Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn phân tán đến vận hành tối ưu mô hình năng lượng tích hợp

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (13.63 MB, 96 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

NGUYỄN TUẤN NAM

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN PHÂN TÁN ĐẾN VẬN HÀNH TỐI ƯU MƠ HÌNH NĂNG LƯỢNG

TÍCH HỢP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Thái Nguyên – 2022

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

NGUYỄN TUẤN NAM

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN PHÂN TÁN ĐẾN VẬN HÀNH TỐI ƯU MƠ HÌNH NĂNG LƯỢNG

TÍCH HỢP

Chun ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 852.02.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. Hà Thanh Tùng

Thái Nguyên - 2022

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là

Tùng, có tham khảo một số tài liệu và bài báo của các tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản. Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của người khác.

Tác giả

Nguyễn Tuấn Nam

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

1.1. KHÁI NIỆM VỀ MẠNG LƯỚI NĂNG LƯỢNG……… 5

1.1.1. Ưu điểm của Ens……… 5

1.1.2. Một số hệ thống năng lượng đơn lẻ điển hình……… 6

1.2. MẠNG NĂNG LƯỢNG SIÊU NHỎ (Micro energy network -MEN)

1.3.2. Cấu trúc của EI... 16

1.3.3. Thành phần then chốt của EI……….. 18

1.3.4. Phân tích một số vấn đề liên quan đến sự phát triển của EI và ENS…... 21

1.4. CƠNG CỤ TÍNH TỐN………. 24

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1:……… 27

CHƯƠNG 2 ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN PHÂN TÁN ĐẾN HIỆU QUẢ VẬN HÀNH MƠ HÌNH TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG TẬP TRUNG…... 28

2.1. MƠ HÌNH TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG TẬP TRUNG (ENERGY HUB).. 28

2.1.1. Mô tả………... 28

2.1.2. Hướng nghiên cứu và đối tượng ứng dụng………. 30

2.1.3. Tiềm năng và lợi ích của mơ hình EH……… 30

2.2. VÍ DỤ TÍNH TỐN ÁP DỤNG………... 31

2.2.1. Tiềm năng năng lượng tái tạo tại Thanh Hóa[26]……….. 31

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

2.2.2. Mơ hình năng lượng tập trung EH………. 33

2.2.3. Năng lượng gió, mặt trời và cơng nghệ BESS………... 37

2.2.4. Mơ hình tốn……….. 46

2.2.5 Kết quả tính tốn………. 50

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2………. 56

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN PHÂN TÁN ĐẾN HIỆU QUẢ VẬN HÀNH MƠ HÌNH TÍCH HỢP HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG 58 3.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG QUY MƠ NHỎ…. 58 3.1.1. Mạng lưới điện - Electricity network………. 60

3.1.2. Mạng khí tự nhiên (Natural network)... 60

3.2. VẬN HÀNH TỐI ƯU MEN………. 62

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Power

Kết hợp làm mát, nhiệt và điện

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Lượng tiêu thụ năng lượng mới và tái tạo trên đầu người của một số quốc gia (số liệu năm 2012)

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Hình 2.12. Tổ hợp pin mặt trời 41

Hình 3.1 Cấu trúc điển hình của mơ hình tích hợp năng lượng trên cơ sở các Energy hub

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

Hình 3.8. Cấu trúc của Hub tại nút thứ n trong trường hợp chỉ sử dụng duy nhất năng lượng điện

Hình 3.13. Kết quả tính tốn vận hành tối ưu mơ hình MEN với 04 kịch bản

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng là lĩnh vực có vai trị đặc biệt quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội. Vì thế, những biến động về giá cả, thể chế hay những tiến bộ về công nghệ trong khai thác và sử dụng năng lượng luôn thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà nghiên cứu, các nhà làm chính sách ở mọi quốc gia trên thế giới. Cuộc khủng hoảng dầu lửa năm 1973 là tiếng chuông đầu tiên cảnh bảo khả năng thiếu hụt năng lượng trong tương lai khi nó khơng được khai thác và sử dụng một cách hiệu quả. Chính những biến động về năng lượng trong giai đoạn này đã làm thay đổi ý thức sử dụng năng lượng của con người, thay đổi phương thức và cơ chế hoạt động của hệ thống năng lượng trên thế giới. Trước bối cảnh kinh tế tồn cầu hóa và biến đổi khí hậu, vấn đề khai thác và sử dụng tối ưu năng lượng ngày càng trở nên cấp thiết và quan trọng.

Cạn kiệt tài nguyên năng lượng và áp lực ô nhiễm môi trường đang là hai vấn đề thách thức lớn đối với tất cả các quốc gia trên thế giới. Sự tiến bộ về khoa học công nghệ đã đưa ra nhiều giải pháp ứng dụng mới nhằm khai thác và sử dung tối ưu năng lượng phục vụ cho nhu cầu của con người. Một trong số đó là hình thức

and Optimization of Multi-Carirer Energy Systems)[4-6] được coi là một bước đột phá mới:

+ Ở khía cạnh sản xuất năng lượng, các dạng năng lượng khác nhau có thể chuyển đổi, hỗ trợ lẫn nhau. Ví dụ, đối với hệ thống mạng lưới năng lượng điện và khí tự nhiên hỗn hợp, khí tự nhiên có thể chuyển đổi thành điện năng hoặc nhiệt năng. Điều này khơng những làm tăng tính linh hoạt trong vận hành mà còn gia tăng độ tin cậy cung cấp năng lượng.

+ Ở khía cạnh chi phí sử dụng năng lượng, hộ tiêu dùng có thể tùy chọn các dạng năng lượng khác nhau với chi phí năng lượng thấp nhất. Ví dụ: nhu cầu làm

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

mát có thể sử dụng năng lượng điện hoặc nhiệt thông qua thiết bị chuyển đổi từ điện năng sang lạnh hoặc từ nhiệt năng sang lạnh.

Nhìn chung, mục tiêu của hệ thống tích hợp năng lượng chủ yếu thỏa mãn hai yếu tố kinh tế và đáp ứng nhu cầu đa dạng của phụ tải. Mơ hình này giúp nâng cao độ tin cậy, giảm ô nhiễm môi trường, nâng cao tính ổn định, và đạt được mục tiêu sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả.

Khoa học kỹ thuật phát triển, nhiều mơ hình cung cấp năng lượng đã được

điện ảo (virtual power plant)[8], hệ thống dịch vụ cung ứng năng lượng[9], hệ thống

nghiên cứu ETH Zurich đề xuất đã cho thấy nhiều ưu điểm vượt trội . EH được xem như là một hệ thống, một mơ hình tích hợp năng lượng đa chức năng trong việc kết

phép kết hợp tối ưu giữa các dạng năng lượng; mô hình này có thể được xem xét

Cùng với sự ra đời và phát triển của các hệ thống năng lượng tích hợp, nguồn phân tán (Distributed Generation, DG) bao gồm các dạng nguồn sử dụng năng lượng tái tạo và các hệ thống tích trữ năng lượng là các giải pháp tiếp tục được nghiên cứu ứng dụng, phát triển mạnh mẽ trước áp lực nhu cầu sử dụng ngày càng tăng của xã hội hiện đại. Hình thức phân phối năng lượng truyền thống thơng qua hệ thống điện đã cho thấy hiệu quả đáng kể của năng lượng tái tạo và thiết bị tích

tích hợp các hệ thống năng lượng, ảnh hưởng và vai trò của năng lượng phân tán (năng lượng mặt trời, gió) kết hợp với các hệ thống tích trữ chưa được đề cập một cách đầy đủ. Đặc biệt tại Việt Nam, có khơng nhiều nghiên cứu đề cập đến mơ hình này. Từ những phân tích nêu trên, cùng với xu thế phát triển chung của thế giới, việc tiếp cận, áp dụng những mơ hình mới trong lĩnh vực năng lượng vào điều kiện thực tiễn là tất yếu. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu hoàn thiện cấu trúc và tính tốn

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

vận hành mơ hình hệ thống năng lượng; Nghiên cứu này phân tích ảnh hưởng của nguồn phân tán đến hiệu quả vận hành tối ưu mơ hình năng lượng tích hợp trên cơ sở tính tốn so sánh các kịch bản vận hành khác nhau.

