Điều khiển tối ưu hệ thống điện lai dieselsức giómặt trời cho hải đảo Việt Nam

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành
quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất
hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được chính xác và trung thực.
Ngày

tháng 09 năm 2019
Tác giả luận án

Diệp Thanh Thắng

1


Lời cảm ơn

Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến sự hướng dẫn tận tình, cũng như sự
động viên khích lệ và sự đồng cảm của tập thể hướng dẫn: GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang,
TS. Nguyễn Đức Huy trong suốt quá trình thực hiện luận án từ hình thành ý tưởng cho đề
tài, xây dựng kế hoạch thực hiện và thiết kế cấu trúc theo trình tự từng bước hình thành luận
án.
Tôi xin được cảm ơn Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa đã tạo điều kiện thuận
lợi cho tôi có môi trường nghiên cứu cởi mở và nghiêm túc cùng cơ sở vật chất cần thiết để
thực hiện luận án, quan trọng hơn đã có những đóng góp trao đổi thiết thực và sâu sắc về nội
dung chuyên môn trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin được cảm ơn đến các thầy cô
giáo trong Viện Điện – ĐHBK Hà Nội, với những hướng dẫn chuyên môn hết sức cần thiết
và rất giá trị.
Tôi xin được cảm ơn đến những người bạn, các nghiên cứu sinh của Viện Kỹ thuật Điều
khiển và Tự động hóa và Viện Điện đã động viên và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình
thực hiện luận án.

Cuối cùng, tôi dành tình cảm và lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, đặc biệt là vợ
tôi, những người đã động viên, chia sẻ và giúp đỡ tôi trong những lúc khó khăn suốt những
ngày tháng thực hiện luận án.

2


Mục lục

Lời cam đoan………………………………….................................................................... 1
Lời cảm ơn…………………………………….................................................................... 2
Mục lục……………………………………….. ................................................................... 3
Danh mục chữ viết tắt và các ký hiệu…………… ............................................................ 8
Danh mục các bảng………………………….. ................................................................. 11
Danh mục các hình vẽ, đồ thị……………………………….. ......................................... 12
Mở đầu……………………………………….. .................................................................. 15
1. Sự cần thiết của đề tài ............................................................................................. 15
2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................... 17
3. Mục tiêu của luận án ............................................................................................... 18
4. Phương pháp luận và phương pháp toán học .......................................................... 18
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................ 19
6. Đóng góp của luận án ............................................................................................. 19
7. Bố cục của luận án .................................................................................................. 20
Chương 1 Tổng quan……………………… .................................................................. 21
1.1

Sơ lược năng lượng tái tạo ................................................................................. 21

1.2

Hệ thống điện lai có diesel chạy nền ................................................................. 22

1.2.1 Khái niệm hệ thống điện lai MG ............................................................... 22
1.2.2 Hệ thống điện MG chế độ không nối lưới ................................................. 23
1.2.3 Vấn đề đánh giá kinh tế của hệ thống điện MG......................................... 24
1.3 Chế độ làm việc của hệ thống điện MG ............................................................ 25
1.3.1 Nguồn điện và các chế độ làm việc ........................................................... 26
1.3.2 Chất lượng điện năng ................................................................................. 27
1.3.3 Dự phòng nóng .......................................................................................... 29
1.3.4 Đối tượng điều khiển của đề tài ................................................................. 29
1.4 Các nguồn phát trong hệ thống điện MG .......................................................... 30
1.5

Bài toán phân bố tối ưu công suất ..................................................................... 30

1.6

Hướng nghiên cứu của luận án .......................................................................... 35

3


1.7

Nhiệm vụ của luận án ........................................................................................ 36

1.8

Kết luận chương 1 ............................................................................................. 36

Chương 2 Cơ sở lý thuyết điều khiển tối ưu……………… ........................................... 38
2.1

Mở đầu ............................................................................................................... 38

2.2

Khái niệm điều khiển tối ưu .............................................................................. 38

2.2.1 Phương pháp biến phân.............................................................................. 38
2.2.2 Nguyên lý cực đại Pontryagin.................................................................... 39
2.3 Phương pháp quy hoạch động ........................................................................... 40
2.3.1 Các định nghĩa cơ bản ................................................................................ 41
2.3.2 Bài toán điều khiển tối ưu cho hệ xác định ................................................ 42
2.3.3 Đặt bài toán ................................................................................................ 42
2.3.4 Phương trình Hamilton-Jacobi-Bellman .................................................... 42
2.3.5 Bài toán điều khiển tối ưu cho hệ ngẫu nhiên ............................................ 45
2.4 Lời giải phương trình HJB và phương pháp số ................................................. 47
2.5

Kết luận chương 2 ............................................................................................. 47

Chương 3 Xây dựng chiến lược phát công suất tối ưu bằng phương pháp quy hoạch
động…………………………………………………………………………. .. 49
3.1

Mở đầu ............................................................................................................... 49

3.2

Mô tả bài toán tối ưu công suất phát ................................................................. 50

3.2.1 Hệ thống điện MG không nối lưới trường hợp tổn thất là hằng số............ 50
3.2.2 Các thành phần tham gia phát điện ............................................................ 51
3.2.3 Ý tưởng dùng hàm phạt cho bài toán điều khiển tối ưu công suất phát ..... 51
3.2.4 Bài toán phân bố tối ưu công suất phát dạng tổng quan ............................ 54
3.3 Mô hình bài toán điều khiển tối ưu công suất phát ........................................... 56
3.3.1 Biến điều khiển .......................................................................................... 56
3.3.2 Hàm mục tiêu ............................................................................................. 56
3.3.3 Các ràng buộc ............................................................................................ 56
3.3.4 Phương pháp quy hoạch động .................................................................... 56
3.3.5 Phân tích sách lược điều khiển tối ưu, chứng minh hàm phạt bằng 0 ....... 60
3.3.6 Hệ thống điều khiển cung-cầu ................................................................... 63
3.4 Sơ đồ tìm dòng công suất phát tối ưu ................................................................ 63
3.5

Phương pháp số giải phương trình HJB ............................................................ 66

3.6

Ví dụ với thông số giả định ............................................................................... 67

3.6.1
3.6.2

Ví dụ 1: Hệ thống gồm 1 máy phát diesel ................................................. 67
Ví dụ 2: Hệ thống gồm 2 máy phát diesel ................................................. 72
4

3.7

Ảnh hưởng công suất inverter ........................................................................... 78

3.8

Kết luận chương 3 ............................................................................................. 79

Chương 4 Xây dựng chiến lược phát công suất với bước nhảy Markov…………… .. 81
4.1

Mở đầu ............................................................................................................... 81

4.1.1 Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................. 81
4.1.2 Lược sử khoa học ....................................................................................... 81
4.2 Giới thiệu bài toán ............................................................................................. 82
4.2.1
4.2.2

Mô tả hệ thống MG khi DEG xảy ra hỏng hóc .......................................... 82
Hàm mục tiêu ............................................................................................. 85

4.2.3 Các ràng buộc ............................................................................................ 85
4.3 Phát triển mô hình toán học ............................................................................... 86
4.3.1 Lựa chọn biến điều khiển và xây dựng hàm phạt ...................................... 86
4.3.2 Phương trình Hamilton-Jacobi-Bellman .................................................... 87
4.3.3 Sách lược điều khiển tối ưu tối ưu phát công suất ..................................... 89
4.4 Phương pháp số cho mô hình Rischel ............................................................... 91
4.5

