Nghiên cứu hệ thống điều khiển, tối ưu điều phối điện năng trong hệ thống điện năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------------------

NGÔ NHẬT HUY

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN,
TỐI ƯU ĐIỀU PHỐI ĐIỆN NĂNG TRONG
HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số

: 60.52.02.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng - Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. GIÁP QUANG HUY

Phản biện 1: TS. Nguyễn Lê Hòa
Phản biện 2: TS. Nguyễn Văn Sum

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa họp tại

Trường Đại học Bách khoa vào ngày 07 tháng 07 năm 2017.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học
Bách khoa
 Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN


1

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Trong giai đoạn hiện nay, năng lượng nói chung và năng lượng
điện nói riêng đóng một vai trò rất quan trọng trong mọi lĩnh vực đời
sống kinh tế xã hội. Nước ta là một nước đang phát triển, chính vì
thế, nhu cầu về sử dụng năng lượng rất lớn, tuy nhiên lại bị hạn chế
về mặt năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện. Chính vì thế việc sử
dụng và khai thác không hợp lý gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng.
1.

Mục tiêu và mục đích nghiên cứu
Mục tiêu: Xác định cấu trúc mô hình và các biểu thức toán học
của các thành phần tham gia trong hệ thống tiêu thụ năng lượng, từ
đó xây dựng bài toán tối ưu cho hàm mục tiêu nhằm chuyển đổi sử
dụng nguồn năng lượng từ pin mặt trời trong các giờ cao điểm.
2.

Mục đích: Giảm điện năng tiêu thụ từ lưới điện trong giờ
cao điểm, góp phần giảm thiểu chi phí ở mức thấp nhất cho
việc tiêu thụ năng lượng của tải.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Các phụ tải tiêu thụ điện, hệ thống
điện mặt trời độc lập, nối lưới.
- Phạm vi nghiên cứu: Các hệ thống tiêu thụ điện trong các
khu dân cư, hộ gia đình.
3.

Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu
sách, báo, giáo trình, bài giảng trong và ngoài nước.
- Phương pháp thực nghiệm: Áp dụng các lý thuyết đã nghiên
cứu để xây dựng các biểu thức toán học nhằm giải quyết bài toán tối
ưu trong việc sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời thông qua việc
mô phỏng hệ thống.
4.


2
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: Từ kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần
làm cơ sở cho việc định hướng khai thác, hoạch định tài nguyên năng
lượng một cách hợp lý.
- Ý nghĩa thực tiễn: Sử dụng năng lượng thay thế hiệu quả
trong các giờ cao điểm đối với phụ tải điện qua đó tiết kiệm được
điện năng, giảm chi phí ở mức thấp nhất, góp phần cải thiện môi
trường, từ đó có thể nhân rộng việc áp dụng giải pháp cho các hộ gia
đình hoặc cơ sở sản xuất khác.
5.

6.

Cấu trúc của luận văn
Nội dung của luận văn gồm có năm chương sau:
Chương 1 – Giới thiệu
Chương 2 – Cấu trúc hệ thống
Chương 3 – Mô hình hóa hệ thống
Chương 4 – Quản lý năng lượng tối ưu cho hệ thống
Chương 5 – Mô phỏng và kết quả


3

CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU
1.1. NHU CẦU VỀ NĂNG LƯỢNG HIỆN NAY
Trong những năm gần đây, sự phát triển của đất nước ta nói
chung cũng như tại các khu dân cư, hộ gia đình nói riêng phát triển
với tốc độ ngày càng nhanh. Kinh tế phát triển cũng đồng nghĩa với
việc khai thác, chế biến và sử dụng chưa hợp lý các nguồn tài nguyên
thiên nhiên dẫn đến nhu cầu về năng lượng ngày một gia tăng.
1.2. SỰ CẦN THIẾT TRONG VIỆC TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG
Sở dĩ chúng ta phải tiết kiệm điện năng là vì:
- Điện năng tiêu thụ rất lớn trong khi khả năng cung cấp điện
của các nhà máy điện không đáp ứng đủ nhu cầu.
- Điện là nhân tố gây ra hiệu ứng nhà kính, làm trái đất nóng
lên, ô nhiễm môi trường.
Tiết kiệm điện là tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên của chính
chúng ta.
1.3. CÁC GIẢI PHÁP ĐÁP ỨNG NHU CẦU NĂNG LƯỢNG
Việc lựa chọn thiết bị tiết kiệm điện; lắp đặt hợp lý, khoa học;
điều chỉnh thói quen sử dụng đồ điện... là những giải pháp giúp tiết

