Nghiên cứu tích hợp hệ thống tích trữ năng lượng vào hệ thống điện đảo Phú Quý

thấp hoặc khi tốc độ gió quá cao kèm theo gió giật, 
 mức độ sử dụng năng lượng tái tạo. 
 máy phát turbine gió bị tách khỏi lưới, việc cung cấp điện 
 do máy phát diesel đảm nhận. Những ưu điểm khác của BESS cũng có thể đề cập đến 
 như cung cấp khả năng điều tần, điều áp, dự phòng nóng 
 Sản lượng điện trong hai năm 2017, 2018 được thống kê 
 thay thế vai trò dự phòng quay của máy phát diesel [1]. 
 trong bảng 1. Năm 2018, công suất phụ tải Pmax = 3500kW, 
 3.1. Mô hình turbine gió 
 Pmin = 1300kW. 
 Bảng 1. Thống kê sản lượng điện năm 2017, 2018 Tốc độ gió được xem như một biến ngẫu nhiên được giả 
 định tuân theo phân bố Weibull. Công suất ra của turbine 
 Sản lượng điện (kWh) Năm 2017 Năm 2018 gió được xác định bởi biểu thức sau [2]: 
 Điện sản xuất 16.174.129 18.299.095 0 V < V 
 0,5. ρ. S. C .V V ≤ V < V 
 + Diesel 11.248.429 11.627.395 P(V) =     (1) 
 V ≤ V < V
 + Điện gió 4.925.700 6.671.700 P  
 0 V ≥ V 
 Trong giai đoạn 2019-2029, dự báo tốc độ tăng trưởng 
 Tiềm năng điện gió được xác định theo từng giờ trong 
 phụ tải hàng năm khoảng 8-10%. 
 một năm. Số liệu tiềm năng gió được đưa vào mô hình 
 Với yêu cầu đảm bảo cấp điện theo phương thức vận mô phỏng. 
 hành 24/24, hệ thống điện trên huyện đảo Phú Quý hiện 
 3.2. Mô hình điện mặt trời 
 nay luôn phải duy trì phát điện diesel nhằm đảo bảo ổn 
 định lưới, dự phòng quay (spinning reserve), đảm bảo Để mô tả các module điện mặt trời có thể sử dụng mô 
 cấp điện ổn định cho phụ tải khi nguồn năng lượng gió hình một diode hoặc mô hình hai diode [15]. Mô hình 2 
 biến động. diode được lựa chọn do có độ chính xác tốt hơn. 
14 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số 1 (02/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
 Trong đó: 
 V = f(SOC) (9) 
  R = f(SOC), charging
 R =  (10) 
 R = f(SOC), discharging
 
 SOC = SOC − ∫ dt (11) 
 Hình 2. Mô hình hai diode và mạch điện tương đương Thevenin 
 
 Dòng điện ra của mô hình hai diode được thể hiện bởi η =  , charging
    
biểu thức: η =     (12) 
 
  η = , discharging
 I = I − I exp   − 1 
    
   (2) 4. PHƯƠNG PHÁP VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN LAI 
  
 −I exp   − 1 −  
   4.1. Giả thiết đầu vào 
 Trong đó: Quá trình vận hành hệ thống điện trên đảo khi tích hợp 
 Is1, Is2 là dòng bão hòa ngược của diode 1 và diode 2 BESS được tính toán mô phỏng bằng phần mềm MATLAB 
 với các số liệu: 
 VT1, VT2 là thế nhiệt (thermal voltage) của các diode 
 a , a là các hằng số lý tưởng của các diode Số liệu thống kê gió thâm nhập theo giờ, ngày, tháng, 
 1 2 năm 
 Mỗi cell được mô tả bằng mạch tương đương Thevenin. 
 Số liệu thống kê gió tiềm năng theo giờ, ngày, tháng, 
Điện áp hở mạch Vth được xác định bởi: 
 năm 
  
    
 V = R I − I e   − 1 − I e   − 1 (3) Số liệu công suất phát hệ thống điện mặt trời 
 Số liệu về phụ tải tiêu thụ của huyện đảo theo giờ, 
 Dòng điện ngắn mạch Isc được xác định bởi: ngày, tháng, năm 
   Đặc tính của BESS như DOD, công suất và dung lượng 
     
     BESS 
 I = (4) 
  4.2. Xây dựng hàm tối ưu 
 Do đó điện trở Thevenin: Mục tiêu của nghiên cứu là tối ưu lượng năng lượng tái 
  tạo thâm nhập vào hệ thống với các ràng buộc về tính ổn 
  = (5) 
  định của hệ thống điện, giảm thiểu năng lượng tái tạo dư 
 Với hệ các tấm pin mặt trời gồm nhiều cell, điện áp thừa phải xả thải. Hàm mục tiêu được thể hiện như sau: 
Thevenin V và điện trở Thevenin R xác định bởi: 
 thar thar max∑P(t) + P(t) (13) 
 V = NV (6) Trong đó: 
 
 R = R (7) OT (giờ) là số giờ trong một năm 
 
 P là công suất gió thâm nhập vào hệ thống 
 Trong đó, NS, NP là số lượng cell mắc nối tiếp và song song. wi
3.3. Mô hình BESS Psi là công suất điện mặt trời thâm nhập vào hệ thống 
 Các mô hình toán mô tả ắc quy được đề cập trong [16- Các ràng buộc đối với hàm mục tiêu: 
18]. Mạch điện thay thế tương đương được thể hiện như 1) Tại mọi thời điểm, hệ thống cần đảm bảo cân bằng 
hình 3. công suất, nghĩa là: 
 P(t) + P(t) + P(t) + P(t) − P(t) − P(t) = 0 (14) 
 Với: Pb là công suất ra của BESS 
 Pe là công suất dư thừa của hệ thống 
 Quy ước Pb dương nếu BESS xả năng lượng vào hệ 
 thống, Pb âm nếu BESS tiến hành quá trình sạc (nhận năng 
 lượng từ hệ thống). 
 2) Ắc quy cho phép xả đến SOCmin = 20% và sạc đến 
 Hình 3. Mạch điện thay thế tương đương của mô hình BESS SOCmax = 100% 
 
 Các giá trị điện áp hở mạch VOCV và nội trở của ắc quy DOD ≤ E − ∑ P(t) ≤ E (15) 
 
 thay đổi theo SOC và được tra theo đặc tính của nhà Trong đó, DOD là mức xả sâu của ắc quy 
sản xuất [18]. Điện áp ra của ắc quy được xác định bởi 
 E là dung lượng của ắc quy 
biểu thức: b
  Eb0 là dung lượng của ắc quy ở thời điểm ban đầu 
 V = V − RI (8) 
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 56 - No. 1 (Feb 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 15
 KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P - ISSN 1859 - 3585 E - ISSN 2615 - 961 9 
 3) Công suất phát của máy phát diesel nằm trong 
 phạm vi: 
 P(t) ≤ P(t) ≤ P(t) (16) 
 5. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG 
 Kết quả tính toán mô phỏng có được khi chạy chương 
 trình mô phỏng liên tục trong một năm với các số liệu 
 thống kê về công suất gió tiềm năng, công suất điện mặt 
 trời, nhu cầu phụ tải theo từng giờ. Xét một ngày điển hình 
 với đồ thị phụ tải như hình 4. 
 Hình 4. Đồ thị phụ tải ngày điển hình 
 Trường hợp chưa sử dụng BESS, kết quả hoạt động của 
 Hình 6. Đặc tính công suất theo giờ khi sử dụng BESS trong một ngày điển hình 
 hệ thống điện trong ngày được thể hiện như hình 5. Trong 
 những giờ nhiều gió, công suất điện gió cho phép thâm Do công suất đặt của điện gió rất lớn so với công suất đặt 
 nhập chỉ khoảng 600kW. Phần lớn công suất phát do của điện mặt trời nên biến động của công suất gió lên hệ 
 nguồn diesel tạo ra (khoảng 2000kW). thống có ảnh hưởng lớn. Hình 7 và 8 mô tả hệ thống tích 
 hợp BESS tương ứng trong ngày nhiều gió và ngày ít gió. 
 Trong ngày nhiều gió (hình 7), năng lượng tái tạo đủ cung 
 cấp cho tải đồng thời sạc đầy ắc quy (SOC ở mức 100%). 
 Hình 5. Đặc tính công suất theo giờ khi chưa sử dụng BESS trong một ngày 
 điển hình 
 Khi sử dụng BESS với phương án vận hành đề xuất, kết 
 quả vận hành theo giờ trong ngày điển hình thu được như 
 hình 6. Công suất điện gió và mặt trời cho phép thâm nhập 
 vào hệ thống gần như đảm bảo nhu cầu công suất của tải. 
 Hệ thống lưu trữ năng lượng thể hiện rõ vai trò hấp thụ 
 năng lượng tái tạo trong những giờ nhiều gió, nắng, đồng 
 thời xả năng lượng cấp cho tải khi công suất tải lớn hơn 
 tổng công suất các nguồn năng lượng tái tạo, giảm sự phụ 
 thuộc vào điện diesel. Hình 7. Đặc tính công suất theo giờ khi sử dụng BESS trong ngày nhiều gió 
16 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số 1 (02/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
 Trong ngày ít gió (hình 8), mặc dù công suất điện mặt Bảng 3. Sản lượng điện gió và mặt trời thâm nhập và sản lượng điện diesel 
trời cao nhất lên tới 500kW, phần lớn điện năng cấp cho tải theo tháng khi sử dụng BESS 
được cung cấp từ máy phát diesel. SOC của ắc quy ở mức Tháng Tổng sản lượng điện gió và mặt trời Sản lượng điện 
giới hạn dưới. thâm nhập (kWh) diesel (kWh) 
 1 1151316 107586 
 2 1092745 144072 
 3 1252369 194953 
 4 1322004 256055 
 5 1459040 328792 
 6 1398536 87301 
 7 1327144 170751 
 8 1563129 30029 
 9 1274064 260168 
 10 1287488 345359 
 11 1315717 118822 
 12 1370083 97367 
 Tổng 15.813.635 (88%) 2.141.255 (12%) 
 Hình 9 thể hiện đồ thị lượng năng lượng tái tạo thâm 
 nhập vào hệ thống theo các tháng trong năm trước và sau 
 khi sử dụng BESS. Hệ thống lưu trữ năng lượng làm tăng 
 đáng kể lượng năng lượng tái tạo thâm nhập vào hệ thống. 
 Tính tổng cả năm lượng năng lượng tái tạo tăng từ mức 
 6.720.999kWh lên 15.813.635kWh, tức là tăng khoảng 2,3 lần. 
 Hình 8. Đặc tính công suất theo giờ khi sử dụng BESS trong ngày ít gió 
 Xét trong một năm, bảng 2 thể hiện kết quả tính toán 
lượng năng lượng tái tạo thâm nhập trong năm khi chưa sử 
dụng giải pháp tích trữ năng lượng. Tỷ lệ thâm nhập của 
điện gió là 37,4%. 
 Bảng 2. Sản lượng điện gió thâm nhập và sản lượng điện diesel theo tháng 
khi chưa sử dụng BESS 
 Tháng Sản lượng điện gió thâm nhập Sản lượng điện diesel 
 (kWh) (kWh) 
 1 796934 461968 
 2 757455 479362 Hình 9. So sánh sản lượng năng lượng tái tạo thâm nhập vào hệ thống trước 
 và sau khi sử dụng BESS 
 3 729520 717802 
 4 638328 939731 
 5 77813 1710019 
 6 374481 1111356 
 7 677497 820398 
 8 583820 1009338 
 9 264758 1269474 
 10 148405 1484442 
 11 754073 680466 
 12 917915 549535 
 Tổng 6.720.999 (37,4%) 11.233.891 (62,6%) Hình 10. So sánh sản lượng phát điện diesel trước và sau khi sử dụng BESS 
 Khi sử dụng BESS, sản lượng năng lượng tái tạo và diesel Kết quả tính toán sản lượng điện diesel cho các tháng 
được xác định như trong bảng 3. Tỷ lệ thâm nhập của các trong năm (hình 10) cho thấy phương án vận hành có BESS 
nguồn năng lượng sạch vào hệ thống là 88%. giúp giảm lượng điện diesel từ mức 11.233.891kWh về 
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 56 - No. 1 (Feb 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 17
 KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P - ISSN 1859 - 3585 E - ISSN 2615 - 961 9 
 2.141.255kWh, tức là chỉ còn khoảng 20%. Phương án sử [8]. Y. J. Zhang, C. Zhao, W. Tang, and S. H. Low, 2018. Profit maximizing 
 dụng BESS giúp tiết kiệm đáng kể lượng diesel, qua đó planning and control of battery energy storage systems for primary frequency 
 giảm chi phí phát điện đồng thời giảm phát sinh khí thải. control. IEEE Trans. Smart Grid 9 (2): 712-723. Doi: 10.1109/TSG.2016.2562672. 
 6. KẾT LUẬN [9]. A. Szumanowski and Y. Chang, 2008. Battery management system based 
 Bài báo thực hiện thu thập số liệu vận hành hệ thống on battery nonlinear dynamics modeling. IEEE Trans. Veh. Technol.,vol. 57, no. 3, 
 điện độc lập của huyện đảo Phú Quý và nghiên cứu, tính pp. 1425–1432. 
 toán, mô phỏng tính khả thi của việc tích hợp hệ thống tích [10]. M. T. Lawder et al., 2014. Battery energy storage system (BESS) and 
 trữ năng lượng (BESS) với mục tiêu tăng mức độ thâm nhập battery management system (BMS) for grid-scale applications. Proc. IEEE, vol. 102, 
 của năng lượng tái tạo vào hệ thống, tối thiểu công suất no. 6, pp. 1014–1030. 
 phát cũng như lượng tiêu thụ diesel. [11]. X. Wu, X. Hu, S. Moura, X. Yin, and V. Pickert, 2016. Stochastic control of 
 Việc tích hợp BESS vào hệ thống điện hiện hữu cho thấy smart home energy management with plug-in electric vehicle battery energy 
 giải pháp hiệu quả nhằm khắc phục tính không liên tục và storage and photovoltaic array. J. Power Sour., vol. 333, pp. 203–212. 
 biến động của các nguồn năng lượng tái tạo, làm giảm khí [12]. F. Diaz-Gonzalez, F. D. Bianchi, A. Sumper, and O. Gomis-Bellmunt, 
 thải nhà kính, tận dụng tối ưu năng lượng gió, mặt trời. Đây 2014. Control of a flywheel energy storage system for power smoothing in wind 
 cũng là mục đích chính của nghiên cứu. power plants. IEEE Trans. Energy Convers., vol. 29, no. 1, pp. 204–214. 
 Các kịch bản tính toán mô phỏng dựa trên số liệu vận [13]. M. Cacciato, G. Nobile, G. Scarcella, and G. Scelba, 2017. Real-time 
 hành thực tế và được viết trên phần mềm MatLab nhằm model-based estimation of SOC and SOH for energy storage systems. IEEETrans. 
 đưa ra lựa chọn phù hợp nhất cho hệ thống. Power Electron., vol. 32, no. 1, pp. 794–803. 
 Nghiên cứu ngày cũng đưa ra kết quả tính toán định [14]. G. Delille, B. Francois, and G. Malarange, 2012. Dynamic frequency 
 lượng nhằm mục đích so sánh tính hiệu quả khi tích hợp control support by energy storage to reduce the impact of wind and solar 
 BESS với phương án không sử dụng BESS. generation on isolated power system’s inertia. IEEE Trans. Sustain. Energy, vol. 3, 
 Việc tích hợp hệ thống BESS, ngoài mục tiêu được đề no. 4, pp. 931–939. 
 cập đến trong nghiên cứu, còn có vai trò tham gia vào việc [15]. Nahla Mohamed Abd Alrahim Shannan, Nor Zaihar Yahaya, Balbir 
 điều tần, điều áp đồng thời kết hợp với các máy phát diesel Singh, 2013. Single-Diode Model and Two-Diode Model of PV Modules: A 
 nhằm dự phòng quay (spinning reserve). Những khía cạnh Comparison. IEEE International Conference on Control System, Computing and 
 đó cần được làm rõ trong những nghiên cứu tiếp theo. Engineering, 
 [16]. Z.M. Salameh, M.A. Casacca, W.A. Lynch, 1992. A mathematical model 
 for lead-acid batteries. IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 7, No.1. 
 [17]. Shuhui Li, 2011. Study of battery modeling using mathematical and 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
 circuit-oriented approaches. IEEE Power and Energy Society General Meeting. 
 [1]. Raymond H. Byrne, Tu A. Nguyen, David A. Copp, Babu R. Chalamala, 
 [18]. Xiangjun Li, Dong Hui, Xiaokang Lai, 2013. Battery Energy Storage 
 Imre Gyuk, 2017. Energy Management and Optimization Methods for Grid Energy 
 Station (BESS)-Based Smoothing Control of Photovoltaic (PV) and Wind Power 
 Storage Systems. Special section on battery energy storage and management 
 Generation Fluctuations. IEEE transactions on sustainable energy, Vol. 4, No. 2. 
 systems, IEEE Access. 
 [2]. E. Abbasi, H. Ameli, K. Strunz, N.H.Duc, 2012. Optimized operation, 
 planning, and frequency control of hybrid generation-storage systems in isolated AUTHORS INFORMATION 
 networks. IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe (ISGT Europe). Nguyen Ngoc Van, Nguyen Huu Duc 
 [3]. Mostafa Vahedipour-Dahraie, Hamid Reza Najafi, Amjad Anvari- Electric Power University 
 Moghaddam, Josep M. Guerrero, 2018. Optimal scheduling of distributed energy 
 resources and responsive loads in islanded microgrids considering voltage and 
 frequency security constraints. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 10. 
 [4]. N.H.Duc, 2016. Small signal stability assessment of a hybrid wind-battery 
 generation systems. Journal of Science and Technology. 
 [5]. N.H.Duc, Tieu Xuan Hoang, 2016. Energy storage systems: Roles and 
 applications. Journal of Science and Technology, Hanoi University of Industry, 
 No. 34. 
 [6]. K. Strunz, E. Abbasi, and D. N. Huu, 2014. DC microgrid for wind and solar 
 power integration. IEEE J. Emerg. Sel. Topics Power Electron., Vol. 2, No. 1, pp. 
 115–126. 
 [7]. A. Nagarajan and R. Ayyanar, 2015. Design and strategy for the 
 deployment of energy storage systems in a distribution feeder with penetration of 
 renewable resources. IEEE Trans. Sustain. Energy, vol. 6, no. 3, pp. 1085–1092. 
18 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số 1 (02/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn