Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện, Điện tử và Viễn thông: Nâng cao hiệu quả chương trình quản lý nhu cầu năng lượng bằng biện pháp điều khiển các nguồn phân tán

-1-

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ -----------------------------

Nguyễn Minh Cường

NÂNG CAO HIỆU QUẢ CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ NHU CẦU NĂNG LƯỢNG BẰNG BIỆN PHÁP

ĐIỀU KHIỂN CÁC NGUỒN PHÂN TÁN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 9.52.02.16

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ & VIỄN THÔNG

Hà Nội – Năm 2020

-2- Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS Thái Quang Vinh Phản biện 1: ………………………….. Phản biện 2: ………………………….. Phản biện 3: ………………………….. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng … năm 2020. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ; - Thư viện Quốc gia Việt Nam.

-3- MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: DSM (Demand-Side Management) đã được thực hiện bởi nhiều nhà nghiên cứu trong nước và trên thế giới nhưng vẫn chưa có nghiên cứu nào giải quyết trọn về hệ thống khai thác PVG và WG trong điều kiện thực tế tại Việt Nam. Đồng thời, chưa kết hợp giải quyết các bài toán khai thác tối đa năng lượng từ hai loại nguồn này trong cùng một hệ thống. Bởi vậy tác giả chọn đề tài nghiên cứu "Nâng cao hiệu quả chương trình quản lý nhu cầu năng lượng bằng biện pháp điều khiển các nguồn phân tán" nhằm hoàn thiện các vấn đề còn đang bỏ ngỏ hoặc chưa quan tâm đầy đủ như đã kể trên. 2. Mục đích nghiên cứu: Đề tài xây dựng chiến lược cho chương trình DSM nhằm vận hành hệ thống khai thác PVG và WG trong EPS Việt Nam; xây dựng các BĐK để đáp ứng được các yêu cầu của chương trình DSM. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc hệ thống PVG và WG trong mạng điện phân tán 1 pha có đủ dữ liệu về công tác dự báo đồ thị phụ tải và các thông số đầu vào trong một giai đoạn tương lai nhất định. Mạng điện này có sự tham gia của kho điện ES với vai trò cân bằng công suất giữa các nguồn và phụ tải. - Phạm vi nghiên cứu: các panel của PVG đồng đều nhau và tốc độ gió là đồng đều nhau tại mọi vị trí trên cánh quạt của turbine. Luận án không xét đến chủng loại và khả năng phóng nạp của kho điện (ES - Energy Storage) cũng như điều khiển ES. 4. Trọng tâm nghiên cứu của luận án - Xây dựng các chiến lược vận hành cho chương trình DSM trong hệ thống khai thác PVG, WG, ES và lưới điện để đáp ứng cho yêu cầu của phụ tải. Các chiến lược này đáp ứng riêng cho EPS Việt Nam, qua đó đáp ứng yêu cầu chỉ mua điện từ EPS vào giờ thấp điểm. - Xây dựng các BĐK (BĐK-bộ điều khiển) đáp ứng các yêu cầu của chương trình DSM. Đó là BĐK giúp khai thác tối đa công suất từ PVG và WG ở mọi điều kiện vận hành, BĐK ghép nối lưới để đáp ứng yêu cầu về công suất đặt. 5. Phương pháp nghiên cứu: Phân tích lý thuyết về chương trình DSM, yêu cầu của EPS Việt Nam và đặc điểm của mỗi loại nguồn. Xây dựng các chiến lược đề ra cho toàn hệ thống, các BĐK cho các BBĐ (BBĐ-bộ biến đổi) để thực hiện yêu cầu của chương trình DSM và mô phỏng kiểm chứng. Xây dựng mô hình thực nghiệm kiểm chứng khả năng khai thác tối đa công suất tại MPP cho PVG và bài toán phân bổ công suất tự nhiên hoặc theo yêu cầu. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học của đề tài là xây dựng mô hình khai thác PVG và WG vận hành theo yêu cầu của chương trình DSM trong EPS Việt Nam. Đồng thời xây dựng các BĐK đáp ứng được các yêu cầu của chương trình DSM đã đề ra. - Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là đề xuất một phương pháp vận hành đem lại hiệu quả năng lượng, giúp thay đổi luồng công suất trong toàn hệ thống, hạn chế lượng điện năng cần mua từ EPS cho hệ thống khai thác hệ nguồn có sự tham gia của ES dung lượng lớn và đem lại những kinh nghiệm về lắp đặt thực nghiệm.

