Bài giảng Tích trữ năng lượng trong hệ thống điện - Chương: Tích trữ năng lượng - Lê Kỷ

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
Bộ môn : Hệ Thống Điện
2013
TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐiỆN
TS. Lê Kỷ
Tại sao phải tích trữ
trong hệ thống điện
-Cải thiện và bảo đảm cho quản lý lưới điện trong bối cảnh:
•Tình hình năng lượng thế giới
•Mở của thị trường điện
•Cho phép các vùng cô lập (islanding) cung cấp điện-
Cung cấp điện an toàn và đầy đủ hơn
- Tăng cường mức độ tham gia của các nguồn tái tạo, gió, mặt trời, 
sóng biển
- Giảm dần các nguồn nhiệt điện
Phát triễn bền vững (khí CO2, an ninh năng lượng)
Dự trữ năng
lượng
Tích trữ
năng lượng
Năng lượng được dự phòng để đáp ứng
nhu cầu sử dụng của hệ thống trong các
trường hợp sửa chửa, sự cố các phần tử
hoặc các nhu cầu phát triễn khác
Tích trữ năng lượng là một quá trình
chuyển đổi năng lượng thành dạng có
thể lưu trữ được để chuyển đổi trở lại
thành năng lượng khi cần thiết
Nhu cầu 
phụ tải và 
công nghệ 
mới
Đặc điểm 
của năng 
lượng điện
Yeu cầu về nâng cao chất lượng cần 
huy động những nguồn phụ thường 
xuyên và nghiêm ngặt hơn
Rất khó lưu trữ
Chỉ lưu trữ trong thời gian ngắn 
cho các hệ độc lập
Sự phát triễn các nguồn phân tán
 Tích trữ ở đâu trong hệ thống điện?
 Có thể thu hồi vốn trong đầu tư tích trữ ? 
 Đặc tính chung của hệ thống tích trữ
 Thiết bị và công nghệ tích trữ:
Công suất nhỏ và Công suất lớn
TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG
Các vấn đề cần giải quyết?
- Ở cấp độ và quy mô nào ( cả sản suất điện và
tiêu thụ?) có thể khả thi để tích trữ điện?
- Có giải pháp cho việc tích trữ năng lượng điện
phù hợp và khả thi về kỹ thuật ?
- Có thể chấp nhận về mặt kinh tế những giải
pháp tích trữ, đặc biệt trong bối cảnh thị
trường điện tự do?
Nơi có nhu cầu tích trữ năng lượng điện :
- Hệ thống điện độc lập 
- Phương tiện giao thông vận hành bằng 
điện hoặc kết hợp
TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG
-Hệ thống điện 
 Tích trữ ở đâu trong hệ thống điện?
Cải thiện sự tham gia vào hệ thống 
điện của máy phát :
Sản suất công suất Phản kháng và 
tác dụng theo yêu cầu
Ở quy mô nào cần tích trữ ?
- Đối với nguồn phát điện có biến động mạnh
Ví dụ Sản suất điện gió
Đảm bảo hội nhập tốt hơn cho nguồn
điện trong thị trường mở của năng
lượng 
•Tùy theo tầm nhìn các công ty điện phải có các quyết định đầu tư 
hoặc các biện pháp liên quan đến sản suất dựa trên dự báo phụ tải 
tương ứng 
Đối với Hệ thống điện
Đối với sản suất điện
Giảm chi phi đầu tư sản suất
Tăng lợi nhuận theo tỷ lệ năng lượng điện 
Việc sử dung tích trữ để giảm chi phí sản suất:
-San bằng phụ tải
-Phát năng lượng tích trữ trong giờ cao điểm với giá cao
Thu lợi từ hệ thống an toàn của mạng
Việc sử dung tích trữ cho phép đáp ứng nhanh giải quyết các yêu 
cầu về bảo dảm chất lượng, độ tin cậy cung cấp điện
-Đặc biệt trong những vùng cô lập
Cần phải có mức độ tác động cao hơn cho người quản lý để giảm nguy cơ 
sụp đổ hệ thống.
Dung lượng tích trữ được lắp đặt:
- Trên thế giới : 140 GW (Thủy lực) trên 3800 GW hoặc 3,6 %
- Pháp : 6,3 GW trên 116 GW hoặc 5,4%
Đối với lưới điện truyền tải
Đạt kỷ lục vào thang 1 - 2009 :
Cực đại hơn 92 GW
Đường cong đồ thi phụ tải/ sản suất
Ngày thứ Ba tháng 12 -2001
Ngày chủ nhật tháng 12-2001
• Bảo đảm độ tin cậy cung cấp điện
Đối với người tiêu dùng
• Làm san bằng đồ thị phụ tải giảm gía điện
• Thiết kế tốt hơn lưới điện phân phối
• Khả năng cô lập lâu dài
Công suất cần 
thiết 6kVA
Công suất trung 
bình hằng ngày
Đã sử dụng các nguồn dự phòng ( điên hóa, bánh đà, các máy phát ..)
 Sử dụng tích trữ
 Sử dụng tích trữ
Có thể hiệu quả về kinh tế ?
• Có thể trong một số trường hợp:
- Các vùng không kết nối lưới ( vùng cách li)
- Một số hộ đặc biệt (giá điện rất cao khi cắt
điện) và có lưới điện không tin cậy, thường
xuyên bị cắt điện
• Không thể trong hầu hết ở lưới điện hiện tại
nơi mà tổng chi phí ( môi trường và chất lượng
điện) không làm cho người tiêu dùng và ngành
điện phàn nàn
- Xem xét toàn hệ thống:
Sản suất , truyền tải, tích trữ và tiêu thụ
(cần phải có những giải pháp cho từng phần riêng, trong đó các hệ
thống cô lập là những trường hợp đặc biệt đơn giản)
- Nắm rõ các đặc tính cụ thể
- Của các hệ thống tích trữ
- Của hệ thống phát điện và hộ tiêu thụ để xây dựng các hàm
giá trị thực tế
-Xây dựng các hàm giá trị thực tế nhằm mục đích để cực tiểu:
Giá trị tổng (thuần túy kinh tế)
Giá trị tính theo vòng đời
Để có thể tiểu chi phí sản suất điện cần phải đánh giá thật kỹ :
Có thể hiệu quả về kinh tế ?
Cần phải xác định thật kỹ, đặc biệt để :
- So sánh tốt hơn
- Đánh giá tốt hơn các giải pháp khác nhau
Các đặc tính của hệ thống tích trữ
Chú Khả tích trữ năng lượng (nhiều khi khác rất nhiều với năng
lượng hữu dụng).
Khả tích trữ năng lượng Wst tính bằng Wh (watt-giờ)
Thông thường có giá trị rất lớn
Năng lượng hữu dụng Wutil : Năng lượng hữu dụng
hàm số của hiệu suất nạp cũng như xả :
- Tổn thất trong quá trình nạp
- Tổn thất do quá trình tự xả
Giới hạn dưới của quá trình xả: Tình trạng năng lượng tối
thiểu
Năng lượng hữu dụng Wutil < Wst luôn thấp hơn năng lượng
tích trữ.
Ví dụ : hệ thống tích trữ thủy lực
Hằng số thời gian Tỷ số
Liên hệ giữa công suất năng lượng
«Hằng số thời gian» có thể điều chỉnh
max
utilW
P
τ=
Công suất cực đại Pmax của nạp hay xả
(Thường khác nhau)
- Công suất của tổ hợp turbin- máy phát 
điện
- Phần ống dẫn
- Khối lượng nước
- Chênh lệch mức nước trên và dưới
Khả năng tích trữ
W = M.g.h
Công suất cực đại Pmax
Hiệu suất η : tỷ số năng lượng hữu dụng và năng lượng
tích trữ
- Tăng hiệu suất cho các tải đáp ứng nhanh
- Và có thể dẫn đến quá trình tự xả tương đối nhanh.
Một hệ thống tích trữ được tối ưu nhằm mục đích để cho
>thấp, lúc đó sẽ là :
Hiệu suất phải được xác định dựa trên chu kỳ thực tế phù
hợp với thiết bị
Thường định nghĩa đơn giản cho một chu kỳ cụ thể
W
util
st
W
η=
Phân tích hiệu suất – Mô hình dơn giản
Mô hình với một nguồn và điện trở trong,
Năng lượng tích trữ bên trong: Wst=Wmax
Quá trình xả :














−=−=
22
2.
cccc
u I
I
I
I
R
EIREIP
E
R
I
U
0,5 1
ccI
I
Pu
R
EIcc =
Pu công suất hữu dụng
Icc Dòng điện xã cực đại
Phân tích hiệu suất – Mô hình dơn giản
Mô hình với một nguồn và điện trở trong,
Năng lượng tích trữ bên trong: Wst
Quá trình xả :














−=−=
22
2.
cccc
u I
I
I
I
R
EIREIP
1
0,5
0,5 1
0 ccI
I
cc
u
I
I
E
RI
EI
P
−=−== 11η
E
R
I
U
Phân tích hiệu suất – Mô hình dơn giản
Thời gian xả ( Ứng với dòng điện không đổi) :
max
is .d
Wt
E I
= =
Năng lượng cực đại
Công suất hữu dụng + Tổn thất
η
0,5
0
1
0,5 1 cc
I
I
η
1
0
max
min . cc
Wt
E I
= = isdt
Phân tích hiệu suất – Mô hình dơn giản
Trường hợp kể đến sự tự xả
(Được mô hình bằng điện trở mắc song song với E)
η
1
0,5
0
η
1
0
isdtmint optt
maxη
Dung lượng (hoặc năng lượng thu được phụ thuộc vào thời gian nạp
hoặc xả)
E Ro
IR
U
Phân tích hiệu suất – Mô hình dơn giản
Số lượng tối đa chu kỳ nap-xả (cyclabily) Ncycl (vòng đời):
Được xác định bởi sự mỏi và hao mòn trong các chu kỳ
Sự già hóa là nguyên nhân đầu tiên trước khi vật liệu bị phân hủy do 
nhiệt thông thường
Ncycl liên quan chặt chẻ đến biên độ của các chu kỳ hoặc đến 
trạng thái nạp trung bình
Vấn đề định lượng Ncycl rất quan trọng và cần phải thực hiện.
Quá trình mỏi của vật liệu thường rất phức tạp và Ncycl thường khó
xác định đôi khi không thể.
Chi Phí :
- Chi phí đầu tư (Phần giá trị lớn nhất do mua sắm thiết
bị)
- Chi phí vận hành (bảo dưởng, tổn thất năng lượng, thay
thế các phần bị lảo hóa..).
Chi phí đầu tư được xác định :
-Bằng $/kWh đối với thiết bị có hằng số thời gian lớn
(xác định theo năng lượng)
-hoặc
-Bằng $/kW Đối với thiết bị có hằng số thời thời gian
nhỏ (xác định bằng công suất
-Chi phí đầu tư tổng : Ct = CW.Wutil + CP.Pmax
Trong đó CW và CP tương ứng $/kWh và $/kW
Cực tiểu chi phí : Cần phải phân tích dựa trên thời gian hoạt động dự
kiến của toàn bộ hệ thống bao gồm các thiết bị tích trữ.
Nếu sử dụng hơn 20 năm với 1 chu kỳ một ngày (tổng cộng 7300 chu
kỳ) và Pin phải thay thế 5 lần
Trong bối cảnh phát triễn bền vững: Cần phải tính chi phí dựa trên 
thời gian hoạt động, bao gồm chi phi nguyên vật liệu, năng lượng và 
các chi phí môi trường khác của sự tái chế 
Ví dụ : Pin Acid-Chì với giá 200 €/kWh 
Vòng đời 1300 chu kỳ :
« Chi phí tiêu hao» : 0,15 €/kWh chưa tính tổn thất
Những hệ thống rẻ tiền thường là hệ thống có sự suy giảm tính
chu kỳ rất nhanh ( vòng đời nhỏ) và có hiệu suất nhỏ
Các đặc tính khác:
-Tỷ trọng năng lượng (Đặc biệt quan trọng trong các hệ
thống nhúng)
-Mật độ năng lượng,
- An toàn (explosion, rejets),
- Thời gian đáp ứng , ..v.v