Ứng dụng mô hình nhà máy điện ảo trong điều khiển lưới điện thông minh

41 Ứng dụng mơ hình . . . Kỹ thuật – Cơng nghệ ỨNG DỤNG MƠ HÌNH NHÀ MÁY ĐIỆN ẢO TRONG ĐIỀU KHIỂN LƯỚI ĐIỆN THƠNG MINH Lê Kim Anh* TĨM TẮT Ngày nay, các nước phát triển trên thế giới đang xu hướng đưa lưới điện thơng minh (Smart Grid) vào vận hành tối ưu hĩa hệ thống điện thay dần các lưới điện truyền thống hiện nay. Với những ưu điểm nổi bật của lưới điện thơng minh như: dễ dàng kết nối và phát huy tối đa cơng suất của các nguồn cung cấp, cho phép các hộ tiêu thụ cĩ vai trị trong việc tối ưu hĩa vận hành lưới điện, cung cấp cho hộ tiêu thụ nhiều thơng tin và nhiều phương án hơn về lựa chọn nguồn cung cấp. Ứng dụng mơ hình nhà máy điện ảo (Virtual Power Plants – VPP) trong điều khiển lưới điện thơng minh là một hướng nghiên cứu mới. VPP sử dụng nguồn năng lượng tái tạo cĩ cơng suất nhỏ và phân tán (Distributed Energy Resources – DER) để tích hợp chúng vào lưới điện thơng minh là một vấn đề lớn, vì DER cĩ quy mơ quá nhỏ so với mạng lưới. Bài báo đã đưa ra được kết quả mơ phỏng điều khiển lưới điện thơng minh theo mơ hình VPP là một phương pháp để kết hợp các DER vào lưới điện. Từ khĩa: Nhà máy điện ảo; lưới điện thơng minh; năng lượng tái tạo; nguồn cơng suất nhỏ; nguồn phân tán. APPLICATION OF VIRTUAL POWER PLANT IN SMART GRID CONTROLLING ABSTRACT Today, developed countries around the world tend to build Smart Grids for optimal operation and replace the traditional power grids gradually. Smart Grids have advantages such as: easy connectivity and maximize capacity of power supply, supplying customers with more information and more options to chose a power source, which makes them to play a role in optimizing the operation of power grids. Application of Virtual Power Plants (VPP) in smart grid controlling is a new research orientation. VPP integrate small and scattered capacity renewable energy sources, named Distributed Energy Resources (DER), into smart grids. This is a big issue because the DERs’ scales are too small compared to the network. This paper presents simulation results of smart grid control in the case of virtual power plant model which is a method to integrate DER into the grid. Key words: Virtual Power Plants; Smart Grid; Renewable Energy; Small Power Sources; Distributed Energy Resource. * GV. Trường Cao đẳng Cơng nghiệp Tuy Hồ, tỉnh Phú Yên. 42 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật 1. Đặt vấn đề Thuật ngữ hệ thống điện thơng minh (Smart Grid) đã xuất hiện vào năm 1998 và mơ hình bắt đầu được áp dụng từ năm 2005 tại nhiều nước phát triển. Theo [1], đây là sự nâng cấp và cập nhật từ hệ thống điện hiện cĩ bằng cơng nghệ đo lường, điều khiển và bảo vệ kỹ thuật số với hệ thống truyền thơng hiện đại nhằm đáp ứng nhu cầu về độ tin cậy, an tồn, chất lượng điện, tiết kiệm năng lượng. Hệ thống điện thơng minh phải cĩ khả năng tự duy trì hoạt động trước các sự thay đổi bất thường của lưới điện (Bao gồm các hệ thống lưới truyền tải siêu cao áp 500 kV, 220 kV, lưới địa phương qua đường dây 110 kV và thấp hơn...v.v). Các kỹ thuật điều khiển cho lưới điện thơng minh dựa trên cơ sở trí