Simulation on power-flow dispatching cases for Microgrid with PVS and battery energy storage system

Abstract

Modern Microgrid (MG) mainly consists of distributed generators (DGs), energy storage systems (ESSs), different loads, and protection systems. Microgrid plays an important role not only to ensure the power supply reliability but also to improve the power quality in distribution network. Moreover, deployment of distributed generators such as Photovoltaic Generation System (PVS), wind turbine generation system, and energy storage systems diversifies operation and control modes of AC microgrid in order to meet local demand response. This paper studies on power-flow dispatching cases for a MG with PVS and Battery Energy Storage System (BESS), which considers the maximum power consumption generated by the PVS and minimizes the power received from the utility grid. Simulation results validate the effectiveness of BESS for actively dispatching power-flow of MG in case the PVSs cannot partially or fully meet the local demand response in peak hours. By using ETAP software, real data of the PVSs are used to do simulation and power-flow calculation for the MG, which is to evaluate the feasibility of power-flow dispatch solutions proposed in this paper.

GIỚI THIỆU

Đặt vấn đề

Lưới điện Microgrid (MG) bao gồm các thành phần cơ bản sau: những máy phát điện phân tán (DG – Distributed Generators), hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS – Energy Storage System), các phụ tải điện và các thiết bị bảo vệ. Microgrid có khả năng vận hành nối lưới hoặc độc lập với nguồn lưới bên ngoài khi cần thiết thông qua việc điều khiển linh hoạt các nguồn phát điện phân tán như máy phát điện tuabin khí, tuabin gió, pin quang điện hoặc các thiết bị lưu trữ năng lượng. Bên cạnh đó, MG có thể được tận dụng như một nguồn phát của lưới điện phân phối, có thể đáp ứng các yêu cầu huy động nguồn trong những trường hợp xuất hiện sự cố trên lưới phân phối 1 . Việc triển khai mô hình MG còn có tác dụng cải thiện đáng kể độ tin cậy cung cấp điện, giảm tổn thất điện năng và duy trì ổn định điện áp cho các phụ tải điện có liên kết với MG.

Trong số các dạng nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo, hệ thống điện mặt trời (còn gọi là hệ thống PVS) được đánh giá là dễ dàng triển khai và thường được lắp đặt trên mái nhà, mặt kính cao ốc, khu đất trống hoặc ở những nơi có thể đón lượng bức xạ nhiệt cực đại từ mặt trời. Theo Luthander et al. 2 , công suất lắp đặt của hệ thống PVS tăng lên đáng kể trong những năm gần đây và phần lớn chúng hoạt động ở chế độ nối lưới với vị trí đặt tương đối gần với phụ tải điện. Sajjad et al. 3 đã phân tích lợi ích, hiệu quả về mặt kinh tế và vận hành khi tích hợp hệ thống PVS vào tòa nhà thương mại. Từ các kết luận trong tài liệu Luthander et al. 2 , Sajjad et al. 3 , mục tiêu vận hành của hệ thống PVS nối lưới tập trung vào việc giảm thiểu công suất nhận từ lưới điện chính trong khoảng thời gian có nắng trong ngày. Tuy nhiên, tính ổn định công suất ngõ ra của hệ thống PVS là không cao do phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện thời tiết. Do đó, để duy trì lượng công suất ổn định trong lưới điện MG với sự tích hợp của hệ thống PVS, một trong những giải pháp hiệu quả là tích hợp thêm hệ thống pin lưu trữ năng lượng (còn gọi là hệ thống BESS).

Hệ thống pin lưu trữ năng lượng được tích hợp vào MG nhằm đáp ứng nhiều mục đích vận hành khác nhau như điều chỉnh điện áp/tần số (V/f Control), nâng cao độ tin cậy cung cấp điện (Reliability Enhancement) và tiết giảm phụ tải đỉnh (Peak Shaving). Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả tập trung phân tích việc điều phối giảm phụ tải đỉnh cho các phụ tải điện thông qua việc sử dụng hệ thống BESS. Theo Oudalov et al. 4 , các khách hàng công nghiệp thông thường chỉ vận hành các thiết bị có công suất lớn trong thời gian tương đối ngắn trong ngày. Do đó, việc tiết giảm phụ tải đỉnh nhờ vào hệ thống BESS có thể được ứng dụng cho những khách hàng công nghiệp này trong thời gian ngắn vào giờ cao điểm và nạp điện lại hệ thống BESS trong thời gian thấp điểm chẳng hạn như vào ban đêm, nhờ vậy giảm được chi phí mua điện trong khung giờ cao điểm.

Table 1 trình bày những khác biệt chính giữa các phương án thiết kế lưới điện phân phối có xét đến các nguồn điện phân tán. Để có thể tích hợp các nguồn năng lượng phân tán một cách hiệu quả nhằm đảm bảo tính liên tục cung cấp điện cho lưới phân phối, việc xây dựng một cấu trúc lưới hạ áp mới – được gọi là Microgrid là hoàn toàn cần thiết.

Table 1 Các phương án thiết kế lưới điện phân phối

Đặc điểm	Lưới điện quá khứ	Lưới điện hiện tại	Lưới điện tương lai
	Truyền thống	Nguồn phát điện phân tán	AC hoặc DC Microgrid
Liên kết với máy phát điện truyền thống	Tập trung ở một khu vực; Có máy phát dự phòng	Nguồn năng lượng phân tán được sử dụng với mức độ xâm nhập thấp hoặc trung bình	Nguồn năng lượng phân tán được sử dụng với mức độ xâm nhập ở mức trung bình hoặc cao
Phụ tải	Không phân loại	Phụ tải được phân loại dựa trên các yêu cầu về chất lượng điện năng và tính chất điều khiển
Phương thức hoạt động lúc bình thường	Lưới điện thụ động: được cung cấp từ trạm biến áp trung gian	Lưới điện bán chủ độ ng: Tuy đã có nguồn trên lưới nhưng vẫn còn phụ thuộc nguồn được cung cấp từ trạm biến áp trung gian	Lưới điện chủ động: Nguồn điện có sẵn trên lưới, không phụ thuộc vào nguồn từ trạm trung gian, chủ động điều chỉnh trào lưu công suất theo mục tiêu cụ thể
Phương thức hoạt động khi có sự cố	Sa thải phụ tải theo tần số, buộc phải cắt điện	Sa thải phụ tải, ngắt kết nối các nguồn phát điện phân tán	Có khả năng hoạt động độc lập và tự động, đáp ứng nhu cầu khi khẩn cấp

Tổng quan điều phối dòng công suất cho lưới điện Microgrid có hệ thống PVS và hệ thống BESS

Các phương pháp quản lý hệ thống điện mặt trời đã được nghiên cứu rộng rãi trong nhiều tài liệu 6 , 5 , 3 , 2 . Trong tài liệu Luthander et al. 2 , hệ thống quản lý năng lượng pin (BEMS – Battery Energy Management System) đóng vai trò chủ yếu trong việc vận hành tối ưu khâu phát điện và tiêu thụ điện. Tối đa hóa việc khai thác và sử dụng công suất từ hệ thống điện mặt trời kết hợp với hệ thống BESS là vấn đề cốt lõi của nhóm tác giả khi thực hiện nghiên cứu. Các ưu điểm của hệ thống PVS -BESS phụ thuộc đáng kể vào giá điện, các chính sách và nhu cầu sử dụng điện thực tế. Cụ thể, Sajjad et al. 3 đã phân tích rằng chỉ có hệ thống điện mặt trời mới đem lại lợi ích khác biệt đối với phụ tải điện trong các tòa nhà dân dụng. Ngược lại, trong các tòa nhà thương mại (các trung tâm mua sắm nơi mà nhu cầu sử dụng điện lớn hơn) thì lại không khuyến khích việc mở rộng hệ thống BESS như đã trình bày trong tài liệu của Barchi et al. 5 . Các ưu điểm khác của việc kết hợp hệ thống PVS và hệ thống BESS được phân tích khá cụ thể và chi tiết trong tài liệu của Vieira et al. 6 .

