Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG ****** NGUYỄN MINH TRÍ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH PHỤ TẢI NHẰM TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG VÀ GIẢM PHỤ TẢI ĐỈNH CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN Chuyên ngành: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN Mã số: 62.52.50.05 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG – 2012 Footer Page of 126 Header Page of 126 Công trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS NGUYỄN HỒNG ANH TSKH TRẦN QUỐC TUẤN Phản biện 1: VS.GS.TSKH Trần Đình Long Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Phản biện 2: PGS.TSKH Hồ Đắc Lộc Trường Đại Học Kỹ thuật Công nghệ TPHCM Phản biện 3: TS.Trần Tấn Vinh Trường Cao đẳng Công nghệ thông tin,Đại học Đà Nẵng Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Nhà nước họp Đại Học Đà Nẵng Vào hồi: 14 , ngày 15 tháng 12 năm 2012 Có thể tìm hiểu luận án tại: + Thư viện Quốc gia + Trung tâm thông tin-tư liệu, Đại Học Đà Nẵng + Thư viện trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng Footer Page of 126 Header Page of 126 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ [1] Tran Quoc Tuan, Le Ky, Nguyen Minh Tri, “ Direct Load Control in Distribution Networks Application for Air Conditioners”, IFOST-REEC-2009, Oct.2009 [2] Tri Nguyen-Minh, Anh Nguyen-Hong, Tuan Tran-Quoc, “Application of Neural Network for Short-Term Load Forecasting at The Da-Nang Power Company in VietNam”, Wuhan, China, ETTIEEE, 2010 [3] Nguyễn Minh Trí, Nguyễn Hồng Anh, Trần Quốc Tuấn, “Điều khiển trực tiếp phụ tải lưới phân phối nhằm tiết kiệm lượng”, Hội nghị toàn quốc điều khiển tự động hóa, VCCA-2011 [4] Tri Nguyen-Minh, Anh Nguyen-Hong, Tuan Tran-Quoc, “Direct Load Control in distribution networks to reduce the peaks load and energy saving”, The International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC/REV), Oct.2012 [5] Tri Nguyen-Minh, Anh Nguyen-Hong, Tuan Tran-Quoc, “Proposed a real-time control using Zigbee sensor network for energy management system in buildings at Viet Nam”, The International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC/REV), Oct.2012 [6] Tri Nguyen-Minh, Anh Nguyen-Hong, Tuan Tran-Quoc, “Proposed a load control methods for real -time to energy management system in buildings”, Tạp chí khoa học công nghệ, Đại Học Đà Nẵng, 12(61), trang 119 -126, 2012 [7] Tri Nguyen-Minh, Anh Nguyen-Hong, Tuan Tran-Quoc “Development of an adaptive temperature control for HVAC to intelligent energy management system in buildings at DaNang city”, Hội nghị Cơ điện tử lần thứ 6, VCM-2012 Footer Page of 126 Header Page of 126 LỜI MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, Việt Nam phải đối mặt với tình trạng thiếu điện phụ tải tăng trưởng với tốc độ cao; trung bình 14,5% từ năm 2001 đến 2010[1] Chúng ta thấy điều rõ rệt thời gian gần Việc cố liên tục nhà máy Phả Lại, Phú Mỹ 2.2 …đã gây thiếu điện trầm trọng buộc phải cắt giảm thiêu thụ nước Do hàng năm ngành điện phải bỏ lượng kinh phí lớn để xây dựng nguồn điện nhằm đáp ứng nhu cầu phụ tải vào cao điểm, thấp điểm nguồn điện không phát huy hiệu quả, gây lãng phí đầu tư Hiện tỷ lệ Pmin/Pmax dao động từ 0,4 ÷ 0,7[1], tỷ lệ thấp so với nước khu vực giới Ngoài môi trường, khí hậu vấn đề toàn cầu, đặt thách thức đòi hỏi phải có giải pháp tích cực để tiết kiệm lượng Chương trình tiết kiệm điện giai đoạn 2006- 2015 Thủ tướng Chính phủ ''Đảm bảo sử dụng điện tiết kiệm hiệu quả''[2] Mục tiêu Việt Nam giảm 5% phụ tải đỉnh Nếu đạt mục tiêu này, Việt Nam tiết kiệm hàng tỷ đô la đầu tư hệ thống điện giảm khí thải CO2 Đặc biệt Thủ tướng Chính phủ vừa ban hành Quyết định số 1670/QĐ-TTg phê duyệt đề án phát triển Lưới điện Thông minh Việt Nam vào ngày 08/11/2012 Mục tiêu tổng quát phát triển Lưới điện Thông minh với công nghệ đại, nhằm nâng cao chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện; góp phần công tác quản lý nhu cầu điện, khuyến khích sử dụng lượng tiết kiệm hiệu quả; tạo điều kiện nâng cao suất lao động, giảm nhu cầu đầu tư vào phát triển nguồn lưới điện; tăng cường khai thác hợp lý nguồn tài nguyên lượng, đảm bảo an ninh lượng quốc gia, góp phần bảo môi trường phát triển kinh tế xã hội bền vững Trong luận án tác giả xem xét phương pháp quản lý kỹ thuật điều khiển trực tiếp đến thiết bị nhiệt máy điều hòa không khí, máy sấy ,… (HVAC) tòa nhà, khách sạn trung Footer Page of 126 Header Page of 126 tâm thương mại, làm giảm nhu cầu tiêu thụ phụ tải, thông qua hệ thống thông tin đại hai chiều nhà cung cấp khách hàng Do thiết bị có tiềm lớn việc giảm nhanh khả tiêu thụ phụ tải; cách thay đổi nhiệt độ đặt thiết bị điều chỉnh lương tiêu thụ cách dễ dàng Mục đích nghiên cứu Việc mô hình hóa phụ tải giúp ta tái tạo lại đường cong tiêu thụ với điều kiện thông số thực tế hoạt động Do mục đích trước tiên luận án mô hình hóa phụ tải có chứa ĐHKK khách sạn, tòa nhà lớn thông qua công cụ hỗ trợ Matlab Sau dựa mô hình xây dựng này, tác giả đề xuất thử nghiệm phương pháp quản lý phụ tải lý thuyết tối ưu điều khiển thích nghi dựa thông tin từ nhà quản lý(điều độ) lưới điện phân phối Việt Nam nhằm giải hai vấn đề sau: giảm tiêu thụ cao điểm tiết kiệm lượng điện tiêu thụ giữ tiện nghi nhiệt khách hàng Hạn chế việc cắt điện góp phần nâng cao khả vận hành hệ thống điện Phương pháp nghiên cứu nội dung nghiên cứu Luận án Phương pháp nghiên cứu sử dụng luận án phương pháp lý thuyết mô hình, mô có kết hợp kiểm nghiệm phòng thí nghiệm nước Để làm rõ phương pháp nghiên cứu trên, Luận án giải nội dung nghiên cứu sau: - Nghiên cứu tổng quan phương pháp điều khiển phụ tải có - Lựa chọn phụ tải cần điều khiển mô hình hóa thiết bị - Dự báo phụ tải sử dụng mạng Nơrôn - Đề xuất mô hình điều khiển thông minh sử dụng lý thuyết tính toán tối ưu - Áp dụng mô hình điều khiển tải đề xuất cho khu vực tải Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Luận án đề xuất giải pháp quản lý, điều khiển phụ tải trực tiếp thiết bị nhiệt có khả điều chỉnh công suất tiêu thụ HVAC Footer Page of 126 Header Page of 126 khách sạn, tòa nhà nhằm góp phần làm giảm đỉnh tiêu thụ vào cao điểm hệ thống cần tiết giảm công suất Phạm vi nghiên cứu: Luận án xem xét thiết bị điều hòa không khí hoạt động tòa nhà, khách sạn, khu thương mại, mà theo đánh giá chuyên gia giới Việt Nam thiết bị thích hợp để điều khiển việc nhu cầu tiêu thụ lượng phụ tải[1-2,8-9] Những đóng góp mặt khoa học luận án Luận án đưa giải pháp quản lý tải có tính thực tiễn đứng từ góc nhìn nhà quản lý điều độ hệ thống điện Nhằm giúp quản lý phụ tải cách linh hoạt tối ưu trình tiêu thụ đem đến lợi ích khác cho nhà cung cấp, dịch vụ người tiêu dùng Cụ thể luận án hoàn thiện mô hình máy điều hòa không khí đặt hộ tiêu thụ nối trực tiếp đến phương thức điều khiển dựa kiện đầu vào nhu cầu điện cần tiết kiệm tiết giảm Thông tin gửi tín hiệu điều khiển phát điều độ hệ thống công ty điện lực muốn thực quản lý nhu cầu tiêu thụ khách hàng Luận án đề xuất kỹ thuật điều khiển thích nghi[11,27,29, 31-32] điều hòa không khí thời gian thực; nhận tín hiệu điều khiển từ điều độ hệ thống, khách hàng khách sạn, tòa nhà lưới phân phối, nhằm giảm đỉnh tải tiêu thụ tránh tải hệ thống hay hệ thống cần tiết giảm công suất thiếu hụt huy động nguồn cung cấp Ý nghĩa khoa học luận án Tác giả thấy cấu trúc quản lý phụ tải thực thi việc trao đổi thông tin điện theo hướng chiều từ nhà cung cấp đến khách hàng Đề tài giúp phát triển hệ thống quản lý phụ tải theo hướng cho phép trao đổi thông tin điện hai chiều nhà cung cấp khách hàng sử dụng điện Vì mà việc điều chỉnh nhu cầu tiêu thụ phụ tải chủ động, linh hoạt tối ưu Phạm vi ứng dụng Những vấn đề nghiên cứu kết thu luận án Footer Page of 126 Header Page of 126 ứng dụng công tác định hướng chiến lược đầu tư công nghệ xây dựng lưới điện việc chọn lựa phương án, phương pháp điều khiển phụ tải trực tiếp linh hoạt tối ưu nhằm vận hành hệ thống điện Việt Nam cách kinh tế ổn định Bố cục luận án Luận án bao gồm chương với phần mở đầu kết luận: LỜI MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Chương 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN VÀ MÔ HÌNH HÓA PHỤ TẢI ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP Chương 3: DỰ BÁO PHỤ TẢI ĐIỀU ĐỘ PHỤC VỤ CHO CHIẾN LƯỢC QUẢN LÝ VÀ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI Chương 4: PHƯƠNG PHÁP, CHIẾN LƯỢC QUẢN LÝ TẢI TRỰC TIẾP Chương 5: ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI TRỰC TIẾP CHO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ LƯỚI ĐIỆN VÀ QUẢN LÝ PHỤ TẢI TRÊN THẾ GIỚI Hầu hết nghiên cứu ứng dụng cho hệ thống điện tương lai giới chủ yếu đề cập đến việc triển khai lưới điện hệ (smart gird) nhằm tối ưu hoá vận hành thiết bị Các thiết bị tiên tiến tích hợp thông tin thời gian thực lấy từ cảm biến hệ thống điều khiển tự động cho phép phát xử lý bất thường hệ thống Quá trình thực quản lý nhu cầu tiêu thụ thông trao đổi hai chiều nhà cung cấp khách hàng thông qua kỹ thuật truyền tin đại(PLC, ZigBee, GPS )được xem công cụ hữu hiệu việc khuyến khích khách hàng thay đổi hành vi hộ tiêu thụ việc sử dụng tiết kiệm điện Footer Page of 126 Header Page of 126 1.2 XU HƯỚNG CÔNG NGHỆ LƯỚI ĐIỆN VÀ CÁC CHƯƠNG TRÌNH QUẢN LÝ PHỤ TẢI TẠI VIỆT NAM EVN từ lâu ứng dụng phần công nghệ lưới điện với giải pháp nước phát triển Tháng 01 năm 2011, EVN tổ chức hội thảo dự án áp dụng “Smart Grid” cho lưới điện Việt Nam; tập trung vào khu vực truyền tải, phân phối điều độ 1.3 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH VÀ PP QUẢN LÝ PHỤ TẢI Các phương pháp quản lý phụ tải chia làm hai loại: 1.3.1 Phương pháp quản lý tải gián tiếp Trong phương pháp quản lý gián tiếp khách hàng tự quản lý, kiểm soát lượng tiêu thụ thông qua dịch vụ (chọn lựa nguồn cung cấp, giá, thiết bị tham gia ) Nhà quản lý, cung cấp không trực tiếp kiểm soát phụ tải khách hàng 1.3.2 Phương pháp quản lý tải trực tiếp Phương pháp điều khiển tải trực tiếp(DLC) khách hàng thiết kế để kiểm soát việc tiêu thụ thiết bị điều hòa không khí, máy sưởi, máy nước nóng thiết bị chiếu sáng Việc phân loại phương pháp quản lý dựa đặc tính khác tải, chẳng hạn loại tải, thời gian tính toán điều khiển cần thiết chất tải điều khiển Có thể chia thành hai nhóm: Nhóm phương pháp điều khiển tải trước(sớm) nhóm điều khiển tải thời gian thực 1.4 ĐÁNH GIÁ CHUNG VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU CHO LUẬN ÁN Theo điều tra Việt Nam[1], khách hàng giám sát việc sử dụng điện mình, thông qua trao đổi thông tin hai chiều công ty điện lực khách hàng họ có xu hướng giảm mức tiêu thụ khoảng từ 5% đến 10% Hiện chưa xây dựng thử nghiệm mà chưa có đánh giá chiến lược điều khiển cho loại phụ tải nào, mô hình phương pháp quản lý phụ tải mà ta cần điều khiển nào, cách thức điều khiển phụ tải để tận dụng công nghệ lưới điện mà triển khai Đứng từ quan điểm vậy, tác giả xem xét chiến lược kiểm Footer Page of 126 Header Page of 126 soát phụ tải trực tiếp tối ưu thông qua điều khiển sớm hay điều khiển thời gian thực mô hình tải đề xuất; đặc điểm chức tòa nhà, loại thiết bị sử dụng, điều kiện khí hậu… với kịch cụ thể khác Chương PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN VÀ MÔ HÌNH HÓA PHỤ TẢI ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP 2.1 MỞ DẦU Theo EVN[1], năm gần đây, tốc độ tăng trưởng điện bình quân Việt Nam 16,2% Tuy nhiên, mức chênh lệch công suất thấp điểm cao điểm thấp (0,4 ÷ 0,7) tỉ trọng điện dùng cho thành phần dân dụng, dịch vụ chiếm 45-48% tổng điện thương phẩm 2.2 HIỆN TRẠNG VỀ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TẠI VIỆT NAM Tổng nhu cầu lượng sơ cấp năm 2010 khoảng 63-65 triệu TOE Dự tính nhu cầu điện Việt Nam tăng gấp đôi sau năm đến năm 2015 tăng gấp lần Quản lý nhu cầu phụ tải thật cần thiết cấp bách EVN tình hình 2.3 PHÂN TÍCH PHỤ TẢI Ở VIỆT NAM Qua phân tích thành phần tham gia vào phụ tải tỉnh đồ thị phụ tải Việt Nam ho thấy: để giảm công suất đỉnh hệ thống, cần tập trung vào thành phần phụ tải chủ yếu tiêu dùng dân dụng thành phần dịch vụ thương mại; chiếm 62,7% công suất đỉnh 2.4 LỰA CHỌN PHỤ TẢI ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP Trong cấu phụ tải điện năm gần đây, lượng điện tiêu thụ ngành dân dụng thương mại, dich vụ xét chiếm ~ 45% Hai thành phần có đặc điểm nhu cầu dùng điện tăng lên đột biến vào cao điểm hệ thống điện, thường vào thời điểm nguồn phát căng thẳng, mùa hè khô nóng, hạn hán Trong số thiết bị dùng điện nhà, Điều hoà không khí (ĐHKK) loại thiết bị tiêu dùng điện có khả góp phần quan trọng vào việc giảm phụ tải đỉnh cho hệ thống điện Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 2.5 MÔ HÌNH HÓA THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ Trước áp dụng phương pháp hay kỹ thuật điều khiển thực