Đối tượng nghiên cứu bao gồm: Mơ hình năng lượng tích hợp; Nguồn phân tán (Năng lượng mới và tái tạo: Gió và mặt trời, hệ thống tích trữ năng lượng)

Mơ hình tích hợp các dạng năng lượng khác nhau được để xuất dưới hai dạng: mơ hình tích hợp các dạng năng lượng tập trung và mơ hình tích hợp dưới dạng hệ thống. Nghiên cứu bài toán vận hành tối ưu mơ hình tích hợp các dạng năng lượng khác nhau có xét đến sự tham gia của nguồn năng lượng phân tán. Từ đó, đánh giá - phân tích ảnh hưởng của chúng đến hiệu quả vận hành của mơ hình. Mơ hình hệ thống năng lượng tính toán áp dụng đối với dữ liệu thực tế tại địa phương nơi học viên đang công tác.

Đề tài đặt ra những mục tiêu nghiên cứu cụ thể như sau:

1/ Đề xuất xây dựng mơ hình tích hợp các dạng năng lượng khác nhau bao gồm (điện năng, khí tự nhiên, nguồn phân tán) dưới hai dạng mơ hình hệ thống tập trung và mơ hình hệ thống năng lượng;

vận hành nhỏ nhất. Các ràng buộc của mơ hình bao gồm biểu giá năng lượng, giới hạn chuyển đổi của thiết bị, giới hạn công suất, cân bằng năng lượng vào ra, cân bằng cơng suất phóng/nạp của các hệ thống tích trữ tương ứng;

3/ Tính tốn vận hành tối ưu mơ hình tích hợp năng lượng đề xuất thơng qua

đến hiệu quả của bài toán vận hành;

4/ Lập chương trình tính tốn: giải quyết các bài tốn tối ưu hóa, giải tích lưới điện bằng ngơn ngữ lập trình bậc cao GAMS.

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

5. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết:

tích lũy được kết hợp với bổ túc thêm của Người hướng dẫn để thực hiện nội dung yêu cầu của đề tài;

Phương pháp luận:

và ngồi nước;

- Sử dụng cơng cụ tính tốn có độ tin cậy cao;

- Phân tích, lập luận khoa học để đánh giá kết quả nghiên cứu, từ đó nêu bật được những đóng góp của đề tài và giá trị khoa học đạt được.

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Ảnh hưởng của nguồn phân tán đến hiệu quả vận hành mơ

hình tích hợp năng lượng tập trung

Chương 3: ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN PHÂN TÁN ĐẾN HIỆU QUẢ VẬN HÀNH MƠ HÌNH TÍCH HỢP HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG

Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn đã hoàn thành. Tác giả xin

bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc của mình đối với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS.

điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt q trình tham gia khóa học. Xin chân thành cảm ơn bạn bè đồng nghiệp và người thân đã tạo điều kiện giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này.

Do hạn chế về thời gian, trình độ nên luận văn khơng thể tránh khỏi sai sót; Tác giả rất mong nhận được những chỉ dẫn, góp ý của các thầy giáo, cơ giáo cũng như các đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và chân thành cảm ơn!

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

lượng tích hợp; Energy internet; mơ hình mạng năng lượng siêu nhỏ và cơng cụ tính tốn (ngơn ngữ lập trình GAMS) được sử dụng trong nghiên cứu này.

1.1. KHÁI NIỆM VỀ MẠNG LƯỚI NĂNG LƯỢNG

Cho đến nay, việc vận hành hiệu quả các nguồn năng lượng đã được coi là thách thức chính trên toàn thế giới. Trước đây, các dạng năng lượng như điện, khí tự nhiên, nhiệt thường tồn tại dưới dạng hệ thống độc lập, đơn lẻ, được quy hoạch và vận hành riêng biệt[1]. Tuy nhiên, các phương pháp tiếp cận độc lập được áp dụng với các hệ thống năng lượng này có thể làm ảnh hưởng đến hoạt động tối ưu. Sự tăng trưởng trong việc sử dụng các máy phát điện chạy bằng khí đốt và nguồn điện phân tán cùng với mối quan tâm về hiệu suất năng lượng tạo ra đủ động lực để tăng cường mạng lưới dịch vụ năng lượng bằng cách phối hợp các mạng lưới năng

sự kết hợp tối ưu giữa các dạng năng lượng này bắt đầu được chú trọng và quan tâm sâu sắc. Mạng lưới năng lương (Energy networks -ENs) có thể được định nghĩa là một hệ thống kết có khả năng kết nối, vận hành nhiều dạng năng lượng hoặc hệ thống năng lượng khác nhau với mục tiêu khai thác và sử dụng tối ưu chúng mà không làm thay đổi nhu cầu của phụ tải.

Được cấu thành từ nhiều dạng năng lượng khác nhau, ENs có thể được lưu trữ và chuyển đổi thơng qua một hệ thống tích hợp, được gọi là trung tâm năng lượng (Energy hub - EH)[3]. Khái niệm nổi tiếng này mở ra một cơ hội mới trong việc

áp dụng các hệ thống ENs được coi là một giải pháp cho tương lai. Do đó, tích hợp các hệ thống năng lượng (quy hoạch và vận hành) là hai vấn đề chính cần quan tâm nghiên cứu.

1.1.1. Ưu điểm của ENs

Khái niệm ENs ra đời được coi là một bước đột phá mới thể hiện ở những điểm nổi bật sau đây:

+ Ở khía cạnh sản xuất năng lượng, các dạng năng lượng khác nhau có thể chuyển đổi, hỗ trợ lẫn nhau. Ví dụ, đối với hệ thống mạng lưới năng lượng điện và

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

khí tự nhiên hỗn hợp, khí tự nhiên có thể chuyển đổi thành điện năng hoặc nhiệt năng. Điều này không những làm tăng tính linh hoạt trong vận hành mà cịn gia tăng độ tin cậy cung cấp năng lượng.

Hình 1.1 Một hệ thống mạng lưới năng lượng điển hình[8]

+ Ở khía cạnh chi phí sử dụng năng lượng, hộ tiêu dùng có thể tùy chọn các dạng năng lượng khác nhau với chi phí năng lượng thấp nhất. Ví dụ, nhu cầu làm mát có thể sử dụng năng lượng điện hoặc nhiệt thông qua thiết bị chuyển đổi từ điện năng sang lạnh hoặc từ nhiệt năng sang lạnh.

Nhìn chung, mục tiêu của ENs chủ yếu thỏa mãn hai yếu tố kinh tế và đáp ứng nhu cầu đa dạng của phụ tải. Mơ hình này giúp nâng cao độ tin cậy, giảm ô nhiễm môi trường, nâng cao tính ổn định, và đạt được mục tiêu sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả.

1.1.2. Một số hệ thống năng lượng đơn lẻ điển hình

Một cách đơn giản, mạng lưới năng lượng chính là hệ thống năng lượng được hình thành do quá trình kết nối giữa các hệ thống năng lượng đơn lẻ khác nhau. Một số hệ thống năng lượng chỉ sử dụng duy nhất một dạng năng lượng hiện nay đang được vận hành gồm có: Hệ thống năng lượng điện, hệ thống khí tự nhiên, hệ thống nhiệt…

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

1.1.2.1. Hệ thống năng lượng điện

Điện năng là một dạng năng lượng đặc biệt và rất phổ biến hiện nay, điện năng có rất nhiều ưu điểm hơn hẳn so với các dạng năng lượng khác như: dễ dàng chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác với hiệu suất cao (cơ năng, nhiệt năng, hoá năng, quang năng...). Điện năng được sản xuất ra từ các nhà máy điện hay các trạm phát điện theo nhiều công nghệ khác nhau. Quá trình sản xuất và sử dụng điện năng được thực hiện bởi một hệ thống điện như mơ tả trên Hình 1.2, bao gồm các hạng mục chính: sản xuất, truyển tải đến phân phối và tiêu thụ điện.

Hình 1.2 Mơ hình cấu trúc hệ thống điện hoàn chỉnh

Hoạt động của hệ thống điện có một số đặc điểm chính sau đây:

- Điện năng sản xuất ra nói chung, tại mọi thời điểm luôn phải bảo đảm cân bằng giữa lượng điện năng sản xuất ra với lượng điện năng tiêu thụ, tích trữ và điện năng tổn thất trên các thiết bị truyền tải và phân phối điện.

truyền trên đường dây với tốc độ rất lớn xấp xỉ tốc độ ánh sáng 300.000 km/s), thời gian đóng cắt mạch điện, thời gian tác động của các bảo vệ thường xẩy ra dưới 0,5s.

quốc dân khác như: Luyện kim, hoá chất, khai thác mỏ, cơ khí, cơng nghiệp nhẹ, đơ thị và dân dụng,...

