Điều độ kinh tế trong microgrid sử dụng thuật toán tìm kiếm phân dạng ngẫu nhiên sfsa

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: x Nghiên cứu các phương pháp để giải bài toán tối ưu kinh tế x Nghiên cứu hệ thống Microgrid để xác định mối liên hệ, mạng lưới kết nối của các thiết bị phát và tiê

Trang 1

PHAN VĂN HỒNG THẮNG

ĐIỀU ĐỘ KINH TẾ TRONG MICROGRID SỬ DỤNG THUẬT TOÁN TÌM KIẾM

PHÂN DẠNG NGẪU NHIÊN - SFSAChuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2017

Trang 2

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Võ Ngọc Điều

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luậ n v ă n t h ạ c s ĩ đ ư ợ c bảo vệ t ại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA…………

Trang 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: PHAN VĂN HỒNG THẮNG MSHV: 1570391

Ngày, tháng, năm sinh: 06/02/1988

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Nơi sinh: Quảng Nam

Mã số : 60520202

I TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU ĐỘ KINH TẾ TRONG MICROGRID SỬ DỤNG THUẬT

TOÁN TÌM KIẾM PHÂN DẠNG NGẪU NHIÊN - SFSA

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

x Nghiên cứu các phương pháp để giải bài toán tối ưu kinh tế

x Nghiên cứu hệ thống Microgrid để xác định mối liên hệ, mạng lưới kết nối

của các thiết bị phát và tiêu thụ năng lượng

x Áp dụng thuật toán SFS để tìm lời giải cho bài toán điều độ kinh tế

x Ứng dụng khảo sát hệ thống Microgrid với hàm đơn mục tiêu và đa mục tiêu

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 16/01/2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/12/2017

Trang 4

Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS TS Võ Ngọc Điều vì những kiến thức và kinh nghiệm quý báu thầy đã truyền đạt cho tôi trong thời gian qua Thầy đã cung cấp những tài liệu quý báu, đặc biệt là các bài báo khoa học,phương pháp nghiên cứu giúp tôi định hình được ý tưởng cho luận văn này Với sựchỉ dẫn khoa học và hỗ trợ nhiệt tình khi tôi gặp khó khăn đã giúp tôi hoàn thành luận văn này trước hạn.

Tôi cũng đặc biệt cảm ơn nghiên cứu sinh Trần Thế Tùng Trong những giai đoạn khó khăn nhất của quá trình thực hiện luận văn này, nghiên cứu sinh Trần ThếTùng đã hỗ trợ hết lòng giúp tôi có được những tài liệu tham khảo, phương pháp làm việc khoa học để hoàn thành tốt luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô khoa Điện – Điện tử, phòng Đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện tốt nhất về kiến thức và kỹ năng để thực hiện luậnvăn Những kiến thức mà quý thầy cô trong khoa đã truyền đạt luôn có giá trị thựctiễn to lớn giúp tôi áp dụng thành công trong công việc của mình

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp

đã quan tâm giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành tốt luận văn này.Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả./

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2017

Học viên

Phan Văn Hồng Thắng

Trang 5

Microgrid là một hệ thống tích hợp năng lượng bao gồm nhiều nguồn phân phốikhác nhau (DER), các tải tiêu thụ và hệ thống đo đạc giám sát Nó có thể được vậnhành theo nhiều chế độ: riêng biệt, tách lưới, nối lưới.

Với sự đa dạng của nguồn năng lượng đầu vào, hệ thống microgrid là nguồncung cấp đa dạng các bài toán về chi phí phát điện và lượng phát thải Hai lĩnh vực

ưu tiên cần nghiên cứu là điều độ công suất và điều độ kinh tế phát thải trong hệthống Điều độ kinh tế, phát thải là quá trình phân phối các thông số đầu vào thỏamãn yêu cầu năng lượng của hệ thống theo hướng tối ưu chi phí kinh tế và phát thải.Việc tối ưu chi phí và phát thải phải đảm bảo ổn định nhu cầu của tải

Bài toán điều độ kinh tế, phát thải được khảo sát trong luận văn bao gồm:

Bài toán điều độ kinh tế trong hệ thống cung cấp điện bình thường:

x Tối ưu điều độ kinh tế với 140 máy phát Diesel [10]

- Bài toán điều độ kinh tế có xét đến valve-point effects trong hệ Microgrid:

x Tối ưu điều độ kinh tế cho hệ Microgrid với 2 máy phát, 1 CHP, 1 PV, 1

- Bài toán điều độ kinh tế có xét đến chi phí phát thải:

x Tối ưu điều độ kinh tế, phát thải với 5 máy phát Diesel [17]

x Tối ưu điều độ kinh tế, phát thải với 10 máy phát Diesel [17]

Kết quả bài toán được so sánh với các thuật toán CQGSO (Continuous quick group search optimizer), IPSO (Improved-particle swarm optimization), DEL (Differential evolution based on truncated Lévy-type flights and population diversity measure), Classical evolutionary programming (CEP), Fast evolutionary programming (FEP), evolutionary programming MFEP, and Improved FEP (IFEP),Reduced Gradient Method (RGM), NSGA II, RCGA, SPEA 2

Trang 6

giải các bài toán điều độ kinh tế.

Trang 7

Microgrids (micro grid) is an integrated energy system consists of distributed energy resources (DER), loads and measurement system It can operate as a stand-alone grid, separated from the current distribution grid

With the diversity of the input energy, microgrid system has an abundance of cost-consuming and mass-emitting problems Two prioritized issues need research

is power dispatch and economic emission dispatch in the system Economic emission dispatch is distribution modes of inputs to ensure power supply to the system load in an optimal way with the lowest cost and emission The cost and emisson optimal must ensure load capacity stable and reliable

Economic emission dispatch problem of thermal generating units with smooth/non-convex cost functions due to valve-point loading taking into account transmission losses and nonlinear generator constraints such as prohibited operating zones

non-The economic emission dispatch problem in microgrid system was solved with different methods from traditional to artifical intelligence-based

In this thesis, an SFSA is first proposed for the EED in microgrid problem The SFSA is developed by Hamid Salimi and his coordinators in 2013 According some disadvantages of FSA, another version of Fractal Search Algorithm called Stochastic Fractal Search Algorithm (SFSA) was introduced

The purpose of this thesis is to apply the SFSA to solve the EED and in microgrid problem The proposed method has been tested on the 5 and 10 diesel generators with loop count N: 100 - 140 diesel generators – 40 generator with valve point loading – 2 generators, 1 combined heat and power (CHP),1 wind generator and 1 solar generator with loop count N = 50, 500

The obtained results are compared to those from CQGSO (Continuous quick group search optimizer), IPSO (Improved-particle swarm optimization), DEL (Differential evolution based on truncated Lévy-type flights and population diversity measure), Classical evolutionary programming (CEP), Fast evolutionary

Trang 8

Reduced Gradient Method (RGM), NSGA II, RCGA, SPEA 2.