-4- Chương 1

TỔNG QUAN VỀ NGUỒN PHÂN TÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ NHU CẦU NĂNG LƯỢNG

1.1. Khái quát về nguồn pin mặt trời và điện gió 1.2. Vấn đề DSM trên thế giới và tại Việt Nam 1.3. Cấu trúc của hệ thống khai thác hệ nguồn vận hành theo chương trình DSM 1.4. Những vấn đề còn tồn tại và đề xuất hướng giải quyết 1.4.1. Một số vấn đề còn tồn tại

• Vấn đề vận hành hệ nguồn theo mô hình DSM Mô hình DSM được áp dụng thông qua các chương trình quản lý/điều tiết năng lượng tại mỗi nút có sự tham gia của nhiều phần tử hoặc cho cả một EPS. Mục tiêu chung của các chương trình này là lên kế hoạch vận hành tối ưu cho mỗi phần tử trong mỗi EPS hoặc giữa các EPS, qua đó đạt được hàm mục tiêu giảm thiểu chi phí mua điện từ lưới hoặc giảm thiểu lượng công suất huy động từ lưới trong khoảng thời gian xét. Một cách diễn đạt khác của chương trình này thường được nhắc đến trong thời gian gần đây đó là EH (energy hub). Tuy nhiên, mô hình EH tập trung vào nhiều loại nguồn khác nhau tại một nút và chủ yếu vẫn là các bài toán lý thuyết. Các chương trình này được kết hợp với hệ thống dự báo thời tiết chuyên cho khai thác năng lượng tái tạo, hệ thống truyền tin và các chuyên gia điều độ vận hành, qua đó giúp vận hành các EPS ở chế độ bán cô lập.

Tại Việt Nam, mô hình điện ba giá đã được đề ra từ lâu nhằm khuyến khích các hộ phụ tải tiêu thụ điện năng vào giờ thấp điểm và hạn chế tiêu thụ vào giờ cao điểm. Tuy nhiên, các hộ phụ tải tiêu thụ điện tại Việt Nam vẫn chưa thực sự quan tâm đến điều này, đặc biệt là các hộ tiêu thụ điện dân dụng. Chính điều này đã gây khó khăn cho công tác điều độ toàn hệ thống, gây quá tải đường truyền vào giờ cao điểm.

Mặt khác, việc khuyến khích lắp đặt hệ nguồn tại mỗi nút phụ tải (có thể coi là mỗi vị trí tiêu thụ điện năng trong EPS) ở cấp điện áp thấp đang được nâng cao khiến cho trào lưu công suất trong toàn EPS không được như mong muốn và cũng gây khó khăn cho công tác điều độ toàn hệ thống. Nguyên nhân của điều này là do công suất phát ra từ PVG chỉ có vào những thời điểm có bức xạ mặt trời (ban ngày) và công suất phát ra từ WG luôn diễn ra bất thường (tùy thuộc vào điều kiện thời tiết và yếu tố địa hình). Việc này đã khiến cho việc huy động các nguồn bổ sung cho sự thiếu hụt công suất của hệ nguồn so với phụ tải trở nên cực kỳ khó khăn (các nguồn điện truyền thống như thủy điện, nhiệt điện,... cần nhiều thời gian để khởi động trước khi hòa lưới). Đồng thời, việc giữ cân bằng công suất trên lưới cũng khó khăn khiến cho điện tại các nút và tần số trong toàn hệ thống rất dễ mất kiểm soát. Điều này cho thấy vai trò của việc thực hiện chương trình quản lý năng lượng tại mỗi nút phụ tải có sự tham gia của hệ nguồn. Đồng thời, các nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam về DSM về hệ nguồn vẫn chưa xét đến việc áp dụng một ES có dung lượng lớn có khả năng phóng/nạp đáp ứng được đặc điểm không ổn định của tự nhiên và yêu cầu của phụ tải.