Đóng góp của nghiên cứu

Nếu không xem xét đến các ảnh hưởng về kinh tế và các chính sách khuyến khích, đóng góp chính của nghiên cứu này là các phương pháp điều phối dòng công suất trong hệ thống quản lý năng lượng (EMS – Energy Management System) tòa nhà thông qua việc điều khiển nguồn phát điện mặt trời và hệ thống pin lưu trữ năng lượng (PVS-BESS Hybrid System), gọi chung là Microgrid. Hệ thống PVS -BESS này đã được phát triển trong một dự án nghiên cứu của châu Âu nhằm cải tạo lại trung tâm mua sắm với mục tiêu giảm thiểu điện năng tiêu thụ từ lưới đến 75%, và khuyến khích sử dụng các công nghệ năng lượng tái tạo và dự trữ năng lượng 7 .

Cấu trúc của bài nghiên cứu này gồm 4 phần chính , cụ thể như sau:

• Phần Giới thiệu : giới thiệu tổng quan về đề tài nghiên cứu của nhóm tác giả.

• Phần Phương pháp điều phối dòng công suất trong lưới điện Microgrid có tích hợp hệ thống PVS và hệ thống BESS : trình bày các trường hợp điều phối dòng công suất để cắt giảm phụ tải đỉnh bằng việc sử dụng hệ thống BESS có xem xét đến sự tích hợp hệ thống PVS trong lưới điện MG bằng việc sử dụng hệ thống BESS có xem xét đến sự tích hợp hệ thống PVS trong lưới điện MG.

• Trong phần Mô phỏng hoạt động Microgrid, kết quả, phân tích và thảo luận , nhóm tác giả trình bày các kết quả mô phỏng, phân tích và thảo luận.

• Phần cuối cùng là những kết luận về một số nội dung nghiên cứu đã được các tác giả thực hiện.

PHƯƠNG PHÁP điều phối dòng công suất trong LƯỚI ĐIỆN Microgrid có TÍCH HỢP HỆ THỐNG PVS và HỆ THỐNG BESS

Định nghĩa về tiết giảm phụ tải đỉnh (Peak Shaving)

Tiết giảm phụ tải đỉnh được định nghĩa là một kỹ thuật giảm lượng điện năng tiêu thụ trong khoảng thời gian yêu cầu 8 . Với sự xuất hiện của hệ thống PVS hoặc hệ thống pin lưu trữ năng lượng BESS trong lưới điện MG, việc điều chỉnh nhu cầu năng lượng để tích trữ năng lượng giá rẻ ở những khung giờ thấp điểm và trả về lưới điện trong thời gian nhu cầu điện cao là ứng dụng thường thấy. Figure 1 minh họa quá trình tiết giảm phụ tải đỉnh; có thể thấy rằng trong thời gian thấp điểm, pin sẽ lưu trữ năng lượng bằng cách sạc. Sau đó, trong khung giờ cao điểm, năng lượng dự trữ trong pin sẽ được cung cấp để cắt đi phần đỉnh của phụ tải đang cao 9 . Nói một cách khác, hệ thống BESS sẽ hỗ trợ một phần công suất để thỏa mãn nhu cầu của phụ tải điện vào khoảng thời gian cao điểm.

Figure 1 . Biểu đồ cho biết sự tiết giảm phụ tải đỉnh vào giờ cao điểm 10

10" width="300" height="200">

Nhìn chung, việc tiết giảm phụ tải đỉnh sử dụng hệ thống PVS hoặc hệ thống BESS đã trở thành mối quan tâm lớn đối với các ngành công nghiệp và hộ gia đình 11 . Về mặt lợi ích mang lại, các hộ gia đình và các khu công nghiệp có thể tiết kiệm chi phí mua điện vào khung giờ cao điểm hoặc thậm chí có lợi nhuận nhờ vào việc bán điện cho Điện lực 12 . Bên cạnh đó, áp lực đảm bảo cung cấp điện trong hệ thống điện cũng như chi phí nhiên liệu phục vụ phát điện sẽ giảm 13 .

