Áp dụng thuật toán stochastic fractal search tính toán tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống microgrid vận hành độc lập

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

HỒ TRƯỜNG GIANG

ÁP DỤNG THUẬT TỐN STOCHASTIC FRACTAL
SEARCH TÍNH TỐN TỐI ƯU DUNG LƯỢNG CÁC
THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG MICROGRID
VẬN HÀNH ĐỘC LẬP.

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2018


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : .....................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...........................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ................................................................................................................
2. ................................................................................................................
3. ................................................................................................................

4. ................................................................................................................
5. ................................................................................................................

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ


Trang i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:…HỒ TRƯỜNG GIANG.......... MSHV:…7140405 ........................
Ngày, tháng, năm sinh:…06/12/1984 .................. Nơi sinh:…Bà Rịa – Vũng Tàu .....
Chuyên ngành: …Kỹ Thuật Điện ........................ Mã số: …60520202 .......................
TÊN ĐỀ TÀI: Áp dụng thuật tốn Stochastic Fractal Search tính tốn tối ưu dung
lượng các thành phần trong hệ thống Microgrid vận hành độc lập.
I. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tìm hiểu về hệ thống Microgrid vận hành độc lập.

-

Nghiên cứu thuật toán Stochastic Fractal Search.

-

Nghiên cứu bài toán tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống
Microgrid.

-

Áp dụng thuật toán Stochastic Fractal Search tính tốn tối ưu dung lượng các
thành phần trong hệ thống Microgrid vận hành độc lập với các kịch bản khác
nhau.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:…10/07/2017 ..........................................................
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: …17/06/2018 ........................................
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: …TS Nguyễn Ngọc Phúc Diễm ................................
Tp. HCM, ngày…..tháng…..năm…..
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang

Trang ii

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô, TS Nguyễn Ngọc Phúc
Diễm, người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian nghiên cứu
và hoàn thành luận văn.
Em cũng đặc biệt cảm ơn Thầy Võ Ngọc Điều và Thầy Trần Thế Tùng, hai
thầy đã hỗ trợ nhiệt tình, cung cấp cho em những tài liệu, phương pháp nghiên cứu
và những kinh nghiệm q báu để em có thể hồn thành tốt nhiệm vụ của mình.
Đồng thời, em cũng xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô Khoa Điện – Điện
Tử, Phòng Đào Tạo Sau Đại Học, Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc
Gia TP.HCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học tập và
nghiên cứu.
Cuối cùng, em xin được gửi lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và
bạn bè, những người luôn quan tâm động viên, tạo mọi điều kiện tốt nhất để em có
động lực học tập, phấn đấu trong suốt thời gian qua.

Xin chân thành cảm ơn!

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang iii

TĨM TẮT LUẬN VĂN
Microgrid là một hệ thống tích hợp năng lượng bao gồm nhiều nguồn phát
phân tán khác nhau (DER), các tải tiêu thụ và hệ thống đo đạc giám sát. Nó có thể
được vận hành theo chế độ độc lập hoặc nối lưới.

Với sự đa dạng của nguồn năng lượng đầu vào, hệ thống microgrid là nguồn
cung cấp đa dạng các bài tốn về tối ứu hóa và tối ưu dung lượng là một trong
những vấn đề được nghiên cứu khá nhiều. Tối ưu dung lượng các thành phần trong
hệ thống microgrid vận hành độc lập là tính tốn, phối hợp cơng suất giữa các
nguồn phát phân tán sao cho hệ thống đảm bảo cung cấp đầy đủ nhu cầu phụ tải với
chi phí nhiên liệu và vận hành các nguồn phát là thấp nhất.
Bài toán tối ưu dung lượng được khảo sát trong luận văn bao gồm:
-

Tối ưu dung lượng cho hệ microgrid gồm 2 máy phát diesel, 1 bộ năng
lượng mặt trời và 1 bộ năng lượng gió.

-

Tối ưu dung lượng cho hệ microgrid gồm 52 máy phát diesel và 1 bộ năng
lượng gió.

-

Tối ưu dung lượng cho hệ microgrid gồm 10 máy phát diesel, 1 bộ năng
lượng mặt trời và 1 bộ năng lượng gió.
Kết quả bài tốn được so sánh với các thuật toán Hybrid Differential

Evolution and Harmony Search (DE-HS), Direct Search Method (DSM), thuật tốn
Fuzzy-Optimization (FO).
Từ kết quả đó, so sánh mức độ hiệu quả của thuật toán SFS trong việc giải
các bài toán tối ưu dung lượng.