Trang 9

Tôi xin cam đoan luận văn này do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Võ Ngọc Điều Những trích dẫn, số liệu, hình vẽ và bảng biểuphục vụ cho quá trình phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tôi thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm vềnội dung luận văn của mình

TP Hồ Chí Minh ngày15 tháng 06năm 2017

Tác giả luận văn

Phan Văn Hồng Thắng

Trang 10

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

ABSTRACT v

LỜI CAM ĐOAN vii

MỤC LỤC viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 Sự cần thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 3

1.5 Cấu trúc luận văn 3

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TỐI ƯU HÓA ĐIỀU ĐỘ KINH TẾ TRONG MICROGRID 4

2.1 Khái lược về microgrid 4

2.1.1 Hoàn cảnh ra đời 4

2.1.2 Khái niệm về Microgrid 4

2.1.3 Đặc điểm tính chất của Microgrids 6

2.1.3.1 Chế độ làm việc của Microgrids 6

2.1.3.2 Công nghệ Microgrids 7

2.2 Tổng quan về bài toán điều độ kinh tế (ED) 17

2.2.1 Giới thiệu 17

2.2.2 Công thức 20

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH BÀI TOÁN ĐIỀU ĐỘ KINH TẾ TRONG MICROGRID 23

Trang 11

3.1 Mô hình tối ưu hóa trong hệ Microgrid 23

3.1.1 Giới thiệu 23

3.1.2 Mô hình tối ưu hóa 23

3.2 Các thành phần trong mô hình tối ưu hóa 24

3.2.1 Turbine gió 24

3.2.2 Năng lượng quang điện 25

3.2.3 Mức tiêu hao nhiên liệu của máy phát Diesel 26

3.2.4 Chi phí vận hành pin nhiên liệu 27

3.2.5 Chi phí hoạt động của turbine khí 27

3.2.6 Thiết bị lưu trữ (acquy) 28

3.3 Hàm mục tiêu 29

3.3.1 Chi phí vận hành 30

3.3.2 Mức chất thải 30

3.3.3 Hàm mục tiêu 31

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP SFS VÀ ÁP DỤNG ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN ĐIỀU ĐỘ KINH TẾ TRONG HỆ THỐNG MICROGRID 32

4.1 Giới thiệu tổng quan về SFSA 32

4.2 Quá trình khuếch tán (Diffusion process – DP) 33

4.3 Quá trình cập nhật 34

4.3.1 Phương pháp thống kê đầu tiên 34

4.3.2 Phương pháp thống kê thứ hai 34

4.4 Thuật toán tìm kiếm ngẫu nhiên Fractal 35

4.4.1 Thuật toán SFSA cho bài toán điều độ kinh tế 35

4.4.2 Thuật toán cho hàm quá trình cập nhật 36

4.5 Xây dựng thuật toán 37

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 39

5.1 Bài toán điều độ kinh tế - Hệ 140 máy phát 39

5.1.1 Mô tả bài toán 39

Trang 12

5.1.2 Thực hiện tính toán với thuật toán SFS 40

5.2 Bài toán điều độ kinh tế có xét đến valve-point effects 44

5.2.1 Hệ 13 máy phát 44

5.2.2 Hệ 40 máy phát 46

5.2.3 Hệ 4 máy phát 47

 Hệ bao gồm PV và WT 49

 Hệ bao gồm PV và WT có xét giá trị ích lợi khi sử dụng năng lượng tái tạo 51

5.3 Bài toán điều độ kinh tế có xét đến chi phí phát thải 53

5.3.1 Hệ 5 máy phát 53

 Điều độ kinh tế 54

 Điều độ phát thải 57

 Điều độ phát thải kinh tế 59

5.3.2 Hệ 10 máy phát 62

 Điều độ kinh tế 62

 Điều độ phát thải 65

 Điều độ phát thải kinh tế 68

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 73

6.1 Kết luận 73

6.2 Hướng phát triển trong tương lai 74

6.3 Lời kết 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

PHỤ LỤC 79

Trang 13

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1.Khái quát mô hình Microgrid 5

Hình 2.2: Công nghệ điều khiển nối lưới cho lưới điện siêu nhỏ tại Singapore 7

Hình 2.3: Công nghệ điều khiển nối lưới cho lưới điện siêu nhỏ tại Hoa Kỳ 7

Hình 2.4: Điều khiển theo (CERTS) nối lưới cho lưới điện siêu nhỏ tại Hoa Kỳ 8

Hình 2.5: Microgrids và các thành phần 8

Hình 2.6: Turbine với bộ tản nhiệt 9

Hình 2.7: Mô hình Microgrid trong thực tế 10

Hình 2.8: Mô hình điều khiển pin mặt trời kết hợp bộ nguồn acquy 11

Hình 2.9: Mô hình pin nhiên liệu và quá trình điện phân 12

Hình 2.10: Mô hình điều khiển turbine gió sử dụng máy phát điện (PMSG) 13

Hình 2.11: Mô hình điều khiển cho microturbine sử dụng máy phát điện (PMSG) 13

Hình 2.12: Mô hình microturbine 14

Hình 2.13: Sơ đồ của một công tắc chuyển mạch dựa trên kết nối 16

Hình 2.14: Certs / AEP microgrid thử nghiệm 16

Hình 3.1: Các yếu tố đầu vào của Microgrid 24

Hình 3.2: Đồ thị sự phụ thuộc của năng lượng đầu ra với vận tốc gió 25

Hình 3.3: Đồ thị vận tốc gió trong một ngày 25

Hình 3.4: Đồ thị năng lượng mặt trời trong một ngày 26

Hình 4.1: Quá trình khuếch tán 32

Hình 5.1: Tốc độ hội tụ của hàm mục tiêu với N =500 41

Hình 5.2: Tốc độ hội tụ của hàm mục tiêu với N= 5000 42

Hình 5.6: Tốc độ hội tụ của hàm mục tiêu theo từng giờ với N= 50 49

Hình 5.7: Tốc độ hội tụ của hàm mục tiêu theo từng giờ với N= 50, 𝑰𝑷′ 53

Trang 14

Hình 5.8: Tốc độ hội tụ của hàm mục tiêu 𝑭𝒄 với N= 100, PD1 55

Hình 5.11: Tốc độ hội tụ của hàm mục tiêu 𝑭𝒆 với N= 100, PD1 58

Hình 5.14: Tốc độ hội tụ của hàm mục tiêu 𝑭𝒆𝒄 với N= 100, PD1 61

Hình 5.24: Tốc độ hội tụ của hàm mục tiêu 𝐅𝐞𝐜 với N= 100, PD2 71

Trang 15

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 5.1: Phân bố công suất của 140 máy phát với N =500 40

Bảng 5.2: So sánh kết quả giữa các thuật toán trong trường hợp N =500 41

Bảng 5.3: Phân bố công suất 140 máy với N = 5000 42

Bảng 5.4: Phân bố công suất 140 máy với N = 10000 43

Bảng 5.7: Nhu cầu công suất trong theo giờ trong 1 ngày 48

Bảng 5.8: Phân bố công suất trong từng giờ với trường hợp N =50 sử dụng SFSA 50

Bảng 5.10: Phân bố công suất trong từng giờ với trường hợp N =50, 𝐼𝑃′ 52

Bảng 5.11: So sánh kết quả giữa các thuật toán trong trường hợp N =50, 𝐼𝑃′ 53

Bảng 5.14: So sánh kết quả giữa thuật toán SFS, NSGA-II trong trường hợp N =100 60 Bảng 5.15: So sánh kết quả giữa thuật toán SFS, SPEA 2 trong trường hợp N =100 60

Bảng 5.18: So sánh kết quả giữa thuật toán SFS, NSGA-II trong trường hợp N =100 69 Bảng 5.19: So sánh kết quả giữa thuật toán SFS, SPEA 2 trong trường hợp N =100 70

Bảng 1: Thông số ai – 140 máy 79

Bảng 2: Thông số bi – 140 máy 79

Bảng 3: Thông số ci – 140 máy 80

Bảng 4: Thông số Pimin – 140 máy 81

Bảng 5: Thông số Pimax – 140 máy 81

Bảng 6: Các thông số cho 13 máy 82

Bảng 7: Các thông số cho 40 máy 83

Trang 16

Bảng 8: Các thông số cho 4 máy (2 CHP – 1 PV – 1 WT) 84 Bảng 9: Các thông số cho 5 máy 84 Bảng 10: Các thông số cho 10 máy 85

Trang 17

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Sự cần thiết của đề tài

Ngày nay để đáp ứng nhu cầu gần như không giới hạn của các nền kinh tế, các nhà máy điện – chủ yếu là thủy điện và nhiệt điện (sử dụng nhiên liệu than, khí, dầu hoặc hạt nhân) ngày càng được mở rộng và quy mô và công suất Điều này dẫn đến nguy cơ lớn cho các nền kinh tế khi bất cứ sự cố nào từ các nhà máy điện đều gây ảnh hưởng nặng nề trên bình diện rộng Chính từ đó với sự phát triển của khoa học công nghệ, mạng điện siêu nhỏ ra đời (microgrid) nhằm khắc phục những nhược điểm của

hệ thống mạng điện truyền thống

Tuy nhiên vấn đề lớn đối với Microgrid là làm sao tối ưu hóa được công suất, duy trì được tính ổn định và liên tục của điện áp cung cấp… cho dù đang hoạt động ở chế độ độc lập hay chế độ nối lưới Do đó việc tìm ra phương pháp hiệu quả điều phối

hệ thống các nguồn năng lượng tái tạo đa dạng (mặt trời, gió, thủy triều…) kết hợp với các nguồn năng lượng khác hiện hữu là một việc cần thiết

Quá trình điều phối hệ thống các nguồn năng lượng trong microgrid tập trung vào mục tiêu đảm bảo được tính liên tục, ổn định của điện áp cung cấp với chi phí phát sinh là thấp nhất Đồng thời với đặc tính của hệ thống microgrid là sử dụng kết hợp các dạng năng lượng tái tạo và không tái tạo nên vấn đề giảm thiểu các chi phí về môi trường cũng cần được quan tâm

Và đó cũng chính là lý do mà đề tài: Điều độ kinh tế trong Microgrid sử dụng

thuật toán tìm kiếm phân dạng ngẫu nhiên - SFSA (Stochastic Fractal Search)

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Đề tài tập trung vào mục tiêu chính là xây dựng thuật toán để thực hiện mục tiêu

đề ra Theo đó để đạt được mục tiêu này đề tài cần tập trung nghiên cứu bốn mục tiêu

cơ bản

Một là nghiên cứu và nắm vững cơ sở lý thuyết của phương pháp SFS

(Stochastic Fractal Search) trong việc giải các bài toán tối ưu hóa

Trang 18

Tiếp theo là nghiên cứu các mô hình, hệ thống microgrid trên thực tế, cấu tạo, chức năng, những yêu cầu về cấu hình, hệ thống kết nối và phân phối điện năng của từng mô hình

Ba là dựa trên các phân tích, tìm hiểu về phương pháp SFS và hệ thống microgird, đề tài áp dụng phương pháp SFS trong việc giải bài toán điều độ kinh tế hệ thống cho các trường hợp: hệ cấp điện thông thường với 140 máy phát Diesel [10] – hệ

40 máy phát dạng CHP [15] – hệ thống microgrid với 1 bộ năng lượng mặt trời, 1 bộ năng lượng gió, 2 máy phát diesel, 1 máy phát CHP [16] – hệ thống với 5 máy phát Diesel [17] - hệ thống với 10 máy phát Diesel [17] - hệ thống microgrid với 13 máy phát với valve-point effects [11]

Cuối cùng là so sánh đánh giá kết quả với các phương pháp khác để cải tiến thuật toán hiệu quả hơn

1.3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài điều độ kinh tế trong Microgrid sử dụng thuật toán tìm kiếm phân dạng ngẫu nhiên - SFSA nên đối tượng nghiên cứu là thuật toán SFS và bài toán điều độ kinh

Trang 19

10 máy phát Diesel [17] - hệ thống microgrid với 13 máy phát với valve-point effects [11]

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Để nghiên cứu các nội dung nêu trên, tác giả đã lựa chọn phương pháp nghiên cứu như sau:

 Nghiên cứu về lý thuyết của thuật toán SFS trên và đưa vào lập trình

 Sử dụng phần mềm MATLAB để phân tích và tính toán phương thức phân bố công suất tối ưu kinh tế nhất cho một hệ Microgrid thực tế

1.5 Cấu trúc luận văn

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương 2: Tổng quan về bài toán điều độ kinh tế

Chương 3: Mô hình bài toán điều độ kinh tế trong hệ thống Microgrid

Chương 4: Phương pháp SFS và áp dụng để giải bài toán điều độ kinh tế trong

hệ thống Microgrid

Chương 5: Kết quả tính toán

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển trong tương lai

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

Trang 20

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TỐI ƯU HÓA ĐIỀU ĐỘ KINH TẾ TRONG

MICROGRID 2.1 Khái lược về microgrid

2.1.1 Hoàn cảnh ra đời

Trong suốt thế kỷ 20, các công ty điện xây dựng hệ thống nhà máy ngày càng lớn, chủ yếu là thuỷ điện hoặc nhiệt điện (bằng cách sử dụng than, khí, dầu, hoặc nhiên liệu hạt nhân) Cuối thế kỷ 20, sau khi bãi bỏ quy định hiện hành của ngành công nghiệp điện cùng với sự cạnh tranh gia tăng tại Hoa Kỳ và các nước khác, nguồn phát nhỏ hơn kết nối trực tiếp đến hệ thống phân phối đã xuất hiện Phân phối các nguồn năng lượng không chỉ từ các nhà máy phát điện mà bao gồm cả hệ thống và các thiết bị lưu trữ được đặt gần các tải địa phương Nguồn năng lượng đó bao gồm các công nghệ tái tạo thân thiện với môi trường (bao gồm cả thủy triều đại dương, năng lượng địa nhiệt, năng lượng mặt trời và gió) và các công nghệ không thể tái tạo sạch, hiệu suất cao (bao gồm cả động cơ đốt trong, tua bin đốt, chu trình hỗn hợp, micro-turbine, và các tế bào nhiên liệu)

Việc phân nhỏ các nhà máy cung cấp điện năng tại các khu công nghiệp, các tòa nhà thương mại đã thu được những hiệu quả cao hơn so với tập trung việc cung cấp điện vào một nhà máy phát điện lớn

Tuy nhiên tối giản hóa quy mô của các nhà máy phát điện mới với điện áp cung cấp tại đầu ra thấp đã tạo ra những bài toán phát sinh cần giải quyết Việc giải quyết các bài toán đòi hỏi những bước giải pháp tiên tiến trong việc quản lý, điều hành và phân phối điện năng Một trong những giải pháp đó chính là Microgrids

2.1.2 Khái niệm về Microgrid

Microgrids là những hệ thống đã phân phát các tài nguyên năng lượng và tải trọng liên quan có thể hình thành các tải cô lập có chủ ý trong các hệ thống phân phối

Theo định nghĩa tương đối đầy đủ của Navigan Research: “Microgrids (lưới điện siêu nhỏ) là một hệ thống năng lượng tích hợp bao gồm các nguồn năng lượng

Trang 21

phân tán (DER - distributed energy resources), một số phụ tải và hệ thống đo đếm, hệ thống này có thể hoạt động như một lưới điện độc lập, tách khỏi lưới điện phân phối hiện hành”

Ngoài ra, khái niệm lưới điện siêu nhỏ được nhắc đến khi tại các quốc gia phát triển đã xuất hiện nhu cầu thay thế các lưới điện già cỗi bằng các hệ thống linh hoạt và thông minh hơn Theo trang điện tử SBI Energy đánh giá thì lưới điện siêu nhỏ có thể được sử dụng như những khối cấu thành lưới điện thông minh

Microgrid là lưới điện địa phương hóa gồm nguồn điện và kỹ thuật để điều hành

và quản lý lưới điện Hầu hết điện microgrid được phát và phân phát tại địa phương Microgrid có độ tin cậy cao hơn, đặc biệt là trong trường hợp khẩn cấp hay thiên tai Microgrid ít phụ thuộc vào lưới điện lớn hơn, mà những lưới điện này có thể phụ thuộc vào các nguồn năng lượng gây ô nhiễm hoặc không hiệu quả Do đó, microgrid có thể góp phần sử dụng năng lượng tái chế và cất trữ năng lượng với phí tổn thấp hơn

Hình 2.1.Khái quát mô hình Microgrid

Trang 22

2.1.3 Đặc điểm tính chất của Microgrids

2.1.3.1 Chế độ làm việc của Microgrids

Nguồn năng lượng phân phối (DER), bao gồm cả hệ phân phối (DG) và lưu trữ phân phối (DS), nguồn năng lượng nằm gần tải địa phương và có thể cung cấp một loạt các lợi ích bao gồm độ tin cậy được cải thiện nếu họ thuộc hệ thống phân phối điện Microgrids là những hệ thống có ít nhất một nguồn năng lượng phân tán, liên kết tải và

có thể hình thành chủ ý cô lập trong các hệ thống phân phối điện trong dự định Trong vòng microgrids, tải và các nguồn năng lượng có thể được không được kết nối tại đây

mà kết nối tại hệ thống điện khu vực hoặc địa phương với gián đoạn tối thiểu mà tải địa phương cho phép Bất cứ lúc nào microgrid được thực hiện trong một hệ thống phân phối điện, thì nó cần phải được lên kế hoạch để tránh gây ra sự cố

Đối với microgrids để làm việc đúng, một công tắc chính phải mở (thường là trong một điều kiện tiên quyết), và DER phải có khả năng để thực hiện tải trên phần tải

cô lập Điều này bao gồm duy trì mức điện áp phù hợp và tần số cho tất cả các tải cô lập Tuỳ thuộc công nghệ kết nối, gián đoạn tạm thời có thể xảy ra trong quá trình chuyển từ lưới điện đến tải cô lập Trong trường hợp này, DER được giao để thực hiện tải cô lập sẽ có thể khởi động lại và chính thức cung cấp cho tải cô lập đã được kết nối Dòng điện được phân tích nên sẽ đảm bảo điện áp theo quy định được duy trì và thiết lập DER để có thể xử lý sự xâm nhâ ̣p trong quá trình "bắt đầu" của tải cô lập DER phải có khả năng cung cấp thực và yêu cầu công suất phản kháng trong hoạt động tải

cô lập và để cảm nhận nếu một dòng lỗi đã xảy ra ở hạ thế của các vị trí chuyển đổi Khi có điện trở lại ở phía bên tiêu thụ, việc chuyển đổi không cần phải đóng, trừ khi các tiện ích và "tải cô lập" được đồng bộ hóa Điều này đòi hỏi phải đo điện áp trên cả hai mặt của chuyển đổi để cho phép đồng bộ hoá tải cô lập và tiện ích

Tác động lớn nhất Microgrids là cung cấp dịch vụ cao hơn độ tin cậy điện và chất lượng điện tốt hơn cho khách hàng Microgrids cũng có thể cung cấp thêm lợi ích

Trang 23

cho các tiện ích địa phương bằng cách cung cấp điện liên tục sử dụng trong điều kiện công suất cực đại và giảm thiểu hoặc trì hoãn nâng cấp hệ thống phân phối

2.1.3.2 Công nghệ Microgrids

Microgrids bao gồm một số công nghệ hoạt động cơ bản Chúng bao gồm DG,

DS, thiết bị chuyển mạch kết nối, và các hệ thống điều khiển Một trong những thách thức kỹ thuật là thiết kế, sự công nhận, và sẵn có của các công nghệ chi phí thấp để cài đặt và sử dụng microgrids Một số công nghệ đang được phát triển để cho phép an toàn trong kết nối và sử dụng microgrids

Hình 2.2: Công nghệ điều khiển nối lưới cho lưới điện siêu nhỏ tại Singapore

Hình 2.3: Công nghệ điều khiển nối lưới cho lưới điện siêu nhỏ tại Hoa Kỳ

Trang 24

Hình 2.4: Điều khiển theo (CERTS) nối lưới cho lưới điện siêu nhỏ tại Hoa Kỳ Cấp phát điện:

 Hệ phân phối (DG) đơn vị là nguồn năng lượng nhỏ nằm tại chỗ hoặc gần các điểm sử dụng Công nghệ DG thông thường bao gồm quang điện (PV), gió, pin nhiên liệu, tuabin.Các hệ thống này có thể được hỗ trợ bởi một trong hai nhiên liệu hóa thạch hoặc tái tạo Một số loại của DG cũng có thể cung cấp kết hợp nhiệt và năng lượng bằng cách phục hồi một số nhiệt thải được tạo ra bởi các nguồn như Microturbine Điều này có thể làm tăng đáng

kể hiệu quả của các đơn vị DG

Hình 2.5: Microgrids và các thành phần

Trang 25

 Hầu hết các công nghệ DG yêu cầu một giao diện điện tử để chuyển đổi năng lượng thành nguồn điện AC tương thích Giao diện điện điện tử có chứa các mạch cần thiết để chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác Những chuyển đổi này có thể bao gồm cả hai bộ chỉnh lưu và biến tần hoặc chỉ một biến tần Bộ chuyển đổi tương thích về điện áp và tần số với hệ thống điện mà nó sẽ được kết nối và bao gồm các bộ lọc đầu ra cần thiết Các giao diện điện tử công suất cũng có thể chứa các chức năng bảo vệ cho

cả hai hệ thống phân phối năng lượng và hệ thống điện địa phương cho phép đấu nối song song và ngắt kết nối từ hệ thống điện Các giao diện điện điện

tử cung cấp một khả năng độc đáo cho các đơn vị DG và có thể tăng cường hoạt động của một microgrid

Hình 2.6: Turbine với bộ tản nhiệt

Mô hình lưu trữ

 DS công nghệ được sử dụng trong các ứng dụng microgrid nơi mà các thế

hệ và tải của microgrid không có thể được chính xác phù hợp Phân phối lưu trữ cung cấp một cầu nối trong việc đáp ứng các yêu cầu năng lượng và năng lượng của các microgrid Khả năng lưu trữ được định nghĩa về thời

Trang 26

gian mà công suất năng lượng danh nghĩa có thể bao gồm các tải công suất định mức Dung lượng lưu trữ có thể được phân loại sau đó về các yêu cầu mật độ năng lượng (cho nhu cầu trung và dài hạn) hoặc về các yêu cầu mật

độ công suất (đối với các nhu cầu ngắn hạn và rất ngắn hạn) Phân phối lưu trữ tăng cường hiệu suất tổng thể của vi hệ thống lưới theo ba cách

+ Đầu tiên, nó ổn định và cho phép máy phát DG để chạy ở một sản lượng liên tục và ổn định, mặc dù biến động tải

+ Thứ hai, nó có khả năng cung cấp xuyên suốt khi có những biến động của năng lượng sơ cấp (chẳng hạn như những nguồn của mặt trời, gió,

và nguồn thủy điện)

+ Thứ ba, nó cho phép DG dễ dàng hoạt động như một đơn vị phổ biến Hơn nữa, năng lượng lưu trữ có thể mang lại lợi ích cho hệ thống điện là giảm thiếu hụt do nhu cầu điện tăng đột biến, chống rối loạn điện tạm thời, cung cấp xuyên suốt trong khi máy phát điện dự phòng khởi động,

dự trữ năng lượng cho nhu cầu trong tương lai

Hình 2.7: Mô hình Microgrid trong thực tế

Trang 27

+ Có nhiều hình thức lưu trữ năng lượng có sẵn mà có thể được sử dụng trong microgrids, bao gồm pin, siêu tụ điện… Những tiến bộ trong ngành điện điện tử và các lĩnh vực kỹ thuật điều khiển đã dẫn đến tạo ra các thiết kế hệ thống lưu trữ tốt hơn cung cấp một giải pháp chi phí hiệu quả trong thị trường chất lượng điện Năng lượng được lưu trữ, khi cần thiết, thông qua một công cụ chuyển đổi để cung cấp lại cho các đơn vị

tiêu thụ

+ Mô hình pin mặt trời kết hợp nguồn ắc quy: Pin mặt trời (Photovoltaic

cell) gồm các lớp bán dẫn chịu tác dụng của quang học để biến đổi các năng lượng phôton bức xạ mặt trời thành năng lượng điện Hiệu suất của tấm pin mặt trời sẽ lớn nhất khi pin mặt trời cung cấp cho ta công suất cực đại Công nghệ hiện nay để điều khiển pin mặt trời là sử dụng phương pháp hệ bám điểm công suất cực đại (Maximum Point Power Tracking - MPPT) và đảm bảo rằng pin mặt trời sẽ luôn luôn làm việc ở điểm MPP bất chấp tải được nối vào pin Mô hình pin mặt trời kết hợp nguồn ắc quy được xây dựng trên matlab/simulink như hình dưới

Hình 2.8: Mô hình điều khiển pin mặt trời kết hợp bộ nguồn acquy

Trang 28

+ Mô hình pin nhiên liệu: Pin nhiên liệu là một loại thiết bị sử dụng nhiên

liệu giàu hydro và oxy để tạo ra điện thông qua các phản ứng điện hóa Pin nhiên liệu bao gồm 2 cực âm và dương và được bao quanh bởi chất điện phân Nhiên liệu được đưa đến cực âm và oxy được đưa đến cực dương để tạo các phản ứng Pin nhiên liệu được sử dụng là pin nhiên liệu có màng trao đổi proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC) được cung cấp khí hydro trực tiếp từ quá trình điện phân Mô hình pin nhiên liệu được xây dựng trên matlab/simulink như hình 2.5