tuệ nhân tạo đã được phát triển và đem lại cho hệ thống điện các tính năng nổi trội. Các ưu điểm chính của hệ thống điện thơng minh là: Dễ dàng kết nối và đảm bảo vận hành cho tất cả các nguồn điện với các kích cỡ và cơng nghệ khác nhau, kể cả các nguồn năng lượng tái tạo (Renewable Energy sources - RES) nĩi chung và nguồn điện phân tán (Distributed Energy Resources – DER) nĩi riêng, làm cho tồn bộ hệ thống vận hành hiệu quả hơn. Cho phép các hộ tiệu thụ điện chủ động tham gia vào việc vận hành tối ưu hệ thống, làm cho thị trường điện cạnh tranh và phát triển. Cung cấp cho các hộ dùng điện đầy đủ thơng tin và các lựa chọn nguồn cung cấp. Giảm thách thức về mơi trường của hệ thống điện một cách đáng kể, nâng cao độ tin cậy, chất lượng và an tồn của hệ thống cung cấp điện. Duy trì và cải tiến các dịch vụ hiện hành một cách hiệu quả. Bài báo ứng dụng mơ hình điều khiển nhà máy điện ảo (Virtual Power Plants – VPP) trong điều khiển lưới điện thơng minh, đây cũng là một phần trong hệ thống điều khiển lưới điện thơng minh. 2. Điều khiển hệ thống lưới điện thơng minh dựa trên mơ hình nhà máy điện ảo (VPP)] 2.1. Khái niệm và phân loại nhà máy điện ảo Nhà máy điện ảo (VPP) theo [2], là sự kết 43 Ứng dụng mơ hình . . . hợp của các nguồn phân tán cĩ cơng suất nhỏ như: nhà máy điện giĩ, điện - nhiệt kết hợp, nhà máy điện mặt trời, các thủy điện nhỏ và nhà máy điện chạy khí sinh học.v.v. VPP cho phép chúng đạt được quy mơ tương đương và mức độ tin cậy cung cấp điện ổn định như các nhà máy điện truyền thống, đồng thời mang lại hiệu quả cao về tính kinh tế so với điều khiển các nguồn điện độc lập. Hệ thống điều khiển lưới điện thơng minh đối với các nguồn phân tán dựa theo mơ hình VPP bao gồm các thành phần cơ bản, như hình 1. Theo [3], hiện nay mơ hình điều khiển nhà máy điện ảo bao gồm 2 loại, loại VPP thương mại (Commercial, CVPP) và VPP kỹ thuật (Technical, TVPP). 2.2. Các phương pháp điều khiển VPP Theo [4], điều khiển VPP về cơ bản cĩ thể được chia thành ba phương pháp điều khiển khác nhau, ở mỗi phương pháp sẽ cĩ những cấu trúc và thơng tin điều khiển khác nhau như: 2.2.1. Phương pháp điều khiển VPP tập trung Nhà máy điện ảo dựa theo phương pháp điều khiển này được gọi là điều khiển tập trung (Centralized Controlled Virtual Power Plant –CCVPP) như hình 2, mơ hình điều khiển VPP loại này thì yêu cầu các nhà máy điện cùng một lúc phải nắm bắt hết các thơng tin liên quan và thiết lập các chế độ làm việc sao cho đáp ứng các nhu cầu khác nhau của hệ thống điện. 2.2.2. Phương pháp điều khiển VPP phân cấp Nhà máy điện ảo dựa theo phương pháp điều khiển này được gọi là điều khiển phân cấp (Distributed Controlled Virtual Power Plant - DCVPP) như hình 3, mơ hình điều khiển VPP được chia thành một số cấp khác nhau. Ở cấp thấp các VPP điều khiển trước đối với các khu vực bị hạn chế thơng tin về DER. So với phương pháp VPP điều khiển tập trung thì phương pháp này việc thu thập thơng tin cĩ hiệu quả cải thiện được những khuyết 44 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật điểm. Sau cùng đến hệ thống điều khiển trung tâm hoạt động, quá trình phân cấp sẽ giám sát được tổng thể hệ thống và đảm bảo hệ thống luơn làm việc liên tục hơn. 2.2.3. Phương pháp điều khiển VPP phân cấp tồn bộ Nhà máy điện ảo dựa theo phương pháp điều khiển này được gọi là điều khiển phân cấp tồn bộ (Fully Distributed Controlled Virtual Power Plant - FDCVPP) như hình 4, 3. Ứng dụng mơ hình nhà máy điện ảo trong điều khiển lưới điện minh 3.1. Khả năng ứng dụng lưới điện thơng minh tại Việt Nam Theo [5], ngày 08/11/2012, Phĩ Thủ tướng Hồng Trung Hải đã ký quyết định số 1670/ QĐ-TTg phê duyệt đề án phát triển lưới điện thơng minh tại Việt Nam nhằm nâng cao chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện; gĩp phần trong cơng tác quản lý nhu cầu điện, khuyến khích sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả; tạo điều kiện nâng cao năng suất lao động, giảm nhu cầu đầu tư vào phát triển nguồn và lưới điện; tăng cường khai thác hợp lý các nguồn tài nguyên năng lượng, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia, gĩp phần bảo vệ mơi trường và phát triển kinh tế - xã hội bền vững. (Đề án chia làm 3 giai đoạn thực hiện, phương pháp điều khiển này cĩ thể được coi là một phần mở rộng của hệ thống phân cấp. Hệ thống điều khiển trung tâm dùng để trao đổi thơng tin dữ liệu thơng qua các bộ vi xử lý. VPP điều khiển phân cấp tồn bộ sẽ cho ta biết được dữ liệu về thị trường điện, dự báo thời tiết..v.v, cũng như dữ liệu đăng nhập và các thơng tin cĩ giá trị khác của hệ thống. So với hai phương pháp trên, ở phương pháp này hiệu quả mang lại cao hơn. giai đoạn 1 (2012 – 2016), giai đoạn 2 ( 2017 – 2022) và giai đoạn 3 sau năm 2022). 3.2. Ứng dụng mơ hình nhà máy điện ảo trong điều khiển lưới điện thơng minh (Smart Grid) 3.2.1. Cơng nghệ điều khiển lưới điện thơng minh Cho đến hiện nay, theo [6] chưa cĩ một tác giả hoặc một tổ chức nào khẳng định chắc chắn rằng về các cơng nghệ sẽ được sử dụng trong tương lai đối với lưới điện thơng minh, tuy nhiên chúng ta cĩ thể chỉ ra được các đặc tính chính của lưới điện thơng minh bao gồm các thành phần cơ bản như: việc thu thập dữ liệu, phân tích và dự báo, điều khiển giám sát và quản lý, phát triển hệ thống cho phép trao đổi thơng tin hai chiều giữa nhà cung cấp điện và khách hàng sử dụng điện, như hình 5. 45 Ứng dụng mơ hình . . . 3.2.2. Lưới điện thơng minh điều khiển theo VPP Điều khiển các nguồn phân tán (DER) và nguồn năng lượng tái tạo (RES) tích hợp vào lưới điện thơng minh theo mơ hình VPP, như hình 6. Theo [7], các trạm biến áp thơng minh, và thiết bị thơng minh đã được lắp đặt trong hệ thống điện, ở các cấp điện áp khác nhau như: điện áp trung bình (MV), điện áp thấp (LV). Tuy nhiên chúng ta cịn phải nỗ lực hết sức để cĩ thể biến một hệ thống điện truyền thống như hiện nay thành một hệ thống điện thơng minh (Smart Grid) thực sự. Bởi vì hệ thống khơng chỉ đơn thuần là các phần cứng và phần mềm. 46 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật 4. Tính tốn các thơng số và xây dựng mơ hình, mơ phỏng trên Matlab - Simulink 4.1. Thơng số của đường dây Theo [8], điện trở và điện kháng trên các đoạn đường dây ở hình 7, được tính như sau: *. Đoạn đường dây (L 1 ) cĩ chiều dài 0.5km. Điện trở trên đường dây (R 1 ) = 