(Luận văn thạc sĩ) Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật Lai

(Luận văn thạc sĩ) Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật Lai(Luận văn thạc sĩ) Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật Lai(Luận văn thạc sĩ) Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật Lai(Luận văn thạc sĩ) Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật Lai(Luận văn thạc sĩ) Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật Lai(Luận văn thạc sĩ) Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật Lai(Luận văn thạc sĩ) Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật Lai(Luận văn thạc sĩ) Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật Lai(Luận văn thạc sĩ) Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật Lai(Luận văn thạc sĩ) Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật Lai(Luận văn thạc sĩ) Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật Lai(Luận văn thạc sĩ) Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật Lai(Luận văn thạc sĩ) Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật Lai(Luận văn thạc sĩ) Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật Lai(Luận văn thạc sĩ) Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật Lai(Luận văn thạc sĩ) Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật Lai

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Phụ tải điện ngày càng tăng do nhu cầu sử dụng và sự phát triển của xã hội hiện đại, tuy nhiên sự gia tăng tải phải nằm trong giới hạn cho phép để tránh làm tăng tổn thất điện năng trên lưới phân phối vốn do cấu trúc mạng không đổi; để giảm tổn thất, các biện pháp như đặt tụ bù tại các vị trí thích hợp, cải tạo lại lưới điện, nâng công suất trạm trung gian, lắp đặt các hệ thống FACTS và công tơ 3 giá cho khách hàng được áp dụng, tuy nhiên hiệu quả và vốn đầu tư có giới hạn nên có lúc không đáng kể; do đó, khi tải tăng trong giới hạn cho phép của mạng phân phối, tái cấu trúc lưới phân phối được xem là giải pháp để giảm tổn thất trên đường dây, với nhiều phương pháp tái cấu trúc, trong đó phương pháp cổ điển cho kết quả chính xác nhưng khó áp dụng thực tế do yêu cầu không gian thử nghiệm lớn và thời gian tìm kiếm cấu trúc tối ưu dài; với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, thiết bị điện ngày càng đòi hỏi nguồn điện chất lượng cao, đặt ra cho các công ty sản xuất và kinh doanh điện thách thức vừa đáp ứng các yêu cầu nói trên, vừa tối ưu lợi ích kinh tế và tính cạnh tranh trong điều kiện nguồn lực có hạn; đồng thời sự phát triển của mạng lưới điện phân phối khiến chiều dài và phụ tải tăng lên ở cả khu vực thành thị lẫn nông thôn, khiến công suất đỉnh tập trung trong vài giờ mỗi ngày, lưới bị sụt áp, tổn thất truyền tải tăng và chi phí sản xuất điện tăng, do đó nhiều giải pháp kỹ thuật được đề xuất như nâng công suất trạm trung gian, lắp đặt hệ thống tụ bù, nâng tiết diện dây, sử dụng thiết bị FACTS và đo công tơ 3 giá cho khách hàng, nhưng chúng chỉ giải quyết một phần bài toán; tái cấu trúc lưới điện phân phối và tối ưu vị trí máy phát điện phân tán được xem là một trong các giải pháp hiệu quả, được nhiều nhà nghiên cứu ứng dụng và kiểm nghiệm nhằm tối ưu cấu trúc lưới và vị trí đặt máy phát điện phân tán trên lưới điện phân phối.

Luận văn thạc sĩ PGS.TS Trương Việt Anh

Lưới điện phân phối có đặc điểm vận hành phức tạp, cấu trúc hình tia và hình xương cá với mạch kín nhưng thường vận hành ở trạng thái mở Phụ tải phân bố và phát triển không theo quy hoạch khiến việc tính toán để xác định vị trí và dung lượng của các nguồn phát điện phân bố (DG) gặp nhiều thách thức.

Việc tìm kiếm các phương pháp và giải thuật tối ưu để giải quyết bài toán đặt ra là cần thiết, nhằm đảm bảo bài toán tính toán được xử lý một cách đơn giản nhất, nhanh nhất và đạt được kết quả tốt nhất đối với các điều kiện đã đặt ra Vấn đề này đã nhận được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu, nghiên cứu sinh và các tổ chức.

Việc cải tạo nâng cấp đường dây và lắp đặt thêm các trạm biến áp, cùng với mở rộng đường dây truyền tải và phân phối nhằm đáp ứng nhu cầu phụ tải tại giờ cao điểm sẽ đẩy cao chi phí vận hành và đòi hỏi nguồn vốn đầu tư lớn Các nghiên cứu cho thấy nguồn điện phân tán mang lại nhiều hiệu quả khi được áp dụng trên lưới điện phân phối Nguồn điện từ các nguồn phát điện phân tán (DG) sẽ góp phần giảm gánh nặng công suất vào giờ cao điểm, giảm tổn thất trên đường dây, cải thiện chất lượng điện năng, nâng cao độ tin cậy và thân thiện với môi trường (đối với năng lượng tái tạo) Đồng thời, DG còn giúp giảm áp lực đầu tư cải tạo lưới điện hiện hữu, giảm chi phí nhiên liệu và chi phí vận hành, đáp ứng tốt khả năng dự phòng cho hệ thống và có thời gian ngắn để đáp ứng nhu cầu cục bộ của từng vùng miền, phù hợp với đặc điểm riêng của phụ tải.

Do đó, các công ty điện lực và các nguồn phát điện sẵn có hoặc lắp đặt thêm nguồn phân phối (DG) để hỗ trợ hệ thống điện của họ, giảm công suất điện mua từ hệ thống truyền tải, từ đó có thể hạ giá điện và đối phó với tình huống tăng giá đột biến trong giờ cao điểm cũng như trì hoãn việc xây dựng thêm đường dây mới DG là các máy phát công suất nhỏ dưới 10 MW, có chi phí thấp, vận hành dễ dàng và có thể triển khai trong thời gian ngắn DG có thể tận dụng các nguồn năng lượng tái tạo sẵn có, thân thiện với môi trường như thủy điện nhỏ, điện gió, điện mặt trời; công nghệ DG rất đa dạng: nhiệt điện tổ hợp, quang điện (solar PV), tuabin gió, pin nhiên liệu, thủy điện công suất nhỏ, máy phát từ động cơ đốt trong, microturbine.

Các nguồn phát điện phân phối (DG) hoạt động độc lập thường cho hiệu quả hạn chế do chi phí vận hành tăng cao và công suất phát điện không ổn định, dẫn tới độ tin cậy cung cấp điện thấp Ngược lại, DG có trở kháng lớn nên dòng ngắn mạch của chúng rất nhỏ, do đó mức độ ảnh hưởng đến lưới điện phân phối khi DG vận hành song song là ở mức thấp Vì vậy, các DG thường được kết nối trực tiếp với lưới điện phân phối ở mức trung áp hoặc hạ áp.

Việc sử dụng DG trong lưới điện phân phối mang lại nhiều lợi ích thiết thực: giảm tải cho lưới, giảm tổn thất công suất và chi phí vận hành trên mạng điện, cải thiện chất lượng điện và độ tin cậy của hệ thống, bình ổn giá điện và cung cấp các dịch vụ hỗ trợ cho mạng lưới phân phối.

Về phía điện lực, các giải pháp chủ đạo tập trung vào giảm tải trên đường dây truyền tải và lưới phân phối, bình ổn giá điện, giảm tổn hao công suất trên đường dây và giảm chi phí vận hành, nhằm nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện và đảm bảo cung cấp điện ổn định cho người dùng.

- Về phía người tiêu dùng: Cải thiện chất lượng điện; Bình đẳng trong quyền lợi; Cải thiện độ tin cậy

- Về mặt thương mại: Tạo một thị trường điện có tính cạnh tranh; Cung cấp các dịch vụ khác nhƣ: công suất phản kháng, công suất dự phòng

Khi lưới điện phân phối kết nối với các nguồn phát điện phân tán (DG), khách hàng có thể kiểm soát giá thành điện năng và chuyển đổi nguồn điện sao cho có lợi nhất Do đó, các điều độ viên phải căn cứ vào cấu trúc lưới, dung lượng truyền tải, giá điện mua từ hệ thống và từ các DG, cũng như các yêu cầu về tác động môi trường và sinh thái để đề xuất các phương án thay đổi cấu trúc lưới tại từng thời điểm sao cho chi phí vận hành, bao gồm chi phí truyền tải và tổn thất công suất, là nhỏ nhất đồng thời đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật Với mục tiêu tìm giải pháp giảm tổn thất công suất và giảm chi phí vận hành của lưới điện phân phối trong trường hợp có các DG, đề tài sẽ đề cập đến các phương pháp có liên quan đến vấn đề này.

Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật lai là mục tiêu của nghiên cứu nhằm tối ưu hóa vận hành lưới điện phân phối Kết quả của bài toán sẽ góp phần hỗ trợ các công ty điện lực địa phương trong công tác vận hành lưới điện phân phối, nâng cao hiệu quả cung cấp điện và tăng khả năng thích ứng với biến động thị trường cạnh tranh Thông qua giải thuật lai, bài toán tối ưu hóa vị trí và công suất của máy phát phân tán giúp cải thiện độ ổn định của hệ thống, giảm tổn thất và tăng khả năng đáp ứng nhu cầu phụ tải tại địa phương.

Nghiên cứu này tiếp cận bài toán xác định vị trí và công suất của máy phát điện phân tán trên lưới điện phân phối với xem xét cấu trúc vận hành nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng trên hệ thống Giải pháp tối ưu được thực hiện theo hai giai đoạn bằng cách sử dụng thuật toán di truyền và PSO: giai đoạn một dùng thuật toán di truyền để xác định vị trí và công suất tối ưu của các máy phát phân tán trên lưới điện phân phối kín, giai đoạn hai dùng PSO để xác định cấu trúc vận hành mở tối ưu của hệ thống Kết quả cho thấy quá trình hai giai đoạn cho phép tối ưu hoá cả vị trí, công suất lắp đặt và cấu trúc vận hành, từ đó giảm tổn thất và tăng hiệu quả vận hành của hệ thống phân phối.

Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

- Nghiên cứu việc giảm tổn thất công suất trên lưới phân phối khi có kết nối

DG vào lưới điện phân phối

Bài viết trình bày cách xây dựng một hàm mục tiêu đa mục tiêu và ứng dụng giải thuật PSO (Particle Swarm Optimization) để giải bài toán tối ưu vị trí và dung lượng kết nối DG nhằm giảm tổn thất công suất trong hệ thống phân phối Mục tiêu là xác định vị trí lắp đặt và cấp dung lượng phù hợp cho nguồn DG để tối ưu hóa hiệu quả của lưới, nâng cao chất lượng điện áp và giảm tổn thất Hàm mục tiêu kết hợp các yếu tố như tối ưu hóa tổn thất công suất, chi phí đầu tư và độ tin cậy vận hành, trong khi PSO tìm nghiệm tối ưu bằng cách di chuyển các hạt tìm kiếm qua không gian tối ưu Mô hình hóa mối quan hệ giữa vị trí kết nối DG và dung lượng tối ưu cho phép cân bằng giữa hiệu quả vận hành và chi phí, đồng thời mang lại cải thiện đáng kể giảm tổn thất năng lượng trên lưới Kết quả cho thấy phương pháp PSO cho bài toán đa mục tiêu này hiệu quả trong việc xác định vị trí và dung lượng DG tối ưu để kết nối với lưới, từ đó tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng hệ thống.

- Áp dụng giải thuật vào lưới điện phân phối mẫu.

Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào bài toán giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi kết nối nguồn phân phối DG, nhằm tối ưu chi phí vận hành Đề tài phân tích ảnh hưởng của DG lên lưới phân phối, đề xuất các biện pháp và chiến lược vận hành tối ưu để giảm tổn thất, cải thiện chất lượng điện áp và độ tin cậy hệ thống Các phương pháp được áp dụng gồm mô phỏng, tối ưu hóa và phân tích nhạy cảm nhằm đưa ra giải pháp thực thi có thể triển khai trong thực tế Kết quả hướng tới là một khung tích hợp DG tối ưu, cân bằng giữa hiệu quả kỹ thuật và chi phí vận hành, đồng thời đảm bảo an toàn và ổn định cung cấp điện cho khách hàng.

Phương pháp giải quyết bài toán

- Áp dụng các phương pháp giải tích mạng điện xây dựng hàm đa mục tiêu cực tiểu tổn thất công suất khi có DG

- Sử dụng giải thuật PSO để giải bài toán khi có DG kết nối vào lưới điện phân phối với mục tiêu là giảm thiểu tổn thất công suất.

Điểm mới của đề tài

Xây dựng hàm mục tiêu tối ưu nhằm giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi có kết nối DG vào lưới điện phân phối Để hiện thực hóa mục tiêu này, bài toán tối ưu sẽ kết hợp giảm mất mát năng lượng trên lưới và đảm bảo chất lượng cung cấp điện cho người dùng, đồng thời tối ưu hóa phân bổ công suất và điều khiển tại các điểm nối DG Hàm mục tiêu tích hợp hai mục tiêu song song: giảm tổn thất công suất toàn hệ thống và tăng độ tin cậy cung cấp điện cho mạng phân phối trong bối cảnh DG hoạt động Các tham số chính được đưa vào mô hình gồm đặc tính của DG, đặc tính của lưới phân phối, các giới hạn vận hành và yêu cầu chất lượng điện, nhằm hình thành một khung tối ưu cho quyết định vận hành Kết quả mong đợi là một chiến lược tối ưu hóa hiệu quả, vừa giảm tổn thất công suất vừa nâng cao độ ổn định và tin cậy cung cấp điện khi DG tham gia lưới.

- Áp dụng giải thuật PSO tìm vị trí và dung lƣợng tối ƣu khi kết nối DG trên lưới điện phân phối

Giá trị thực tiễn của đề tài

- Cung cấp một giải thuật lai tìm vị trí và dung lƣợng tối ƣu để lắp đặt DG nhằm giảm thiểu tổn thất trên lưới điện phân phối

- Góp phần vào các nghiên cứu liên quan đến DG trong lưới điện phân phối

- Làm tài liệu tham khảo cho các công tác nghiên cứu và vận hành lưới điện phân phối khi có kết nối DG.

Bố cục

Đề tài dự kiến gồm 5 chương

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Xác định vị trí và công suất nguồn phân tán trong lưới điện phân phối

Chương 4: Ví dụ kiểm tra

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Lưới điện phân phối

Trong hệ thống điện truyền thống, cấu trúc dọc của mạng phân phối nhận điện từ lưới truyền tải hoặc từ các nguồn phụ rồi cung cấp cho hộ tiêu thụ Mạng phân phối có dạng hình tia hoặc dạng mạch vòng nhưng vận hành ở trạng thái hở, nên dòng công suất đổ từ hệ thống truyền tải về phía phụ tải và gây tổn thất trên lưới truyền tải và mạng phân phối, ước tính khoảng 10–15% tổng công suất của hệ thống Với sự tham gia của các nguồn điện phân tán (distributed generation – DG) trong lưới phân phối hiện nay, dòng công suất không chỉ đổ về từ hệ thống truyền tải mà còn lưu thông giữa các phần của mạng phân phối với nhau và thậm chí đổ ngược về lưới truyền tải, được gọi là cấu trúc ngang.

Hình 2 1 Sơ đồ hệ thống mạng phân phối hình tia

Trạm phân phối Tuyến trung thế

Cầu chì MBA phân phối

Cầu chì nhánh Nhánh phụ

Với cấu trúc ngang và sự tham gia của các DG, lưới điện phân phối thực hiện tốt hơn nhiệm vụ cung cấp điện đến hộ tiêu thụ, đồng thời đảm bảo chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện và tuân thủ các yêu cầu an toàn trong giới hạn cho phép Sự tham gia của DG còn mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống phân phối như giảm tải trên lưới, cải thiện điện áp và giảm tổn thất công suất và điện năng Những yếu tố này giúp hệ thống phân phối ổn định và hiệu quả hơn, hỗ trợ lưới điện trong việc cung cấp năng lượng an toàn và bền vững.

Về mặt kỹ thuật, các đường dây phân phối điện luôn vận hành ở trạng thái mở (hở) dù được thiết kế theo mạch vòng nhằm tăng độ tin cậy cung cấp điện Nhờ cấu trúc vận hành hở, hệ thống relay bảo vệ chỉ cần sử dụng relay quá dòng để phát hiện sự cố Để tái cấp nguồn cho khách hàng sau sự cố, hầu hết các tuyến dây có mạch vòng liên kết với đường dây kế cận và được cấp nguồn từ một trạm biến áp trung gian hoặc từ trạm biến áp nơi đường dây bị sự cố Việc khôi phục lưới điện được thực hiện bằng đóng/cắt các cặp khóa điện nằm trên các mạch vòng, do đó lưới phân phối có rất nhiều khóa điện.