-5-

• Vấn đề điều khiển hệ nguồn: Với PVG, phương pháp điều khiển thường được áp dụng trước đây là kết hợp một kỹ thuật theo dõi điểm công suất cực đại MPP trong bộ theo dõi điểm công suất cực đại MPPT với một kỹ thuật điều khiển như kỹ thuật điều khiển điện áp trung bình AVC, kỹ thuật điều khiển trượt SMC, kỹ thuật điều khiển mờ FL, kỹ thuật điều khiển dùng mạng nơ ron ANN. Các kỹ thuật tìm MPP cũng khá nhiều, đa dạng và theo nhiều mục tiêu khác nhau như điện áp hằng CV (Constant Voltage), tạo nhiễu loạn và quan sát P&O, điện dẫn gia tăng INC, nhiệt độ Temp, tối ưu độ dốc OG, dò tìm cực trị ESC, .... Mỗi kỹ thuật đều có ưu nhược điểm và có thể được đánh giá theo các khía cạnh như chi phí đầu tư, dễ/khó sử dụng, độ chính xác, mức độ hao hụt năng lượng,... Gần đây nhất, kỹ thuật dò và chia đôi IB đã được đề xuất sử dụng dựa trên mô hình toán học đầy đủ của PVG nhưng mới chỉ sử dụng như một nguồn đơn lẻ phát về lưới điện 3 pha; chỉ xây dựng được phương pháp IB-AVC với việc lấy tín hiệu về dòng điện trên cuộn cảm và điện áp ở đầu vào BBĐ DC/DC để làm tín hiệu điều khiển (cấu trúc hai mạch vòng). Việc thực hiện cấu trúc điều khiển này phức tạp do phải sử dụng hai biến đo lường.

WG có thể được điều khiển thông qua một bộ chỉnh lưu tích cực hoặc thông qua hai BBĐ (một bộ chỉnh lưu và BBĐ DC/DC), trong đó BBĐ chỉnh lưu tích cực hoặc BBĐ DC/DC đóng vai trò điều chỉnh dung lượng tiêu thụ tương ứng với lượng công suất lớn nhất tại mỗi thời điểm. Với WG, phương pháp khai thác cũng khá giống với PVG khi có sự kết hợp của các kỹ thuật tìm MPP với kỹ thuật điều khiển. Tuy nhiên, chỉ có một vài kỹ thuật tìm MPP sử dụng phổ biến với WG như leo đồi HCS, tỷ số tốc độ đầu cánh TSR, phản hồi tín hiệu công suất PSF. Trong các kỹ thuật này, kỹ thuật HCS được sử dụng phổ biến nhất do dễ thực hiện trong những điều kiện vận hành thực tế.

Tại nút có sự tham gia của hệ nguồn, BBĐ DC/AC được điều khiển để thực hiện vai trò điều tiết luồng công suất và ghép nối lưới. Điều khiển BBĐ DC/AC một pha thường được nghiên cứu theo hai hướng chính. Hướng thứ nhất nghiên cứu điều khiển dòng điện ghép nối lưới để điều chỉnh điện áp phía một chiều duy trì ở một giá trị cố định khi không có phần tử cân bằng năng lượng như kho điện ở phía DC. Hướng thứ hai nghiên cứu điều khiển dòng công suất phía AC trong các hệ thống đã có phần tử giữ cố định điện áp phía DC. Trong đó, điều khiển dòng công suất chạy qua BBĐ DC/AC theo các giá trị đặt trước mới được tập trung nghiên cứu gần đây. Việc xác định các thông số của các bộ điều khiển cần được làm rõ cho khi áp dụng cho các chương trình DSM.

