá theo chi phí biến đổi Điện năng mua bán được thanh toán theo giá hợp đồng và giá thị trường giao ngay của từng chu kỳ giao dịch thông qua hợp đồng sai khác

 Tỷ lệ điện năng thanh toán theo giá hợp đồng cho năm đầu tiên của thị trường được quy định ở mức bằng 90% - 95% tổng sản lượng điện phát của nhà máy, phần còn lại được thanh toán theo giá thị trường giao ngay Tỷ lệ này sẽ được giảm dần qua các năm tiếp theo để tăng tính cạnh tranh trong hoạt động phát điện, nhưng không thấp hơn 60%

c) Cơ chế hợp đồng mua bán điện trong thị trường

 Các nhà máy điện tham gia cạnh tranh trên thị trường (trừ các nhà máy điện BOT, các nhà máy thuỷ điện chiến lược đa mục tiêu): ký hợp đồng mua bán điện (PPA) dưới dạng hợp đồng sai khác (CfD) với Đơn vị mua buôn duy nhất Giá hợp đồng được quy đổi từ giá công suất và giá điện năng do hai bên thoả thuận nhưng không vượt quá khung giá cho nhà máy điện chuẩn do Bộ Công Thương ban hành Sản lượng hợp đồng hàng năm được xác định trước khi bắt đầu năm vận hành theo kết quả tính toán tối ưu hệ thống điện của năm tiếp theo Tỷ lệ sản lượng thanh toán theo giá hợp đồng do Cục Điều tiết điện lực quy định hàng năm Sản lượng thanh toán theo giá hợp đồng của từng chu kỳ giao dịch được tính toán phân bổ từ sản lượng hợp đồng hàng năm

 Các nhà máy điện BOT: do Đơn vị mua buôn duy nhất chào giá thay trong thị trường để thực hiện nghĩa vụ bao tiêu trong các hợp đồng PPA và tối ưu chí phí mua điện của Đơn vị mua buôn duy nhất

 Các nhà máy thuỷ điện chiến lược đa mục tiêu: ký hợp đồng mua bán điện với Đơn vị mua buôn duy nhất theo mẫu do Bộ Công Thương ban hành, đảm bảo cho các nhà máy thu hồi đủ chi phí thực tế

 Các nhà máy điện cung cấp các dịch vụ phụ trợ (dự phòng khởi động nhanh,

dự phòng nguội và dự phòng vận hành phải phát do ràng buộc an ninh hệ thống điện): ký hợp đồng hàng năm với Đơn vị vận hành hệ thống điện và thị trường điện theo mẫu do Bộ Công Thương ban hành

d) Cơ chế vận hành của thị trường điện giao ngay

 Thị trường điện giao ngay có chu kỳ giao dịch là một giờ Các đơn vị phát điện công bố công suất sẵn sàng và chào giá phát điện của từng tổ máy cho từng chu kỳ giao dịch của ngày tới

 Các nhà máy nhiệt điện chào giá theo chi phí biến đổi của từng tổ máy trong giới hạn giá trần của nhà máy sử dụng công nghệ chuẩn Các nhà máy thuỷ điện chào giá phát điện trong phạm vi từ 80% đến 110% giá trị nước do Đơn

vị vận hành hệ thống điện và thị trường điện tính toán và công bố cho từng nhà máy

 Lịch huy động các tổ máy được Đơn vị vận hành hệ thống điện và thị trường điện lập cho từng chu kỳ giao dịch căn cứ trên bản chào giá của các tổ máy, dự báo phụ tải hệ thống điện và khả năng tải của lưới điện truyền tải theo nguyên tắc tổng chi phí mua điện là thấp nhất

 Giá điện năng thị trường giao ngay (SMP) được Đơn vị vận hành hệ thống điện

và thị trường điện xác định cho từng chu kỳ giao dịch theo nguyên tắc giá biên

hệ thống điện căn cứ trên phụ tải thực tế của hệ thống, các bản chào giá và công suất sẵn sàng thực tế của các tổ máy

 Giá thị trường toàn phần cho từng chu kỳ giao dịch sử dụng trong tính toán thanh toán hợp đồng CfD được xác định bằng tổng giá điện năng thị trường và giá công suất thị trường

e) Cơ chế giá công suất thị trường

 Các nhà máy điện tham gia cạnh tranh trên thị trường (trừ các nhà máy điện BOT, các nhà máy thuỷ điện chiến lược đa mục tiêu) được thanh toán giá công suất thị trường khi được lập lịch huy động

 Giá công suất thị trường được xác định hàng năm đảm bảo cho Nhà máy điện mới tốt nhất (là nhà máy nhiệt điện chạy nền, có tổng chi phí phát điện thấp nhất trong các nhà máy mới được đưa vào vận hành trong năm) thu hồi đủ tổng chi phí phát điện trong năm

 Giá công suất thị trường được xác định cho từng giờ, tỷ lệ thuận với phụ tải hệ thống điện giờ cao điểm và giờ bình thường Giá công suất giờ thấp điểm bằng zero (0)

f) Cơ chế cung cấp dịch vụ phụ trợ trong thị trường

 Các dịch vụ phụ trợ trong thị trường điện (dự phòng khởi động nhanh, dự phòng nguội và dự phòng vận hành phải phát để đảm bảo an ninh hệ thống điện) do các đơn vị phát điện cung cấp theo hợp đồng ký hàng năm với Đơn vị vận hành

hệ thống điện và thị trường điện

 Số lượng dịch vụ phụ trợ cần thiết hàng năm do Đơn vị vận hành hệ thống điện

và thị trường điện xác định để đảm bảo an ninh vận hành hệ thống điện Giá các dịch vụ phụ trợ được xác định đảm bảo cho các nhà máy điện thu hồi đủ chi phí thực tế Tổng chi phí dịch vụ phụ trợ hàng năm được Đơn vị vận hành

hệ thống điện và thị trường điện xây dựng và trình duyệt trong tổng chi phí vận hành hệ thống điện và thị trường điện hàng năm

 Dịch vụ điều chỉnh tần số và dự phòng quay được thanh toán cho toàn bộ lượng công suất được lập lịch huy động theo giá công suất thị trường và cho toàn bộ điện năng phát theo giá điện năng thị trường

g) Cơ chế thanh toán trong thị trường

 Chu kỳ thanh toán trong thị trường là một tháng

 Đơn vị vận hành hệ thống điện và thị trường điện chịu trách nhiệm tính toán

và công bố các khoản thanh toán trong thị trường điện giao ngay cho từng chu

kỳ giao dịch và cho toàn bộ chu kỳ thanh toán

 Căn cứ số liệu thanh toán do Đơn vị vận hành hệ thống điện và thị trường điện công bố và hợp đồng mua bán điện đã ký với Đơn vị mua buôn duy nhất, đơn

vị phát điện tính toán và phát hành hoá đơn cho chu kỳ thanh toán

 Căn cứ số liệu thanh toán do Đơn vị vận hành hệ thống điện và thị trường điện công bố và hợp đồng mua bán điện đã ký với đơn vị phát điện, Đơn vị mua buôn duy nhất chịu trách nhiệm kiểm tra và thực hiện thanh toán cho các nhà máy điện

 Căn cứ số liệu thanh toán do Đơn vị vận hành hệ thống điện và thị trường điện công bố và hợp đồng cung cấp dịch vụ phụ trợ đã ký, đơn vị phát điện phát hành hoá đơn cho các dịch vụ phụ trợ đã cung cấp trong chu kỳ thanh toán

h) Các đơn vị tham gia VCGM

 Các nhà máy Thủy điện đa mục tiêu như Hòa Bình, Sơn La…

 Các nhà máy BOT Các nhà máy BOT được thanh toán theo hợp đồng BOT đã

kí

 Các nhà máy điện có công suất lớn hơn 30MW

 Đơn vị vận hành hệ thống và vận hành thị trường SMO

 Đơn vị mua duy nhất là Công ty Mua bán điện EPTC trực thuộc Tập đoàn Điện lực Việt Nam

 Đơn vị truyền tải điện NPT là đơn vị sở hữu và vận hành hệ thống truyền tải điện quốc gia với nhiệm vụ đảm bảo truyền tải điện từ các nhà máy phát điện đến công ty phân phối

 Đơn vị phân phối điện PC Các công ty phân phối trong thị trường điện có nghĩa

vụ mua điện từ Công ty mua bán điện và các nhà máy điện nhỏ có công suất đặt dưới 30MW đấu nối trực tiếp vào lưới điện phân phối để bán lẻ cho các khách hàng thuộc phạm vi quản lí của mình Đầu tư, quản lí, bảo dưỡng lưới điện phân phối để đảm bảo chất lượng vận hành tốt nhất với tổn thất nhỏ nhất

1.2.3 Thị trường bán buôn điện cạnh tranh Việt Nam (VWEM)

a) Thành viên tham gia thị trường bán buôn điện cạnh tranh

 Bên mua điện gồm:

- 05 Tổng công ty Điện lực;

- Khách hàng sử dụng điện lớn mua điện từ cấp điện áp 110 kV trở lên đấu nối trực tiếp vào trạm biến áp truyền tải cấp điện áp 220 kV đáp ứng các điều kiện theo quy định của Bộ Công Thương có quyền lựa chọn tham gia thị trường bán buôn điện cạnh tranh;

- Công ty Mua bán điện (thuộc Tập đoàn Điện lực Việt Nam): Thực hiện nhiệm vụ mua điện từ các nhà máy điện không tham gia thị trường bán buôn điện cạnh tranh và bán sản lượng điện này cho các Tổng công ty Điện lực theo quy định của Bộ Công Thương;

- Đơn vị mua điện mới được phép tham gia thị trường bán buôn điện cạnh tranh khi đáp ứng các điều kiện theo quy định của Bộ Công Thương

 Các đơn vị cung cấp dịch vụ:

- Đơn vị vận hành hệ thống điện và thị trường điện: Trung tâm Điều độ hệ thống điện quốc gia;

- Đơn vị truyền tải điện: Tổng công ty Truyền tải điện quốc gia;

- Đơn vị phân phối điện: Các Tổng công ty Điện lực;

- Đơn vị cung cấp dịch vụ thu thập và quản lý số liệu đo đếm điện năng

b) Thị trường điện giao ngay

 Mô hình thị trường: Áp dụng mô hình thị trường chào giá theo chi phí Based Pool);

(Cost- Chu kỳ giao dịch: 30 phút;

 Chu kỳ điều độ: 30 phút;

 Chào giá: áp dụng chào giá ngày tới, Trong ngày D-1, đơn vị phát điện lập bản chào giá cho 48 chu kỳ giao dịch của ngày D và gửi cho Đơn vị vận hành hệ thống điện và thị trường điện Đơn vị phát điện thực hiện chào giá trong phạm

vi giá sàn và giá trần cho toàn bộ công suất khả dụng của các tổ máy phát điện Giá trần bản chào các tổ máy nhiệt điện được tính toán theo Quy định thị trường bán buôn điện cạnh tranh Giá trần bản chào của các tổ máy thủy điện được xác định trên cơ sở giá trị nước do Đơn vị vận hành hệ thống điện và thị trường điện tính toán Bản chào giá của đơn vị phát điện bao gồm tối đa 10 cặp giá chào (đ/kWh) và công suất (MW) của từng tổ máy phát điện trong từng chu kỳ giao dịch

 Hợp đồng song phương: Bên bán và bên mua tự đàm phán, thống nhất về giá

và sản lượng cam kết, ký kết hợp đồng song phương dưới dạng hợp đồng sai khác;

 Cơ chế giao dịch hợp đồng tập trung: Các đơn vị tham gia chào bán hoặc chào mua sản lượng hợp đồng trên sàn giao dịch theo Quy định thị trường bán buôn điện cạnh tranh Giao dịch hợp đồng tập trung nhằm xử lý các chênh lệch (thừa hoặc thiếu) giữa sản lượng hợp đồng đã ký so với nhu cầu phụ tải hoặc khả năng phát thực tế của các đơn vị

d) Cơ chế cung cấp các dịch vụ phụ trợ

 Đối với dịch vụ điều chỉnh tần số (bao gồm: dịch vụ điều tần và dịch vụ dự phòng quay): Mua trên thị trường giao ngay Khi áp dụng xác định giá thị trường trước vận hành (ex-ante) thực hiện cơ chế đồng tối ưu giữa điện năng

và dịch vụ điều chỉnh tần số;

 Đối với các dịch vụ phụ trợ khác phục vụ vận hành hệ thống điện: Đơn vị vận hành hệ thống điện và thị trường điện ký hợp đồng với các đơn vị cung cấp dịch vụ thông qua cơ chế đấu thầu cạnh tranh hoặc chỉ định đơn vị cung cấp dịch vụ

e) Cơ chế thanh toán

 Thanh toán trên thị trường giao ngay: Đơn vị vận hành hệ thống điện và thị trường điện tính toán các khoản thanh toán và thực hiện thanh toán cho các đơn

vị trên thị trường giao ngay theo Quy định thị trường bán buôn điện cạnh tranh Các đơn vị mua điện trên thị trường giao ngay có trách nhiệm thực hiện quy định về bảo lãnh thanh toán tiền điện trên thị trường giao ngay

 Thanh toán hợp đồng: Bên bán điện và bên mua điện trực tiếp thực hiện thanh toán theo quy định trong hợp đồng mua bán điện được ký giữa hai bên