Vận hành lưới điện ở trạng thái hở gây tổn thất năng lượng cao và chất lượng điện kém so với lưới vận hành kín Khi có sự cố, thời gian tái lập cung cấp điện của lưới hở dài hơn vì phải chuyển tải qua nhiều tuyến dây khác nhau Điều này làm tăng độ trễ cấp điện cho người dùng và ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống Tuy nhiên, do tính chất khác biệt cơ bản giữa lưới phân phối và lưới truyền tải, mỗi loại lưới có yêu cầu vận hành riêng, với lưới phân phối tập trung vào tiếp cận tải tiêu thụ gần nguồn, còn lưới truyền tải tối ưu hóa việc truyền tải điện ở khoảng cách xa.

- Số lượng phần tử như lộ ra, nhánh rẽ, thiết bị bù, phụ tải của lưới phân phối nhiều hơn lưới điện truyền tải từ 5-7 lần

Trong hệ thống điện, có nhiều khách hàng tiêu thụ điện năng với công suất nhỏ và phân bố trên diện rộng Khi xảy ra sự cố, thiệt hại do gián đoạn cung cấp điện trên lưới điện phân phối thường ít hơn so với thiệt hại từ sự cố trên lưới điện truyền tải.

Vì vậy lưới điện phân phối vận hành tia mặc dù có cấu trúc mạch vòng do các nguyên nhân sau:

Trong lưới điện phân phối, tổng trở khi vận hành ở trạng thái hở cao hơn nhiều so với vận hành vòng kín, nên dòng ngắn mạch khi có sự cố sẽ nhỏ Vì thế, chỉ cần chọn các thiết bị đóng cắt có khả năng chịu được dòng ngắn mạch nhỏ, từ đó mức đầu tư cho hệ thống được giảm đáng kể.

Trong vận hành hở, hệ thống bảo vệ có thể sử dụng các relay đơn giản và giá rẻ như relay quá dòng và relay thấp áp, thay vì bắt buộc trang bị các loại relay phức tạp như relay định hướng, bảo vệ khoảng cách hay so lệch Điều này giúp việc phối hợp và điều khiển bảo vệ bằng relay trở nên dễ dàng hơn, đồng thời giảm đáng kể chi phí đầu tư cho hệ thống bảo vệ.

Để bảo vệ các nhánh rẽ hình tia trên cùng một đoạn trục, ta nên dùng cầu chì tự rơi (FCO) hoặc cầu chì tự rơi kết hợp cắt có tải (LBFCO) và phối hợp với recloser nhằm ngắt nhanh sự cố thoáng qua và giảm thiểu thiệt hại cho lưới Việc lắp đặt FCO/LBFCO cho từng nhánh cho phép bảo vệ riêng biệt đồng thời giữ nguồn cho các nhánh còn lại, tối ưu hóa thời gian phục hồi và tăng độ tin cậy của hệ thống phân phối.

- Do vận hành hở, nên khi có sự cố, không bị lan tràn qua các phụ tải khác

Với vận hành hở, việc điều khiển điện áp trên từng tuyến dây trở nên dễ dàng hơn, cho phép điều chỉnh điện áp nhanh chóng và ổn định trên toàn hệ thống Nhờ đó phạm vi mất điện được giảm thiểu trong thời gian giải trừ sự cố, giúp phục hồi cung cấp điện nhanh và giảm thiệt hại cho người dùng Đây là ưu điểm nổi bật của cấu hình vận hành hở, đóng góp vào tính liên tục của nguồn điện và hiệu quả hoạt động của hệ thống điện.

- Nếu chỉ xem xét giá xây dựng mới lưới điện phân phối, thì phương án kinh tế là lưới điện hình tia

Hình 2 2 Sơ đồ hệ thống mạng phân phối vòng kín

Nguồn điện phân tán (DG - Distributed Generation)

Khái niệm nguồn điện phân tán đã được nêu nhiều trong các nghiên cứu về nguồn điện phân tán (DG) Tuy nhiên, các tác giả chưa đưa ra được một định nghĩa chung cho khái niệm này Trên phạm vi toàn cầu, hiện nay vẫn chưa có một định nghĩa thống nhất về nguồn điện phân tán.

Ở nhiều quốc gia, nguồn điện phân tán được định nghĩa theo hai hướng tiếp cận chính: một là nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo và không bị điều khiển tập trung; hai là nguồn điện được đấu nối vào lưới điện và cấp điện trực tiếp cho phụ tải khách hàng Các định nghĩa này cho thấy sự đa dạng trong cách mô tả nguồn điện phân tán, tùy thuộc vào quan điểm về cấp điện áp hoặc cấp công suất và phạm vi ứng dụng Các tổ chức quốc tế cũng có những định nghĩa khác nhau về nguồn điện phân tán, chủ yếu tập trung vào kích thước và loại hình công suất hoặc công nghệ được sử dụng Điều này cho thấy nguồn điện phân tán là một khái niệm có nhiều biến thể nhưng vẫn mô tả vai trò của các nguồn phát điện phân bố và kết nối với hệ thống lưới điện.

Ban Năng Lượng Mỹ (DOE) ghi nhận các máy phát điện có công suất từ vài kilowatt đến vài chục megawatt, bao gồm turbine khí, pin mặt trời, pin nhiên liệu, turbine gió, microturbine, máy phát từ động cơ đốt trong và các công nghệ tích trữ năng lượng.

DG (Distributed Generation) theo Viện Nghiên Cứu Năng Lượng Điện Mỹ (EPRI) là các máy phát có công suất từ vài kilowatt đến 50 megawatt và các thiết bị tích trữ năng lượng được đặt gần phụ tải, trên mạng phân phối hoặc trên các tuyến truyền tải phụ, tồn tại dưới dạng nguồn năng lượng phân tán.

- Viện Nghiên Cứu Gas Mỹ: các máy phát có công suất từ 25 kW đến 25

MW đƣợc gọi là DG

- Thụy Điển xem các máy phát có công suất dưới 1500 kW là DG

- Trong thị trường điện nước Anh và xứ Wales: một nhà máy điện có dung lƣợng nhỏ hơn 100 MW không đƣợc gọi là nguồn điện tập trung Nhƣ vậy,

DG đƣợc xem là các máy phát có công suất nhỏ hơn 100 MW

- Ở New Zealand: các bộ máy phát có công suất nhỏ hơn 5 MW thường đƣợc xem là DG

- Ở Úc: máy phát dưới 30 MW gọi là DG

Theo Hội đồng Quốc tế về các Hệ thống Điện lớn (CIGRE), các nguồn điện không thuộc nguồn trung tâm, được bố trí gần phụ tải và kết nối với mạng điện phân phối có công suất nhỏ hơn 100 MW, được gọi là nguồn phát điện phân phối (DG).

Các loại nguồn phân tán hiện nay dựa trên nhiều công nghệ khác nhau, từ các công nghệ truyền thống như động cơ đốt trong và tua-bin khí đến các công nghệ mới, thân thiện với môi trường đang được phát triển như pin nhiên liệu, pin năng lượng mặt trời và tua-bin gió.

Mỗi loại nguồn phân tán có ưu điểm và hạn chế về đặc tính kỹ thuật và tính kinh tế, nên lựa chọn công nghệ là yếu tố quyết định về công suất và vị trí lắp đặt của nguồn phân tán Việc cân nhắc kỹ lưỡng các đặc tính kỹ thuật, hiệu suất và chi phí vận hành giúp xác định công suất phù hợp và tối ưu hoá địa điểm triển khai Dưới đây là phân loại một số nguồn điện phân tán chính hiện có, nhằm hỗ trợ quyết định thiết kế và đầu tư cho hệ thống nguồn năng lượng phân tán.

Hình 2 3 Sơ đồ phân loại nguồn điện phân tán

Một số công nghệ DG hiện nay:

Pin mặt trời (PV) là công nghệ chuyển đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành điện năng mà không cần đốt cháy hay tiêu thụ nhiên liệu, giúp vận hành và bảo trì ở mức rất thấp Công nghệ PV có chi phí vận hành và bảo trì thấp, được sử dụng phổ biến cho các tòa nhà độc lập và các hệ thống thông tin PV được xem là một trong những công nghệ tốt nhất cho căn hộ và các ứng dụng thương mại nhỏ, mang lại nguồn điện sạch và đáng tin cậy cho nhiều công trình.

Hiện nay, các hệ thống PV thương mại được phân thành ba cấp: nhỏ (100 kW), và tất cả đều được nối vào hệ thống phân phối Rào cản chính là mức giá cao của chi phí lắp đặt, dao động khoảng 6000–10000 USD cho mỗi kW Bên cạnh đó, hiệu suất và vận hành của PV còn bị ảnh hưởng bởi độ cao lắp đặt và điều kiện thời tiết.

Giá sản xuất điện năng từ công nghệ PV (điện mặt trời) vào khoảng 0,3 USD/kWh [10], cho thấy điện mặt trời có thể cạnh tranh tại các giờ tải đỉnh hoặc khi yêu cầu về độ tin cậy cao được đặt ra Công nghệ PV cũng hiệu quả khi các yêu cầu về bảo vệ môi trường được đặt lên hàng đầu, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững của hệ thống điện Hệ thống PV có thể vận hành độc lập hoặc kết nối trực tiếp vào mạng phân phối, mang lại sự linh hoạt và tối ưu hóa chi phí đầu tư và vận hành.

Máy Phát Turbine Gió (wind turbine - WT) là công nghệ sản xuất điện từ năng lượng gió, dựa trên nguyên lý khí động học của turbine để chuyển đổi động năng gió thành điện năng Công nghệ này được phân chia thành các cấp hệ thống nhằm phù hợp với quy mô và mục đích sử dụng khác nhau: hệ thống mini có công suất dưới 10 kW và hệ thống nhỏ có công suất từ 10 kW đến giới hạn công suất của từng loại turbine Việc lựa chọn cấp độ phù hợp giúp tối ưu hiệu suất khai thác gió, giảm chi phí và tăng tính bền vững cho nguồn điện.

Turbine gió được phân loại theo công suất: hệ thống nhỏ 100 kW, hệ thống trung bình từ 100 đến 500 kW, và hệ thống lớn trên 500 kW Đặc tính khí động học của turbine gió phụ thuộc vào vận tốc gió, ảnh hưởng đến hiệu suất và sản lượng điện mà hệ thống có thể phát ra Vì vậy, việc đánh giá vận tốc gió tại địa điểm đầu tư là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa kích thước, chi phí và hiệu quả của hệ thống năng lượng gió.

Turbine có công suất định mức 40 kW, tương ứng với tốc độ gió trung bình 13,4 m/s, vận tốc gió tối thiểu 3,6 m/s và vận tốc gió tối đa 22,3 m/s Đường kính cánh turbine là 13,2 m.

Turbine có công suất định mức 95 kW tương ứng với vận tốc gió trung bình 12,9m/s, vận tốc gió cực tiểu 5,4m/s Đường kính cánh turbine 11m

Turbine có công suất định mức 250 kW tương ứng vận tốc gió trung bình 17m/s, vận tốc gió cực tiểu 6,3m/s, vận tốc gió cực đại 26,8m/s Đường kính cánh turbine 18,3m

Công nghệ WT có giá thành lắp đặt thấp và chi phí vận hành, bảo trì rất thấp, rất thích hợp với khu vực nông thôn, vùng biển là những nơi có nguồn năng lƣợng gió dồi dào và mạng điện phân phối còn thƣa thớt

- Pin nhiên liệu (Fuel Cell -FC): Các FC có thể chuyển đổi năng lƣợng hóa học thành điện năng mà không cần đến quá trình đốt cháy Công nghệ FC đƣợc phát triển ban đầu cho ngành vũ trụ, sau đó, ngành vận tải đã xem nó nhƣ một công nghệ đầy hứa hẹn Từ đó, công nghệ này đã chứng tỏ có hiệu quả rất tốt, có cấu tạo nguyên khối, độ ồn rất thấp, lƣợng khí thải NOx, SO, CO rất thấp và có độ tin cậy cao

Hình 2 6 Pin nhiên liệu –FC

Các tác động của DG trong lưới điện phân phối

2.3.1 Lợi ích của lưới điện phân phối khi vận hành có kết nối DG

Các ứng dụng của DG (phát điện phân tán) bao gồm: nhiệt - điện kết hợp (CHP) để khai thác hiệu quả đồng thời nguồn nhiệt và điện, công suất dự phòng nhằm đảm bảo cấp nguồn liên tục khi lưới gặp sự cố, dự phòng công suất đỉnh giúp giảm tải cho lưới tại các thời điểm tiêu thụ cao, và vận hành độc lập khi cần thiết Tùy vào từng ứng dụng, cách vận hành DG được điều chỉnh để tối ưu hiệu suất, tối ưu chi phí và đảm bảo an toàn cấp điện cho phụ tải, đồng thời dễ dàng tích hợp với các nguồn năng lượng tái tạo và hệ thống quản lý năng lượng.

DG có thể được mô tả tổng quát như sau: DG tham gia vận hành khi tải đỉnh, tức là phụ tải của hệ thống đạt đến công suất tối đa; trong trường hợp này, hệ thống phân phối không thể đáp ứng nhu cầu điện hoặc phải chấp nhận mua điện với giá cao.

Phần điện năng thiếu hụt sẽ do các nguồn điện phân phối (DG) đảm nhiệm Khi lưới truyền tải phải giảm tải do công suất truyền tải vượt quá giới hạn của đường dây, DG sẽ được vận hành để cung cấp điện cho các phụ tải bị ảnh hưởng bởi giới hạn này.

DG được vận hành để cung cấp điện năng với giá rẻ trong mạng phân phối Công suất phụ tải biến đổi theo thời gian và phụ thuộc vào loại, đặc tính của từng phụ tải Chi phí mua điện từ hệ thống truyền tải được xác định theo lượng công suất mua tại từng thời điểm Khi DG được kết nối vào mạng phân phối và xem như một nguồn phụ, người hoạch định vận hành có thể khai thác giá rẻ từ một số DG nhằm giảm chi phí vận hành.

Phát điện phân tán (DG) được vận hành để cung cấp điện khi nguồn của hệ thống bị gián đoạn Khi xảy ra gián đoạn, các phụ tải sẽ bị ngắt khỏi hệ thống thông qua các thiết bị như máy cắt và recloser, và nguồn điện từ DG sẽ được tái cấp cho hệ thống Nhờ cơ chế này, DG cải thiện độ tin cậy cung cấp điện và giảm chi phí bồi thường do mất điện.

Khi lưới điện phân phối có các DG (Distributed Generation), khách hàng có thể kiểm soát chi phí điện năng và chuyển đổi nguồn điện sao cho có lợi nhất Do đó, các điều độ viên phải căn cứ vào cấu trúc lưới điện, dung lượng cần truyền tải, giá điện mua từ hệ thống và từ các DG, cùng với các yêu cầu về tác động môi trường và sinh thái để đề xuất các phương án thay đổi cấu trúc lưới tại từng thời điểm Mục tiêu là tối ưu chi phí vận hành, bao gồm chi phí chuyển tải và tổn thất công suất, đồng thời đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật và chất lượng điện năng.

- Cấu trúc vận hành hở

- Tất cả các phụ tải đều đƣợc cung cấp điện

- Các hệ thống bảo vệ relay phải thay đổi phù hợp

- Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải

- Sụt áp nằm trong phạm vi cho phép

Việc áp dụng thị trường bán lẻ vào lưới điện phân phối đòi hỏi huy động nguồn DG có sẵn hoặc khách hàng lắp đặt nguồn DG mới, nhằm phù hợp với yêu cầu phát triển hệ thống và xã hội Sự tham gia của DG do khách hàng quản lý sẽ mở rộng nguồn cung, tăng tính linh hoạt và độ tin cậy của lưới, đồng thời đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang nguồn năng lượng phân bổ tại các điểm tiêu thụ Để khai thác tiềm năng này, cần thiết xây dựng cơ chế khuyến khích và quản lý kết nối phù hợp, cùng với các tiêu chuẩn kỹ thuật và cơ chế thanh toán rõ ràng, nhằm mang lại lợi ích lâu dài cho khách hàng và cộng đồng.

Về phía khách hàng bán điện, mục tiêu là tối đa hóa lượng năng lượng được đẩy lên lưới ở những vị trí đấu nối hợp lệ trên lưới điện phân phối, nhằm tối ưu hóa hiệu suất, chi phí và tính ổn định của hệ thống Điều này đồng nghĩa với việc lựa chọn các vị trí đấu nối phù hợp, tuân thủ quy định và đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành để bán điện hiệu quả nhất.

Về phía công ty điện lực, việc đấu nối các DG (nguồn điện phân tán) được đặt trong khuôn khổ đảm bảo cung cấp điện liên tục cho khách hàng mua điện và giảm tổn thất công suất trên lưới phân phối Việc kết nối DG phải đáp ứng các điều kiện ràng buộc nêu ra, nhằm duy trì ổn định vận hành, nâng cao chất lượng điện năng và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Các tiêu chí kỹ thuật, an toàn và tuân thủ quy định sẽ được đánh giá để đảm bảo khả năng tương thích và tin cậy của lưới khi tích hợp nguồn điện phân tán Mục tiêu cuối cùng là giảm thiểu gián đoạn cung cấp điện và tối ưu hóa việc phân phối năng lượng, đồng thời bảo đảm sự an toàn và hiệu quả cho mọi khách hàng mua điện.

• Điện áp nút nằm trong phạm vi cho phép

• Kích cỡ các DG kết nối lên lưới không làm mất ổn định hệ thống khi có sự cố trên lưới

Lưới điện phân phối luôn có sự chuyển tải công suất do sự biến động của khách hàng, nên khi xem xét các điều kiện vận hành hiện tại, bài toán xác định vị trí tối ưu của các thành phần trên lưới — như trạm biến áp phân phối, điểm đo và thiết bị tự động hóa — trở nên cần thiết để bảo đảm độ tin cậy, giảm tổn thất và tối ưu hóa chi phí vận hành Việc xác định vị trí phù hợp giúp cải thiện kiểm soát tải, tăng khả năng phục hồi hệ thống và nâng cao chất lượng dịch vụ cấp điện cho người dân và doanh nghiệp.

DG cần phải xét đến bài toán tái cấu hình lưới của lưới điện phân phối

DG (phát điện phân tán) mang lại lợi ích kinh tế cho hệ thống điện bằng cách ảnh hưởng đến giá điện, trì hoãn nâng cấp hệ thống truyền tải và phân phối, đồng thời tận dụng nguồn năng lượng từ chất thải và nhiên liệu linh hoạt để tối ưu chi phí vận hành Việc triển khai DG còn cải thiện chất lượng điện và tăng sẵn sàng dịch vụ, đồng thời thúc đẩy liên kết nhiệt – điện nhằm cung cấp nguồn điện có độ tin cậy cao Dựa trên các phân tích sơ bộ, DG đóng vai trò thiết yếu trong tăng hiệu quả kinh tế và độ tin cậy của hệ thống điện, đặc biệt ở các khu vực có biến động công suất và nguồn cung.

Trong thị trường điện tự do, giá điện được xác định dựa trên tổng các chi phí hỗ trợ đảm bảo hệ thống hoạt động tin cậy, do đơn vị vận hành hệ thống độc lập tính toán Các chi phí này gồm chi phí phục vụ, dự trữ vận hành, tổn thất công suất, gián đoạn truyền tải, chi phí truyền tải và chi phí quản lý Lượng chi phí này chiếm khoảng 20% giá thành điện năng.

Các công ty điện lực và các khách hàng lớn có thể xem xét việc sử dụng phát điện phân phối (DG) để hỗ trợ hệ thống điện của họ, giảm lượng công suất mua từ hệ thống truyền tải và từ đó có thể giảm giá điện Việc tham gia DG cũng giúp đối phó với các tình huống giá tăng đột biến trong giờ cao điểm.

Giảm đầu tư nâng cấp hệ thống bằng cách tận dụng nguồn DG có thể làm giảm hoặc loại bỏ tình trạng tắc nghẽn và quá tải trên hệ thống truyền tải Thông thường, quá tải chỉ xảy ra tại một số giờ cao điểm, nên nâng cấp đường dây cho cả ngày sẽ làm tăng chi phí vận hành; sử dụng DG tại các vị trí cần thiết cho phép đáp ứng nhu cầu trong giờ cao điểm mà không cần cải tạo lưới điện toàn diện Các công ty điện lực hoặc khách hàng dùng điện lớn có thể khai thác DG sẵn có trên hệ thống hoặc lắp đặt DG ở các điểm phù hợp Phương pháp này tiềm ẩn lợi ích kinh tế lớn do chi phí vận hành DG thường không cao hơn mua điện từ hệ thống truyền tải, thậm chí có lúc thấp hơn, đồng thời giúp tiết kiệm vốn đầu tư cho đường dây nhờ các nguồn như turbine gió, turbine khí.

Các công nghệ DG có thể tận dụng các nguồn năng lượng có chi phí thấp hoặc khó khăn trong vận chuyển; ví dụ, dầu mỏ chất lượng kém và các khí không kinh tế khi vận chuyển thường bị đốt bỏ, trong khi năng lượng sinh học từ rác thải hoặc từ nông trại có thể được cung cấp và hơi đốt từ quá trình xử lý nước thải cũng có thể được tận dụng Các turbine khí và microturbine rất phù hợp với loại nhiên liệu này nhờ tính linh hoạt và hiệu quả tiềm năng.

Các phương pháp tái cấu hình lưới điện phân phối

Hệ thống điện gồm bốn thành phần chính là nhà máy điện, lưới điện truyền tải, LĐPP và phụ tải; trong đó hệ thống phân phối đóng vai trò đặc biệt quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy, chất lượng và giá thành điện năng cung cấp LĐPP thường vận hành ở trạng thái hở hay hình tia, tức là sơ đồ đơn tuyến không có vòng kín Vận hành hở mang lại nhiều ưu điểm như dễ bảo vệ lưới, dòng sự cố nhỏ và dễ điều chỉnh điện áp cũng như phân bố công suất, tuy nhiên do vận hành ở mức điện áp thấp và dòng điện lớn nên LĐPP thường có tổn thất công suất và độ sụt áp lớn Để nâng cao độ tin cậy của hệ thống phân phối, trên các mạch hình tia thường có khóa điện mở có khả năng kết nối đến các mạch khác; khi có sự cố xảy ra trên một nhánh, khóa điện mở cho phép khôi phục một phần phụ tải trong vùng có sự cố Ngoài ra, trên các mạch hình tia cũng có các khóa điện thường đóng có thể thay đổi trạng thái khi có yêu cầu Hình 2.1 mô tả một LĐPP đơn giản gồm hai nguồn và nhiều khóa điện, trong đó SW1, SW5 và RC3 ở trạng thái mở để đảm bảo lưới điện vận hành hở.

Các đoạn tải LN2 và LN6 nằm ở cuối lưới nguồn SS2 Để cải thiện chất lượng điện năng tại cuối lưới, bộ tụ bù được lắp giữa LN4; các thiết bị này có thể vận hành ở chế độ thông số không đổi hoặc thay đổi thông số bằng cách điều khiển từ xa hoặc tại chỗ Khi vận hành hệ thống phân phối điện như hình 2.1, có thể giảm tổn thất công suất bằng cách chuyển một số tải từ nguồn SS2 sang nguồn SS1, ví dụ đóng RC3 và mở SW2 để chuyển các đoạn tải LN5 và LN6 từ SS2 sang SS1 Hơn nữa, trên lưới phân phối điện lực (LĐPP) thực tế có rất nhiều khóa điện, việc tìm ra cách chuyển tải tối ưu trong tổ hợp các khóa điện sao cho đáp ứng các điều kiện ràng buộc kỹ thuật sẽ trở nên phức tạp hơn Việc phân tích và lựa chọn các cách chuyển tải này là nội dung của bài toán tái cấu hình LĐPP.

Để xây dựng bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối, trước tiên cần xác định hàm mục tiêu một cách rõ ràng Trong quá trình tái cấu trúc, có rất nhiều hàm mục tiêu khác nhau có thể được áp dụng, ví dụ như tối ưu hóa tổn thất công suất trên toàn hệ thống và bảo đảm chất lượng điện áp Vấn đề tái cấu trúc lưới cũng tương tự như các bài toán tối ưu khác, như tính toán phân bố tối ưu công suất, xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu cho hệ thống.

Khối lượng tính toán của bài toán tái cấu trúc lưới điện lớn do có nhiều biến số ảnh hưởng đến trạng thái khóa điện và điều kiện vận hành như lưới phân phối phải vận hành ở chế độ hở, không quá tải máy biến áp, đường dây và thiết bị đóng cắt, đồng thời sụt áp tại các hộ tiêu thụ nằm trong giới hạn cho phép Mạng phân phối đặc trưng là mạch vòng nhưng vận hành ở chế độ hở khiến mạng vận hành phải là mạng hình tia Vấn đề then chốt là đóng/mở các khóa trong từng vòng sao cho tổn thất công suất trên mạng phân phối đặc trưng được giảm thiểu Để làm được điều này, ta cần có một hàm mục tiêu giúp tìm kiếm cấu trúc tối ưu cho tổn thất công suất Xét trên mặt toán học, tái cấu trúc lưới điện là một bài toán quy hoạch chi phí phi tuyến rời rạc theo dòng công suất chạy trên các nhánh.

Tái cấu hình lưới điện phân phối là một phần trong vận hành hệ thống điện, bởi lưới phân phối là thành phần lớn nhất và gây tổn thất công suất đáng kể do điện áp thấp Mục tiêu của quá trình này là tìm một cấu trúc vận hành hình tia có tổn thất công suất tối thiểu dưới các điều kiện vận hành bình thường Thông thường lưới phân phối hình thành khi các mạng liên kết với nhau và khi hoạt động chúng sắp xếp thành một cấu trúc cây hình tia, giúp hệ thống phân phối được chia thành nhiều hệ thống con với một số khóa điện đóng và một số khóa điện mở Theo lý thuyết đồ thị, lưới phân phối có thể biểu diễn bằng đồ thị G(N, B), trong đó mỗi nút đại diện cho nguồn hoặc nút nhận và mỗi nhánh đại diện cho một nhánh có thể tải (khóa đóng) hoặc không tải (khóa mở) Do đặc trưng hình tia, các nhánh tạo thành một cây mà mỗi tải được cung cấp từ duy nhất một nguồn, nên bài toán tái cấu hình là tìm ra một cấu hình vận hành hình tia sao cho tổn thất công suất nhỏ nhất đồng thời thỏa mãn các ràng buộc vận hành Trong thực tế, tái cấu hình có thể xem như bài toán xác định một dạng cây tối ưu của đồ thị cho trước.

Hiện nay, có nhiều thuật toán được sử dụng để giải bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối, từ các phương pháp Heuristic và hệ chuyên gia cho đến tối ưu hóa tổ hợp với nhánh riêng biệt, các phương pháp giới hạn, và cả lập trình tiến hóa hay thuật toán di truyền (GA) Năm 1975, Merlin và Back là những người đầu tiên đề xuất nhánh riêng biệt và phương pháp giới hạn nhằm giảm tổn thất trong lưới điện phân phối, và do tính chất tổ hợp ngẫu nhiên của bài toán, cần kiểm tra một lượng lớn các cấu hình khác nhau cho một hệ thống thực Shirmohammadi và Hong đã cải tiến phương pháp Heuristic như đã nêu Fan và các cộng sự ứng dụng Heuristic để khôi phục hệ thống và cân bằng tải giữa nhiều nhánh, trong khi Castro và Franca đề xuất các thuật toán Heuristic điều chỉnh để tái cấu hình và cân bằng tải Các ràng buộc vận hành được kiểm tra thông qua giải bài toán phân bố công suất bằng phương pháp Newton-Raphson Baran và Wu trình bày một phương pháp tái cấu hình dựa trên trao đổi nhánh nhằm giảm tổn thất và cân bằng tải, đồng thời đề xuất hai phương pháp phân bố công suất có độ chính xác khác nhau để hỗ trợ tìm kiếm và một biểu thức đại số cho ước lượng mức giảm tổn thất khi thay đổi cấu hình [1, 2].

Hình 2 8 Thuật toán tái cấu trúc lưới đơn giản [18]

Các nhà nghiên cứu Liu và cộng sự đề xuất một hệ chuyên gia nhằm phục hồi và giảm tổn thất trong hệ thống phân phối, xem bài toán tái cấu hình là tối ưu phi tuyến tổ hợp và cho rằng để tìm giải pháp tối ưu cần xem xét tất cả các cấu trúc cây có thể được hình thành do đóng/mở của các khóa điện hiện có trong mạng Nahman và Strbac trình bày một phương pháp heuristic khác, với thuật toán bắt đầu từ một mạng rỗng hoàn toàn, tất cả các khóa điện và tải bị ngắt kết nối, sau đó lần lượt kết nối các điểm tải vào các nhánh con hiện có; kỹ thuật tìm kiếm này không đảm bảo tối ưu toàn cục Zhu và các cộng sự đề xuất phương pháp dựa trên quy tắc để nghiên cứu tái cấu hình lưới điện phân phối (DNRC).

Mô hình DNRC với ràng buộc công suất của đường dây được thiết lập nhằm mục tiêu giảm tổn thất công suất của hệ thống Không giống như phương pháp đổi nhánh truyền thống, các nhánh chuyển đổi được phân loại thành ba loại và các quy tắc tái cấu hình tối ưu của lưới điện phân phối được hình thành dựa trên kinh nghiệm vận hành hệ thống và các loại nhánh chuyển đổi Gần đây, các phương pháp mới dựa trên các thuật toán di truyền (GA), PSO và các kỹ thuật tối ưu khác đã được ứng dụng trong DNRC, mang lại hiệu quả tốt hơn so với các thuật toán heuristic truyền thống.

2.4.2 Mô hình toán học của tái cấu hình lưới điện phân phối

Thông thường, bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối (DNRC) được tập trung vào giảm tổn thất công suất trên lưới phân phối Mô hình toán học của DNRC có thể được thể hiện bằng dòng điện nhánh, cho thấy cách luồng điện phân phối qua từng nhánh sau khi quyết định đóng/mở các thiết bị và cấu trúc lại mạng lưới Việc mô phỏng dòng điện nhánh giúp xác định trạng thái tối ưu của lưới nhằm tối ưu hóa tổn thất và cải thiện hiệu quả vận hành DNRC là một bài toán tối ưu hóa liên quan đến cấu trúc mạng và trạng thái thiết bị, đòi hỏi các phương pháp giải phù hợp với đặc trưng nhị phân và phi tuyến của hệ thống lưới điện.

Vi: Điện áp nút tại nút i

K l : Đại diện cho trạng thái của các nhánh (K l =1 nếu nhánh l đóng, và K l = 0 nếu nhánh l mở)

Trong mô hình trình bày ở trên, biểu thức (2-9) đại diện cho ràng buộc dòng điện nhánh, mô tả sự phân bổ dòng điện giữa các nhánh của mạch Biểu thức (2-10) đại diện cho ràng buộc điện áp nút, xác định mối quan hệ điện áp giữa các nút trong mạch Biểu thức (2-11) đại diện cho Định luật Kirchhoff 1 (KCL), cho phép cân bằng tổng dòng điện đến tại mỗi nút Biểu thức (2-12) đại diện cho Định luật Kirchhoff về hiệu điện thế (KVL), nêu ra mối liên hệ giữa các phần tử trên một vòng mạch kín.

2 (KVL) Biểu thức (2-13) đại diện cho ràng buộc về cấu hình hình tia của mỗi cấu hình xem xét Nó bao gồm hai ràng buộc:

(a) Tính khả thi: Tất cả các nút trong mạng phải đƣợc kết nối bởi một số nhánh, tức là ở đó không có nút nào bị tách biệt

(b) Hình tia: Số lƣợng các nhánh trong mạng phải nhỏ hơn so với số lƣợng các nút một đơn vị (k l * NL = N - 1)

Do đó, cấu hình mạng cuối cùng phải đƣợc bố trí hình tia và tất cả các tải vẫn phải kết nối

2.4.3.1 Phương pháp trao đổi nhánh đơn giản Ý tưởng cơ bản của phương pháp đổi nhánh Heuristic là tính toán sự thay đổi của tổn thất công suất bằng cách vận hành một cặp các khóa điện (đóng một và mở một khóa điện khác vào cùng một thời điểm) Mục đích là để giảm tổn thất công suất Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản và dễ hiểu Những nhược điểm:

+ Các cấu hình cuối cùng phụ thuộc vào cấu hình mạng ban đầu

Giải pháp là tối ưu địa phương, chứ không phải tối ưu toàn cục, nghĩa là tối ưu hóa các phần tử riêng lẻ thay vì toàn mạng Việc lựa chọn và vận hành từng cặp khóa điện đòi hỏi nhiều thời gian, và tính toán phân bố công suất trong mạng hình tia tương ứng cũng rất phức tạp, làm tăng khối lượng công việc và chi phí tính toán.

2.4.3.2 Mô hình dòng chảy tối ƣu

Nếu trở kháng của tất cả các nhánh trong mạng được thay thế bằng điện trở của nhánh tương ứng và phân bố dòng công suất đáp ứng các định luật KCL và KVL, ta có một mô hình dòng chảy tối ưu Khi phân bố công suất trong một vòng kín là dòng chảy tối ưu, tổn thất công suất trong mạng tương ứng sẽ là nhỏ nhất Do đó, ý tưởng cơ bản của mô hình dòng chảy tối ưu là mở khóa điện của nhánh có dòng điện thấp nhất trong vòng kín Các bước của thuật toán Heuristic dựa trên một mô hình dòng chảy tối ưu nhằm xác định và thực hiện các thao tác tối ưu trên vòng kín, tối ưu hóa phân bố công suất và giảm thiểu tổn thất.

(1) Tính toán phân bố công suất của mạng hình tia ban đầu

(2) Đóng tất cả các các khóa điện thường mở để tạo thành các mạng vòng

(3) Tính toán dòng điện tương đương bơm vào tất cả các nút trong một vòng thông qua phương pháp bơm dòng điện

(4) Thay thế trở kháng của nhánh tương ứng bằng điện trở của nhánh trong các vòng kín và sau đó tính toán dòng chảy tối ƣu

(5) Mở khóa điện của nhánh có dòng điện thấp nhất trong vòng kín Tính toán lại phân bố công suất phần còn lại của mạng

(6) Mở khóa điện trên nhánh tiếp theo và lặp lại bước (5) cho đến khi mạng trở thành một mạng hình tia

Phương pháp này có những ưu điểm chính: cấu hình mạng cuối cùng sẽ không phụ thuộc vào cấu trúc mạng ban đầu, giúp tăng tính ổn định và linh hoạt; tốc độ tính toán nhanh hơn nhiều so với các phương pháp đổi nhánh đơn giản, tiết kiệm thời gian và tài nguyên xử lý; và bài toán vận hành khóa điện tổ hợp phức tạp được chuyển thành một bài toán heuristic bằng cách mở một khóa điện mỗi lần, từ đó khai thác hiệu quả các chiến lược heuristic để tìm lời giải tối ưu.

Tuy nhiên, có một số nhược điểm do bởi tất cả các khóa điện thường mở đƣợc đóng trong cấu hình mạng ban đầu, nhƣ là:

Trong một mạng có nhiều khóa điện thường mở, việc tính toán dòng chảy tối ưu sẽ phải đối mặt với nhiều vòng lặp phức tạp Do các vòng lặp này tác động lẫn nhau, giải pháp cuối cùng có thể không được tối ưu hoàn toàn.

Các nghiên cứu khoa học liên quan

Các nghiên cứu trước đây cho thấy có nhiều phương pháp nhân tạo để tái cấu trúc trên lưới phân phối, như giải thuật heuristic [11] và giải thuật mô phỏng luyện kim (SA) [12] Hai giải thuật này có độ tin cậy tìm cấu trúc tối ưu chưa cao Hiện nay, một số phương pháp tiên tiến áp dụng các giải thuật trong trí tuệ nhân tạo như giải thuật di truyền (GA) [13,14] và giải thuật tối ưu dựa trên đàn kiến (ACS) [15,16,17] để giải quyết các bài toán này Kết quả từ các hướng nghiên cứu này cho tập nghiệm đa dạng, giá trị hàm mục tiêu tốt hơn và tốc độ xử lý nhanh hơn.

Luận văn thạc sĩ của PGS.TS Trương Việt Anh tập trung vào bài toán tái cấu hình lưới phân phối (LĐPP) nhằm giảm tổn thất điện năng, xem xét cả trường hợp có kết nối DG và trường hợp DG không có kết nối cố định Các phương pháp giải được sử dụng chủ yếu là Merlin và Back [3], giúp phân tích hiệu quả và giới hạn của từng phương án trong tối ưu hóa cấu trúc LĐPP và quản lý nguồn DG.

Bài toán được giải quyết bằng kỹ thuật heuristic rời rạc nhánh-biên Civanlar et al đề xuất một phương pháp trao đổi nhánh để cải thiện hiệu quả tìm kiếm Các phương pháp meta-heuristic như GA, PSO và CSA đã được đề xuất gần đây nhằm đạt được giải pháp tối ưu toàn cục Xét vị trí và dung lượng DG trên bài toán LĐPP hình tia, bài toán không xét đến sự biến đổi cấu hình của LĐPP Tuy nhiên, có thể xem xét hai vấn đề cùng lúc: tích hợp cả bài toán tái cấu hình và vị trí cùng dung lượng DG để nâng cao hiệu quả của mạng lưới phân phối.

Trong tài liệu [8], các tác giả sử dụng phương pháp điểm trong để xác định vị trí và dung lượng của nguồn DG nhằm tối ưu hóa tổn thất lưới phân phối Kết quả áp dụng trên mạng lưới 10 nút và mạng lưới 42 nút cho thấy phương pháp này đạt được hiệu quả khá tốt Kết quả tính toán cho thấy vị trí đặt DG tối ưu là tại nút có công suất tải tiêu thụ lớn nhất trong lưới phân phối Mức độ giảm tổn thất trên lưới phân phối sau khi có DG phụ thuộc nhiều hay ít vào mức công suất phát ra của DG, cho thấy tầm quan trọng của công suất phát DG trong tối ưu hóa mạng lưới.

Việc tham gia của nguồn phân tán (DG) vào hệ thống phân phối mang lại một số lợi ích kỹ thuật như giảm tổn thất đường dây, cải thiện chỉ số điện áp, nâng cao chất lượng điện năng và tăng độ tin cậy truyền tải và phân phối Trong tài liệu tham khảo [9], các tác giả mô tả cách dùng giải thuật di truyền để xác định vị trí đặt và công suất phát tối ưu của nguồn phân tán trên mô hình lưới điện phân phối 22 kV Quá trình tối ưu này giúp giảm tổn thất công suất đồng thời cải thiện dạng điện áp trên đường dây.

Nghiên cứu áp dụng trên lưới điện 20 nút kết quả đạt dược như sau:

+ Tổng công suất phát của DG là 5,4 +j2,7 (MVA)

+ Tỷ lệ % giảm tổn thất là 58,46%

+ Tỷ lệ % tăng điện áp cao nhất 3,32%

Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung giải quyết bài toán trên lưới điện phân phối hình tia cố định Điều này thực sự không phù hợp với bài toán thiết kế và vận hành lưới điện phân phối, vì lưới phân phối phải luôn chuyển tải để thích nghi với sự thay đổi của phụ tải và đảm bảo đạt được mục tiêu vận hành.

Việc kết hợp phương pháp Newton-Raphson trong tính toán dòng công suất lưới điện và tối ưu PSO đã cung cấp một phương thức hiệu quả để xác định vị trí đặt và công suất phát tối ưu cho một số nguồn phân tán DG (distributed generation) trên lưới điện phân phối Phương pháp này cho phép nhà vận hành nghiên cứu và mô phỏng một mạng phân phối bất kỳ dựa trên thông tin sẵn có của hệ thống, từ đó lên kế hoạch kết nối DG nhằm mục tiêu giảm tổn thất và cải thiện điện áp ở mức mong muốn.

Bên cạnh đó, nhóm tác giả được đề cập trong [10] đã áp dụng thuật toán tìm kiếm Taboo để giải quyết bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi có kết nối nguồn phân tán DG vào hệ thống Nghiên cứu đề xuất một phương pháp tối ưu hóa hàm mục tiêu gồm các chi phí hoạt động của lưới, chi phí hệ thống bảo vệ, chi phí gián đoạn do ngừng cấp điện và chi phí tổn thất công suất.

Mô hình toán học đề xuất được thử nghiệm trên hệ thống 135 bus, bao gồm cả một hệ thống phân phối thực tế 13,8 kV tại São Paulo, Brazil Kết quả mô phỏng được so sánh với kiểm nghiệm trên hệ thống thực cho thấy mô hình có khả năng xác định các tác động liên quan đến độ tin cậy của hệ thống, hệ thống bảo vệ và hiệu quả vận hành của mạng trong một chương trình tích hợp Thông qua các phương pháp triển khai, lợi ích đạt được gồm khả năng quan sát điện áp và tần số mạng khi có kết nối DG, cho thấy việc kết nối DG theo cấu hình này có thể làm giảm chi phí vận hành và chi phí liên quan đến độ tin cậy nhờ khai thác các mức giá khác nhau từ các nguồn phát trên lưới rộng Đồng thời, DG có thể đáp ứng nhu cầu phụ tải tăng đột biến Tuy nhiên, thiết kế này có thể đòi hỏi chi phí bảo vệ cao và làm giảm hiệu quả phối hợp các thiết bị bảo vệ, khiến cần xem xét đánh đổi giữa chi phí và lợi ích.

Từ những nghiên cứu đã công bố ở trên, trong khuôn khổ luận văn này tập trung chủ yếu vào việc giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy của lưới phân phối khi có sự kết nối của nguồn điện phân phối (DG) và sử dụng PSO để tối ưu hóa vận hành Các vấn đề liên quan đến cải thiện điện áp và vận hành lưới thông qua thay đổi các thiết bị bảo vệ trên hệ thống sẽ không được xem xét.

Bài toán xác định cấu trúc vận hành lưới điện phân phối kết hợp với máy phát điện phân tán

Tái cấu trúc lưới điện phân phối là quá trình thay đổi trạng thái đóng/mở của các khóa điện nhằm tối ưu hóa liên kết mạng và tôn trọng các ràng buộc của hệ thống để đạt được các mục tiêu đề ra Đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu về vấn đề tái cấu hình lưới điện; năm 1975, Merlin và Back lần đầu đặt vấn đề và đề xuất giải bằng heuristic rời rạc nhánh-biên Civanlar et al đề xuất phương pháp trao đổi nhánh để ước tính giảm tổn thất, tuy nhiên vì phương pháp này dựa trên kỹ thuật chẩn đoán nên khó có một cách có hệ thống để đánh giá một giải pháp tối ưu Trong những năm gần đây, các phương pháp meta-heuristic đã được đề xuất nhằm giải quyết bài toán tối ưu hóa và đạt được giải pháp tối ưu toàn cục, ví dụ một thuật toán di truyền cải tiến được phát triển cho bài toán tái cấu hình nhằm giảm thiểu tổn thất điện năng và nâng cao độ tin cậy của hệ thống.

Việc tái cấu trúc hệ thống lưới điện phân phối là một bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc với nhiều biến số tác động đến trạng thái khóa điện và điều kiện vận hành, trong đó lưới điện phân phối phải vận hành hở và đảm bảo không quá tải máy biến áp, đường dây cũng như thiết bị đóng cắt Việc này rất khó khăn khi tiếp cận bằng các phương pháp giải tích toán học truyền thống, nên các phương pháp tìm kiếm được ứng dụng phổ biến cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối cân bằng tải là quy tắc heuristic và hệ chuyên gia Vì vậy, tối ưu hóa cấu trúc mạng đòi hỏi cách tiếp cận linh hoạt, kết hợp mô hình hóa phi tuyến và rời rạc với các chiến lược tìm kiếm thông minh để đạt được hiệu suất vận hành tốt nhất.

Các bài toán vận hành lưới điện phân phối tập trung giải quyết các vấn đề chính như giảm tổn thất công suất trên lưới, cải thiện thời gian tái lập sau sự cố, nâng cao hệ số tin cậy và tăng khả năng tải của hệ thống, đồng thời khắc phục tình trạng mất cân bằng tải giữa các nhánh Trên nền tảng các mục tiêu này, một số bài toán tái cấu trúc lưới được đặt ra nhằm tối ưu hóa phân bổ nguồn lực, cải thiện hiệu suất vận hành và đảm bảo an toàn cung cấp điện cho người dùng Việc ứng dụng các giải pháp tái cấu trúc giúp điều chỉnh phân cấp nguồn, tối ưu hóa lưu lượng dòng điện và điều khiển thiết bị để giảm tổn thất, rút ngắn thời gian phục hồi và duy trì cân bằng tải giữa các khu vực.

Luận văn thạc sĩ của PGS.TS Trương Việt Anh trình bày bốn bài toán tối ưu lưới điện: bài toán thứ nhất là giảm tổn thất công suất tại một điểm phụ tải cố định ở một thời điểm, kết quả cho thấy một cấu trúc lưới điện tối ưu có tổn thất công suất nhỏ nhất tại điểm phụ tải đó; bài toán thứ hai là giảm tổn thất năng lượng dựa trên bài toán cơ bản, xét trên một khoảng thời gian để xác định cấu trúc lưới có tổn thất năng lượng nhỏ nhất trong khoảng thời gian xem xét; bài toán thứ ba là cân bằng tải giữa máy biến áp và đường dây, nhằm phân bổ tải đều theo khả năng của từng máy biến áp và đường dây, đảm bảo kỹ thuật, độ tin cậy cung cấp điện và dự trữ cho mỗi thiết bị; bài toán thứ tư là khôi phục cấp điện sau sự cố bằng cách cô lập phần bị sự cố khi xảy ra ngắn mạch hay quá tải và cấp điện trở lại cho phụ tải bị ảnh hưởng với các ràng buộc về dòng, áp nằm trong phạm vi cho phép, nhằm giảm số phụ tải mất điện.

Việc tái cấu trúc lưới điện phân phối có máy phát điện là bài toán phân bố công suất nhằm xác định dây dẫn và thiết bị phân phối điện tối ưu Quá trình này đồng thời kiểm tra sụt áp ở điều kiện làm việc bình thường và sự cố, và tính toán tổn thất công suất để đánh giá các chỉ tiêu kinh tế của các phương án đề xuất Trên cơ sở các phân tích này, ta có thể chọn được phương án cấp điện hợp lý về mặt kinh tế và kỹ thuật.

Trong đề tài này trình bày một thuật toán mới, áp dụng giải thuật PSO trên lưới điện phân phối để giải quyết vấn đề nêu trên Thuật toán mới tách bài toán thành hai giai đoạn để giải quyết một cách có hệ thống, từ đó cải thiện hiệu quả tối ưu và khả năng hội tụ của quá trình tối ưu hóa.

Giai đoạn 1 của phương pháp đề xuất áp dụng phát biểu heuristic "Lưới điện phân phối vận hành mạch vòng luôn có tổn hao công suất bé nhất" nhằm xác định vị trí và số lượng các nguồn DG cần thiết, với hàm mục tiêu là giảm tối đa tổn hao công suất trên lưới phân phối mạch vòng.

Giai đoạn 2: Giải bài toán tái cấu hình lưới phân phối đã có DG ở giai đoạn 1 cũng với mục tiêu là tổn thất công suất nhỏ nhất

Lưới điện kín đạt hiệu quả cao nhất về các chỉ tiêu như tổn thất điện áp và điện năng, cùng các tiêu chí kỹ thuật khác Tuy nhiên, việc vận hành lưới điện kín đặt ra nhiều thách thức, đặc biệt là ở khâu phối hợp bảo vệ cho các phần tử trên lưới, vốn rất phức tạp Điều này dễ khiến hệ thống bảo vệ hoạt động không chọn lọc, từ đó làm giảm hiệu quả và an toàn của toàn hệ thống.

Lưới phân phối được thiết kế theo mạch vòng liên thông nhưng vẫn vận hành ở cấu trúc hình tia bằng cách mở khóa các mạch vòng trên hệ thống điện Mở khóa tối ưu cho lưới mạch vòng này là điểm mà tại đó phụ tải nhận công suất từ cả hai chiều của lưới điện, hay gọi là điểm phân công suất.

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ CÔNG SUẤT NGUỒN PHÂN TÁN

VÍ DỤ KIỂM TRA

Tiêu đề	Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật Lai
Trường học	University of Ben Tre (Trường Đại Học Bến Tre)
Chuyên ngành	Electrical Engineering
Thể loại	Thesis
Thành phố	Bến Tre

Định dạng
Số trang	92
Dung lượng	3,38 MB