CBHD: TS.Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang iv

ABSTRACT
Microgrids is an integrated energy system consists of distributed energy
resources (DER), loads and measurement system. It can be operated in standalone
or grid mode.
With the diversity of input power, the microgrid system is the source
providing a variety of optimization and capacity optimization problems is one of the
many researched issues.Optimizing the amount of components in a stand-alone
microgrid system is the calculation and coordination of capacity between dispersed
sources so as to adequately supply the load demand with fuel costs and operating
costs is lowest.
The optimization problem studied in the thesis includes:
-

Optimized for microgrid systems including 2 diesel generators, 1 set of solar
power and 1 set of wind power.

-

Optimized for microgrid systems including 52 diesel generators and 1 set of
wind power.

-

Optimized for microgrid systems including 10 diesel generators, 1 set of
solar power and 1 set of wind power.

The results were compared with the Hybrid Differential Evolution and

Harmony Search (DE-HS) algorithms, the Direct Search Method (DSM), the FuzzyOptimization (FO) algorithm.
From that result, compare the efficiency of the SFS algorithm in solving the
optimization problems.

CBHD: TS.Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang v

LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các
kết quả nghiên cứu và kết luận nêu trong luận văn là trung thực và không sao chép
từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo tài liệu đã
được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu.

TP.HCM, ngày 17 tháng 06 năm 2018
Hồ Trường Giang

CBHD: TS.Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang vi

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... II
TÓM TẮT LUẬN VĂN ......................................................................................... III
ABSTRACT ............................................................................................................ IV
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... V
DANH MỤC CÁC HÌNH ...................................................................................... IX
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... X
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ......................................................................................1
1.1. LỜI MỞ ĐẦU .........................................................................................................1
1.2. MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN ...................................................................................2
1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ................................................................2
1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...............................................................................3
1.5. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN .......................................................................................3
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN.....................................................................................4
2.1. KHÁI NIỆM MICRO GRID .....................................................................................4
2.2. CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG MICROGRID ...........................................4
2.2.1. Hệ thống máy phát phân tán (DG)............................................................4
2.2.1.1 Máy phát dùng động cơ đốt trong .......................................................5
2.2.1.2 Hệ thống điện mặt trời ........................................................................6
2.2.1.3 Hệ thống điện gió ..............................................................................17
2.2.1.4 Năng lượng sinh khối ........................................................................21
2.2.1.5 Turbine khí, Microturbine .................................................................21
2.2.1.6 Pin nhiên liệu – Fuel cell...................................................................22
2.2.2. Hệ thống lưu trữ năng lượng (DS): ........................................................24
2.2.2.1 Pin, ắc-quy : ......................................................................................24
2.2.2.2 Hệ thống điện phân và lưu trữ hydrogen : ........................................25
2.2.2.3 Hệ thống bánh đà (flywheel):............................................................26
2.2.2.4 Siêu tụ điện (super capacitor): ..........................................................26
2.2.3. Hệ thống giám sát, điều khiển (MCS):....................................................27

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang vii

2.2.3.1 Cấp quản lí nối lưới:..........................................................................28
2.2.3.2 Cấp kiểm sốt hệ thống : ...................................................................28
2.2.3.3 Cấp kiểm soát bộ phận : ....................................................................29
2.3. GIỚI THIỆU MỘT SỐ THUẬT TOÁN ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN TỐI ƯU TRONG HỆ
THỐNG MICROGRID : ......................................................................................30

2.3.1. Thuật toán Particle Swarm Optimization (PSO) ....................................30
2.3.2. Thuật toán Artificial Bee Colony (ABC) .................................................31
2.3.3. Thuật toán Ant Lion Optimizer (ALO) ....................................................33
CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH BÀI TỐN TỐI ƯU DUNG LƯỢNG CÁC THÀNH
PHẦN TRONG HỆ THỐNG MICRO GRID ......................................................34
3.1. MƠ HÌNH TỐI ƯU HÓA TRONG HỆ THỐNG MICROGRID ...................................34
3.1.1. Giới thiệu: ...............................................................................................34
3.1.2. Mơ hình tối ưu hóa ..................................................................................34
3.2. CÁC THÀNH PHẦN TRONG MƠ HÌNH TỐI ƯU HĨA.............................................35
3.2.1. Turbine gió ..............................................................................................35
3.2.2. Năng lượng mặt trời : .............................................................................36
3.2.3. Mức tiêu hao nhiên liệu của máy phát Diesel .........................................36
3.3. HÀM MỤC TIÊU VÀ RÀNG BUỘC ........................................................................37
3.3.1. Hàm mục tiêu ..........................................................................................37
3.3.2. Hàm ràng buộc ........................................................................................37
CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN STOCHASTIC FRACTAL SEARCH VÀ ÁP
DỤNG ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU DUNG LƯỢNG .....................................39

