Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của nguồn điện gió công suất lớn đến hệ thống điện

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:196

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của nguồn điện gió công suất lớn đến hệ thống điện" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về nguồn điện gió và các nghiên cứu về vấn đề ảnh hưởng của nguồn điện gió công suất lớn đến hệ thống điện và thị trường điện; Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện gió công suất lớn đến hệ thống điện và thị trường điện; Nghiên cứu tối ưu hoá tích hợp nguồn năng lượng tái tạo vào hệ thống điện xét đến các kịch bản giảm lượng khí thải CO2; Nghiên cứu xây dựng mô hình dự báo công suất phát nguồn điện gió sử dụng mạng trí tuệ nhân tạo kết hợp với các thuật toán tối ưu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của nguồn điện gió công suất lớn đến hệ thống điện

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ VÕ VĂN PHƯƠNG NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN GIÓ CÔNG SUẤT LỚN ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9 52 02 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – 2016
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ VÕ VĂN PHƯƠNG NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN GIÓ CÔNG SUẤT LỚN ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9 52 02 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Đinh Thành Việt 2. GS.TSKH. Trần Quốc Tuấn Đà Nẵng – 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Võ Văn Phương
ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i MỤC LỤC ...................................................................................................................ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ vi DANH MỤC CÁC HÌNH .........................................................................................vii DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... xi MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu .......................................................................................... 2 3. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 3 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ......................................................... 4 6. Bố cục của luận án .............................................................................................. 5 CHƯƠNG 1 ................................................................................................................ 6 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ VÀ CÁC NGHIÊN CỨU VỀ VẤN ĐỀ ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN GIÓ CÔNG SUẤT LỚN ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ THỊ TRƯỜNG ĐIỆN ................................................................. 6 1.1. Tổng quan về nguồn điện gió .......................................................................... 6 1.2. Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện gió công suất lớn đối với hệ thống điện và thị trường điện ..................................................................... 13 1.2.1. Các nghiên cứu về ảnh hưởng của nguồn điện gió đến hệ thống điện và thị trường điện...................................................................................... 14 1.2.2. Các nghiên cứu về quy hoạch phát triển nguồn điện gió ....................... 15 1.2.3. Các nghiên cứu về dự báo công suất phát nguồn điện gió ..................... 17 1.3. Kết luận chương 1 .......................................................................................... 29 CHƯƠNG 2 .............................................................................................................. 30 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN GIÓ CÔNG SUẤT LỚN ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ THỊ TRƯỜNG ĐIỆN ...................................... 30
iii 2.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 30 2.2. Mô hình turbine, máy phát điện gió............................................................... 31 2.2.1. Phân loại turbine gió............................................................................... 31 2.2.2. Cấu trúc turbine gió: ............................................................................... 32 2.2.3. Turbine gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nối lưới ............................................................................................................. 33 2.2.4. Năng lượng gió và công suất gió:........................................................... 35 2.2.5. Bộ chuyển đổi phía máy phát và phía lưới: ............................................ 