1.1.2.2. Hệ thống khí tự nhiên (Natural gas)

Khái niệm: Khí tự nhiên hay cịn gọi là khí Gas là nhiên liệu hóa thạch sạch nhất của trái đất và không màu và không mùi ở trạng thái tự nhiên. Nó bao gồm bốn

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

tự nhiên chúng ta tìm thấy và sử dụng ngày nay bắt đầu từ thực vật và động vật cực nhỏ sống trong môi trường biển nông hàng triệu năm trước. Là những sinh vật sống, chúng hấp thụ năng lượng từ mặt trời, được lưu trữ dưới dạng các phân tử Carbon trong cơ thể. Khi chết, chúng chìm xuống đáy biển và được bao phủ bởi lớp này sau lớp trầm tích. Khi nguyên liệu hữu cơ này bị chơn vùi sâu hơn trong lịng đất, nhiệt, kết hợp với áp lực nén, đã chuyển đổi một số vật liệu sinh học thành khí tự nhiên.

Năm 1816, khí Gas được sử dụng lần đầu tiên khi khi đèn khí đốt chiếu sáng đường phố Baltimore, Md. Đến năm 1900, khí đốt tự nhiên đã được phát hiện ở 17 tiểu bang. Trong những năm sau Thế chiến II, đã mở rộng mạng lưới đường ống liên bang rộng khắp, mang lại dịch vụ khí đốt tự nhiên cho khách hàng trên cả nước. Ngày nay, khí đốt tự nhiên được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng, thương mại và công nghiệp. Đây là năng lượng chính được sử dụng để sưởi ấm tại nhà: hơn một nửa số nhà ở Mỹ sử dụng gas. Càng ngày, xu hướng khí tự nhiên sử dụng để phát điện ngày càng trở nên phổ biến.

Hình 1.3. Hệ thống phân phối khí Gas

Thực tế khí tự nhiên dễ bay hơi. Nó dễ cháy hơn các nguồn năng lượng khác. Điều đó giúp củng cố vị trí của nó. Coi như là một trong những nguồn năng lượng được sử dụng nhiều nhất.

Khí tự nhiên có thể được đo bằng nhiều cách. Mặc dù đơn vị đo phổ biến nhất là Gigajoule (GJ), tức là một tỷ Joules, thước đo nhiệt hoặc năng lượng. Các biện pháp khác là Mcf (nghìn Feet khối) và Btu (Đơn vị nhiệt Anh).

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

Hình 1.4. Đường ống cung cấp khí tự nhiên

Chế biến và cung cấp khí tự nhiên: Sau khi được lấy ra khỏi bể chứa dưới lịng đất, khí tự nhiên thường được chuyển tới nhà máy xử lý khí để loại bỏ các tạp chất và các sản phẩm phụ. Một số sản phẩm phụ này, bao gồm ethane, propan, butan, và lưu huỳnh. (thường là từ khí chua ). Được chiết xuất cho các mục đích sử dụng khác. Sau khi được xử lý, khí tự nhiên sạch sẽ (khí Mê-tan thuần túy) được vận chuyển qua mạng lưới các đường ống dẫn đến nơi sử dụng. Hoặc đến các nhà máy chế biến để đóng vào các bình khí cung cấp cho khách hàng. Nhóm khách hàng sử dụng gồm có:

A. Khu dân cư: Khí tự nhiên là một trong những loại năng lượng ít tốn kém nhất có sẵn cho người tiêu dùng. Việc sử dụng phổ biến nhất cho khí tự nhiên xung quanh nhà là cho lò và bể chứa nước nóng. Khí tự nhiên cũng có thể được sử dụng để vận hành các thiết bị gia dụng, bao gồm bếp lò, máy sấy quần áo, lò sưởi và lị nướng thịt ngồi trời. Thơng qua việc sử dụng khí đốt tự nhiên, chúng ta có thể chắc chắn rằng ngôi nhà của chúng tađang hoạt động hiệu quả, an toàn và tiết kiệm. Lĩnh vực sử dụng này chưa phổ biến ở Việt Nam. Nớ chỉ phổ biến ở các nước phát triển.

B. Thương mại: Các trường học, cao ốc văn phòng, khách sạn, nhà hàng và nhiều doanh nghiệp thương mại khác sử dụng khí tự nhiên. Giống như các khu nhà ở, các doanh nghiệp này sử dụng khí đốt chủ yếu để sưởi ấm, làm mát và nấu ăn. Các doanh nghiệp thương mại lớn cũng đang bắt đầu sử dụng khí đốt tự nhiên để sản xuất điện tại chỗ như một giải pháp thay thế kinh tế để mua điện ngoài hiện trường.

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

C. Cơng nghiệp: Khí tự nhiên được sử dụng nhiều trong cơng nghiệp. Nó có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp tinh chế dầu mỏ, kim loại, hoá chất, nhựa. Chế biến thực phẩm, thủy tinh và giấy. Các thành phần cho nhựa, chống đóng băng, phân bón. Các sản phẩm vải được hình thành thơng qua việc sử dụng phụ phẩm khí tự nhiên. Thực tế là khí tự nhiên là một trong những nguồn năng lượng sạch, rẻ nhất và hiệu quả nhất. Điều đó làm cho nó dễ dàng để thấy tại sao nó được sử dụng nhiều như vậy.

D. Vận chuyển: Khí tự nhiên được vận chuyển bằng hệ thống đường ống. Bao gồm 3 loại sau: Thu gom các đường ống (khí tự nhiên thô trực tiếp từ giếng khoan đến nhà máy xử lý khí); Đường ống truyền tải (sau khi được xử lý cao nó được vận chuyển với khối lượng lớn trong khoảng cách lớn). Từ đường ống truyền tải, khí sẽ chảy vào hệ thống phân phối áp suất thấp. Là một biện pháp phòng ngừa an tồn, các cơng ty tiện ích bổ sung một mùi cho khí (vì vậy chúng tơi có thể ngửi thấy nó trong trường hợp có sự rị rỉ) và sau đó gửi chúng tơi thơng qua một mạng lưới các đường ống nhỏ hơn; Và các đường ống phân phối (cung cấp gas cho nhà cửa và doanh nghiệp). Các công ty phân phối giảm áp lực với một nhà điều tiết trước khi nó đến tay người tiêu dùng.

Tác động mơi trường: Khí tự nhiên chủ yếu là khí mê-tan. Sau khi giải phóng vào khí quyển, nó được loại bỏ bởi sự oxi hóa. Dần dần thành carbon dioxide và nước. Phát thải trực tiếp của mêtan đại diện cho 14,3% của tổng lượng phát thải khí nhà kính tồn cầu vào năm 2004.

Trong quá trình khai thác, lưu kho, vận chuyển, và phân phối, khí tự nhiên được biết là rị rỉ vào khí quyển. Đặc biệt là trong quá trình chiết xuất.

Phát thải CO2: Theo Báo cáo đánh giá thứ tư của IPCC, trong năm 2004. Nó đã

lượt 10,6 và 10,2 tỷ tấn.

1.1.2.3. Hệ thống nhiệt

Khái niệm: Mạng lưới nhiệt (Heat networks) là một khái niệm khá mới mẻ ở các nước nhiệt đới, tuy nhiên ở các nước có thời tiết lạnh thì hệ thống này đã được đưa vào khai thác sử dụng từ rất sớm.

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

Mạng nhiệt là thành phần chính của hệ thống sưởi ấm trung tâm và chịu trách nhiệm truyền tải năng lượng nhiệt. Hình thức hệ thống của mạng nhiệt phụ thuộc vào vị trí tương hỗ của môi trường nhiệt, nguồn nhiệt (nhà máy nhiệt điện hoặc phòng lò hơi khu vực, v.v.) và người sử dụng nhiệt, đối tượng sử dụng nhiệt trong khu vực sưởi ấm, kích thước và tính chất của tải nhiệt, v.v. Các nguyên tắc cần tuân thủ khi lựa chọn hệ thống mạng sưởi ấm là sưởi ấm an toàn và tiết kiệm.

Hình 1.5. Mơ hình hệ thống nhiệt sưởi ấm cho thành phố

Các thế hệ phát triển của mạng lưới nhiệt

Thế hệ thứ nhất

Thế hệ đầu tiên là một hệ thống hơi nước được đốt bằng than, được giới thiệu lần đầu tiên ở Mỹ vào những năm 1880 và cũng trở nên phổ biến ở một số nước châu Âu. Đó là công nghệ ứng dụng cho đến những năm 1930 và sử dụng ống dẫn bê tông, hoạt động rất cao Nhiệt độ và do đó khơng hiệu quả lắm. Cũng có vấn đề về độ tin cậy và an tồn do các ống hơi áp suất nóng. Ngày nay, thế hệ này đã lỗi thời về mặt công nghệ. Tuy nhiên, một số hệ thống này vẫn đang được sử dụng, ví dụ như ở New York hoặc Paris vẫn được cải tiến và sử dụng.

Thế hệ thứ hai

Thế hệ thứ hai được phát triển vào những năm 1930 và được chế tạo cho đến những năm 1970, sử dụng năng lượng từ quá trình đốt than và dầu, năng lượng được truyền qua nước nóng có áp suất như chất mang nhiệt. Các hệ thống thường có nhiệt độ cung cấp trên 100°C, sử dụng ống nước trong ống dẫn bê tông , chủ yếu được lắp ráp tại chỗ và thiết bị nặng. Một lý do chính cho các hệ thống này được áp

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

dụng đó là khả năng tiết kiệm năng lượng phát sinh từ việc sử dụng các nhà máy nhiệt điện và nhiệt điện kết hợp.

Thế hệ thứ ba

Vào những năm 1970, thế hệ thứ ba được phát triển và sau đó được sử dụng trong hầu hết các hệ thống trên toàn thế giới. Thế hệ này còn được gọi là "công nghệ sưởi ấm khu vực Scandinavia", bởi vì rất nhiều nhà sản xuất linh kiện sưởi ấm có trụ sở tại Scandinavia. Thế hệ thứ ba sử dụng các ống được đúc sẵn, cách nhiệt, được chôn trực tiếp xuống đất và hoạt động với nhiệt độ thấp hơn, thường dưới 100°C. Động lực chính để xây dựng các hệ thống này là bảo đảm nguồn cung bằng cách cải thiện hiệu quả năng lượng sau hai các cuộc khủng hoảng đã dẫn đến sự gián đoạn nguồn cung cấp dầu. Do đó, các hệ thống đó thường sử dụng than, sinh khối và chất thải làm nguồn năng lượng, ưu tiên cho dầu. Trong một số hệ thống, năng lượng địa nhiệt và năng lượng mặt trời cũng được sử dụng trong hỗn hợp năng lượng.

Thế hệ thứ tư

Hiện tại, thế hệ thứ 4 đang được phát triển ở Đan Mạch. Thế hệ thứ 4 được thiết kế để chống biến đổi khí hậu và tích hợp một lượng lớn năng lượng tái tạo vào hệ thống sưởi ấm bằng cách cung cấp tính linh hoạt cao đối với hệ thống điện. So với các thế hệ trước, nhiệt độ đã giảm xuống để tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống, với nhiệt độ bên cung là 70 ° C và thấp hơn. Nguồn nhiệt tiềm năng là nhiệt thải từ công nghiệp, nhà máy đốt chất thải, nhà máy điện sinh khối, địa nhiệt và năng lượng nhiệt mặt trời (sưởi ấm mặt trời trung tâm), bơm nhiệt quy mô lớn, nhiệt thải từ các mục đích làm mát và trung tâm dữ liệu và các nguồn năng lượng bền vững khác. Với các nguồn năng lượng và lưu trữ năng lượng nhiệt quy mô lớn, bao gồm lưu trữ năng lượng nhiệt theo mùa, sưởi ấm thế hệ thứ 4 các hệ thống dự kiến sẽ cung cấp sự linh hoạt để cân bằng việc tạo ra năng lượng gió và mặt trời, ví dụ bằng cách sử dụng bơm nhiệt để tích hợp năng lượng dư thừa dưới dạng nhiệt khi có nhiều năng lượng gió hoặc cung cấp điện cho các nhà máy sinh khối khi cần nguồn điện dự phòng.

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

1.2. MẠNG NĂNG LƯỢNG SIÊU NHỎ (MICRO ENERGY NETWORK) 1.2.1. Khái niệm

Ngày nay, xu hướng xây dựng các hệ thống năng lượng thường tập trung dưới hình thức “Đảo năng lượng” thay vì đầu tư vào các hệ thống có quy mơ lớn như trước đây. Điển hình đối với hệ thống điện là sự phát triển của các hệ thống như micro grid. Micro Energy Network -MEN là một khái niệm mở rộng của micro grid, đó là một xu hướng phát triển mới của mạng lưới phân phối điện truyền thống ở quy mơ nhỏ. Nói một cách đơn giản, MEN đề cập đến một mạng lưới năng lượng ở quy mơ nhỏ, có thể kết nối với mạng lưới năng lượng khác hoặc hoạt động độc lập lập. Mơ hình này phù hợp với đối tượng phụ tải khu vực dân cư, khu vực đô thị, công viên, nhà máy, trường học v.v.. MEN bao gồm nguồn điện, nguồn năng lượng phân tán, các thành phần lưu trữ năng lượng và phụ tải. Dựa trên khái niệm này, MEN sử dụng các nguồn năng lượng chính như điện năng, khí đốt và nhiệt thơng qua các hệ thống chuyển đổi đa năng nhằm quản lý, sử dụng tối ưu đồng thời tất cả các dạng năng lượng.

1.2.2. Đặc điểm

Dưới góc độ cung cấp năng lượng, MEN có thể thúc đẩy các ứng dụng năng lượng mới và tái tạo đặc biệt là các ứng dụng từ năng lượng mặt trời (pin quang điện và thiết bị nhiệt mặt trời), năng lượng gió kết hợp với khí tự nhiên, điện và các dạng năng lượng khác làm gia tăng nguồn cung cấp. Dưới góc độ cung cấp dịch vụ năng lượng, MEN làm giảm chi phí sử dụng năng lượng, giảm khí thải và cắt giảm đỉnh phụ tải đồng thời đáp ứng một cách linh hoạt tính đa dạng của phụ tải. Dưới góc độ kết cấu mạng lưới năng lượng, hoạt động phối hợp của các mạng lưới năng lượng điện, khí tự nhiên sẽ thúc đẩy sự phát triển của công nghệ năng lượng đa năng và sự phát triển bền vững của hệ thống năng lượng.

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

Hình 1.6. Một cấu trúc điển hiển của MEN[12]

MEN là một phần trong hệ thống năng lượng hỗn hợp (IES). Trên thế giới, nhiều quốc gia đã chú trọng thực hiện các dự án nghiên cứu ứng dụng hệ thống năng lượng hỗn hợp và nhận định đây sẽ là hình thức cung cấp năng lượng chính trong xã hội lồi người từ 30-50 năm tới. Khái niệm IES lần đầu tiên được giới thiệu và ứng dụng vào thực tiễn tại các nước châu âu. Nhật bản là quốc gia sớm nhất ở châu á triển khai vấn đề này. Mỹ, canada và các nước phát triển khác đã sớm đưa IES vào chiến lược năng lượng quốc gia.

Các nhà nghiên cứu hiện tập trung chủ yếu vào các vấn đề kỹ thuật của MEN. điển hình như cấu trúc MEN, vấn đề quy hoạch MEN trên cơ sở đặc tính của tải điện, nhiệt, lạnh, đề xuất phương pháp cấu trúc tối ưu hóa lưu trữ năng lưọng và tiến hành nghiên cứu vấn đề kinh tế và điều khiển tối ưu MEN.

1.3. ENERGY INTERNET

1.3.1. Khái niệm

cuộc cách mạng công nghiệp lần 3 (The third industrial revolution) đã miêu tả viễn cách tương lai của năng lượng: Năng lượng phân tán và năng lượng tái tạo sẽ được lưu trữ và chia sẻ như mạng internet. Mỗi tịa nhà, hộ gia đình sử dụng đều có khả năng truy cập vào mạng lưới năng lượng này. Khi đó, người tiêu dùng cũng đóng

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

vai trị đồng thời là nhà sản xuất (có thể bán năng lượng dư thừa của họ khi sử dụng các hệ thống năng lượng tự dùng).

Khái niệm: EI là một công nghệ được ứng dụng trên nền tảng công nghệ thông tin và truyền thông (Information Communication Technology – ICT) sử dụng hệ thống quản lý thơng tin - năng lượng để tích hợp các thiết bị chuyển đổi, phân phối, lưu trữ năng lượng và tập trung chủ yếu vào hoạt động khai thác tối ưu nguồn năng lượng tái tạo. Sự phối hợp chặt chẽ giữa năng lượng và thông tin nhằm đạt được sự điều phối tối ưu, an tồn, và hiệu quả. Hình 1.7 cho thấy một kết cấu điển hình của EI với sự kết hợp giữa các phần tử khác nhau thông qua hệ thống truyền thông, điều khiển nhằm kiểm soát sự chuyển đổi và phân bố năng lượng giữa chúng. Năng lượng được cung cấp từ hệ thống điện, năng lượng tái tạo, địa nhiệt và các trạm năng lượng có thể được biến đổi thành các dạng năng lượng khác nhau nhằm đạt được cấu hình tối ưu.

MBA Máy biến áp

SHE Thiết bị chuyển đổi nhiệt mặt trời

PV Pin mặt trời

TBTT Thiết bị tích trữ

PW Điện gióTín hiệu thơng tinDịng chảy năng lượng

Hình 1.7. Cấu trúc mạng lưới năng lượng đơn giản

Các nhà máy công nghiệp, khu vực thương mại và nhà ở được coi là các máy phát năng lượng. Hệ thống thiết bị lưu trữ được kết nối với mạng lưới năng lượng theo hai dạng tập trung và phân tán. Hệ thống sử dụng luồng thông tin để kiểm soát lưu lượng năng lượng nhằm đảm bảo an toàn và nâng cao độ tin cậy.

Nếu coi lưới điện thông minh (smart grid) là lưới điện 2.0 thì có thể hiểu EI là thế hệ 3.0 với khả năng kết nối và chia sẻ như mạng internet, khả năng tự phục hồi cao, an toàn, tin cậy và nâng cao được hiệu quả sử dụng của các dạng năng lượng.

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

Thực chất gọi như vậy vì EI về cơ bản đã được nâng cấp và mở rộng trên cơ sở công nghệ lưới điện thông minh. So với lưới điện thơng minh, ngồi điện năng cịn có các dạng năng lượng khác như khí tự nhiên, nhiệt năng, (năng lượng mới và tái tạo được bổ xung dưới dạng nhiệt). Việc quản lý toàn diện chất lượng điện năng tập trung vào mấy vấn đề như chuyển hóa điện năng kém hiệu quả, dao động điện áp lớn khi nguồn phân tán tham gia vào hệ thống điện. Bên cạnh đó, sự ra đời của mơ hình này đồng nghĩa với việc cần phải đưa ra phương pháp quản lý mới và chính sách phù hợp để đảm bảo hoạt động an toàn và kinh tế. EI cung cấp năng lượng linh hoạt với khả năng tương tác cao giữa tải và nguồn, khả năng liên kết trực tiếp để cung cấp năng lượng trở nên chặt chẽ và phong phú hơn. EI được trang bị hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu một cách đồng bộ, xuyên suốt từ khâu nguồn phát, truyền tải, phân phối cho đến từng hộ tiêu thụ.

Đặc điểm của mơ hình có thể được tóm tắt ở mấy điểm chính như sau: (1) Mơ hình ưu tiên các loại hình năng lượng mới và tái tạo (như năng lượng mặt trời, năng lượng gió) thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống; (2) Mơ hình cho phép truy cập vào các thiết bị lưu trữ năng lượng quy mô lớn; (3) Sử dụng nguyên tắc "tại chỗ", cụ thể là thu thập, lưu trữ và sử dụng năng lượng tại địa phương; (4) tương tác hai chiều, trong đó người tiêu thụ năng lượng cũng có vai trị sản xuất năng lượng; (5) Năng lượng được kết hợp trên diện rộng giống như mơ hình hệ thống điện; (6) Khả năng sản xuất đồng thời 3 dạng năng lượng chính bao gồm: điện, nhiệt, và lạnh; (7) Công nghệ thông tin và truyền thông thâm nhập vào tất cả các khía cạnh của dịng năng lượng.

1.3.2. Cấu trúc của EI

Cấu trúc cơ bản của EI dưới góc độ điều khiển hệ thống có thể thơng qua một cấu trúc điều khiển phân cấp điển hình, cụ thể là lớp thiết bị đầu cuối, lớp điều khiển khu vực, lớp phối hợp mạng toàn cầu và tầng dịch vụ nghiệp vụ. Sơ đồ cấu trúc EI được thể hiện trong Hình 1.8.

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

Thiết bị chính ở cấp độ này chính là các bộ điều khiển và chuyển đổi năng lượng bao gồm: máy biến áp và hệ thống quản lý năng lượng điện tử. Với sự hợp tác của hệ thống, việc triển khai thông minh các chức năng xử lý sự cố và năng lượng được thực hiện. Phạm vi bức xạ của một bộ định tuyến năng lượng được coi là một đơn vị cơ bản

1.3.2.2. Lớp điều phối hợp

Lớp điều khiển phối hợp được coi là xương sống của mạng lưới năng lượng. Lớp này có chức năng phối hợp hoạt động một cách tin cậy và đảm bảo sự ổn định của toàn bộ hệ thống. Đây là lớp có mật độ thơng tin lớn nhất và là cơ quan hoạt động ở cấp cao nhất, có thể thực hiện việc điều phối thơng minh (tối ưu) và kiểm sốt chất lượng năng lượng thơng qua mơ phỏng trực tuyến ở diện rộng. Ngồi ra, lớp này cịn có chức năng kiểm sốt lỗi, bảo vệ hệ thống và các chức năng khác.

1.3.2.3. Lớp thiết bị đầu cuối (điều khiển cục bộ)

Đây là lớp thiết bị trực tiếp cung cấp năng lượng cho phụ tải, là phần lớn nhất của hệ thống và có tính tương tác cao. Lớp này bao gồm các thiết bị phân phối, sử dụng và lưu trữ năng lượng. Tất cả các loại thiết bị đầu cuối đều áp dụng tiêu chuẩn giao diện tương thích và đồng nhất.

1.3.2.4. Lớp dịch vụ năng lượng

Lớp dịch vụ năng lượng được thực hiện trên nền tảng cơng nghệ điện tốn đám mây nhằm thực hiện liên kết rộng rãi cho tất cả các khách hàng với người sử dụng

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

giao dịch. Lớp này cung cấp các dịch vụ giá trị gia tăng thương mại khác nhau cho năng lượng thông qua dịch vụ mua bán năng lượng hoặc bán quyền truyền tải..vv. Việc sử dụng điện toán đám mây cho phép kết nối khối lượng dữ liệu lớn trên cơ sở xây dựng biểu giá điện năng động. Lớp này giúp phát huy đầy đủ quyền tự do của thị trường năng lượng dưới sự ràng buộc của các chính sách và quy định có liên quan, ni dưỡng các mơ hình dịch vụ năng lượng mới nhằm cải thiện việc sử dụng năng lượng và phân bố nguồn lực hợp lý. Đây được coi là lớp có cấp độ hoạt động tích cực nhất trong toàn bộ cấu trúc của EI.

1.3.3. Thành phần then chốt của EI

Theo Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA), nguồn phân tán là các nguồn năng lượng đủ nhỏ so với các nguồn năng lượng tập trung và cho phép kết nối tại bất kỳ điểm nào trong hệ thống năng lượng. Trên cơ sở đó, nguồn phần tán được xem là các nguồn nhỏ phát hoặc lưu trữ năng lượng, được kết nối cùng với tải tiêu thụ. Lưu

ý rằng định nghĩa này bao gồm cả các thiết bị lưu trữ năng lượng.

Ngày nay, nguồn phân tán được đẩy mạnh phát triển dưới nhiều dạng nguồn khác nhau: (Thủy điện nhỏ, các dạng nguồn năng lượng tái tạo, các hệ thống thiết bị tích trữ điện và nhiệt). Trong phạm vi nghiên cứu cứu này, tác giả tập trung giới thiệu hai dạng nguồn năng lượng phân tán có tiềm năng khai thác lớn là Mặt trời

và Gió cùng với hệ thống các thiết bị tích trữ năng lượng điện và nhiệt.

Ơ nhiễm mơi trường và tình trạng thiếu hụt năng lượng hóa thạch khiến thế giới phải chuyển sự quan tâm nhiều hơn sang năng lượng tái tạo. Hiện nay, các nguồn năng lượng tái tạo được sử dụng trên thế giới chủ yếu bao gồm năng lượng mặt trời, năng lượng gió và năng lượng địa nhiệt. Bảng 1.1 cho thấy mức độ tiêu thụ năng lượng tái tạo trung bình tại thời điểm năm 2012 của một số quốc gia.

Căn cứ theo góc độ khai thác và sử dụng năng lượng tái tạo, có thể chia chúng thành hai loại: tập trung và phân bố. Nguồn năng lượng tái tạo tập trung vẫn được nỗ lực phát triển mặc dù nó có những hạn chế lớn như tổn thất lớn trong quá trình truyền tải. Vì vậy, chúng được khắc phục bởi nguồn năng lượng tái tạo tại chỗ, sử dụng và lưu trữ tại địa phương .