tế thiết bị phần cứng Thì công cụ hữu hiệu mô hình hoá đối tượng điều khiển gắn phương pháp, kỹ thuật điều khiển lên để mô theo ý tưởng người nghiên cứu hay kịch xảy thực tế Điều giúp cho người nghiên cứu có so sánh, đánh giá đề xuất giải pháp thích hợp Nathan Mendes(2001)[17] trình bày phân tích hiệu suất nhiệt tảng mô hình điện dung nhiều lớp Hudson Underwood (1999) [23] Suresh Kumar K.S [26] trình bày mô hình toán học cho thiết bị ĐHKK thiết bị tương đương mạch điện RC Từ công trình nghiên cứu tác giả đề cập trên, tác giả mở rộng, bổ sung hoàn thiện mô hình điện tương tự cho phòng có gắn điều hòa không khí thể hình 2.8 Hình 2.8: Mô hình điện tương tự cho nhà có ĐHKK Từ mô hình nhiệt điện tương đương ĐHKK, hệ phương trình vi phân thu cách áp dụng định luật Kirchhoff cho nút: dTtu I T T 2Ttu = bx + bt + bn − dt Ctu Rtu Ctu Rtu Ctu Rtu Ctu (1.1) ( I tt − I dh ) Tbn dTbt I T T  1   (1.2) = kh − + + tu − bt  + dt Cbt Cbt Rbt Cbt Rtu Cbt Cbt  Rtu Rbt  Từ phương trình (2.1) (2.2), mô hình nhiệt điện phòng có chứa ĐHKK xây dựng hình 2.9 nhờ công cụ Footer Page 10 of 126 10 Header Page 13 of 126 đáp ứng công suất huy động nhu cầu tiêu thu điện Luận án đề xuất phương pháp quản lý tải trực tiếp cách điều khiển sớm thông qua thuật toán tối ưu phi tuyến “nhánh cận” Đây chiến lược “điều khiển trước” tính toán giải thuật tối ưu nhằm phân bố việc đóng cắt ĐHKK cho mức tiêu thụ phụ tải giảm mức công suất mà nhà cung cấp dự kiến sản xuất… Phương pháp “nhánh cận” thực chất chia nhỏ đánh giá ràng buộc áp dụng cho toán tối ưu hóa tổ hợp với nhiều giải pháp Phương pháp tách vấn đề ban đầu thành nhiều vấn đề phụ sau loại bỏ số vấn đề phụ cách sử dụng hệ thống đánh giá thông qua ràng buộc [85] Chương trình quản lý phụ tải phương pháp tối ưu phi tuyến kết hợp theo phương pháp“nhánh cận” thiết bị ĐHKK xây dựng đánh giá thông qua thông hàm Fmincon matlab Áp dụng “điều khiển sớm” cho khách sạn điển hình Xét nhiều máy ĐHKK hoạt động nhiều phòng khác khu vực (k phòng) Được mô tả hệ thống phương trình vi phân sau đây: dTtu−k I Tbt −k Tbn−k 2Ttu −k = bx−k + + − dt Ctu−k Rtu−k Ctu−k Rtu −k Ctu −k Rtu−k Ctu−k ac dTbt −k I kh−k I dh Tbn−k Ttu −k T = − −k + + − bt −k dt Cbt −k Cbt −k Rbt −k Cbt −k Rtu −k Cbt −k Cbt −k (4.1)  1  (4.2)  +   Rtu −k Rbt −k  Hàm mục tiêu: Mục tiêu quản lý tải ĐHKK tối ưu trường hợp giảm nhu cầu tiêu thụ vào cao điểm nhà cung cấp yêu cầu đồng thời giữ tiện nghi nhiệt độ Hàm mục tiêu giảm đỉnh tiêu thụ xác định bởi: D n Min [ P ] = ∑ ∑  Pdhac−k ui , k  (4.5)   u ∈(0,1) i =1 k =1 i ,k Với: Pđh-k công suất máy ĐHKK thứ k, ∆τ bước thời gian tính toán, ui,k trạng thái hoạt động ĐHKK thứ k thời điểm I, n số máy ĐHKK, D thời gian mô Footer Page 13 of 126 11 Header Page 14 of 126 Ràng buộc nhiệt độ công suất cho phép vận hành: ac max Tbtmin ≤ T = f ( P u ) ≤ T −k i ,bt −k dh−k i , k bt −k (4.6) n ∑ Pdhac−k ui,k ≤ Pcho _ phép (4.7) k Áp dụng chiến lược quản lý tải ĐHKK tối ưu cho khách sạn tiêu biểu có 100 phòng (hình 4.5) Ở khách sạn tiêu biểu này, phòng có máy ĐHKK với công suất 2.5kW thiết bị tiêu thụ khác khách sạn Các thông số xem xét trình tính toán sau: nhiệt độ trời thay đổi từ 27 đến 38°C ngày, phụ tải khác khách sạn (đèn, TV, tủ lạnh, ), nguồn lượng nhiệt từ xạ mặt trời Khách sạn cung cấp MBA 295 kVA, hệ số công suất 0,9 Hình 4.5: Quản lý phụ tải tối ưu cho khách sạn tiêu biểu Kết thực chiến lược quản lý tối ưu ĐHKK: Kết qảu thực quản lý tải ĐHKK tối ưu với Scho_phép = 260 kVA tiện nghi nhiệt đảm bảo hình 4.9 Cong suat tong cua khach san Cong suat tong cua khach san 300 300 290 250 280 200 S (kVA) S (kVA) 270 260 150 250 100 240 230 50 220 14.2 14.4 14.6 14.8 Thoi gian (h) 15 15.2 15.4 15.6 14.2 14.4 14.6 14.8 15 Thoi gian (h) 15.2 15.4 15.6 Hình 4.9: Công suất có thực quản lý tải tối ưu công suất cho phép 260kVA Footer Page 14 of 126 Header Page 15 of 126 12 4.2 CHIẾN LƯỢC QUẢN LÝ TẢI TRỰC TIẾP BẰNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRONG THỜI GIAN THỰC Hạn chế chiến lược điều khiển sớm cho tòa nhà hành vi sử dụng điện khách hàng ngẫu nhiên, cộng với thông số mô hình HVAC phi tuyến (ví dụ độ dày tường, cửa sổ, thời tiết Các nhược điểm dẫn đến kết chiến lược điều khiển sớm không xác phù hợp Bên cạnh chiến lược lại phụ thuộc lớn vào kết dự báo, mà kết dự báo có sai số cho dù có sử dụng chương trình mạnh phức tạp Trong thời gian vận hành thực, nhờ thông tin đo lường hai chiều từ hệ thống lưới điện, người vận hành nhận thấy thông số ảnh hưởng đến trình tiêu thụ có biến đổi đột biến trình dự báo cố hệ thống điện hay thiếu hụt công suất huy động cần phải tiến hành giảm nhu cầu tiêu thụ phụ tải Luận án đề xuất kỹ thuật điều khiển thích nghi thời gian thực thiết bị ĐHKK [27-28,3132] Đây phương pháp hiệu giúp phụ tải khách hàng thích nghi nhanh với tình trạng vận hành hệ thống Nhờ mà hệ thống tải, cố điều độ yêu cầu giảm công suất tiêu thụ thiếu hụt công suất từ nguồn, có khả không xuất tuyến lưới điện phân phối bị sa thải khỏi hệ thống, đồng thời giữ tiện nghi cho khách hàng Bộ điều khiển thích nghi máy DHKK đề xuất Hình 4.13: Nguyên tắc điều khiển thích nghi máy ĐHKK Footer Page 15 of 126 Header Page 16 of 126 13 Tác giả đề xuất phương pháp mở rộng dựa điều khiển truyền thống có điều khiển thích nghi cho máy ĐHKK hình 4.13[26-27,29-32,90] Từ điều khiển thích nghi phụ tải phải nhìn nhận trình điều khiển để phụ tải thích nghi tương ứng với chế độ vận hành hệ thống; ví dụ cố, thiếu hụt nguồn, lỗi trình dự báo, khách hàng đăng ký với nhà cung cấp công suất tiêu thụ tối đa mình, nhu cầu tiêu thụ khách hàng vượt ngưỡng đăng kí, trình điều khiển hoạt động nhằm đưa khách hàng thích nghi trở lại với nhu cầu tiêu thụ đăng kí Môđun điều chỉnh thích nghi thực thi theo khác biệt tổng nhu cầu công suất tải công suất làm việc cho phép công suất cần tiết giảm theo vòng khép kín sau: đo tổng nhu cầu công suất tải, so sánh với công suất cho phép vận hành từ hệ thống, chuyển đổi thích nghi chênh lệch công suất với chênh lệch nhiệt độ thông qua hệ số α ,thay đổi giá trị nhiệt độ đặt , cấu chấp hành ổn định nhiệt thiết bị liên quan Các hệ thống ĐHKK truyền thống loại có hệ thống lưu lượng không đổi Loại hệ thống cung cấp lưu lượng không khí thổi vào không đổi, nhiệt độ thay đổi theo tải lạnh Vì ta phải thiết kế điều khiển cho lưu lượng thay đổi, nhiệt độ không khí thổi vào giữ không đổi, lưu lượng thay đổi theo diễn biến tải lạnh thời tiết bên Bộ điều khiển giống thiết bị biến tần để thay đổi số vòng quay động bơm, quạt máy nén cần thay đổi lưu lượng chất tải lạnh Nguyên lý làm việc điều khiển đơn giản: đầu tiên, nguồn điện xoay chiều chỉnh lưu thành nguồn chiều phẳng Điện áp chiều biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều; thực thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) phương pháp điều chế độ rộng xung Hệ thống điện áp xoay chiều đầu thay đổi giá trị biên độ tần số vô cấp tuỳ theo điều khiển Bộ điều khiển cho phép ta điều khiển ĐHKK hoạt động điểm làm việc tối ưu tương ứng với điều kiện vận hành phụ tải thực Do thiết bị ĐHKK hoạt động với hiệu suất cao tiết kiệm lượng Footer Page 16 of 126 14 Header Page 17 of 126 Áp dụng điều khiển thích nghi cho máy ĐHKK thời gian thực cho khách sạn tiêu biểu Ở phần áp dụng này, luận án xem xét chế độ vận hành hệ thống sử dụng phương pháp cổ điển thích nghi đáp ứng với công suất giới hạn nhiệt độ bên khác Phương pháp điều khiển đề xuất áp dụng cho việc quản lý hệ thống điều hòa không khí khách sạn đại diện với 100 phòng giống với ví dụ trình bày phần điều khiển sớm(Hình 4.17) Hình 4.17: Áp dụng điều khiển thích nghi cho KS tiêu biểu Kết mô sử dụng điểu khiển thích nghi Cong suat tong cua khach san 300 250 S (kVA) 200 150 100 50 0 10 15 20 25 Thoi gian (h) Hình 4.21: Công suất tổng khách sạn thời gian kiểm soát điều khiển thích nghi Footer Page 17 of 126 15 Header Page 18 of 126 Với cách quản lý máy điều hòa không khí theo phương pháp thích nghi đề xuất công suất tiêu thụ tổng khách sạn suốt thời gian kiểm soát không vượt 260KVA (Hình 4.21).Tiện nghi đảm bảo với phương thức hoạt động ĐHKK số làm đại diện (Hình 4.22) Tổng mức tiêu thụ KS 3340 kWh ngày Nhiet cua may lanh.1 Hoat dong cua may lanh so.1 21 0.998 0.996 20.5 PWM or on/off Nhiet do(°C) 0.994 20 0.992 0.99 0.988 19.5 0.986 0.984 19 0.982 10.6 10.8 11 11.2 Thoigian (h) 11.4 11.6 10.8 11.8 10.9 11 11.1 11.2 Thoi gian (h) 11.3 11.4 11.5 Hình 4.22: Nhiệt độ phòng hoạt động máy điều hòa số Chương ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI TRỰC TIẾP TRÊN LƯỚI PHÂN PHỐI 5.1 ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI TRỰC TIẾP ÁP DỤNG CHO MỘT LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI CHUẨN V3 V4 p ALM70_130m p LV4 V_pu ALM70_1000m p1 p2 N1 N2 p1 p2 N1 N2 PI PI p PI L_AC N L_AC_4 Load_Ai rConditioni ng ALM35_145m T_Red Load_AirConditioning Load_AirConditioning LV6 p1 p2 N1 N2 AAR L_AC_5 L_AC N L_AC_3 V_pu LV5 V_pu ALM70_185m p1 p2 N1 N2 V2 V5 p V_pu LV3 L_AC N LV2 L_AC_6 L_AC N PI AAR HTA S_HTA LV14 + 20/0.42 5nF Pp1 ic 50Hz AL95_50S_470m p2 ALM35_157m LV7 Load_Ai rConditioning p1 p2 N1 N2 p1 p2 N1 N2 R1 PI p1 p2 N1 N2 PI LV9 R3 Slack: 20.5kVRMSLL/_0 ALM35_127m L_AC_7 + C1 Q 50Hz PI + LF1 ic L_AC N 20.5kVRMSLL /_0 Slack:LF1 LF L_AC_14 L_AC N DY_1 + Phase:0 Load_Ai rConditioni ng ALM70_416 ALM70_130m p1 p2 N1 N2 p1 p2 N1 N2 p1 p2 N1 N2 L_AC_8 L_AC_9 Load_AirConditioning ALM35_121m p1 p2 N1 N2 L_AC N PI L_AC_13 Load_AirConditioning Load_AirConditioning ALM35_130m PI ALM70_251m p1 p2 N1 N2 L_AC_10 Load_AirConditioning PI L_AC_11 Load_Ai rConditioning LV12 p1 p2 N1 N2 PI L_AC_12 L_AC N PV13 L_AC N PI L_AC N PI LV11 LV10 L_AC N LV8 L_AC N Load_Ai rConditioni ng ALM70_346m Load_Ai rConditioning Hình 5.3: Mạng phân phối với máy điều hòa không khí mô EMTP-RV Footer Page 18 of 126 Header Page 19 of 126 16 Phương pháp điều khiển thích nghi đề xuất sử dụng cho tải điều hòa không khí mạng phân phối hạ áp (LV) hình 5.2 Mạng nối với mạng trung áp (MV) thông qua máy biến áp 110kVA, 22/0.4kV Mạng bao gồm 12 máy điều hòa không khí 5kW cho nhà riêng lẻ(hình 5.3) Trong trường hợp này, điều khiển thích nghi áp dụng cho tất máy điều hòa không khí mạng Nhiệt độ cài đặt cho nhà 20°C (±1°C) Hình 5.10 cho thấy tổng công suất tiêu thụ mạng Công suất lớn luôn thấp 100kVA Nhiệt độ tiện nghi trì (thấp 21°C ) cho tất nhà(hình 5.12) Hình 5.13 cho thấy thay đổi điện áp ba pha góp Nó điện áp tải cao điểm cải thiện so với trường hợp điều khiển cổ điển Hình 5.10: Tổng công suất sử dụng điều khiển thích nghi Hình 5.12, 5.13: Nhiệt độ nhà điện áp góp (với điều khiển thích nghi) Footer Page 19 of 126 Header Page 20 of 126 17 Ở phương pháp đê xuất này, nhiệt độ đảm bảo cho tiện nghi khách hàng công suất cho phép giảm nhỏ đến 90 kVA (-10%) nhiệt độ cài đặt (Tsetpoint) 21°C Khi công suất cho phép nhỏ 0.9Smax (90kVA) tiện nghi khách hàng không Điều có nghĩa với giảm đỉnh tải cao 10%, để tránh tải nhiệt độ đặt máy ĐHKK không trì với Tsetpoint=21°C (±1°C) Nếu công suất cho phép cố định thông tin từ lưới điện(DNO) 0.8Smax(80kVA) nhiệt độ lớn tăng đến 23.5°C Điều tương đương với 20% phụ tải cắt dịch chuyển 5.2 ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI TRỰC TIẾP TẠI LĐ ĐÀ NẴNG Hiện nay, Thành phố Đà Nẵng có sản lượng điện tiêu thụ lớn khu vực miền Trung Tây nguyên, chênh lệch công suất thấp điểm Pmin cao điểm Pmax tương đối thấp (0,34 ÷ 0,6) thể hình 4.14 Mặt khác, lượng khách hàng có tiềm tham gia vào chương trình quản lý phụ tải chiếm tỷ lệ cao Do việc xây dựng hệ thống điều khiển phụ tải trực tiếp cho lưới điện Đà Nẵng cần thiết từ xác định hiệu việc ứng dụng công nghệ việc quản lý phụ tải khu vực Đà Nẵng nói riêng cho khu vực có điều kiện tương tự Vấn đề đặt làm để sử dụng hiệu nguồn lượng tòa nhà khu vực TP Đà Nẵng Các tòa nhà cao tầng văn phòng, công sở, khách sạn, chung cư thành phần chủ yếu tiêu thụ lượng thương mại, dịch vụ dân dụng Mức tiêu thụ lượng lĩnh vực thương mại, dịch vụ dân dụng chiếm 50% dự báo vòng 10 năm tới nhu cầu tiêu thụ lượng lĩnh vực thương mại dịch vụ tăng gấp 3,6 lần tòa nhà thương mại xây dựng ngày tăng Trong phần tiếp theo, luận án trình bày kết điều khiển phụ tải trực tiếp cho lưới điện Thành phố Đà Nẵng môi trường MATLAB\SIMULINK Áp dụng điều khiển đề xuất lưới điện Đà Nẵng Các chế độ điều khiển ứng với trường hợp vận hành sau: MBA khách hàng xuất tuyến toàn hệ thống có công suất làm việc vượt giới hạn vận hành cho phép Trong Footer Page 20 of 126 Header Page 21 of 126 18 chế độ vận hành vậy, thiết bị HVAC cụ thể máy ĐHKK lưới nhận tín hiệu từ DNO tự động điều chỉnh để đưa công suất giới hạn cho phép Hình 5.15: Sơ đồ điều khiển trực tiếp phụ tải cho TP Đà Nẵng Phương pháp điều khiển thích nghi đề xuất (hình5.16) sử dụng cho tải điều hòa không khí mạng phân phối 22/0.4kV thành phố Đà Nẵng thông qua xuất tuyến cung cấp máy biến áp E11 (hình 5.15) Hình 5.16: Mô hình tải chế độ điều khiển tòa nhà Ở lưới điện tác giả mô tả chi tiết phụ tải tòa nhà xuất tuyến, máy điều hòa tòa nhà nối lại thành phụ tải động Những phụ tải khác (tải chiếu sáng, máy lạnh, tủ Footer Page 21 of 126 19 Header Page 22 of 126 lạnh, bếp, máy giặt…) xem phụ tải tương đương nhà, trình tiêu thụ điện toàn phụ tải lấy từ đồ thị phụ tải phần dự báo Như tổng tiêu thụ điện nhà bao gồm phần: tiêu thụ máy điều hòa không khí tiêu thụ phụ tải tương đương + Trường hơp 1: Khi hệ thống vận hành bình thường máy biến áp khách hàng (ví dụ khách sạn Phương Nam, Bạch Đằng, tòa nhà Indochine…) có công suất làm việc vượt giới hạn vận hành cho phép Ở giá trị công suất cho phép vận hành ổn định MBA 250kVA Khi khách hàng sử dụng vượt giá trị hệ thống điều khiển bắt đầu điều chỉnh Mục đích cuối giảm nhanh nhu cầu tiêu thụ khách sạn 250kVA Nếu thực điều điện lực Đà Nẵng thực cắt điện khách sạn Hình 5.17: Khách sạn cần điều khiển xuất tuyến 475 Puissance consommée totale 300 250 250 200 200 Puissance (kVA) Puissance (kVA) Puissance consommée totale 300 150 150 100 100 50 50 0 10 15 Temps (H) 20 25 0 10 15 20 Temps (H) Hình 5.19,20: Tổng công suất tiêu thụ trước sau điều chỉnh Footer Page 22 of 126 25 20 Header Page 23 of 126 + Trường hơp 2: công suất làm việc xuất tuyến 471 hay xuất tuyến 475 vượt giới hạn cho phép: Tín hiệu điều khiển phát toàn xuất tuyến 471,475… nhằm điều chỉnh giảm nhu cầu tiêu thụ khách hàng tòa nhà, khách sạn, MBA cung cấp cho khách hàng không vượt qua giới hạn cho phép Hình 5.21: Hệ thống phát vượt giới hạn cho phép XT 471 Puissance consommée totale 250 Puissance (kVA) 200 150 100 50 0 10 15 20 25 Temps (H) Hình 5.22: Công suất MBA KS Phương Nam điều chỉnh có tín hiệu điều chỉnh phát từ xuất tuyến 475 + Trường hơp 3: công suất làm việc toàn HT cung cấp cho Đà Nẵng bị vượt giới hạn cho phép; trường hợp thiết bị ĐHKK hệ thống nhận tín hiệu điều khiển từ HT phải điều chỉnh để tổng công suất hệ thống giới hạn cho phép Trong chế độ vận hành vừa đề cập hệ thống vượt giới hạn cho phép thiếu hụt nguồn cung cấp cố Do thiết bị ĐHKK lưới nhận tín hiệu điều chỉnh xuất tuyến 471 475… công suất tổng chưa vượt giới hạn cho phép.Các phụ tải mà luận án nghiên cứu trường hợp mang tính chất đại diện cho Footer Page 23 of 126 Header Page 24 of 126 21 phụ tải dịch vụ tòa nhà TP Đà Nẵng, nhiên không làm tính tổng quát toán xét Hai khách hàng tiêu thụ điện đại diện ks Phương Nam tòa nhà Indochine bị điều chỉnh có tín hiệu từ hệ thống có tín hiệu báo vượt giới hạn cho phép Hình 5.23: Hệ thống phát vượt giới hạn cho phép toàn HT Hình 5.24: Khách sạn Phương Nam tòa Nhà Indochina xuất tuyến 475 sau điều chỉnh có tín hiệu yêu cầu điều chỉnh từ HT Những kết mô cho thấy phương pháp đề xuất cho phép giảm cách có hiệu đỉnh tải tiêu thụ trì nhiệt độ tiện nghi cho khách hàng Ngoài kết đạt cho thấy phương pháp điều khiển áp dụng để góp phần cải thiện khả vận hành tiết kiệm điện cho lưới điện phân phối cụ thể khu vực Việt Nam Cụ thể lưới phân phối Tp Đà Nẵng điều chỉnh cho kết khả quan Phương pháp đề xuất áp dụng mở rộng cho loại tải nhiệt khác tòa nhà Footer Page 24 of 126 Header Page 25 of 126 22 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Nhu cầu điện tăng 15%/năm từ đến năm 2020 mức tổn thất điện 10% lưới điện truyền tải/phân phối đòi hỏi ngành điện phải tập trung đầu tư vào dự án truyền tải/phân phối Để đáp ứng nhu cầu lượng giảm tổn thất tới 7%, ngành điện Việt Nam cần tiếp cận công nghệ tiên tiến để tăng hiệu suất lưới điện truyền tải/phân phối giải pháp giảm áp lực đầu tư Quản lý phụ tải dựa lưới điện thông minh điều kiện cần để nâng cao hiệu sử dụng nguồn lượng tiết kiệm lượng Một lưới điện thông minh Việt Nam cho phép chuyển dịch phụ tải vào cao điểm, giảm công suất nhà máy điện phủ đỉnh giảm đầu tư chi phí cho sản xuất điện Đối với xã hội, người dân phục vụ tốt nhờ thông tin trao đổi hai chiều tạo lưới điện thông minh, nguồn lượng hóa thạch lượng tái tạo sử dụng hiệu quả, bền vững khí thải CO2 cắt giảm Khi phát triển lưới điện thông minh, mục tiêu Việt Nam giảm 5% phụ tải đỉnh 20% tiêu thụ lượng đơn vị GDP từ đến năm 2015 Nếu đạt mục tiêu này, Việt Nam tiết kiệm hàng tỷ đô la đầu tư hệ thống điện giảm khí thải CO2 Trên sở mục đích nhiệm vụ nghiên cứu trên, luận án hoàn thành nội dung khoa học sau: Luận án đưa ý tưởng, giải pháp có tính thực tiễn đứng từ góc nhìn nhà quản lý điều độ hệ thống điện để giúp cho việc quản lý phụ tải cách linh hoạt tối ưu trình tiêu thụ đem đến lợi ích khác cho nhà quản lý, nhà cung cấp, người tiêu dùng Luận án phân loại phụ tải thành loại: phụ tải điều chỉnh, phụ tải dịch chuyển, phụ tải điều khiển Các thiết bị điều khiển HVAC; thiết bị có cấu tiêu thụ điện 60% thành phần phụ tải dịch vụ quản lý tòa nhà Máy điều hòa không khí thiết bị điều khiển Vào mùa hè nước nhiệt đới nước ta, thiết bị giữ phần quan trọng hộ dân cư thành phần tải dịch vụ Mô hình máy điều hòa không khí đặt hộ tiêu thụ nối trực tiếp đến phương thức điều Footer Page 25 of 126 Header Page 26 of 126 23 khiển dựa kiện lượng đầu vào/nhu cầu cần tiết kiệm tiết giảm tín hiệu điều khiển phát điều độ hệ thống thông qua liên kết sóng radio từ xa liên kết thông tin tải ba trạm phân phối, công ty điện lực muốn thực điều khiển nhu cầu vào thời điểm hệ thống vào thời gian cao điểm thiếu điện Công việc dự báo đóng vai trò quan trọng việc quản lý phụ tải tiêu thụ tối ưu theo mục tiêu khác Dự báo xác giúp việc xây dựng phương án điều khiển tải cách linh hoạt đạt hiệu mong muốn Mạng nơrôn nhân tạo xét đến ảnh hưởng nhiều yếu tố khác nhiệt độ, lịch làm việc, mùa năm…tác động đến đường cong tiêu thụ điện Chính mô hình mạng nơrôn cấu trúc đề xuất để dự báo phát triển đường cong phụ tải theo thể rõ tính ưu việt độ xác cao, cụ thể luận án dự báo trình tiêu thụ vào tháng ba năm 2011 tháng bảy năm 2010 Đà Nẵng có độ xác lên đến 98% Luận án đề xuất phương pháp quản lý tải trực tiếp cách điều khiển sớm thông qua thuật toán tối ưu “nhánh cận” Đây phương pháp tối ưu phi tuyến có ràng buộc điều kiện nhằm đóng/cắt hợp lý thiết bị ĐHKK, giúp giảm nhanh nhu cầu tiêu thụ điện giới hạn mà nhà cung cấp mong muốn giữ tiện nghi nhiệt khách hàng Trong thời gian vận hành thực, nhờ có thông tin hai chiều từ hệ thống lưới điện, người vận hành có nững phản ứng thích ứng thông số ảnh hưởng đến trình tiêu thụ có biến đổi đột biến trình dự báo cố hệ thống điện hay thiếu hụt công suất huy động cần phải tiến hành giảm nhu cầu tiêu thụ phụ tải Luận án đề xuất kỹ thuật điều khiển thích nghi thời gian thực thiết bị ĐHKK Đây phương pháp hiệu giúp phụ tải khách hàng thích nghi nhanh với tình trạng vận hành hệ thống Nhờ mà hệ thống tải, cố điều độ yêu cầu giảm công suất tiêu thụ thiếu hụt công suất từ nguồn, có khả không xuất tuyến lưới điện phân phối bị sa thải khỏi hệ thống, đồng thời giữ tiện nghi cho khách hàng Footer Page 26 of 126 Header Page 27 of 126 24 Như từ kết đạt tốt phương pháp đề xuất Luận án xem xét chiến lược quản lý tải phương án điều khiển cho loạt khách sạn, tòa nhà, trung tâm thương mại mạng phân phối thành phố cụ thể Việt Nam Những kết mô lưới phân phối Tp Đà Nẵng khách hàng tiêu thụ lớn khách sạn, tòa nhà luận án cho thấy phương pháp đề xuất cho phép giảm cách hiệu đỉnh tải tiêu thụ trì nhiệt độ thích hợp cho khách hàng thực cắt điện cho khách hàng tiêu thụ điện Phương pháp đề xuất áp dụng mở rộng cho loại tải nhiệt khác tòa nhà Những vấn đề nghiên cứu kết thu luận án ứng dụng công tác định hướng chiến lược đầu tư xây dựng lưới điện việc chọn lựa phương án vận hành kinh tế ổn định hệ thống điện Ngoài luận án xây dựng chương trình dự báo điều độ cho công ty Điện lực góp phần vào chương trình sử dụng lượng tiết kiệm hiệu quốc gia Góp phần xây dựng hệ thống điện thông minh(smart grid) triển khai Việt Nam tương lai Footer Page 27 of 126 ... thụ nối trực tiếp đến phương thức điều khiển dựa kiện đầu vào nhu cầu điện cần tiết kiệm tiết giảm Thông tin gửi tín hiệu điều khiển phát điều độ hệ thống công ty điện lực muốn thực quản lý nhu... LỰA CHỌN VÀ MÔ HÌNH HÓA PHỤ TẢI ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP Chương 3: DỰ BÁO PHỤ TẢI ĐIỀU ĐỘ PHỤC VỤ CHO CHIẾN LƯỢC QUẢN LÝ VÀ ĐIỀU KHIỂN PHỤ TẢI Chương 4: PHƯƠNG PHÁP, CHIẾN LƯỢC QUẢN LÝ TẢI TRỰC TIẾP... thành loại: phụ tải điều chỉnh, phụ tải dịch chuyển, phụ tải điều khiển Các thiết bị điều khiển HVAC; thiết bị có cấu tiêu thụ điện 60% thành phần phụ tải dịch vụ quản lý tòa nhà Máy điều hòa không