4.1. GIỚI THIỆU THUẬT TOÁN STOCHASTIC FRACTAL SEARCH (SFS)..................39
4.2. QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN (DIFFUSION PROCESS – DP) ...................................40
4.3. QUÁ TRÌNH CẬP NHẬT .......................................................................................41
4.3.1. Phương pháp thống kê đầu tiên ..............................................................41
4.3.2. Phương pháp thống kê thứ hai ................................................................42
4.4. THUẬT TỐN TÌM KIẾM NGẪU NHIÊN FRACTAL ..............................................42
4.4.1. Thuật toán SFS cho bài toán tối ưu dung lượng .....................................42
4.4.2. Thuật tốn cho hàm q trình cập nhật ..................................................43

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang viii

4.5. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ...................................................................................44
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ TÍNH TỐN .................................................................45
5.1. BÀI TỐN TỐI ƯU - HỆ THỐNG MICROGRID GỒM 2 MÁY PHÁT DIESEL, 1 BỘ
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ 1 BỘ NĂNG LƯỢNG GIĨ ......................................45

5.1.1. Mơ tả bài tốn: ........................................................................................45
5.1.2. Thực hiện tính tốn với SFS: ..................................................................46
5.2. BÀI TOÁN TỐI ƯU - HỆ THỐNG MICROGRID GỒM 52 MÁY PHÁT DIESEL, VÀ 1
BỘ NĂNG LƯỢNG GIĨ .......................................................................................49

5.2.1. Mơ tả bài tốn: ........................................................................................49
5.2.2. Thực hiện tính tốn với SFS: ..................................................................50
5.3. BÀI TOÁN TỐI ƯU - HỆ THỐNG MICROGRID GỒM 10 MÁY PHÁT DIESEL, 1 BỘ
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ 1 BỘ NĂNG LƯỢNG GIĨ ......................................51

5.3.1. Mơ tả bài tốn: ........................................................................................51
5.3.2. Thực hiện tính tốn với SFS: ..................................................................52
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .....................................58
6.1. KẾT LUẬN...........................................................................................................58
6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI ..........................................................58
6.3. LỜI KẾT ..............................................................................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................60
PHỤ LỤC .................................................................................................................63

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang ix

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1. Các thành phần trong hệ thống Micro grid ................................................. 4
Hình 2.2 Các thành phần chính của máy phát điện dùng động cơ diesel ................... 5
Hình 2.3 Cấu trúc 1 nhà máy điện mặt trời ................................................................. 7
Hình 2.4 Các loại tấm năng lượng mặt trời ................................................................. 8
Hình 2.5 Tấm PV ........................................................................................................ 9
Hình 2.6 Hiệu suất của một số loại tấm PV được cải thiện theo cơng nghệ chế tạo
đến năm 2015 ........................................................................................... 10
Hình 2.7 Cơng nghệ lắp cố định các tấm PV ............................................................ 11
Hình 2.8 Công nghệ lắp đặt hệ thống các tấm PV xoay theo một trục ..................... 12
Hình 2.9 Cơng nghệ lắp đặt hệ thống PV định hướng theo 2 trục ............................ 12
Hình 2.10 Điện PV lắp trên trang trại ....................................................................... 13
Hình 2.11 Điện PV lắp trên bãi đỗ xe ....................................................................... 13

Hình 2.12 Điện mặt trời PV lắp trên kênh mương .................................................... 14
Hình 2.13 Điện mặt trời PV lắp ngoài biển ( nhà máy lấn biển ) ............................. 14
Hình 2.14 Điện mặt trời PV lắp ngoài biển ( nhà máy trên dàn nổi ) ....................... 14
Hình 2.15 Điện mặt trời PV nổi (floating) ................................................................ 15
Hình 2.16 Inverter trung tâm và inverter chuỗi ....................................................... 17
Hình 2.17 Turbine gió có hộp số (Gearbox) ............................................................. 18
Hình 2.18 Turbine gió khơng có hộp số.................................................................... 18
Hình 2.19 Bộ Pin/Ắc-quy trong Microgrid ............................................................... 25
Hình 2.20 Hệ thống điện phân và lưu trữ hydrogen ................................................. 25
Hình 2.21 Hệ thống bánh đà (flywheel) .................................................................... 26
Hình 3.1 Các yếu tố đầu vào của Microgrid ............................................................. 35
Hình 4.1 Quá trình khuếch tán .................................................................................. 39
Hình 5.1 Tốc độ hội tụ của hàm mục tiêu theo từng giờ .......................................... 46
Hình 5.2 Đồ thị nhu cầu phụ tải ................................................................................ 52
Hình 5.3 Tốc độ hội tụ của hàm mục tiêu theo từng giờ .......................................... 53

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang x

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 5.1 Nhu cầu công suất trong theo giờ trong 1 ngày ......................................... 45
Bảng 5.2 Bảng phân bố công suất theo từng giờ ...................................................... 47
Bảng 5.3 Bảng chi phí nhiên liệu theo từng giờ........................................................ 48
Bảng 5.4 Bảng tổng hợp chi phí nhiên liệu trong 1 ngày ......................................... 49
Bảng 5.5 So sánh kết quả giữa các thuật tốn ........................................................... 49
Bảng 5.6 Bảng phân bố cơng suất theo từng giờ ...................................................... 50

Bảng 5.7 Bảng tổng hợp chi phí ................................................................................ 51
Bảng 5.8 So sánh kết quả giữa các thuật toán ........................................................... 51
Bảng 5.9 Bảng số liệu bức xạ mặt trời và tốc độ gió ................................................ 52
Bảng 5.10 Bảng phân bố công suất theo từng giờ .................................................... 53
Bảng 5.11 Bảng phân bố công suất theo từng giờ (tiếp theo) ................................... 54
Bảng 5.12 Bảng chi phí nhiên liệu cho máy phát diesel theo từng giờ..................... 55
Bảng 5.13 Bảng chi phí nhiên liệu cho máy phát diesel theo từng giờ (tiếp theo) ... 56
Bảng 5.14 So sánh kết quả giữa các thuật toán ......................................................... 57

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1. Lời mở đầu
Ngày nay để đáp ứng nhu cầu gần như không giới hạn của các nền kinh tế,
các nhà máy điện – chủ yếu là thủy điện và nhiệt điện ngày càng được mở rộng về
quy mô và công suất.
Tuy nhiên, các nguồn nhiên liệu chính - năng lượng hóa thạch ngày càng cạn
kiệt, khí thải từ hệ thống nhiệt điện là nguyên nhân góp phần tạo nên hiệu ứng nhà
kính gây hiện tượng nóng lên tồn cầu. Bên cạnh đó, khi có bất kì sự cố nào từ nhà
máy điện đều gây ảnh hưởng nặng nề trên phạm vi rộng.
Do đó, để khắc phục những nhược điểm trên của hệ thống điện truyền thống,
khái niệm Micro grid - lưới điện siêu nhỏ đã ra đời. Microgrid là một hình thức thu
nhỏ của hệ thống điện. Nó có thể sản xuất, dự trữ, và phân phối điện năng cho tải
tiêu thụ. Micro grid có thể kết nối với lưới điện phân phối chính và cũng có thể vận
hành độc lập. Có thể nói, Micro grid đã đánh dấu bước phát triển chuyển lưới điện

phân phối từ trạng thái từ bị động (chỉ nhận nguồn từ lưới chính) sang trạng thái chủ
động (có thể tự cung tự cấp).
Đặc biệt, các khu vực nông thôn, miền núi, hải đảo,.. việc cấp điện từ lưới
điện quốc gia gặp nhiều khó khăn, phải truyền tải điện năng đi xa dẫn đến chi phí
đầu tư cao, tổn hao cơng suất lớn gây lãng phí. Trong trường hợp này, hệ thống
Micro grid vận hành độc lập với các nguồn năng lượng phân tán là giải pháp hữu
hiệu nhất.
Trong hệ thống Microgrid vận hành độc lập, vấn đề tính tốn, phối hợp công
suất giữa các nguồn phát phân tán sao cho đảm bảo cung cấp đầy đủ nhu cầu phụ tải
với chi phí nhiên liệu, chi phí vận hành các nguồn phát thấp nhất là nhiệm vụ đầy
quan trọng và thử thách.
Và đó cũng chính là lý do lựa chọn đề tài: Áp dụng thuật tốn Stochastic
Fractal Search tính tốn tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống Micro
grid vận hành độc lập.