kiệm điện năng trong các hộ gia đình hoặc các khu chung cư.
Ngoài những phương pháp thông dụng, trong luận văn này sẽ
đề cập đến một phương án đó là cần có cơ chế chính sách khuyến
khích sử dụng đối với nguồn năng lượng tái tạo, trước hết là năng
lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng sinh học. Tuy nhiên
trong bối cảnh hiện nay, do đầu tư công nghệ và chi phí lớn, nên sản
phẩm năng lượng đầu ra của các loại năng lượng và nhiên liệu này
còn cao.


4
1.4. VAI TRÒ CỦA VIỆC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ĐỘC LẬP VÀ NỐI LƯỚI
Năng lượng tái tạo đã và đang là một xu hướng và sẽ chiếm
phần lớn trong việc tạo ra điện trên thế giới. Các nhà máy điện truyền
thống sẽ dần bị thay thế bởi các Trang trại điện mặt trời/điện gió
(Solar Farm/Wind Farm).
Ưu thế trong việc sử dụng của năng lượng mặt trời:
Việt Nam có tiềm năng về nguồn năng lượng mặt trời, có thể
khai thác cho các sử dụng như: đun nước nóng, phát điện và các ứng
dụng khác như: sấy, đun nấu... Việt Nam được xem là một quốc gia
có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời với cường độ bức xạ mặt
trời trung bình khoảng 5 kWh/m2. Ở Việt Nam, với tổng số giờ nắng
trong năm dao động trong khoảng 1.400-3.000 giờ/năm.
Những tiện ích mà điện năng lượng mặt trời mang lại:
- Năng lượng mặt trời không đòi hỏi bất cứ nguồn nhiên liệu
nào, hoàn toàn miễn phí và thiết thực;
- Giúp tiết kiệm tiền điện cho người sử dụng hàng tháng;
- Tạo ra một nguồn điện độc lập, xanh sạch và bảo vệ môi
trường;

- Cung cấp nguồn điện liên tục kể cả khi điện lưới bị cắt.
Đề tài này cho ta cái nhìn tổng quan về năng lượng mặt trời,
đồng thời có được sự thay thế sử dụng năng lượng mặt trời một cách
tối ưu trong các giờ cao điểm cho các tải tiêu thụ điện, góp phần tiết
kiệm năng lượng cũng như giảm tải cho lưới điện quốc gia một phần
năng lượng. Bên cạnh đó, nguồn năng lượng mặt trời có thể được dự
trữ góp phần giảm quá tải của nguồn lưới vào giờ cao điểm.


5

CHƯƠNG 2 - CẤU TRÚC HỆ THỐNG
2.1. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống
Các bộ phận chính của hệ thống nối lưới được thể hiện
trongHình 2.1 gồm có: bộ phát điện bằng pin mặt trời (PV), hệ thống
pin lưu trữ năng lượng (batteries), các tải tiêu thụ (Loads), nguồn
điện lưới (Grid) và các bộ chuyển đổi điện áp (converters).
Ưu điểm giải pháp:
 Không phụ thuộc điện lưới.
 Được thiết kế dạng module, dễ dàng nâng cấp công suất sau
này.
 Có nhiều loại ắc quy linh động trong việc lựa chọn sử dụng:
12V, 24V, 36V, 48V hay 60V.
 Giải pháp đã có các chức năng bảo vệ cho hệ thống khi hoạt
động: quá dòng, quá áp, quá tải, ngược cực…
 Chế độ làm việc của inverter hoàn toàn tự động, có màn

6
hình theo dõi kiểm soát hệ thống và có các cảnh báo lỗi kịp
thời khi có sự cố.
 Hệ thống có thể giám sát từ xa qua hệ thống Ethernet.
Với hệ thống đã giới thiệu như hình 2.1 là một hệ thống điện
mặt trời nối lưới là giải pháp tối ưu về chi phí đầu tư và chi phí sử
dụng điện, đặc biệt thích hợp cho hộ gia đình, nhà máy, tòa nhà…
những nơi đã có điện lưới. Hiện nay, việc điện mặt trời tạo ra này có
thể bán lại cho các công ty điện lực đang là xu hướng tại nhiều nước
trên thế giới, kể cả Việt Nam.
CẤU TRÚC VÀ CÁC BỘ PHẬN CẤU THÀNH HỆ
THỐNG
2.2.1. Microgrid
Lưới điện siêu nhỏ (Microgrid) còn là một khái niệm tương đối
mới trong khoảng thời gian những năm sau này.
Việc khai thác các lưới điện siêu nhỏ sẽ giảm thiểu thiệt hại
của toàn bộ hệ thống điện, đồng thời giảm thiệt hại cho khách hàng
sử dụng điện trong trường hợp xảy ra thiên tai.
2.2.

2.2.2. Cấu tạo và hoạt động pin mặt trời (PV)
Pin mặt trời hay pin quang điện (ký hiệu là PV), là hệ thống
các tấm vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh
sáng mặt trời thành điện năng. Pin mặt trời được cấu tạo bằng các tế
bào quang điện (cells) đơn tinh thể (monocrystalline) và đa tinh thể
(polycrystalline) có hiệu suất cao (15% - 18%), công suất từ 25Wp
đến 240Wp và có tuổi thọ trung bình 30 năm.
2.2.2.1. Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong
đó các điện tử được thoát ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay

vật chất (quang điện thường) sau khi hấp thụ năng lượng từ các
photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích


7
thích làm bắn electron ra ngoài.
2.2.2.2. Cấu tạo của pin mặt trời
Hiện nay, Silic tinh thể là vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời. Pin
mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại: đơn tinh thể, đa tinh thể
và các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh
thể.
Hiện nay, người ta đã thay thế tạo pin mặt trời bằng vật liệu SI
vô định hình (aSi). So với pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưng
hiệu suất thấp hơn và kém ổn định.
2.2.2.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời
Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là
điện áp hở mạch lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và dòng điện ngắn
mạch ISC khi điện áp ra bằng 0. Công suất của pin được tính theo
công thức:
P=I.U
(2.1)
Từ sơ đồ tương đương, có thể dễ dàng viết được những
phương trình đặc trưng Volt – Ampere của pin mặt trời như sau:

𝐼 = 𝐼∅ − 𝐼𝑑 − 𝐼𝑠ℎ = 𝐼∅ − 𝐼𝑆 [𝑒𝑥𝑝

𝑞(𝑉 + 𝑅𝑆 𝐼)
𝑉 + 𝑅𝑆 𝐼
− 1] −
𝑛𝑘𝑇

𝑅𝑠ℎ

(2.2)

2.2.2.4. Điểm làm việc cực đại
Công suất đỉnh thường được đo bằng Wp (Watt peak), để chỉ
ra giá trị công suất đỉnh ở điều kiện phòng thí nghiệm, giá trị này rất
khó đạt được khi pin mặt trời làm việc dưới điều kiện thực tế.
2.2.2.5. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng
Hiệu suất chuyển đổi quang năng là tỉ lệ phần trăm năng lượng
photon đã chuyển hóa thành điện năng khi pin được nối với tải trên
năng lượng photon thu vào.


8
𝑃𝑚𝑎𝑥
(2.4)
𝐸. 𝐴
Với: E (W/m2) : cường độ bức xạ tới
A (m2) : diện tích bề mặt của pin
Hệ số lấp đầy Kf (Fill factor)
Hệ số lấp đầy là tỉ số giữa công suất cực đại với tích của điện
áp hở mạch VOC và dòng ngắn mạch ISC.
ƞ=

2.2.2.6. Tấm năng lượng mặt trời
Nhiều pin mặt trời tạo thành tấm năng lượng pin mặt trời có
thể gồm 36 đến 72 pin mặt trời mắc nối tiếp với nhau. Năng lượng
mặt trời được chuyển hóa thành điện năng qua những tấm pin mặt
trời này. Mỗi pin mặt trời cung cấp một lượng nhỏ năng lượng,

nhưng nhiều pin được đặc trải dài trên một diện tích lớn tạo nên
nguồn năng lượng lớn hơn đủ để cung cấp năng lượng cho các thiết
bị sử dụng.
2.2.2.7. Cách ghép nối các tấm năng lượng mặt trời
Để tạo ra công suất và hiệu điện thế theo yêu cầu thì phải ghép
nối nhiều tấm modul lại với nhau. Có hai cách ghép cơ bản:
 Ghép nối tiếp các tấm modun lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn.
 Ghép song song các tấm modun lại sẽ cho dòng điện lớn hơn.
Trong thực tế, để đáp ứng cả yêu cầu về điện áp và dòng điện
phương pháp ghép hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn.
2.2.3. Bộ biến đổi DC/DC
Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng nhiều trong nguồn điện một
chiều với mục đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành
nguồn một chiều có thể điều khiển được. Trong hệ thống pin mặt trời,
MPPT được kết hợp cùng với bộ biến đổi DC/DC. Nguồn điện áp
vào lấy từ nguồn pin mặt trời được bộ biến đổi DC/DC điều chỉnh để
tìm MPPT, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải.


9
Nhìn chung, khóa điện tử, cuộn cảm để giữ năng lượng và diode dẫn
dòng là các phần tử cơ bản cho một bộ biến đổi DC/DC.
Ngoài ra, đối với hệ thống pin ắc-quy, bộ biến đổi DC/DC còn
có thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy. Với mục
đích nâng cao tuổi thọ cho bình ắc-quy đồng thời giúp hệ thống pin
mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài, nó có chức năng bảo vệ cho ắcquy chống nạp quá tải và xả quá sâu.
Trong hệ PV, các loại bộ biến đổi DC/DC thường dùng gồm:


Bộ giảm áp (buck).



Bộ tăng áp (boost).



Bộ đảo dấu điện áp (buck – boost).

 Bộ biến đổi tăng – giảm áp cúk.
Yêu cầu của tải đối với điện áp ra của dãy pin mặt trời sẽ quyết
định đến việc lựa chọn bộ biến đổi DC/DC nào để sử dụng trong hệ
PV.
2.2.3.1. Mạch Buck
Mạch Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành
điện áp nạp ắc quy với khóa K trong mạch là những khóa BJT,
MOSFET, hay IGBT. Khóa transistor được đóng mở với tần số cao.
2.2.3.2. Mạch Boost
Giống như bộ Buck, hoạt động của bộ boost được thực hiện
qua cuộn kháng L. Chuyển mạch K đóng mở theo chu kỳ. Khi K mở
cho dòng qua (ton) cuộn kháng tích năng lượng, khi K đóng (toff) cuộn
kháng phải phóng năng lượng qua diode tới tải.
2.2.4. Bộ biến đổi DC/AC
Hệ thống độc lập thường sử dụng các bộ biến đổi loại nguồn
áp 1 pha. Các loại bộ biến đổi này có thể ngăn chặn thành phần dòng
điện sóng hài và điều chỉnh hệ số công suất để nâng cao chất lượng
điện.


10

2.2.5. Pin (Ắc-quy)
Pin hay ắc-quy là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm
hoặc lúc trời ít hoặc không còn ánh nắng. Ắc-quy có nhiều loại, kích
thước và dung lượng khác nhau, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm
của hệ thống pin mặt trời . Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử
dụng ắc-quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều bình ắc-quy kết nối
lại với nhau.
2.3. HỆ THỐNG GIÁM SÁT NGUỒN NĂNG LƯỢNG
Để thực hiện việc tối ưu quản lý nguồn năng lượng, cấu trúc
mô hình giám sát được đưa ra như hình bên dưới.
Mô hình Hình 2.2 gồm có ba tầng cấu trúc. Dữ liệu đầu vào và
khoảng thời gian của dữ liệu đầu ra của mỗi tầng như hình.
 Tầng 1: Tầng dự báo
Tầng dự báo cung cấp các dự đoán cần thiết về dữ liệu đầu vào
cho tầng tối ưu. Dữ liệu dự đoán đầu vào càng chính xác bao nhiêu
thì mức độ hiệu quả cho việc quản lý nguồn năng lượng càng lớn.

Hình 2. 2 Cấu trúc hệ thống giám sát nguồn năng lượng


11
 Tầng 2: Tối ưu điều phối điện năng
Trong suốt quá trình tối ưu điều phối điện năng ở tầng 2, vấn
đề về quản lý năng lượng sẽ được thực hiện ở tầng này. Nó được gọi
là tối ưu hóa dự đoán vì phương pháp giải quyết được xây dựng dựa
trên những hiểu biết ban đầu của tương lai từ các dự báo. Bước thời
gian của giai đoạn này là từ giờ cho đến 10 phút.
 Tầng 3: Điều khiển cục bộ
Giai đoạn điều khiển cục bộ có nhiệm vụ chỉ định các lệnh cho
các phần tử điện tử để áp dụng các chương trình quản lý năng lượng

từ giai đoạn tối ưu hóa. Giai đoạn này hoạt động trong một khoảng
thời gian từ 1 phút đến 1 ms.
Các dữ liệu dự đoán được xem như là đã biết gồm: bức xạ mặt
trời GT[W/m2], Nhiệt độ môi trường xung quanh Tamb[0C], hồ sơ dữ
liệu tiêu thụ của tải PLoads[kWh] và giá điện lưới [vnđ/kWh].
2.4. HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