 Thanh toán các chi phí dịch vụ trong thị trường bán buôn điện cạnh tranh

1.3 SỰ CẦN THIẾT CỦA HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG (ESS)

Gần đây, ngành công nghiệp năng lượng đã và đang bước vào kỷ nguyên của sự phát triển mạnh các nguồn năng lượng tái tạo và các công nghệ lưới thông minh Việc

đề ra phương án quy hoạch hướng đến một lưới điện hiện đại và tiên tiến là nhiệm vụ của đơn vị vận hành hệ thống độc lập (Independent System Operator-ISO) hay các đơn vị điều độ hệ thống

Phần lớn các thách thức đến từ bản chất bất định của năng lượng tái tạo (phần lớn

là gió và mặt trời) và tính phức tạp trong vận hành của các nguồn điện tái tạo trong vận hành thị trường điện Các nguồn điện gió và mặt trời phụ thuộc vào yếu tố tự nhiên là bức xạ mặt trời và tốc độ gió Hai yếu tố này luôn luôn biến đổi bất thường, khó dự báo chính xác nên điện năng tạo ra từ chúng cũng không ổn định, không đảm bảo nhu cầu sử dụng điện liên tục của phụ tải Việc sử dụng ESS để tăng độ linh hoạt trong vận hành được xem như là sự bổ sung hợp lý cho hệ thống với số lượng lớn nguồn năng lượng tái tạo Vì vậy, ảnh hưởng và lợi ích của ESS khi tích hợp vào lưới đang được nghiên cứu và đã được đưa vào thử nghiệm cho các công ty bán lẻ điện năng (Load Serving Entities-LSEs) ở thị trường bán buôn Khi việc sử dụng ESS của LSEs trở nên cần thiết với quy mô ngày càng lớn trong tương lai gần, tồn tại những

cơ hội cho LSEs hiểu tốt hơn làm thế nào để vận hành tối ưu ESS với mục đích thu hồi vốn hoặc giảm thuế

1.4 CÁC LOẠI CÔNG NGHỆ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG

Theo [2], hệ thống tích trữ năng lượng có một số loại công nghệ như sau:

 Siêu dẫn từ tính (Superconducting Magnetic Energy Storage – SMES)

 Khí nén (Compressed Air Energy Storage – CAES)

 Siêu tụ điện (Super Capacitor Enery Storage – SCES)

 Thủy điện tích năng

 Battery

 Bánh răng

 Chuyển đổi công suất điện thành nhiên liệu khí (hydrogen)

Trong đó, các công nghệ đang được sử dụng phổ biến hiện nay là thủy điện tích năng, Battery và khí nén

1.4.1 Thủy điện tích năng

Đây là kiểu nhà máy thủy điện không sử dụng năng lượng của dòng sông mà nhiệm vụ của nó chỉ là biến đổi 2 chiều: điện năng của hệ thống thành cơ năng của nước và ngược lại Vì không sử dụng năng lượng của dòng sông nên vị trí xây dựng thủy điện tích năng thường ở những nơi có vị trí cao thuận lợi xây dựng được hồ, bên

cạnh khu vực thấp luôn có nước để có thể bơm nước lên hồ và thoát nước cho nhà máy Ưu tiên các vị trí gần các trung tâm phụ tải để giảm tổn thất cho lưới

Hình 1-7 Sơ đồ đơn giản thủy điện tích năng

hỗn hợp Sự khác biệt chủ yếu ở đây là trong nhà máy vừa có tua-bin nước vừa có bơm Tua-bin để quay máy phát điện khi cần phát điện năng vào hệ thống, còn bơm

sử dụng điện lưới để bơm nước lên hồ Người ta cũng chế tạo kiểu tua-bin nước đặc biệt, có thể làm việc cả ở chế độ bơm, (máy phát cũng làm việc được ở chế độ động

cơ đồng bộ) nhằm giảm chi phí tổ máy

Về chế độ làm việc, thủy điện tích năng hoạt động theo giờ trong ngày Vào những giờ cao điểm của phụ tải hệ thống, nhà máy sử dụng nước của hồ chạy tua-bin, quay máy phát điện để phát điện vào hệ thống còn vào những giờ thấp điểm của phụ tải – nhà máy sử dụng điện lưới chạy bơm để đưa nước lên hồ Hiệu quả hoạt động của thủy điện tích năng rất lớn Nhờ khả năng điều chỉnh công suất nhanh trong phạm vi rộng (từ âm sang dương) mà hệ thống điện làm việc kinh tế hơn