37 2.2.6. Bộ điều khiển góc cánh: ......................................................................... 37 2.3. Ảnh hưởng của nguồn điện gió công suất lớn đến hệ thống điện ................. 37 2.3.1. Cân bằng công suất và ổn định hệ thống điện ........................................ 37 2.3.2. Chất lượng điện năng ............................................................................. 38 2.3.3. Ảnh hưởng đến đường dây tải điện ........................................................ 39 2.3.4. Ảnh hưởng đến vận hành tối ưu các nhà máy điện ................................ 39 2.3.5. An ninh cung cấp điện và môi trường .................................................... 40 2.4. Nghiên cứu tính toán và phân tích ảnh hưởng của nguồn điện gió đến hệ thống điện ......................................................................................................... 40 2.4.1. Lưới điện nghiên cứu ............................................................................. 41 2.4.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................. 46 2.5. Ảnh hưởng của nguồn điện gió công suất lớn đến thị trường điện ............... 69 2.5.1. Ảnh hưởng đến giá thị trường ................................................................ 69 2.5.2. Tăng chi phí cho các dịch vụ phụ trợ ..................................................... 71 2.5.3. Ảnh hưởng đến tài chính của nhà máy điện gió tham gia trong thị trường điện ....................................................................................................... 72 2.6. Nghiên cứu ảnh hưởng của sai số dự báo công suất phát nguồn điện gió đến doanh thu của nhà máy điện gió tham gia trong thị trường phát điện cạnh tranh .............................................................................................................. 73 2.7. Kết luận chương 2 .......................................................................................... 77 CHƯƠNG 3 .............................................................................................................. 79
iv NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HOÁ TÍCH HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN XÉT ĐẾN CÁC KỊCH BẢN GIẢM LƯỢNG KHÍ THẢI CO2 ......................................................................................................... 79 3.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 79 3.2. Mô hình tính toán ........................................................................................... 80 3.2.1. Hàm mục tiêu ......................................................................................... 80 3.2.2. Các ràng buộc ......................................................................................... 81 3.2.3. Phát thải CO2 .......................................................................................... 81 3.2.4. Thuật toán tối ưu hoá tích hợp nguồn năng lượng tái tạo vào hệ thống điện xét đến các kịch bản giảm lượng khí thải CO2 ............................... 82 3.3. Nghiên cứu tối ưu hoá tích hợp nguồn năng lượng tái tạo vào hệ thống điện theo các kịch bản giảm lượng khí thải CO2 .................................................. 83 3.3.1. Mô hình lưới điện nghiên cứu ................................................................ 83 3.3.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................. 87 3.4. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 95 CHƯƠNG 4 .............................................................................................................. 97 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO CÔNG SUẤT PHÁT NGUỒN ĐIỆN GIÓ SỬ DỤNG MẠNG TRÍ TUỆ NHÂN TẠO KẾT HỢP VỚI CÁC THUẬT TOÁN TỐI ƯU ......................................................................... 97 4.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 97 4.2. Mạng trí tuệ nhân tạo và thuật toán tối ưu ..................................................... 99 4.2.1. Mạng trí tuệ nhân tạo (ANN) ................................................................. 99 4.2.2. Thuật toán tối ưu hoá bầy đàn .............................................................. 101 4.2.3. Thuật toán di truyền (GA) .................................................................... 103 4.2.4. Thuật toán PSO-ANN để huấn luyện mạng trí tuệ nhân tạo ................ 105 4.3. Mô hình dự báo công suất phát nguồn điện gió sử dụng mạng trí tuệ nhân tạo kết hợp với các thuật toán tối ưu .......................................................... 108 4.3.1. Mô hình dự báo công suất phát nguồn điện gió PSO-PSO-ANN ........ 108 4.3.2. Mô hình dự báo công suất phát nguồn điện gió GA-PSO-ANN .......... 110
v 4.3.3. Dữ liệu .................................................................................................. 113 4.4. Kết quả thử nghiệm...................................................................................... 116 4.4.1. Phương pháp đánh giá kết quả ............................................................. 116 4.4.2. Kết quả thử nghiệm .............................................................................. 117 4.5. Kết luận chương 4 ........................................................................................ 122 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 124 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ANN Artificial Neural Network - Mạng trí tuệ nhân tạo BESS Battery Energy Storage System - Hệ thống tích trữ năng lượng CAGR Compound Annual Growth Rate - Tốc độ tăng trưởng hàng năm kép COP21 The 21st Conference of the Parties - Hội nghị thượng đỉnh lần thứ 21 Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu EMS Energy Management Systems - Hệ thống quản lý năng lượng EVN Tập đoàn Điện lực Việt Nam GA Genetic Algorithm - Thuật toán di truyền GDP Gross Domestic Product - Tổng sản phẩm nội địa GHG Green-house Gases - Khí nhà kính GWEC Global Wind Energy Council - Uỷ ban năng lượng gió toàn cầu IEA International Energy Agency - Cơ quan năng lượng quốc tế IRENA International Renewable Energy Agency - Cơ quan năng lượng tái tạo quốc tế MAPE Mean Absolute Percentage Error - Sai số phần trăm giá trị tuyệt đối trung bình MBA Máy biến áp NMĐ Nhà máy điện MOPSO Multi Objective Particle Swarm Optimisation - Thuật toán tối ưu hoá bầy đàn đa mục tiêu MSE Mean Squared Error - Sai số bình phương trung bình NLTT Năng lượng tái tạo PSO Particle Swarm Optimisation - Thuật toán tối ưu hoá bầy đàn SCADA Supervisory Control and Data Acquisition - Hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu
vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Công suất lắp đặt mới nguồn điện gió toàn thế giới qua các năm .............. 7 Hình 1.2. Luỹ kế tổng công suất lắp đặt nguồn điện gió trên toàn thế giới ................ 7 Hình 1.3. Tỷ trọng đóng góp lắp đặt mới nguồn điện gió trong năm 2022 của các khu vực (biểu đồ bên trái) và các quốc gia (biểu đồ bên phải) ............................. 8 Hình 1.4. Sản lượng điện năng do các nguồn điện gió phát ra ................................... 9 Hình 1.5. Bản đồ tiềm năng gió của Việt Nam ở độ cao 100m ................................ 11 Hình 2.1. Turbine gió trục ngang (a) và turbine gió trục đứng (b) ........................... 32 Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc cơ bản turbine gió sử dụng máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu nối lưới...................................................................................... 34 Hình 2.3. Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa 𝑐𝑝 và 𝜆 .................................... 36 Hình 2.4. Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa 𝑃𝑚 và tốc độ gió ..................... 36 Hình 2.5. Sơ đồ lưới điện IEEE 9 nút và các nhà máy điện gió nghiên cứu ............ 41 Hình 2.6. Sơ đồ lưới điện IEEE 9 nút bổ sung thêm nhà máy điện gió thể hiện trên chương trình mô phỏng ...................................................................................... 42 Hình 2.7. Mô hình turbin gió sử dụng máy phát cảm ứng điện từ ............................ 45 Hình 2.8. Mô hình nhà máy điện gió trong phần mềm DigSilent ............................. 45 Hình 2.9. Điện áp tại các nút ở kịch bản 1 ................................................................ 47 Hình 2.10. Điện áp tại các nút ở kịch bản 2 .............................................................. 47 Hình 2.11. Điện áp tại các nút ở kịch bản 3 .............................................................. 47 Hình 2.12. Công suất phát của các nguồn ở kịch bản 1 ............................................ 48 Hình 2.13. Công suất phát của các nguồn ở kịch bản 2 ............................................ 48 Hình 2.14. Công suất phát của các nguồn ở kịch bản 3 ............................................ 49 Hình 2.15. Công suất truyền tải trên các đường dây ở kịch bản 1 ............................ 49 Hình 2.16. Công suất truyền tải trên các đường dây ở kịch bản 2 ............................ 50 Hình 2.17. Công suất truyền tải trên các đường dây ở kịch bản ............................... 50 Hình 2.18. Đồ thị dòng điện ngắn mạch ở kịch bản 1 .............................................. 51 Hình 2.19. Đồ thị dòng điện ngắn mạch ở kịch bản 2 .............................................. 52
viii Hình 2.20. Đồ thị dòng điện ngắn mạch ở kịch bản 3 .............................................. 52 Hình 2.21. Vi phạm mức độ mang tải các thiết bị ở kịch bản 1 ............................... 54 Hình 2.22. Vi phạm điện áp tại các nút ở kịch bản 1 ................................................ 54 Hình 2.23. Vi phạm mức độ mang tải các thiết bị ở kịch bản 2 ............................... 54 Hình 2.24. Vi phạm điện áp tại các nút ở kịch bản 2 ................................................ 55 Hình 2.25. Vi phạm mức độ mang tải các thiết bị ở kịch bản 3 ............................... 55 Hình 2.26. Vi phạm điện áp tại các nút ở kịch bản 3 ................................................ 55 Hình 2.27. Điện áp tại nút 8, điện áp tại nút 5 và dòng điện ngắn mạch tại nút 8 ở kịch bản 1 ............................................................................................................ 56 Hình 2.28. Điện áp tại nút 8, điện áp tại nút 5 và dòng điện ngắn mạch tại nút 8 ở kịch bản 2 ............................................................................................................ 57 Hình 2.29. Điện áp tại nút 8, điện áp tại nút 5 và dòng điện ngắn mạch tại nút 8 ở kịch bản 3 ............................................................................................................ 57 Hình 2.30. Dao động điện áp tại các thanh cái 230kV khi ngắn mạch tại nút 8 ở kịch bản 1 ............................................................................................................... 58 Hình 2.31. Dao động điện áp tại các thanh cái 230kV khi ngắn mạch tại nút 8 ở kịch bản 2 ............................................................................................................... 58 Hình 2.32. Dao động điện áp tại các thanh cái 230kV khi ngắn mạch tại nút 8 ở kịch bản 3 ............................................................................................................... 59 Hình 2.33. Đồ thị dao động tốc độ, góc lệch rotor các nguồn và tần số hệ thống ở kịch bản 1 ............................................................................................................... 60 Hình 2.34. Đồ thị dao động tốc độ, góc lệch rotor các nguồn và tần số hệ thống ở kịch bản 2 ............................................................................................................... 60 Hình 2.35. Đồ thị dao động tốc độ, góc lệch rotor các nguồn và tần số hệ thống ở kịch bản 3 ............................................................................................................... 61 Hình 2.36. Đường cong công suất các tuabin gió ..................................................... 62 Hình 2.37. Dao động công suất phát các nhà máy, điện áp khi vận tốc gió thay đổi đột ngột từ 14 m/s đến 9m/s ................................................................................ 62
ix Hình 2.38. Dao động công suất phát các nhà máy, điện áp khi vận tốc gió thay đổi đột ngột từ 14 m/s đến 2m/s ................................................................................ 63 Hình 2.39. Công suất phát của Wind1 ...................................................................... 65 Hình 2.40. Công suất phát của Wind2 ...................................................................... 65 Hình 2.41. Điện áp tại các thanh cái ......................................................................... 66 Hình 2.42. Công suất truyền tải trên các nhánh ........................................................ 66 Hình 2.43. Tổn thất công suất tại các thời điểm ....................................................... 67 Hình 2.44. Công suất phát của Wind1 ...................................................................... 68 Hình 2.45. Công suất phát của Wind2 ...................................................................... 68 Hình 2.46. Điện áp trên các thanh cái ....................................................................... 69 Hình 2.47. Công suất truyền tải trên các đường dây ................................................. 69 Hình 2.48. Ảnh hưởng của nguồn điện gió đến giá thị trường ................................. 70 Hình 2.49 Đồ thị giá điện theo từng giờ trong ngày của các nhà máy điện .............. 74 Hình 3.1. Lưu đồ thuật toán tối ưu hoá tích hợp nguồn năng lượng tái tạo vào hệ thống điện ............................................................................................................. 83 Hình 3.2. Sơ đồ lưới điện nghiên cứu ....................................................................... 84 Hình 3.3. Phân bố phụ tải tại các nút ........................................................................ 86 Hình 3.4. Kết quả mô phỏng phân bố sản lượng phát điện các loại nguồn theo các kịch bản khác nhau ............................................................................................. 88 Hình 3.5. Biểu đồ phát tương ứng với các kịch bản giảm mức phát thải 0%, 8%, 25% .................................................................................................................... 90 Hình 3.6. Mức độ mang tải các đường dây ở kịch bản 4 .......................................... 91 Hình 3.7. Phân bổ sản lượng phát điện các nhà máy khi có sự thâm nhập của BESS ......................................................................................................................... 92 Hình 3.8. Đồ thị nạp xả của các hệ thống BESS ....................................................... 92 Hình 3.9. Mức giảm phát thải CO2 và tỉ lệ tương ứng ở các kịch bản ..................... 93 Hình 3.10. Tỉ lệ sản lượng phát của các loại nhà máy điện theo các kịch bản ......... 94 Hình 3.11. Tỉ lệ công suất lắp đặt các loại nguồn điện theo các kịch bản mô phỏng ......................................................................................................................... 95
x Hình 4.1. Sơ đồ mạng nơron nhiều lớp truyền thẳng .............................................. 100 Hình 4.2. Sơ đồ cập nhật các thông số vị trí và vận tốc của thuật toán PSO .......... 102 Hình 4.3. Lưu đồ thuật toán di truyền [140] ........................................................... 104 Hình 4.4. Mô hình thuật toán PSO-ANN ................................................................ 105 Hình 4.5. Sơ đồ thực hiện thuật toán PSO-ANN .................................................... 107 Hình 4.6. Mô hình thuật toán PSO-PSO-ANN ....................................................... 108 Hình 4.7. Lưu đồ thuật toán của thuật toán PSO-PSO-ANN .................................. 109 Hình 4.8. Mô hình thuật toán GA-PSO-ANN ......................................................... 111 Hình 4.9. Lưu đồ thuật toán GA-PSO-ANN ........................................................... 112 Hình 4.10. Các trụ điện gió thuộc Nhà máy điện gió Tuy Phong - Bình Thuận .... 113 Hình 4.11. Tiềm năng gió ở Tuy Phong Bình Thuận [6] ........................................ 113 Hình 4.12. Cấu tạo của tubin gió............................................................................. 115 Hình 4.13. Dữ liệu công suất phát và vận tốc gió của tuabin ................................. 116 Hình 4.14. Chỉ số MAPE cho 24 lần thử nghiệm ................................................... 118 Hình 4.15. Chỉ số MSE cho 24 lần thử nghiệm ...................................................... 118 Hình 4.16. Giá trị trung bình của MAPE cho 24 lần thử nghiệm ........................... 119 Hình 4.17. Giá trị trung bình MSE cho 24 lần thử nghiệm..................................... 119 Hình 4.18. Công suất phát thực tế và dự báo của tuabin gió trong 24h .................. 120 Hình 4.19. Công suất phát thực tế và dự báo của tuabin gió trong 24h (mô hình GA-PSO-ANN ........................................................................................................ 121 Hình 4.20. Đồ thị sai số MAPE trung bình của mô hình dự báo sử dụng Tensorflow so với một số mô hình dự báo khác ..................................................... 122
xi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Thông số các nút trong sơ đồ nghiên cứu ................................................. 43 Bảng 2.2. Thông số các nguồn trong sơ đồ nghiên cứu ............................................ 43 Bảng 2.3. Thông số các tải trong sơ đồ nghiên cứu .................................................. 43 Bảng 2.4. Thông số các đường dây trong sơ đồ nghiên cứu ..................................... 44 Bảng 2.5. Thông số các máy biến áp trong sơ đồ nghiên cứu .................................. 44 Bảng 2.6. Tổn thất công suất tác dụng trong toàn hệ thống điện trong 03 kịch bản nghiên cứu .......................................................................................................... 46 Bảng 2.7. Số liệu công suất phát thực tế và công suất phát dự báo của NMĐ gió .............................................................................................................................. 74 Bảng 2.8. Kết quả tính toán doanh thu của nhà máy ................................................ 76 Bảng 3.1. Thống kê tỉ lệ sản lượng phát điện trong các kịch bản ............................. 93 Bảng 3.2. Thống kê tỉ lệ công suất lắp đặt trong các kịch bản ................................. 94 Bảng 4.1. Các thông số của thuật toán PSO............................................................ 106 Bảng 4.2. Bảng thông số về tuabin ......................................................................... 114 Bảng 4.3. Bảng thông số máy phát ......................................................................... 115 Bảng 4.4. Sai số của mô hình dự báo đề xuất so sánh với mô hình PSO-ANN và Adam-ANN ........................................................................................................ 117 Bảng 4.5. Giá trị trung bình của MAPE và MSE .................................................... 119 Bảng 4.6. So sánh giá trị MAPE của mô hình đề xuất so với các mô hình khác .... 123
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, song song với công cuộc công nghiệp hóa - hiện đại hóa thì nhu cầu về năng lượng cũng là một vấn đề quan trọng cần phải được quan tâm đúng mức. Tuy nhiên, các nguồn năng lượng truyền thống từ nhiên liệu hoá thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt... đang ngày càng cạn kiệt, đồng thời gây ô nhiễm môi trường và là nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính. Trong những năm gần đây, toàn thế giới đã có chung nhận thức sâu sắc về tình trạng của hành tinh chúng ta. Quá trình phát triển của con người đã gây nên nhiều hậu quả đối với thế giới tự nhiên, trong đó có vấn đề về biến đổi khí hậu do khí thải từ quá trình sản xuất công nghiệp. Những hậu quả này sẽ tác động ngược trở lại, gây ảnh hưởng xấu đối với sự phát triển kinh tế, xã hội và an ninh của nhân loại. Hầu hết các quốc gia trên thế giới đều đồng thuận và có chung nhận thức rằng biến đổi khí hậu thực sự đang là tình trạng khẩn cấp toàn cầu. Do đó, Liên Hợp Quốc đã nhấn mạnh lời kêu gọi hành động khẩn cấp để đạt mức phát thải khí nhà kính (GHG) bằng không vào năm 2050 - lời kêu gọi đã được hơn 120 quốc gia đại diện cho hơn một nửa GDP toàn cầu, cùng với hàng nghìn doanh nghiệp, các nhà đầu tư, các thành phố, các vùng lãnh thổ… hưởng ứng [1]. Trong bối cảnh đó, việc khai thác các nguồn năng lượng sạch, các nguồn năng lượng tái tạo để thay thế các nguồn năng lượng hoá thạch một cách hiệu quả, đóng góp tích cực cho mục tiêu giảm lượng khí thải nhà kính, giảm thiểu các tác động xấu đến môi trường, đảm bảo cung cấp năng lượng phục vụ cho việc phát triển kinh tế - xã hội là xu hướng tất yếu trên toàn thế giới. Một trong những nguồn năng lượng tái tạo có tiềm năng rất lớn hiện nay là nguồn năng lượng gió. Theo báo cáo của GWEC, để đạt được mục tiêu giảm mức phát thải khí nhà kính bằng không vào năm 2050 thì phải giảm dần và loại bỏ các nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch, đồng thời phải đẩy mạnh việc khai thác các nguồn năng lượng tái tạo. Đối với các nguồn điện gió, tốc độ phát triển hàng năm sẽ cần phải
2 đẩy mạnh hơn nữa, đạt 160 GW vào năm 2025 và sau đó là 280 GW vào năm 2030 - gấp 3 lần công suất hiện có [1]. Theo báo cáo của IEA, việc giảm chi phí đầu tư cùng với các chính sách hỗ trợ bền vững của các quốc gia dự kiến sẽ thúc đẩy tăng trưởng năng lượng tái tạo mạnh mẽ sau năm 2022. Nguồn điện gió và nguồn điện mặt trời đã và đang là giải pháp tiết kiệm và hiệu quả nhất để bổ sung thêm các nhà máy sản xuất điện mới ở hầu hết các quốc gia hiện nay. Ở những quốc gia có tiềm năng năng lượng tái tạo tốt và có cơ chế chính sách khuyến khích về mặt tài chính, các nhà máy điện gió và năng lượng mặt trời sẽ thách thức các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch hiện có. Nhìn chung, các nguồn điện từ năng lượng tái tạo sẽ chiếm khoảng 95% mức tăng ròng của công suất điện toàn cầu đến năm 2025 [2]. Từ những số liệu trên có thể nhận thấy việc xây dựng và khai thác các nguồn điện gió đã và đang được các quốc gia trên toàn thế giới chú trọng phát triển mạnh mẽ. Tuy nhiên, quá trình mở rộng và phát triển các nguồn điện gió công suất lớn sẽ tạo nên sự biến đổi lớn trong cơ cấu nguồn điện của các quốc gia, gây ra nhiều ảnh hưởng đến hệ thống điện và thị trường điện. Một số câu hỏi được đặt ra như: Quy hoạch phát triển các nhà máy điện gió như thế nào là phù hợp? Mô hình nào để có thể dự đoán tương đối khả năng phát công suất của các nguồn năng lượng gió? Các vấn đề cần xem xét trong quá trình tích hợp nguồn năng lượng gió?... Do đó, luận án tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện gió công suất lớn đối với hệ thống điện và thị trường điện nhằm giải quyết các vấn đề nêu trên. 2. Mục đích nghiên cứu Sau khi tìm hiểu toàn bộ nội dung của các tác giả đã được nghiên cứu và trình bày ở trên, để tìm lời giải cho việc nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện gió công suất lớn đối với hệ thống điện và thị trường điện. Mục đích nghiên cứu của luận án là: - Tìm hiểu về các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến tích hợp và vận hành nguồn năng lượng gió.
3 - Nghiên cứu các mô hình mạng trí tuệ nhân tạo, học máy, học sâu… được sử dụng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Từ đó nghiên cứu xây dựng mô hình dự báo công suất phát nguồn điện gió sử dụng mạng trí tuệ nhân tạo kết hợp với các thuật toán tối ưu. Đồng thời cũng nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của việc dự báo công suất phát nguồn điện gió đến thị trường điện. - Nghiên cứu xây dựng mô hình phục vụ cho bài toán quy hoạch, tích hợp nguồn điện gió vào hệ thống điện, đề xuất phương pháp trong việc tính toán tích hợp nguồn điện gió và hệ thống điện. 3. Phương pháp nghiên cứu Để nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện gió công suất lớn đối với hệ thống điện và thị trường điện, phương pháp nghiên cứu trong luận án này sẽ thực hiện như sau: - Phương pháp nghiên cứu tài liệu: thu thập và nghiên cứu các tài liệu trong và ngoài nước đề cập đến vấn đề tích hợp và tối ưu hóa vận hành nguồn năng lượng gió trong hệ thống điện. - Phương pháp xử lý thông tin: thu thập và xử lý thông tin định lượng về tình hình khai thác và phát triển các nguồn năng lượng gió trong nước và thế giới, các thông tin về dữ liệu thời tiết, dữ liệu lịch sử vận hành của các nguồn điện, hệ thống điện. - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, lập trình, mô phỏng trên các phần mềm DIgSILENT PowerFactory, Matlab, Python… - Thử nghiệm ứng dụng phù hợp với các lưới điện giả định. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Luận án nghiên cứu về nguồn điện gió và một số dạng năng lượng tái tạo có liên quan; nghiên cứu các phần mềm và ngôn ngữ lập trình Matlab, Python phục vụ mô phỏng, tính toán. Phạm vi nghiên cứu: Luận án nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến công tác dự báo công suất phát nguồn điện gió, vấn đề quy hoạch và vấn đề tính toán tối ưu nguồn điện gió.
4 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Với nội dung nêu trên, kết quả của luận án sẽ có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn như sau: - Luận án tiến hành nghiên cứu và xây dựng mô hình dự báo công suất phát nguồn điện gió sử dụng mạng trí tuệ nhân tạo kết hợp với các thuật toán tối ưu. Hướng nghiên cứu này cũng phù hợp với định hướng phát triển khoa học công nghệ phù hợp với cuộc cách mạng công nghiệp 4.0. - Cho thấy sự cần thiết của việc nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện gió công suất lớn đến hệ thống điện và thị trường điện, đặc biệt là tính toán quy hoạch lưới điện. Luận án nghiên cứu xây dựng mô hình phục vụ cho bài toán quy hoạch, tích hợp nguồn điện gió vào hệ thống điện, đề xuất phương pháp trong việc tính toán tích hợp nguồn điện gió vào hệ thống điện. - Nội dung nghiên cứu được đăng trên tạp chí khoa học quốc tế sẽ là nguồn tài liệu tham khảo cho các tác giả có nhu cầu nghiên cứu theo hướng tương tự. - Mô hình dự báo công suất phát nguồn điện gió do luận án đề xuất có thể được sử dụng cho các nhà máy điện gió, các trung tâm điều độ nhằm phục vụ cho công tác điều độ, vận hành, lập kế hoạch sản xuất các nhà máy điện gió. - Mô hình tính toán quy hoạch cho phép các đơn vị tư vấn, các cơ quan chức năng có một công cụ tính toán phục vụ cho bài toán quy hoạch hệ thống điện với mức độ thâm nhập (tỷ lệ giữa tổng công suất lắp đặt các nguồn điện gió và phụ tải đỉnh của hệ thống) ngày càng cao của các nguồn năng lượng tái tạo. - Các kết quả nghiên cứu cũng sẽ có đóng góp tích cực cho công tác đẩy mạnh khai thác, ứng dụng và mở rộng các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là nguồn năng lượng gió.
5 6. Bố cục của luận án Bố cục luận án gồm có: phần mở đầu, 4 chương nội dung, phần kết luận, danh mục các công trình công bố, danh mục các tài liệu tham khảo và các phụ lục. Chương 1. Tổng quan về nguồn điện gió và các nghiên cứu về vấn đề ảnh hưởng của nguồn điện gió công suất lớn đến hệ thống điện và thị trường điện. Chương 2. Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện gió công suất lớn đến hệ thống điện và thị trường điện. Chương 3. Nghiên cứu tối ưu hoá tích hợp nguồn năng lượng tái tạo vào hệ thống điện xét đến các kịch bản giảm lượng khí thải CO2. Chương 4. Nghiên cứu xây dựng mô hình dự báo công suất phát nguồn điện gió sử dụng mạng trí tuệ nhân tạo kết hợp với các thuật toán tối ưu.
6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN GIÓ VÀ CÁC NGHIÊN CỨU VỀ VẤN ĐỀ ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN GIÓ CÔNG SUẤT LỚN ĐẾN HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ THỊ TRƯỜNG ĐIỆN 1.1. Tổng quan về nguồn điện gió Năng lượng điện gió là nguồn năng lượng sạch và có tiềm năng rất lớn. Trên thế giới, ngày càng nhiều quốc gia khai thác các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là nguồn năng lượng gió nhằm bổ sung cho nhu cầu năng lượng ngày càng tăng trong bối cảnh các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Ngày nay công nghệ điện gió phát triển mạnh mẽ và có sự cạnh tranh lớn, với tốc độ phát triển như hiện nay thì không bao lâu nữa năng lượng điện gió sẽ chiếm phần lớn trong thị trường năng lượng của thế giới. Việc đầu tư phát triển nguồn điện gió mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Cụ thể: - Không tổn hao nguyên, nhiên liệu trong quá trình vận hành và sản xuất, cho nên có chi phí thấp, vì vậy năng lượng điện gió có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác như than đá, khí đốt... - Nhà máy điện gió không gây ô nhiễm môi trường và góp phần tạo cảnh quan cho việc phát triển du lịch tại khu vực. - Tạo môi trường thân thiện, các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp vẫn có thể hoạt động và sản xuất gần nhà máy. - Các nhà máy điện gió thường tập trung ở đồng bằng, nông thôn, miền núi, hải đảo, có thể tạo cơ hội việc làm cho công nhân tại địa phương đó. Theo báo cáo của GWEC, năm 2022 tiếp tục là một năm sự tăng trưởng mạnh mẽ của nguồn điện gió trên toàn thế giới với 77,6 GW nguồn điện gió lắp đặt mới, nâng tổng công suất lắp đặt luỹ kế của nguồn điện gió trên toàn thế giới đạt mức 906 GW, tăng 9% so với năm 2021 như minh hoạ ở hình 1.1 và hình 1.2 [1].
7 Hình 1.1. Công suất lắp đặt mới nguồn điện gió toàn thế giới qua các năm Hình 1.2. Luỹ kế tổng công suất lắp đặt nguồn điện gió trên toàn thế giới Mặc dù công suất điện gió trên bờ lắp đặt mới năm 2022 giảm so với năm 2020 và 2021, con số này vẫn cao thứ ba trong lịch sử (68,8 GW so với 72,5 GW năm 2021 và 88,4 GW năm 2020). Tổng công suất điện gió ngoài khơi lắp đặt mới năm 2022 là 8,8 GW, giảm nhiều so với năm 2021 (21 GW) nhưng vẫn cao thứ nhì trong lịch sử. Khu vực châu Á – Thái Bình Dương năm 2022 giảm gần 3% tỷ trọng