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang 2

1.2. Mục tiêu của luận văn
Đề tài tập trung vào mục tiêu chính là xây dựng thuật tốn để thực hiện mục
tiêu đề ra. Theo đó để đạt được mục tiêu này đề tài cần tập trung nghiên cứu bốn
mục tiêu cơ bản.
-

Nghiên cứu và nắm vững cơ sở lý thuyết của phương pháp Stochastic
Fractal Search (SFS) trong việc giải các bài tốn tối ưu hóa.

-

Nghiên cứu các mơ hình, hệ thống microgrid trên thực tế, cấu tạo, chức
năng, những yêu cầu về cấu hình, hệ thống kết nối và phân phối điện năng
của từng mơ hình.

-

Dựa trên các phân tích, tìm hiểu về thuật tốn SFS và hệ thống microgird,
đề tài áp dụng thuật tốn SFS tính tốn tối ưu dung lượng các thành phần
trong hệ thống microgrid vận hành độc lập cho các trường hợp: hệ
microgrid gồm 2 máy phát diesel, 1 bộ năng lượng mặt trời và 1 bộ năng
lượng gió [1-3]; hệ microgrid gồm 52 máy phát diesel và 1 bộ năng lượng
gió [4]; hệ microgrid gồm 10 máy phát diesel, 1 bộ năng lượng mặt trời và
1 bộ năng lượng gió [5].

-

So sánh, đánh giá kết quả với các phương pháp khác để cải tiến thuật toán
hiệu quả hơn.

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài Áp dụng thuật toán Stochastic Fractal Search tính tốn tối ưu dung
lượng các thành phần trong hệ thống Micro grid vận hành độc lập nên đối tượng
nghiên cứu là thuật toán SFS và bài toán tối ưu dung lượng.
Thơng qua việc phân tích tìm hiểu thuật tốn SFS và bài tốn tính tốn tối ưu
dung lượng các thành phần trong Microgrid, đề tài sẽ áp dụng thuật toán này để giải
các bài toán tối ưu cụ thể.
Phạm vi nghiên cứu được thực hiện dựa trên mơ hình toán học và dùng phần

mềm Matlab để giải các thuật toán tối ưu. Hàm mục tiêu được đặt ra là cực tiểu chi
phí đầu vào thơng qua các hàm chi phí nhiên liệu của máy phát diesel, hàm chi phí
của turbine bin gió, tấm pin năng lượng mặt trời. Đề tài chỉ tập trung nghiên cứu với
các mơ hình cụ thể: hệ microgrid gồm 2 máy phát diesel, 1 bộ năng lượng mặt trời

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang 3

và 1 bộ năng lượng gió; hệ microgrid gồm 52 máy phát diesel và 1 bộ năng lượng
gió; hệ microgrid gồm 10 máy phát diesel, 1 bộ năng lượng mặt trời và 1 bộ năng
lượng gió.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết và code của thuật toán SFS.
- Sử dụng phần mềm Matlab phân tích và tính toán tối ưu cho hệ thống
Microgrid.
1.5. Bố cục của luận văn
Nội dung chính của luận văn được thể hiện qua 06 chương:
- Chương 1: Giới thiệu
- Chương 2: Tổng quan
- Chương 3: Mơ hình bài tốn tối ưu dung lượng các thành phần trong hệ thống
Microgird vận hành độc lập
- Chương 4: Thuật toán Stochastic Fractal Search và áp dụng để giải bài toán
tối ưu dung lượng
- Chương 5: Kết quả tính tốn
- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang 4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
2.1. Khái niệm Micro grid
Microgrid là một hệ thống năng lượng tích hợp bao gồm các nguồn năng
lượng phân tán (DER - Distributed Energy Resources), hệ thống quản lý điều khiển
và các phụ tải. Trong đó các nguồn năng lượng phân tán DER bao gồm hệ thống
máy phát phân tán (DG – Distributed Generators) và hệ thống lưu trữ năng lượng
(DES – Distributed Energy Storage).
2.2. Các thành phần trong hệ thống Microgrid

Hình 2.1. Các thành phần trong hệ thống Micro grid
2.2.1. Hệ thống máy phát phân tán (DG)
Các máy phát phân tán (DG) là nguồn phát điện năng chính của hệ thống
Microgrid. Với trình độ khoa học công nghệ ngày càng phát triển, DG ngày càng có
kích thước nhỏ gọn hơn nhưng vẫn có thể đáp ứng nhu cầu điện năng của tải tiêu
thụ, thậm chí có thể phát ngược điện năng trở về lưới phân phối chính.
DG thường có các dạng sau:

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang 5

- Máy phát dùng động cơ đốt trong (như máy phát diesel)
- Hệ thống pin mặt trời, turbine gió, sinh khối.
- Turbine khí, microturbine.
- Pin nhiên liệu
2.2.1.1 Máy phát dùng động cơ đốt trong
Đây là loại máy phát sử dụng động cơ đốt trong để quay máy phát tạo ra điện
năng. Có hai loại động cơ: động cơ đánh lửa cưỡng bức và động cơ đánh lửa nén.
Điểm khác biệt giữa hai loại động cơ này là loại nhiên liệu sử dụng, hệ thống cung
cấp và kiểu đốt cháy nhiên liệu.
Động cơ đánh lửa cưỡng bức có thể dùng xăng, khí thiên nhiên, biogas, khí
đốt hóa lỏng làm nhiên liệu. Hỗn hợp cháy (gồm nhiên liệu và khơng khí) được đưa
vào động cơ để thực hiện hành trình nén và được kích nổ nhờ bu-gi đánh lửa tạo
q trình cháy, dãn nở và tạo momen xoắn quay máy phát tạo ra điện năng.
Động cơ đánh lửa nén sử dụng nhiêu liệu là dầu diesel. Đối với động cơ
diesel, sau khi kim phun nhiên liệu thực hiện phun với tốc độ và áp suất cao kết hợp
với buồng xoáy lốc trên đỉnh piston tạo ra hỗn hợp cháy. Hỗn hợp này được nén với
tỷ số nén cao và tự bốc cháy, dãn nở và tạo momen xoắn quay máy phát tạo ra điện
năng.
Hiệu suất của động cơ diesel lớn hơn khoảng 1,5 lần so với động cơ đánh lửa
cưỡng bức. Nhiên liệu diesel thường rẻ hơn nhiêu liệu khác.

Hình 2.2 Các thành phần chính của máy phát điện dùng động cơ diesel

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang 6

(1) Động cơ
(2) Đầu phát
(3) Hệ thống nhiên liệu
(4) Ổn áp
(5) Hệ thống làm mát và hệ thống xả (6)
(7) Bộ nạp ac-quy
(8) Control Panel hay thiết bị điều khiển
(9) Kết cấu khung chính
Máy phát điện dùng động cơ đốt trong có khả năng tận dụng nguồn nhiệt thải
để tạo ra nhiệt năng, nước nóng cung cấp cho các hộ tiệu thụ. Tính năng này giúp
tăng hiệu năng sử dụng nhiên liệu từ 35-48% lên đến 70%.
Máy phát điện dùng động cơ đốt trong thường được sử dụng phổ biến hơn cả,
bởi giá thành rẻ, bền, tính ổn định cao và thời gian khởi động ngắn. Khuyết điểm
của máy phát này là khả năng xả khí thải gây hiệu ứng nhà kính ra mơi trường.
2.2.1.2 Hệ thống điện mặt trời
Sơ đồ cấu trúc điển hình của 1 nhà máy điện mặt trời gồm có:
- Dàn pin năng lượng mặt trời
- Bộ chuyển đổi điện
- Hệ thống giám sát và điều khiển
- Trạm nâng và hệ thống truyền tải.

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang 7

Hình 2.3 Cấu trúc 1 nhà máy điện mặt trời

 Tấm pin năng lượng mặt trời
Cách phổ biến để thu năng lượng mặt trời là sử dụng các tấm pin quang điện
(PV) để thu nhận năng lượng từ ánh sáng mặt trời.
Các tấm PV sẽ chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng 1 chiều DC
nhờ vào hiệu ứng quang điện. Năng lượng điện một chiều này sẽ được biến đổi
thành dịng điện xoay chiều có cùng tần số với tần số lưới điện nhờ vào các bộ biến
tần. Lượng điện năng trên sẽ được hòa với điện lưới nhờ các máy biến áp nâng áp
và hệ thống truyền tải điện
Các vật liệu có thể chế tạo được các module PV thường bị hạn chế bởi các
đặc tính bán dẫn bất thường cần thiết cho các tế bào PV. Cho tới nay thì vật liệu chủ
yếu cho tấm PV là các silic tinh thể, hệ vật liệu CIS (Đồng – Indi – diselenide),
CdTe (Cadimi Telua). Các công nghệ PV mới xuất hiện như các tế bào hữu cơ được
làm từ polyme vẫn chưa được thương mại hoá. Mỗi vật liệu có những đặc điểm
riêng ảnh hưởng đến hiệu suất của tế bào, phương pháp sản xuất và chi phí.
Các tế bào PV có thể được sản xuất dựa trên các tấm silic (được sản xuất
bằng cách cắt các tấm mỏng từ một khối silic) hoặc các công nghệ "màng mỏng"
(trong đó một lớp mỏng vật liệu bán dẫn được lắng đọng trên nền vật liệu có chi phí
thấp).

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang 8

Các tế bào PV có thể được mơ tả theo cấu trúc dải dài của vật liệu bán dẫn
như “đơn tinh thể” (hay còn gọi là "monocrystalline"), "đa tinh thể" (hay cịn gọi là
"polycrystalline") hoặc vật liệu vơ định hình
Silicon tinh thể (c-Si): Các mơ-đun được làm từ các tế bào (cell) của silic

đơn tinh thể hoặc đa tinh thể. Các cell đơn tinh thể nói chung là hiệu quả nhất
nhưng cũng tốn kém hơn nhiều so với đa tinh thể.
Thin-fim: Các mô-đun PV được tạo ra dưới sự lắng đọng một lớp mỏng chất
bán dẫn lên bề mặt của vật liệu có chi phí thấp. Các chất bán dẫn được làm từ:
- Silicon vơ định hình (a-Si).
- Cadmium Telluride (CdTe).
- Đồng - Inden - Selenide (CIS).
- Đồng Indium (Gallium) Di-Selenide (CIGS / CIS).
Tấm PV dị thể có lớp bán dẫn thuần (Heterojunction with Intrinsic Thinlayer -HIT): là sự kết hợp của nhóm tinh thể silic (c-Si) và nhóm Thin film.
Do chi phí sản xuất giảm và sự phát triển của công nghệ, các mô-đun tinh thể
dự kiến sẽ duy trì thị phần lên đến 80% cho đến ít nhất năm 2017. Các mô-đun
màng mỏng chiếm khoảng 17% và hiệu quả cao chiếm khoảng 3%.

Hình 2.4 Các loại tấm năng lượng mặt trời

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang 9

Hình 2.5 Tấm PV
a. Module PV tinh thể silic:
Module PV đơn tinh thể được tạo thành bởi các tinh thể silic có độ tinh
khiết cao. Ưu điểm chính của loại này là hiệu suất của các tế bào quang điện cao
(17-20%) với độ bền cao và đảm bảo được đặc tính theo thời gian.
Module PV đa tinh thể silic: được tạo thành do các tinh thể silic kết hợp
với nhau theo các dạng và hướng khác nhau. Hiệu suất của các tế báo quang điện
loại này thấp hơn so với loại đơn tinh thể (15-17%). Mặc dù vậy, tế bào đa tinh

thể vẫn có độ bền cao và đảm bảo được đặc tính sử dụng theo thời gian (85%
hiệu suất ban đầu sau 20 năm sử dụng).
Giá cả mô-đun mono-tinh thể và đa tinh thể đã giảm đáng kể trong hai
năm qua.
b. Module PV dạng màng mỏng (thin film)
Tế bào quang điện màng mỏng có cấu trúc khơng khác nhiều so với tế bào
c-Si và vẫn hoạt động dựa trên nguyên lí quang điện. Điểm khác biệt duy nhất
giữa tế bào năng lượng mặt trời màng mỏng và c- Si là độ mỏng và sự linh động
trong việc ghép cặp của các lớp và chất liệu quang điện: cả cadmium telluride
(CdTe) hoặc copper indium gallium deselenide (CIGS) thay vì chỉ là silicon. Các
tế bào màng mỏng thường rẻ hơn do vật liệu được sử dụng và quy trình sản xuất
đơn giản hơn. Tuy nhiên, các tế bào thin-film thường có hiệu suất thấp hơn (hiệu
suất của các tấm PV màng mỏng thường < 14%)

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang 10

c. Module PV dị thể có lớp bán dẫn thuần (HIT)
Tấm PV HIT bao gồm một lớp mỏng silic đơn tinh thể được bao quanh
bởi các lớp silic vô định hình. Các mơ đun HIT hiệu quả hơn các module tinh thể
điển hình, nhưng chúng thường có giá đắt hơn.

Hình 2.6 Hiệu suất của một số loại tấm PV được cải thiện theo công nghệ chế
tạo đến năm 2015
(Nguồn: REN21-2016)
 Công nghệ lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời

Dựa trên cấu trúc cơ bản của nhà máy điện PV, các mơ hình điện mặt trời
PV được phân chia dựa trên cách lắp đặt panel PV như sau:
- Lắp đặt trên mặt đất
- Lắp đặt trên bề mặt công trình
- Lắp đặt trên bề mặt kênh mương
- Lắp đặt trên mặt biển
- Lắp đặt trên mặt hồ
a) Hệ thống PV lắp đặt trên mặt đất
Hệ thống PV lắp trên mặt đất thường được áp dụng cho các nhà máy có
cơng suất lớn. Các panel PV được lắp đặt trên giá/ khung đỡ được gắn vào hệ

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang 11

thống đỡ cố định trên mặt đất, tùy thuộc vào hệ thống đỡ mà phân chia thành các
dạng công nghệ:
-

Công nghệ lắp cố định các tấm PV theo một hướng nhất định: Đây là cấu
hình lắp đặt đơn giản nhất, chi phí lắp đặt và bảo dưỡng thấp nhất cho hệ
thống nhà máy điện mặt trời PV. Các tấm PV sẽ được lắp đặt cố định sao cho
hướng của các tấm PV nhận được năng lượng bức xạ mặt trời nhiều nhất.

Hình 2.7 Cơng nghệ lắp cố định các tấm PV
-

Công nghệ lắp đặt hệ thống các tấm PV xoay theo một trục: các tấm PV sẽ
được lắp đặt trên một trục có thể xoay theo hướng từ Đơng sang Tây nhờ vào
các cảm biến và hệ thống điều khiển. Hệ thống sẽ tự động điều chỉnh góc
nghiêng của các tấm PV theo hướng từ Đông sang Tây để nhận được bức xạ
mặt trời tốt nhất theo từng thời điểm. Tuy nhiên, hệ thống PV xoay theo 1
trục sẽ có thiết kế phức tạp, chi phí đầu tư và nhu cầu sử dụng đất cao hơn so
với hệ thống lắp cố định. (Nhu cầu sử dụng đất tăng thêm khoảng 1,3 lần so
với bố trí pin theo cơng nghệ cố định)

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang 12

Hình 2.8 Cơng nghệ lắp đặt hệ thống các tấm PV xoay theo một trục
-

Công nghệ lắp đặt hệ thống PV định hướng theo 2 trục: các tấm PV sẽ được
lắp đặt trên hệ thống giá đỡ có thể xoay theo hai hướng từ Đơng sang Tây và
từ phía Bắc đến phía Nam để các tấm PV ln ln nhận được bức xạ mặt
trời lớn nhất. Tuy nhiên, hệ thống PV xoay theo 2 trục sẽ được thiết kế với
hệ thống cảm biến và động cơ điều khiển cực kỳ phức tạp, chi phí đầu tư và
bảo trì sẽ rất cao. Đồng thời, việc lắp đặt thêm nhiều thiết bị, bộ phận hỗ trợ
cho hệ thống sẽ làm tăng xác suất hư hỏng của hệ thống. Nhu cầu sử dụng
đất cho hệ thống PV xoay theo 2 trục sẽ lớn hơn rất nhiều so với hệ thống PV
lắp cố định. (Nhu cầu sử dụng đất tăng thêm khoảng 1,5 lần so với bố trí pin
theo cơng nghệ cố định)

Hình 2.9 Công nghệ lắp đặt hệ thống PV định hướng theo 2 trục
b) Hệ thống PV lắp đặt trên bề mặt cơng trình (Rooftop)
Phương án điện mặt trời roof top sử dụng các panel PV đặt cố định trên bề
mặt các cơng trình như: tịa nhà, bãi đỗ xe, nhà xưởng... Ưu điểm của phương án

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang


Trang 13

này là tận dụng được các bề mặt công trình nên khơng tốn đất. Nhược điểm là
quy mơ nhỏ và có thể bị ảnh hưởng bóng râm bởi các cơng trình xung quanh nên
hiệu suất sẽ thấp hơn.

Hình 2.10 Điện PV lắp trên trang trại

Hình 2.11 Điện PV lắp trên bãi đỗ xe
c) Hệ thống PV lắp đặt trên bề mặt kênh mương (top canal)
Một phương án bố trí PV tiết kiệm quỹ đất là bố trí các panel PV trên bề
mặt kênh mương. Phương án này giúp giữ nước (hạn chế bốc hơi) và tạo ra điện
phục vụ nông nghiệp. Điểm hạn chế của phương án này là quy mô nhỏ, chỉ phù
hợp với các trang trại nông nghiệp.

CBHD: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm

HVTH: Hồ Trường Giang