• Vấn đề xác định dung lượng tối ưu của ES: hiện nay có một số phương pháp xác định dung lượng tối ưu cho ES để có thể đáp ứng cho các bài toán khác nhau. Hướng nghiên cứu đánh giá tỷ số thiếu hụt công suất RLP (ratio of lack of power) dựa trên việc đánh giá tỷ lệ tổng công suất thiếu hụt do nguồn không đáp ứng được cho phụ tải và tổng công suất tải. Khi đó, công suất tối ưu của ES được xác định là giá trị mà ES có thể bù đắp cho phụ tải để RLP đạt giá trị RLP yêu cầu. Có thể nhận thấy phương pháp này có thể sử dụng dữ liệu quá khứ hoặc tương lai về thông số của phụ tải và hệ nguồn để đưa ra giá trị tối ưu của dung lượng ES.

-6- Khi cho RLP=0, phụ tải được hỗ trợ cung cấp điện hoàn toàn bởi ES. Tuy nhiên, phương pháp này không đánh giá được thời điểm mua điện, nghĩa là không đánh giá được ảnh hưởng của giá điện tới việc xác định dung lượng của ES. Hướng nghiên cứu sử dụng đại lượng xác suất mất điện ở một thời điểm bất kỳ cả chu kỳ xét. Giá trị của xác xuất này thay đổi theo thời điểm và được áp dụng để đạt mục tiêu cực tiểu hàm chi phí do mất điện gây ra hoặc đạt đến chỉ số LSLP. Có thể thấy hướng nghiên cứu này cũng đưa ra một chỉ tiêu đánh giá về khả năng cấp điện và vẫn chưa đánh giá được ảnh hưởng của giá điện tới dung lượng của ES. Hướng nghiên cứu đánh giá năng lượng yêu cầu của phụ tải hoặc yêu cầu tích trữ năng lượng của hệ nguồn. Với việc quy định thời gian tích trữ có tính đến khả năng dự phòng trong một khoảng thời gian nhất định, dung lượng của ES được xem như có khả năng đảm bảo cung cấp điện cho phụ tải trong cả chu kỳ xét. Tuy nhiên, dung lượng xác định theo phương pháp này khá lớn và không đánh giá được sự tương tác trong giữa hệ nguồn và hệ thống điện cũng như ảnh hưởng của giá điện tới dung lượng của ES. 1.4.2. Đề xuất hướng giải quyết

Các nghiên cứu về PVG và WG hầu hết vẫn là những nghiên cứu đơn lẻ hoặc kết hợp với nhau dựa trên những phương pháp truyền thống với hiệu quả năng lượng không cao. Vì vậy, luận án đề xuất hướng giải quyết như sau:

• Xây dựng chương trình DSM tại nút phụ tải có sự tham gia hệ nguồn trong điều kiện thực tế tại Việt Nam và có sự tham gia của ES dung lượng lớn: chương trình này sẽ dựa trên quy định 3 giá bán điện của EPS cho hộ phụ tải và quy định về giá bán điện của hộ phụ tải cho EPS khi có khai thác từ hệ nguồn về EPS tại Việt Nam. Luận án sẽ đề ra các chiến lược vận hành cho chương trình DSM để lên kế hoạch vận hành cho toàn hệ thống trên cơ sở quản lý yêu cầu của các phụ tải và khả năng phát điện từ các nguồn, khả năng tích trữ của ES. Chương trình DSM giúp điều tiết luồng công suất trong toàn hệ thống và xác định dung lượng tối ưu cho ES thỏa mãn các yêu cầu của EPS tại Việt Nam.

• Xây dựng cấu trúc điều khiển theo phương pháp IB-AVC cho đối tượng PVG sử dụng bộ điều khiển PID với việc sử dụng một tín hiệu đo lường duy nhất là điện áp ở đầu vào BBĐ DC/DC. Đây cũng sẽ chính là phương pháp khai thác tối đa công suất từ PVG ở mọi điều kiện vận hành do luôn xác định trước được thông số cần điều khiển trước khi điều khiển. Kết hợp với phương pháp HCS và điều khiển công suất theo yêu cầu cho BBĐ DC/AC 1 pha, luận án sẽ thực hiện điều khiển theo các yêu cầu của chương trình DSM mà vẫn đảm bảo khai thác tối đa công suất của hệ nguồn.

• Xây dựng cấu trúc điều khiển cho BBĐ DC/AC 1 pha, trong đó có sử dụng bộ điều khiển cộng hưởng để khắc phục nhược điểm của bộ điều khiển PI thông thường. 1.5. Kết luận chương 1

-7- Chương 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC HỆ NGUỒN VÀ BÀI TOÁN DSM

2.1. Nguồn pin mặt trời

2.2. Nguồn điện gió

2.3. Xây dựng chương trình DSM tại nút khai thác hệ nguồn trong điều kiện cụ thể của hệ thống điện Việt Nam

2.3.1. Chiến lược điều độ luồng công suất theo mô hình DSM

2.3.2. Một số ràng buộc và giới hạn

• Các đường cong dự báo được được phân bố lại về dạng đồ thị hình chữ nhật.

• Bước tính thứ i của các biến được phân chia tương ứng với các mốc thời gian.

• Tất cả các đại lượng công suất trong toàn hệ thống đều được tính quy đổi

về DCbus.

Tổng công suất của hệ nguồn dự báo thu được ở DCbus ở bước tính thứ i

xác định bởi (2.29):

(2.29)

Tổng năng lượng hệ nguồn có thể thu được trên DCbus vào các giờ H, M,

L trong chu kỳ  được xác định bởi (2.30), (2.31), (2.32):

(2.30)

(2.31)

(2.32)

Tổng năng lượng yêu cầu của phụ tải vào các giờ H, L, M trong chu kỳ 

được xác định bởi (2.33), (2.34), (2.35):

(2.33)

(2.34)

-8-

(2.35)

Tổng năng lượng phát ra của hệ nguồn EGconv và công suất yêu cầu của phụ tải Eload trong toàn thời gian của chu kỳ xét  được xác định bởi (2.36) và (2.37): (2.36)

(2.37)

2.3.3. Đề xuất thuật toán DSM vận hành tại nút có sự tham gia của hệ nguồn trong điều kiện cụ thể của hệ thống điện Việt Nam

Hình 2.8. Đề xuất thuật toán DSM cho hệ thống khai thác hệ nguồn Các thuật toán dưới đây sẽ không nhắc lại các khối dữ liệu đầu vào do đều được nối tiếp thuật toán trên Hình 2.8 (ngay sau nhánh rẽ) hoặc nối tiếp của nhau.

-9-

Hình 2.9. Đề xuất thuật toán vận hành toàn hệ thống cho kịch bản DSM 1

-10-

Hình 2.10. Thuật toán vận hành toàn hệ thống giờ L1 của kịch bản DSM 1

Trong đó: Ede là lượng điện năng thiếu hụt, EsL1 là lượng điện năng dư thừa của hệ nguồn trong giờ L1, Es(i) là lượng điện năng dư thừa tức thời.

-11-

Một điều cần lưu ý ở đây là các đại lượng liên quan đến dung lượng ở bước tính thứ i đặc trưng cho dung lượng của ES ở thời điểm kết thúc bước tính để sẵn sàng cho bước tính tiếp theo.

Hình 2.11. Thuật toán vận hành toàn hệ thống giờ L2

Đối với kịch bản DSM 2, thời điểm phóng nạp của ES được xác định theo thuật toán mô tả trên Hình 2.12 và Hình 2.13. Trong trường hợp này, thuật toán đề xuất thực hiện phân bổ đều lượng điện thiếu của giờ L1, H và M phải mua từ EPS để tích năng lượng vào ES. Thuật toán này đã được công bố trong bài báo số 7.

-12-

Hình 2.12. Đề xuất thuật toán vận hành toàn hệ thống cho kịch bản DSM 2

-13-

Hình 2.13. Chương trình giai đoạn L1 của kịch bản DSM 2

2.3.4. Đề xuất phương pháp đánh giá hiệu quả của chương trình DSM và dung lượng ES tối ưu cho bài toán DSM

Dung lượng tối ưu của ES được đề xuất xác định dựa trên hàm chi phí mua

điện Zrb, lợi nhuận thu được từ việc bán điện Zas và hàm kinh tế Z.

-14-

Hình 2.15. Thuật toán xác định dung lượng ES tối ưu

2.4. Kết quả mô phỏng chương trình DSM vận hành hệ thống khai thác hệ nguồn áp dụng vào hệ thống điện Việt Nam 2.4.1. Thông số đầu vào 2.4.1.1. Kịch bản DSM 1

Một số đặc điểm của kịch bản DSM 1 như sau: Tổng lượng điện năng yêu cầu của phụ tải nhỏ hơn tổng lượng điện năng phát ra từ hệ nguồn trong giờ H và M; Tổng lượng điện năng yêu cầu của phụ tải lớn hơn tổng lượng điện năng phát ra từ hệ nguồn trong giờ L1; Tổng lượng điện năng yêu cầu của phụ tải lớn hơn tổng lượng điện năng phát ra từ hệ nguồn trong cả chu kỳ xét.

-15-

Hình 2.17. Công suất thu được từ hệ nguồn và CS yêu cầu của phụ tải kịch bản DSM 1

2.4.1.2. Kịch bản DSM 2

Hình 2.19. Công suất thu được từ hệ nguồn và CS yêu cầu của phụ tải kịch bản 2

Một số đặc điểm của kịch bản DSM 2 như sau: Tổng lượng điện năng yêu cầu của phụ tải lớn hơn tổng lượng điện năng phát ra từ hệ nguồn trong giờ H và M; Tổng lượng điện năng yêu cầu của phụ tải lớn hơn tổng lượng điện năng phát ra từ hệ nguồn trong giờ L1; Tổng lượng điện năng yêu cầu của phụ tải lớn hơn tổng lượng điện năng phát ra từ hệ nguồn trong cả chu kỳ xét. 2.4.1.3. Dữ liệu liên quan đến BBĐ

Hiệu suất BBĐ DC/DCES là 2=0.95; hiệu suất BBĐ DC/AC là =0.95.

2.4.2. Xác định dung lượng tối ưu của ES

Chọn giá trị khởi đầu của dung lượng định mức Cr=30 kWh, bước nhảy

của dung lượng C= 5 kWh.

Kết quả mô phỏng cho thấy giá trị tối thiểu của Cr phải nằm trong khoảng từ 365 kWh đến 370 kWh. Để có dung lượng dự phòng (5  10)%, giá trị dung lượng định mức tối ưu của ES được lựa chọn là Cropt=400 kWh. Với giá trị Cropt đã chọn, các nội dung tiếp theo sẽ thực hiện mô phỏng kiểm chứng đánh giá hiệu quả kinh tế của việc thực hiện chương trình DSM với không thực hiện DSM trong kịch bản 1 và 2. Các nội dung mô phỏng này đều gán dung lượng của ES trước khi vào chu kỳ tính toán (thời điểm 0h): Cins(0)=0.2Cr. Giá trị này có ý nghĩa đánh giá việc mua và bán điện để phục vụ cho phụ tải hay ES là nằm hoàn toàn trong chu kỳ , qua đó thấy được ý nghĩa của bài toán DSM.