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

Trong tương lai, mạng lưới năng lượng sẽ hỗ trợ khả năng kết nối thiết bị phân tán nhiều hơn, điều này cho thấy năng lượng phân tán đã trở thành một hướng đi quan trọng cho sự phát triển năng lượng trong tương lai.

Bảng 1.1. Lượng tiêu thụ năng lượng mới

và tái tạo trên đầu người của một số quốc gia (số liệu năm 2012) Quốc gia Lượng tiêu thụ trung bình / người (tấn than tương đương)

Thiết bị lưu trữ năng lượng khiến hoạt động của hệ thống điện linh hoạt và tin

thống. Do tính ngẫu nhiên và không liên tục của các nguồn năng lượng mới như năng lượng gió và năng lượng mặt trời, các thiết bị lưu trữ năng lượng có thể giảm tác động của chúng lên hệ thống điện. Thiết bị lưu trữ năng lượng có chức năng giảm đỉnh của phụ tải dẫn đến của thiết bị có thể được đảm bảo ở mức độ tải cho phép, giúp cải thiện hiệu quả và tuổi thọ của thiết bị và có ý nghĩa quan trọng đối với hoạt động kinh tế của thiết bị. Trong trường hợp mất điện, thiết bị lưu trữ năng lượng có thể nhanh chóng đưa vào hoạt động để đảm bảo nguồn điện liên tục, không bị gián đoạn cho các tải trọng quan trọng hoặc thậm chí tất cả các tải làm cho hoạt động lưới điện an toàn và tin cậy hơn.

Hiện nay, các phương pháp lưu trữ năng lượng có thể được chia thành ba loại: (1) Lưu trữ năng lượng điện hóa, sử dụng các đặc tính hấp thụ và giải phóng năng lượng trong các phản ứng hóa học để lưu trữ và giải phóng năng lượng, chủ yếu bao gồm pin và axít chì. (2) Kho lưu trữ năng lượng cơ học, lưu trữ năng lượng điện dư thừa dưới dạng năng lượng cơ học và chuyển đổi thành điện khi cần thiết, chủ yếu bao gồm lưu trữ nước và lưu trữ bánh đà. (3) lưu trữ năng lượng điện từ, chủ yếu có hai dạng, một là lưu trữ năng lượng từ tính siêu dẫn, công nghệ này không cần

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

chuyển đổi năng lượng, sử dụng các chất siêu dẫn để lưu trữ trực tiếp năng lượng dưới dạng năng lượng điện từ. Những ưu điểm và nhược điểm của ba loại phương pháp lưu trữ năng lượng được thể hiện trong Bảng 1.2.

Bảng 1.2: So sánh các hình thức lưu trữ năng lượng

Bộ định tuyến năng lượng là một node quan trọng trong mạng lưới năng lượng. Thiết bị này đảm nhiệm việc thiết lập kết nối giữa các mạng khác nhau, đồng thời thiết lập và lựa chọn “tuyến đường” tối ưu nhất khi trong quá trình phát, phân phối và tiêu thụ năng lượng. Bộ định tuyến năng lượng dựa vào hệ thống quản lý năng lượng để lựa chọn phương pháp kết nối lưới tốt nhất cho các nguồn năng lượng mới. Cải thiện tốc độ sử dụng năng lượng, chọn chế độ hoạt động đáng tin cậy và tiết kiệm, đảm bảo chất lượng cao nhất cho lưới điện, hợp tác với thiết bị bảo vệ rơle để chuyển đổi kịp thời vùng lỗi và điều khiển chế độ hoạt động của thiết bị lưu trữ năng lượng;

chiếu, đánh giá tổn hao trong quá trình tổn thất để lựa chọn phương án phân bố tối ưu dòng năng lượng.

Bộ định tuyến năng lượng bao gồm các thiết bị điện tử công suất, các nền tảng

thông có trách nhiệm thu thập thông tin trạng thái như hoạt động của hệ thống truyền tải điện, mô-đun điều khiển thông minh sử dụng thơng tin tồn diện để hồn thành việc kiểm soát sự ổn định và lưu lượng của mạng, thiết bị điện tử là một phần quan trọng của bộ định tuyến năng lượng. Máy biến thế điện tử có thể nhận ra các

Phương thức

Điện hóa Kđổi cao, đa dạng, khả năng thích ết cấu modul, hiệu suất chuyển ứng với các nhu cầu khác nhau

Liên quan đến các vấn đề mơi trường và an tồn trong sử dụng Cơ học Khlượng lưu trữ lớn ả năng sử dụng lâu dài, dung Mthuật độ năng lượng thấp, phụ ộc vào điều kiện bên ngoài. Điện từ Tusuất lớn, hiệu quả cao, đáp ứng ổi thọ lâu dài, mật độ công

nhanh

Dung lượng lưu trữ năng lượng hạn chế, chi phí bảo trì cao

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

chức năng như chuyển đổi năng lượng, bảo vệ lỗi và cải thiện chất lượng năng lượng.

1.3.4. Phân tích một số vấn đề liên quan đến sự phát triển của EI và ENs

1.3.4.1. Tác động của nguồn năng lượng phân tán quy mô lớn lên lưới điện

Mạng năng lượng sẽ trọng tâm khai thác nguồn năng lượng phân tán. Theo quy mô lưới điện truyền thống hiện nay, sự ngẫu nhiên của loại hình này cũng đã gây ra những ảnh hưởng không nhỏ đến khả năng vận hành ổn định của lưới điện.Ngoài ra, việc tiếp cận nguồn năng lượng phân tán sẽ làm thay đổi kết cấu ban đầu của lưới điện và thay đổi các đặc tính trạng thái tức thời và ổn định của hệ thống điện. Với sự phát triển trong tương lai của mạng năng lượng, đặc tính và các trạng thái sự cố thống qua của hệ thống cũng trở nên phức tạp, liên tục thay đổi theo thời gian thực.

Do đó, để khắc phục được vấn đề này cần thiết lập một mơ hình dự báo chính xác nhằm tối ưu hóa cấu trúc của mạng, tối đa hóa lợi ích kinh tế và xã hội. Để đạt được mục đích này, một mơ hình chính xác hơn nên được thiết lập để dự báo để bố trí hợp lý thiết bị, tối đa hóa lợi ích kinh tế và xã hội. Các phương pháp dự báo thường được sử dụng bao gồm các thuật tốn truyền thống như phân tích xu hướng, phân tích hồi quy và các phương pháp phân tích hiện đại như Neural network và Gray forecast .

1.3.4.2. Công nghệ lưu trữ năng lượng hiệu suất cao

Sự có mặt của hệ thống tích trữ năng lượng giúp cho EI dễ dàng được kiểm soát, giảm tác động của các nguồn năng lượng phân tán lên lưới điện, cải thiện việc sử dụng các nguồn năng lượng mới và nâng cao độ tin cậy của lưới điện.

Tuy nhiên, sự thiếu liên kết của loại hình này lại là một thách thức không nhỏ đối với EI. Do hệ thống tích trữ thường được kết hợp cùng nguồn năng lượng phân tán, trong khi loại hình năng lượng này lại được phân phối rải rác ở phía người dùng. Điều này khiến vấn đề chi phí đầu tư ban đầu của người sử dụng tăng lên. Ngoài ra, hệ thống tích trữ cũng cần phát triển hơn nữa về mặt công nghệ nhằm tăng khả năng lưu trữ, mật độ công suất và tuổi thọ trung bình của thiết bị.

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

Điện năng Điện phân

Một số phương pháp lưu trữ năng lượng truyền thống còn tồn tại nhiều mặt hạn chế về khả năng ứng dụng của chúng trong EI như mật động năng lượng thấp và tuổi thọ ngắn. Để đạt được điều này cần tích cực nghiên cứu các loại vật liệu và công nghệ lưu trữ năng lượng mới.

Công nghệ lưu trữ năng lượng Hyđro là một trong những công nghệ mới hiện nay; loại hình này sử dụng sử chuyển đổi qua lại giữa năng lượng điện và năng lượng hóa học, như trong Hình 1.9: Q trình nạp sử dụng điện năng từ lưới điện để điện phân nước thu được khí hyđro và sau đó tiến hành bảo quản ở nhiệt độ thấp. Q trình phóng bằng cách đốt cháy lượng hyđro được lưu trữ. Giải pháp này đã tao ra những đột phá về mặt khơng gian và có khả năng ứng dụng mạnh mẽ.

