Nhà máy điện ảo

EVN với cuộc Cách mạng công nghiệp 4.0

LÊ KIM ANH, TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG THƯƠNG MIỀN TRUNG

1. Đặt vấn đề

Ngày nay, ngành điện đang từng bước phát triển đồng bộ từ các khâu như: sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng.

Theo [1], khi hiệu ứng nóng lên của trái đất, sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch và sự bùng nổ tăng trưởng của các nước đang phát triển. Bên cạnh đó dân số ngày càng tăng, ước tính đến năm 2050 khoảng 9.5 tỷ người, nhiệt độ trung bình của trái đất có thể tăng lên 60^0C. Điều này dẫn đến yêu cầu cấp thiết phải có những phương thức mới trong việc cung cấp và sử dụng nguồn năng năng lượng sao cho giảm thiểu sự phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường, như nitrogen oxit (NOx), sunfua oxit (SOx), và đặc biệt là carbon dioxit (CO₂).

Để đạt được các mục tiêu đã nêu ở trên theo [2], chúng ta phải xây dựng một hệ thống điện với phương thức vận hành và kinh doanh có khả năng cho phép các nhà máy điện nâng cao hiệu suất, các nguồn điện phân tán (DG) được khuyến khích phát triển ở những địa điểm thích hợp. Nối lưới các DG trong hệ thống điện sẽ thúc đẩy sự thay đổi phương thức sử dụng điện và cải thiện được đồ thị phụ tải.

Bên cạnh đó khuyến khích các ngành công nghiệp phát triển và sử dụng thiết bị tiết kiệm điện. Nghiên cứu mô hình nhà máy điện ảo (Virtual Power Plants – VPP) và ứng dụng trong điều khiển nối lưới các nguồn điện phân tán, đây cũng là một phần trong hệ thống điều khiển lưới điện thông minh (Smart Grid).

Hiện nay, ở các nước phát triển như: Đức, Italia, Anh và Hoa Kỳ đã bắt đầu triển khai và lắp đặt hệ thống lưới điện thông minh về đến tận các hộ gia đình với hy vọng sẽ tạo được sự linh hoạt trong sử dụng điện cho người tiêu dùng, thậm chí cho phép giảm giá thành đối với các khách hàng sử dụng năng lượng tiết kiệm.

2. Nghiên cứu mô hình nhà máy điện ảo

2.1. Khái niệm nhà máy điện ảo

Mô hình nhà máy điện ảo (VPP) theo [3], là sự  kết hợp của các nguồn điện phân tán có công suất nhỏ như: nhà máy điện gió, điện - nhiệt kết hợp, nhà máy điện mặt trời, các thủy điện nhỏ và nhà máy điện chạy khí sinh học.v.v... Hệ thống điện điều khiển theo mô hình VPP cho phép chúng đạt được quy mô 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. Mô hình VPP ứng dụng trong điều khiển nối lưới các nguồn điện phân tán bao gồm các thành phần cơ bản, như hình 1.

2.2. Phân loại nhà máy điện ảo

Theo [4], hiện nay mô hình VPP trong điều khiển các nhà máy điện bao gồm 2 loại: Loại VPP thương mại (Commercial - CVPP) và VPP kỹ thuật (Technical - TVPP).

2.3. Các cấu trúc điều khiển VPP

Theo [5], điều khiển VPP về cơ bản có thể được chia thành ba cấu trúc điều khiển khác nhau, ở mỗi cấu trúc điều khiển sẽ có những thuật toán và thông tin điều khiển khác nhau như:

2.3.1. Cấu trúc điều khiển VPP tập trung

Nhà máy điện ảo dựa theo cấu trúc điều khiển này được gọi là điều khiển tập trung (Centralized Controlled Virtual Power Plant –CCVPP) như hình 4, mô hình điều khiển VPP loại này thì yêu cầu các nhà máy điện cùng một lúc phải nắm bắt hết các thông tin liên quan và thiết lập các chế độ làm việc sao cho đáp ứng được các nhu cầu khác nhau của hệ thống điện.

2.3.2.Cấu trúc điều khiển VPP phân cấp

Nhà máy điện ảo dựa theo cấu trúc điều khiển này được gọi là điều khiển phân cấp (Distributed Controlled Virtual Power Plant - DCVPP) như hình 5, mô hình điều khiển VPP được chia thành một số cấp điều khiển khác nhau. Ở cấp thấp các VPP điều khiển trước đối với các khu vực bị hạn chế thông tin về DER. So với cấu trúc VPP điều khiển tập trung thì cấu trúc này việc thu thập thông tin có hiệu quả cải thiện được những khuyết điểm. Sau cùng đến hệ thống điều khiển trung tâm hoạt động, quá trình phân cấp sẽ giám sát được tổng thể của hệ thống và đảm bảo hệ thống luôn làm việc liên tục hơn.

2.3.3.Cấu trúc điều khiển VPP phân cấp toàn bộ

Nhà máy điện ảo dựa theo cấu trúc điều khiển này được gọi là điều khiển phân cấp toàn bộ (Fully Distributed Controlled Virtual Power Plant - FDCVPP) như hình 6, cấu trúc điều khiển này có thể được coi là một phần mở rộng của hệ thống điều khiển phân cấp. Hệ thống điều khiển trung tâm dùng để trao đổi thông tin dữ liệu thông qua các bộ vi xử lý. VPP điều khiển phân cấp toàn 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 thông tin có giá trị khác của hệ thống. So với hai cấu trúc điều khiển trên, ở cấu trúc điều khiển này hiệu quả mang lại cao hơn.

3. Xây dựng  mô hình và mô phỏng trên matlab/simulink

3.1. Xây dựng mô hình trên matlab/simulink

Mô hình được xây dựng trên cơ sở phân tích cấu trúc điều khiển VPP tập trung, bao gồm 3 nguồn điện phân tán là các tuabin thủy lực, tuabin hơi và máy phát điện diesel, sơ đồ điều khiển nối lưới các nguồn điện phân tán xây dựng trên matlab/simulink như hình 7.

3.2. Kết quả mô phỏng

Nhận xét: Qua kết quả mô phỏng ta thấy tại thời điểm [t = 0.05÷0.15s] thực hiện đóng tải nên các giá trị dòng, áp cũng như công suất bị dao động, nhưng khi qua 0.15s hệ thống làm việc ổn định.

4. Kết luận

Nghiên cứu mô hình nhà máy điện ảo và ứng dụng trong điều khiển nối lưới các nguồn điện phân tán, đã mang lại hiệu quả cao về tính kinh tế so với điều khiển các nguồn điện độc lập, đồng thời phân bố được công suất phát ra trên hệ thống. Các nguồn điện phân tán (là tuabin thủy lực, tuabin hơi, máy phát điện diesel ) được điều khiển theo mô hình VPP cho phép chúng đạt được quy mô tương đương và mức độ tin cậy cung cấp điện ổn định như các nhà máy điện truyền thống, hệ thống thực hiện nối lưới thông qua máy biến áp 22/0.4kV. Các nguồn điện phân tán được điều khiển theo mô hình VPP nhằm hướng đến việc phát triển lưới điện thông minh và điều khiển nối lưới linh hoạt cho các nguồn năng lượng tái tạo.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Markus Bayegan, ABB´s vision of the future electricity, Carnegie Mellon Electricity Industry Center March 20, 2002.

[2] http://www.planktos.com/educational/carbon.

[3] P.Lombardi, M.Powalko, K.Rudion, Optimal operation of a Virtual Power Plant, PES General Meeting (GM) ,26 – 30, 2009.

[4] 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.

[5] Łukasz Nikonowicz, Jarosław Milewski, Virtual Power Plants – general review: structure, application and optimization, Journal of Power Technologies 92(3), 135 - 149, 2012.

[6] IEEE 1547, Standard for interconnection distributed resources with electric power system, 2003.