NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN TRÀO LƯU CƠNG SUẤT TRONG MICROGRID VẬN HÀNH ĐỘC LẬP CÓ XÉT TỚI SỰ PHỤ THUỘC CỦA NGUỒN PHÁT, PHỤ TẢI VÀO TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP. LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong luận văn, phương pháp tính trào lưu công suất và các thông số vận hành của lưới điện Microgrid vận hành ở chế độ độc lập có xét đến sự phụ thuộc của nguồn phát và phụ tải vào tần s

CÓ XÉT TỚI SỰ PHỤ THUỘC CỦA NGUỒN PHÁT,

PHỤ TẢI VÀO TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ ĐÌNH DƯƠNG

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

VÕ THANH HẢI

MỤC LỤC

TRANG BÌA

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH & TIẾNG VIỆT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn 3

6 Cấu trúc của luận văn 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ LƯỚI MICROGRID 5

1.1 Khái niệm về lưới Microgrid 5

1.2 Vai trò, tác dụng, cách thức làm việc của lưới Microgrid 7

1.3 Phân loại lưới Microgrid 9

1.3.1 Microgrid khách hàng hay Microgrid thực sự (µgrids) 9

1.3.2 Lưới Microgrids công cộng do nhà nước đầu tư và vận hành hay còn gọi là lưới cực nhỏ (mgrids) 9

1.3.3 Lưới ảo (Vgrids) 10

1.3.4 Lưới ở khu vực xa xôi hẻo lánh (rgrids) 10

1.4 Sự phù hợp của việc hình thành Microgrid tại Việt Nam trong tương lai 10

1.5 Các ví dụ điển hình về Microgrids hiện có trên thế giới 13

1.5.1 Santa Rita Jail 13

1.5.2 Fort Collin 14

1.5.3 The Sendai Microgrid 15

1.5.4 Hartley Bay 16

1.5.5 New York University 18

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 19

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRÀO LƯU CÔNG SUẤT TRONG MICROGRID VẬN HÀNH ĐỘC LẬP CÓ XÉT TỚI SỰ PHỤ THUỘC CỦA NGUỒN PHÁT, PHỤ TẢI VÀO TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP 20

2.1 Giới thiệu chung 20

2.2 Mô hình mô phỏng lưới điện 3 pha cân bằng trong Microgrids vận hành độc lập22 2.2.1 Mô hình phụ tải tiêu thụ 22

2.2.2 Mô hình máy phát (DG) 24

2.2.3 Hệ phương trình tính toán 26

2.3 Mô hình mô phỏng lưới điện 3 pha không cân bằng trong Microgrid vận hành độc lập 29

2.3.1 Mô hình đường dây 29

2.3.2 Mô hình tải 31

2.3.3 Mô hình các máy phát 31

2.3.4 Hệ phương trình tính toán 31

2.4 Thuật toán phương pháp vùng tin tưởng (Newton- Trust Region Method) giải bài toán tính toán trào lưu công suất trong Microgrid vận hành độc lập 34

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 39

CHƯƠNG 3 ÁP DỤNG TÍNH TOÁN TRÊN LƯỚI ĐIỆN THỬ NGHIỆM

TIÊU CHUẨN IEEE 40

3.1 Lưới điện IEEE thử nghiệm 38 nút 3 pha cân bằng: 40

3.1.1 Tính toán dòng công suất với đầy đủ 5 máy phát 42

3.1.2 Tính toán với trường hợp cắt công suất tác dụng của máy phát số 34 45

3.1.3 Tính toán với trường hợp cắt giảm công suất tác dụng của phụ tải số 7 và 14 46

3.2 Lưới điện thử nghiệm 25 nút 3 pha không cân bằng: 48

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 49

KẾT LUẬN 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

PHỤ LỤC 54

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC

PHẢN BIỆN

TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH & TIẾNG VIỆT

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN TRÀO LƯU CÔNG SUẤT

TRONG MICROGRID VẬN HÀNH ĐỘC LẬP CÓ XÉT TỚI SỰ PHỤ THUỘC CỦA NGUỒN PHÁT, PHỤ TẢI VÀO TẦN SỐ VÀ ĐIỆN ÁP

Học viên: Võ Thanh Hải Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 8520201 Khóa: K34.KTĐ.QB Trường Đại học Bách khoa- ĐHĐN

Tóm tắt - Lưới Microgrid đang ngày càng được phát triển xây dựng ở nhiều nước trên thế

giới để cung cấp điện cho các khu vực xa trung tâm, tận dụng được nguồn năng lượng tái tạo, đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện Việc tính toán trào lưu công suất và các thông số vận hành của lưới điện này khi vận hành độc lập nếu sử dụng các phương pháp tính toán trào lưu công suất truyền thống có sử dụng nút cân bằng hệ thống sẽ cho ra kết quả không phù hợp với thực tế Trong lưới điện này sự phụ thuộc của công suất nguồn, phụ tải vào tần

số và điện áp là rất lớn Trong luận văn, phương pháp tính trào lưu công suất và các thông

số vận hành của lưới điện Microgrid vận hành ở chế độ độc lập có xét đến sự phụ thuộc của nguồn phát và phụ tải vào tần số và điện áp được trình bày Trong phương pháp, thuật toán vùng tin tưởng (Newton Trust Region) được sử dụng Phương pháp được áp dụng tính toán trên một số lưới điện mẫu IEEE cho kết quả tốt

Từ khóa - Microgrid; trào lưu công suất; nút cân bằng; thuật toán vùng tin tưởng; chế độ

vận hành độc lập

RESEARCH ON CALCULATION OF POWER FLOW IN MICROGRID

IN ISLANDED MODE CONSIDERING DEPENDENCE OF GENERATION

SOURCES AND LOADS ON FREQUENCY AND VOLTAGE

Abstract- Microgrid is increasingly being developed in many countries around the world

to provide electricity to remote areas, make use of renewable energy sources, and ensure the reliability of power supply Using traditional power flow calculation methods with the slack bus to calculate power flow and operating parameters of this grid in islanded mode usually obtains results that do not match reality In this grid the dependency of the generation sources and the loads on frequency and voltage is very significant In the thesis, methodology for calculating power flow and operating parameters of Microgrid in islanded mode considering dependence of generation sources and loads on frequency and voltage is presented In the method, the Newton Trust Region algorithm is used The method is applied on IEEE test systems showing good performance

Key words - Microgrid; power flow; slack bus; Newton Trust Region Method; islanded

mode

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số

3.1 Thông số đường dây lưới điện thử nghiệm IEEE 38 nút 41

3.2 Thông số các máy phát và phụ tải của lưới 38 nút IEEE thử

3.4 Kết quả tính toán tổng hợp khi cắt giảm 100% công suất tác

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số

1.2 Mô tả cấu trúc và các thông số chính của lưới điện Microgrid

2.2 Mô hình điều khiển máy phát DG vận hành theo chế độ Droop 25

2.3 Mô hình đoạn đường dây 3 pha 4 dây có trung tính nối đất giữa

2.5 Giao diện Mô đun tính toán trào lưu Microgrid vận hành độc lập 39

3.2 So sánh kết quả tính toán của đề tài với kết quả tính toán trên

3.3 Kết quả so sánh công suất tác dụng của các máy phát ở trạng

3.4

Kết quả so sánh công suất tác dụng của các máy phát ở trạng

thái bình thường và sau khi cắt giảm công suất tác dụng của phụ

tải số 7 và 14

47

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Microgrid (Lưới điện nhỏ) là hệ thống gồm các nguồn năng lượng phân tán được kết nối với nhau để cung cấp điện cho phụ tải, có thể được vận hành nối với lưới điện quốc gia hoặc vận hành độc lập Với mục tiêu bảo vệ môi trường, tăng cường các nguồn năng lượng tái tạo nhằm bổ sung sự thiếu hụt năng lượng từ các nguồn hóa thạch trong tương lai, các mô hình Microgrid hiện đang được nghiên cứu

sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới Hiện nay Chính phủ Việt Nam cũng đã nhận thức được tầm quan trọng và cần thiết phải phát triển nguồn năng lượng tái tạo trong hệ thống năng lượng Việt Nam Do vậy hướng nghiên cứu về năng lượng nói chung và năng lượng tái tạo nói riêng cũng như việc sử dụng Microgrid đang là vấn

đề nóng và cần được quan tâm

Khi một Microgrid được vận hành nối lưới, các nguồn phát trong Microgrid

sẽ được điều khiển để cung cấp lượng điện năng theo yêu cầu vào lưới điện quốc gia Khi Microgrid vận hành độc lập để cung cấp điện cho một khu vực, các nguồn phát này được điều khiển vận hành nhằm cung cấp toàn bộ nhu cầu điện năng trong khu vực Trong chế độ vận hành này, sự ảnh hưởng qua lại giữa công suất của phụ tải và nguồn phát với tần số và điện áp là rất lớn, việc duy trì điện áp và tần số trong khoảng dao động cho phép so với tiêu chuẩn là vấn đề cần phải được quan tâm

Tuy nhiên hiện nay, các chương trình hay phần mềm tính toán lưới điện đều

sử dụng các phương pháp tính toán trào lưu công suất truyền thống, thường cần sử dụng nút Slack_bus là nút có khả năng cung cấp điện năng tùy ý, còn gọi là nút cân bằng (Reference bus) của hệ thống và không tính tới sự phụ thuộc của phụ tải, nguồn phát vào tần số Các phương pháp này không thích hợp cho Microgrid vận hành độc lập gồm nhiều nguồn phát với công suất nhỏ tương đương nhau, giới hạn thay đổi công suất của các máy phát là nhỏ, không phải tùy ý Do vậy cần có giải pháp phù hợp để giải quyết bài toán tính toán trào lưu công suất trong Microgrid

Với các lý do trên, đề tài “Nghiên cứu tính toán trào lưu công suất trong

Microgrid vận hành độc lập có xét tới sự phụ thuộc của nguồn phát, phụ tải vào tần

số và điện áp” nhằm mục đích nắm bắt được bài toán, ứng dụng các chương

trình hiện có để thiết lập và giải bài toán làm tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về lưới Microgrid

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu nắm bắt được một phương pháp tính toán trào lưu công suất trong Microgrid vận hành độc lập có xét tới sự phụ thuộc của nguồn phát, phụ tải vào điện áp và tần số Tính toán thử nghiệm sử dụng phần mềm Matlab, kiểm chứng kết quả nghiên cứu có trước trên lưới IEEE tiêu chuẩn

- Tạo tiền đề để tiếp tục các nghiên cứu tiếp theo về lĩnh vực tính toán tối ưu hóa dòng công suất trong Microgrid vận hành độc lập có xét tới sự phụ thuộc của nguồn phát, phụ tải vào điện áp và tần số

- Giải quyết được bài toán tính toán trào lưu công suất và tiếp theo là bài toán tối ưu hóa trào lưu công suất sẽ đưa ra các giải pháp hoàn chỉnh hơn trong điều khiển, vận hành nhằm giảm thiểu tổn thất công suất tác dụng trên Microgird vận hành độc lập và dễ dàng áp dụng trong thực tế hiện nay đang có ngày càng nhiều Microgrid đưa vào vận hành

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Chế độ vận hành độc lập của Microgrid; các phương pháp tính toán trào lưu công suất trong lưới điện nói chung và trong Microgrid nói riêng

- Phạm vi nghiên cứu: Lý thuyết về tính toán trào lưu công suất trong lưới điện và lưới Microgrid vận hành độc lập; Các mô hình Microgrid thử nghiệm IEEE

để chứng minh tính đúng đắn của phương pháp đề xuất

4 Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở đánh giá các đặc điểm của Microgrid cũng như tổng quan tình hình vấn đề nghiên cứu trào lưu công suất trong lưới điện nói chung và trong lưới Microgrid nói riêng, đề tài sẽ đề xuất sử dụng một phương pháp phù hợp có thể giải quyết vấn đề đặt ra về bài toán tính toán trào lưu công suất trong Microgrid vận hành độc lập Áp dụng tính toán thử nghiệm ở môi trường Matlab trên một vài mô hình Microgrid thử nghiệm IEEE để chứng minh tính đúng đắn của phương pháp

5 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn

Kết quả của đề tài có thể ứng dụng rộng rãi cho các Microgrid vận hành độc

lập cung cấp điện cho các khu vực dân cư ở vùng sâu vùng xa

Kết quả thu được của đề tài về mặt lý thuyết sẽ mở ra hướng nghiên cứu mới

trong công tác nghiên cứu thiết kế, lập trình phần mềm tính toán trào lưu công suất

trong Microgrid vận hành độc lập, góp phần giúp các đơn vị điều độ hệ thống điện,

các cơ quan quản lý vận hành Microgrid Tạo tiền đề giải quyết các bài toán tính tối

ưu dòng công suất trong lưới Microgrid

6 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm có 03 chương:

- Chương 1: Tổng quan chung về lưới Microgrid

+ Trình bày về khái niệm, vai trò, tác dụng và cách thức làm việc của lưới Microgrid

+ Phân loại lưới Microgrid, phân biệt giữa Microgrid và Smart-Grid

+ Sự phù hợp của việc hình thành lưới Microgrid ở Việt Nam Các ví dụ điển hình về lưới Microgrid đã và đang vận hành trên thế giới

- Chương 2: Nghiên cứu phương pháp tính toán trào lưu công suất trong Microgrid vận hành độc lập có xét tới sự phụ thuộc của nguồn phát, phụ tải vào tần số và điện áp

+ Trình bày về các đặc tính vận hành của lưới Microgrid khi vận hành ở chế

độ nối với lưới điện quốc gia hoặc khi vận hành độc lập Nghiên cứu phương pháp tính toán trào lưu công suất trong lưới Microgrid vận hành độc lập không sử dụng nút cân bằng hệ thống (nút Slack_bus) có xét tới sự phụ thuộc của nguồn phát, phụ tải vào tần số và điện áp

+ Lập các hệ phương trình phi tuyến để tính toán các thông số vận hành Microgrid trong hai trường hợp 3 pha cân bằng và 3 pha không cân bằng

+ Thiết lập Mô đun tính toán trên phần mềm Matlab để tính toán trào lưu công suất của Microgrid vận hành độc lập theo phương pháp vùng tin tưởng (Newton- Trust Region)

- Chương 3: Áp dụng tính toán trên lưới điện thử nghiệm tiêu chuẩn IEEE

Sử dụng Mô đun đã thiết lập trên Matlab để tính toán trên lưới điện thử nghiệm tiêu chuẩn IEEE cho hai trường hợp 3 pha cân bằng và 3 pha không cân bằng So sánh kết quả tính được với kết quả của [2]

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ LƯỚI MICROGRID 1.1 Khái niệm về lưới Microgrid

Microgrid đã được thừa nhận như là một nhân tố quan trọng nhằm cải thiện chất lượng cũng như độ tin cậy cung cấp điện năng, gia tăng hiệu suất của hệ thống điện, giảm tổn thất điện năng trên toàn hệ thống điện và đem lại khả năng vận hành lưới điện độc lập để cấp điện cho phụ tải của một khu vực tách biệt, xa các khu trung tâm, xa nguồn điện truyền thống, xa lưới điện quốc gia

Rất nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã tiên phong đưa ra các khái niệm

về lưới Microgrid như là một cách gọi khác của việc tích hợp các nguồn năng lượng phân tán quy mô công suất nhỏ (thường là nhỏ hơn 1MW) vào hệ thống điện Nhiều thuật ngữ khác cũng thường được sử dụng để mô tả những khái niệm đơn giản như: các nhà máy điện ảo (virtual power plants), lưới nhỏ (minigrids), lưới điện phân phối thông minh (smart distribution networks), nguồn phát điện phân tán (distributed or dispersed generation)…

Theo các nhà nghiên cứu ở phòng thí nghiệm Berkeley (Berkeley Lab) thì: Microgrid là một tập hợp các phần tử bao gồm các nguồn phát điện và các phụ tải ở một khu vực được kết nối đồng bộ với lưới điện quốc gia, tuy nhiên nó có thể tách rời và vận hành độc lập trong trường hợp không thể duy trì cấp điện từ lưới điện quốc gia do ở xa hoặc do vấn đề về chi phí năng lượng, chi phí đầu tư quá cao1

Các nhà quản lý về lĩnh vực lưới Microgrid ở Bộ năng lượng của Mỹ (U.S Department of Energy Microgrid Exchange Group) lại mô tả Microgrid như sau: Microgrid là một nhóm bao gồm các phụ tải được kết nối với nhau và các nguồn năng lượng phân tán trong một khu vực nhất định, nhóm này hoạt động như một thực thể trong lưới điện quốc gia và có thể tự/được điều khiển độc lập mà không liên quan đến điều độ lưới điện quốc gia Microgrid có thể chủ động kết nối hoặc tách rời khỏi lưới điện quốc gia và nó vận hành ở cả chế độ nối lưới hay độc lập không nối lưới2

Một định nghĩa khác được các nhà nghiên cứu thuộc website General Microgrid đưa ra về Microgrid: Microgrid là một hệ thống năng lượng rời rạc bao gồm các nguồn năng lượng phân tán (bao gồm cả quản lý nhu cầu điện năng, lưu trữ