Giả sử một hệ thống MG chỉ tích hợp hệ thống PVS thì phương trình cân bằng công suất bỏ qua tổn hao được biểu diễn như sau ( ):

Trong đó, P _pt là công suất của phụ tải điện, P _lưới là công suất từ lưới điện, và P _{P V} là công suất phát ra từ hệ thống điện mặt trời. Như vậy, lượng công suất nhận từ nguồn lưới để đáp ứng nhu cầu phụ tải có thể sẽ giảm đi một lượng tương ứng với phần công suất phát dư ra từ hệ thống PVS trong khoảng thời gian cao điểm, có nắng.

Phương pháp tiết giảm phụ tải đỉnh sử dụng hệ thống BESS có xét đến sự tích hợp của hệ thống PVS

Sự thay đổi đột ngột công suất phát của hệ thống PVS không chỉ làm thay đổi dòng công suất mà còn làm cho tần số của Microgrid dao động đột ngột. Vì vậy, nhóm tác giả đề xuất sử dụng nguồn công suất dự trữ trong hệ thống BESS, nhằm ổn định lượng công suất phát ra từ hệ thống PVS đồng thời tiết giảm lượng công suất nhận từ nguồn lưới. Việc huy động nguồn từ hệ thống pin lưu trữ năng lượng BESS có thể được xem là giải pháp hiệu quả cả về mặt kinh tế lẫn kỹ thuật. Bởi vì, Microgrid sẽ không phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn lưới mà còn giải quyết được những khuyết điểm của việc chỉ sử dụng hệ thống PVS.

Hệ thống BESS được tích hợp vào Microgrid cho thấy khả năng linh hoạt trong việc hỗ trợ vận hành Microgrid và ứng dụng tiết giảm lượng công suất tiêu thụ từ nguồn lưới trong thời gian xuất hiện tải đỉnh, được thể hiện lần lượt trong , :

Trong đó: α là giá trị có thể được cài đặt bởi người vận hành hoặc có thể được tính toán và cập nhật một cách tự động, P _{p v} là giá trị tổng công suất phát ra từ hệ thống PVS, P _lưới là giá trị công suất mà MG nhận từ lưới điện chính và P _{công_suất_đặt_của_BES S} là giá trị công suất đặt của hệ thống BESS. Trên cơ sở đó, lượng công suất mà hệ thống BESS phải bù vào lưới trong thời gian xuất hiện tải đỉnh có thể được lựa chọn tương ứng với tỉ lệ phần trăm của tổng công suất tiêu thụ trong MG. Tuy nhiên, tốc độ xả của hệ thống BESS ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của nó. Do đó, nếu hệ thống BESS được cài đặt để vận hành tối đa công suất thì đồng nghĩa với việc tuổi thọ của pin sẽ bị rút ngắn dẫn đến phải thay thế sớm hơn kế hoạch bảo trì đã định.

Xây dựng hệ thống PVS-BESS thực tế cho ứng dụng tiết giảm phụ tải đỉnh

Nghiên cứu này sử dụng bộ điều khiển pin lưu trữ năng lượng (Power Controller for BESS) dựa trên phần cứng của hãng ABB kết hợp với vận hành hệ thống điện mặt trời để giảm phụ tải đỉnh trong giờ cao điểm. Bộ điều khiển pin sẽ điều phối dòng công suất đối với hệ thống BESS. Chức năng chính của bộ điều khiển là giám sát dữ liệu tải và kích hoạt hệ thống BESS xem có nên nạp điện từ hệ thống điện mặt trời hay xả năng lượng vào Microgrid để giảm thiểu nhu cầu tải cao trong giờ cao điểm. Đồng thời, điều quan trọng đối với bộ điều khiển là phải tính đến các điều kiện vận hành để tránh hư hỏng thiết bị trong Microgrid. Hệ thống điều khiển pin của ABB có cấu trúc phi tập trung, trong đó mỗi thiết bị có một bộ điều khiển riêng biệt và tất cả các bộ điều khiển đều được giao tiếp với nhau. Thảo luận chi tiết về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển pin nằm ngoài phạm vi của bài viết này 4 . Dựa trên cơ sở hỗ trợ phần cứng và phần mềm của hệ thống quản lý năng lượng pin từ hãng ABB và sự tích hợp hệ thống điện mặt trời vào MG, Figure 2 cho biết sơ đồ khối tổng thể về việc kết nối, vận hành hệ thống PVS-BESS.