Ví dụ bằng số ..................................................................................................... 93

4.5.1
4.5.2
4.6

Thông số hệ thống...................................................................................... 93
Kết quả chạy trên mô hình ......................................................................... 95

Kết luận chương 4 ............................................................................................. 97

Chương 5 Mô phỏng thông số thực tế và cài đặt hệ thống SCADA………………….. 99
5.1

Xác định công suất đặt HTĐ MG diesel-sức gió-mặt trời................................. 99

5.2

Giới thiệu hệ thống điện diesel-sức gió dữ liệu thực tế ..................................... 99

5.2.1 Thực trạng hệ thống sức gió-diesel ............................................................ 99
5.2.2 Logic điều khiển hệ thống SCADA ......................................................... 102
5.2.3 Điều khiển tần số ..................................................................................... 103
5.2.4 Các điều kiện kỹ thuật khác ..................................................................... 104
5.3 Bài toán điều khiển công suất phát hệ thống điện sức gió-diesel trên đảo Phú Quý
......................................................................................................................... 104
5.3.1 Đặt bài toán .............................................................................................. 104
5.3.2 Phương trình Hamilton-Jacobi-Bellman .................................................. 105
5.3.3 Kết quả chạy mô hình viết trên Matlab .................................................... 108
5.4 Đề xuất HTĐ sức gió-mặt trời-diesel Phú Quý ............................................... 110

5.4.1
5.4.2
5.4.3

Lựa chọn công suất phát .......................................................................... 110
Tiềm năng điện mặt trời tại Việt Nam và đảo Phú Quý .......................... 111
Lựa chọn công nghệ pin mặt trời ............................................................. 113
5


5.4.4 Bài toán điều khiển tối ưu công suất phát ................................................ 116
5.5 Sơ đồ cài đặt hệ thống SCADA ....................................................................... 120
5.6

Kết luận chương 5 ........................................................................................... 123

Kết luận chung và kiến nghị………………… ............................................................... 124
Tài liệu tham khảo…………………………… ............................................................... 126
Danh mục các công trình đã công bố của luận án ........................................................ 131
Phụ lục……………………………………….. ................................................................ 132
Phụ lục A: Các nguồn phát trong hệ thống điện MG................................................ 132
A.1 Máy phát điện mặt trời ...................................................................................... 132
A.1.1 Sản xuất pin quang điện và thị trường ....................................................... 132
A.1.2 Mô hình hóa điện mặt trời.......................................................................... 133
A.1.3 Tổng quan cấu trúc bộ biến đổi điện mặt trời ............................................ 135
A.2 Máy phát điện sức gió ....................................................................................... 140
A.2.1 Cấu tạo ....................................................................................................... 140
A.2.2 Mô hình toán học ....................................................................................... 141
A.2.3 Cấu trúc bộ biến đổi máy phát điện sức gió.............................................. 141
A.2.4 Phân loại máy phát điện gió ........................................................................ 142

A.2.5. Khái quát về hệ thống phát điện gió sử dụng máy phát đồng bộ ............... 144
A.3 Máy phát điện diesel ........................................................................................ 146
A.3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc .................................................................. 147
A.3.2 Mô hình toán học ...................................................................................... 147
A.4 Kho điện ........................................................................................................... 148
A.4.1 Khái niệm về kho điện ............................................................................... 148
A.4.2 Các loại kho điện ..................................................................................... 149
A.4.3 Cấu trúc thiết bị kho điện dùng siêu tụ ..................................................... 151
A.4 Khái niệm tải giả .............................................................................................. 151
Phụ lục B: Giả thiết của Rischel ............................................................................... 153
Phụ lục C: Xây dựng phương trình HJB ................................................................... 154
C1. Chứng minh điều điều kiện tối ưu của phương trình HJB ............................. 154
C.2. Phương trình tích phân .................................................................................. 154
C.3. Phương trình vi phân đạo hàm riêng ............................................................. 155
C.4. Điều khiển phản hồi ...................................................................................... 155
Phụ lục D: Xác định công suất đặt HTĐ MG diesel-sức gió-mặt trời ........................ 157
D.1 Các định nghĩa cơ bản .................................................................................. 157
D.2 Quy trình lựa chọn công suất thiết kế .......................................................... 158
6


Phụ lục E: Hình ảnh và số liệu hệ thống điện trên đảo Phú Quý .............................. 159
E.1. Hình ảnh Phú Quý ......................................................................................... 159
E.2. Số liệu công suất phát và phụ tải Phú Quý .................................................... 160

7


Danh mục chữ viết tắt và các ký hiệu

Chữ viết tắt
Chữ
AC
CG
CIT

Tiếng Anh
Alternating Current
Conventional Generation
Communication and Information

Tiếng Việt
Dòng xoay chiều
Phát điện truyền thống
Công nghệ truyền thông và thông tin

Technology
CSPK
DC
DEG
DFIG
DL
DP
DG
ĐKTƯ
EMS
IBS
IEC
IED
HJB

HPS
HTĐ
MG
MTBF
MTTR
OPF
PCC
PMG
PHS
PV
RES
WTG

Direct Current
Diesel Engine Generator
Doubly-Fed Induction Generator
Dump load
Dynamic Programing
Distributed Generation
Energy Management System
Intelligent Bypass Switch
International Electrotechnical
Committee
Intelligent Electronic Device
Hamilton-Jacobi-Bellman
Hybrid power system

Công suất phản kháng
Dòng một chiều
Máy phát điện diesel

Máy phát điện cảm ứng nguồn kép
Tải giả
Quy hoạch động
Phát điện phân tán
Điều khiển tối ưu
Hệ thống quản lý năng lượng
Thiết bị chuyển mạch thông minh
Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế

Micro Grid
Mean time between failures
Mean time to repair

Thiết bị điện tử thông minh
Gọi chung cho phương trình HJB
Hệ thống điện lai
Hệ thống điện
Lưới điện siêu nhỏ
Thời gian trung bình giữa hai lần hư hỏng
Thời gian trung bình từ lúc máy hỏng cho

Optimal Power Flow
Point of Common Coupling
Permanent magnet generator
Power Hybrid System
Photovoltaic
Renewable Energy Source
Wind Turbine Generator

đến khi máy phục hồi

Dòng công suất tối ưu
Điểm kết nối chung
Máy phát nam châm vĩnh cửu
Hệ thống điện lai
Pin quang điện
Nguồn năng lượng tái tạo
Máy phát điện tuabin gió
8


Các ký hiệu
Ký hiệu
A

Đơn vị
m2

Định nghĩa
Vùng quét của cánh quạt tuabin gió

A (t )

Miền xác định của biến điều khiển

cp

u,uDEG, uEES
Hệ số công suất phụ thuộc vào tỷ số tốc
Độ  và góc quay trục rotor 

c

$/kWh

Chi phí phạt do mất cân bằng công suất

cDEG
D
E[]

$/kWh

Chi phí sản xuất điện diesel
Miền xác định chấp nhận được
Ký hiệu kỳ vọng toán học

f

Hàm trạng thái

H[]
G(.), g(.) $/đơn vị thời gian
IPV
A
ir,s
A
i = 0, i =1
i I

Hàm Hamilton

Hàm chi phí đơn vị
Đặc tính V-A của pin quang điện
Dòng điện rơi trên rotor/stator
Chỉ số trạng thái máy phát diesel

J(t,X,.)

$

Hàm chi phí tổng (hàm mục tiêu)

eV/K
kW

Hệ số trên trục cứng
Hằng số Boltzmann
Công suất của máy phát diesel

K
KB
PDEG

Pdis/charge kW
PL
kW
PWTG
kW
PPV
kW
DEG 1,2

kW
Pmax/ min
WTG 1,2

Pmax/ min

kW

PV 1,2
Pmax/
min

kW

Pw
Pprij(t)
pij

kW

Công suất nạp/xả của inverter
Nhu cầu phụ tải
Công suất của máy phát tuabin gió
Công suất của máy phát điện mặt trời
Công suất max/min của máy phát
diesel
Công suất max/min của máy phát
tuabin gió
Công suất max/min của máy phát điện
mặt trời

Năng lượng sinh ra từ gió
Xác suất chuyển đổi trạng thái i sang j
Tỷ số chuyển đổi trạng thái i sang j

9


Điện tích electron
Ký hiệu tập xác định trong bài toán
điều khiển tối ưu
Điện trở trên rotor và stator
Điều kiện biên hàm giá trị v(t,X)

Q

coulomb

Rr,s
S(T,.)
TM

ohm
$
Nm

uDEG
u
vr,vs

kW

kW
Volt

Mômen xoắn của trục
Biến điều khiển công suất của DEG
Vector biến điều khiển
điện áp rơi trên rotor/stator của WTG

$
kW

Hàm giá trị theo biến x
Hàm giá trị theo biến X
Biến điều khiển inverter nạp/xả

kWh

Vector biến trạng thái
Điểm tối ưu trạng thái (hedging point)

v(t, x)
v(t, X)
uEES
x
Z

MG


Hệ số xoắn trên trục

kg/m3

 (t )

Mật độ không khí



Biến liên kết, biến phụ dùng trong hàm
Hamilton
Tỷ số phá hủy (failure rate)



Tỷ số phục hồi (repair rate)

(t)

Quá trình Markov, t  0

(t)

Hàm nhiễu, t  0

M

rad/s

DM.M

 r ,s

Tốc độ góc của tuabin gió
Độ giảm mômen xoắn trong tuabin gió

Wb

Từ thông rotor và stator

10


Danh mục các bảng

Bảng 3.1: Thông số hệ thống điện sức gió-diesel-mặt trời, kho điện ESS .......................... 68
Bảng 3.2: Thông số hệ thống điện lai sức gió-diesel-mặt trời............................................. 74
Bảng 4.1: Thông số hệ thống điện lai sức gió-diesel-mặt trời............................................. 94
Bảng 5.1: Thông số hệ thống điện lai sức gió-diesel năm tháng 02 năm 2018 ................. 108
Bảng 5.2 So sánh ba phương án công nghệ tấm pin mặt trời ............................................ 114
Bảng 5.3 Thông số kỹ thuật của inverter 3 pha ở điều kiện tiêu chuẩn............................. 114
Bảng 5.4. Thông số hệ thống…………………. ................................................................ 115
Bảng 5.5: Thông số tương lai hệ thống điện lai sức gió-diesel-mặt trời-kho điện ............ 117
Bảng A.1. Phân loại công nghệ kho điện theo thời gian nạp/xả........................................ 149
Bảng A.2. Công suất và thời gian đáp ứng hệ thống ......................................................... 151

11


Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình M.1. Sơ đồ 1 sợi rút gọn hệ thống điện lai MG .......................................................... 16
Hình M.2. Bố cục của luận án………………… ................................................................. 20
Hình 1.1: Đầu tư toàn cầu vào năng lượng tái tạo [tỷ USD] .............................................. 21
Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điện MG….. .................................................................. 22
Hình 1.3: Hệ thống điện MG không nối lưới….. ................................................................ 23
Hình 3.1. Mô hình hệ thống điện MG không nối lưới quốc gia ......................................... 50
Hình 3.2: Sản xuất điện theo nhu cầu………… .................................................................. 62
Hình 3.3a: Sơ đồ quá trình tìm dòng công suất phát tối ưu cho hệ thống điện MG ............ 64
Hình 3.3b: Minh họa thuật toán tìm kiếm chiến lược điều khiển tối ưu ............................. 65
Hình 3.4: Thuật toán Kushner giải phương trình HJB ........................................................ 67
Hình 3.5 Dự báo nhu cầu phụ tải…………….. .................................................................. 68
Hình 3.6 Dự báo công suất điện gió………………………….. .......................................... 69
Hình 3.7 Dự báo công suất điện mặt trời………................................................................. 69
Hình 3.8 Chính sách phát công suất tối ưu của máy phát diesel ......................................... 70
Hình 3.9 Chính sách nạp/xả của kho điện………….. ......................................................... 70
Hình 3.10 Năng lượng điện sản xuất tối ưu [kWh] ............................................................. 71
Hình 3.11 Tương quan chính sách phát công suất tối ưu giữa các nguồn [kW] ................. 71
Hình 3.12 Sai số mô hình và phụ tải trên sản lượng điện [%] ............................................. 72
Hình 3.13 Hệ thống điện MG gồm 2 máy phát DEG và ESS ............................................. 72
Hình 3.14: Dự báo nhu cầu phụ tải…………… .................................................................. 73
Hình 3.15: Dự báo công suất điện gió………… ................................................................. 73
Hình 3.16 Dự báo công suất điện mặt trời……................................................................... 74
Hình 3.17 Chính sách phát công suất tối ưu của hai máy phát diesel ................................. 75
Hình 3.18 Năng lượng điện sản xuất tối ưu [kWh] ............................................................. 76
Hình 3.19: Sai số giữa mô hình và phụ tải trên sản lượng điện [%] ................................... 76
Hình 3.20 Tổng hợp phụ tải, các nguồn phát và kho điện ESS [kW] ................................. 77
Hình 3.21 Ảnh hưởng công suất inverter kho điện lên hàm giá trị .................................... 78
12

Hình 4.1: Hệ thống điện MG cách ly lưới quốc gia ........................................................... 82
Hình 4.2: Quá trình chuyển đổi trạng thái của máy phát DEG .......................................... 84
Hình 4.3. Thuật toán Kushner cho mô hình Markov ........................................................... 92
Hình 4.4. Mô hình hệ thống điện lai độc lập lưới................................................................ 93
Hình 4.5: Dự báo nhu cầu phụ tải…………….. .................................................................. 94
Hình 4.6: Dự báo công suất điện gió……………. .............................................................. 94
Hình 4.7. Dự báo công suất điện mặt trời…………............................................................ 95
Hình 4.8. Chính sách phát công suất tối ưu của máy phát diesel ........................................ 96
Hình 4.9. Năng lượng điện sản xuất tối ưu [kWh] .............................................................. 96
Hình 4.10. Tương quan chính sách phát công suất tối ưu giữa các nguồn [kW] ................ 97
Hình 5.1 Hệ thống điện lai sức gió-diesel đảo Phú Quý ................................................... 100
Hình 5.2 Phụ tải điển hình ngày tết trên đảo Phú Quý ...................................................... 101
Hình 5.3 Phụ tải điển hình ngày bình thưởng trên đảo Phú Quý....................................... 101
Hình 5.4: Đặc tính công suất phát của turbine V80 và máy phát diesel Cummin............. 102
Hình 5.5: Mô hình hệ thống điện lai nhỏ cách ly lưới quốc gia ....................................... 106
Hình 5.6: Chính sách phát công suất tối ưu của hai máy phát diesel [kW] ....................... 109
Hình 5.7: Năng lượng điện sản xuất tối ưu [kWh] ............................................................ 109
Hình 5.8: Sai số giữa phụ tải và mô hình tính toán [kW] .................................................. 109
Hình 5.9. Sản lượng điện hàng năm trên đảo Phú Quý ..................................................... 111
Hình 5.10. Các kịnh bản tăng trưởng phụ tải trên đảo Phú Quý ....................................... 111
Hình 5.11: Bản đồ bức xạ mặt trời trên toàn lãnh thổ Việt Nam ...................................... 112
Hình 5.12: Bức xạ mặt trời trên đảo Phú Quý…. .............................................................. 112
Hình 5.13. Sản lượng tấm pin mặt trời theo từng loại công nghệ (%) .............................. 113
Hình 5.14 Sản lượng điện do hệ thống điện mặt trười sinh ra hàng tháng ........................ 115
Hình 5.15. Sơ đồ hệ thống điện lai sức gió-diesel-mặt trời trên đảo Phú Quý .................. 116
Hình 5.16. Sơ đồ hệ thống điện MG sức gió-diesel-mặt trời-kho điện ............................. 116
Hình 5.17: Dự báo nhu cầu phụ tải đến năm 2023 ............................................................ 117
Hình 5.18: Dự báo công suất điện gió………… ............................................................... 118
Hình 5.19: Dự báo công suất điện mặt trời…… ............................................................... 118
Hình 5.20: Chính sách phát công suất tối ưu của máy phát diesel .................................... 119

13


Hình 5.21. Năng lượng điện sản xuất tối ưu [kWh] .......................................................... 119
Hình 5.22. Tương quan chính sách phát công suất tối ưu giữa các nguồn [kW] .............. 120
Hình 5.23. Sơ đồ xây dựng biểu đồ vận hành SCADA sử dụng dòng công suất tối ưu.... 121
Hình A.1: Định luật Swanson………………… ............................................................... 132
Hình A.2: Mô hình tế bào quang điện………… ............................................................... 133
Hình A.3: Quan hệ I(U) và P(U) của PV………….. ......................................................... 134
Hình A.4: Hệ thống điện mặt trời…………….. ................................................................ 136
Hình A.5: Cấu trúc và sơ đồ kết nối hệ thống điện mặt trời.............................................. 137
Hình A.6: Sơ đồ khối chức năng điều khiển ĐTCS nối lưới cho pin mặt trời .................. 138
Hình A.7: Tái cấu trúc các tấm pin……………. ............................................................... 139
Hình A.8:a) Đặc tính công suất ppv(upv) và b) sơ đồ khối điều khiển ............................... 139
Hình A.10: Turbine truyền động trực tiếp……. ................................................................ 140
Hình A.11: Hệ thống phát điện gió căn bản…… .............................................................. 141
Hình A.12: Phân loại máy phát điện gió [90]… ................................................................ 142
Hình A.13: Hệ thống điều khiển điện tử công suất nối lưới cho máy phát điện gió [24] . 143
Hình A.14: Máy phát đồng bộ kích thích vĩnh cửu ........................................................... 144
Hình A.15 Hệ thống phát điện gió dùng MP loại ĐB-KTVC cùng với bộ CL đơn giản .. 145
Hình A.16: Hệ thống phát điện gió với dàn ắc-quy ........................................................... 145
Hình A.17. Khái quát cấu trúc HTPĐ gió sử dụng MP loại ĐB-KTVC công suất nhỏ .... 146
Hình A.18: Minh họa máy phát diesel [95]…… ............................................................... 147
Hình A.20: Minh họa kho điện sử dụng siêu tụ cho bù phân tán ...................................... 150
Hình A.21: Kho điện sử dụng ắc quy cho bù tập trung ..................................................... 150
Hình C.1: Điều khiển phản hồi mạch kín……… .............................................................. 155
Hình E.1: Máy phát Cummins và CAT……….. ............................................................... 159
Hình E.2: Nhà máy điện gió Phú Quý………… ............................................................... 159
Hình E.3: Tuabin gió VESTAS và trạm 22kW… ............................................................. 160

Hình E.4: Phụ tải điển hình ngày 26/5/2015…… ............................................................. 160
Hình E.5: Phụ tải điển hình ngày 17/11/2015…. .............................................................. 161
Hình E.6: Phụ tải điển hình không chạy tuabin gió ngày 01/07/2018 ............................... 161

14


Mở đầu

1. Sự cần thiết của đề tài
Trong tất cả các hệ thống công nghiệp thì hệ thống điện (HTĐ) là hệ thống có độ phức
tạp vào bậc nhất. Độ phức tạp không những vì cấu trúc vật lý mà còn tính an sinh xã hội, vì
HTĐ ảnh hưởng trực tiếp lên tất cả đời sống kinh tế xã hội hàng ngày từ công nghiệp, truyền
thông, thông tin, nông nghiệp, sinh hoạt, giao thông vận tải, vui chơi giải trí và thương mại.
Ngoài ra HTĐ là hệ thống sản xuất công nghiệp duy nhất mà việc sản xuất ra thành phẩm
không có khả năng tích trữ. Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp điện lực từ hơn
một trăm năm qua đã cho phép xây dựng các hệ thống lớn đáng tin cậy và kinh tế, ngành
công nghiệp điện lực không dừng lại thiết kế xây dựng các hệ thống gồm các nhà máy điện
truyền thống CG (conventional generation) như thủy điện, nhiệt điện, hạt nhân, mà còn phát
triển mạnh mẽ thống điện tái tạo RES (renewable enegry system) như điện gió, điện mặt trời
quy mô lớn trên phạm vi toàn cầu.
Bên cạnh sự tồn tại của hệ thống điện quốc gia gồm các nhà máy điện truyền thống CG,
và các trang trại sử dụng điện gió WTG (wind turbine generator), điện mặt trời PV
(photovoltaic generator) ở quy mô lớn có nối lưới quốc gia tạo nên hệ thống điện có nguồn
phát và phụ tải tiêu thụ vô cùng lớn, sự xuất hiện của các mô hình các hệ thống điện lai nhỏ
MG (microgrid) gồm các nguồn phát điện phân tán DG (distributed generation) không nối
lưới quốc gia cung cấp cho hải đảo, vùng sâu, vùng xa nơi chưa có điều kiện kết nối với lưới
điện quốc gia. Các hệ thống điện MG có công suất từ vài trăm kW đến hàng chục MW hoạt
động ở chế độ không nối lưới quốc gia bao gồm chủ yếu máy phát diesel DEG (diesel engine
generator), turbine điện gió WTG, và điện mặt trời PV. Các hệ phát điện sức gió và mặt trời

được tạo ra từ các nguồn sơ cấp phụ thuộc vào yếu tố thời tiết khí hậu, cho nên một mặt sử
dụng các bộ biến đổi điện tử công suất để chuyển đổi sang năng lượng điện, mặt khác chúng
được phát lên lưới MG nhờ có máy phát điện diesel phát nền.
Cũng giống như HTĐ quy mô lớn, các hệ thống điện MG đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật
như điều khiển tần số, điều khiển công suất phản kháng, khả năng trụ lưới khi có sụt áp, dự
phòng nóng cho hệ thống, việc cân bằng công suất giữa nguồn phát và phụ tải trong khi duy
trì tỷ lệ thâm nhập điện gió và điện mặt trời sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo
cung cấp điện trên lưới MG. Ngoài việc đảm bảo các điều kiện kỹ thuật về chất lượng và ổn
định hệ thống, bài toán kinh tế trong việc vận hành các nguồn phát phân tán đặt ra nhằm tối
ưu công suất phát có lợi về kinh tế khi vận hành.