Một điểm đáng chú ý là tổn thất năng lượng qua 2 lần biến đổi ở thủy điện tích năng phụ thuộc nhiều vào cột nước Cột nước càng lớn thì tỉ lệ tổn thất càng ít, do đó

vị trí có thể xây dựng được hồ chứa nước cao là một tiêu chuẩn ưu tiên cho việc lựa chọn xây dựng nhà máy thủy điện tích năng Hơn nữa, diện tích cho việc xây dựng nhà máy thủy điện tích năng là rất lớn, phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên và địa lý nên

so với các loại công nghệ tích trữ năng lượng khác thì chỉ phù hợp với các phụ tải quy

mô lớn

1.4.2 Khí nén (Compressed Air Energy Storage – CAES)

Các nhà máy CAES gần như tương đương với một nhà máy thủy điện tích năng xét về phương diện ứng dụng Nhưng thay vì bơm nước từ hồ chứa thấp lên hồ chứa cao trong những giờ thừa công suất, không khí thường hoặc một loại khí khác được nén lại và tích trữ dưới áp suất trong một hang sâu dưới lòng đất hoặc một buồng

chứa Khi cần điện năng, khí nén được làm nóng lên, nở ra và chạy qua tua-bin, làm quay tua-bin để phát điện

Hình 1-8 Nhà máy CAES Nguồn: RWE AG

Air intake filter: máy lọc khí vào

Caverns: các hang chứa khí

Điều đặc biệt về công nghệ tích trữ năng lượng kiểu khí nén là khí nóng lên rất mạnh khi bị nén từ áp suất khí quyển đến áp suất trong nơi tích trữ Các máy nén khí nhiều giai đoạn chuẩn sử dụng các máy làm mát để giảm nhiệt độ xả xuống còn 149/177oC và nhiệt độ khí bơm vào hang được giảm xuống còn 43/49oC Nhiệt của quá trình nén được loại bỏ nhờ vào máy làm mát trung gian Sự mất mát năng lượng nhiệt này phải được bù lại trong giai đoạn làm quay tua-bin bằng cách làm nóng khí nén trong buồng đốt sử dụng khí đốt tự nhiên

1.4.3 Battery

Battery Lithium-ion (Li-ion) là loại Battery được sử dụng nhiều nhất hiện nay Phạm vi ứng dụng của nó trải rộng từ Battery dung lượng thấp (vài kWh) ở các hộ dân có các tấm Battery mặt trời áp mái cho đến Battery dung lượng cao (vài MWh)

sử dụng trong lưới điện để cung cấp dịch vụ phụ trợ

Hình 1-9 Cấu tạo Battery Li-ion Nguồn: HowStuffWorks

Top insulator: Cách điện trên

Steel-Can (negative terminal): vỏ thép (cực âm)

Cathode Tab: đầu ca-tốt

Anode Tab: đầu a-nốt

Bottom Insulator: cách điện dưới

Seperator: tấm ngăn

Cấu tạo của một Battery Li-ion được cho như Hình 1-9 Cũng như với hầu hết các Battery khác, lớp vỏ ngoài của Li-ion được làm từ kim loại Chức năng của lớp vỏ này là cực kỳ quan trọng vì Battery được nén Lớp vỏ kim loại có các lỗ thông hơi nhạy với áp suất Nếu Battery phát nóng quá mức và có nguy cơ phát nổ do quá áp suất, lớp vỏ kim loại sẽ giảm bớt áp suất Bên trong lớp vỏ là 3 tấm được ép vào nhau gồm: điện cực âm (anode), điện cực dương (cathode) và tấm ngăn (separator) 3 tấm này được đặt trong dung môi hữu cơ có vai trò là chất điện phân (như ête) Tấm ngăn

là một tấm nhựa siêu nhỏ có các lỗ trống Nó ngăn cách 2 điện cực và cho phép ion dương đi qua Cathode được làm từ LiCoO2 và anode được làm từ carbon

Hình 1-10 Quá trình nạp của Battery Li-ion Nguồn: HowStuffWorks

Trong hình trên:

Electrolyte: chất điện phân

Gel polymer electrolyte: chất điện phân polymer dạng keo

các nguyên tử Liti sẽ tách ra thành các ion Li+ và các electron Electron đi từ cathode, qua mạch ngoài tạo nên dòng điện và đến anode Li+ đi qua chất điện phân và tấm ngăn để đến anode và được lưu trữ ở đó Battery được nạp đầy khi tất cả các nguyên

tử Liti đều đã điện li và đến anode

Hình 1-11 Quá trình xả của Battery Li-ion Nguồn: HowStuffWorks

electron ở anode sẽ chạy qua mạch ngoài tạo ra dòng điện và về cathode Đồng thời, các Li+ cũng đi qua chất điện phân, qua tấm ngăn và về cathode để liên kết với electron Lí do của quá trình này là các nguyên tử Liti sẽ ở trạng thái ổn định trong oxit kim loại, trong khi carbon (anode) chỉ là nơi lưu trữ tạm thời