điện năng, và các máy phát điện) và các phụ tải, hệ thống này có khả năng hoạt động song song hoặc độc lập với lưới điện quốc gia3

Nhìn chung các khái niệm về Microgrid ở trên chưa có một sự thống nhất hoàn toàn với nhau về câu chữ, tuy nhiên đều xoay quanh các đặc điểm là tập hợp các nguồn phân tán và phụ tải ở một khu vực nhất định, có thể nối lưới hoặc vận hành độc lập

Một định nghĩa chính thức đã được đưa ra bởi Hội đồng quốc tế về hệ thống lưới điện lớn (Conseil international des grands réseaux électriques or (CIGRÉ)) về lưới Microgrid như sau: Microgrids là các hệ thống phân phối điện bao gồm các phụ tải và các nguồn năng lượng phân tán, (như các máy phát điện phân tán, các thiết bị lưu trữ hoặc các phụ tải có thể điều khiển được), có thể được phối hợp vận hành điều khiển trong trường hợp nối lưới với hệ thống điện quốc gia hoặc tự vận hành điều khiển trong trường hợp không nối lưới với hệ thống điện quốc gia

Hình 1.1 Một ví dụ về mô hình lưới điện Microgrid

3 https://www.generalmicrogrids.com/about-microgrids

1.2 Vai trò, tác dụng, cách thức làm việc của lưới Microgrid

Như đã nêu trong phần định nghĩa lưới Microgrid, lưới Microgrid có thể vận hành ở hai chế độ, vận hành song song nối lưới hoặc vận hành độc lập dạng tách đảo với đầy đủ các chức năng của một lưới điện hoàn chỉnh khi cần thiết

Theo truyền thống và phần lớn hiện nay vẫn vậy, các phụ tải như các hộ gia đình, các khu nhà tập thể, các công ty, doanh nghiệp được kết nối trực tiếp với hệ thống lưới điện truyền tải quốc gia nơi kết nối, truyền tải điện năng từ các nhà máy sản xuất điện tới phụ tải trên toàn quốc Một lưới điện Microgrid cũng kết nối với

hệ thống truyền tải quốc gia này, nó như một phần tử trong lưới điện truyền tải quốc gia, tuy nhiên nó có thể tách rời và tự cung cấp điện năng cho phụ tải ở khu vực lắp đặt lưới Microgrid trong các trường hợp đường dây kết nối với lưới điện quốc gia bị

sự cố đứt dây, đổ cột do bão gây nên hoặc khi lượng điện phát ra từ các nhà máy điện chính bị thiếu hụt, không đủ khả năng cấp điện tới các phụ tải thuộc khu vực này hoặc vì lý do nào đó Khi đó lưới Microgrid có thể vận hành và cung cấp điện tới các phụ tải trong khu vực nhờ các nguồn phát điện từ nguồn năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng gió hoặc các nguồn phát điện phân tán khác Tùy thuộc vào điều kiện sẵn sàng của các nguồn phát điện trong lưới Microgrid và nhu cầu phụ tải trong khu vực mà lưới Microgrid có thể vận hành độc lập trong thời gian đủ dài để đảm bảo cấp điện cho các phụ tải

Một lưới Microgrid kết nối với lưới điện quốc gia tại một điểm PCC (point

of common coupling) gọi là điểm đấu nối PCC Tại điểm này, điện áp được duy trì

ở giá trị phù hợp với việc hòa điện phát ra từ lưới Microgrid vào hệ thống lưới điện quốc gia Khi có sự cố hay lý do nào đó, việc ngừng kết nối với lưới điện quốc gia cũng được thể hiện tại điểm đấu nối này thông qua một thiết bị đóng cắt để Microgrid có thể vận hành như một hệ thống độc lập, tách đảo

Việc xây dựng và tích hợp các lưới Microgrid đang ngày càng được mở rộng trong hệ thống điện của nhiều nước trên thế giới Mặc dù các mục tiêu của các lưới Microgrid xây dựng cho mỗi khu vực là được xác định và khác nhau, phù hợp với yêu cầu, điều kiện của từng vùng, những lưới Microgrid này cũng đã chứng tỏ được khả năng hỗ trợ và vai trò của mình trong việc cung cấp chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện cao hơn so với lưới điện truyền thống và hiệu suất sử dụng năng lượng điện được cải thiện, tổn thất trên lưới điện giảm như đã được chứng minh, công bố trong các nghiên cứu [3], [14], [15] Cụ thể vai trò, tác dụng của lưới Microgrid:

- Tận dụng được các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sạch trong tự nhiên để cung cấp điện cho các hộ dân cư, khu vực, cộng đồng dân cư xa xôi, hẻo lánh, không có điều điện được cung cấp điện từ điện lưới quốc gia

- Với các khu vực, cộng đồng dân cư có điều kiện được cung cấp điện từ điện lưới quốc gia, lưới Microgrid sẽ vận hành song song với lưới điện quốc gia, hỗ trợ cung cấp điện cho phụ tải các khu vực này, giúp:

+ Giảm tổn thất trong việc truyền tải điện năng: với việc các nguồn năng lượng tái tạo, các nguồn điện năng khác được kết nối, cung cấp điện trực tiếp cho phụ tải tiêu dùng ở khu vực xây dựng các nguồn điện này sẽ giúp tránh được hiện tượng phải truyền tải lượng lớn điện năng đi xa Điều này trực tiếp giúp giảm tổn thất điện năng trên đường dây truyền tải

+ Giảm chi phí tiêu thụ điện năng cho các hộ phụ tải: trong chế độ vận hành nối lưới, khi các nguồn điện năng từ năng lượng tái tạo hay từ các nguồn điện khác

có khả năng cung cấp điện nhiều hơn nhu cầu phụ tải đặt tại khu vực xây dựng các nguồn phát điện này, tùy theo cơ chế thị trường, vào lúc cao điểm, giá thành điện năng mua từ lưới điện quốc gia cao thì các hộ phụ tải hoặc khu vực cộng đồng dân

cư sở hữu lưới Microgrid có thể huy động các nguồn phát điện năng để tự cung cấp, đảm bảo nhu cầu điện năng cho mình Phần điện năng còn thiếu hoặc dư thừa có thể nhận tiếp hoặc truyền tải lên hệ thống điện quốc gia Như vậy lượng điện phải mua

từ hệ thống điện quốc gia được giảm xuống, trực tiếp làm giảm chi phí tiêu thụ điện năng cho các hộ phụ tải

+ Tăng độ tin cậy cung cấp điện, tăng khả năng phục hồi lưới điện cấp điện cho các hộ phụ tải trong trường hợp bị sự cố, gián đoạn cung cấp nguồn điện từ lưới điện quốc gia

Đa số các Microgrid này cung cấp điện xoay chiều AC và kết nối trực tiếp với lưới điện truyền thống

Ngoài lưới điện Microgrid cung cấp điện xoay chiều AC, hiện nay các nhà nghiên cứu, các nhà sản xuất cũng đang đề xuất, nghiên cứu xây dựng mô hình lưới điện Micogrid cung cấp điện một chiều DC đấu nối trực tiếp vào các phụ tải sử dụng điện thuần 1 chiều [4], các máy tính điện tử để bàn [5], các đèn chiếu sáng LED sử dụng điện 1 chiều [6] và hệ thống các tòa nhà cao tầng Theo các nghiên cứu, ngoài những vai trò, tác dụng như đã nêu ở trên đối với lưới điện Micorgrid cung cấp điện xoay chiều AC, những hệ thống lưới điện Microgrid cung cấp điện 1 chiều DC này có thể mang lại hiệu suất cao hơn, tổn thất ít hơn do không phải

chuyển đổi nhiều lần từ điện áp một chiều DC sang điện áp xoay chiều AC và từ điện áp xoay chiều AC sang điện áp một chiều DC trước khi cung cấp điện cho các phụ tải tiêu dùng Tính linh hoạt trong việc cung cấp điện cũng là một trong những

ưu điểm của Microgrid cung cấp điện một chiều DC Đặc biệt, khi các nguồn phát điện từ năng lượng tái tạo cung cấp điện ngay tại chỗ, khu vực đặt máy phát và có

sự hỗ trợ của các thiết bị lưu trữ điện năng sẽ càng làm cho tính linh hoạt cung cấp điện cũng như chất lượng, độ tin cậy cung cấp điện năng tới các phụ tải được cao hơn [7]

1.3 Phân loại lưới Microgrid

Về cơ bản, theo các tài liệu hiện có mà tác giả tìm hiểu được, hiện có 04 loại lưới Microgrid, đó là:

1.3.1 Microgrid khách hàng hay Microgrid thực sự (µgrids)

Là các lưới Microgrid do các khách hàng tự đầu tư để sử dụng và thường sử dụng một điểm nối lưới (PCC) duy nhất Rất nhiều ví dụ điển hình hiện có về lưới Microgrid loại này Các lưới Microgrid này thường dễ hình dung và nhận diện bởi chúng rất phù hợp với điều kiện công nghệ hiện có và tương thích với cấu trúc lưới điện thông thường Lưới Microgrid kiểu này được coi như là một khách hàng truyền thống của lưới điện quốc gia, sử dụng các thiết bị đo đếm net_metering để đối trừ lượng điện nhận được từ lưới điện quốc gia với lượng điện được phát lên lưới điện quốc gia từ lưới µgrids Lưới điện kiểu này được kỳ vọng sẽ là công nghệ lưới Microgrid được triển khai xây dựng sớm và phổ biến nhất

1.3.2 Lưới Microgrids công cộng do nhà nước đầu tư và vận hành hay còn gọi là lưới cực nhỏ (mgrids)

Lưới mgrids bao gồm một bộ phận được điều khiển vận hành của lưới điện quốc gia Về các công nghệ phát điện, chúng không khác biệt so với các công nghệ phát điện trong lưới µgrids Tuy nhiên sự khác biệt cơ bản ở chỗ mô hình kinh doanh điện và điều khiển Việc mua bán điện và điều khiển vận hành lưới do cơ quan điều độ của lưới điện quốc gia hoặc khu vực nắm quyền bởi vì các nguồn phát điện phân tán được đấu nối vào hệ thống lưới điện do điện lực quốc gia hoặc vùng đầu tư xây dựng Nói cách khác, bất kỳ lưới mgrid nào đều phải thích nghi với các chuẩn điều khiển, đấu nối với lưới điện hiện có và vai trò điều khiển của cơ quan điều độ vùng hoặc cơ quan điều độ quốc gia là chính yếu

1.3.3 Lưới ảo (Vgrids)

Vgrids bao gồm các nguồn phát điện phân tán tại nhiều khu vực, nhưng được phối hợp vận hành theo cách thức các nguồn phát điện phân tán này hoạt động như một thực thể có thể tự điều khiển độc lập để đáp ứng được các yêu cầu đặt ra của lưới điện về điện áp và tần số nhằm phát được điện vào lưới Hiện nay chưa nhiều lưới điện kiểu này được xây dựng, chúng mới được đề xuất, đề cập tới trong các nghiên cứu Hệ thống lưới Vgrid phải được xây dựng có thể vận hành được như một lưới Microgrid vận hành độc lập hoặc phối hợp vận hành với nhiều lưới Microgrid

vận hành độc lập khác

1.3.4 Lưới ở khu vực xa xôi hẻo lánh (rgrids)

Lưới rgrids là kiểu lưới điện không thể kết nối với hệ thống điện quốc gia, nó bắt buộc phải vận hành độc lập và bao gồm các công nghệ điều khiển tương tự như trong các lưới Microgrid khác để đảm bảo được điều kiện vận hành trong thời gian dài Kiểu lưới này, theo quan điểm của các nhà nghiên cứu, thường được mô tả như

lưới điện Microgrid

1.4 Sự phù hợp của việc hình thành Microgrid tại Việt Nam trong tương lai

Việt Nam là một trong số các quốc gia được đánh giá là có khả năng chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của biến đổi khí hậu (BĐKH)4

Trong nhiều năm qua, Chính phủ Việt Nam đã thực hiện nhiều biện pháp tích cực nhằm thích ứng và giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu thông qua việc thực hiện các chiến lược, chương trình, kế hoạch cấp quốc gia và tham gia các cam kết quốc tế về giảm nhẹ phát thải khí nhà kính

Tại Hội nghị các bên về Công ước Khung của LHQ về biến đổi khí hậu COP21 (Paris 2015), Việt Nam cam kết cắt giảm 8% lượng phát thải khí nhà kính vào năm 2030 so với kịch bản phát triển thông thường (BAU) và có thể giảm đến 25% nếu nhận được hỗ trợ hiệu quả từ cộng đồng quốc tế

Việt Nam đã tổ chức công bố Báo cáo Đóng góp dự kiến do quốc gia tự quyết định - INDC5 nhằm thể hiện nội lực của mình trong công cuộc ứng phó với biến đổi khí hậu Báo cáo đã được gửi cho Ban Thư ký Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu (UNFCCC) INDC của Việt Nam gồm 2 hợp phần:

4

Báo cáo của IPCC năm 2007

5 http://www.noccop.org.vn/Data/profile/Airvariable_Projects_110690INDC_Vietnamese.pdf

(1) Hợp phần giảm nhẹ phát thải khí nhà kính bao gồm các đóng góp vô điều kiện và đóng góp có điều kiện so với kịch bản phát thải thông thường (BAU) Các đóng góp vô điều kiện là các hoạt động sẽ được thực hiện bằng nguồn lực trong nước Trong khi đó, các đóng góp có điều kiện là những hoạt động có thể được thực hiện nếu nhận được nguồn hỗ trợ về tài chính, công nghệ và tăng cường năng lực từ quốc tế;

(2) Hợp phần thích ứng với Biến đổi khí hậu tập trung vào thể chế, chính sách, tài chính, nguồn nhân lực và công nghệ cũng như các biện pháp thích ứng ưu tiên cho giai đoạn 2021-2030 của Chính phủ Việt Nam

Trong 9 giải pháp để đạt được mục tiêu giảm nhẹ phát thải khí nhà kính của INDC có tới 3 giải pháp về nhiên liệu năng lượng là: Giải pháp 2: Nâng cao hiệu suất và hiệu quả sử dụng năng lượng, giảm mức tiêu hao năng lượng; Giải pháp 3: Thay đổi cơ cấu nhiên liệu trong công nghiệp và giao thông vận tải; Giải pháp 4: Đẩy mạnh khai thác có hiệu quả và tăng tỷ trọng các nguồn năng lượng tái tạo trong sản xuất và tiêu thụ năng lượng6

Một số giải pháp về thay đổi cơ cấu nguồn năng lượng theo hướng xanh hoá

đã được Chính phủ đưa vào Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050 tại Quyết định số 2068/QĐ-TTg ngày 25/11/2015 của Thủ tướng Chính phủ Chiến lược này xác định: “Phát triển điện mặt trời để cung cấp điện cho hệ thống điện quốc gia và khu vực biên giới, hải đảo, vùng sâu, vùng xa chưa thể cấp điện từ nguồn điện lưới quốc gia Đưa tỷ lệ điện năng sản xuất từ nguồn năng lượng mặt trời trong tổng sản lượng điện sản xuất từ mức không đáng kể hiện nay lên đạt khoảng 0,5% vào năm 2020, khoảng 6% vào năm 2030 và khoảng 20% vào năm 2050”

Ngày 18/3/2016, Thủ tướng Chính phủ cũng đã ra quyết định số TTg Phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 –

428/QĐ-2020 có xét đến năm 2030 (gọi tắt là Quy hoạch điện VII điều chỉnh) Quy hoạch điện VII điều chỉnh là một phần của kịch bản giảm nhẹ phát thải KNK trong đóng góp INDC của Việt Nam, trong đó “Đẩy nhanh phát triển nguồn điện sử dụng năng lượng mặt trời, bao gồm cả nguồn tập trung lắp đặt trên mặt đất và nguồn phân tán

6

6 giải pháp khác là: Giải pháp 1: Tăng cường vai trò chủ đạo của Nhà nước trong ứng phó biến đổi khí hậu (BĐKH); Giải pháp 5: Giảm nhẹ phát thải khí nhà kính thông qua phát triển nông nghiệp bền vững, nâng cao hiệu quả và tính cạnh tranh trong sản xuất nông nghiệp; Giải pháp 6: Quản lý và phát triển bền vững, tăng cường hấp thụ các bon và dịch vụ môi trường; bảo tồn đa dạng sinh học gắn với phát triển sinh kế và nâng cao thu nhập cho cộng đồng và người dân phụ thuộc vào rừng; Giải pháp 7: Quản lý chất thải; Giải pháp 8: Tuyên truyền nâng cao nhận thức; Giải pháp 9: Tăng cường hợp tác quốc tế

lắp đặt trên mái nhà: Đưa tổng công suất nguồn điện mặt trời từ mức không đáng kể hiện nay lên khoảng 850 MW vào năm 2020, khoảng 4.000 MW vào năm 2025 và khoảng 12.000 MW vào năm 2030 Điện năng sản xuất từ nguồn điện mặt trời chiếm tỷ trọng khoảng 0,5% năm 2020, khoảng 1,6% vào năm 2025 và khoảng 3,3% vào năm 2030” Quy hoạch điện VII điều chỉnh sẽ có đóng góp lớn vào mục tiêu cắt giảm khí nhà kính có điều kiện của Việt Nam là 25%, từ đó có mức phát thải CO2e khoảng 3,5 tấn/ đầu người vào năm 2030