15


Hơn nữa, yêu cầu lập biểu đồ vận hành cho hệ thống SCADA về công suất phát là cần
thiết trong quá trình vận hành lưới MG. Bài toán tối ưu công suất phát ở chế độ xác lập tương
đương với điều tần cấp III trong cấu trúc điều khiển phân tầng. Trong đó, cấu trúc điều khiển
phân tầng hệ thống điện MG bao gồm ba cấp điều khiển cơ bản:
(i) điều khiển sơ cấp (primary frequency control) hay còn gọi điều tần cấp I,
(ii)

điều khiến thứ cấp (secondary frequency control) − điều tần cấp II,

(iii) và điều khiển cấp ba (tertiary frequency control) − điều tần cấp III.
Điều tần cấp III có tác dụng phục hồi dự trữ từ thứ cấp, ở cấp này bài toán điều khiển trở
thành bài toán vận hành kinh tế và phân bố tối ưu công suất. Do đó, luận án đặt ra nhiệm vụ
“điều khiển tối ưu công suất phát cho hệ thống điện lai MG không nối lưới điện quốc gia”
sử dụng phương pháp quy hoạch động để tìm lời giải tối ưu. Việc điều khiển nhằm vào đối
tượng máy phát diesel và kho điện, trong khi máy phát điện gió và điện mặt trời cũng như
phụ tải là những yếu tố được dự báo trước. Trong luận án này, hệ thống điện MG bao gồm

các nguồn phân tán là máy phát diesel DEG, máy phát điện gió WTG, máy phát điện mặt
trời PV và kho điện ESS (energy storage system) được miêu tả rút ngọn trong Hình M.1.

P2

P1
Pcharge(t)
Pdescharge(t)

B-1 VG1

VG3

P3

PWTG(t)

B-3

B-4

PL1

WTG

PL1(t) Phụ tải 1

P4

VG2

B-2

ESS

PDEG(t)

P5

PPV(t)

PV

PL2(t) Phụ tải 2

DEG

PL3(t)
Phụ tải 3

Hình M.1. Sơ đồ 1 sợi rút gọn hệ thống điện lai MG
Trong đó:
- Máy phát diesel DEG là nguồn phát dùng để phát nền và phủ đỉnh, có chức năng bảo
đảm ổn định dài hạn (long-term stability);
- Máy phát điện mặt trời PV và điện sức gió WTG là nguồn cung cấp năng lượng lên
lưới;
- Kho điện ESS có chức năng bảo đảm ổn định ngắn hạn (short-term stability) công
suất biến đổi đầu ra khi xảy thay đổi phụ tải, điện gió hay điện mặt trời như sau:

dPL (t )

dt
-

® ±¥ ;

dPWTG (t )
dt

® ±¥ ;

dPPV (t )
dt

® ±¥ ;

vpcc là điện áp điểm nối chung từ các nguồn phân tán tới lưới phân phối, PL(t) là phụ
tải tiêu thụ tại thời điểm t với PL(t) = PL1(t)+ PL2(t)+ PL3(t), Pi là các tổn hao trên
đường dây.
16


2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu:
Đề xuất cách tiếp cận mới mô hình điều khiển tối ưu công suất phát cho hệ thống điện lai
không nối lưới diesel-sức gió-mặt trời tích hợp kho điện sử dụng phương pháp quy hoạch
động. Nhờ sự có mặt kho điện nên bài toán trở thành điều khiển quá trình. Trong đó mô hình
sử dụng hàm phạt nhằm xử lý độ biến thiên mất cân bằng công suất, với điều kiện các nguồn
sơ cấp bất định và phụ tải biển đổi mục đích nhằm đảm bảo cân bằng công suất trong hệ
thống. Ngoài ra tính đến khả năng máy phát diesel xảy ra sự cố.
Đối tượng nghiên cứu:

Công suất phát của hệ thống điện lai diesel-sức gió-mặt trời tích hợp kho điện là đối tượng
nghiên cứu. Công suất phát máy phát điện sức gió, điện mặt trời và phụ tải là những thành
phần không điều khiển được có các giá trị đầu vào được biết trước nhờ dự báo, đối tượng
điều khiển là công suất phát máy phát diesel và công suất nạp/xả của kho điện nhằm đảm
bảo cân bằng giữa công suất phát và phụ tải tiêu thụ.
Phạm vi nghiên cứu:
Các vấn đề được luận văn giải quyết trong các phạm phi hạn chế trong các giả thiết
(assumption) sau đây:
A.1. Công suất đặt của máy phát diesel lớn hơn công suất tiêu thụ của phụ tải.
A.2. Bỏ qua điện kháng đường dây, chỉ xét tổn thất công suất hữu công P coi là hằng
số.
A.3. Hệ thống điện MG được coi như đã thiết kế đáp ứng dòng công suất đặt của hệ
thống.
A.4. Dữ liệu phụ tải được dự báo trước. Dữ liệu công suất phát của điện sức gió và điện
mặt trời được dự báo phụ thuộc vào tốc độ gió và bức xạ mặt trời. Không xét chế độ bất khả
kháng với các điều kiện khắc nghiệt như bão, giông, động đất.
A.5. Không giải quyết bài toán dự báo riêng cho phụ tải và hệ thống điện tái tạo.
A.6. Máy phát điện diesel thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật như điều tần, điều áp. Ngoài
giới hạn điều chỉnh thì máy phát điện sức gió và điện mặt trời có khả năng tham gia điều
chỉnh bằng cách đóng cắt một phần.
A.7. Kho điện có nhiệm vụ đảm bảo ổn định ngắn hạn và trung hạn.
A.8. Luận án chỉ tập trung vấn đề điều khiển công suất phát của máy phát diesel – cấp
điều khiển điều độ, không giải quyết bài toán điều khiển thiết bị của toàn hệ thống.

17


3. Mục tiêu của luận án
Với mục đích, đối tượng và phạm vi miêu tả như trên, mục tiêu của luận án gồm ba điểm
sau:

I. Tìm công suất phát tối ưu của HTĐ lai diesel-sức gió-mặt trời-kho điện ở chế độ xác
lập với các điều kiện:
o Bài toán điều khiển biến thiên theo thời gian sử dụng tỷ lệ thâm nhập điện gió, điện
mặt trời và sự biến đổi của phụ tải trong thời gian 1 ngày (24h);
o Dữ liệu đầu vào gồm công suất điện gió, mặt trời và phụ tải dựa vào dự báo;
o Đảm bảo ổn định trong hệ thống đáp ứng Điều tần cấp I và cấp II.
o Hàm mục tiêu là cực tiểu hóa chi phí vận hành máy phát diesel và hàm phạt do mất
cân bằng công suất.
II. Tính toán và thiết kế công suất đặt HTĐ lai dựa trên nền HTĐ diesel-sức gió ngoài
hải đảo.
III. Thiết kế và cài đặt biểu đồ vận hành cho hệ thống SCADA với các điểm đặt công
suất (set point) theo tỷ lệ thâm nhập điện gió, mặt trời, biến động của phụ tải một
cách mềm dẻo và gần với thực tiễn.

4. Phương pháp luận và phương pháp toán học
Phương pháp luận:
Toàn bộ luận án, phương pháp luận được sử dụng bằng việc trả lời bốn câu hỏi dưới đây.
1. Có thể sử dụng phương pháp quy hoạch động để phát triển mô hình điều khiển tối ưu
công suất phát HTĐ lai diesel-sức gió-mặt trời có sự tham gia kho điện trong trường
hợp máy phát diesel hoạt động bình thường không?
2. Có thể sử dụng mô hình Rishel để phát triển mô hình điều khiển tối ưu công suất phát
HTĐ lai diesel-sức gió-mặt trời-kho điện trong trường hợp máy phát diesel xảy ra sự
cố hỏng hóc không?
3. Có thể áp dụng phương pháp số Kushner để giải phương trình Hamilton-JacobiBellman từ hai bài toán trên không?
4. Có thể thiết kế HTĐ lai trên nền HTĐ diesel-sức gió và lập biểu đồ vận hành SCADA
cho hệ thống áp dụng các các mô hình trên không?
Phương pháp toán học:
•

Lý thuyết điều khiển tối ưu, cụ thể sử dụng phương pháp quy hoạch động (nguyên lý

Bellman) để xây dựng mô hình xác định (deterministic model) tìm điều kiện tối ưu
cho hệ, trường hợp máy phát diesel hoạt động bình thường.

18


•

Mượn mô hình của Rishel (1975) để xây dựng mô hình ngẫu nhiên (stochastic model)
khi máy phát diesel xảy ra sự cố hỏng hóc bằng việc sử dụng quá trình Markov để đặc
tính hóa hiện tượng hỏng hóc.

•

Điều kiện cần và đủ để hai mô hình (xác định và ngẫu nhiên) thỏa mãn phương trình
vi phân đạo hàm riêng Hamilton-Jacobi-Bellman.

•

Sử dụng phương pháp số Kushner để tìm lời giải phương trình HJB cho các trường
hợp cụ thể.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học:
Chiến lược phát công suất tối ưu sử dụng phương pháp quy hoạch động cho phép mô
phỏng và tính toán công suất phát tối ưu hệ thống điện không nối lưới diesel-sức gió-mặt
trời tích hợp kho điện trong thời gian xác định (một ngày 24h), điểm này là yếu tố quyết định
cho chiến lược vận hành hệ thống điện trong khi đối mặt với sự bất định của điện gió, điện
mặt trời và sự biến đổi của phụ tải. Bài toán đề xuất là bài toán điều khiển quá trình do sự có
mặt của kho điện.

Kết quả của đề tài là nền tảng lý thuyết xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu cho bài toán
dòng công suất tối ưu của hệ thống điện MG không nối lưới.
Ý nghĩa thực tiễn:
Mô hình điều khiển tối ưu công suất được đề xuất có tiềm năng sử dụng tốt cho hệ thống
điện MG diesel-sức gió-mặt trời tích hợp kho điện cần yếu tố điều khiển quá trình. Thực tế
trong luận án đã được sử dụng hiệu quả cho số liệu từ hệ thống điện MG thực tiễn và giả
định.
Đơn giản hóa và giảm chi phí cho vận hành hệ thống điện có các nguồn phân tán không
nối lưới.

6. Đóng góp của luận án
Luận án giải quyết bài toán tối ưu công suất phát của hệ thống MG có máy phát diesel
chạy nền, trong đó các nguồn điện phân tán điện gió, mặt trời và phụ tải là các thành phần
bất định không điều khiển được, các thành phần máy phát diesel và kho điện là các thành
phần điều khiển được. Luận án lần đầu tiên xây dựng mô hình điều khiển tối ưu hoàn chỉnh
sử dụng phương pháp quy hoạch động (nguyên lý Bellman) cho hệ thống điện MG dieselsức gió-mặt trời tích hợp kho điện không nối lưới là nền tảng lý thuyết cho bài toán tối ưu
công suất phát. Do vậy, luận án dự kiến đóng góp những kết quả như sau:

19


1. Đề xuất chiến lược phát công suất tối ưu sử dụng phương pháp quy hoạch động cho
trường hợp máy phát diesel không xảy ra sự cố và máy phát diesel xảy ra sự cố hỏng
hóc. Cụ thể mô hình sử dụng hàm phạt cho phép áp dụng phương pháp quy hoạch
động để tìm lời giải ưu. Mô phỏng với các thông số giả định.
2. Áp dụng mô hình đề xuất để mô phỏng với thông số thực tiễn của hệ thống MG trên
đảo Phú Quý.
3. Đề xuất sử dụng lời giải số (phương pháp Kushner) cho hai mô hình xác định (diesel
hoạt động bình thường) và bất định (diesel xảy ra sự cố).
4. Đề xuất thuật toán cài đặt và lập biểu đồ vận hành SCADA.

7. Bố cục của luận án
Luận án được trình bầy thành 5 chương như sau:
Chương 1. Tổng quan
Chương 2. Cơ sở lý thuyết điều khiển tối ưu
Chương 3. Xây dựng chiến lược phát công suất tối ưu bằng phương pháp quy hoạch
động.
Chương 4. Xây dựng chiến lược phát công suất tối ưu với bước nhảy Markov.
Chương 5. Mô phỏng thông số thực tế và cài đặt hệ thống SCADA.
Bố cục của luận án được tóm tắt trong Hình M.1 dưới đây.
- Nền tảng HTĐ lai có diesel chạy nền,
- Cấu trúc bộ biến đổi ĐTCS
- Cấu trúc điều khiển phân tầng cho HTĐ lai không nối lưới

Ứng dụng mô hình toán học cho hệ thống điện lai
sức gió-diesel dựa trên dữ liệu thực tiễn

Lý thuyết điều khiển tối ưu và
nguyên lý Bellman

Chương 1
1. Năng lượng tái tạo
2. Cấu trúc bộ biến đổi ĐTCS
cho điện gió và mặt trời
3. HTĐ lai có diesel chạy nền
4. Cấu trúc điều khiển phân tầng
cho HTĐ lai không nối lưới

Chương 2

Phát triển thêm mô hình có sự
cố ngầu nhiên hỏng hóc

Chương 3

1. Sử dụng nguyên lý Bellman xây
1. Lý thuyết điều khiển tối ưu,
dựng mô hình toán học điều
khiển tối ưu dòng công suất cho
nguyên lý Bellman
HTĐ lai cho trường hợp máy
2. Ý tưởng về bài toán điều khiển
phát diesel hoạt động bình thường.
tối ưu dòng công suất cho HTĐ
2. Phương trình tối ưu Hamiltonlai không nối lưới
Jacobi-Bellman. Mô phỏng thông
số giả định.

Chương 4

Chương 5

1. Sử dụng nguyên lý Bellman và
quá trình Markov xây dựng mô
hình toán học điều khiển tối
ưu dòng công suất cho HTĐ
lai cho trường hợp máy phát
diesel xảy ra sự cố bất thường.
2. PT HJB, lời giải phân tích.
3. Mô phỏng thông số giả định.

1. Lựa chọn công suất phát cho hệ
phát điện phân tán.
2.Mô phỏng HTĐ lai sức giódiesel dựa trên dữ liệu HTĐ trên
Phú Quý
3. Đề xuất lắp thêm HTĐ mặt trời
1MWp.
4. Thiết kế và quy trình cài đặt vận
hành SCADA.

Hình M.2. Bố cục của luận án

20


Chương 1

Tổng quan

1.1 Sơ lược năng lượng tái tạo
Nguồn năng lượng tái tạo RES được hiểu là nguồn năng lượng tự thân nó có khả năng
tái tạo trong khoảng thời gian nhất định gồm thủy điện, gió, mặt trời, địa nhiệt, thủy triều,
sinh khối và các nguồn khác. Trong khuôn khổ giới hạn của đề tài nghiên cứu, mục này chỉ
giới thiệu sơ lược về quy mô đầu tư năng lượng tái tạo trên toàn cầu đặc biệt điện gió và điện
mặt trời là hai đối tượng chính của đề tài nghiên cứu.

Tăng trưởng
Mặt trời

161

Gió

110

12%
4%

Sinh khối

6

-29%

Thủy điện nhỏ

4

-42%

Sinh học

3

-35%

Địa nhiệt

2

Biển 0.2

-23%
-42%

Hình 1.1: Đầu tư toàn cầu vào năng lượng tái tạo [tỷ USD]
Hình 1.1 giới thiệu về đầu tư toàn cầu vào năng lượng tái tạo năm 2015 và tăng trưởng
tính từ năm 2014 từ nguồn [1]. Qua đó cho thấy, năng lượng gió và mặt trời chiếm tỷ trọng
cao và phát triển nhanh.
Việc sử dụng năng lượng tái tạo hiện tại là giải pháp bổ sung, tương lai là một giải pháp
thay thế các nhà máy điện truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Một ưu điểm vượt trội
của điện mặt trời và điện gió là chi phí vận hành rất nhỏ, thi công lắp đặt nhà máy rất nhanh
so với các nhà máy điện truyền thống CG.

21


1.2 Hệ thống điện lai có diesel chạy nền
1.2.1 Khái niệm hệ thống điện lai MG
Hệ thống điện lai (hay hỗn hợp) bao gồm nhiều nguồn phát điện phân tán DG (distributed
generation) như điện gió WTG, điện mặt trời PV, máy phát điện diesel DEG hoặc các nguồn
khác có thể được kết nối với lưới điện quốc gia.
Pin quang điện PV
Phụ tải DC
DG1

HT ắc quy
lưu trữ

=

~
~
=
~

Inverter

DG2

=

Máy phát
tuabin gió DC

Các nguồn DC khác

PCC

DG3
Switch

Máy phát tuabin gió
AC

Phụ tải AC

Máy phát diesel AC
Các nguồn AC khác

Microgrid

DGl

Static
Transfer
Switch
(IBS)

DGn DGm

Main grid

Nạp điện

DGk

Máy phát
diesel DC

Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điện MG
Các nguồn điện phân tán kết nối với nhau cùng cung cấp cho phụ tải địa phương tạo thành
hệ thống điện nhỏ MG (microgrid). Thuật ngữ Microgrid được định nghĩa để chỉ hệ thống
điện có khả năng vận hành ở các chế độ: không nối lưới (off-grid mode), nối lưới (on-grid
connected), và chế độ giữa off-grid và on-grid [2]. Thuật ngữ HPS cũng gọi là hệ thống điện
lai [3], [4], tuy nhiên để cho ngắn gọn và thống nhất thuật ngữ trong toàn luận án tác giả tạm
gọi là hệ thống điện MG. Hình 1.2 giới thiệu cấu trúc điển hình của hệ thống điện MG có
kết nối với lưới điện quốc gia [2].

22

Hệ thống điện MG được xem xét có hai chế độ hoạt động: song song cùng lưới điện quốc
gia hoặc cô lập với lưới điện quốc gia. Về quy mô, MG được hiểu là việc sản xuất và cung
cấp điện cho phụ tải hòa mạng trên cùng địa điểm có bán kính đủ nhỏ [5]. Khái niệm hệ
thống điện MG được nghiên cứu từ hai thập kỷ qua các nghiên cứu [3], [7]–[8], [9], [10],[11].
MG hoạt động linh hoạt nhằm đáp ứng kịp thời sự xâm nhập của hệ thống năng lượng tái
tạo RES [12], có thể phát lên lưới hoặc tiêu thụ công suất từ lưới điện quốc gia thông qua
thiết bị tự động chuyển mạch thông minh IBS (intelligent bypass switch) tại điểm kết nối
chung PCC (point of common coupling), ngoài ra MG còn có tác dụng điều khiển dòng công
suất và quản lý vận hành các thiết bị lưu trữ năng lượng.
Do các nguồn phát công suất phân tán sơ cấp rất khác nhau nên hệ thống điện MG sử
dụng các bộ biến tần điện tử công suất (power electronics inverter) để chuyển đổi hòa vào
hệ thống gọi tắt là inverter. Có hai loại thiết bị inverter, loại CSI (current-source inverter)
cho nguồn dòng và loại VSI (voltage-source inverer) cho nguồn áp [13].
Trong quá trình hoạt động MG cũng chịu tác dụng của các nhiễu hoặc sự cố nghiêm trọng
khi ấy các inverter bắt buộc phải cắt khỏi hệ thống, điều này dẫn đến khả năng mất ổn định
trong hệ thống.
1.2.2 Hệ thống điện MG chế độ không nối lưới

HT ĐO LƯỜNG & ĐIỀU KHIỂN
TRẠM PHÁT ĐIỆN MẶT TRỜI

Hệ thống SCADA của MG
Bus

PV

=
DG3

~
~
=
~

=

DG2

Inverter

Wind Turbine
Generator (WTG)
RTUs, IEDs
SASs

ESS
HT đo lường và điều khiển WTG
HT đo lường và điều khiển turbine WTG2

HỆ THỐNG
ĐO LƯỜNG & ĐIỀU KHIỂN

DG1

HT đo lường và điều khiển turbine WTG1

Lưới phân
phối

Diesel Engine
Generator (DEG)

HT ĐO LƯỜNG & ĐIỀU
KHIỂN
HT ĐO LƯỜNG & ĐIỀU KHIỂN
TRẠM PHÁT DIESEL

Hệ thống phát điện tập trung sử dụng Diesel

Hình 1.3: Hệ thống điện MG không nối lưới

23


Trong thực tế, có nhiều kiểu hệ thống điện MG như sức gió-diesel, sức gió-hóa thạch,
hay sức gió-diesel-mặt trời [6]. Trong đó, vai trò của các thiết bị lưu trữ năng lượng ngày
càng trở nên quan trọng. Hệ thống điện MG là mô hình năng lượng điện phổ biến cho các
khu vực hải đảo hoặc khu vực xa xôi không nối với điện lưới.
Luận án này nghiên cứu hệ thống điện MG hoạt động chế độ không nối lưới quốc gia với
cấu trúc hệ thống điện MG bao gồm phụ tải tiêu thụ AC, kho điện ESS (energy storage
system) dùng để bù trên bus hệ thống nhằm ổn định các dao động trên nguồn RES và phụ
tải, các nguồn phát phân tán DG như gió WTG, mặt trời PV, và diesel DEG.
Các nguồn phát DEG có khả năng điều độ phát nền, phủ đỉnh, điều tần trong hệ thống,
bù công suất phản kháng, khả năng trụ lưới hay nói đúng hơn là duy trì ổn định dài hạn cho
hệ thống. Các nguồn còn lại là WTG và PV chịu biến động bất thường theo thời tiết. Ngoài
ra, sự biến động của phụ tải theo các giờ khác nhau cũng ảnh hưởng đến tính ổn định của hệ
thống trong thời gian ngắn hạn. Hơn nữa, trong quá trình vận hành máy phát diesel có thể
xảy ra sự cố hỏng hóc bất thường. Do vậy, MG được tích hợp kho điện ESS (hệ thống tích

trữ năng lượng) có thể bù cho các nguồn phát hoặc cho toàn hệ thống MG như mô tả trong
Hình 1.3.
1.2.3 Vấn đề đánh giá kinh tế của hệ thống điện MG
Về mặt kinh tế, do chi phí vận hành điện gió và mặt trời rất thấp, có thể làm tăng chỉ số
hoàn vốn đầu tư IRR và giảm thời gian thu hồi vốn trong vòng đời đầu tư thiết bị. Việc lựa
chọn tỷ lệ đầu tư số lượng máy phát (diesel, sức gió, mặt trời) tùy thuộc vào mục đích đầu
tư. Thông thường lựa chọn công suất định mức của máy phát diesel bằng tổng công suất lắp
đặt của gió và mặt trời, trong trường hợp mất toàn bộ gió-mặt trời máy phát diesel gánh tải
toàn hệ thống.
Nghiên cứu của Goel & Ali [14] chỉ ra rằng: đối với hệ thống điện lai kích cỡ nhỏ, hệ
thống điện gió-diesel-mặt trời hiệu quả hơn các kiểu còn lại từ chi phí sản xuất ra 1kWh đến
chi phí vận hành mặc dù có tỷ lệ sản xuất dư thừa là 1,1% cao hơn các hệ thống còn lại.
Đối với các hệ thống điện MG không nối lưới điện quốc gia, việc sử dụng máy diesel là
một giải pháp thông dụng có tác dụng vừa phát nền vừa phủ đỉnh. Ngoài ra vấn đề khí thải
cũng cần lưu ý, chẳng hạn với máy phát diesel công suất 10-15kVA tiêu hao 3 lít nhiên
liệu/giờ và thải ra 2,63kg CO2/lit [14].
Mặc dù còn những nhược điểm như trên, ngày nay công nghệ chế tạo máy phát diesel đã
khá hoàn thiện như công nghệ động cơ phun nhiêu liệu điện tử FI (fuel injected) đã năng cao
20% hiệu suất [15], đảm bảo tốt các yêu cầu cơ bản về khả năng đáp ứng nhanh nhu cầu phụ
tải (duy trì tần số) và điều khiển điện áp. Điểm yếu lớn nhất của máy phát diesel là không
vận hành được ở mức công suất phát quá thấp, thông thường tải thiếu chúng phát ở 30%40% định mức vừa tránh vận hành kém hiệu quả vừa duy trì chế độ đốt nhiên liệu [15].

24


Đặc biệt, hãng Powercorp Pty Ltd phát triển thế hệ máy diesel tải thấp LLD (low-load
diesel) cho phép vận hành dưới 10%, giúp giảm chi phí nhiên liệu nhưng vẫn đảm bảo được
yêu cầu điều tần, điều áp khi chạm nền và đảm bảo dự phòng nóng cho hệ thống.
Điện gió và điện mặt trời có nhược điểm là nguồn sơ cấp không ổn định phụ thuộc vào
thời tiết cho nên chúng không thể thay thế được nguồn điện duy trì như máy phát diesel.

Trong mọi kiểu điện MG không nối lưới, máy phát diesel luôn có mặt để duy trì hệ thống.
Hiện tại chưa có tài liệu chuẩn phân loại mức độ thâm nhập của gió về hệ thống điện MG
gió-diesel-mặt trời. Nghiên cứu [16] xét riêng ảnh hưởng sự xâm nhập của điện mặt trời lên
quá trình quá độ của hệ thống với ba trường hợp sự xâm nhập điện mặt trời với tỷ lệ 5%,
10%, và 15% của tổng công suất phụ tải. Nghiên cứu này chỉ ra rằng sự xâm nhập của điện
mặt trời làm cho điện áp tại các điểm phát lên lưới bị dao động đáng kể, với mức độ thâm
nhập cao, cần thiết phải có hệ thống điều khiển hỗn hợp. Riêng đối với hệ thống điện MG
sử dụng điện gió được phân loại theo mức độ thâm nhập của điện gió vào hệ thống, được
định nghĩa như sau [15], [17]:
Mức độ thâm nhập tức thời =

Mức độ thâm nhập trung bình =

Công suất phát của điện gió (kW)
Công suất phụ tải
Sản lượng phát điện gió (kWh)
Sản lượng tiêu thụ của phụ tải

(3.1)

(3.2)

Bài toán xây dựng và thiết kế các hệ thống điện MG, yếu tố bất định của các nguồn điện
năng lượng tái tạo như điện gió và điện mặt trời làm cho bài toán thiết kế trở nên phức tạp.
Do đó, các biến đầu vào như công suất gió, công suất điện mặt trời, nhu cầu phụ tải cần phải
được coi như các biến ngẫu nhiên với mức độ kỳ vọng và hàm phân bố xác suất phù hợp.
Điều này dẫn đến các mô hình tính toán tối ưu ngẫu nhiên phức tạp, làm cho bài toán thiết
kế quy hoạch hệ thống điện lai có nhiều khác biệt so với bài toán quy hoạch thiết kế hệ thống
điện truyền thống. Ở một số nghiên cứu chuyên sâu, bài toán tính toán thiết kế hệ thống điện
lai được mô tả dưới dạng bài toán quy hoạch ngẫu nhiên, trong đó xét đến các ràng buộc kỹ

thuật đặc trưng cho từng ví dụ áp dụng cụ thể (tỉ lệ giữa nguồn và tải, mức độ yêu cầu về độ
tin cậy cung cấp điện năng) [18]–[20].

1.3 Chế độ làm việc của hệ thống điện MG
Chế độ làm việc của hệ thống điện lai MG không nối lưới cũng tương tự như chế độ làm
việc của hệ thống điện quy mô lớn từ các yêu cầu kỹ thuật đến tính kinh tế trong vận hành.
Điểm khác biệt căn bản giữa hai hệ thống là hệ thống điện MG không nối lưới có các nguồn
phân tán từ điện gió và điện mặt trời là không ổn định, phụ thuộc vào điều kiện thời tiết.

25