Xác định dung lượng tối ưu của thiết bị lưu trữ điện năng cho hệ thống cô lập có nguồn năng lượng mới

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
__________________________________________________

ĐINH XUÂN THẮNG

XÁC ĐỊNH DUNG LƯỢNG TỐI ƯU CỦA THIẾT BỊ
LƯU TRỮ ĐIỆN NĂNG CHO HỆ THỐNG CÔ LẬP
CÓ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MỚI

CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TIỄN SỸ: ĐINH QUANG HUY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TIẾN SỸ: NGUYỄN ĐỨC HUY

HÀ NỘI–NĂM 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan:
Những kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn là hoàn toàn
trung thực của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và
pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật.
Tác giả luận văn

Đinh Xuân Thắng

1


MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN

1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

4

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

6

CHƯƠNG I

7

TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ

7

1.1.

Đặt vấn đề

7

1.2.

Tình hình sử dụng năng lượng gió

8

1.3.

Mục tiêu của luận văn

12

CHƯƠNG 2

14

HỆ THỐNG ĐIỆN KẾT HỢP GIÓ - DIESEL

14

2.1. Lưới điện quy mô nhỏ
2.1.1. Hệ thống phân phối
2.1.2. Tích hợp điện gió

2.1.3. Hệ thống điện kết hợp gió - diesel

14
16
17
18

2.2. Các ràng buộc đối với vận hành hệ thống hỗn hợp gió - diesel
2.2.1. Cân bằng công suất tác dụng, dự phòng nóng
2.2.2. Công suất phản kháng, đặc tính công suất phát của diesel
2.2.3. Quan điểm về dự phòng nóng

19
19
21
23

2.3. Các chế độ vận hành
2.3.1. Chế độ xác lập
2.3.2. Chế độ quá độ

24
24
25

2.4.

Các giải pháp phụ trợ nâng cao ổn định hệ thống hỗn hợp diesel-gió
26
2.4.1. Thiết bị phụ trợ nâng cao ổn định

26
2.4.2. Máy phát diesel tải thấp
27
2.4.3. Thiết bị phụ trợ tích trữ năng lượng (kho điện)
28

CHƯƠNG 3

30

THIẾT LẬP MÔ HÌNH

30

3.1.

Ứng dụng phương pháp tối ưu hóa ngẫu nhiên trong hệ thống điện 30
2


3.2. Mô tả bài toán
3.2.1. Hệ thống điện gió - diesel
3.2.2. Đặc tính Gió và Tải

32
33
34

3.3. Thiết lập bài toán
3.3.1. Hàm mục tiêu

3.3.2. Các ràng buộc
3.3.3. Quy mô bài toán

37
37
38
40

CHƯƠNG 4

41

CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

41

4.1.

Thông số chung

41

4.2. Đánh giá chỉ tiêu kinh tế khi thay đổi số lượng máy phát diesel vận
hành thường trực
43
4.3. Đánh giá chỉ tiêu kinh tế khi thay đổi tốc độ tăng trưởng phụ tải hàng
năm 46
4.4.

Đánh giá chỉ tiêu kinh tế khi thay đổi giá bán điện

48

4.5.

Đánh giá chỉ tiêu kinh tế khi chi phí phát điện diesel thay đổi

51

4.6.

Đánh giá chỉ tiêu kinh tế khi thay đổi mức dự phòng nóng

53

4.7.

Đánh giá chỉ tiêu kinh tế khi thay đổi giá kho điện

56

4.8.

Đánh giá chỉ tiêu kinh tế khi thay đổi giá bộ biến đổi công suất

58

CHƯƠNG 5

61

MỘT SỐ KẾT LUẬN

61

TÀI LIỆU THAM KHẢO

63

PHỤ LỤC

64

3


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
GDP
USD
DER
CSPK
SCADA
NPV
ESS

Tổng sản phẩm quốc gia.
Đô la mỹ.
Nguồn năng lượng phân tán (Distributed Energy resources)
Công suất phản kháng.
Hệ thống điều khiển, giám sát, thu thập dữ liệu .

(Supervisory Control And Data Acquisition).
Giá trị hiện tại thuần (Net present value)
Thiết bị lưu trữ năng lượng (Energy Storage System)

4


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1: Thông số phụ tải theo thời gian trong ngày

41

Bảng 4.2: Phân bố xác suất tốc độ gió và công suất tuabin [2]

42

Bảng 4.3: Kết quả tính toán khi thay đổ số lượng máy phát diesel vận hành
thường trực
44
Bảng 4.4 Kết quả tính toán khi thay đổi mức độ tăng trưởng phụ tải hàng năm
46
Bảng 4.5: Kết quả tính toán khi thay đổi giá bán điện

49

Bảng 4.6: Kết quả tinh toán khi thay đổi chi phí phát điện diesel

51

Bảng 4.7: Kết quả tính toán khi thay đổi mức dự phòng nóng

54

Bảng 4.8: Kết quả tính toán khi thay đổi giá thành thiết bị lưu trữ

56

Bảng 4.9: Kết quả tính toán khi thay đổi giá thành bộ biến đổi công suất

59

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mức tăng trưởng điện gió theo năm
9
Hình 2.1: Hệ thống lưới điện quy mô nhỏ [3]
14
Hình 2.2: Đáp ứng tần số của hệ thống gió – diesel [2]
20
Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển tần số của V80 [2]
21
Hình 2.4: Đặc tính công suất làm việc cho phép của máy diesel.
22
Hình 3.1: Lưu đồ tính toán hệ thống kho điện cho hệ thống hỗn hợp [4]
32
Hình 3.2: Sơ đồ tổng quát của một hệ thống năng lượng gió-diesel cô lập có
sử dụng thiết bị lưu trữ.
33

Hình 4.1: Đồ thị phụ tải
42
Hình 4.2: Biểu đồ NPV theo số lượng máy phát diesel vận hành thường trực
44
Hình 4.3: Biểu đồ dung lượng thiết bị lưu trữ theo số lượng diesel vận hành
thường trực
45
Hình 4.5: Biểu đồ NPV theo tỷ lệ tăng trưởng của phụ tải hàng năm
47
Hình 4.6: Dung lượng thiết bị lưu trữ theo mức độ tăng trưởng phụ tải hàng
năm
47
Hình 4.8: Biểu đồ NPV theo giá bán điện
49
Hình 4.9: Dung lượng thiết bị lưu trữ theo giá bán điện
50
Hình 4.10: Công suất bộ biến đổi theo giá bán điện
50
Hình 4.11: Biểu đồ NPV theo chi phí phát điện diesel
52
Hình 4.12: Dung lượng thiết bị lưu trữ theo chi phí phát điện diesel
52
Hình 4.13: Công suất bộ biến đổi theo chi phí phát điện diesel
53
Hình 4.14: Biểu đồ NPV theo mức dự phòng nóng
54
Hình 4.15: Dung lượng thiết bị lưu trữ theo mức dự phòng nóng
55
Hình 4.16: Công suất bộ biến đổi theo mức dự phòng nóng
55

Hình 4.17: Biểu đồ NPV theo giá thành thiết bị lưu trữ
57
Hình 4.18: Dung lượng kho điện theo giá thành thiết bị lưu trữ
57
Hình 4.19: Công suất bộ biến đổi theo giá thành thiết bị lưu trữ
58
Hình 4.20: Biểu đồ NPV theo giá thành bộ biến đổi công suất
59
Hình 4.21: Dung lượng kho điện theo giá thành bộ biến đổi công suất
60
Hình 4.22: Công suất bộ biến đổi theo giá thành bộ biến đổi công suất
60

6


CHƯƠNG I
TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ
1.1. Đặt vấn đề
Thế kỷ 20 đã trải qua với bao tiến bộ vượt bậc của loài người. Một thế kỷ
trong đó con người đã làm nên những điều kỳ diệu, phát minh ra vô vàn
những công cụ máy móc giúp nâng cao năng suất lao động, giúp đáp ứng
những nhu cầu không ngừng của con người. Nhưng bên cạnh sự phát triển và
tiến bộ đó thì con người cũng phải đối mặt với những mặt trái của sự phát
triển không bền vững của kinh tế thế giới. Môi trường bị hủy hoại, tài nguyên
thiên nhiên cạn kiệt, áp lực công việc ngày càng lớn với mỗi người và hàng
loạt những mặt trái khác. Trong thế kỷ 21 con người phải đối diện với một
loạt các thách thức mang tính toàn cầu. Các thách thức lớn có thể kể đến bao
gôm cạn kiệt năng lượng truyền thống, môi trường sống bị hủy hoại, bùng nổ
dân số, chiến tranh, y tế, v.v. Trong đó vấn đề năng lượng vẫn là vấn đề được

xem là quan trọng nhất và cấp thất nhiết trong thế kỷ 21. Năng lượng hóa
thạch ngày càng cạn kiệt, tranh chấp lãnh thổ, tạo ảnh hưởng để duy trì nguồn
cung cấp năng lượng là những mối họa tiềm ẩn nguy cơ xung đột. Năng lượng
hóa thạch không đủ cung cấp cho cỗ máy kinh tế thế giới đang ngày càng
phình to làm kinh tế trì trệ dẫn đến những cuộc khủng hoảng và suy thoái kinh
tế. Bất ổn chính trị rất có thể sẽ xảy ra tại nhiều nơi trên thế giới. Bên cạnh đó
việc sử dụng quá nhiều năng lượng hóa thạch khiến một loạt các vấn đề về
môi trường nảy sinh. Trái đất có thể ấm lên, đất canh tác bị thu hẹp, môi
trường bị thay đổi, dịch bệnh xuất hiện khó lường và khó kiểm soát hơn, thiên
tai ngày càng mạnh hơn khó lường hơn, mùa màng thất thu ảnh hưởng đến
vấn đề lương thực. Tất cả những điều đó tiềm ẩn một thế giới hỗn độn, tranh
chấp, không kiểm soát.

7


Từ những điều trên, để duy trì một thế giới ổn định, không cách nào khác
là phải tìm ra những nguồn năng lượng tái sinh thay thế cho nguồn năng
lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt.
Hàng loạt các năng lượng mới hứa hẹn trong thế kỷ 21 này như: năng
lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt, năng lượng sinh khối và
những nguồn năng lượng khác. Bằng những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật
và xu hướng tất yếu của thế giới, các năng lượng tái sinh đang được nghiên
cứu và sử dụng ngày càng nhiều. Năng lượng gió là một trong những nguồn
năng lượng tái sinh quan trọng nhất đang và sẽ đóng góp ngày càng lớn vào
sản lượng năng lượng của thế giới.
1.2. Tình hình sử dụng năng lượng gió
Hình dưới đây thể hiện công suất sản xuất từ điện gió trên thế giới trong
khoảng thời gian từ 1996 đến 2008 [1]. Tổng lượng công suất sản xuất trên
thế giới vào năm 2009 là 159.2 GW, với 340 TWh năng lượng, xác nhận mức

tăng trưởng 31% mỗi năm, một con số khá lớn giữa lúc nền kinh tế toàn cầu
đang gặp nhiều khó khăn. Theo thống kê trên thế giới, Đức, Tây Ban Nha,
Hoa Kỳ, Đan Mạch và Ấn Độ là những quốc gia sử dụng năng lượng gió
nhiều nhất trên thế giới. Chẳng hạn vào năm 2009, điện gió chiếm 8% tổng số
điện sử dụng tại Đức; trong khi đó con số này lên đến 14% ở Ai len và 11%
tại Tây Ban Nha. Hoa Kỳ sản xuất nhiều điện gió nhất thế giới với công suất
nhảy vọt từ 6 GW vào năm 2004 lên đến 35 GW vào 2009 và điện gió chiếm
2.4% tộng số điện tiêu dùng. Trung Quốc và Ấn Độ cũng phát triễn nhanh về
nguồn năng lượng sạch này với 22.5 GW (Trung Quốc, 2009) và 10.9 25 GW
(Ấn Độ, 2009).

8


Hình 1.1: Mức
M tăng trưởng điệnn gió theo năm
Sau khi cảii cách mở
m cửa, nền kinh tế Việt Nam đãã có nh
những bước chuyển
biến tích cực, cơ cấu
u kinh tế
t cũng có những thay đổii cơ bbản từ nông nghiệp
sang công nghiệp
p hiện
hi đại hóa. Nền kinh tế phát triểnn vvới tốc độ nhanh
khoảng 7% trong nhữ
ững năm gần đây; điều đó dẫn đếnn nhu ccầu về năng lượng
của nền kinh tế tăng nhanh với
v trung bình 12%-13% gầnn ggấp đôi so với tăng
trưởng GDP. Để có thể

th đảm bảo việc cung cấp năng lượng
ng cho nhu ccầu của
nền kinh tế đòi hỏii chúng ta phải
ph dự báo được nhu cầuu năng lư
lượng trong
tương lai để hoạch
ch định
đ
được một chính sách phát triểnn phù hhợp đủ sức đảm
đương trọng trách nặặng nề của nhu cầu năng lượng đất nướ
ớc.
Xét trên nhiều
ều khía cạnh việc phát triển năng lượng
l ợng gió llà một công việc
đúng đắn và hợp
ợp lý. Nó giải quyết nhanh chóng vấn đề năng llượng trong thời
gian ngắn và vềề lâu dài
d nó cũng
ũng đóng góp không nhỏ cho nguồn năng llượng
quốc gia nhất là ở Việt Nam với tiềm năng về năng lượng
l ợng gió tương đối lớn.
Mặc dù năng lượng
ợng gió có chi phí đầu tư
t ngày càng rẻ,
ẻ, vvà nên là một giải
pháp năng lượng
ợng bền vững cho các quốc gia và
v khu vực,
ực, việc vận hhành các hệ

9


thống có tích hợp năng lượng gió cũng đặt ra các thách thức không nhỏ về
mặt kỹ thuật. Điện gió là nguồn năng lượng bất định, vì vậy không thể sử
dụng năng lượng gió để thay thế hoàn toàn các nguồn năng lượng truyền
thống. Các quốc gia trên thế giới có thời gian phát triển điện gió đều nhận
thấy rằng, khi lượng công suất phát từ các nhà máy điện gió tăng cao, hệ
thống điện cần phải tăng cường mức độ dự trữ công suất tác dụng, nhằm đáp
ứng với những thay đổi bất định của điện gió. Việc này cũng làm tác động
không nhỏ đến chi phí vận hành của hệ thống.
Hệ thống điện vận hành với tỉ trọng lớn các trang trại gió cũng đặt ra
những thách thức không nhỏ về ổn định và độ tin cậy. Các thế hệ máy phát
điện gió đầu tiên có khả năng chịu đựng sự cố ngắn hạn kém, và thường được
cắt ra. Vì vậy, các sự cố ngắn mạch gây ra sụt áp trên hệ thống thường kéo
theo việc cắt một lượng lớn công suất phát từ điện gió. Hiện nay, công nghệ
của các nhà máy điện gió đã được cải tiến, cho phép các trang trại điện gió
chịu được các sự cố sụt áp ngắn hạn tốt hơn. Vì vậy các nhà máy điện gió có
thể duy trì kết nối với lưới trong quá trình sự cố, làm nâng cao độ tin cậy vận
hành. Các quốc gia trên thế giới cũng đã và đang đề xuất các quy định liên
quan đến khả năng bám lưới của nhà máy điện gió khi có các sụt áp ngắn hạn.
Bên cạnh khả năng bám lưới khi có sự cố, các nhà máy điện gió cũng có
tác động nhất định đến mức độ ổn định tần số của hệ thống. Với hệ thống điện
truyền thống sử dụng các máy phát điện đồng bộ, quán tính của các máy phát
này góp phần nâng cao ổn định tần số của hệ thống. Khi có nhiều máy phát
đồng bộ nối với lưới điện, khả năng ổn định tần số của hệ thống sẽ được cải
thiện. Đối với các máy phát điện gió, do công nghệ phát điện dựa trên các
thiết bị điện tử công suất có thời gian đáp ứng nhanh, quán tính của các máy
phát gần như không tham gia vào quá trình động học của tần số hệ thống điện.
Vì vậy, mức độ dao động tần số của các hệ thống có kết nối điện gió thường

10


kém ổn định hơn. Hiện nay, các quốc gia trên thế giới có mức độ thâm nhập
cao của điện gió đã và đang đưa ra các giải pháp cho bài toán kỹ thuật này.
Giải pháp kỹ thuật chủ yếu là yêu cầu các nhà máy điện gió giả lập đáp ứng
quán tính, hoặc tham gia vào quá trình điều khiển tần số cấp I [2].
Đối với các hệ thống điện cô lập, như hệ thống điện trên các hải đảo, việc
vận hành hệ thống hỗn hợp giữa các máy phát điện gió và máy phát đồng bộ
càng đặt ra những thách thức lớn hơn. Mức độ ổn định tần số của các hệ
thống cô lập thường rất yếu, do số lượng máy phát ít, công suất nhỏ. Vì vậy
khi vận hành kết hợp với các máy điện gió sẽ làm ảnh hưởng rõ rệt đến mức
độ ổn định tần số. Nhằm tăng cường tính ổn định, cần duy trì một số lượng tối
thiểu các máy phát đồng bộ tại mọi thời điểm. Tuy nhiên, giải pháp này sẽ
làm giảm công suất của điện gió, làm giảm giá trị kinh tế của quá trình vận
hành.
Nhằm giải quyết các yêu cầu kỹ thuật của vận hành hệ thống điện cô lập
có sự tham gia phát điện của nhà máy điện gió, các giải pháp phụ trợ đã được
đề xuất. Các giải pháp phụ trợ cho đến nay bao gồm: sử dụng hệ thống tải giả,
sử dụng các máy phát diesel có mức tải tối thiểu thấp (Low load diesel), sử
dụng thiết bị bánh đà nhằm nâng cao quán tính và ổn định tần số.
Một nhóm các giải pháp rất được quan tâm nghiên cứu cho hệ thống cô
lập có các nhà máy điện gió là sử dụng các thiết bị lưu trữ năng lượng (pin/ắc
quy/siêu tụ). Một mặt, các thiết bị lưu trữ năng lượng cho phép nạp công suất
dư thừa của điện gió (trong thời gian tốc độ gió cao), và phát trở lại khi tốc độ
gió thấp. Mặt khác, các hệ thống điều khiển phụ gắn với bộ biến đổi điện của
thiết bị lưu trữ năng lượng có thể được trang bị thêm các kênh điều khiển phụ
nhằm nâng cao ổn định cho hệ thống.

11

Tuy nhiên, một trở ngại đối với việc sử dụng các thiết bị lưu trữ năng
lượng cũng như các giải pháp phụ trợ nói chung cho hệ thống cô lập có sự
tham gia của điện gió là chi phí của các thiết bị này còn rất cao. Vì vậy, việc
đầu tư lắp đặt các giải pháp phụ trợ cần được tiến hành phân tích một cách kỹ
lưỡng, nhằm đảm bảo dự án đạt giá trị kinh tế cao nhất, đồng thời thỏa mãn
được các ràng buộc kỹ thuật ngặt nghèo của hệ thống điện vận hành độc lập.
1.3. Mục tiêu của luận văn
Luận văn đặt mục tiêu xây dựng mô hình bài toán tối ưu hóa đầu tư thiết
bị lưu trữ năng lượng cho hệ thống điện cô lập có nhà máy điện gió. Cấu hình
của hệ thống điện được nghiên cứu bao gồm các máy phát điện diesel và các
tổ máy điện gió. Các thiết bị lưu trữ năng lượng được xem xét đầu tư nhằm
cho phép thu hút tối đa năng lượng của gió, đồng thời nâng cao ổn định cho
lưới.
Đây là một bài toán có nhiều yếu tố đầu vào bất định, như tốc độ gió,
mức độ tăng trưởng phụ tải, giá bán điện. Trong khuôn khổ của luận văn, do
thời gian có hạn, tác giả tập trung nghiên cứu mô hình bài toán tối ưu hóa có
xét đến một yếu tố bất định chủ yếu: đó là tốc độ gió tại từng thời điểm. Mô
hình bài toán sẽ được áp dụng cho huyện đảo Phú Quý, tỉnh Bình Thuận.
Luận văn được cấu trúc như sau:
 Chương 2 trình bày tổng quan về hệ thống phát điện hỗn hợp giódiesel, các ràng buộc kỹ thuật cũng như các giải pháp phụ trợ nhằm
nâng cao ổn định và giá trị kinh tế.
 Chương 3 trình bày mô hình bài toán tối ưu hóa nhằm xác định công
suất và dung lượng cho thiết bị lưu trữ năng lượng. Các yếu tố đầu
vào chính của bài toán là: cấu hình lưới điện và công suất của các tổ
máy diesel hiện hữu, đồ thị phụ tải điển hình, giá bán điện cho các
12

phụ tải, tốc độ tăng trưởng phụ tải, suất đầu tư cho thiết bị lưu trữ
năng lượng, và tốc độ gió. Trong các yếu tố trên, tốc độ gió được coi
là một đại lượng bất định, với hàm phân bố xác suất đã biết.
 Chương 4 trình bày một số kết quả tính toán cụ thể áp dụng cho hệ
thống điện hỗn hợp của huyện đảo Phú Quý.
 Chương 5 trình bày một số kết luận.

13


CHƯƠNG 2
HỆ THỐNG ĐIỆN KẾT HỢP GIÓ - DIESEL
2.1. Lưới điện quy mô nhỏ
Khi siêu bão Sandy đổ bộ vào nước Mỹ (năm 2012) đã gây ra thiệt hại
ước tính lên đến 71 tỷ USD [3], trong đó có thiệt hại nặng nề của hệ thống
lưới điện, gây mất điện trên diện rộng cho 3,5 triệu hộ dân sử dụng điện. Từ
đó đến nay, đã có nhiều cuộc tranh luận về hiệu quả của lưới điện phân tán so
với lưới điện tập trung, đặc biệt là việc khai thác các lưới điện siêu nhỏ sẽ
giảm thiểu thiệt hại của toàn bộ hệ thống điện trong trường hợp xảy ra thiên
tai.
“Lưới điện siêu nhỏ là một hệ thống năng lượng tích hợp bao gồm các
nguồn năng lượng 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”...

Hình 2.1: Hệ thống lưới điện quy mô nhỏ [3]
14


Theo các nhà nghiên cứu năng lượng, chính nhu cầu rất lớn về các hệ

thống phát và phân phối năng lượng có thể hoạt động độc lập với lưới điện
tập trung đã thúc đẩy sự phát triển của thị trường lưới điện siêu nhỏ.
Các nghiên cứu mở rộng của hãng Navigant Research cho thấy có 5 phân
khúc thị trường cơ bản về năng lượng đang được hưởng lợi từ sự phát triển
của thị trường lưới điện siêu nhỏ, đó là:
* Thương mại/Công nghiệp (5,6%)
* Cộng đồng dân cư/Các ngành phục vụ (31,7%)
* Các tổ chức/Ngành giáo dục (44,6 %)
* Quân đội (6,3%)
* Vùng sâu, vùng xa/Khu vực chưa có điện (11,8%)
Theo thống kê năm 2011 [3], về tỷ trọng của thị trường lưới điện siêu
nhỏ theo khu vực địa lý, khu vực Bắc Mỹ chiếm tỷ trọng lớn nhất, đạt đến
2.088 MW cho tất cả các dự án tiền khả thi, khả thi, đang xây dựng và đã đi
vào hoạt động.
Các khu vực còn lại của thế giới chứng kiến sự tăng trưởng mạnh mẽ của
thị trường lưới điện siêu nhỏ từ 0,1% vào giữa năm 2011 lên đến 12,7%,
tương đương 404 MW vào cuối năm 2012 [3].
Một lưới điện quy mô nhỏ là một hệ thống phân phối năng lượng phân
tán, có thể hoạt động song song với hệ thống điện hoặc cô lập. Ngoài ra, các
lưới điện quy mô nhỏ có thể chuyển đổi giữa các chế độ tùy thuộc vào nhu
cầu và tình trạng của hệ thống. Điều này không phủ nhận tầm quan trọng của
hệ thống điện lớn nhưng mục đích là để hạn chế sự phụ thuộc vào nó. Áp
dụng rộng rãi mô hình này có thể cho phép cải thiện hiệu quả và độ tin cậy
của hệ thống.

15


Trong lưới điện quy mô nhỏ, việc lập kế hoạch và điều hành là sự pha
trộn của hệ thống điện bị cô lập và hệ thống điện phân phối. DER phải được

quản lý một cách thích hợp khi kết nối với hệ thống chính và sẽ khác nhau khi
hoạt động độc lập. Ngoài những thách thức liên quan đến quá trình chuyển
đổi giữa hai chế độ hoạt động đòi hỏi sự linh hoạt trên một phần của mạng
lưới phân phối địa phương.
Quy hoạch hệ thống phân phối với năng lượng gió cho lưới điện quy mô
nhỏ sẽ hoàn toàn khác so với hệ thống thông thường. Sự không ổn địnhcủa
phương thức hoạt động, thời gian mất điện, các nguồn phát, và tải.
2.1.1.

Hệ thống phân phối

Hệ thống phân phối bao gồm lưới phân phối và hệ thống lưu trữ năng
lượng. Hệ thống phân phối là hệ thống được kết nối gần với tải và thường có
kích thước nhỏ (dưới 10 MW) [4]. Hệ thống lưu trữ năng lượng, không giống
như hệ thống phân phối, có chức năng đồng thời như một tải hoặc một máy
phát điện, tùy thuộc vào nhu cầu của hệ thống. Cả hai đều là thành phần quan
trọng của một lưới điện quy mô nhỏ.
Các hệ thống lưới phân phối kết hợp với nguồn phân tán ngày nay có thể
sử dụng nhiều giải pháp kỹ thuật khác nhau nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế,
kỹ thuật của vận hành. Các kết quả này có được là nhờ sự tiến bộ của công
nghệ thông tin truyền thông, cũng như giá thành ngày càng rẻ của các bộ biến
đổi điện tử công suất. Các giải pháp nâng cao độ linh hoạt và tin cậy của lưới
điện phân phối có nguồn phân tán hiện nay rất đa dạng. Chúng bao gồm: sử
dụng tối ưu năng lượng gió (thông qua điều khiển độ dốc cánh, sử dụng tải
giả - Dump load, tối ưu điểm vận hành, hoặc phối hợp tắt máy phát tuabin
gió) và kiểm soát tải. Mô phỏng và điều khiển hệ thống lưu trữ năng lượng
thường được sử dụng với lưu trữ năng lượng.
16

Bên cạnh các giải pháp điều khiển liên quan đến nguồn điện, điều khiển
phụ tải (demand response) cũng là một giải pháp vận hành lưới điện ngày
càng được quan tâm. Điều khiển phụ tải là một biện pháp vận hành của lưới
điện phân phối thông minh, trong đó tải sẽ cắt giảm để đáp ứng với một
trường hợp nhất định, trong nhiều trường hợp có thể sử dụng hình thức bồi
thường tài chính. Ví dụ, một tòa nhà cụ thể có thể có một số tải phản ứng với
trường hợp này trong khi những tải khác được coi là thiết yếu sẽ không tự
động thay đổi.
2.1.2.

Tích hợp điện gió

Trong các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng gió là nguồn năng lượng
tái tạo quan trọng nhất. Sự tăng trưởng của năng lượng gió đã đi trước sự phát
triển của cả lưới quy mô nhỏ và hệ thống lưu trữ năng lượng.
Tích hợp điện gió có thể được xem xét trên ba trường hợp: Trong hệ
thống điện lớn, trong hệ thống điện cô lập, và trong lưới điện quy mô nhỏ.
Vai trò của lưu trữ năng lượng trong mỗi trường hợp đều liên quan đến hiệu
quả mang lại cho hệ thống. Điều này có nghĩa rằng khi xem xét với cùng một
lượng như nhau sẽ lựa chọn phương án có tổng giá trị lớn nhất. Vai trò tiềm
năng của lưu trữ năng lượng trong mỗi trường hợp được mô tả ở đây một cách
ngắn gọn.
Kỹ thuật vận hành của hệ thống điện bao gồm lập kế hoạch và kiểm soát
phân cấp thực hiện trên các khung thời gian khác nhau để đáp ứng các tiêu
chuẩn công suất xác định. Do sự cần thiết để cân bằng tải và nguồn trong thời
gian thực, các kỹ sư điện lập kế hoạch vận hành hợp lý nguồn phát, để đáp
ứng độ tin cậy theo tiêu chí đặt ra bởi cơ quan quản lý. Những hạn chế của cơ
sở hạ tầng điện phải được lưu ý trong quá trình này để đảm bảo rằng có đủ

17

đường truyền để truyền tải điện cho tải. Ở cấp phân phối, chủ yếu nhằm đảm
bảo điện áp thay đổi trọng phạm vi tiêu chuẩn cho phép khi tải thay đổi.
2.1.3.

Hệ thống điện kết hợp gió - diesel

Hiện nay, việc vận hành kết hợp gió - diesel cấp điện cho các hệ thống
điện cô lập được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Kết hợp gió - diesel giúp tận
dụng được nguồn năng lượng sạch đồng thời máy phát điện diesel có tác dụng
khắc phục các nhược điểm của điện gió là tính không ổn định. Mô hình này
đã được phát triển rất rộng rãi trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Tiểu bang
Alaska, Mỹ là một trong những khu vực phát triển các hệ thống lai ghép giódiesel đầu tiên trên thế giới. Mô hình lưới điện gió - diesel ở Alaska đã trải
qua nhiều giai đoạn khác nhau của công nghệ điện gió, từ các máy phát điện
cảm ứng, đến các máy phát điện không đồng bộ nguồn kép (DFIG), cho đến
các máy phát thế hệ mới sử dụng nam châm vĩnh cửu. Đặc thù của lưới điện
Alaska là có thể sử dụng phụ tải như một phương tiện điều khiển lưới: Một
phần lớn phụ tải Alaska phục vụ hệ thống sưởi ấm. Các phụ tải này có thể
được đóng cắt, tạo nên một công cụ mới cho cân bằng năng lượng.
Các địa phương vùng sâu vùng xa của nước Úc cũng là những nơi có các
lưới điện hỗn hợp gió-diesel phát triển. Để nâng cao hiệu năng của các hệ
thống này, có nhiều công nghệ đã được phát triển như bánh đà tốc độ cao,
máy phát diesel tải thấp.
Nhìn chung, các giải pháp nâng cao chất lượng vận hành của hệ thống
gió-diesel là tương đối đa dạng. Thực tế đã cho thấy, không có một giải pháp
chung cho hệ thống diesel-gió. Giải pháp kỹ thuật cụ thể phụ thuộc vào tỉ
trọng công suất của máy phát diesel và máy phát điện gió, mức độ thay đổi
của phu tải, và số lượng các phụ tải điều khiển được. Có thể nói cho đến nay,
các giải pháp vận hành hệ thống gió-diesel vẫn còn cần rất nhiều nghiên cứu

18


hoàn thiện, đặc biệt trong bối cảnh giá thành của các công nghệ thay đổi rất
nhanh.
2.2. Các ràng buộc đối với vận hành hệ thống hỗn hợp gió - diesel
Dưới đây là các ràng buộc quan trọng nhất ảnh hưởng trực tiếp tới cách
thức vận hành hỗn hợp diesel - gió
2.2.1.

Cân bằng công suất tác dụng, dự phòng nóng

Cân bằng về mặt dài hạn giữa công suất phát và công suất tiêu thụ cho
phép duy trì ổn định tần số của lưới điện xung quanh giá trị 50Hz. Tuy nhiên,
trong quá trình làm việc, hệ thống sẽ luôn chịu các tác động do đóng cắt tải,
thay đổi tốc độ gió, sự cố ngắn mạch .v.v. Vì vậy cần xét đến yêu cầu ổn định
tần số. Khi hệ thống chịu một tác động mất cân bằng phát – tải, việc duy trì
ổn định tần số sẽ được thực hiện qua các bước sau (Hình 2.2):
- Tại thời điểm đầu tiên khi bộ điều tốc chưa tác động, các biến động
trên lưới được phản ánh bằng sự thay đổi đột ngột mô men điện tác
động lên trục máy phát, và sự thay đổi tốc độ quay rotor phụ thuộc
vào quán tính của rotor và hệ thống động cơ.
- Sau một thời gian nhất định (0.5-2s) [2], bộ điều tốc cảm nhận được
sự thay đổi tốc độ và sẽ điều chỉnh đầu ra của nó nhằm đưa tốc độ về
giá trị định mức. Trong lĩnh vực vận hành hệ thống điện, đây được gọi
là hệ thống điều tần cấp I. Vì bộ điểu tốc của máy diesel được thiết kế
để vận hành độc lập, nó sẽ tác động để đưa tần số về giá trị định mức
(điều tần cấp II).
- Sau thời gian 10-15S tiếp theo [2], hệ thống điều khiển hỗn hợp sẽ tác
động và phân chia lại công suất của diesel-gió theo phương thức định

trước. Đây được gọi là mức điều tần cấp III.

19


51
50,5

Tần số (Hz)

50
49,5
49
48,5
48

38

39

40

41

42

43

44

45

46

Thời gian (sec)

Đáp ứng do quán tính Đáp ứng do điều tốc

Đáp ứng của SCADA/điều độ viên

Hình 2.2: Đáp ứng tần số của hệ thống gió – diesel [2]
Khi mức độ thâm nhập điện gió (Tỷ lệ công suất điện gió/Công suất phụ
tải) tăng lên, số lượng máy phát diesel vận hành giảm xuống do giới hạn về
công suất tối thiểu. Vì vậy quán tính của hệ thống điện sẽ suy giảm. Khi hệ
không có phương thực điều tần khác. Với sự sụt giảm quán tính hệ thống và
thiếu điều tần cấp I, hệ thống điện hỗn hợp sẽ bị dao động tần số mạnh hơn
nhiều so với khi chỉ có máy phát diesel vận hành độc lập.
Một số máy phát điện gió có trang bị khả năng điều tần, cho phép máy
phát tham gia một cách hạn chế vào việc duy trì tần số. Bộ điều khiển phản
ứng theo tín hiệu độ lệch tần số, và sử dụng khâu điều khiển PI, vì thế nó có
tác dụng tương đương điều tần cấp II, cho phép máy phát điện gió đưa tần số
của lưới về gần giá trị định mức. Bên cạnh đó, hiện nay đang có nhiều nghiên
cứu phát triển các bộ điều khiển giả lập quán tính [2], cho phép các máy điện
gió có thể tác động nhanh hơn khi có biến động tần số, với tác dụng tương
đương với việc tăng quán tính cho hệ thống. Điểm khác biệt căn bản giữa một
sơ đồ điểu khiển giả lập quán tính và sơ đồ điều khiển tần số thông thường là

20

sơ đồ điều khiển giả lập quán tính, tín hiệu đầu vào được sử dụng là đạo hàm
của tần số (df/dt).

Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển tần số của V80 [2]
Mặc dù có thể được trang bị các bộ điều khiển nâng cao cho phép điện
gió tham gia vào quá trình ổn định tần số của hệ thống, chất lượng điều khiển
của các bộ điều khiển này còn phụ thuộc vào sự biến thiên của tốc độ gió.
Đối với các trang trại gió bao gồm số lượng lớn, các tuabin phân bố trong
phạm vi rộng, đáp ứng tần số của trang trại gió, là tổng hợp đáp ứng của các
tuabin đơn lẻ, sẽ ổn định hơn và có thể theo tương đối sát tín hiệu điều khiển.
Ngược lại đối với hệ thống có ít tuabin trong trường hợp hệ thống hỗn hợp
quy mô nhỏ, sự biến thiên tốc độ gió tại mỗi tuabin sẽ có ảnh hưởng rất lớn
đến chất lượng của các bộ điều khiển tần số trong phạm vi ngắn hạn (vài
giây).
2.2.2.

Công suất phản kháng, đặc tính công suất phát của diesel

Việc đảm bảo đủ yêu cầu công suất phản kháng giúp cho mức điện áp tại
các nút trong lưới điện được duy trì ở phạm vi cho phép. Khác với cân bằng
công suất tác dụng, sự cân bằng CSPK tốt nhất cần thực hiện tại chỗ - bù

21


CSPK tại nơi thiếu hụt. Cách làm này giúp giảm lượng CSPK truyền tải trên
lưới, do đó giảm dòng điện và giảm tổn thất cho hệ thống.

Hình 2.4: Đặc tính công suất làm việc cho phép của máy diesel.
Đối với lưới điện quy mô nhỏ, mức yêu cẩu CSPK của lưới điện là không

lớn, với lưới điện quy mô nhỏ, CSPK có thể được đáp ứng bởi các máy phát
diesel. Trong mọi chế độ, việc điều chỉnh điện áp ở máy diesel có thể duy trì
điện áp lưới trong phạm vi cho phép, đặc biệt điện áp tại phía có các tổ máy
điện gió nối vào. Trong trường hợp khi mức tải của hệ thống tăng lên, đồng
thời xuất hiện nhiều phụ tải động cơ (điều hòa, bơm nước) có hệ số công suất
thấp, yêu cầu CSPK đối với hệ thống sẽ tăng mạnh và có thể cần tính đến
việc đặt bổ sung nguồn CSPK (sử dụng các tụ bù, hoặc sử dụng chức năng
điều khiển điện áp của tuabin gió).
Khi tính toán chế độ vận hành của hệ thống hỗn hợp, cần xét đến giới
hạn đặc tính công suất phát của máy diesel. Đặc tính này được xây dựng dựa
trên cơ sở quy trình vận hành thông thường, bao gồm hai ràng buộc: Công
suất min (khoảng 30% công suất định mức) và công suất max [2].
22


2.2.3.

Quan điểm về dự phòng nóng

Dự phòng nóng (hay dự trữ quay - spinning reserve) là sự thay đổi công
suất mà các máy phát điện đang vận hành có thể đáp ứng được khi có các
thay đổi của tải. Để đảm bảo dự phòng nóng, một số máy phát trong hệ thống
sẽ không được phép vận hành ở mức đầy tải.
Trong hầu hết các hệ thống điện có kết nối điện gió, dự phòng nóng vẫn
chỉ được đảm nhiệm bởi các máy phát điện đồng bộ. Các máy phát điện gió
được coi như các "phụ tải âm". Lý do chính của cách làm này là do điện gió
có chi phí biên rất thấp, và do đó được ưu tiên phát hết công suất. Công thức
tính mức độ dự phòng nóng của hệ thống có kết nối điện gió, vì vậy không
khác với các hệ thống điện truyền thống, và xác định như sau:
Dựphòngnóng = R =

P

− P (2.1)

Trong đó NG là số máy phát đồng bộ trong hệ thống và PL là tổng công
suất yêu cầu của phụ tải. Đối với hệ thống hỗn hợp diesel-gió, có thể viết lại
ràng buộc trên như sau:
Số máy diesel vận hành Pmax diesel - Tổng công suất tải >R

(2.2)

Kết hợp với yêu cầu về tần số, các máy phát điện đồng bộ cần được sử
dụng trong hệ thống hỗn hợp diesel-gió với hai mục đích: Đảm bảo quán tính
hệ thống đủ lớn, và đảm bảo dự phòng nóng. Đây là hai yêu cầu kỹ thuật làm
cho khả năng tăng mức độ thâm nhập của điện gió bị hạn chế.
Để tăng khả năng ổn định tần số, có thể sử dụng thêm các thiết bị phụ trợ
như bánh đà, sử dụng chức năng điều tần của điện gió, hoặc tốt hơn nữa là
thực hiện một giải thuật điều khiển "giả lập quán tính". Tuy nhiên, việc sử
dụng điện gió như một phương tiện dự phòng nóng gặp phải hai vấn đề sau:
23


- Điện gió là nguồn điện có chi phí biên rất thấp (gần như bằng không)
[2]. Vì vậy, nếu giảm công suất của điện gió nhằm thực hiện chức
năng dự phòng nóng sẽ làm giảm lợi nhuận và tăng thời gian hoàn vốn
của dự án.
- Công suất phát cực đại của điện gió luôn luôn thay đổi phụ thuộc vào
tốc độ gió. Nếu có các nghiên cứu, đo đạc đầy đủ, ta cũng chỉ biết
được giá trị kỳ vọng, và biên độ dao động của tốc độ gió tại một thời

điểm trong ngày. Vì vậy, nếu sử dụng điện gió như một phương tiện
dự phòng nóng, mức độ dự phòng nóng của hệ thống sẽ luôn thay đổi
một cách ngẫu nhiên.
2.3. Các chế độ vận hành
2.3.1.

Chế độ xác lập

a. Chế độ làm việc với đồ thị phụ tải ở điều kiện bình thường
Khi điện gió phát cố định. Cho phép mức độ thâm nhập tăng đến tối đa
70%.
Khi đó máy phát diesel chỉ dự phòng một phần, phần thiếu hụt còn lại
(trong trường hợp phụ tải tăng) sẽ do điện gió đảm nhiệm. Việc đảm bảo dự
phòng nóng của điện gió tương đối rủi ro vì tốc độ gió biến thiên liên tục. Để
phương thức vận hành nêu trên làm việc tin cậy, hệ thống điều khiển hỗn hợp
cần phải liên tục cập nhật tốc độ gió, và ước lượng công suất dự phòng của
điện gió nhằm có các điểu chỉnh phù hợp.
Xét về tỉ trọng công suất của máy diesel và máy điện gió, số lượng máy
diesel vận hành ít khó đảm bảo được điều tần một cách hiệu quả. Công suất
phát của điện gió được điều khiển bởi SCADA, là mức điều tần cấp 2. Mức
điều tần cấp 1 (phản ứng tức thì của nguồn phát khi có mất cân bằng công

24