Có thể thấy rằng về kích cỡ, Battery Li-ion rất nhỏ so với 2 loại công nghệ đã nói

ở trên Tuy nhiên, điện áp lớn nhất của 1 Battery chỉ là 4.2 V, do đó muốn có điện áp lớn hơn cần mắc nối tiếp nhiều Battery để tạo thành 1 module

1.5 CÁC NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ VỀ ĐỀ TÀI

Nhìn chung, khả năng tích trữ điện năng và xả lượng điện năng này vào những khoảng thời gian có lợi sẽ dẫn đến các chiến lược vận hành kinh tế khi ESS thâm nhập thị trường ngày càng nhiều Trong mô hình thị trường tích hợp dọc (độc quyền), ESS

có thể được sử dụng kết hợp với các nhà máy nhiệt điện của đơn vị độc quyền Trong thị trường điện cạnh tranh, chủ sở hữu ESS độc lập có thể mua điện năng và bán chúng hoặc trong thị trường ngày tới (DAM), thị trường giao ngay hoặc thông qua các hợp đồng song phương ESS cũng có thể tham gia vào thị trường hỗn hợp như thị trường năng lượng và thị trường dịch vụ phụ trợ

Trong vận hành hiện nay, sự đánh giá ESS dưới quan điểm của một LSE thường bao gồm sự vận hành dựa trên giá và sự phân tích dòng tiền của nó trong một chu kỳ thời gian dài, có thể từ 20 đến 30 năm Một đường cong giá được định nghĩa trước hoặc được dự báo trước được đưa ra đầu tiên Sau đó, bài toán tối ưu hỗn hợp thị trường năng lượng và dịch vụ phụ trợ sẽ được giải để xác định khả năng sinh lời của ESS Mặc dù hiện nay, sự thiếu tương tác giữa chế độ vận hành ESS và giá cân bằng thị trường bán buôn có thể được chấp nhận, điều này có thể sẽ không còn đúng trong tương lai Khi mà sự thâm nhập ngày càng lớn của ESS có thể làm thay đổi đường

cung/đường cầu trong tương lai xa, sự quan trọng trong việc nghiên cứu tác động qua lại giữa chế độ vận hành ESS và giá cân bằng thị trường

Hiện nay đã có một vài nghiên cứu được công bố về đề tài Trong [3], [4], [5], [6], các ESS với các loại công nghệ khác nhau như bơm, khí nén và hydro được sử dụng bởi máy phát điện gió để giảm thiểu sự gián đoạn công suất phát và kiếm thêm lợi nhuận từ thị trường điện tự do như thị trường ngày tới Trong [7], tiếp cận tối ưu hóa quy mô ESS cho lưới siêu nhỏ được đề xuất dựa trên biến đổi Fourier không liên tục Trong [8], ảnh hưởng và lợi ích của ESS ở lưới điện Netherland có tích hợp nhà máy điện gió công suất lớn được nghiên cứu từ quan điểm của người vận hành thị trường và hệ thống Phương pháp tối ưu bền vững cho đầu tư ESS trong lưới truyền tải có xét đến sự bất định của hệ thống được đề xuất trong [9] Tối ưu thiết bị nạp cho các loại phương tiện giao thông điện, một dạng của ESS mà sự thâm nhập đang gia tăng, được đề xuất trong [10], [11], [12] Kế hoạch vận hành của ESS được đề xuất trong các nghiên cứu này là từ quan điểm của nhà máy điện gió, người vận hành thị trường, chủ sở hữu ESS Trong tương lai gần, các công ty bán lẻ điện năng (LSE) có thể đóng vai trò quan trọng trong việc sử dụng ESS để tối ưu hóa công suất sử dụng của họ Một mối quan ngại khác là việc lập kế hoạch cho ESS được dựa trên dự báo giá trong các nghiên cứu này và sự ảnh hưởng của công suất nạp/xả của ESS lên giá

hệ thống không thể được mô hình hóa trong các cách tiếp cận này Với sự gia tăng về dung lượng cũng như số lượng ESS trong hệ thống, ảnh hưởng này nên được xét đến trong vận hành thị trường điện có ESS

1.6 CÁC ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Đề tài nghiên cứu đề xuất mô hình tối ưu 2 lớp với hàm mục tiêu chính của LSE

là tối ưu hóa lợi nhuận của họ, đồng thời mô phỏng được quy trình cân bằng thị trường ngày tới của đơn vị điều độ hệ thống (ISO/RSO), được mô hình hóa sử dụng phương pháp dòng điện 1 chiều để giải bài toán trào lưu công suất tối ưu Trong mô hình này, giá biên nút (LMP) là biến quan trọng để xác định doanh thu của ESS, và ảnh hưởng của kế hoạch vận hành ESS đến LMP cũng được mô hình hóa Tác động qua lại lẫn nhau này khiến cho mô hình có bản chất không lồi (non-convex) và khó khăn hơn để giải hơn các mô hình toán học thông thường Bài toán lớp dưới – bài toán phân bố tối

ưu công suất nhiều giai đoạn (MPED) – của mô hình được đề xuất có thể được biến đổi thành các ràng buộc điều kiện tối ưu Karush-Kuhn-Tucker (KKT) và mô hình 2 lớp chuyển thành mô hình tối ưu 1 lớp có ràng buộc cân bằng (MPEC) Mô hình MPEC tiếp tục được biến đổi để trở thành mô hình tối ưu tuyến tính nguyên thực hỗn hợp (MILP) để giải được bằng các phần mềm tối ưu thương mại

1.7 CÁC NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Các nội dung của đề tài nghiên cứu được thiết kế như sau: Chương 2 sẽ giới thiệu

về các mô hình của Battery hiện nay Chương 3 đưa ra mô hình cân bằng thị trường ở lớp dưới sử dụng phương pháp dòng điện 1 chiều, đồng thời đưa ra định nghĩa và khái

niệm về giá biên nút (LMP) Chương 4 giới thiệu về bài toán lập kế hoạch vận hành ESS và đề xuất mô hình tối ưu 2 lớp cũng như phương pháp giải mô hình bài toán đã

đề ra Các lý thuyết được đề ra ở chương 4 sẽ được áp dụng tính toán cho lưới 5 nút PJM và lưới 24 nút IEEE ở chương 5 để kiểm nghiệm Cuối cùng, chương 6 kết luận toàn bộ đề tài nghiên cứu và đưa ra các hướng nghiên cứu khả thi trong tương lai

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH BATTERY TRONG CHẾ ĐỘ

XÁC LẬP

Hệ thống tích trữ năng lượng (ESS) phát triển rất nhanh chóng trong những năm gần đây và được mong đợi sẽ là sự lựa chọn tốt thúc đẩy sự thâm nhập của số lượng lớn các nguồn năng lượng tái tạo và đáp ứng phụ tải thời gian thực, cải thiện độ tin cậy hiệu quả kinh tế cho hệ thống điện Với triển vọng này, hệ thống tích trữ năng lượng kích cỡ lớn được mong đợi sẽ kết nối vào lưới trong tương lai Trong chương này, em sẽ xét các mô hình ESS sử dụng công nghệ Battery (Li-ion Battery) được đưa

ra trong [13] Mô hình Battery đơn giản nhất là mô hình lý tưởng Từ mô hình lý tưởng, loại bỏ một số giả thiết để mô tả Battery chính xác hơn ta được mô hình Battery phi tuyến Tuy nhiên, mô hình Battery phi tuyến khi tích hợp vào bài toán tối ưu sẽ làm cho bài toán trở nên rất phức tạp Để giải quyết vấn đề này mô hình Battery tuyến tính hóa từ mô hình phi tuyến sẽ được trình bày ở cuối chương

2.1 MÔ HÌNH LÝ TƯỞNG

Mô hình Battery lý tưởng giả định đơn giản hóa trong hoạt động kỹ thuật và kinh

tế của Battery Những giả định này cho phép chúng ta tích hợp mô hình Battery vào

hệ thống phức tạp

1) Không xét tốc độ tăng/giảm mức năng lượng Battery có thể thay đổi mức năng lượng ngay lập tức

2) Bỏ qua tổn thất năng lượng được tích trữ

3) Không có hiện tượng trễ khi nạp hoặc xả

4) Có xét hiệu suất nạp và xả năng lượng

5) Chỉ xét chi phí nạp và xả của Battery

Mô hình Battery lý tưởng gồm các ràng buộc vật lý về công suất nạp xả và mức năng lượng tích trữ:

(max) ,

c c c

(max) ,

thời điểm trước đó và năng lượng nạp xả có xem xét đến hiệu suất nạp xả của Battery

Trong đồ án đặt  t 1h Ràng buộc (2.4) mô tả giới hạn mức năng lượng Battery

Ràng buộc (2.5) bảo đảm mức năng lượng Battery tại thời điểm cuối chu kỳ nạp xả phải bằng mức năng lượng thời điểm ban đầu

Mô hình Battery lý tưởng là mô hình tuyến tính đơn giản nhất của Battery do đó

có thể dễ dàng tích hợp vào các bài toán tối ưu để mô tả quá trình hoạt động của Battery

2.2 MÔ HÌNH PHI TUYẾN

Trong phần này đưa ra mô hình Battery thay thế cho mô hình lý tưởng được sử dụng trong bài toán vận hành tối ưu hệ thống gọi là mô hình Battery phi tuyến Mô hình Battery phi tuyến dần loại bỏ các giả thiết của mô hình lý tưởng Công suất nạp/xả tối đa, hiệu suất nạp/xả của Battery trong mô hình phi tuyến không còn là hằng

số như trong mô hình lý tưởng Bằng việc kết hợp những đặc điểm mô tả chu trình điện hóa bên trong của tế bào Battery Trong mô hình phi tuyến, công suất nạp/xả, mức năng lượng tối đa sẽ được tính toán từ những chu trình bên trong Battery Do đó,

mô hình toán học sẽ có kích thước lớn, phi tuyến, và không lồi Mô hình phi tuyến sẽ

mô tả toán học Battery chính xác hơn, điều này sẽ giúp ích cho các bài toán tối ưu hệ thống điện

Mô hình phi tuyến của Battery:

(max),

c c

t t

(max),

t t

SOC SOC

E

d tot

eq

i R v

I I : dòng nạp/ xả tối đa bên trong Battery (A)

Ràng buộc (2.8), (2.9) mô tả giới hạn công suất nạp xả của Battery Biểu thức (2.10)

biểu diễn mức năng lượng của Battery Năng lượng được tích trữ tại thời điểm t được tính toán theo mức năng lượng tại thời điểm trước đó t-1 cộng thêm năng lượng nạp

vào Battery trừ đi năng lượng Battery xả Ràng buộc (2.11) mô tả giới hạn mức năng lượng Battery Ràng buộc (2.13) bảo đảm mức năng lượng Battery tại thời điểm cuối chu kỳ nạp xả phải bằng mức năng lượng thời điểm ban đầu Phương trình (2.15), (2.16) tính toán công suất nạp/xả tối đa của Battery theo dòng điện nạp/xả Phương trình (2.17), (2.18) tính toán hiệu suất nạp/xả của Battery

2.3 MÔ HÌNH TUYẾN TÍNH HÓA

Mô hình Battery phi tuyến ở phần trước là không lồi bởi các ràng buộc giới hạn công suất nạp/xả, hệ số số nạp/xả và ràng buộc mức năng lượng Trong phần này sẽ đưa ra phương pháp tuyến tính hóa qua một mặt lồi của đặc tính nạp xả Battery

Để xử lí các thành phần phi tuyến trong ràng buộc mức năng lượng, ta thêm 2 biến mới: công suất vào/ra của tế bào Battery P in và P out Khi đó,

d out

d

P P

Việc thay thế này có thể được thực hiện mà không cần đánh giá thành phần phi tuyến

vì dphụ thuộc công suất cung cấp bởi Battery, P , và d SOC% Vì vậy, giá trị của

out

P có thể tìm được từ P , và d SOC%

Công suất ra của Battery P out có thể được xấp xỉ bởi một tập hợp lồi của các điểm lấy mẫu Chúng ta có thể xây dựng một mặt đa diên P out từ việc lấy mẫu từ mô hình điện hóa Battery hoặc bằng thí nghiệm Vậy với mỗi tập hợp %

  thông qua mô phỏng

Mặt lồi tuyến tính được biểu diễn như sau:

out out

j j j

Hình 2-1 Miền làm việc của Battery trong không gian biến P d,SOC%,P out

Các điểm lấy mẫu j J là các điểm chấm đen Phương pháp tuyến tính hóa dựa trên mặt lồi với các điểm đặt khả thi là rất gần với định nghĩa toán học về phi tuyến Tương tự công suất đi vào Battery in

P có thể được biểu diễn bởi mặt lồi như sau:

in in

k k k

Hình 2-2 Miền làm việc của Battery trong không gian biến P SOC c, %,P in

Mô tả đặc tính Battery là hàm của SOC như một hệ quả của sự phụ thuộc của v eqvà giới hạn công suất lên SOC% , bao gồm các lợi ích tính toán khi sử dụng các thông

t t

SOC SOC

E