Hình 2.9: Mô hình pin nhiên liệu và quá trình điện phân

Mô hình điều khiển

 Mô hình turbine gió: Mô hình điều khiển tuarbine gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnetic Synchronous Generator - PMSG) Vì tốc độ gió luôn thay đổi theo thời gian, để turbine vận hành tối ưu với vận tốc gió nhất định thì hệ thống rotor phải có chức năng tự điều chỉnh theo sự thay đổi của vận tốc và hướng gió Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu hoàn toàn đáp ứng được điều này, vì từ thông luôn tồn tại sẵn nhờ hệ thống nam châm vĩnh cửu dán trên bề mặt rotor Ngoài ra để điều khiển cho turbine gió, ta sử dụng bộ chỉnh lưu (AC/DC) phía máy phát điện PMSG dùng để hòa đồng bộ với lưới và cũng như tách máy phát điện ra khỏi lưới khi cần thiết, nghịch lưu phía lưới

Trang 29

(DC/AC) nhằm giữ ổn định điện áp mạch một chiều trung gian (Udc) Mô hình turbine gió được xây dựng trên matlab/simulink như

Hình 2.10: Mô hình điều khiển turbine gió sử dụng máy phát điện (PMSG)

 Mô hình microturbine: Mô hình microturbine sử dụng turbine khí kết hợp với máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnetic Synchronous Generator - PMSG), tạo ra điện áp xoay chiều (AC) Điện áp

AC này qua bộ chỉnh lưu (AC/DC) phía máy phát điện PMSG dùng để hòa đồng bộ với lưới và cũng như tách máy phát điện ra khỏi lưới khi cần thiết, nghịch lưu phía lưới (DC/AC) nhằm giữ ổn định điện áp mạch một chiều trung gian (Udc) Rt, Lt: điện trở và điện cảm của đường dây; θL: góc điện áp lưới; Pmt, Qmt: Công suất tác dụng và công suất phản kháng của microturbine; αđk: góc điều khiển, ω: tốc độ quay máy phát điện.v.v

Hình 2.11: Mô hình điều khiển cho microturbine sử dụng máy phát điện (PMSG)

Trang 30

Hình 2.12: Mô hình microturbine + Hệ thống kết nối: Quan hệ điểm kết nối giữa các microgrid và phần còn lại của hệ thống phân phối Công nghệ mới trong lĩnh vực này củng cố sức mạnh khác nhau về chức năng chuyển đổi (ví dụ, sức mạnh chuyển đổi, chuyển tiếp bảo vệ, đo sáng, và thông tin liên lạc) chức năng chuyển đổi truyền thống được cung cấp bởi các rơ le, phần cứng, và các thành phần khác tại giao diện tiện ích vào một hệ thống duy nhất với một bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) Điều kiện lưới điện được đo trên cả các tiện ích và phía microgrid chuyển đổi thông qua biến thế dòng (CT) và hệ thống biến áp (PTS) để xác định điều kiện hoạt động Các thiết bị chuyển mạch kết nối được thiết kế để đáp ứng lưới liên kết nối tiêu chuẩn (IEEE 1547 và UL 1741 cho Bắc Mỹ) để giảm thiểu kỹ thuật tùy chỉnh và phê duyệt quy trình cụ thể và chi phí thấp hơn Để tối

đa hóa ứng dụng và chức năng, các điều khiển cũng được thiết kế để có công nghệ trung lập và có thể được sử dụng với một công tắc mạch cũng như bán dẫn nhanh hơn dựa trên thiết bị chuyển mạch tĩnh như triac và cổng tích hợp công nghệ bóng bán dẫn lưỡng cực và áp dụng đối với một loạt các tài nguyên DG với thông thường máy phát điện hoặc chuyển đổi năng lượng

Trang 31

+ Hệ thống kiểm soát: Hệ thống điều khiển của một microgrid được thiết

kế để vận hành hệ thống một cách an toàn trong lưới điện kết nối và các chế độ độc lập Hệ thống này có thể dựa trên một bộ điều khiển trung tâm hoặc nhúng như các bộ phận tự trị của mỗi máy phát điện phân phối Khi tiện ích được ngắt kết nối hệ thống điều khiển phải kiểm soát điện áp và tần số địa phương, cung cấp (hoặc hấp thụ) điện tức thời sự khác biệt thực sự giữa thế hệ và tải, cung cấp sự khác biệt giữa công suất phản kháng được tạo ra và thực tế phản ứng năng lượng tiêu thụ bởi tải và bảo vệ microgrid nội bộ Trong chế độ độc lập, kiểm soát tần số là một vấn đề thách thức Đáp ứng tần số của hệ thống lớn hơn dựa trên khối lượng luân phiên và đây được coi là cần thiết cho sự ổn định vốn

có của các hệ thống này Ngược lại, microgrids vốn là lưới chuyển đổi không có hoặc có rất ít kết nối trực tiếp khối lượng luân phiên, như lưu trữ năng lượng bánh đà cùng thông qua một công cụ chuyển đổi Kể từ tuabin và các tế bào nhiên liệu có phản ứng chậm để kiểm soát tín hiệu

và là ít quán tính, bị cô lập hoạt động là kỹ thuật đòi hỏi và đặt ra vấn đề

theo dõi tải Các hệ thống điều khiển chuyển đổi phải được điều chỉnh

để cung cấp phản hồi trước đây thu được từ kết nối trực tiếp khối quay Chiến lược kiểm soát tần số nên khai thác theo hướng kết hợp hóa, các khả năng của các nguồn điện nhỏ để thay đổi sức mạnh tích cực của chúng, thông qua các chốt phân tán kiểm soát tần số, phản ứng của các thiết bị lưu trữ, và tải Điều chỉnh điện áp thích hợp là cần thiết cho độ tin cậy và ổn định địa phương Nếu không có điện áp kiểm soát hiệu quả tại địa phương, hệ thống với mức độ cao của các nguồn năng lượng phân tán có khả năng điện áp hoặc các chuyển đổi và dao động công suất phản kháng Điện áp điều khiển yêu cầu rằng không có lưu thông dòng điện lớn phản ứng giữa các nguồn Kể từ khi điều khiển điện áp

Trang 32

vốn là một vấn đề địa phương, điện áp quy định phải đối mặt với vấn đề tương tự trong cả hai chế độ hoạt động, nghĩa là, cô lập hoặc kết nối với nhau Trong chế độ lưới điện kết nối với nhau, có thể hiểu để xem xét

DG đơn vị có thể cung cấp các dịch vụ phụ trợ trong các hình thức hỗ trợ điện áp địa phương Khả năng của giao diện điện-điện tử hiện đại cung cấp các giải pháp để cung cấp công suất phản kháng tại địa phương bằng việc thông qua một điện áp so với bộ điều khiển chốt phân tán phản ứng hiện tại, tương tự như với bộ điều khiển sụp xuống để kiểm soát tần số

Hình 2.13: Sơ đồ của một công tắc chuyển mạch dựa trên kết nối

Hình 2.14: Certs / AEP microgrid thử nghiệm

Trang 33

2.2 Tổng quan về bài toán điều độ kinh tế (ED)

2.2.1 Giới thiệu

Vận hành kinh tế là yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu quả đầu tư vào một hệ thống điện Đảm bảo mức tiêu hao nhiên liệu một cách hợp lý để tối đa hóa công suất hoạt động luôn là áp lực đối với bất cứ của nhà máy điện nào Đó là việc luôn tối đa hóa sản lượng để giảm đến mức thấp nhất giá thành 1 kWh cung cấp cho người tiêu dùng và chi phí truyền tải 1kWh trong bối cảnh công ty phải đối mặt với giá nhiên liệu, nhân công, vật tư phụ tùng thay thế và bảo trì đang tăng liên tục

Vận hành kinh tế bao gồm phát và truyền tải điện có thể chia thành 2 mảng chính: Một mảng là tối thiểu hóa chi phí sản xuất điện gọi là điều độ kinh tế và mảng còn lại là tối thiểu hóa chi phí mất mát trong truyền tải điện từ nhà máy đến đơn vị tiêu thụ Trong bất cứ điều kiện tải được xác định, điều độ kinh tế xác định rõ điện áp đầu ra của mỗi nhà máy điện (và cả mỗi đơn vị phát điện trong nhà máy) sao cho đáp ứng nhu cầu của tải với tổng chi phí nhiên liệu thấp nhất Do đó điều độ kinh tế tập trung vào quá trình điều độ giữa chi phí sản xuất tại tất cả các nhà máy điện đang vận hành trên hệ thống

Bài toán điều độ kinh tế cũng là bài toán tối thiểu mất mát được giải bằng các công cụ của chương trình tối ưu hóa dòng công suất (OPF) Tính toán OPF có thể được xem như một sự liên tục của phương pháp tính toán dòng chảy công suất Newton-Raphson trong đó các biến điều khiển quan trọng được tự động điều chỉnh

để thỏa mãn mạng lưới các ràng buộc trong khi tối thiểu hóa hàm mục tiêu cụ thể

Ta nhận thấy rằng trong bài toán điều độ kinh tế chỉ có một hàm ràng buộc tổng công suất phát sẽ bằng tổng công suất tải và hao phí Do đó lời giải cho bài toán này là nghiệm của phương trình Lagrange

𝐿 = F Pi + λ(Pload + Plosses − Pi) (2.1)

Pload + Plosses − Pi = 0 (2.2)

Trang 34

Để tính toán phân bố kinh tế tải giữa các phần tử máy phát khác nhau (phức hợp turbine, máy phát, PV….), các biến chi phí vận hành của các phần tử phải được nhấn mạnh trong các điều kiện của công suất ngõ ra Chi phí nhiên liệu là yếu tố căn bản trong các nhà máy sử dụng năng lượng hóa thạch

𝑓𝑖 = aiPgi2 + biPgi + ci $

h (2.3) Với ai, bi, ci là các hằng số của máy phát thứ i

Tuy nhiên vấn đề phát sinh là trong mạng truyền tải điện thì việc gia tăng của công suất hao tổn gây sai số đến kết quả điều độ công suất phát tối ưu kinh tế của các máy phát Điều này dẫn đến phát sinh các phương trình phức tạp về mối quan hệ giữa các ảnh hưởng của việc gia tăng hao tổn trong truyền tải và bài toán điều độ công suất phát tối ưu Đó là tổng hao phí thực tế trên đường dây gia tăng kéo theo tổng nhu cầu cung cấp cũng tăng theo Tuy nhiên việc gia tăng này khiến cho quá trình điều độ nguồn phát có thể phải điều chỉnh theo hướng giảm lượng truyền tải nếu không sẽ dẫn đến sập nguồn Chính từ vấn đề này dẫn đến để đáp ứng yêu cầu thực tiễn cần một mô hình để giải bài toán điều độ công suất phát tối ưu kinh tế với nhiều hàm ràng buộc khó

có thể giải bằng tay, cần một phương pháp mới để đáp ứng yêu cầu thực tiễn

Vấn đề tối ưu hóa bao gồm nhiều mục tiêu khác nhau như tổng chi phí vận hành, các hao phí trong truyền tải, sự phát xạ của máy phát, đường dây…trong điều kiện đảm bảo các phương trình phân bố công suất, an ninh hệ thống, các giới hạn vận hành thiết bị và cả khả năng hiện hữu của hệ thống

Dựa trên từng mục tiêu trong tối ưu hóa hệ thống mà tiến hành tác động, phân

bố lựa chọn thay đổi các biến giá trị (công suất, điện áp thực đầu ra, các máy biến áp, các bộ chuyển pha…) nhằm xây dựng một mạng kết nối tối ưu thỏa mãn yêu cầu thực tiễn

Trang 35

Đáp ứng các mục tiêu khác nhau và những khó khăn phức tạp của hệ thống trong thực tế mà các nhà nghiên cứu đưa ra những mô hình công thức toán học khác nhau cho từng bài toán ED cụ thể:

 Bài toán tuyến tính trong đó mục tiêu và các ràng buộc được đưa ra dưới dạng tuyến tính với các biến điều khiển liên tục

 Bài toán phi tuyến với các mục tiêu hoặc các ràng buộc hoặc kết hợp cả hai

có dạng phi tuyến với các biến điều khiển liên tục

 Hỗn hợp – các bài toán tuyến tính tuyến tính khi kiểm soát các biến đều rời rạc và liên tục

Có nhiều kỹ thuật được áp dụng để giải các bài toán ED Các giải thuật này nhìn chung được chia thành 3 nhóm chính: Các phương pháp tối ưu hóa thông thường, các phương pháp tìm kiếm thông minh và phương pháp tiếp cận phi đại lượng để giải quyết những bất ổn trong các mục tiêu và các ràng buộc

Như vậy với sự linh hoạt của mình ED có rất nhiều ứng dụng bao gồm:

 Tính toán các mô hình phát điện tối ưu cũng như kiểm soát tất cả các biến

để đạt được tối thiểu hóa chi phí phát điện đồng thời thỏa mãn các giới hạn truyền tải của hệ thống

 Với việc sử dụng trạng thái hiện hành của hệ thống điện hoặc dự báo tải ngắn hạn, ED có thể thiết lập “điều độ phòng ngừa” nếu các ràng buộc an toàn được hợp thành

 ED có thể được sử dụng định kỳ để tìm các thiết lập tối ưu cho điện áp cung cấp, biến áp nguồn và các bộ chuyển mạch tụ điện hoặc các bộ bù công suất phản kháng tĩnh (đôi khi được gọi là “điện áp-VAR” tối ưu hóa)

 ED có thể được sử dụng trong phân tích kinh tế của hệ thống điện thông qua công cụ "chi phí gia tăng thanh cái" (BICs) Các BICs là công cụ hữu hiệu

để xác định chi phí cận biên của điện năng tại bất kỳ thanh cái trong hệ thống Tương tự như vậy, ED còn được sử dụng để tính toán chi phí gia tăng

Trang 36

hoặc cận biên của điện năng truyền tải giữa các hệ bên ngoài thông qua hệ thống

2.2.2 Công thức

Mục tiêu của bài toán ED là tối ưu hóa phân bố dòng công suất với chi phí nhỏ nhất Nó phải thỏa mãn một vài điều kiện ràng buộc của phương trình và bất phương trình

Xét một mạng điện với n nút độc lập thỏa mãn n phương trình

Y

Y Y

Y

Y Y

Y

nn n

2 21

21

1 12

(2.6) ˆ

) (

ˆ

ˆ ˆ ˆ

ˆ

i

Di Gi Di

Gi i

Di Gi i

i i

V

Q Q j P P V

S S V

S

Với S: là vectơ phức công suất đầu vào

PGi: Công suất thực đầu ra của máy phát nối với bus i

QGi: Công suất phản kháng đầu ra của máy phát nối với bus i

PDi: Công suất thực của tải nối với bus i

QDi: Công suất phản kháng của tải nối với bus i

Thay phương trình (3) và phương trình (1) ta có được

i

Di Gi Di

Gi

V Y V

Y V Y V

Q Q j P

ˆ

)(

2 2 1

1 i 1,2, ,n

Trang 37

Q Q Q

P P P

i i

V Y V

jQ P

1

i N

i

y u x F

, ),,(

y u x F

 Tối thiểu hóa hao tổn hệ thống

Đối với tất cả các xem xét mục tiêu đặc trưng, các vector của biến điều khiển u biểu diễn

 Các giá trị công suất hoạt động đầu ra của các phần tử máy phát

 Điện áp của các phần tử máy phát, vị trí của các nút máy biến thế

 Vị trí của các nút bộ chuyển pha (máy tăng thế cáp tứ)

 Trạng thái của các bộ tụ và điện kháng chuyển mạch

 Điều khiển của điện tử công suất (HVDC, FACTS)

 Số lượng các tải bị ngắt kết nối

Các vector trạng thái x biểu diễn

 Các đáp ứng của hệ thống đối với sự thay đổi của các biến điều khiển

 Độ lớn của điện áp tại mỗi thanh dẫn (ngoại trừ các thanh dẫn của máy phát)

Trang 38

 Góc lệch của điện áp tại mỗi thanh dẫn (ngoại trừ thanh cái)

Vector của các tham số y cho biết

 Các đặc trưng của hệ thống

 Các hằng số giả định như cấu trúc mạng, các thông số của mạng (R,X,B, các giới hạn điện áp và dòng), các hàm chi phí của máy phát, các giới hạn máy phát

Vấn đề bao gồm điều kiện ràng buộc của phương trình và bất phương trình như sau:

 Phương trình dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng tại nút tải:

, ,

1

(2.11) ) sin(

) cos(

1

N k

B G

V V P

N

i i k L

k G k

B G

V V Q

N

i i k di

L i G k

, ,1

(2.12) )cos(

)sin(

Giới hạn điện áp: Vj Vj Vj

Giới hạn góc tải: min max

i i

Biểu thức thu gọn hàm phạt: H(x,y,u)0

Trang 39

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH BÀI TOÁN ĐIỀU ĐỘ KINH TẾ TRONG MICROGRID 3.1 Mô hình tối ưu hóa trong hệ Microgrid

3.1.1 Giới thiệu

Tối ưu hóa đa mục tiêu là đề tài được áp dụng rộng rãi không chỉ trong kỹ thuật

mà còn ở các ngành kinh tế Thuật ngữ tối ưu hóa đa mục tiêu (MO) được sử dụng trong các bài toán với mục đích tìm kiếm kết quả tốt nhất từ nhiều mục tiêu mâu thuẫn nhau

Thuật toán tối ưu hóa đa mục tiêu đi kèm với thuật toán tối ưu Pareto đưa ra lời giải hiệu quả cho các bài toán trong hệ Microgrid Như đã phân tích ở trên hệ thống Microgrid đưa ra hướng mới trong việc tạo sự linh hoạt của hệ thống điện trong việc đối phó với những thay đổi nguồn điều hành và các điều kiện kinh tế khác nhau, tiết kiệm năng lượng và những ảnh hưởng đến môi trường

Một hệ thống Microgird bao gồm hệ thống kết nối đồng bộ giữa các nguồn năng lượng nhiều thành phần: pin quang điện (PV), turbine gió (WT), pin nhiên liệu (FC), turbine khí (MT), máy phát diesel (DG), bộ tích hợp nhiệt và điện (Combined Heat and Power – CHP) ….Với đặc tính của từng thành phần cung cấp nguồn năng lượng đầu vào nên bài toán tối ưu hóa trong hệ Microgird rất đa dạng và phức tạp

3.1.2 Mô hình tối ưu hóa

Mô hình tối ưu hóa trong hệ thống Microgrid được mô tả thông qua các yếu tố đầu ra và đầu vào Trong đó các yếu tố đầu ra là giá trị năng lượng cung cấp cục bộ, khả năng đảm bảo năng lượng, mức độ ổn định của hệ thống, chi phí vận hành, chi phí khí thải…Các yếu tố đầu vào được miêu tả trong hình sau:

Trang 40

Hình 3.1: Các yếu tố đầu vào của Microgrid

3.2 Các thành phần trong mô hình tối ƣu hóa

3.2.1 Turbine gió

Công suất ngõ ra của các máy phát được tính toán dựa trên đồ thị vận tốc gió và đặc tính kỹ thuật của turbine gió (công suất turbine, vị trí lắp đặt, cao độ, sải cánh turbine, mật độ bố trí các cột turbine….) được biểu diễn bằng phương trình sau:

Với 𝑃𝑟𝑎𝑡𝑒𝑑 là công suất định mức

𝑉𝑐𝑢𝑡 _𝑖𝑛 là vận tốc gió làm turbine bắt đầu quay

𝑉𝑐𝑢𝑡 _𝑜𝑓𝑓 vận tốc gió tối đa turbine chịu được

NOx, SOx

Nguồn năng lượng: tốc độ gió, bức xạ mặt trời, nhiệt độ

Hàm số chi phí, lợi ích của việc mua bán năng lượng

Định dạng
Số trang	101
Dung lượng	3,47 MB