Một nội dung quan trọng nữa trong phát triển điện mặt trời nói riêng và phát triển điện từ các nguồn tái tạo nói chung (gió, địa nhiệt, biomass, thuỷ điện nhỏ…)

là phát triển phân tán, hình thành các lưới điện địa phương (gọi là các microgrid), có thể vận hành độc lập, không đấu nối với lưới điện quốc gia (ví dụ trên các hải đảo) hoặc tách khỏi lưới điện quốc gia khi cần thiết (ví dụ khi lưới quốc gia bị sự cố hay ngừng vận hành do sửa chữa) và cũng có thể vận hành đấu nối theo phương thức đấu nối vào lưới điện quốc gia Phương thức này khai thác được tối đa tiềm năng điện mặt trời do nó có thể khai thác phân tán ở khắp nơi khi có nắng, giảm được các nguồn cung cấp tập trung, giảm được tổn thất truyền tải điện Hiện nay ở Việt Nam còn nhiều hộ chưa được sử dụng điện lưới quốc gia, ví dụ như Tây Nguyên còn gần 3% Họ là các hộ dân/ cộng đồng sống ở những vùng sâu, vùng xa, vùng biên giới Cấp điện phân tán bằng điện mặt trời và điện gió quy mô nhỏ là một trong các giải pháp tốt để người dân khu vực này tiếp cận nguồn năng lượng hiện đại, nhằm đạt được mục tiêu đến năm 2020, gần như 100% số hộ được sử dụng điện phục vụ đời sống và sản xuất, giảm phá rừng hay sử dụng các loại nhiên liệu nhiều phát thải khác Nhiều khu vực khác mặc dù đã được cấp điện bằng điện lưới quốc gia, nhưng

do đặc điểm mật độ dân cư thưa nên đường dây cung cấp điện dài, chất lượng điện năng không đảm bảo và độ tin cậy cung cấp điện thấp (thời gian ngừng cung cấp điện và số lần ngừng cung cấp điện trong năm cao) cũng rất cần thiết khai thác nguồn gió và mặt trời phân tán hay xây dựng các lưới Microgrid để tăng cường độ tin cậy cung cấp điện và giảm hoá đơn tiền điện cho các hộ tiêu thụ điện, bao gồm người dân, doanh nghiệp và văn phòng/ trụ sở các cơ quan, trường học, bệnh viện v.v Chính vì vậy, xu hướng phát triển, xây dựng các lưới Microgrid ở Việt Nam là tất yếu sẽ xảy ra trong tương lai

1.5 Các ví dụ điển hình về Microgrids hiện có trên thế giới

1.5.1 Santa Rita Jail

Santa Rita Jail được đánh giá là một minh chứng tốt nhất về lưới Microgrid hiện đang vận hành trên thế giới Các nguồn phát điện trong lưới gồm có: nguồn phát từ điện mặt trời được kết nối vào lưới khoảng 1,5MW, 1MW tế bào nhiên liệu carbonate nóng chảy và máy phát điện diesel dự phòng Lưới này có thể vận hành nối lưới với lưới điện quốc gia hoặc vận hành độc lập tách lưới điện quốc gia bằng cách sử dụng hệ thống Pin dự trữ điện năng Iron với công suất từ 2-4MWh với mục đích chỉ để cân bằng nguồn khi cần thiết Hệ thống pin và một bộ chuyển đổi đa chức năng cho phép lưới Microgrid Santa Rita Jail tách rời và kết nối với lưới điện quốc gia một cách dễ dàng Hệ thống điện được điều khiển bởi Công nghệ Microgrid CERTS được tích hợp trong hệ thống pin lưu trữ và các hệ thống chuyển mạch điện tử

Lưới Microgrid Santa Rita Jail được xây dựng và vận hành vào năm 1989 trên một khu vực rộng khoảng 0,5km2 ở Dublin, California, Mỹ và trên nóc tòa nhà

tù với hơn 4000 tù nhân Trải qua hơn thập kỷ, Alameda County, chủ sở hữu và vận hành lưới điện, đã xây dựng một loạt các nguồn phát điện phân tán nhằm giảm nhu cầu điện năng tiêu thụ của vùng từ lưới điện quốc gia Lưới Microgird Santa Rita Jail cũng đã trải qua hàng loạt những cải tiến về mặt công nghệ nhằm nâng cao hiệu suất cung cấp điện để có thể đáp ứng được sự gia tăng của nhu cầu phụ tải tại khu vực và giảm nhu cầu cấp điện từ lưới điện quốc gia Công suất phụ tải đỉnh trong khu vực lưới Microgrid Santa Rita Jail khoảng 3MW

Một số hình ảnh về lưới Microgrid Santa Rita Jail được giới thiệu bên dưới

1.5.2 Fort Collin

Hình 1.2 Mô tả cấu trúc và các thông số chính của lưới điện Microgrid Fort

Collin

Lưới điện Microgrid Fort Collins được xây dựng ở Colorado, Mỹ, là một phần của dự án Fort Collins Zero Energy District (FortZED) Dự án này lên kế hoạch xây dựng nhiều các nhà máy điện và nhiệt tại khu vực nhằm đáp ứng đủ nhu cầu tiêu thụ của cộng đồng dân cư ở đây

Mục tiêu chính của dự án lưới điện Fort Collins là nhằm phát triển và minh chứng về một hệ thống kết hợp, tích hợp các nguồn phân tán hỗn hợp cho thành phố của Fort Collins, giảm nhu cầu phụ tải đỉnh cần cung cấp từ lưới điện quốc gia xuống từ 20% đến 30% dựa trên việc gia tăng nguồn cấp điện năng từ năng lượng tái tạo và mang lại hiệu quả và độ tin cậy cung cấp điện cao hơn cho lưới điện nói chung và cho chủ sở hữu lưới Microgrid Fort Collins nói riêng

Dự án lưới Microgrid cung cấp điện cho nhiều khách hàng tiêu thụ điện quan trọng khác nhau, tiêu biểu như nhà máy bia New Belgium (New Belgium Brewery), phòng thí nghiệm InteGrid, các văn phòng, trụ sở chính quyền của thành phố Fort Collins, Larimer County và cơ sở chính của trường đại học bang Colorado Nhiều công nghệ phát điện phân tán từ nguồn năng lượng tái tạo được sử dụng trong dự án này: Pin quang điện mặt trời, Tổ hợp phát điện và nhiệt (CHP), Microturbines, các thanh nhiên liệu, các nguồn nhiệt, các thiết bị điều khiển và quản lý phụ tải… Dự án

đã được đầu từ khoảng 6,3 triệu đô la Mỹ từ Bộ năng lượng Mỹ và 4,7 triệu đô từ các đối tác công nghiệp khác

1.5.3 The Sendai Microgrid

Có thể nói Sendai Microgrid được biết đến như là minh chứng nổi tiếng nhất trên thế giới về lưới Microgrid Dự án Sendai Microgrid là một trong 4 dự án lớn do

Tổ chức phát triển công nghệ công nghiệp và năng lượng mới của Nhật bản (Japan's New Energy and Industrial Technology Development Organization - NEDO) xây dựng tại Nhật bản từ năm 2005 đến năm 2008 Sau một vài lần được nâng cấp, cải tạo, lưới điện Microgrid này vẫn vận hành bình thường

Trong khi đã rất thành công trong việc vận hành tốt, cung cấp điện đầy đủ, tin cậy cho phụ tải trong khu vực, lưới điện Microgrid Sendai đã được nâng lên tầm

“siêu sao” bởi nó vẫn tiếp tục vận hành tốt và thực hiện xuất sắc nhiệm vụ cung cấp điện của mình trong suốt thời gian diễn ra trận động đất và sóng thần năm 2011 tại khu vực Sau một vài giờ bị gián đoạn cấp điện, lưới đã được khắc phục, các máy phát được tái khởi động và tiếp tục cung cấp điện và nhiệt liên tục, đầy đủ cho khu giảng dạy về y khoa của trường đại học Tohuku Fukushi tại khu vực lưới được xây dựng trong 2 ngày bị gián đoạn cấp điện từ lưới điện quốc gia

Trung tâm sản xuất điện năng bao gồm 2 máy phát điện chạy bằng khí ga công suất 350kW, 50kW pin quang điện mặt trời và hệ thống pin lưu trữ điện năng hiện đại nhất thời điểm lưới được xây dựng Một tính năng nổi bật khác của dự án này là nó có tới 6 cấp độ chất lượng điện năng có thể cung cấp dựa trên các cấu trúc mạch điện khác nhau Một trong số này là mạch điện một chiều cung cấp cho phòng điều khiển, trong đó có toàn bộ các thiết bị, bao gồm các hệ thống lưu trữ dữ liệu sử dụng điện 1 chiều DC để tránh nhiễu loạn trong việc truyền thông tin