Hình 2. 3 Mô hình hệ thống với các đồng hồ đo năng lượng
Mô tả hoạt động:
- Khi không có mặt trời: (Buổi tối hoặc khi bị mây che), các


12
pin mặt trời (PV) sẽ không sản sinh ra điện nên các phụ tải sẽ sử
dụng điện từ lưới một cách bình thường. Lúc này chỉ số của C3 sẽ thể
hiện đúng chỉ số tiêu thụ điện năng của phụ tải đang sử dụng
Trong trường hợp công suất của phụ tải là nhỏ hơn công suất
của điện mặt trời đưa ra, ta thấy điện năng sẽ được “bơm” và gửi
ngược trở lại lưới và chỉ số trên C3 sẽ mang trị số âm (giảm).
Ở đây, hệ pin mặt trời (photovoltaic system) nhìn chung được
chia thành hai loại cơ bản:


Hệ PV làm việc độc lập.



Hệ PV làm việc nối lưới.

2.4.1. Hệ PV độc lập

Hệ PV làm việc độc lập gồm hai thành phần chính:
- Thành phần lưu trữ năng lượng.
- Các bộ biến đổi.
2.4.1.1. Thành phần lưu trữ năng lượng
Phổ biến nhất vẫn là sử dụng ắc quy để lưu trữ năng lượng. Ắc
quy cần phải có một bộ điều khiển nạp để bảo vệ và đảm bảo cho tuổi
thọ của ắc quy.
2.4.1.2. Các bộ biến đổi trong hệ PV
Các bộ bán dẫn trong hệ PV gồm có bộ biến đổi DC/DC và bộ
biến đổi DC/AC.
Bộ DC/DC dùng để xác định điểm làm việc có công suất lớn
nhất của pin và làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời
để cung cấp cho tải và ắc quy. Bộ biến đổi DC/DC còn có tác dụng
điều khiển chế độ nạp và phóng để bảo vệ và nâng cao tuổi thọ cho
ắc quy.
2.4.2. Hệ PV làm việc với lưới
Đây là hệ PV được nối với lưới điện. Hệ thống này cho phép
tự duy trì hoạt động của tải bằng nguồn năng lượng dự trữ và đồng
thời có thể bơm phần năng lượng dư thừa vào lưới điện để bán. Khi


13
nguồn mặt trời (hay máy phát pin mặt trời) sinh ra nhiều năng lượng
thì nguồn năng lượng dư thừa sẽ được chuyển vào trong lưới điện,
còn trong những điều kiện thời tiết xấu, không có nắng hay mưa, máy
phát pin mặt trời không sinh ra đủ năng lượng để đáp ứng cho phụ tải
thì hệ sẽ lấy điện từ lưới.
2.4.3. Điều khiển bộ biến đổi DC/DC
Các cách thường dùng để điều khiển DC/DC là:
 Mạch vòng điện áp phản hồi

 Phương pháp điều khiển phản hồi công suất
 Phương pháp mạch vòng dòng điện phản hồi


14
CHƯƠNG 3 - MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG
3.1. PIN MẶT TRỜI
Các pin mặt trời được mô hình hóa bằng một nguồn năng
lượng tuyến tính theo nhiệt độ môi trường xung quanh, diện tích bề
mặt tiếp nhận ánh sáng và mức độ bức xạ mặt trời.
(3.1)
𝑃𝑃𝑉 (𝑡) = 𝐺(𝑡) × 𝑛 × 𝑆𝑃𝑉 × 𝐻𝑃𝑉
Trong đó :
PPV
: công suất đầu ra của hệ pin mặt trời tại điểm t
G
: mức độ bức xạ ở tại từng thời điểm lấy mẫu
SPV
: diện tích bề mặt của một tấm pin mặt trời
n
: số lượng module pin mặt trời mắc trong hệ PV
HPV
: hiệu suất chuyển hóa năng lượng của pin mặt trời
Các điều kiện đo tiêu chuẩn là Tj,STC = 250C, GT,STC =
1000W/m2 và tốc độ gió là 1m/s.
3.2. HỆ THỐNG PIN LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG
Cần sử dụng một hệ thống pin (ắc-quy) phục vụ cho việc lưu
trữ năng lượng. Chúng ta sử dụng hệ thống pin này để giảm mức
năng lượng tiêu thụ từ lưới vào những giờ cao điểm cũng như giữ cho
lưới luôn phát ở mức định mức, không bị quá tải vào những giờ cao

điểm. Việc mô hình sẽ tập trung vào việc giữ cho mức năng lượng
của pin luôn nằm trong khoảng giá trị thấp nhất (Ebtmin) và cao nhất
(Ebtmax). Trong luận văn này, chúng ta chọn loại pin Nickel-Cadium
bởi không quá lo lắng về việc xả sâu của loại pin này. Với điện áp chỉ
định của một tế bào là 1.2V, là một loại pin rất mạnh và chịu được
các lạm dụng đối với việc sử dụng (sạc quá cao, sử dụng quá nhiều,
ngắn mạch và chấn động nhiệt) và có thể có tuổi thọ cao mặc cho
việc bị lạm dụng khi sử dụng.


15
 Năng lượng lưu trữ
Đối với loại pin được chọn, năng lượng lưu trữ định mức của
pin được xác định bởi công thức sau :
(3.2)
𝐸𝑏𝑡𝑐𝑒𝑙𝑙 (𝑘𝑊ℎ) = 𝐶𝑛 × 𝑉0 × 10−3
Trong đó:
Cn
: dung lượng pin định mức (Ah)
V0
: điện áp pin định mức (V)
Ta cố định mức xả sâu cho loại pin đã chọn này là 80%. Mức
năng lượng thấp nhất cần được duy trì của pin như sau:
𝐸𝑏𝑡𝑚𝑖𝑛 (𝑘𝑊ℎ) = (1 − 𝐷𝑜𝐷) × 𝐸𝑏𝑡𝑚𝑎𝑥
Trong đó: DoD (Deep of Charge) là mức xả sâu của pin
Tại mỗi thời điểm thì mức năng lượng lưu trữ trong pin được
tính theo công thức sau:
Ebt (t + 1) = Ebt (t) − dt × Pbt (t)
Mức năng lượng này luôn bị ràng buộc bởi giá trị mức năng
lượng thấp nhất (Ebtmin) và mức năng lượng cao nhất (Ebtmax).

Mức năng lượng tối đa mà pin có thể lưu trữ:
Ebt max (kWh) = Ebt cell × nbt
Trong đó: nbt là số lượng pin sử dụng cho hệ thống.
3.3. TẢI TIÊU THỤ
Trong luận văn này, tải tiêu thụ được nghiên cứu giả định là
một khu chung cư tập thể. Các hộ gia đình trong khu chung cư này
được xem là như nhau. Để đơn giản quá trình tối ưu hoá và tính toán,
chúng ta sẽ xem tổng của ba pha thành một pha.
Các dữ liệu về dòng tải tiêu thụ được lưu dưới dạng file .xlsx.
Ta tổng các tải tiêu thụ là các hộ gia đình thành một tải lớn với ba
pha. Để đơn giản hóa việc tối ưu, ta sẽ lấy tổng công suất tiêu thụ bởi
ba pha. Giả sử điện áp không đổi là 220V và đơn vị công suất được
tính bằng kW.


16
𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑𝑠 (𝑡) = 𝑉 ∗ (𝐼𝐿1 (𝑡) + 𝐼𝐿2 (𝑡) + 𝐼𝐿3 (𝑡)) ∗ 10−3

(3.3)

CHƯƠNG 4
QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG
4.1. PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU SLSQP
Phương pháp SQP giải quyết một chuỗi các bài toán con tối ưu
hóa. Các phương pháp SQP đã được thực hiện trong nhiều gói, bao
gồm KNITRO, NPSOL, SNOPT, NLPQL, OPSYC, OPTIMA,
MATLAB, GNU Octave, SQP, SciPy.
4.2. XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU
4.2.1. Mô hình tối ưu hóa
 Đầu vào:

-

Công suất và năng lượng của pin lưu trữ năng lượng.

-

Công suất cung cấp bởi lưới điện.

 Đầu ra:
-

Tối ưu giá thành tiêu thụ điện của hệ thống

 Với hệ thống đã giới thiệu, chúng ta có các tham số sau:
-

Các thông số kỹ thuật của pin lưu trữ năng lượng.
Các thông số kỹ thuật của pin mặt trời.

-

Công suất cung cấp bởi pin mặt trời (PV).

Công suất của tải và công suất lưới.
Hàm mục tiêu là giảm thiểu đến mức thấp nhất chi phí sử dụng
điện của hệ thống.
-


17

PL

P
E

PPV

Giá tiền quá
trình sử
dụng năng
lượng của
hệ thống

Mô hình tối ưu

P

NBA

NPV

Price

Hình 4. 1 Mô hình tối ưu hóa
4.2.2. Hàm mục tiêu và các ràng buộc
 Hàm mục tiêu được diễn tả bởi công thức sau:
𝑇

min(𝐶𝐹) = min (∑ 𝐶𝑅(𝑡) + 𝐶𝑃(𝑡))

(4.1)

𝑡0

Trong đó:
: giá thành cuối cùng của việc sử dụng điện
toàn hệ thống
CR (cash received) : lợi nhuận thu được từ việc bán điện
: giá mua điện từ lưới và chi phí khấu hao của
CP (cash paid)
pin
Lợi nhuận thu được từ việc bán điện cho lưới được tính như
sau :
CF (cash flow)

𝐶𝑅(𝑡) = 𝑃𝐺𝑅𝐼𝐷 (𝑡) × 𝐹𝑖𝑇(𝑡) × 𝑡

(4.2)


18
Trong đó :
: công suất điện chuyển lên lưới

PGRID

(trong trường hợp này: 𝑃𝐺𝑅𝐼𝐷 ≤ 0)
FiT (Feed-in-tariff)
: biểu giá điện hỗ trợ

“ CP ” bao gồm giá mua điện từ lưới điện và giá khấu hao
của pin, được xác định bởi công thức sau:
(4.3)
𝐶𝑃(𝑡) = 𝑃𝐺𝑅𝐼𝐷 (𝑡) × 𝐸𝑔𝑃(𝑡) × 𝑡 + 𝐵𝑟𝐶(𝑡)
PGRID

Trong đó:
: công suất điện nhận từ lưới

(trong trường hợp này: 𝑃𝐺𝑅𝐼𝐷 ≥ 0)
EgP
: giá điện tiêu thụ (Electric grid Price)
BrC
: chi phí khấu hao pin
Trong chương này, chi phí khấu hao của pin (BrC) ở từng
thời điểm tương ứng với chi phí của dung lượng bị thất thoát trong
khoảng thời gian chuyển tiếp ∆t. Nó được tính theo sự thay đổi của
SOH (∆SOH) ở từng thời điểm [1]. Tuy nhiên, trong bài viết chúng ta
bỏ qua chi phí khấu hao của pin vì không đáng kể. Đồng thời, khác
với các nước Châu Âu, tại Việt Nam chưa có chính sách hỗ trợ giá
điện khi bán lại cho lưới.
Do đó, từ tất cả các biểu thức trên, hàm mục tiêu được viết lại
như sau:
𝑇

min(𝐶𝐹) = 𝑚𝑖𝑛 ∑(𝑃𝐺𝑅𝐼𝐷 (𝑡) × 𝐸𝑔𝑃(𝑡) × 𝑑𝑡)

(4.7)

𝑡0

Giá tiền cho một chữ điện tiêu thụ của hệ thống chúng ta chia
làm ba mức giá ứng với các giờ tiêu thụ cho tải khác nhau trong một
ngày. Cụ thể như Bảng 4.1:


19
Thời điểm sử dụng

Giá bán điện (đồng/kWh)

Giờ bình thường

1.405

Giờ thấp điểm
Giờ cao điểm

902
2.556

Bảng 4.1 Giá bán điện theo thời điểm sử dụng
 Các ràng buộc của hệ thống
+ Phương trình cân bằng về công suất:
(4.8)
𝑃𝐿𝑜𝑎𝑑𝑠 (𝑡) = 𝑃𝑃𝑉 (𝑡) + 𝑃𝐵𝐴𝑇 (𝑡) + 𝑃𝐺𝑅𝐼𝐷 (𝑡)
+ Bất phương trình ràng buộc về trạng thái sạc của pin :
(4.9)
𝐸𝑏𝑡𝑚𝑖𝑛 − 𝐸𝑏𝑡 (𝑡) ≤ 0
(4.10)

𝐸𝑏𝑡 (𝑡) − 𝐸𝑏𝑡𝑚𝑎𝑥 ≤ 0
+ Giới hạn cho lưới và pin trong suốt quá trình hoạt động như sau:
0 ≤ 𝑃𝑔𝑟𝑖𝑑 ≤ 𝑃𝐿𝑜𝑎𝑑𝑠

(4.11)

(4.12)
𝐸𝑏𝑡𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝐸𝑏𝑡 ≤ 𝐸𝑏𝑡𝑚𝑎𝑥
𝐸𝑏𝑡𝑚𝑎𝑥
𝐸𝑏𝑡𝑚𝑎𝑥
(4.13)
−
≤ 𝑃𝑏𝑡 ≤
𝑑𝑡
𝑑𝑡
+ Bất phương trình ràng buộc về công suất của lưới điện
𝑃𝐺𝑅𝐼𝐷𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝑃𝐺𝑅𝐼𝐷 (𝑡) ≤ 𝑃𝐺𝑅𝐼𝐷𝑚𝑎𝑥

(4.14)

4.3. ÁP DỤNG THUẬT TOÁN SQP VÀO VIỆC TỐI ƯU NĂNG
LƯỢNG HỆ THỐNG
Cấu trúc hàm SQP cho việc tối ưu như sau:
scipy.optimize.minimize(fun, x0, args=(), method=None, jac=None,
hess=None, hessp=None, bounds=None, constraints=(), tol=None,
callback=None, options=None)
Trong đó:
Fun
: hàm mục tiêu
Method

: Phương pháp sử dụng để tối ưu
Bounds
: tập các giới hạn
constraints
: tập các ràng buộc của hệ thống


20

CHƯƠNG 5 - MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ
5.1. CÁC GIÁ TRỊ THAM SỐ MÔ PHỎNG
Chúng ta khởi tạo các giá trị ban đầu như sau:
Pgrid (i) = 150
𝐸𝑏𝑡𝑚𝑖𝑛
𝑃𝑏𝑡 (𝑖) =
𝑑𝑡
𝐸𝑏𝑡 (𝑖) = 𝐸𝑏𝑡𝑚𝑖𝑛

(5.1)
(5.2)
(5.3)

Chúng ta cố định các giới hạn cho lưới và pin trong suốt quá
trình hoạt động như sau:
0 ≤ 𝑃𝑔𝑟𝑖𝑑 ≤ 𝑃𝐿𝑜𝑎𝑑𝑠

(5.4)

𝐸𝑏𝑡𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝐸𝑏𝑡 ≤ 𝐸𝑏𝑡𝑚𝑎𝑥

(5.5)

𝐸𝑏𝑡𝑚𝑎𝑥
𝐸𝑏𝑡𝑚𝑎𝑥
≤ 𝑃𝑏𝑡 ≤
𝑑𝑡
𝑑𝑡

(5.6)

−

5.2. MÔ PHỎNG BẰNG PYTHON
Kết quả mô phỏng

Hình 5. 1 Công suất ba pha tất cả tải tiêu thụ


21

Hình 5. 2 Tổng công suất của ba pha của các tải tiêu thụ

Hình 5. 3 Công suất các thành phần tham gia trong hệ thống


22

Hình 5. 4 Công suất của các nguồn cung cấp và của các tải tiêu thụ

Hình 5. 5 Năng lượng của pin trong quá trình tối ưu

23

Nhận xét
Sau khi mô phỏng bằng Python, ta đã hoàn thành được tầng
thứ 2 là tối ưu điều phối điện năng. Trong suốt quá trình tối ưu điều
phối điện năng, vấn đề về quản lý năng lượng đã được thực hiện ở
tầng này. Các dự đoán dựa trên dữ liệu thu thập được từ những ngày
trước đó được tối ưu hóa. Nhìn vào kết quả mô phỏng ta có thể thấy
được các giới hạn và các ràng buộc cho hệ thống thiết lập từ ban đầu
đều được thỏa mãn. Tải tiêu thụ luôn được đáp ứng đủ nhu cầu về
công suất tại mỗi thời điểm, điều đó thể hiện rõ qua đồ thị Hình 5. 4.
Pin dự trữ năng lượng cũng được sử dụng một cách hợp lý qua
việc nạp xả vào những thời điểm hợp lý nhằm đáp ứng đủ công suất
cung cấp cho tải vào những lúc cao điểm khi lượng tiêu thụ của tải
vượt so với khả năng cung cấp của lưới điện.