Figure 2 . Sơ đồ khối tổng quan hệ thống PVS-BESS.

Các trường hợp điều phối dòng công suất để tiết giảm tải đỉnh – Một ví dụ thực tế

Các trường hợp điều phối dòng công suất để tiết giảm tải đỉnh – Một ví dụ thực tế

Giải thuật tiết giảm phụ tải đỉnh thông qua điều phối dòng công suất từ hệ thống PVS-BESS

Mục tiêu chính của giải thuật là đưa ra hướng dẫn, điều phối dòng công suất và phối hợp hoạt động giữa các nguồn phát như PVS, BESS, máy phát điện Diesel, và nguồn lưới để tiết giảm phụ tải đỉnh. Căn cứ dữ liệu tải của tòa nhà Data Center và công suất lắp đặt của hệ thống PVS để xây dựng thuật toán chương trình điều phối dòng công suất, giám sát và vận hành hệ thống BESS theo lưu đồ như Figure 4 . Hơn nữa, Table 3 trình bày các thông số cài đặt cơ bản của hệ thống BESS trong lưới điện Microgrid.

Table 3 Các thông số cài đặt cơ bản của hệ thống BESS

Thông số	Dãy giá trị cho phép cài đặt → Giá trị cài đặt
Thời gian hoạt động của chế độ Peak Shaving	0g00 đến 24g00 → 8g00 đến 16g00
Tốc độ xả nguồn năng lượng tích trữ	không giới hạn
Thời gian điều chỉnh lại	0 đến 2 giờ/lần (độ phân giải 01 phút) → lựa chọn 15 phút/lần
SOCmin ngăn chặn xả nguồn	0 ~ 100% → lựa chọn 30%
Thời gian để pin lưu trữ nạp lại nếu SOCBESS < SOCmin	0 đến 6 giờ → lựa chọn 1 giờ
Thời gian hoạt động nạp lại của pin lưu trữ có xem xét đến yếu tố chi phí điện mua từ lưới	0g00 đến 24g00 → 20g00 đến 8g00
Chế độ nạp điện	Tự động nạp đầy/nạp theo giá trị nhập → Tự động nạp đầy đến khi giá trị SOC đạt 100%

Mô phỏng hoạt động Microgrid, kết quả, phân tích và thảo luận

Các trường hợp mô phỏng hoạt động, điều phối dòng công suất trong Microgrid được thực hiện như sau:

i) Microgrid bắt đầu hoạt động ở chế độ hòa lưới, nghĩa là các phụ tải điện bên trong MG sẽ được cấp điện bởi nguồn lưới chính. Hệ thống UPS vừa giám sát điện áp vận hành của lưới vừa được nạp điện. Trong khi đó, hệ thống BESS hoạt động như một thiết bị điều khiển điện áp cho MG. Các máy phát điện dự phòng Diesel đang trong trạng thái chờ và sẵn sàng khởi động để hòa lưới nếu có bất kỳ sự cố bên ngoài MG xảy ra. Hệ thống PVS đảm nhận vai trò hỗ trợ dòng công suất trong MG. Trong trường hợp này, nhóm tác giả tập trung phân tích sự tác động của dòng công suất được phát ra từ các hệ thống PVS đến MG khi cường độ bức xạ thay đổi ngẫu nhiên.

ii) Dựa vào công suất phát thực tế của các hệ thống PVS, nhóm tác giả mô phỏng hoạt động MG vận hành theo yêu cầu tiết giảm tải đỉnh trong giờ cao điểm. Đối với yêu cầu này, hệ thống BESS sẽ đóng vai trò quan trọng để điều khiển dòng công suất thu vào/phát ra từ nguồn lưới chính.

Sự ảnh hưởng của công suất phát ra từ hệ thống PVS đến Microgrid

Sự ảnh hưởng của công suất phát ra từ hệ thống PVS đến Microgrid

Sự ảnh hưởng của công suất phát ra từ hệ thống PVS đến Microgrid

Mô phỏng Microgrid vận hành trong chế độ tiết giảm tải đỉnh (Peak Shaving)

Mô phỏng Microgrid vận hành trong chế độ tiết giảm tải đỉnh (Peak Shaving)

Mô phỏng Microgrid vận hành trong chế độ tiết giảm tải đỉnh (Peak Shaving)

Mô phỏng Microgrid vận hành trong chế độ tiết giảm tải đỉnh (Peak Shaving)

KẾT LUẬN

Nghiên cứu này đã trình bày một giải pháp hiệu quả để tiết giảm phụ tải đỉnh cho khách hàng thông qua việc điều phối dòng công suất trong lưới điện xoay chiều hạ áp Microgrid có tích hợp hệ thống PVS và hệ thống BESS. Các kết quả trong nghiên cứu cho thấy sự hiệu quả của hệ thống BESS trong việc chủ động điều phối dòng công suất khi hệ thống PVS không thể đáp ứng một phần hoặc toàn phần phụ tải điện trong giờ cao điểm. Số liệu khảo sát thực tế của hệ thống PVS kết hợp với việc mô phỏng, tính toán dòng công suất và các đánh giá lợi ích về mặt kinh tế đã chứng minh tính khả thi của các phương pháp được đề xuất.

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

MG : lưới điện quy mô nhỏ – Microgrid.

PV : pin quang điện – Photovoltaic.

SOC : trạng thái sạc của pin – State of Charge.

BESS : hệ thống pin lưu trữ năng lượng – Battery Energy Storage System.

Zero Consumption : mức độ tiêu thụ công suất bằng không.

DG : máy phát điện phân tán – Distributed Generator.

ESS : hệ thống lưu trữ năng lượng – Energy Storage System.

BEMS : hệ thống quản lý năng lượng trong tòa nhà – Building Energy Management System.

EMS : hệ thống quản lý năng lượng – Energy Management System.

PS : ứng dụng tiết giảm phụ tải đỉnh – Peak Shaving.

UPS : hệ thống chống mất điện đột ngột – Uninterrupted Power Supply.

MCCB : máy cắt cỡ nhỏ thường dùng trong lưới điện hạ thế – Mini Contact Circuit Breaker.

G1 : máy phát điện diesel thứ nhất – 1 ^st Diesel Generator.

S1 : nguồn lưới điện thứ nhất – 1 ^st Power Source.

ATS : thiết bị tự động chuyển mạch – Automatic Transfer Switch.

Xung đột lợi ích

Nhóm tác giả xin cam đoan rằng không có bất kỳ xung đột lợi ích nào trong công bố bài báo.

Đóng góp của các tác giả

Lê Duy Phúc và Bùi Minh Dương đưa ra ý tưởng viết bài, đóng góp diễn giải phương pháp thực hiện, kết quả mô phỏng, những phân tích, thảo luận của nghiên cứu và viết bản thảo.

Bành Đức Hoài, Nguyễn Minh Tùng và Nguyễn Minh Khôi tham gia hỗ trợ thu thập dữ liệu, kiểm tra lại bài viết, đóng góp phần tổng quan và kết luận của bài viết.

Đoàn Ngọc Minh và Nguyễn Thanh Hoan tham gia thu thập dữ liệu, chạy kết quả mô phỏng và kiểm tra lại chính tả, kết quả của bài viết.