1.5.4 Hartley Bay

Vịnh Hartley ở British Columbia, Canada là một khu làng ven bờ biển ở nơi hẻo lánh, không được cấp điện từ lưới điện quốc gia Cộng đồng dân cư ở đây khoảng 170 người, họ xây dựng và vận hành một lưới điện Microgrid thuộc kiểu

“rgrid” để cung cấp điện cho nhu cầu tiêu dùng dân cư của mình Với những sự tiến

bộ, đổi mới về khoa học công nghệ, cùng với sự nổi lên của lưới điện thông minh, các cộng đồng dân cư ở khu vực xa xôi, hẻo lánh như Vịnh Hartley có thể cải thiện việc quản lý năng lượng và từ đó tiết kiệm tiền cho đầu tư năng lượng

Lưới Microgrid Harley Bay dựa trên 3 máy phát diesel, trong đó 2 máy có công suất định mức là 420kW, một máy có công suất định mức 210kW để cung cấp cho 62 hộ dân và 20 tòa nhà thương mại

Khoảng những năm 2008 và 2009, lưới Microgrid Hartley Bay đã sử dụng mạng lưới đo lường nhằm tối ưu hóa hệ thống năng lượng được sử dụng trong lưới Các thiết bị đo thông minh được lắp đặt tại các làng, năng lượng sử dụng được đo trực tiếp theo thời gian thực và các cảm biến theo dõi nhiên liệu tiêu thụ chính xác được thiết lập, lắp đặt trên các máy phát sử dụng dầu diesel nhằm đánh giá hiệu suất của các máy phát

Do sự không hiệu quả của máy phát điện 210kW, một hệ thống phản ứng theo nhu cầu cung cấp điện đã được sử dụng để tiết kiệm tối đa lượng nhiên liệu được sử dụng bởi máy phát Hệ thống phản ứng theo nhu cầu cung cấp điện đã được phát triển trong các tòa nhà thương mại và được tích hợp khoảng 20 cảm biến nhiệt

và 12 bộ điều khiển tải P max của máy phát điện đã được giảm xuống chỉ còn 61,3kW, giảm khoảng 15% so với trước khi được lắp đặt hệ thống phản ứng theo nhu cầu cung cấp điện

Lưới Microgrid khi sử dụng công nghệ này ước tính đã tiết kiệm khoảng 77.000 lít dầu diesel mỗi năm Cộng đồng dân cư tại vịnh Hartley Bay đến nay vẫn tiếp tục cải thiện tình hình tiêu thụ năng lượng và áp dụng nhiều tiếp bộ khoa học ví

dụ như: chương trình sử dụng các nguồn phân tán trong tương lai có thể tiết kiệm khoảng 5% chi phí nhiên liệu dầu diesel hàng năm

1.5.5 New York University

Trường đại học New York University (NYU) là một trong những trường đại học lớn nhất của nước Mỹ, đã sản xuất điện phục vụ cho nhu cầu phụ tải của trường

từ những năm 1960 và xây dựng một nhà máy đồng phát nhiệt điện chạy bằng dầu vào năm 1980 Vào thời điểm cuối vòng đời sử dụng của nhà máy này, NYU đã thực hiện một sự chuyển đổi từ công nghệ đồng phát nhiệt điện chạy bằng dầu sang công nghệ đồng phát nhiệt điện chạy bằng khí ga (CHP), với tầm nhìn hướng đến việc xây dựng một lưới Microgrid nhằm cung cấp điện chất lượng tốt hơn, tin cậy hơn và có khả năng điều khiển tốt hơn

Hệ thống CHP có công suất phát khoảng 14MW và vận hành 100% công suất từ năm 2011 Nó cung cấp điện năng cho 22 tòa nhà và cung cấp nhiệt cho 37 tòa nhà trong khuôn viên của trường đại học Lưới Microgrid của trường NYU bao gồm 2 máy phát điện chạy bằng khí ga nhằm sản xuất điện và cung cấp nhiệt cho máy phát điện chạy bằng hơi nước với công suất 5,5MW và 2,4MW máy phát điện chạy bằng hơi nước Lưới Microgrid NYU được kết nối với lưới điện phân phối Con Edison và chi trả tiền điện khi nhu cầu phụ tải lớn hơn khả năng cung cấp của lưới Microgrid

Đến nay, NYU có thể vận hành độc lập với lưới điện phân phối quốc gia Điều này đã được kiểm tra và thử nghiệm thành công trong cơn bão Hurriance khi lưới Microgrid NYU tách biệt khỏi lưới điện phân phối quốc gia và cung cấp điện tin cậy cho phần lớn phụ tải nằm trong khuôn viên của trường

Sự hiện đại hóa của nhà máy đã thể hiện các kết quả ấn tượng cả về kinh tế, môi trường và đã chứng minh lợi ích của nó NYU đã đánh giá tổng chi phí năng lượng tiết kiệm được khoảng 5 đến 8 triệu đô la mỗi năm

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Lưới Microgrid đã và đang được xây dựng và vận hành ở nhiều nơi trên thế giới để cung cấp cho các hộ tiêu thụ xa xôi không có điều kiện để nhận điện từ lưới điện quốc gia, đồng thời tận dụng được các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng sạch trong tự nhiên Cơ cấu nguồn và phụ tải tại các dự án lưới này được xây dựng khá đa dạng, có thể vận hành độc lập hoặc vận hành nối lưới quốc gia

Tuy nhiên công cụ tính toán trào lưu công suất dành cho loại lưới này vận hành độc lập còn rất ít Việc đi sâu nghiên cứu lý thuyết về tính toán trào lưu công suất trong Microgrid vận hành độc lập không có nút Slack_bus và có xét đến sự phụ thuộc của nguồn phát, phụ tải vào tần số và điện áp, thiết lập bài toán tính toán trên máy tính là mong muốn của tác giả để có thể đưa ra kết quả trùng khớp so với thực

tế vận hành của lưới, khắc phục các nhược điểm của các phương pháp tính toán truyền thống

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TRÀO LƯU CÔNG SUẤT TRONG MICROGRID VẬN HÀNH ĐỘC LẬP CÓ XÉT TỚI SỰ PHỤ THUỘC CỦA NGUỒN PHÁT, PHỤ TẢI VÀO TẦN SỐ VÀ

ĐIỆN ÁP

2.1 Giới thiệu chung

Với việc phát triển ngày càng mạnh mẽ các nguồn điện phân tán (DG) và hình thành các lưới điện quy mô nhỏ (Microgrid) khai thác các nguồn năng lượng tái tạo (thuỷ điện nhỏ, năng lượng mặt trời, năng lượng gió, biomass, địa nhiệt ) cung cấp điện tại chỗ cho một phạm vi địa lý nhất định, việc tính toán chế độ vận hành của lưới điện Microgrid là cần thiết và là cơ sở cho các bước phân tích, tính toán tiếp theo để có thể bảo vệ, vận hành lưới điện Microgrid một cách hiệu quả, an toàn hơn

Hình 2.1 Sơ đồ một lưới Microgrid

Đặc trưng tiêu biểu của lưới Microgrid là nó có thể vận hành cả ở chế độ nối lưới (lưới điện quốc gia hay còn gọi là main_grid) hoặc độc lập (Hình 2.1) Thông thường, khi một Microgrid được vận hành nối lưới, các nguồn phát trong Microgrid

sẽ vận hành như các nguồn năng lượng không đổi, nghĩa là chúng được điều khiển

để cung cấp lượng điện năng được yêu cầu vào lưới điện quốc gia Trong chế độ vận hành độc lập, các nguồn phát này được điều khiển vận hành nhằm cung cấp toàn bộ nhu cầu điện năng theo biểu đồ phụ tải trong khu vực lưới Microgrid mà vẫn duy trì điện áp và tần số trong khoảng dao động cho phép so với tiêu chuẩn Tác

giả nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán chế độ lưới điện Microgrid 3 pha cân bằng và 3 pha không cân bằng có xem xét tới sự phụ thuộc của nguồn phát và phụ tải vào tần số lưới điện trong chế độ vận hành độc lập