0.356Ω/km x 0.5km = 0.178Ω; điện kháng trên đường dây (X 1 ) = 0.3226Ω/km x 0.5km = 0.1613Ω. *. Đoạn đường dây (L 2 ) cĩ chiều dài 0.4km. Điện trở trên đường dây (R 2 ) = 0.2426Ω/km x 0.4km = 0.09704Ω; điện kháng trên đường dây (X 2 ) = 0.3614Ω/km x 0.4km = 0.14456Ω. *. Đoạn đường dây (L 3 , L 4 , L 5 ) cĩ chiều dài 0.2km, sử dụng cùng loại dây dẫn và tiết diện dây bằng nhau, nên điện trở trên đường dây (R 3 = R 4 = R 5 ) = 0.437Ω/km x 0.2km = 0.0874Ω; điện kháng trên đường dây (X 3 = X 4 = X 5 ) = 0.302Ω/ km x 0.2km = 0.0602Ω. 4.2. Điện trở và điện kháng của máy biến áp tính theo đơn vị tương đối (per unit – p.u) Theo [8], điện trở và điện kháng của máy biến áp (MBA) được tính như sau: 47 4.3. Xây dựng mơ hình và mơ phỏng trên Matlab - Simulink 4.3.1. Xây dựng mơ hình trên Matlab – Simulink Các nguồn phân tán (DER) tích hợp trong lưới điện thơng minh và điều khiển theo mơ hình nhà máy điện ảo, cũng như các thơng số tính tốn và phương pháp điều khiển đã được phân tích ở các mục trên. Việc xây dựng mơ hình ứng dụng VPP trong điều khiển lưới điện thơng minh trên Matlab – Simulink như hình 8, sử dụng 3 nguồn phân tán là các máy phát điện diesel. Hệ thống điều khiển trung tâm VPP nhận tín hiệu phản hồi từ các tải, đồng thời đưa tín hiệu điều khiển đến các nguồn phân tán. Ứng dụng mơ hình . . . 4.3.2. Kết quả mơ phỏng trên Matlab - Simulink 48 Tạp chí Kinh tế - Kỹ thuật Nhận xét: Qua kết quả mơ phỏng ta thấy tại thời điểm t 0.4s hệ thống làm việc khơng tải. Ở thời điểm [t = 0.1÷0.4s] thực hiện đĩng tải, các giá trị dịng điện, điện áp và cơng suất luơn làm việc ở trạng thái ổn định. 5. Kết luận Ứng dụng mơ hình nhà máy điện ảo (VPP) trong điều khiển lưới điện thơng minh đã phát huy được tối đa cơng suất của các nguồn phân tán tích hợp vào lưới, đồng thời mang lại hiệu quả cao về tính kinh tế so với điều khiển các nguồn độc lâp. Điều khiển lưới điện thơng minh theo mơ hình VPP nhằm hướng đến phát triển tối ưu hĩa vận hành hệ thống điện, thơng qua hệ thống cáp quang điện thoại và Internet người tiêu dùng cĩ thể lựa chọn nguồn cung cấp, kiểm tra chất lượng điện năng, lượng điện tiêu thụ và hĩa đơn tiền điện trực tuyến, thậm chí điều khiển các thiết bị dùng điện từ xa. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Văn Doanh, Nguyễn Thị Nguyệt, Hệ thống điện thơng minh Smart Grid, Tạp chí tự động hĩa ngày nay, số 128 (7/2011). [2] H.Saboori, M. Mohammadi, R.Taghe, Virtual Power Plant (VPP), Definition, Concept,Components and Types,IEEE (2011). [3] Shi You, Developing Virtual Power Plant for Optimized DER Operation and Integration, Department of Electrical Engineering Centre for Electric Technology (CET) Technical University of Denmark (2010). [4] Lê Kim Anh, Cơng nghệ điều khiển nhà máy điện ảo, [5] Quyết định phê duyệt đề án phát triển lưới điện thơng minh tại Việt Nam, Số: 1670/QĐ-TTg (2012). [6] [7] K. El Bakari, W.L. Kling, Smart Grids: combination of ‘Virtual Power Plant’- concept and ‘smart network’- design, IEEE (2010) [8] Lê Kim Anh, Võ Như Tiến, Xin Ai, Điều khiển các nguồn phân tán theo mơ hình nhà máy điện ảo, Tạp chí khoa học và cơng nghệ, Đại Học Đà Nẵng, số (3), 2013.