1.3.4.3. Phát triển các tiêu chuẩn giao diện

Trong EI, để thực hiện việc trao đổi thông tin và chia sẻ năng lượng giữa nguồn, người sử dụng và trung tâm điều khiển thì giao diện kết nối giữa chúng là không thể thiếu. Tiêu chuẩn hóa là nền tảng để hỗ trợ phát triển lưới thông minh đồng thời cũng là cơ sở để thực hiện hoạt động trao đổi giữa nguồn cung cấp và người sử dụng [30]. Hiện nay, các tiêu chuẩn liên quan đến giao diện lưới thông minh đã được thiết lập hoặc đang được phát triển ở các nước phát triển chủ yếu bao gồm OpenADR 2.0, SEP 2.0 và khả năng tương tác năng lượng OASIS v.v. Theo yêu cầu cho việc xây dựng internet năng lượng, giao diện chuẩn nên có các chức năng sau đây.

(1) Xác định chính xác các thiết bị truy cập. Giao diện sẽ có thể xác định chính xác và kịp thời thiết bị truy cập, lấy thơng tin như vị trí, loại và khả năng truy cập nguồn hoặc tải và tải nó lên trung tâm điều khiển để quản lý hệ thống nhằm xây dựng chương trình bảo vệ rơle và chiến lược hoạt động kinh tế.

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

(2) Cần thiết lập giao diện chuẩn hóa các thiết bị kết nối. Ngay cả khi các thông số giao thức khác nhau được yêu cầu để đáp ứng các loại thiết bị khác nhau, chúng phải tương thích với nhau để tránh bị phân mảnh, đảm bảo kết nối giữa các mạng năng lượng quốc gia và toàn cầu.

3) Giao diện cũng cần có chức năng bảo vệ và giám sát, như rào cản quản lý và bảo vệ đầu tiên của thiết bị truy cập. Nó có thể theo dõi trong thời gian thực sự trao đổi luồng thông tin và lưu lượng năng lượng giữa các cấp quản lý chẳng hạn như chất lượng điện, sự cố bất thường. Xác định và loại bỏ các lỗi một cách kịp thời.

Nếu mạng trung tâm chịu sự tấn công nguy hiểm từ bên ngồi dẫn đến luồng thơng tin bị gián đoạn hoặc do thảm họa vật lý vì thiên tai và sao lưu dữ liệu bị mất, hậu quả sẽ là rất nặng nề. EI trong tương lai là một mạng năng lượng bao gồm hàng chục ngàn tòa nhà và hộ gia đình. Do đó, hệ thống kết nối thơng tin của nó phải là một hệ thống mạng có quy mơ lớn và phức tạp:

(1) Một cấu trúc mạng được lên kế hoạch tốt có thể bắt đầu từ việc tối ưu hóa các tham số node hệ thống như mật độ, các hệ số tổng hợp và đường dẫn truyền thông;

(2) Thêm các liên kết trực tuyến dự phòng nhằm chuyển đổi và thay thế các đơn vị bị lỗi một cách liền mạch;

(3) Liên tục nâng cấp hệ thống an ninh mạng để cải thiện khả năng chống lại virus mạng;

(4) Nuôi dưỡng một nhóm nhân viên an ninh mạng chất lượng cao nhằm đảm bảo độ tin cậy của hệ thống; tiến hành quản lý, bảo trì thường xuyên và xử lý các trường hợp khẩn cấp.

1.3.4.5. Đẩy mạnh xây dựng và cải thiện dịch vụ thị trường điện

Ở giai đoạn này, thị trường điện là một khía cạnh quan trọng của thị trường năng lượng và sự phát triển của nó có ý nghĩa quan trọng đối với các dạng thị trường năng lượng khác. Việc xây dựng thị trường năng lượng của các quốc gia phát triển đều được triển khai từ khá sớm. Trong tương lai thị trường năng lượng nên có các đặc điểm sau đây:

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

(1) Phát huy đầy đủ vai trò của quy chế thị trường, giới thiệu thị trường cạnh tranh và cơ chế khuyến khích, nâng cao hiệu quả phát điện, truyền tải, phân phối và bán điện, tạo điều kiện cho người dùng thông thường cũng có thể tham gia vào trong thị trường điện.

(2) Xây dựng một hệ thống giao dịch hoàn hảo với nền tảng cơng nghệ giao dịch điện tốn đám mây. Yêu cầu đặt ra với hệ thống giao dịch cần đảm bảo hệ thống hoạt đổng ổn định và an tồn, tối ưu hóa mọi nguồn lực sẵn có.

3) Các dịch vụ phụ trợ thị trường điện đảm bảo cho hoạt động an toàn, đáng tin cậy và kinh tế của hệ thống điện.

Mạng năng lượng dựa trên nguồn năng lượng sạch và tái tạo phù hợp với mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm môi trường và phát triển bền Tuy nhiên, xây dựng một mạng lưới năng lượng là một dự án lớn không thể thực hiện ngay được. Việc xây dựng mạng năng lượng phụ thuộc vào sự phát triển và tiến bộ về mặt công nghệ trong các ngành như công nghệ thông tin và truyền thông, điện tử công suất, khoa học vật liệu và quản lý thị trường.

Bài toán vận hành tối ưu trung tâm năng lượng được tiếp cận theo nhiều hướng với những hàm mục tiêu và các ràng buộc khác nhau, công cụ sử dụng trong tính

Fortran, Delphi, C++

Trong thời gian gần đây, một ngơn ngữ lập trình bậc cao được phát triển và có những ứng dụng rộng rãi trong bài tốn tối ưu EH là ngơn ngữ lập trình The General Algebraic Modeling System (GAMS). GAMS có khả năng giải quyết tốt các bài toán tối ưu bằng các thuật toán giải được xây dựng sẵn trong chương trình (solver).[27, 48, 49]

Mơ hình đề xuất được lập chương trình tính tốn bằng ngơn ngữ lập trình GAMS, sử dụng solver MINOS. GAMS là ngơn ngữ lập trình cho phép lập các bài tốn tối ưu với những mơ hình lớn và phức tạp [22]. Mơ hình được trình bày ngắn gọn và đơn giản, cho phép sử dụng những liên hệ đại số độc lập với giải thuật tính tốn

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

Hình 1.10. Giao diện phần mềm ngơn ngữ lập trình bậc cao GAMS

Giới thiệu ngơn ngữ lập trình GAMS

GAMS được phát triển để giải quyết vấn đề tối ưu tốn học lớn và có thể giải quyết được nhiều bài toán tối ưu như :

Bài tốn qui hoạch tuyến tính - LP (Linear Programming) Bài toán qui hoạch phi tuyến - NLP (Nonlinear Programming)

Bài toán qui hoạch phi tuyến rời rạc - DNLP (Nonlinear Programming with Discontinuous derivatives)

Bài toán qui hoạch nguyên thực hỗn hợp - MIP (Mixed Integer Programming), RMIP (Relaxed Mixed Integer Programming)

Bài toán qui hoạch phi tuyến nguyên thực hỗn hợp - MINLP (Mixed Integer

Programming)…

Cần phải nhấn mạnh rằng, GAMS khơng phải là một chương trình ứng dụng sẵn trong HTĐ như WASP-III, EMTP, PSS/E, PSS/ADEPT… mà là một công cụ, một ngôn ngữ máy, để xây dựng các chương trình tính tốn dựa trên sự hiểu biết đầy đủ về HTĐ, mạng lưới năng lượng.

GAMS là ngơn ngữ lập trình bậc cao ứng dụng tính tốn những mơ hình lớn và phức tạp. Mơ hình được trình bày ngắn gọn và đơn giản, cho phép sử dụng những

</div>Trang 36<div class="page_container" data-page="36">

liên hệ đại số và miêu tả mơ hình độc lập với giải thuật tính tốn. Hơn nữa, GAMS cung cấp một số thuật toán giải bài toán tối ưu qua các solver được xây dựng sẵn

như trong Bảng 1.3:

Bảng 1.3 Modul các thuật toán giải trong GAMS

TT Loại bài toán Thuật toán giải (Solvers) Ghi chú 1 LP MINOS, ZOOM, MPSX, SCICONIC, OSL, XA,

CPLEX, SNOPT, BDMLP

2 NLP MINOS, CONOPT, GRP, NPSOL, PATHNLP 3 DNLP MINOS, CONO, SNOPT

4 MIP, RMIP BDMLP, CPLEX, CPLEXPAR, OSL, XA, ZOOM

5 MILP ZOOM, MPSX, SCICONIC, OSL, XA 6 MINLP, RMINLP DICOPT, SBB, MINOS, BONMIN

Cấu trúc chương trình

Cấu trúc chương trình lập trong GAMS gồm những thành phần cơ bản sau: i) Set (khai báo kích thước các mảng số liệu)

ii) Scalar, parameter, table (khai báo và nhập số liệu) iii) Variables (khai báo biến)

tiêu, ràng buộc, giới hạn…)

v) Model và Solver (xây dựng bài toán và gọi thuật toán giải) vi) Output (in kết quả)

