Nghiên cứu vận hành tối Ưu mạng lưới năng lượng quy mô nhỏ với sự tích hợp năng lượng tái tạo và hệ thống tích trữ năng lượng trên cơ sở mô hình energry hub nhằm giảm thiểu tối Đa chi phí năng lượng và phát thải ra môi trư

Nhìn chung EH làm đơn giản hóa sự kết hợp tối ưu giữa các dạng năng lượng, mô hình này có thể được xem xét cùng với thiết bị tích trữ, nguồn năng lượng phân tán, xe điện..vv Xuất phát từ

DAI HOC THAI NGUYEN TRUONG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BAO CAO TONG KET

DE TAI KHOA HOC VA CONG NGHE CAP CO SO

NGHIEN CỨU VẬN HÀNH TÓI ƯU MẠNG LƯỚI NĂNG LƯỢNG

QUY MÔ NHỎ VỚI SỰ TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ HỆ

THÓNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRÊN CƠ SỞ MÔ HÌNH

ENERGY HUB NHẰM GIẢM THIẾU TÓI ĐA CHI PHÍ NĂNG

- LUQNG VA PHAT THAI RA MOI TRUONG

Mã số: T2020-B16

===KT, HIỆU TRƯỞNG ÌỒ HIỆU TRƯỞNG (ký, họ tên) =

học Kỹ Thuật Công nghiệp, Vật lý

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu -: +:++s+scrteerrerrrrerree i

5 Nội dung nghiên cứu . -+ ++ +cseertetterhertethhrdidrtrreirrrrrdrrrrrrtrre 17

CHƯƠNG 1: MỘT SÓ VẤN ĐÈ TÔNG QUAN VỀ MẠNG LƯỚI NANG

1.1 KHÁI NIỆM VỀ MẠNG LƯỚI NĂNG LƯỢNG - 18

1.1.2 Một số hệ thống năng lượng đơn lẻ điển hình - 19 1.2 MANG NANG LUGONG SIÊU NHỎ (Micro energy network -MEN) 25

1.3.4 Phân tích một số vấn đề liên quan đến sự phát triển của EI và ENs32

CHUONG 2 ENERGY HUB VA UNG DUING nssssisssessnessscesencersnvesneestes 35 9.1 KOMAT NEM scssessvoesersnccoreccessonsangeserssnssstonbtintserpannnitiossestueaarerrtnoysscesbenvswevceasa 36

11 B08 CY Be ceca cconcnayancuan ev gc aneeavareneageyeteapcemeec 00/001 68 mniA0 36

2.1.2 Hướng nghiên cứu và đối tượng ứng dụng -:-xscrterterrerrree 37

2.1.3 Tiềm năng và lợi ích của mô hình EH ©cc+++veerrree 38

2.2 Ví dụ tính toán : c2 reHtrrrrrrrrrrrriie 38

3.2 Vận hành tối ưu MEN 3.2.1 Mô hình đề xuất

3.2.3 Kết quả tính toán -trrrrtttttttt.222 11111 mmmnmiiin 56 KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, -. -:-cccsstthieiiierrrrirrrrrrrrrrrrriin 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO

ELỤC an

DANH MỤC CAC KET QUẢ/SẢN PHAM ĐẠT ĐƯỢC CỦA DE TÀI 74

DANH MUC CAC CHU VIET TAT

EI Energy Internet Mạng Internet năng lượng ENs Energy Networks Mạng lưới năng lượng MEN Micro EnergyNetwork Mạng lưới năng lượng siêu nhỏ

MC Marginal Cost Chỉ phí cận biên

CCHP |Combined Cooling, Heat, and Kết hợp làm mát, nhiệt và điện

Power

MT Micro Turbine Tua bin siêu nhỏ SHE Solar Heat Exchager Trao đổi nhiệt năng lượng mặt trời

EH Electric Heater May sưởi điện

ES Energy Storage Lưu trữ năng lượng điện

LS Thermal Storage Lưu trữ nhiệt nóng 1S Ice Storage Lưu trữ nhiệt lạnh

MG Micro Grid Lưới điện siêu nhỏ ESS Energy Storage System Hệ thống tích trữ năng lượng

EF Emission Factor Hệ số phát thải

DANH MUC CAC BANG

Bang 1.1 Lượng tiêu thụ năng lượng mới và tái tạo trên đầu người của một số quốc gia (số liệu năm 2012)

Bang 1.2: So sánh các hình thức lưu trữ năng lượng

Bảng 2.1 Tóm tắt một số hướng nghiên cứu chính về mô hình BH Bảng 2.2 Hiệu suất thiết bị

Bảng 2.3 Công suất giới hạn của hệ thống

Bảng 3.1 Cấu trúc của 6 EHs Bảng 3.2 Các kịch bản tính toán vận hành tối ưu MEN Bảng 3.3: Thông số của mạng lưới điện và khí tự nhiên

Bảng 3.4 Bảng thông số các thiết bị trong Hub

Bảng 3.5 Thông số phát thải khí COa, NO;, 5O;

Bang 3.6 Nhu cau dién nang & cdc Hub trong kich ban 1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐÔ THỊ

Hình 1.1 Một hệ thống mạng lưới năng lượng điển hình

Hình 1.2 Mô hình cấu trúc hệ thống điện hoàn chỉnh

Hình 1.3 Hệ thống phân phối khí Gas

Hình 1.4 Đường ống cung cấp khí tự nhiên

Hình 1.5 Mô hình hệ thống nhiệt sưởi ấm cho thành phố Hình 1.6 Một cấu trúc điển hiển của MEN

Hình 1.7 Cấu trúc mạng lưới năng lượng đơn giản

Hình 1.8 Sơ dé cau trac EI

Hình 2.6 Biểu giá năng lượng điện và khí tự nhiên

Hình 2.7 Công suất phát của PV, SHE và WP - một ngày điển hình Thông số thiết bị (bảng 2.2) và giới hạn công suất hệ thống (bảng 2.3):

Hình 2.8 Nhu cầu năng lượng từ hệ thống theo mô hình truyền thống

Hình 2.9 Nhu cầu năng lượng điện và khí tự nhiên từ hệ thống theo

mô hình EH đề xuất Hình 2.10 Thời gian phóng nạp của BESS

Hình 3.1 Cấu trúc của MEN trên cơ sở các trung tâm năng lượng

Hình 3.6 Nhu cầu tiêu thụ điện, nhiệt, làm mát trong một ngày

Hình 3.7 Giá điện năng và khí tự nhiên

Hình 3.8 Công suất phát của PV, SHE và WP trong một ngày điển hình

Hình 3.9 Lập trình trên GAMS giải bài toán tối ưu

Hình 3.10 Kết quả tính toán vận hành tối ưu mô hình MEN với 04

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Đơn vị: Trường Đại học KTCN

THONG TIN KET QUA NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

môi trường

- Mã số: T2020-B16

- Chủ nhiệm: TS Hà Thanh Tùng

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

- Thời gian thực hiện: 2020-2021

2 Mục (tiêu:

mô hình toán - chương trình tính toán tôi ưu có xét đến việc tích hợp nguôn

tiểu chỉ phí năng lượng và chỉ phí phát thải

3 Kết quả nghiên cứu:

khái niệm, câu trúc và mô tả toán hoc ;

bằng năng lượng và câu trúc hệ thông;

- Thiết lập bài toán vận hành tối ưu với hàm mục tiêu xét đến chỉ phí năng

thống, giới hạn điện áp nút và biêu giá năng lượng vv

GAMS Bài toán vận hành tôi ưu MEN được xét với 04 trường hợp có câu

của phụ tải

4 Sản phẩm:

- Sản phâm khoa học: 02 bài báo trong nước

bộ”, Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái Nguyên, 225(14): 80 - 8/7,

11/2020

2 Ha Thanh Tung, Pham Thi Ngoc Dung, Pham Thi Héng Anh, “ Van hanh

tối ưu hệ thống năng lượng (điện - gas) có xét đến năng lượng mặt trời, gió và

hệ thống tích trữ trên cơ sở mô hình Energy hub”, Tạp chí khoa học - Trường

Đại học Quy nhơn (2021), Đã chấp nhận đăng ngày 10 tháng 05 năm 2021

- Sản phẩm ứng dụng:

5 Hiệu quả:

2 Đề tài đã xây dựng được mô hình toán mạng lưới năng lượng áp dụng cho

đối tượng phụ tải này ở quy mô nhỏ (Micro Energy Networks-MEN) MEN

được hình thành từ các EHs đáp ứng nhu câu sử dụng của phụ tải

~ Chương trình tính toán được lập trình cho phớp sử dụng với dữ liệu bất kỳ

Do đó, dễ dàng áp dụng trong thực tiên

- Chương trình tính toán có thể được tham khảo và sử dụng bởi các kỹ sư

trong tính toán vận hành tối ưu các hệ thống năng lượng Phần mềm lập

trình GAMS - The General Algebraic Modeling System sử dụng trong

nghiên cứu này có thể được mở rộng cho nhiều bài toán tối ưu khác

- Mô hình và hướng nghiên cứu đề xuất sẽ mở ra một hướng đi mới trong

lĩnh vực năng lượng, truyền thông và điều khiển Chương trình tính toán

giúp giảm được thời gian tính toán đồng thời nâng cao tính chính xác và

hiệu quả trong vận hành các hệ thống năng lượng

6 Khả năng áp dụng và phương thức chuyền giao kết quả nghiên cứu:

- Khả năng áp dụng: Năng lượng là một lĩnh vực quan trọng, không thể thiếu

được trong tất cả các lĩnh vực, trên tất cả các quốc gia và vùng lãnh thô

Theo xu hướng phát triển chung của thế giới, mạng lưới năng lượng Enegy

internet và mô hình trung tâm năng lượng Enegy hub được áp dụng sẽ dap

ung duge tốc độ xây dựng và phát triển nhanh chóng cơ sở hạ tầng của các

khu đô thị tại Việt Nam

- Phương thức chuyền giao: Đào tạo hoặc chuyển giao ban quyền

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

based on the Energy hub model to minimize energy costs and emissions

Code number: T2020-B16

Coordinator: PhD Ha Thanh Tung

Implementing institution: Thainguyen University of Technology

Duration: from 2020 to 2021

2 Objective(s):

minimize energy costs and emission costs

3, Research resultes:

- Understanding of the energy hub model including concept, structure,

mathematical description, etc

networks with issues of energy balancing and system structure

using natural gas of Microturbines and Boiler Mathematical constraints

voltage node limit and energy tariffs etc

- Solve the problem of optimal operation using GAMS programming

language MEN optimal operation problem is considered in 4 scenarios

electricity, and cooling of the loads

4, Products:

- Science: Two domestic publications

and energy storages system based on energy hub modeling”, Journal of

Science - Quy Nhon University (2021), accepted 1 0/05/2021

- Application:

5 Effects:

- This research constructs a model addressing energy network for loads on a

small scale (Micro Energy Networks-MEN) MEN is formed from EHs,

which are considered supernodes in the grid with input electricity and gas

After the conversion and storage process, it meets the demands of the load

Mathematical model allows the application of any type of data, which

makes it more practical

The calculation program can be studied and used by engineers in the

calculation of optimal operation of energy systems Programming language

GAMS - The General Algebraic Modeling System in this research can be

included in many other optimization problems

The proposed research model will lead the field of energy, communication

and control in a new direction It helps reduce calculation time while

improving the accuracy and efficiency in the operation of energy systems

6 Transfer alternatives of research results and applicability:

- Applicability: The model and program has been developed with strict

mathematical foundation and specific conditions of Vietnam Therefore,

the program is updated with international studies and it is reliable and

suitable in residential areas of Vietnam as well as nationwide

- Transfer alternatives: Training or transferring of copyright

MO DAU

1 Téng quan

Một số nghiên cứu nổi bật về mô hình mạng lưới năng lượng đã được công

điện năng, và giảm tốn thất của toàn hệ thông

Cùng với sự xuất hiện và phát triển của mạng lưới năng lượng và EH, năng

lượng tái tạo và tái tạo phần lớn vẫn ở dạng điện năng, nhiệt năng ít được đề cập

lượng và mạng điện truyền thống

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng hệ thống nhiệt, điện và làm mát

tải với khoảng cách giữa chúng lớn Do đó, nhiều EH được kết nối với mạng EH

thời việc tích hợp các hệ thống lưu trữ và tái tạo và đánh giá hiệu suất của chúng

TU ——=_ Tổng rạ„,, sa Điện Pin - Nhiệt Tíchtữ 3 = TÍCh trữ Tích mg Ạ

3 „_ chi phí § gió quang mặt điện làm nhiệt

lượng và" phát

nang :

thải lượng

2 Tính cấp thiết của đề tài

Cạn kiệt tài nguyên năng lượng và áp lực ô nhiễm môi trường đang là hai

vấn đề lớn đối với các nhà khoa học Trước đây, các dạng năng lượng như điện,

nhiệt, và lạnh thường tồn tại dưới dạng hệ thống độc lập đơn lẻ Những năm gần

đây, cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật, sự kết hợp tối ưu giữa các dạng

năng lượng này bắt đầu được chú trọng và quan tâm sâu sắc Khái niệm về mạng

lưới năng lượng ra đời được coi là một bước đột phá mới thể hiện ở các điểm

như: các dạng năng lượng khác nhau có thể chuyển đổi, hỗ trợ lẫn nhau; hộ tiêu

dùng có thể tùy chọn các dạng năng lượng khác nhau để đáp ứng nhu cầu sử

14

dụng với chi phí năng lượng thấp nhất Nhìn chung, mục tiêu của mạng lưới

năng lượng chủ yếu thỏa mãn hai yếu tố kinh tế và đáp ứng nhu cầu của người

sử dụng Mô hình này dễ dàng nâng cao độ tin cậy, làm giảm ô nhiễm môi

trường, thúc đây sự phát triển của các hệ thống sử dụng năng lượng một cách tối

ưu, nâng cao tính én định, đạt được mục tiêu sử dụng năng lượng tiết kiệm và

hiệu quả Hiện nay, các mô hình mạng lưới năng lượng đang dần có xu thế phát

triển ở quy mô nhỏ (tương tự như mô hình micro grid trong hệ thống điện)

Energy hub (EH) là một khái niệm được giới thiệu trong dự án “tầm nhìn

mạng lưới điện tương lai” do viện nghiên cứu ETH Zurich đề xuất đã thu hút

nhiều sự quan tâm của các học giả EH được coi như một hệ thống đa năng trong

việc kết hợp giữa nguồn và tải thông qua hệ thống thiết bị chuyên đổi Nhìn

chung EH làm đơn giản hóa sự kết hợp tối ưu giữa các dạng năng lượng, mô

hình này có thể được xem xét cùng với thiết bị tích trữ, nguồn năng lượng phân

tán, xe điện vv Xuất phát từ những ưu điểm nói trên, ý tưởng về việc thiết lập

mô hình mạng lưới năng lượng bao gồm nhiéu dang năng lượng khác nhau

thông qua EH được đề cập Đối tượng của mô hình mạng lưới năng lượng hình

thành từ các trung tâm năng lượng khá đa dạng, quy mô nhỏ áp dụng đối với

khu vực dân cư ; quy mô lớn hơn có thể áp dụng đối với khu vực quốc gia lãnh

thô

Cùng với sự ra đời và phát triển của mạng lưới năng lượng và EH, năng

lượng tái tạo và công nghệ tích trữ năng lượng là hai giải pháp tiếp tục được

nghiên cứu, phát triển mạnh mẽ trước áp lực nhu cầu sử dụng ngày càng tăng

của xã hội hiện tại Hình thức phân phối năng lượng truyền thống thông qua hệ

thống điện đã cho thấy hiệu quả đáng kể của hai nhóm đối tượng này dưới góc

độ vận hành và tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên, khai thác triệt để các ứng dụng

từ năng lượng mới và tái tạo vẫn chủ yếu dưới dạng năng lượng điện, nhiệt năng

hiếm khi được đề cập đến Việc đánh giá hiệu quả của năng lượng tái tạo và hệ

thống tích trữ năng lượng đến bài toán vận hành tối ưu EH độc lập đã được giới

thiệu ở một số nghiên cứu trước đây Tuy nhiên, đối với mô hình mạng lưới

năng lượng được hình thành từ nhiều EHs, ảnh hưởng và vai trò của chúng chưa

được đề cập một cách đầy đủ Bài toán vận hành mới chỉ được giải quyết dưới

góc độ tính toán trào lưu công suất tối ưu giữa các EH mà chưa tính toán so sánh

cụ thể hiệu quả giữa mạng lưới năng lượng và mạng lưới điện truyền thống

LỘ

Vì vậy, việc nghiên cứu vận hành tối ưu mạng lưới năng lượng áp dụng cho

đối tượng phụ tải ở quy mô nhỏ (Micro Energy Networks-MEN) với sự tích hợp

năng lượng tái tạo và hệ thống tích trữ năng lượng trên cơ sở mô hình EH nhằm

tối ưu chi phí năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường là yêu cầu cấp thiết

nhằm đưa ra mô hình kết nối, đánh giá cụ thể ảnh hưởng của các nguồn năng

lượng phân tán, thiết bị tích trữ năng lượng đến hiệu quả hoạt động của MEN

Nội dung của nghiên cứu này có thể cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc tối ưu hóa

hoạt động của hệ thống với nhiều dạng năng lượng khác nhau ở quy mô lớn hơn

Các nguồn NLTT đã được ứng dụng trong các hệ thống năng lượng và phát

huy hiệu quả do giảm được chỉ phí vận hành và phát thải Tuy nhiên, chỉ phí đầu

tư lớn, công suất phát của các nguồn này không ổn định và mang tính ngẫu

nhiên dẫn đến hạn chế sử dụng các nguồn này Để đánh giá hiệu quả của các

nguồn NLTT cũng như khả năng vận hành của chúng trong các hệ thống năng

lượng cần phải tính toán qui hoạch và vận hành các hệ thống năng lượng khi có

sự tham gia của các nguồn NLTT với các tham số ngẫu nhiên được xét đến

trong mô hình tính toán

Trong những năm gần đây, công nghệ tính toán và tốc độ của máy tính điện

tử ngày càng tăng cho phép giải các bài toán qui hoạch với qui mô và số biến

lớn Do đó, để đáp ứng yêu cầu thực tiễn và nâng cao tính chính xác của kết quả

tính toán từ đó đánh giá chính xác hiệu quả của các nguồn NLTT trong LĐPP

cũng như các EH đồng thời xây dựng được lộ trình qui hoạch tối ưu của các

nguồn NLTT trong các hệ thống năng lượng Đề tài nghiên cứu xây dựng mô

hình qui hoạch và vận hành tối ưu LĐPP và EH xét đến các thông số ngẫu nhiên

của hệ thống như phụ tải, giá điện, công suất của các nguồn NLTT , xây dựng

chương trình tính toán trong nguôn ngữ lập trình GAMS, tính toán áp dụng

Do đó, việc nghiên cứu đề xuất các mô hình toán và chương trình tính toán

qui hoạch, vận hành tối ưu các hệ thống năng lượng xét đến các thông số ngẫu

nhiên có ý nghĩa lớn trong điều kiện hiện nay

3 Mục tiêu

Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống năng lượng quy mô nhỏ, xây dựng

mô hình toán - chương trình tính toán tối ưu có xét đến việc tích hợp nguồn năng

lượng tái tạo và hệ thống tích trữ năng lượng đáp ứng mục tiêu cực tiêu chi phí

năng lượng và chỉ phí phát thải

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Tiếp cận từ lý thuyết, nghiên cứu lý thuyết về mô hình EH, cấu trúc mô hình mạng lưới hệ thống năng lượng quy mô nhỏ; nghiên cứu lý thuyết xây

dựng bài toán vận hành tối ưu hệ thống năng lượng với hàm mục tiêu là tổng chi phí năng lượng và chỉ phí phát thải là nhỏ nhất với các ràng buộc đi kèm về giới hạn kỹ thuật của các thiết bị và điều kiện vận hành

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết về mô hình EH, Energy internet, mô hình toán tối ưu áp dụng trong bài toán vận hành hệ thống năng lượng Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

5 Nội dung nghiên cứu Nội dung của nghiên cứu này có thể cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc tối

ưu hóa hoạt động của hệ thống với nhiều dạng năng lượng khác nhau ở quy mô lớn hơn Đề tài gồm có 4 chương và phụ lục như sau:

Chương 1: Một số vấn đề tống quan về mạng lưới năng lượng Nội dung của chương | đề cập đến các vấn đề:

- Khái niệm về mạng lưới năng lượng

- Mạng năng lượng siêu nhỏ

- Energy Internet Chương 2: Energy hub và ứng dụng Trong phần này giới thiệu lý thuyết về mô hình Energy hub bao gồm: Mô

tả mô hình Energy hub, các yếu tố cầu thành, hướng nghiên cứu và đối tượng ứng dụng, tiềm năng và lợi ích

Chương 3: Vận hành tối ưu mạng lưới năng lượng trên cơ sở mô hình Energy hub

Trong chương này sẽ giới thiệu vấn đề vận hành tối ưu mạng lưới năng lượng quy mô nhỏ, xây dựng mô hình toán và giải quyết bài toán tối ưu bằng ngôn ngữ lập trình GAMS

Phụ lục: Trình bày các kết quả tính toán trong chương 3 cùng một số nghiên cứu đã được công bô của đề tài

17

CHUONG 1: MOT SO VAN DE TONG QUAN VE MANG LUOI

NĂNG LƯỢNG

1.1 KHÁI NIỆM VỀ MẠNG LƯỚI NĂNG LƯỢNG

Trước đây, các dạng năng lượng như điện, khí tự nhiên, nhiệt thường tồn tại

dưới dạng hệ thống độc lập, đơn lẻ Những năm gần đây, cùng với sự phát triển

khoa học kỹ thuật, sự kết hợp tối ưu giữa các dạng năng lượng này bắt đầu được

chú trọng và quan tâm sâu sắc Mạng lưới năng lương (Energy networks -ENs)

có thể được định nghĩa là một hệ thống kết có khả năng kết nói, vận hành nhiều

dạng năng lượng hoặc hệ thống năng lượng khác nhau với mục tiêu khai thác và

sử dụng tối ưu chúng mà không làm thay đổi nhu cầu của phụ tải

1.1.1 Ưu điểm của ENs

Khái niệm ENs ra đời được coi là một bước đột phá mới thể hiện ở những điểm

nỗi bật sau đây:

+ Ở khía cạnh sản xuất năng lượng, các dạng năng lượng khác nhau có thể

chuyển đổi, hỗ trợ lẫn nhau Ví dụ, đối với hệ thống mạng lưới năng lượng điện

và khí tự nhiên hỗn hợp, khí tự nhiên có thể chuyển đổi thành điện năng hoặc

nhiệt năng Điều này không những làm tăng tính linh hoạt trong vận hành mà

còn gia tăng độ tin cậy cung cấp năng lượng

làm mát có thể sử dụng năng lượng điện hoặc nhiệt thông qua thiết bị chuyển

đổi từ điện năng sang lạnh hoặc từ nhiệt năng sang lạnh

Nhìn chung, mục tiêu của ENs chủ yếu thỏa mãn hai yếu tố kinh tế và đáp ứng

nhu cầu đa dạng của phụ tải Mô hình này giúp nâng cao độ tin cậy, giảm ô

nhiễm môi trường, nâng cao tính ôn định, và đạt được mục tiêu sử dụng năng

lượng tiết kiệm và hiệu quả

1.1.2 Một số hệ thống năng lượng đơn lẻ điển hình

Một cách đơn giản, mạng lưới năng lượng chính là hệ thống năng lượng được

hình thành do quá trình kết nối giữa các hệ thống năng lượng đơn lẻ khác nhau

Một số hệ thống năng lượng chỉ sử dụng duy nhất một dạng năng lượng hiện

nay đang được vận hành gồm có: Hệ thống năng lượng điện, hệ thống khí tự

nhiên, hệ thống nhiệt

1.1.2.1 Hệ thông năng lượng điện

“Điện năng là một dạng năng lượng đặc biệt và rất phổ biến hiện nay, điện năng

có rất nhiều ưu điểm hơn hắn so với các dạng năng lượng khác như: dễ dàng

chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác với hiệu suất cao (cơ năng, nhiệt

năng, hoá năng, quang năng ) Điện năng được sản xuất ra từ các nhà máy điện

hay các trạm phát điện theo nhiều công nghệ khác nhau Quá trình sản xuất và

sử dụng điện năng được thực hiện bởi một hệ thống điện như mô tả trên Hình

1.2, bao gồm các hạng mục chính: sản xuất, truyền tải đến phân phối và tiêu thụ

Power Plant City Network

=e“ nee | Soe

{asset || operations | ons pation oe à

LH e0) KG

Real Time system of =

Hình 1.2 Mô hình cấu trúc hệ thống điện hoàn chỉnh

Hoạt động của hệ thống điện có một số đặc điểm chính sau đây:

- Điện năng sản xuất ra nói chung, tại mọi thời điêm luôn phải bảo đảm cân

bằng giữa lượng điện năng sản xuất ra với lượng điện năng tiêu thụ, tích trữ và

điện năng tốn thất trên các thiết bị truyền tải và phân phối điện

- Các quá trình về điện xảy ra rất nhanh Ví dụ: sóng điện từ hay sóng sét lan

truyền trên đường dây với tốc độ rất lớn xấp xỉ tốc d6 Anh sang 300.000 km/s),

thời gian đóng cắt mạch điện, thời gian tác động của các bảo vệ thường xây ra

dưới 0,5s

- Hoạt động điện lực có liên quan chặt chẽ đến nhiều kĩnh vực xã hội và kinh tế

quốc dân khác như: Luyện kim, hoá chất, khai thác mỏ, cơ khí, công nghiệp nhẹ,

đô thị và dân dụng,

1.1.2.2 Hệ thông khí tự nhién (Natural gas)

Khái niệm: Khí tự nhiên hay còn gọi là khí Gas là nhiên liệu hóa thạch sạch nhất

của trái đất và không màu và không mùi ở trạng thái tự nhiên Nó bao gồm bốn

nguyên tử hydrocarbon và một nguyên tử carbon (CH4 hoặc metan) Phần lớn

khí tự nhiên chúng ta tìm thấy và sử dụng ngày nay bắt đầu từ thực vật và động

vật cực nhỏ sống trong môi trường biển nông hàng triệu năm trước Là những

sinh vật sống, chúng hấp thụ năng lượng từ mặt trời, được lưu trữ dưới dạng các

phân tử carbon trong cơ thể Khi chết, chúng chìm xuống đáy biển và được bao

phủ bởi lớp này sau lớp trầm tích Khi nguyên liệu hữu cơ này bị chôn vùi sâu

hơn trong lòng đất, nhiệt, kết hợp với áp lực nén, đã chuyển đổi một số vật liệu

sinh học thành khí tự nhiên

Khí tự nhiên bao gồm bốn nguyên tử hydro và một nguyên tử carbon (CH4 hoặc

metan) Không màu và không mùi ở trạng thái tự nhiên, khí tự nhiên là nhiên

liệu hóa thạch đốt sạch nhất Khi cháy, khí tự nhiên tạo ra chủ yếu là carbon

dioxide, hơi nước và một lượng nhỏ oxit nitơ

Năm 1816, khí Gas được sử dụng lần đầu tiên khi khi đèn khí đốt chiếu sáng

đường phố Baltimore, Md Đến năm 1900, khí đốt tự nhiên đã được phát hiện ở

17 tiểu bang Trong những năm sau Thế chiến II, đã mở rộng mạng lưới đường

ống liên bang rộng khắp, mang lại dịch vụ khí đốt tự nhiên cho khách hàng trên

cả nước Ngày nay, khí đốt tự nhiên được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng

dân dụng, thương mại và công nghiệp Đây là năng lượng chính được sử dụng

để sưởi ấm tại nhà: hơn một nửa số nhà ở Mỹ sử dụng gas Càng ngày, xu hướng

khí tự nhiên sử dụng để phát điện ngày càng trở nên phố biến

| Natural Gas _ Delivery System {

Hình 1.3 Hệ thống phân phối khí Gas

lượng được sử dụng nhiều nhất

pháp khác là Mcf (nghìn feet khối) và Btu (Đơn vị nhiệt Anh)

Hình 1.4 Đường Ống cung cấp khí tự nhiên

Chế biến và cung cấp khí tự nhiên: Sau khi được lấy ra khỏi bể chứa dưới lòng đất, khí tự nhiên thường được chuyền tới nhà máy xử lý khí để loại bỏ các tạp

khách hàng sử dụng gồm có:

21

A Khu dan cư: Khí tự nhiên là một trong những loại năng lượng it tốn kém

nhất có sẵn cho người tiêu dùng Việc sử dụng phổ biến nhất cho khí tự nhiên

xung quanh nhà là cho lò và bể chứa nước nóng Khí tự nhiên cũng có thể được

sử dụng để vận hành các thiết bị gia dụng, bao gồm bếp lò, máy sấy quần áo, lò

sưởi và lò nướng thịt ngoài trời Thông qua việc sử dụng khí đốt tự nhiên, chúng

ta có thể chắc chắn rằng ngôi nhà của chúng tađang hoạt động hiệu quả, an toàn

và tiết kiệm Lĩnh vực sử dụng này chưa phố biến ở Việt Nam Nớ chỉ phổ biến

ở các nước phát triển

B Thương mại: Các trường học, cao ốc văn phòng, khách sạn, nhà hàng và

nhiều doanh nghiệp thương mại khác sử dụng khí tự nhiên Giống như các khu

nhà ở, các doanh nghiệp này sử dụng khí đốt chủ yếu để sưởi ấm, làm mát và

nấu ăn Các doanh nghiệp thương mại lớn cũng đang bắt đầu sử dụng khí đốt tự

nhiên để sản xuất điện tại chỗ như một giải pháp thay thế kinh tế để mua điện

ngoài hiện trường

C Công nghiệp: Khí tự nhiên được sử dụng nhiều trong công nghiệp Nó

có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp tỉnh chế dầu mỏ, kim loại, hoá chất,

nhựa Chế biến thực phẩm, thủy tỉnh và giấy Các thành phần cho nhựa, chống

đóng băng, phân bón Các sản phẩm vải được hình thành thông qua việc sử dụng

phụ phẩm khí tự nhiên Thực tế là khí tự nhiên là một trong những nguồn năng

lượng sạch, rẻ nhất và hiệu quả nhất Điều đó làm cho nó dễ dàng để thấy tại sao

nó được sử dụng nhiêu như vậy

D Vận chuyển: Khí tự nhiên được vận chuyển bằng hệ thống đường ống

Bao gồm 3 loại sau: Thu gom các đường ống (khí tự nhiên thô trực tiếp từ giếng

khoan đến nhà máy xử lý khí); Đường ống truyền tải (sau khi được xử lý cao

nó được vận chuyên với khối lượng lớn trong khoảng cách lớn) Từ đường ống

truyền tải, khí sẽ chảy vào hệ thống phân phối áp suất thấp Là một biện pháp

phòng ngừa an toàn, các công ty tiện ích bỗ sung một mùi cho khí (vi vay ching

tôi có thể ngửi thấy nó trong trường hợp có sự rò ri) và sau đó gửi chúng tôi

thông qua một mạng lưới các đường ống nhỏ hơn; Và các đường ống phân phối

(cung cấp gas cho nhà cửa và doanh nghiệp) Các công ty phân phối giảm áp lực

với một nhà điều tiết trước khi nó đến tay người tiêu dùng

Tác động môi trường: Khí tự nhiên chủ yếu là khí mê-tan Sau khi giải

phóng vào khí quyền, nó được loại bỏ bởi sự oxi hóa Dần dần thành carbon

dioxide và nước.Phát thải trực tiếp của mêtan đại diện cho 14,3 phần trăm của

tổng lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu vào năm 2004

Trong quá trình khai thác, lưu kho, vận chuyền, và phân phối, khí tự nhiên

được biết là rò rỉ vào khí quyền Đặc biệt là trong quá trình chiết xuất

Phát thải CO2: Theo Báo cáo đánh giá thứ tư của IPCC, trong năm

2004 Nó đã sản xuất ra khoảng 5,3 tỷ tấn CO2 mỗi năm Trong khi than và dầu

đã sản xuất lần lượt 10,6 va 10,2 ty tan

1.1.2.3 Hệ thông nhiệt

Khái niệm: Mạng lưới nhiệt (heat networks) là một khái niệm khá mới mẻ ở các nước nhiệt đới, tuy nhiên ở các nước có thời tiết lạnh thì hệ thống này đã được

đưa vào khai thác sử dụng từ rất sớm

Mang nhiệt là thành phần chính của hệ thống sưởi ấm trung tâm và chịu trách -

nhiệm truyền tải năng lượng nhiệt Hình thức hệ thống của mạng nhiệt phụ

hoặc phòng lò hơi khu vực, v.v.) và người sử dụng nhiệt, đối tượng sử dụng

nhiệt trong khu vực sưởi ấm, kích thước và tính chất của tải nhiệt, v.v Các

nguyên tắc cần tuân thủ khi lựa chọn hệ thống mạng sưởi ấm là sưởi ấm an toàn

va tiét kiệm

Hình 1.5 Mô hình hệ thống nhiệt sưởi ấm cho thành pho

Các thế hệ phát triển của mạng lưới nhiệt

Thế hệ thứ nhất

Thế hệ đầu tiên là một hệ thống hơi nước được đốt bằng than, được giới thiệu

lần đầu tiên ở Mỹ vào những năm 1880 và cũng trở nên phổ biến ở một số nước

châu Âu Đó là công nghệ ứng dụng cho đến những năm 1930 và sử dụng ống

Thế hệ thứ hai

Thế hệ thứ hai được phát triển vào những năm 1930 và được chế tạo cho đến

tông , chủ yêu được lắp ráp tại chỗ và thiết bị nặng Một lý do chính cho các hệ

sử dụng các nhà máy nhiệt điện và nhiệt điện kết hợp

Thể hệ thứ ba

trong hầu hết các hệ thống trên toàn thé giới Thế hệ này còn được gọi là "công

dụng trong hỗn hợp năng lượng

Thế hệ thứ tư

Hiện tại, thế hệ thứ 4 đang được phát triển ở Đan Mạch Thế hệ thứ 4 được thiết

khối, địa nhiệt và năng lượng nhiệt mặt trời (sưởi ấm mặt trời trung tâm), bơm

|

điện cho các nhà máy sinh khối khi cần nguồn điện dự phòng

1.2.1 Khái niệm

phát triển mới của mạng lưới phân phối điện truyền thống ở quy mô nhỏ Nói

thời tất cả các dạng năng lượng

1.2.2 Đặc điểm

29

Hình 1.6 Một cầu trúc điển hiển của MEN

sớm đưa IES vào chiến lược năng lượng quốc gia

điển hình như cấu trúc MEN, vấn đề quy hoạch MEN trên cơ sở đặc tính của tải

điện, nhiệt, lạnh, đề xuất phương pháp cấu trúc tối ưu hóa lưu trữ năng lưọng và

tiến hành nghiên cứu vấn đề kinh tế và điều khiển tối ưu MEN

1.3 ENERGY INTERNET 1.3.1 Khái niệm

của họ khi sử dụng các hệ thống năng lượng tự dùng)

Khái niệm: EI là một công nghệ được ứng dụng trên nền tảng công nghệ thông

tin và truyền thông (Information Communication Technology — ICT) sử dụng hệ

thống quản lý thông tin - năng lượng để tích hợp các thiết bị chuyển đổi, phân

phối, lưu trữ năng lượng và tập trung chủ yếu vào hoạt động khai thác tối ưu

nguồn năng lượng tái tạo Sự phối hợp chặt chẽ giữa năng lượng và thông tin

nhằm đạt được sự điều phối tối ưu, an toàn, và hiệu quả Hình 1.7 cho thấy một

kết cấu điển hình của EI với sự kết hợp giữa các phần tử khác nhau thông qua hệ

thống truyền thông, điều khiển nhằm kiểm soát sự chuyên đổi và phân bố năng

lượng giữa chúng Năng lượng được cung cấp từ hệ thống điện, năng lượng tái

tạo, địa nhiệt và các trạm năng lượng có thể được biến đổi thành các dạng năng

lượng khác nhau nhằm đạt được cấu hình tối ưu

ey)

= == Kh uve E—-_ /_- T rạm wee 7

thương mại thông tin FA yes

a Hệ thống điều (Chuyễn đổi

khiến năng lượng F ~ƑƑ— nặng Tôn SHE

——— Dòng chảy năng lượng

Hình 1.7 Cấu trúc mạng lưới năng lượng đơn giản Các nhà máy công nghiệp, khu vực thương mại và nhà ở được coi là các máy

phát năng lượng Hệ thống thiết bị lưu trữ được kết nối với mạng lưới năng

lượng theo hai dạng tập trung và phân tán Hệ thống sử dụng luồng thông tin dé

kiểm soát lưu lượng năng lượng nhằm đảm bảo an toàn và nâng cao độ tin cậy

Nếu coi lưới điện thông mỉnh (smart grid) là lưới điện 2.0 thì có thể hiểu EI là

thế hệ 3.0 với khả năng kết nối và chia sẻ như mạng internet, khả năng tự phục

hồi cao, an toàn, tin cậy và nâng cao được hiệu quả sử dụng của các dang nang

lượng Thực chất gọi như vậy vì EI về cơ bản đã được nâng cấp và mở rộng trên

cơ sở công nghệ lưới điện thông minh So với lưới điện thông minh, ngoài điện

năng còn có các dạng năng lượng khác như khí tự nhiên, nhiệt năng, (năng

lượng mới và tái tạo được bổ xung dưới dạng nhiệt) Việc quản lý toàn diện chất

27

luong dién nang tap trung vao mấy vấn đề như chuyên hóa điện năng kém hiệu

quả, giao động điện áp lớn khi nguỗồn phân tán tham gia vào hệ thống điện Bên

cạnh đó, sự ra đời của mô hình này đồng nghĩa với việc cần phải đưa ra phương

pháp quản lý mới và chính sách phù hợp để đảm bảo hoạt động an toàn và kinh

tế EI cung cấp năng lượng linh hoạt với khả năng tương tác cao giữa tải và

nguồn, khả năng liên kết trực tiếp để cung cấp năng lượng trở nên chặt chế và

phong phú hơn EI được trang bị hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu một

cách đồng bộ, xuyên suốt từ khâu nguồn phát, truyền tải, phân phối cho đến

từng hộ tiêu thụ

Đặc điểm của mô hình có thể được tóm tắt ở máy điểm chính như sau: (1) Mô

hình ưu tiên các loại hình năng lượng mới và tái tạo (như năng lượng mặt trời,

năng lượng gió) thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống; (2) Mô hình

cho phép truy cập vào các thiết bị lưu trữ năng lượng quy mô lớn; (3) Sử dụng

nguyên tắc "tại chỗ", cụ thể là thu thập, lưu trữ và sử dụng năng lượng tại địa

phương; (4) tương tác hai chiều, trong đó người tiêu thụ năng lượng cũng có vai

trò sản xuất năng lượng; (5) Năng lượng được kết hợp trên diện rộng giống như

mô hình hệ thống điện; (6) Khả năng sản xuất đồng thời 3 dạng năng lượng

chính bao gồm: điện, nhiệt, và lạnh; (7) Công nghệ thông tin và truyền thông

thâm nhập vào tất cả các khía cạnh của dòng năng lượng

1.3.2 Cấu trúc của EI

Cấu trúc cơ bản của EI dưới góc độ điều khiển hệ thống có thể thông qua một

cấu trúc điều khiển phân cấp điển hình, cụ thể là lớp thiết bị đầu cuối, lớp điều

khiển khu vực, lớp phối hợp mạng toàn cầu và tầng dịch vụ nghiệp vụ Sơ đồ

cấu trúc EI được thê hiện trong Hình I.8

1.3.2.1 Lớp điều khiển vùng

Thiết bị chính ở cấp độ này chính là các bộ điều khiển và chuyên đổi năng lượng

bao gồm: máy biến áp và hệ thống quản lý năng lượng điện tử Với sự hợp tác

của hệ thống, việc triển khai thông minh các chức năng xử lý sự cố và năng

lượng được thực hiện Phạm vi bức xạ của một bộ định tuyến năng lượng được

coi là một đơn vị cơ bản

1.3.2.2 Lóp điều phối hợp

Lớp điều khiển phối hợp được coi là xương sống của mạng lưới năng lượng

Lớp này có chức năng phối hợp hoạt động một cách tin cậy và đảm bảo sự én

định của toàn bộ hệ thống Đây là lớp có mật độ thông tin lớn nhất và là cơ quan

hoạt động ở cấp cao nhất, có thể thực hiện việc điều phối thông minh (tối ưu) và

kiểm soát chất lượng năng lượng thông qua mô phỏng trực tuyến ở diện rộng

Ngoài ra, lớp này còn có chức năng kiểm soát lỗi, bảo vệ hệ thống và các chức

năng khác

1.3.2.3 Lóp thiết bị đầu cuối (điều khiển cục bộ)

Đây là lớp thiết bị trực tiếp cung cấp năng lượng cho phụ tải, là phần lớn nhất

của hệ thống và có tính tương tác cao Lớp này bao gồm các thiết bị phân phối,

sử dụng và lưu trữ năng lượng Tất cả các loại thiết bị đầu cuối đều áp dụng tiêu

chuẩn giao diện tương thích và đồng nhất

1.3.2.4 Lớp dịch vụ năng lượng

Lớp dịch vụ năng lượng được thực hiện trên nền tảng công nghệ điện toán đám

mây nhằm thực hiện liên kết rộng rãi cho tất cả các khách hàng với người sử

dụng giao dịch Lớp này cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng thương mại khác

nhau cho năng lượng thông qua dịch vụ mua bán năng lượng hoặc bán quyền

truyền tai vv Việc sử dụng điện toán đám mây cho phép kết nối khối lượng dữ

liệu lớn trên cơ sở xây dựng biểu giá điện năng động Lớp này giúp phát huy đầy

đủ quyền tự do của thị trường năng lượng dưới sự ràng buộc của các chính sách

và quy định có liên quan, nuôi dưỡng các mô hình dịch vụ năng lượng mới

nhằm cải thiện việc sử dụng năng lượng và phân bố nguồn lực hợp lý Đây được

coi là lớp có cấp độ hoạt động tích cực nhất trong toàn bộ cau trac cia EI

1.3.3 Thanh phan then chốt của EI

1.3.3.1 Nang lwong tai tao

29

Ô nhiễm môi trường và tình trạng thiếu hụt năng lượng hóa thạch khiến thế giới phải chuyển sự quan tâm nhiều hơn sang năng lượng tái tạo Hiện nay, các nguồn năng lượng tái tạo được sử dụng trên thể giới chủ yếu bao gồm năng

lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng địa nhiệt Bảng 1 cho thấy mức độ

tiêu thụ năng lượng tái tạo trung bình tại thời điểm năm 2012 của một số quốc gia

Căn cứ theo góc độ khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo, có thể chia chúng thành hai loại: tập trung và phân bố Nguồn năng lượng tái tạo tập trung vẫn được nỗ lực phát triển mặc dù nó có những hạn chế lớn như tổn thất lớn trong quá trình truyền tải Vì vậy, chúng được khắc phục bởi nguồn năng lượng tái tạo tại chỗ, sử dụng và lưu trữ tại địa phương

Trong tương lai, mạng lưới năng lượng sẽ hỗ trợ khả năng kết nối thiết bị phân tán nhiều hơn, điều này cho thấy năng lượng phân tán đã trở thành một hướng đi quan trọng cho sự phát triển năng lượng trong tương lai

Bảng 1.1 Lượng tiêu thụ năng lượng mới

va tdi tạo trên đầu người của một sô quốc gia (sô liệu năm 2012)

năng giảm đỉnh của phụ tải dẫn đến của thiết bị có thể được đảm bảo ở mức độ tải cho phép, giúp cải thiện hiệu quả và tuổi thọ của thiết bị và có ý nghĩa quan trọng đối với hoạt động kinh tế của thiết bị Trong trường hợp mắt điện, thiết bị lưu trữ năng lượng có thể nhanh chóng đưa vào hoạt động để đảm bảo nguồn điện liên tục, không bị gián đoạn cho các tải trọng quan trọng hoặc thậm chí tất

cả các tải làm cho hoạt động lưới điện an toàn và tin cậy hơn

Hiện nay, các phương pháp lưu trữ năng lượng có thể được chia thành ba loại: (1) Lưu trữ năng lượng điện hóa, sử dụng các đặc tính hấp thụ và giải phóng năng lượng pone các phản ứng hóa học để lưu trữ và giải phóng năng lượng, chủ yếu bao gồm pin và axít chì (2) Kho lưu trữ năng lượng cơ học, lưu trữ năng pone điện dư thừa dưới dạng năng lượng cơ học và chuyển đổi thành điện khi cần thiết, chủ yeu bao gồm lưu trữ nước và lưu trữ bánh đà (3) lưu trữ năng lượng điện từ, chủ yêu có hai dạng, một là lưu trữ năng lượng từ tính siêu dẫn, công nghệ này không cần chuyên đổi năng lượng, sử dụng các chất siêu dẫn để lưu trữ trực tiếp năng lượng dưới dạng năng lượng điện từ Những ưu điểm và nhược điểm của ba loại phương pháp lưu trữ năng lượng được thê hiện trong Bảng 2.2

Bảng 1.2: So sánh các hình thức lưu trữ năng lượng

Phương thức tích trữ _| Ưu điểm Nhược điểm

Kết cấu modul, hiệu suất chuyên đối | Liên quan đến các vấn đề

Điện hóa cao, đa dạng, khả năng thích ứng với | môi trường và an toàn

các nhu câu khác nhau trong sử dụng

Khả năng sử dụng lâu dai, dung Mật độ năng dương thấp,

1.3.3.3 Bộ định tuyến năng lượng

Bộ định tuyến năng lượng là một node quan trong trong mạng lưới năng lượng Thiết bị này đảm nhiệm việc thiết lập kết nối giữa các mạng khác nhau, đồng thời thiết lập và lựa chọn “tuyến đường” tối ưu nhất khi trong quá trình phát, phân phối và tiêu thụ năng lượng Bộ định tuyến ning lượng dựa vào hệ thong quản lý năng lượng để lựa chọn phương pháp kết nối lưới tốt nhất cho các nguồn năng lượng mới Cải thiện tốc độ sử dụng năng lượng, chọn chế độ hoạt động

đáng tin cậy và tiết kiệm, đảm bảo chất lượng cao nhất cho lưới điện, hợp tác với thiết bị bảo vệ rơle để chuyền đổi kịp thời vùng lỗi và điều khiển chế độ hoạt động của thiết bị lưu trữ năng lượng;

Thiết bị này hoạt động trên cơ sở dữ liệu phụ tải, biểu giá năng lượng tham

chiếu, đánh giá tôn hao trong quá trình tổn thất để lựa chọn phương án phân bố

tối ưu dòng năng lượng

Bộ định tuyến năng lượng bao gồm các thiết bị điện tử công suất, các nền tảng truyền thông và các mô-đun điều khiển thông mỉnh Trong số đó, nền tảng truyền thông có trách nhiệm thu thập thông tin trạng thái như hoạt động của hệ thống truyền tải điện, mô-đun điều khiển thông minh sử dụng thông tin toàn diện để hoàn thành việc kiểm soát sự ôn định và lưu lượng của mạng, thiết bị điện tử là một phần quan trọng của bộ định tuyến năng lượng Máy biến thế điện

tử có thể nhận ra các chức năng như chuyển đổi năng lượng, bảo vệ lỗi và cải

thiện chất lượng năng lượng

1.3.4 Phân tích một số vấn đề liên quan đến sự phát triển của EI và ENs

1.3.4.1 Tác động của nguồn năng lượng phân tán quy mô lớn lên lưới điện Mạng năng lượng sẽ trọng tâm khai thác nguồn năng lượng phân tán Theo quy

mô lưới điện truyền thống hiện nay, sự ngẫu nhiên của loại hình này cũng đã

điện.Ngoài ra, việc tiếp cận nguồn năng lượng phân tán sẽ làm thay đổi kết cấu ban đầu của lưới điện va thay d6i các đặc tính trạng thái tức thời và ổn định của

hệ thống điện Với sự phát triển trong tương lai của mạng năng lượng, đặc tính

và các trạng thái sự cố thoáng qua của hệ thống cũng trở nên phức tạp, liên tục thay déi theo thời gian thực

Do đó, để khắc phục được vấn đề này cần thiết lập một mô hình dự báo chính xác nhằm tối ưu hóa cấu trúc của mạng, tối đa hóa lợi ích kinh tế và xã hội Để đạt được mục đích này, một mô hình chính xác hơn nên được thiết lập để dự báo

để bố trí hợp lý thiết bị, tối đa hóa lợi ích kinh tế và xã hội Các phương pháp dự

báo thường được sử dụng bao gồm các thuật toán truyền thống như phân tích xu hướng, phân tích hồi quy và các phương pháp phân tích hiện đại như Neural network và Gray forecast

1.3.4.2 Công nghệ lưu trữ năng lượng hiệu suat cao

Sự có mặt của hệ thống tích trữ năng lượng giúp cho EI dễ dàng được kiểm soát,

giảm tác động của các nguồn năng lượng phân tán lên lưới điện, cải thiện việc

sử dụng các nguồn năng lượng mới và nâng cao độ tin cậy của lưới điện

Tuy nhiên, sự thiếu liên kết của loại hình này lại là một thách thức không nhỏ

đối với EI Do hệ thống tích trữ thường được kết hợp cùng nguồn năng lượng

phân tán, trong khi loại hình năng lượng này lại được phân phối rải rác ở phía

người dùng Điều này khiến vấn đề chỉ phí đầu tư ban đầu của người sử dụng

tăng lên Ngoài ra, hệ thống tích trữ cũng cần phát triển hơn nữa về mặt công

nghệ nhằm tăng khả năng lưu trữ, mật độ công suất và tuổi thọ trung bình của

thiết bị

Một số phương pháp lưu trữ năng lượng truyền thống còn tồn tại nhiều mặt hạn

chế về khả năng ứng dụng của chúng trong BI như mật động năng lượng thấp và

tudi tho ngan Để đạt được điều này cần tích cực nghiên cứu các loại vật liệu và

công nghệ lưu trữ năng lượng mới

Công nghệ lưu trữ năng lượng Hyđro là một trong những công nghệ mới hiện

nay; loại hình này sử dụng sử chuyển đổi qua lại giữa năng lượng điện và năng

lượng hóa học, như trong Hình 1.9: Quá trình nạp sử dụng điện năng từ lưới

điện để điện phân nước thu được khí hyđro và sau đó tiến hành bảo quản ở nhiệt

độ thấp Quá trình phóng bằng cách đốt cháy lượng hyđro được lưu trữ Giải

pháp này đã tao ra những đột phá về mặt không gian và có khả năng ứng dụng

mạnh mẽ

1.3.4.3 Phát triển các tiêu chuẩn giao diện

33

Trong EI, dé thực hiện việc trao đổi thông tin và chia sẻ năng lượng giữa nguồn,

người sử dụng và trung tâm điều khiển thì giao diện kết nối giữa chúng là không

thể thiếu Tiêu chuẩn hóa là nền tảng để hỗ trợ phát triển lưới thông minh đồng

thời cũng là cơ sở dé thực hiện hoạt động trao đổi giữa nguồn cung cấp và người

sử dụng [30] Hiện nay, các tiêu chuẩn liên quan đến giao diện lưới thông minh

đã được thiết lập hoặc đang được phát triển ở các nước phát triển chủ yếu bao

gồm OpenADR 2.0, SEP 2.0 và khả năng tương tác năng lượng OASIS v.v

Theo yêu cầu cho việc xây dựng internet năng lượng, giao diện chuẩn nên có các

chức năng sau đây

(1) Xác định chính xác các thiết bị truy cập Giao diện sẽ có thể xác định chính

xác và kịp thời thiết bị truy cập, lay thông tin như vị trí, loại và khả năng truy

cập nguồn hoặc tải và tải nó lên trung tâm điều khiển để quán lý hệ thống nhằm

xây dựng chương trình bảo vệ rơle và chiến lược hoạt động kinh tế

(2) Cần thiết lập giao diện chuẩn hóa các thiết bị kết nỗi Ngay cả khi các thông

số giao thức khác nhau được yêu cầu để đáp ứng các loại thiết bị khác nhau,

chúng phải tương thích với nhau để tránh bị phân mảnh, đảm bảo kết nối giữa

các mạng năng lượng quốc gia và toàn cầu

3) Giao diện cũng cần có chức năng bảo vệ và giám sát, như rào cản quản lý và

bảo vệ đầu tiên của thiết bị truy cập Nó có thể theo dõi trong thời gian thực sự

trao đôi luồng thông tin và lưu lượng năng lượng giữa các cấp quản lý chẳng hạn

như chất lượng điện, sự cố bất thường Xác định và loại bỏ các lỗi một cách kịp

thời

1.3.4.4 Hệ thong kết nỗi thông tin mạnh mẽ và đáng tỉn cậy

Nếu mạng trung tâm chịu sự tấn công nguy hiểm từ bên ngoài dẫn đến luồng

thông tin bị gián đoạn hoặc do thảm họa vật lý vì thiên tai và sao lưu dữ liệu bị

mắt, hậu quả sẽ là rất nặng nề EI trong tương lai là một mạng năng lượng bao

gồm hàng chục ngàn tòa nhà và hộ gia đình Do đó, hệ thống kết nối thông tin

của nó phải là một hệ thống mạng có quy mô lớn và phức tạp:

(1) Một cấu trúc mạng được lên kế hoạch tốt có thể bắt đầu từ việc tối ưu hóa

các tham số node hệ thống như mật độ, các hệ số tổng hợp và đường dẫn truyền

1.3.4.5 Đẫy mạnh xây dựng và cải thiện dịch vụ thị trường điện

Ở giai đoạn này, thị trường điện là một khía cạnh quan trọng của thị trường nang lượng và sự phát triển của nó có ý nghĩa quan trọng đối với các dạng thị trường năng lượng khác Việc xây dựng thị trường năng lượng của các quốc gia phát

triển đều được triển khai từ khá sớm Trong tương lai thị trường năng lượng nên

có các đặc điểm sau đây:

(1) Phát huy đầy đủ vai trò của quy chế thị trường, giới thiệu thị trường cạnh tranh và cơ chế khuyến khích, nâng cao hiệu quả phát điện, truyền tải, phân phối

và bán điện, tạo điều kiện cho người dùng thông thường cũng có thê tham gia vào trong thị trường điện

(2) Xây dựng một hệ thống giao dịch hoàn hảo với nền tảng công nghệ giao dịch điện toán đám mây Yêu cầu đặt ra với hệ thống giao dich can dam bao hé théng hoạt đồng ổn định và an toàn, tối ưu hóa mọi nguồn lực sẵn có

3) Các dịch vụ phụ trợ thị trường điện đảm bảo cho hoạt động an toàn, đáng tin

cậy và kinh tế của hệ thống điện

Mạng năng lượng dựa trên nguồn năng lượng sạch và tái tạo phù hợp với mục

tiêu giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát triển bền Tuy nhiên, xây dựng một

mạng lưới năng lượng là một dự án lớn không thể thực hiện ngay được Việc xây dựng mạng năng lượng phụ thuộc vào sự phát triển và tiến bộ về mặt công nghệ trong các ngành như công nghệ thông tin và truyền thông, điện tử công suất, khoa học vật liệu và quản lý thị trường

35

CHUONG 2 ENERGY HUB VA UNG DUNG

một nền tảng cơ bản mới để xây dựng nên hệ thống đa năng lượng

2.1 KHÁI NIỆM

2.1.1 Mô tả EH

năng lượng đầu vào tại nút thứ ¡ và năng lượng đầu ra tại nút j

Ls}:

và (1, n) là năng lượng chuyên hóa đầu ra

Các yếu tố cấu thành EH

và Lưu trữ

- Kết nối trực tiếp là hệ thống các thiết bị, phần tử được sử dụng để phân phối năng lượng (vào/ra) mà không chuyển đổi nó thành một hình thức khác hoặc có sự tôn hao không đáng kế chất lượng (ví dụ: điện áp, áp suất thủy lực) Cáp điện, đường dây trên đầu và đường ống là những ví dụ cho loại phan tir nay

- Các phần tử chuyển đổi được sử dụng để chuyên đôi năng lượng thành

các dạng khác Ví dụ như: tuabin hơi và khí, động cơ đốt trong xoay chiều, động

cơ Stirling, máy điện, pin nhiên liệu, máy điện phân, bộ chuyển đổi nhiệt điện,

VV

- Yếu tế thứ ba: lưu trữ năng lượng với các công nghệ khác nhau Chang han điện có thể được lưu trữ trực tiếp (ví dụ: siêu tụ điện, ắc quy, pin nhiên liệu) hoặc gián tiếp (ví dụ:bể chứa thủy điện, bánh đà, lưu trữ khí nén )

2.1.2 Hướng nghiên cứu và đối tượng ứng dụng 2.1.2.1 Một số lĩnh vực nghiên cứu

Cho đến nay, nhiều nhà khoa học đã thực hiện các nghiên cứu về EH bao gồm các vấn đề như: mô hình và tối ưu trào lưu năng lượng, vận hành tối ưu,

quy hoạch và đầu tư, độ tin cậy và chế độ duy trì sự làm việc ổn định của mô

hình vv Có thể tóm tắt một số lĩnh vực nghiên cứu chính qua bảng 2.1 như sau: Bảng 2.1 Tóm tắt một số hướng nghiên cứu chính về mô hình EH

Hướng nghiên cứu Giải thích

Đề xuất các mô hình EH có cấu trúc phù hợp với yêu cầu

Mô bình và tính toán tôi ưu đồng và đặc điểm của phụ tải Tính toán trào lưu công suất tối

cực của hệ thống thiết bị tích trữ năng lượng

Mô hình hóa và ứng dụng công Ứng dụng và khai thác mạnh mế các nguồn phân tán

nghệ nguôn phân tán trong hệ thống EH

2.1.3.2 Đối tượng ứng dụng

EH được ứng dụng rộng rãi cho các đối tượng như sau:

- Các nhà máy sản xuất điện năng

- Khu vực sản xuất công nghiệp

- Hệ thống các toàn nhà cao tầng

- Khu vực dân cư

- Khu vực vùng sâu, vùng xa (hạn chế về mặt địa lý)

- Khu vực hải đảo

- Khu vực thương mại (sân bay, các trung tâm thương mại, )

2.1.3 Tiềm năng và lợi ích của mô hình EH

Từ quan điểm hệ thống, việc kết hợp các dạng năng lượng khác nhau trong

thông thường Bao gôm:

- Tăng độ tin cậy;

- Tăng tính linh hoạt;

- Tối ưu hóa tiềm năng các dạng năng lượng ( bao gồm năng lượng mới và

tái tạo);

- Tối ưu hóa khả năng ứng dụng

Cấu trúc và lợi ích của mô hình EH được làm rõ qua việc phân tích Ví dụ:

Khánh Hòa và các tỉnh Duyên hải - Nam Trung Bộ

2.2 Ví dụ tính toán

tải trở nên phức tạp Thêm vào đó, phụ tải đa phần được thiết kế theo cấu trúc hệ

thống; điển hình như tổ hợp hệ thống điện, khí tự nhiên và điều hòa không khí

quản lý, phân phối năng lượng Nhiều mô hình đã được giới thiệu nhằm phù hợp

hỗ trợ qua lại giữa điện năng và nhiệt năng dan đến tăng khả năng linh hoạt và

Tại Việt Nam, Energy hub và Energy internet vẫn là những khái niệm còn

khá mới mẻ, chưa có một dự án thực tế nào được triển khai mà mới chỉ dừng lại

vùng duyên hải Nam Trung Bộ có nguồn tài nguyên lớn nhất là du lịch và kinh

tế biển, vị trí địa lý thuận lợi, cơ sở hạ tầng đáp ứng nhu cầu của các nhà đầu tư

chính vì thế nhu cầu sử dụng năng lượng theo thời gian cũng có những bước

tăng đột biến và đa dạng Hơn nữa với vị trí địa lý đặc thù của mình, khu vực

này cũng có tiểm năng lớn để khai thác các dạng năng lượng mới và tái tạo như

oo TT.O‡ên kỢiánh SỈ ga Tre BIỂN ĐÔNG

BONG °F DIEN KH Hon Tam

NI NINH THUAN 7 Cam Ranh

Hinh 2.2 Ban dé dia ly tinh Khanh Hoa

Vi vay, vi du nay sé tiến hành phân tích, đưa ra mô hình EH áp dụng vào

thực tiễn, đáp ứng đồng thời nhu cầu sử dụng điện, nhiệt và lạnh; đồng thời giải

quyết bài toán vận hành tối ưu dựa trên cơ sở áp dụng biểu giá năng lượng hiện

nay đối với khu vực phụ tải sinh hoạt phục vụ cho du lịch Mô hình toán được

xây dựng với hàm mục tiêu tổng chỉ phí năng lượng là nhỏ nhất; các ràng buộc

bao gồm: giới hạn công suất thiết bị, cân bằng năng lượng, biểu giá năng lượng

Kết quả tính toán là cơ sở dữ liệu đáng tin cậy trong việc vận hành tối ưu hệ

thống năng lượng từ đó tiết kiệm chỉ phí cho người sử dụng đồng thời góp phần

nâng cao độ tin cậy và hiệu suất quản lý nhu cầu sử dụng nhờ cắt giảm đỉnh của

đồ thị phụ tải điện

2.2.1.Mô hình EH đề xuất

Như đã giới thiệu ở phần mở đầu, để thuận tiện hơn cho việc quản lý năng

lượng, thành phần phụ tải hiện nay được phân tách khá rõ Mô hình sử dụng

năng lượng truyền thống trước đây chủ yêu thông qua hệ thống lưới điện phân

phối; Trong đó, nhiệt năng được cung cấp bởi các thiết bị chuyên hóa từ năng

lượng điện một cách nhỏ lẻ không tập trung dẫn đến vấn đề quản lý nhu cầu phụ

tải trở nên phức tạp Được nâng cấp ở mức độ cao hơn, phụ tải nhiệt khu vực

dân cư được cung cấp riêng từ mạng lưới khí tự nhiên như ở hình 2 3

tại thời điểm t đáp ứng nhu cầu sử dụng điện năng, nhiệt năng, và nhiệt lạnh

của phụ tải lần lượt là: 7,0), 1„), và) thông qua máy biến áp (Transformer),

máy lạnh trung tâm AC (Air-Conditioner) và nồi hơi GB (Gas boiler) được mô

tả như sau:

i Œ)= 10)1n; + 1„ữMxe

Trong d6, mcs 14, > Mr lần lượt là hiệu suất làm việc của các thiết bị AC,

GB, và máy biến áp Mô hình được giới thiệu nêu trên mặc dù phân tách riêng

biệt hệ thống cung cấp điện, nhiệt, và lạnh cho phụ tải tuy nhiên lại chưa có sự

liên kết, trao đổi giữa điện năng và khí tự nhiên, dẫn đến độ tin cậy và khả năng

linh hoạt tương đối thấp Do đó, để khắc phục nhược điểm này, đồng thời có thể

khai thác triệt để các ứng dụng năng lượng tái tạo và hệ thống tích trữ năng

40