Theo phương pháp tính toán truyền thống, thường cần sử dụng nút Slack_bus

là nút được coi là có khả năng cung cấp điện năng tùy ý, còn gọi là nút cân bằng của

hệ thống Phương pháp này đặc biệt hữu dụng với việc tính toán cho lưới điện phân phối, có một nguồn cung cấp từ thanh cái trạm biến áp trung gian và cũng được ứng dụng cho tính toán trào lưu công suất trong lưới điện cao áp với một hoặc một vài nhà máy có công suất rất lớn, đủ khả năng đóng vai trò là nút Slack_bus, và thường được ứng dụng mà không tính tới sự phụ thuộc của phụ tải và nguồn phát vào tần

số Tuy nhiên, phương pháp truyền thống này lại không thích hợp cho lưới điện Microgrid, lưới điện có nhiều nguồn phát với công suất nhỏ tương đương nhau, giới hạn thay đổi công suất của các máy phát là nhỏ, không phải tùy ý và mối liên hệ với tần số của phụ tải cũng như các máy phát là rất mật thiết

Kết quả tính toán chính xác dòng công suất 3 pha cân bằng và không cân bằng trong lưới Microgrid vận hành độc lập là cơ sở quan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo về các vấn đề độ tin cậy, an toàn vận hành và hiệu quả kinh tế của lưới điện Microgrid

Phương pháp tính toán giải bài toán này đã được đề cập trong các bài báo [1], [2] vào năm 2009 và 2013 Các tác giả trong [1] đã giới thiệu mô hình toán tính toán cho lưới điện vận hành độc lập 3 pha cân bằng không sử dụng nút Slack_bus, tuy nhiên, mô hình phụ tải các tác giả sử dụng mới chỉ mô phỏng sự phụ thuộc vào điện áp

Các tác giả trong [2] đã giới thiệu mô hình toán tính toán cho lưới điện Microgrid vận hành độc lập 3 pha không cân bằng, không sử dụng nút Slack_bus và

sử dụng mô hình tải, máy phát phụ thuộc điện áp và tần số Cách xây dựng mô hình tính toán trào lưu công suất cho Microgrid vận hành độc lập có tính đến:

- Tần số hệ thống đóng vai trò như một biến trung gian liên kết giữa các tổ máy phát trong Microgrid;

- Tần số trạng thái ổn định của hệ thống không được xác định trước và cần phải tính toán;

- Không có nút Slack_bus trong hệ thống;

- Có thể điều khiển phát công suất tác dụng và phản kháng từ các tổ máy phát theo các đặc tính Droop

Trong đề tài này, chúng tôi tìm hiểu, nắm bắt bài toán tính toán và trình bày một ứng dụng mô hình toán tính toán cho lưới điện 3 pha cân bằng và 3 pha không cân bằng với mô hình phụ tải tiêu thụ và nguồn phát phụ thuộc điện áp và tần số, các phương trình được sử dụng đơn giản và trực quan hơn so với trong [1]

2.2 Mô hình mô phỏng lưới điện 3 pha cân bằng trong Microgrids vận hành độc lập

2.2.1 Mô hình phụ tải tiêu thụ

Trong đề tài này, chúng tôi đề cập tới mô hình tĩnh của phụ tải tiêu thụ trong lưới điện Microgrid Theo mô hình sử dụng trong phương pháp tính toán truyền thống, phụ tải tiêu thụ với công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q được đơn giản hóa, xem như là các giá trị cố định được đặt trước Mô hình này không phản ánh được các đặc tính, hành vi của phụ tải trong thực tế vận hành, đó là sự biến đổi P và Q của phụ tải theo sự thay đổi của điện áp và tần số hệ thống

Để mô phỏng được sự phụ thuộc vào điện áp của đặc tính phụ tải, một mô hình tải tĩnh 3 pha được giới thiệu trong [2] như sau:

PLi= P0i|Vi|α (2.1)

QLi= Q0i|Vi|β (2.2) Trong đó P0i và Q0ilà công suất tác dụng và phản kháng của phụ tải mà thực

tế ta mong muốn; α và β là các hệ số phụ tải công suất tác dụng và hệ số phụ tải

công suất phản kháng Khi công suất không đổi, mô hình dòng và trở kháng không đổi, các hệ số này bằng không Với các phụ tải khu vực dân cư, công nghiệp và

thương mại, các hệ số α và β được cho trong các bảng sau [16]:

Bảng 2.1 Hệ số phụ tải dân cư

Bảng 2.2 Hệ số phụ tải thương mại

Bảng 2.3 Hệ số phụ tải công nghiệp

là các hệ số phụ tải công suất phản kháng Các hệ số này tùy thuộc vào tính chất của tải và được cho trong bảng sau:

Bảng 2.4 Thông số đặc tính của các loại tải tĩnh

Loại phụ tải Các thông số của đặc tính tải tĩnh

2.2.2 Mô hình máy phát (DG)

Trong vận hành lưới điện Microgrid với số lượng lớn các DG, việc điều khiển số lượng lớn các máy phát từ một trung tâm điều khiển (điều khiển tập trung)

sẽ gặp khó khăn, tốn kém cho việc đầu tư cơ sở hạ tầng và thậm chí là kém tin cậy,

do những sai lệch trong điều khiển các DG ở xa Để khắc phục những hạn chế này,

cơ chế điều khiển phân tán (sử dụng điều khiển Droop) đã được đề xuất trong [23] Điều khiển Droop dựa trên giá trị các thông số đo được tại các khu vực đặt DG

[20]-để phân chia công suất phát giữa các máy phát được hợp lý và [20]-để điều khiển điện áp

và tần số của lưới điện

Khi tính toán trào lưu công suất theo phương pháp truyền thống, các DG thường được coi như là các nút PV/PQ với giả định rằng công suất tác dụng được phát và/hoặc điện áp cục bộ tại các DG được định trước Tuy nhiên, cách mô phỏng này không phản ánh thực tế của vận hành Microgrid dựa trên điều khiển Droop, khi

đó cả công suất tác dụng và điện áp cục bộ tại mỗi DG được xác định cục bộ dựa

trên các đặc tính điều khiển Droop

Hình 2.2 Mô hình điều khiển máy phát DG vận hành theo chế độ Droop [2]

Trong các Microgrid nối lưới, do quy mô công suất nhỏ nên các DG được điều khiển như các nút PV hay PQ Ngược lại, với các Microgrid vận hành độc lập, các DG được điều khiển vận hành để chia sẻ nhu cầu công suất phụ tải hợp lý và để điều khiển biên độ điện áp và tần số trong lưới Microgrid Do không có Slack_bus,

ta không thể vận hành lưới Microgrid độc lập bằng cách cho tất cả các DG vận hành

ở chế độ PV hay PQ được

Theo đó, với các Microgrid vận hành độc lập, các DG có thể vận hành ở ba chế độ như PV, PQ và Droop Với chế độ PV, các DG được định trước công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q cần thiết để đạt được giá trị điện áp nhất định tại nút gắn với DG Mỗi DG sẽ có một giới hạn công suất phản kháng Q nhất định Giá trị công suất phản kháng của mỗi DG tính được sẽ được so sánh với các giới hạn dưới và trên Nếu công suất phản kháng tính toán vi phạm giới hạn, DG chuyển từ chế độ PV sang PQ và công suất phản kháng được giữ ở trong giới hạn cho phép Khi DG vận hành ở chế độ PQ, công suất phát phản kháng và tác dụng của các DG

là các đại lượng được định trước

Trong chế độ vận hành Droop, công suất tác dụng và phản kháng 3 pha của các máy phát được mô tả theo mô hình nút Droop, như sau:

Trong đó hệ số KGi và Kdi là hệ số điều khiển công suất tác dụng và phản kháng của vòng Droop tại mỗi DG thứ i; V0i và f0i là các giá trị điện áp và tần số danh định tại mỗi DG thứ i

Thông thường, các KGi và Kdi thường được xác định theo công thức sau:

DG thứ i, PGimax và QGimax công suất tác dụng và công suất phản kháng lớn nhất có

thể phát của DG thứ i Lựa chọn giá trị lớn nhất và nhỏ nhất có thể của tần số và

biên độ điện áp phụ thuộc vào luật điện áp và tần số [22]

Trong trường hợp các DG có công suất danh định khác nhau, để đạt được mức chia sẻ phù hợp giữa các DG, hệ số của vòng điều khiển Droop tại mỗi điểm kết nối PCC của các DG được xác định như sau:

Dr ,max (2.12) Với nDr là số DG vận hành theo chế độ điều khiển Droop

Với mỗi nút i, công suất ba pha bơm vào hệ thống được tính như sau:

Với İi,in là vector liên hợp phức của dòng điện 3 pha bơm vào hệ thống từ nút i Dòng điện này là tổng của tất cả các dòng nhánh nối với nút i, được tính theo công thức sau:

İi,in = ∑ İnbr i

=1 i

Gọi Pi và Qi là công suất thực và công suất phản kháng ba pha bơm vào hệ thống từ nút i Thay thế (2.14) và (2.17) vào (2.16), triển khai tính toán ta nhận được công suất tác dụng và phản kháng tính toán 3 pha theo công thức sau:

