Nhà máy điện ảo và mô hình năng lượng phân tán - giải pháp mới cho năng lượng tái tạo

  • Cập nhật ngày 12/03/2021
Nguồn năng lượng tái tạo có công suất nhỏ và phát điện phân tán Distributed Energy Resources (DER) như điện gió, pin mặt trời, thủy điện nhỏ, khí sinh học… đã bắt đầu xuất hiện với số lượng lớn trong hệ thống cung cấp điện. Để đảm bảo nhu cầu năng lượng một cách liên tục, những hệ thống này phải đưa ra được ước tính về sản lượng điện và mức độ tin cậy.
Nhà máy điện ảo và mô hình năng lượng phân tán - giải pháp mới cho năng lượng tái tạo

Mô hình VPP ứng dụng trong điều khiển nối lưới các nguồn điện phân tán

Ưu điểm khi sử dụng các DER có thể giúp giảm sự phụ thuộc vào các nhà máy điện truyền thống, tuy nhiên việc kết hợp DER vào hệ thống cung cấp điện là một vấn đề lớn, vì các DER có quy mô quá nhỏ so với công suất lưới điện. Để đạt được các mục tiêu trên, chúng ta phải xây dựng một mô hình điều khiển nối lưới các nguồn điện phân tán theo mô hình nhà máy điện ảo (Virtual Power Plants - VPP) để kết hợp các DER vào lưới 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 (DER) được khuyến khích phát triển ở những địa điểm thích hợp. Nối lưới các DER trong hệ thống điện sẽ thúc đẩy sự thay đổi phương thức sử dụng điện và cải thiện được đồ thị phụ tải. 

Khái niệm nhà máy điện ảo

Mô hình nhà máy điện ảo (VPP) là sự cho phép tích hợp nhiều loại tài nguyên năng lượng phân tán (bao gồm gió, mặt trời, sinh khối, khí sinh học, đồng phát nhiệt – điện…) thông qua nền tảng ảo tập trung. 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. Nó cho phép điều phối thông minh tất cả các tài nguyên nối mạng bằng công nghệ giao tiếp máy – máy (M2M) tự động, đảm bảo độ ổn định tần số và an toàn của lưới điện, ngăn sự cố mất điện. Dù là các nhà máy nhỏ nhưng cũng có thể giúp ổn định lưới điện linh hoạt khi thực thi tín hiệu của Trung tâm điều độ (TSO) trong vòng vài giây.

Theo đó, công ty mua bán điện ký hợp đồng thầu tài sản với nhiều bên sở hữu, bán sản lượng điện và đảm bảo độ linh hoạt của nhà máy qua nhiều thị trường năng lượng khác nhau (thị trường trong ngày, thị trường giao ngay, thị trường điều tiết). Ngoài những lợi ích nêu trên, VPP đáp ứng được yêu cầu hiệu quả về chi phí sản xuất, tiêu dùng năng lượng điện.

Lợi ích và ảnh hưởng

Đối với đơn vị vận hành nhà máy điện ảo VPP, họ có thể phản ứng dễ dàng và nhanh hơn, có thể dự báo chính xác lịch trình phát điện của mình, giảm thiểu khả năng mất cân bằng giữa phụ tải tiêu thụ và nguồn cung. 

Phân loại nhà máy điện ảo

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).

Mô hình VPP thương mại (Commercial - CVPP) và VPP kỹ thuật (Technical - TVPP) trong hệ thống 

Các ngõ vào và ra của CVPP

Các ngõ vào và ra của TVPP

Các cấu trúc điều khiển VPP

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:

Cấu trúc điều khiển VPP tập trung

Sơ đồ cấu trúc điều khiển VPP tập trung

Mô hình điều khiển VPP tập trung 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.

Cấu trúc điều khiển VPP phân cấp

Sơ đồ cấu trúc điều khiển VPP phân cấp

Mô hình điều khiển VPP phân cấp 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.

Sơ đồ cấu trúc điều khiển VPP phân cấp toàn bộ

Mô hình 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.

Thách thức và hạn chế

Đơn vị vận hành nhà máy điện áo VPP phải đảm bảo khả năng đáp ứng và độ tin cậy cao của mạng lưới nhằm tránh sự cố mất thông tin có thể ảnh hưởng đến khả năng ra quyết định trong quá trình vận hành. Ngoài ra cần thiết lập các hệ thống dự báo NLTT biến đổi chính xác để cải thiện hoạt động của thị trường điện, ví dụ để thực hiện chào giá chính xác cho ngày mai. Cuối cùng là công tác quản lý và kiểm soát hóa đơn cũng vô cùng phức tạp.

Các nhà máy điện ảo và vai trò của chúng trong một xã hội không cacbon

Các công ty điện lực xử lý việc sản xuất, truyền tải và phân phối điện liên tục điều chỉnh mức sản lượng để đáp ứng mức tiêu thụ dự kiến và để duy trì sự cân bằng động giữa cung và cầu. Nếu những nỗ lực đó thất bại, và nguồn cung trở nên không ổn định, sẽ làm mất điện.

Nhà máy điện ảo (VPP) mang các công nghệ quản lý năng lượng tiên tiến đến các nguồn phát năng lượng phân tán. Nó kết hợp chúng lại với nhau trong một mạng - đó là nhà máy ảo - và áp dụng IoT và AI để tổng hợp đầu ra và kiểm soát kết nối của chúng với lưới điện. Được kết hợp và quản lý bởi VPP, các điểm phát điện nhỏ, biệt lập có thể được sử dụng trong việc cân bằng tải, để hấp thụ nguồn cung dư thừa từ năng lượng tái tạo và để cung cấp trong thời gian thiếu. Được sử dụng để nhận diện các điều chỉnh tốt và không tạo ra chất thải, VPP cũng sẽ góp phần vào một trong những mối quan tâm cấp bách nhất của chúng tôi, đó là giảm cacbon cho xã hội.

Khả năng của VPP còn mở rộng hơn nữa. Được sử dụng kết hợp với các hệ thống quản lý năng lượng tại các nơi tiêu thụ điện, VPP có thể tạo và hỗ trợ các dịch vụ sáng tạo. Chẳng hạn, năng lượng không được tiêu thụ do kết quả của các ưu đãi ở bên có nhu cầu, được coi là có cùng giá trị với năng lượng được tạo ra và được đo là 'negawatt'. VPP có thể kích thích sự nhận diện của negawatt và quản lý chúng. Trong một thị trường mở, việc mua điện từ tất cả các loại nguồn cung cấp điện sẽ trở thành hiện thực, bao gồm các nguồn phát có  giá thành thấp của người tiêu dùng.

Theo tiến trình vào những năm 2020 và thị trường cung cấp năng lượng mới tăng trưởng, VPP sẽ đóng vai trò quản lý và sử dụng các nguồn năng lượng phân phối rộng rãi. Tiềm năng của nhiều cơ sở sản xuất điện quy mô nhỏ, phân tán rộng rãi trong các văn phòng, nhà máy và nhà ở, và thậm chí cả xe điện, là vô cùng lớn. Trong tương lai, VPP sẽ trở thành một giải pháp không thể thiếu cho năng lượng tái tạo để thực hiện một xã hội không cacbon.

Mô hình nhà máy điện ảo và ứng dụng trong điều khiển nối lưới các nguồn điện phân tán sẽ 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 (bao gồm gió, mặt trời, sinh khối, khí sinh học, đồng phát nhiệt – điện…) 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.

Trần Huy Vũ (Theo www.nangluongxanh.info.vn)