Mọi bài toán tối ưu đều có thể lập trên GAMS bằng những thành phần cơ bản trên. Phần nhập số liệu đầu vào có thể thực hiện đơn giản dưới dạng gán trực tiếp, dạng vector hoặc dưới dạng bảng. Giống như các ngơn ngữ lập trình khác, GAMS có thể sử dụng các lệnh chuẩn như IF-THEN, WHILE, LOOP… Phần linh hoạt nhất trong GAMS là phần xây dựng bài toán MODEL với một MODEL bao gồm hàm mục tiêu và các phương trình ràng buộc. Người sử dụng có thể lập nhiều MODEL bằng cách thay đổi số phương trình ràng buộc và hàm mục tiêu mà không phải thay đổi cấu trúc chương trình. Tính năng này rất hữu dụng khi cần giải quyết một vấn đề với nhiều ràng buộc khác nhau.

b. Tiến hành lập trình tính tốn

</div>Trang 37<div class="page_container" data-page="37">

Trình tự lập trình và giải được tiến hành như sau:

Khai báo dữ liệu

Khai báo kích thước mảng dữ liệu Khai báo biến

Nhập thông số đầu vào Biểu giá năng lượng

Thông số thiết bị của mơ hình Thơng số phụ tải

Giải mơ hình tìm nghiệm

Gọi solver GAMS/BONMIN

Lập mơ hình tối ưu

Hàm mục tiêu tổng chí phí năng lượng min Các ràng buộc: Giới hạn công suất, cân bằng năng lượng, giới hạn chuyển đổi, giá điện...

Tính tốn thơng số, in kết quả tính

Tổng chi phí năng lượng

Giá trị điện năng và khí tự nhiên (input)

Hình 1.11. Sơ đồ khối các bước giải bài tốn tối ưu mơ hình EH

Chi tiết lập trình và kết quả tính tốn ở các chương 2 và 3 được giới thiệu ở phần phụ lục (PL1)

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1:

Nội dung chương 1 - Tổng quan đã giới thiệu khối kiến thức tổng quan và tổng

hợp một số nghiên cứu gần đây về đối tượng nghiên cứu được đề cập đến trong nghiên cứu này bao gồm: Mạng năng lượng tích hợp, mơ hình Energy internet, nguồn phân tán và cuối cùng đề cập đến cơng cụ tính tốn được sử dụng trong luận văn này. Trên cơ sở đó, nội dung các chương tiếp theo sẽ tập trung phân tích, đánh giá ảnh hưởng của nguồn năng lượng phân tán đến hiệu quả vận hành của mơ hình năng lượng tích hợp tập trung (chương 2) và mơ hình mạng lưới năng lượng

(chương 3).

</div>Trang 38<div class="page_container" data-page="38">

CHƯƠNG 2

ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN PHÂN TÁN ĐẾN HIỆU QUẢ VẬN HÀNH

MƠ HÌNH TÍCH HỢP NĂNG LƯỢNG TẬP TRUNG

Như đã giới thiệu ở phần mở đầu, các dạng năng lượng khác nhau có thể được lưu trữ và chuyển đổi thơng qua một hệ thống tích hợp, được gọi là trung tâm năng

mơ hình năng lượng tích hợp tập trung ứng dụng cho một phụ tải điển hình tại Khu Du

hình được đề xuất có xét đến sự tham gia của điện gió năng lượng mặt trời ( pin quang điện - PV , thiết bị nhiệt mặt trời solar heat exchanger -SHE) và hệ thống thiết bị tích

2.1.1. Mơ tả

Cấu trúc tổng qt của mơ hình EH với nhiều dạng năng lượng khác nhau kết nối thơng qua khâu chuyển hóa, điều tiết, lưu trữ, được miêu tả như hình 2.1[11]

Chú thích:

Input Carriers: Năng lượng đầu vào; Energy Loads: Các tải năng lượng

Hình 2.1. Cấu trúc cơ bản của EH

Như đã trình bày ở trên, trung tâm năng lượng là một giao diện giữa các nhà sản

tâm năng lượng điển hình tiêu thụ các dạng năng lượng khác nhau, ví dụ: điện, khí đốt

</div>Trang 39<div class="page_container" data-page="39">

tự nhiên thông qua hệ thống các thiết bị chuyển đổi cung cấp năng lượng đầu ra như nhiệt sưởi và năng lượng điện. Trong các EH được chuyển đổi qua các thiết bị như: máy biến áp, thiết bị điện-điện tử, công nghệ CHP, bộ trao đổi nhiệt và các thiết bị khác được gọi là bộ chuyển đổi.

Kết cấu bao gồm nhiều dạng năng lượng đầu vảo (thường là điện năng và khí tự nhiên). Thơng qua hệ thống các thiết bị chuyển đổi (Converter) và lưu trữ (Storage) trong mơ hình, quan hệ giữa năng lượng đầu vào và ra được miêu tả thông qua ma trận

thứ i và năng lượng đầu ra tại nút j.

(2.1)

tại nút thứ i và năng lượng đầu ra tại nút j. P(α,..β) là năng lượng đầu vào và L(α,…β)

là năng lượng chuyển hóa đầu ra.

Các yếu tố cấu thành EH

Về chức năng, EH chứa ba yếu tố cơ bản: kết nối trực tiếp, bộ chuyển đổi, và lưu trữ.

năng lượng (vào/ra) mà khơng chuyển đổi nó thành một hình thức khác hoặc có sự tổn hao khơng đáng kể chất lượng (ví dụ: điện áp, áp suất thủy lực). Cáp điện, đường dây trên đầu và đường ống là những ví dụ cho loại phần tử này.

khác. Ví dụ như: tuabin hơi và khí, động cơ đốt trong xoay chiều, động cơ Stirling, máy điện, pin nhiên liệu, máy điện phân, bộ chuyển đổi nhiệt điện, vv.

có thể được lưu trữ trực tiếp (ví dụ: siêu tụ điện, ắc quy, pin nhiên liệu) hoặc gián tiếp (ví dụ:bể chứa thủy điện, bánh đà, lưu trữ khí nén…).

</div>Trang 40<div class="page_container" data-page="40">

2.1.2. Hướng nghiên cứu và đối tượng ứng dụng

Cho đến nay, nhiều nhà khoa học đã thực hiện các nghiên cứu về EH bao gồm các vấn đề như: mô hình và tối ưu trào lưu năng lượng, vận hành tối ưu, quy hoạch và đầu tư, độ tin cậy và chế độ duy trì sự làm việc ổn định của mơ hình…vv. Có thể tóm tắt một số lĩnh vực nghiên cứu chính qua bảng 2.1 như sau:

Bảng 2.1. Tóm tắt một số hướng nghiên cứu chính về mơ hình EH

Mơ hình và tính tốn tối ưu dịng năng lượng

Đề xuất các mơ hình EH có cấu trúc phù hợp với u cầu và đặc điểm của phụ tải. Tính tốn trào lưu công suất tối ưu trong hệ thống năng lượng được kết nổi bởi các EHs Vận hành hệ thống Vận hành hệ thống năng lượng trên cơ sở mô hình EH có xét đến yếu tố giá năng lượng và các ràng buộc kỹ thuật Quy hoạch và đầu tư Quy hoạch hệ thống năng lượng cho tương lai có xét đến các hàm kinh tế. Tính tốn độ tin cậy của hệ thống

năng lượng

Tính tốn các chỉ tiêu độ tin cậy của hệ thống và đánh giá các biện pháp bảo vệ xét đến các trạng thái và điều kiện hoạt động khác nhau, đặc biệt, khi có sự tác động tích cực của hệ thống thiết bị tích trữ năng lượng

Mơ hình hóa và ứng dụng công

nghệ nguồn phân tán Ứng dụng và khai thác mạnh mẽ các nguồn phân tán trong hệ thống EH

EH được ứng dụng rộng rãi cho các đối tượng như sau: - Các nhà máy sản xuất điện năng

- Hệ thống các toàn nhà cao tầng - Khu vực dân cư

- Khu vực vùng sâu, vùng xa (hạn chế về mặt địa lý) - Khu vực hải đảo

2.1.3. Tiềm năng và lợi ích của mơ hình EH

Từ quan điểm hệ thống, việc kết hợp các dạng năng lượng khác nhau trong trung tâm năng lượng có ưu thế hơn so với hình thái cung cấp năng lượng đơn lẻ thông thường. Bao gồm:

</div>