Tương ứng với mỗi nút PQ, ta có hệ 2 phương trình cân bằng công suất:

{PQGi,spec= PLi(f,|Vi|) + Pi(f,|Vi|,|V|,δi,δ) (2.22)Gi,spec= QLi(f,|V

i |) + Qi(f,|V

i |,|V |,δi,δ ) (2.23) trong đó PGi,spec và QGi,spec là công suất phản kháng và công suất tác dụng được phát

cố định tại nút Các biến tương ứng với nút PQ thứ gồm:

Véc tơ biến tương ứng với tất cả các nút PQ được biểu diễn như sau:

trong đó nPQ là tổng số nút PQ trong hệ thống

Tương ứng với mỗi nút PV, ta có phương trình cân bằng công suất:

PGi,spec=PLi(f,|Vi,spec|) + Pi(f,|Vi,spec|,|V|,δi,δ) (2.26) trong đó |Vi|=|Vi,spec| là giá trị điện áp cố định được đặt trước Các biến tương ứng với nút PV thứ gồm:

i |) là công suất phản kháng và công suất tác dụng phụ thuộc vào tần số và điện áp được tính toán theo công thức (2.7) và (2.8) tại nút i Các biến tương ứng với nút Droop thứ gồm:

2.3 Mô hình mô phỏng lưới điện 3 pha không cân bằng trong Microgrid vận hành độc lập

Trong tính toán dòng công suất 3 pha không cân bằng, mô hình phụ tải và

mô hình các máy phát DG được lấy tương tự như trong tính toán dòng công suất 3 pha cân bằng Mô hình đường dây và các phương trình tính toán dòng công suất sẽ được xây dựng mới để phù hợp với trạng thái 3 pha không cân bằng của lưới điện Microgrid

2.3.1 Mô hình đường dây

Trong các Microgrid vận hành độc lập, tần số hệ thống là một biến của dòng công suất Do đó, sự tác động của nó cần được tính đến trong mô hình điện kháng đường dây Mô hình đường dây 3 pha 4 dây có tính đến sự phụ thuộc của điện kháng đường dây vào tần số được trình bày trong [18] Phương trình Carson được

sử dụng cho hệ thống đường dây 3 pha 4 dây Với lưới điện nối đất tốt, giả sử điện kháng giữa cực trung tính và đất bằng không

Trong tất cả các ứng dụng tính toán, ma trận trở kháng ban đầu của đường dây 3 pha 4 dây giữa hai nút i và j có tính đến sự phụ thuộc vào tần số cần được chuyển về ma trận trở kháng có kích cỡ 3x3 Trong đó các phần tử của ma trận là các trở kháng tự nó tại nút i, j và trở kháng đường dây giữa nút i và nút j của từng pha Hình 2.3 mô phỏng đoạn đường dây 3 pha 4 dây có trung tính nối đất

Hình 2.3 Mô hình đoạn đường dây 3 pha 4 dây có trung tính nối đất giữa hai nút i

và j

Từ hình 2.3, áp dụng luật Kirchhoff cho mạch điện giữa hai nút i và j ta có:

V̇i agV̇ibgV̇icgV̇ing]

=[

V̇agV̇bgV̇cgV̇ng]

+[

i aa

i ba

i ab

i bb

i

ac

i an

i

bc

i bn

İi aİi bİi cİi n]

trong đó các trở kháng thành phần i mm và i ml (m và l là các pha a, b, c, n) được tính

theo công thức sau:

rm là điện trở đơn vị của dây dẫn m, đơn vị /mile

GMRm là bán kính trung bình hình học của dây dẫn m, đơn vị /mile

Dml là khoảng cách giữa dây dẫn m và dây dẫn l, đơn vị feed

Phương trình (2.35) còn có thể được biểu diễn theo dạng sau:

[V̇i a,b,cV̇ing ] = [V̇

a,b,cV̇ng ] + [ i ml i mn

Với giả thiết trung tính nối đất tốt, giá trị các điện áp V̇ing và V̇ng bằng không Thay thế những giá trị này vào phương trình (2.38) và mở rộng ta được các phương trình sau:

[V̇ia,b,c] = [V̇a,b,c] +[ i ml] [İi a,b,c] +[ i mn] [İi n] (2.39) [0]=[0]+[ i nm] [İi a,b,c] +[ i nn] [İi n] (2.40)

Từ phương trình (2.40) ta tính được [İi n]:

[İi n]=-[ i nn]-1 [ i nm] [İi a,b,c] (2.41) Thay thế [İi n] tính theo phương trình (2.41) vào phương trình (2.39) ta được:

[V̇ia,b,c] = [V̇a,b,c] + ([ i ml] [ i mn] [ i nn] 1 [ i nm]) [İi a,b,c]

, [İi a,b,c] =

[

İi aİi bİi c]

Từ (2.45) các dòng điện mỗi pha có thể tính được:

[Ṡia,b,c] = [V̇ia,b,c] [İi,in a,b,c]con (2.49)

Trong đó [İi,in a,b,c]con là véc tơ liên hợp của dòng điện liên hợp phức của từng

pha được bơm vào lưới tại nút i Dòng điện này có thể được tính bằng tổng tất cả các dòng nhánh được nối với nút i:

İi,in a,b,c= ∑ İnbr i a,b,c

=1 i

(2.50)

Gọi Pia,b,c và Qia,b,c là công suất tác dụng và công suất phản kháng của từng

pha bơm vào hệ thống tại nút i Thay thế phương trình (2.47) và (2.50) vào (2.49), công suất tác dụng và công suất phản kháng tại nút i cho pha a, Pia và Qia được tính như sau:

Pia= ∑ ∑ [|Via| |Yi a(ph)-n| |Vi(ph)|cos(θi a(ph)+δi(ph)-δia)

-|Via| |Yi a(ph)-n| |V(ph)|cos(θi a(ph)+δ(ph)-δia)]ph=a,b,c

nbr =1 i

Qia= ∑ ∑ [|Via| |Yi a(ph)-n| |V(ph)|sin(θi a(ph)+δi(ph)-δia)

-|Via| |Yi a(ph)-n| |Vi(ph)|sin(θi a(ph)+δi(ph)-δia)]ph=a,b,c

nbr =1 i

trong đó: θi a(ph) là góc pha của tổng dẫn tương hỗ Yi a(ph)-n giữa hai pha của đường

dây nối giữa nút i và j; δi(ph) là góc điện áp của từng pha ở nút i

Công thức tính công suất tác dụng và công suất phản kháng cho các pha b và

c được dễ dàng suy ra từ hai phương trình (2.51) và (2.52) ở trên

Hệ thống phương trình mô tả dòng công suất trong lưới Microgrid vận hành

độc lập được hình thành từ n phương trình với n biến cần được tính toán Góc pha

điện áp tại nút 1 được coi như biến tham chiếu của hệ thống, coi δia=0 Số lượng phương trình mô tả mỗi nút trong hệ thống phụ thuộc vào từng loại nút (nút PQ, PV hay nút Droop)

Với mỗi nút PQ có 6 phương trình mô tả, các phương trình mô tả cho nút PQ

thứ i được cho như sau:

{PGi,spec

a,b,c = PLia,b,c(ω,|Via,b,c|) + Pia,b,c(ω,|Via,b,c|,|Va,b,c|,δia,b,c,δa,b,c) (2.53)

QGi,speca,b,c = QLia,b,c(ω,|Via,b,c|) + Qia,b,c(ω,|Via,b,c|,|Va,b,c|,δia,b,c,δa,b,c) (2.54)trong đó PGi,speca,b,c và QGi,speca,b,c là công suất tác dụng và phản kháng phát ở mỗi pha

được định trước của máy phát đặt tại nút i Các biến tương ứng cần tìm với nút PQ thứ i gồm:

Các biến tương ứng cần tìm cho tất cả nPQ nút PQ gồm:

Với mỗi nút PV tương ứng có 3 phương trình mô tả Các phương trình mô tả

cho nút PV thứ i được cho như sau:

PGi,speca,b,c -PLia,b,c(ω,|Vi,speca,b,c |)=Pia,b,c(ω,|Vi,speca,b,c |,|Va,b,c|, δia,b,c,δa,b,c) (2.57) trong đó |Via,b,c|=|Vi,speca,b,c | là giá trị điện áp cố định được đặt trước của các pha tại nút

i Các biến tương ứng cần tìm với nút PV thứ i gồm:

Các biến tương ứng cần tìm cho tất cả nPV nút PV gồm:

Với mỗi nút Droop có 12 phương trình mô tả, các phương trình mô tả cho

nút Droop thứ i được cho như sau: