Tốı ưu vận hành hệ thống PV - Diesel - Battery Hybrid tại đảo bé, huyện Lý Sơn, tỉnh Quảng Ngãi

Để đảm bảo cấp điện an toàn, liên tục bằng nguồn Diesel và hệ thống pin năng lượng mặt trời về mặt lý thuyết là đảm bảo, tuy nhiên qua vận hành cho thấy để tối ưu kỹ thuật và kinh tế hạn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS LƯU NGỌC AN

Phản biện 1: TS LÊ ĐÌNH DƯƠNG

Phản biện 2: TS VŨ PHAN HUẤN

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành kỹ thuật điện họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 30 tháng 6 năm 2018

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

-Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Huyện Lý Sơn, trước đây còn gọi là Cù Lao Ré, thuộc tỉnh Quảng Ngãi Diện tích khoảng 9,97 km2, dân số khoảng 22.460 người Gồm 3 đảo: đảo lớn (Lý Sơn, Cù Lao Ré), đảo Bé (cù lao Bờ Bãi) ở phía Bắc đảo Lớn, và hòn Mù Cu ở phía Đông của đảo Lớn Huyện được chia làm 3 xã: An Vĩnh (huyện lỵ - đảo Lớn), An Hải (Đảo Lớn) và An Bình (đảo Bé)

Từ tháng 9/2014, Đảo Lớn được cấp điện từ hệ thống điện Quốc gia, bằng tuyến cáp ngầm xuyên biển 22kV từ xuất tuyến 470/TBA 220kV Dung Quất Riêng đảo Bé hiện nằm cách đảo Lớn 3,5 hải lý (hơn 6km) về phía Bắc, hiện có 120 hộ dân sinh sống Để cấp điện cho đảo Bé ngành Điện đầu tư hệ thống Diesel có 2 máy phát có công suất 2x110 KVA và pin năng lượng mặt trời có công suất 96 KWp

Hiện nay mạch lai ghép năng lượng mặt trời và Diesel sau khi lắp đặt, thí nghiệm và vận hành cấp điện 24/24h từ tháng 9/2017 Đảm bảo cấp điện cho huyện đảo Lý Sơn nói chung, đảo Bé nói riêng là nhiệm vụ chính trị có ý nghĩa quan trọng, ngoài việc đảm bảo điện năng cho sự phát triển kinh tế - xã hội của xã đảo còn góp phần giữ vững an ninh, quốc phòng, chủ quyền biển đảo của Tổ quốc Việc cung cấp nguồn điện ổn định từ trạm phát điện diesel kết hợp hệ thống năng lượng tái tạo phục vụ nhu cầu sinh hoạt và phát triển kinh tế cho đảo Bé, góp phần phát triển văn hóa, xã hội, nâng cao mức sống, trình độ dân trí, xóa đói giảm nghèo, kích thích sự phát triển kinh tế cho xã đảo An Bình là việc làm cần thiết Đồng thời, địa điểm lắp đặt hệ thống điện mặt trời hiện nay cũng trở thành điểm tham quan cho du khách

Qua số liệu báo cáo kết quả kinh doanh 4 tháng đầu năm

2018 của Điện lực Lý Sơn – Công ty Điện lực Quảng Ngãi, trong đó

số liệu kinh doanh của Đảo Bé như sau: Phát Diesel: 42.412 kWh;

điện mặt trời (PV): 23.266 kWh; điện thương phẩm bán cho khách hàng là 61.565 kWh; doanh thu tiền điện là 109,12 triệu đồng, tổn thất điện năng của hệ thống là 6,2% Với giá dầu 19.083 đồng; chưa tính cho phần chi phí phải mua điện mặt trời (PV) thì với sản xuất Diesel đã lỗ khoảng 130,9 triệu đồng Như vậy, nếu không có phương án tối ưu thì càng phát Diesel thì càng lỗ

Để đảm bảo cấp điện an toàn, liên tục bằng nguồn Diesel và

hệ thống pin năng lượng mặt trời về mặt lý thuyết là đảm bảo, tuy nhiên qua vận hành cho thấy để tối ưu kỹ thuật và kinh tế (hạn chế chạy Diesel) cần phải tính toán chế độ vận hành hợp lý là cần thiết Ngoài ra việc nghiên cứu và phân tích bản chất hiện tượng này sẽ giúp cho nhà quản lý, cán bộ kỹ thuật và nhân viên vận hành hiểu rõ hơn bản chất của vấn đề để nâng cao trách nhiệm trong vận hành hệ thống điện Đó là lý do chọn đề tài:

- Tên đề tài: “ TỐI ƯU VẬN HÀNH HỆ THỐNG PV – DIESEL – BATTERY HYBRID TẠI ĐẢO BÉ, HUYỆN LÝ SƠN, TỈNH QUẢNG NGÃI ”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

Luận văn sẽ nghiên cứu các phương pháp tối ưu vận hành hệ thống điện cô lập; Xây dựng thuật toán tối ưu vận hành hệ thống PV

- Diesel – Battery Hybrid

Tính toán tối ưu hệ thống điện PV - Diesel – Battery Hybrid tại đảo Bé huyện đảo Lý Sơn

3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu:

a Đối tượng nghiên cứu:

Hệ thống PV - Diesel – Battery Hybrid tại Đảo Bé, huyện Lý Sơn

b Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu các lý thuyết giải bài toán tối ưu vận hành hệ thống điện cô lập;

Thu thập số liệu hệ thống điện PV - Diesel – Battery Hybrid tại đảo Bé

Mô phỏng và xây dựng thuật toán

Tính toán ứng dụng: áp dụng các lý thuyết đã nghiên cứu, xây dựng phần mềm tính toán để thao tác tính toán, mô phỏng các quá trình xác lập và quá trình quá độ của hệ thống để tìm giải pháp vận hành tối ưu, kinh tế, môi trường

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu:

Qua kết quả tính toán cho biểu đồ vận hành tối ưu hệ thống

PV - Diesel – Battery Hybrid Đảo Bé huyện Lý Sơn sao cho kinh tế nhất

Giải pháp kỹ thuật nguồn lai ghép PV - Diesel – Battery trong giai đoạn hiện nay cho các vùng hải đảo là xu hướng công nghệ tối ưu trên thế giới Với việc lựa chọn BESS dự trữ và các tấm pin mặt trời phù hợp cho phép tạo ra một hệ thống nguồn điện lai (hybrid) với giá thành hợp lý và đảm bảo các điều kiện kỹ thuật đặt

ra Đồng thời, đầu tư, vận hành nguồn Diesel hợp lý sẽ đảm bảo cấp điện ổn định, đáp ứng được các điều kiện thời tiết, khí hậu khắc nghiệt

5 Cấu trúc của luận văn:

Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo trong luận văn gồm có các chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu các phương pháp tối ưu ứng dụng cho

vận hành hệ thống điện cô lập

Chương 2: Xây dựng thuật toán tối ưu vận hành hệ thống

PV - Diesel – Battery Hybrid

Chương 3: Tính toán tối ưu vận hành hệ thống PV - Diesel –

Battery Hybrid tại đảo Bé, huyện Lý Sơn

CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU CÁC PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU

ỨNG DỤNG CHO VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN CÔ LẬP 1.1 Giới thiệu chung:

Ngày nay, sự quan tâm ngày càng lớn trong việc áp dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) vào kỹ thuật hệ thống điện đã được giới thiệu là có tiềm năng rất lớn Công nghệ AI, không chính xác giống như các phương pháp toán học, có khả năng rõ ràng để thích ứng với phi tuyến tính và sự cố không liên tục thông thường trong các hệ thống điện Các thuật toán nổi tiếng nhất bao gồm phương pháp Nhánh-Cận, lập trình tiến hóa, các thuật toán di truyền, mô phỏng luyện kim, tìm kiếm Tabu, và mạng nơ-ron…

1.2 Các phương pháp giải quy t ài toán tối ưu h a:

1.2.1 -

SA):

1.2.2

1.2.2.1 Các tính chất của giải thuật di truyền:

1.2.2.2 Các bước cơ bản của giải thuật di truyền:

1.2.3.5 Phương pháp thi t k bộ điều khiển m :

1.2.3.6 Các bước thi t k bộ điều khiển m :

1.2.6.2 Chia nhánh, đặt cận, chạm đáy:

1.2.6.3 Thuật toán nhánh - và - cận:

1.3 Tổng k t chương 1:

Chương này chủ yếu là giới thiệu một vài thuật toán đáng chú ý,

nó không đi sâu vào chứng minh hay áp dụng các thuật toán này, mà chỉ giúp người đọc hiểu một cách khái quát các thuật toán mà thôi Trong 3 thập k vừa qua, đã có nhiều kỹ thuật tối ưu hóa đã được phát minh và thành công trong việc áp dụng vào vận hành và điều khiển các hệ thống điện

CHƯƠNG 2:

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU VẬN HÀNH HỆ THỐNG PV - DIESEL – BATTERY HYBRID 2.1 Phương pháp tối ưu h a:

Trong thực tế, rất nhiều ngành trong xã hội phải giải quyết các bài toán tối ưu nhiều mục tiêu để đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất Nhà sản xuất thì phải đưa ra phương án sao cho tiết kiệm vật liệu, nhân công, chi phí thấp, giá bán sản phẩm cao nhất, lợi nhận đem lại cao nhất, dẫn đến có mâu thuẫn lẫn nhau Nghiên cứu giải bài toán tối ưu đa mục tiêu là một nhiệm vụ không đơn giản vì chưa chắc có lời giải thỏa mãn đồng thời các mục tiêu đặt ra (thường là các mục tiêu đối nghịch) mà không vi phạm các ràng buộc nào đó

Đã có nhiều phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu được đề xuất, việc nghiên cứu phát triển các phương pháp này và ứng dụng chúng để giải quyết các bài toán thực tế là một vấn đề đang được quan tâm

2.1.1 M bà ư

Tối ưu hóa là một trong những lĩnh vực quan trọng của toán học có ảnh hưởng đến hầu hết các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kinh tế và xã hội Việc tìm giải pháp tối ưu cho một lĩnh vực thực tế nào đó chiếm một vai trò hết sức quan trọng như việc tiến hành lập

kế hoạch sản xuất hay thiết kế hệ thống điều khiển các quá trình …

Nếu áp dụng các kiến thức trên nền tảng của toán học để giải quyết các bài toán cực trị, người ta sẽ đạt được hiệu quả kinh tế cao Điều này phù hợp với mục đích của các vấn đề đặt ra trong thực tế hiện nay

Bài toán tối ưu tổng quát được phát biểu như sau:

Cực đại hóa (cực tiểu hóa) hàm: ( ) ( )

Với các điều kiện: ( ) (1.1)

(1.4) Trong đó f(X) được gọi là hàm mục tiêu, các điều kiện (1.1) được gọi là ràng buộc đẳng thức Các điều kiện (1.2), (1.3) được gọi

là ràng buộc bất đẳng thức Các điều kiện (1.4) được gọi là ràng buộc

về dấu ( ) là véc tơ thuộc không gian Tập hợp các véc tơ X thỏa mãn hệ ràng buộc lập nên một miền D được gọi là miền phương án (hay miền chấp nhận được), mỗi điểm X D gọi là một phương án Một phương án làm cho hàm mục tiêu f(X) đạt max (min) được gọi là phương án tối ưu

- Qui hoạch rời rạc: Bài toán tối ưu được gọi là qui hoạch rời rạc nếu miền ràng buộc D là tập hợp rời rạc Trong trường hợp riêng khi các biến chỉ nhận giá trị nguyên thì ta có qui hoạch nguyên

- Qui hoạch đa mục tiêu: Nếu trên cùng một miền ràng buộc

ta xét đồng thời các hàm mục tiêu khác nhau

Trong các lĩnh vực kinh tế kỹ thuật thì qui hoạch phi tuyến, qui hoạch tuyến tính là những bài toán thường gặp Trong phần này, tác giả chỉ trình bày 2 bài toán về quy hoạch tuyến tính và tối ưu đa mục tiêu

2.1.3 à q í

2.1.4 à ư đ ụ ê

Trong các bài toán kinh tế, kỹ thuật, khoa học công nghệ, nảy sinh từ thực tế, chúng ta phải xem xét tối ưu hóa đồng thời nhiều mục tiêu Việc làm tốt hơn mục tiêu này thường dẫn tới việc làm xấu

đi một số mục tiêu khác (nghĩa là không có lời giải nào tối ưu theo mọi mục tiêu)

Như vậy, chúng ta cần phải tối ưu hóa (cực đại hóa hoặc cực tiểu hóa tùy theo tình huống cụ thể) không phải là chỉ một mục tiêu nào đó, mà là đồng thời tất cả các mục tiêu đã đặt ra thường là không tương thích với nhau

Xét mô hình tổng quát:

( ) ( ( ) ( ) ( ) ) ( )

( ) ( ) Trong đó:

+ F(X) được gọi là hàm mục tiêu

+ G(X) được gọi là các biểu thức ràng buộc

+ X là phương án của bài toán

Tập tất cả các phương án thỏa mãn hệ điều kiện ràng buộc được gọi là miền phương án, phương án thỏa mãn điều kiện để ( ) ( ) được gọi là phương án tối ưu

Rõ ràng so với bài toán tối ưu một mục tiêu, việc tìm nghiệm của bài toán tối ưu nhiều mục tiêu khó khăn hơn rất nhiều và đại đa

số, chúng ta không thể xác định được phương án tối ưu thật sự

2.2 Phương pháp tối ưu h a hệ thống điện cô lập:

2.2.1

Trong giai đoạn hiện nay, giá nguyên liệu và sự phát triển của công nghệ năng lượng tái tạo đã đem đến những cơ hội cho việc

sử dụng nguồn tái tạo trong hệ thống điện độc lập như hệ thống điện

tự dùng của nhà máy công nghiệp, của một tòa nhà cao tầng, trung tâm thương mại, các hệ thống điện nhỏ của một địa phương ở vùng sâu, vùng xa hẻo lánh, đảo hoạt động có tính chất độc lập không kết nối với hệ thống điện quốc gia Một hệ thống điện độc lập bao gồm: hệ thống điện mặt trời (PV), diesel và hệ thống pin lưu trữ năng lượng (BESS) Với yêu cầu tăng cường hiệu quả kinh tế và độ tin cậy của hệ thống điện độc lập, việc xây dựng một phương thức vận hành tối ưu với việc sử dụng năng lượng mặt trời tối đa, đồng thời giảm giá thành vận hành và khí thải là vấn đề đáng quan tâm và nghiên cứu hiện nay

2.2.2 đ

2.2.2.1 Hệ thống năng lượng mặt tr i (PV):

2.2.2.2 Hệ thống Pin lưu trữ năng lượng ( ESS):

Chế độ nạp hay xả của BESS được dựa trên việc vận hành tối ưu của hệ thống hỗn hợp BESS sẽ được nạp khi việc sản xuất vượt quá tiêu thụ Mặc khác, nếu nhu cầu phụ tải lớn hơn năng lượng sẵn có, thì BESS sẽ không nạp để bù vào chỗ thiếu

Trạng thái nạp/xả của Pin (SOC) có thể được tính như sau:

( )

Với C(t) là công suất ứng với thời điểm t Và là công suất tham chiếu

Tại thời điểm t, trạng thái nạp SOC(t) có liên quan đến trạng thái nạp/xả trước đó SOC(t-1), năng lượng từ các nguồn và năng lượng tải của hệ thống trong khoảng thời gian (t-1) đến t Trong quá trình nạp/xả này, trạng thái nạp tại thời điểm tức thời t có thể tính theo công thức sau:

( ) ( ) ( ) ( )

2.2.2.3 Diesel:

Máy phát diesel được sử dụng để bù đầy tải trong trường hợp

hệ thống PV và BESS không đủ cung cấp Diesel được bắt đầu để đáp ứng nhu cầu phụ tải và có thể tắt bất cứ khi nào các hệ thống PV

và BESS đủ cung cấp cho tải

Trong đó: : Giá nguyên liệu

F(t): Lượng tiêu thụ mỗi giờ của máy phát diesel F(t) được tính theo công thức:

( ) ( )

Với: : Công suất định mức của máy phát diesel

( ) : Công suất diesel tại thời điểm t

- Giá khí thải (EC) được tính như sau:

- Chi phí thay thế Pin (BrC):

Trạng thái biến đổi sức khỏe ( ) có thể được trình bày dưới dạng hàm tuyến tính của sự thay đổi trạng thái nạp ( ) và

: Tình trạng sức khỏe ở mức tối thiểu

….Tuy nhiên, giá trị của PB(t) lại được xác định bởi sự thay đổi của SOC ( SOC) Do vậy, hàm mục tiêu trở thành là hàm của ( SOC)

Hàm mục tiêu: min f( SOC)

( )

Do vậy, ràng buộc biến đổi SOC cũng được miêu tả như sau:

( )

- Ràng buộc trạng thái nạp của Pin:

Tình trạng nạp của Pin được giới hạn như sau:

( )

- Ràng buộc tuổi của Pin: Tình trạng sức khỏe Pin (SOH) được giới hạn sau:

( )

- Ràng buộc máy phát Diesel:

Công suất phát ra của máy phát Diesel được giới hạn như sau:

đồ Để hiểu thuật toán này, người ta nhắc đến một công nghệ cơ bản: một đồ thị được thiết lập các yếu tố được gọi là các nút hoặc đỉnh, với các cạnh giữa một số nút

CHƯƠNG 3:

TÍNH TOÁN TỐI ƯU VẬN HÀNH

HỆ THỐNG PV – DIESEL – BATTERY HYBRID ĐẢO BÉ 3.1 Tổng quan về điều kiện kinh t xã hội huyện Lý Sơn:

3.3 Mô hình i n đổi NLMT thành điện năng:

Hiện nay, Việt Nam có 3 dạng mô hình hệ thống NLMT đang được áp dụng, đó là: mô hình hệ thống NLMT cấp điện độc lập,

mô hình hệ thống độc lập kết hợp giữa NLMT và các nguồn NL khác

và mô hình NLMT kết nối lưới quốc gia

3.3.1 M NLM đ cô :

Mô hình hệ thống NLMT cấp điện cô lập là hệ không nối lưới, tự phát điện và cung cấp trực tiếp cho hộ tiêu thụ Công suất của các tấm pin NLMT và ắc quy phụ thuộc nhu cầu điện hàng ngày của phụ tải, tình hình bức xạ mặt trời tại nơi lắp đặt hệ thống

Hình 3.1 ơ đồ đ ển hình của h th ng NLMT cô l p

Hình 3.4: Mô hình h th ng cô l p k t hợp giữa NLMT- gió- Diesel

Hình 3.2 ơ đồ minh họa h th ng NLMT cô l p

3.3.2 Mô hình hệ thống cô lập k t hợp giữa NLMT và nguồn NL khác

Hình 3.3: Mô hình h th ng cô l p k t hợp giữa NLMT- Diesel