GIỚI THIỆU
Đặt vấn đề
Điện năng ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo ổn định và phát triển của mỗi quốc gia, đồng thời nguồn năng lượng đang ngày càng khan hiếm do nhu cầu tăng cao và tác động tiêu cực đến môi trường Lưới điện phân phối và tải có những thay đổi với các yêu cầu và thách thức mới về dịch vụ, độ tin cậy, chi phí đầu tư, giá năng lượng, và yếu tố môi trường Để đáp ứng những thách thức này, lưới điện cần được mở rộng thông qua nâng cấp đường dây, xây dựng tuyến dây mới, lắp đặt trạm biến áp, mở rộng dung lượng, cùng với việc triển khai nguồn điện phân tán (DG) và các hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) Tuy nhiên, việc nâng cấp truyền thống như xây dựng mới hoặc nâng cấp hệ thống gây ra tăng vốn đầu tư, chi phí, và không đảm bảo hiệu quả ở thời điểm tải cao Chính vì vậy, hiện nay, việc mở rộng lưới điện thông qua lắp đặt các nguồn điện phân tán và hệ thống lưu trữ năng lượng đã trở thành xu hướng tất yếu nhằm đảm bảo sự bền vững và hiệu quả của hệ thống điện quốc gia.
Chiến lược năng lượng hiện nay và tương lai tập trung vào khai thác nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, gió, khí thiên nhiên, đồng thời thúc đẩy tiết kiệm năng lượng, lưu trữ năng lượng và thu hút đầu tư từ khu vực tư nhân vào các nguồn điện mới Các công nghệ năng lượng bền vững như pin mặt trời, turbine gió và hệ thống lưu trữ năng lượng ngày càng phổ biến nhờ chi phí giảm mạnh và chính sách hỗ trợ hiệu quả, góp phần nâng cao hiệu quả kỹ thuật, kinh tế và môi trường của hệ thống điện quốc gia Do đó, việc lắp đặt các hệ thống phát điện phân tán (DG) vào lưới điện truyền tải là cần thiết để tận dụng tối đa lợi ích từ các công nghệ này, góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng sạch và bền vững.
Bộ dự trữ năng lượng (ESS) là công nghệ quan trọng trong lĩnh vực phân phối điện đang ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng rãi ESS giúp giải quyết vấn đề về đáp ứng nhu cầu phụ tải trong các giờ cao điểm, giảm thiểu chi phí mua năng lượng cao cho khách hàng Ngoài ra, công nghệ này lưu trữ năng lượng dư thừa trong thời điểm thấp điểm và phát ra trở lại khi nhu cầu cao, góp phần tối ưu hóa hệ thống lưới điện và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.
Hệ thống pin dự trữ năng lượng (BESS) là công nghệ ESS phổ biến nhất được sử dụng trong lưới điện μικροσύστημα phát điện nhỏ nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động, tránh phạt hợp đồng do sự cố mất điện, giảm chi phí năng lượng và ứng phó với biến động giá điện đột biến Việc lắp đặt ESS giúp giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng tái tạo (RES) và trì hoãn đầu tư nâng cấp hệ thống điện hiện có, từ đó góp phần đảm bảo hiệu quả và ổn định của lưới điện nhỏ Chính vì vậy, nghiên cứu và triển khai hệ thống ESS trong lưới điện nhỏ là cần thiết để nâng cao độ tin cậy, giảm thiểu rủi ro và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống điện.
Hiện nay, nhiều Lợi Điện Pháo Phương (LĐPP) đã được lắp đặt các hệ thống phát điện tái tạo với chi phí đầu tư thấp, chủ yếu là pin quang điện (PV) Tuy nhiên, do vị trí lắp đặt, yếu tố môi trường, chính sách khuyến khích và khả năng của nhà đầu tư, các PV gặp khó khăn trong việc lựa chọn vị trí và công suất tối ưu Các hệ thống PV thường được lắp đặt từng phần dựa trên điều kiện đầu tư hiện có và vẫn tiếp tục mở rộng công suất phù hợp với thực tế Do đó, xác định cấu hình vận hành tối ưu cho LĐPP là cần thiết để đảm bảo hoạt động hiệu quả nhất.
Hình 1 1 LĐPP có kết nối các DG và ESS
DG và ESS đang thu hút nhiều nhà nghiên cứu trong việc tối ưu vị trí và dung lượng để mở rộng lưới điện phân tán (LĐPP) và nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện [12], [13] Việc mở rộng LĐPP với sự hỗ trợ của DG và ESS giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn, kiểm soát tốt hơn giá mua điện năng, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
[14], [15] Chính vì thế, bài toán cho LĐPP hiện nay là:
Đối với hệ thống điện mặt trời mái nhà (LĐPP) chưa được lắp đặt nguồn điện gia tăng (DG), việc mở rộng LĐPP thông qua xác định vị trí và công suất của DG tham gia vào hệ thống là cần thiết để nâng cao hiệu quả hoạt động Cực tiểu tổn thất công suất (ΔP) đóng vai trò chính trong hàm mục tiêu tối ưu, vì nó thể hiện mức độ giảm thiểu tổn thất công suất khi có sự tham gia của DG vào hệ thống Việc tối ưu hóa tổn thất công suất giúp giảm hao hụt năng lượng, nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống điện mặt trời mái nhà.
Đối với LĐPP đã lắp đặt DG, chủ yếu là PV, việc mở rộng công suất PV tại cùng vị trí hoặc vị trí mới phụ thuộc vào khả năng đầu tư, chính sách khuyến khích, vị trí lắp đặt và các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường LĐPP cần xác định lại cấu hình vận hành mới nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng (ΔA).
Đối với LĐPP có chi phí mua điện cao, cần giảm chi phí mua điện năng hoặc khai thác hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo (RES) có công suất đầu ra không ổn định Việc mở rộng công suất vận hành của hệ thống lưu trữ năng lượng ESS giúp giảm giá mua điện, tối ưu hóa khai thác RES và giảm tổn thất năng lượng Ngoài ra, ESS còn hỗ trợ dịch chuyển thời gian đỉnh phụ tải và giảm đỉnh phụ tải, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống Việc xác định vị trí và dung lượng ESS phù hợp là cần thiết để LĐPP tận dụng tối đa các lợi ích mang lại từ công nghệ ESS.
Để khai thác tối đa tiềm năng năng lượng tại chỗ, cần mở rộng hệ thống LĐPP nhằm tăng tỷ lệ tham gia của các nguồn điện phân tán (DG) và giảm thiểu chi phí đầu tư của các nhà đầu tư DG Việc đạt tỷ lệ thâm nhập cao của DG là mục tiêu quan trọng, vì càng nhiều DG tham gia thì chi phí đầu tư trên mỗi kW càng giảm Trong vận hành hệ thống điện, việc tối thiểu hóa tổn thất công suất là yếu tố kỹ thuật then chốt giúp giảm chi phí vận hành Do đó, bài toán chính là tối đa hóa công suất của DG cùng với giảm thiểu tổn thất công suất của hệ thống điện.
Dựa trên các công trình nghiên cứu đã công bố và thực tiễn của lĩnh vực lưới điện phân phối, đề tài “Mở rộng nguồn điện phân tán và bộ dự trữ năng lượng trên lưới điện phân phối” nhằm mục tiêu giải quyết bài toán nâng cao khả năng mở rộng lưới điện phân phối qua việc lắp đặt nguồn điện phân tán (DG) và bộ lưu trữ năng lượng (ESS) Đề tài tập trung vào bốn vấn đề chính bao gồm tối ưu hóa việc sử dụng DG và ESS, tăng tính linh hoạt và độ tin cậy của lưới điện, giảm tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống phân phối Các nghiên cứu trước đó và thực tiễn đều cho thấy rằng việc mở rộng nguồn điện phân tán kết hợp với bộ dự trữ năng lượng là giải pháp chiến lược để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng và thúc đẩy phát triển năng lượng sạch tại địa phương.
- Mở rộng LĐPP thông qua lắp đặt mới DG có xét đến DNR với hàm mục tiêu là cực tiểu tổn thất công suất của hệ thống
Xác định cấu hình vận hành của hệ thống LĐPP khi DG tiếp tục được mở rộng công suất là bước quan trọng nhằm tối ưu hóa hiệu quả hoạt động Hàm mục tiêu tập trung vào việc giảm thiệt hại năng lượng trong hệ thống, giúp nâng cao tính tiết kiệm và bền vững cho quá trình vận hành Việc này đảm bảo hệ thống hoạt động một cách tối ưu, giảm thiểu tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu suất tổng thể.
Mở rộng lưới điện phân phối (LĐPP) thông qua việc lắp đặt hệ thống lưu trữ năng lượng dự phòng (ESS) mới nhằm giảm chi phí mua điện và giảm tổn thất năng lượng của hệ thống Đầu tư vào ESS giúp tối ưu hoá hoạt động của lưới điện, giảm áp lực về nguồn cung năng lượng, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành và tiết kiệm chi phí lâu dài Việc tích hợp ESS không chỉ giảm chi phí tiêu thụ điện hàng ngày mà còn góp phần cải thiện độ ổn định và độ tin cậy của hệ thống phân phối điện.
- Mở rộng tối đa công suất thâm nhập của DG vào LĐPP với hàm mục tiêu là cực tiểu tổn thất công suất của hệ thống.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết về LĐPP, DG và ESS
- Nghiên cứu các bài toán mở rộng LĐPP thông qua kết nối DG và ESS, mở rộng công suất của DG và công suất vận hành của ESS
- Mô phỏng, kiểm tra trên LĐPP mẫu và so sánh kết quả với các công bố khác.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
- Mở rộng LĐPP thông qua lắp đặt mới các DG với mục tiêu là cực tiểu tổn thất công suất của hệ thống
- Xác định cấu hình LĐPP khi mở rộng công suất DG với mục tiêu cực tiểu tổn thất năng lượng của hệ thống
- Kế hoạch lắp đặt mở rộng DG thâm nhập vào LĐPP với mục tiêu cực tiểu tổn thất công suất cho LĐPP Chư Prông – Gia Lai, Việt Nam
- Xác định vị trí và dung lượng của ESS với mục tiêu là giảm chi phí mua điện và giảm chi phí tổn thất năng lượng của hệ thống.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết là bước quan trọng để tìm hiểu, phân tích và tổng hợp các tài liệu liên quan đến đề tài, giúp làm rõ nội dung chính và kiến thức cần thiết để giải quyết các yêu cầu của bài toán đặt ra Việc nắm vững lý thuyết sẽ hỗ trợ xây dựng cơ sở kiến thức vững chắc, từ đó nâng cao hiệu quả trong quá trình phân tích và xử lý vấn đề This ensures the completeness and relevance of the research, góp phần thúc đẩy thành công của dự án.
- Mô phỏng trên các phần mềm MATLAB, PSS-ADEPT để kiểm tra các bài toán đề xuất trên các lưới điện mẫu.
Đóng góp của luận án
Bài luận án tập trung phân tích và đề xuất các giải pháp mở rộng lưới điện phân phối (LĐPP) nhằm nâng cao khả năng cấp điện và độ tin cậy của hệ thống Đồng thời, nghiên cứu đề xuất mở rộng công suất của các nguồn phân tán (DG) để tối ưu hoá hiệu suất và giảm tải cho lưới truyền tải trung tâm Ngoài ra, công tác cải thiện công suất vận hành của bộ dự trữ được đề xuất nhằm đảm bảo cân bằng cung cầu điện năng, nâng cao tính linh hoạt và ổn định của hệ thống điện phân phối trong điều kiện phát triển nguồn năng lượng tái tạo Các giải pháp này giúp hệ thống phân phối trở nên ổn định, tin cậy hơn, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững của ngành điện.
Nghiên cứu đề xuất năm năng lượng lưu trữ điện (ESS) nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống điện lực quốc gia Bài luận án trình bày ba bài toán mới cũng như một bài toán ứng dụng đặc thù cho lĩnh vực điện lực Việt Nam, giúp tối ưu hóa quản lý năng lượng và nâng cao độ tin cậy của hệ thống Các phương pháp đề xuất hướng tới cải thiện hiệu quả hoạt động của LĐPP bằng cách áp dụng các giải pháp sáng tạo trong lưu trữ và phân phối năng lượng, phù hợp với đặc thù của ngành điện tại Việt Nam.
Bài toán mở rộng Lập trình tuyến tính phi tuyến (LĐPP) nhằm xác định vị trí và công suất tối ưu của các nguồn năng lượng phân tán (DG) trong hệ thống điện phân phối, có tính đến khả năng tái cấu trúc lại lưới điện phân phối (DNR) Luận án đề xuất một phương pháp mới chia quá trình tối ưu thành hai giai đoạn, giúp nâng cao hiệu quả trong việc xác định các vị trí và công suất phù hợp cho DG, từ đó tối ưu hoá hiệu suất hoạt động của hệ thống điện phân phối Phương pháp này không chỉ tối đa hoá hiệu quả năng lượng mà còn đảm bảo các yêu cầu về an ninh và ổn định của lưới điện trong quá trình tái cấu trúc.
Bài toán tối ưu lắp đặt GENERATOR (DG) trong hệ thống Lưới điện phân phối kín (LĐPP) giai đoạn thiết kế và giai đoạn vận hành mở khóa để lưới vận hành thuận lợi đã được đề xuất nhằm giảm thiểu tổn thất công suất của hệ thống Phương pháp này tích hợp xét DNR, sử dụng mô hình hai giai đoạn để cung cấp lời giải tối ưu toàn cục, đồng thời giảm số biến số của từng giai đoạn so với các phương pháp truyền thống Việc phân chia quá trình thành hai giai đoạn phù hợp với dài hạn và ngắn hạn giúp nâng cao hiệu quả tối ưu, đặc biệt qua các thử nghiệm trên LĐPP 33 nút và 69 nút chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp Thuật toán Runner Root Algorithm (RRA) được sử dụng để tối ưu, so sánh với Coyote Algorithm (COA) và Genetic Algorithm (GA), đều chứng minh tính hiệu quả trong việc tối ưu hóa lắp đặt DG có xét DNR Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp đề xuất giảm tổn thất công suất toàn hệ thống tốt hơn so với các bài toán đồng thời và VT-CS/DNR, phù hợp với các nghiên cứu đã công bố trong các công trình [1], [5], [7].
Bài toán 2 tập trung vào việc xác định cấu hình hệ thống liên kết đa điểm phân phối (LĐPP) khi mở rộng công suất của hệ thống pin quang điện (PV) Luận án đề xuất một thuật toán trao đổi nhánh với công suất nhánh trung bình (CSNTB) để cải tiến, nhằm tối ưu hóa cấu hình vận hành của LĐPP trong điều kiện mở rộng công suất của các nguồn năng lượng tái tạo, giúp nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống.
Bài toán tối ưu hệ thống lưới điện phân phối (LĐPP) tập trung vào mục tiêu giảm thiểu tổn thất năng lượng, mang lại sự đơn giản, dễ thực hiện và độ chính xác cao trong xác định cấu hình khi mở rộng công suất PV Các thử nghiệm trên lưới điện 18 nút và 33 nút cho thấy phương pháp đề xuất nhanh chóng và chính xác trong việc xác định cấu hình lưới so với các phương pháp truyền thống như sử dụng công suất nhánh trung bình (CSNTB) hoặc thuật toán tối ưu dựa trên đồ thị phụ tải Nghiên cứu và kết quả của phương pháp này đã được công bố tại các công trình khoa học số [2] và [10].
Bài toán 3: Áp dụng mở rộng LĐPP Chư Prông – Gia Lai của Việt Nam
LĐPP Chư Prông được mở rộng nhằm tối đa hóa công suất thâm nhập của các nguồn phát điện phân tán (DG) đồng thời giảm thiểu tổn thất công suất trong hệ thống Đề xuất phân chia quá trình lắp đặt thành ba giai đoạn, tương ứng với ba vị trí và công suất khả thi của DG, giúp tối ưu hóa hiệu quả đầu tư và vận hành Thuật toán Runner Root Algorithm (RRA) và Coyote Algorithm (COA) đã được sử dụng hiệu quả để xử lý bài toán tối ưu lắp đặt trong giai đoạn đầu, và tiếp tục thử nghiệm cho vấn đề lắp đặt ba DG mà không xét đến tái cấu hình hệ thống Từ các kết quả tối ưu của ba DG, luận án đề xuất kế hoạch mở rộng lắp đặt DG theo ba giai đoạn phù hợp với mục tiêu đầu tư dài hạn Các khuyến nghị và kết quả nghiên cứu đã được công bố trong các công trình số [3], [8], [9], góp phần thúc đẩy phát triển hệ thống điện phân tán tại Chư Prông.
Bài toán mở rộng LĐPP thông qua lắp đặt pin dự trữ năng lượng (BESS) nhằm giảm chi phí mua điện và tổn thất năng lượng Luận án đề xuất xác định vị trí và dung lượng của BESS trên LĐPP để tối ưu hóa chi phí năng lượng và giảm tổn thất Điểm mới của đề tài là sử dụng hàm mục tiêu cực tiểu hóa chi phí mua năng lượng cùng với thuật toán CSA lần đầu tiên áp dụng cho tối ưu hóa vị trí và dung lượng của BESS Việc lắp đặt BESS tối ưu không những giảm chi phí mua điện mà còn nâng cao hiệu quả khai thác nguồn năng lượng tái tạo (RES) và giảm tổn thất năng lượng trong hệ thống Các thử nghiệm trên hệ thống LĐPP 18 nút và 33 nút có PV đã chứng minh rõ hiệu quả của BESS trong việc tham gia quản lý hệ thống Nghiên cứu về tối ưu hóa lắp đặt BESS đã được công bố trong các công trình số [4] và [6], khẳng định tính khả thi và lợi ích thực tiễn của phương pháp này.
Các bài toán trong luận án đề nghị mở rộng LĐPP bằng cách lắp đặt và nâng công suất của DG và BESS để nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống Việc sử dụng DG giúp giảm tổn thất công suất của hệ thống, trong khi BESS mang lại lợi ích rõ rệt về giảm chi phí mua điện năng, từ đó tối ưu hóa hoạt động của LĐPP.
Bố cục của luận án
Chương 3: Mở rộng sự thâm nhập của nguồn điện phân tán trên lưới điện phân phối Chương 4: Mở rộng sự thâm nhập của bộ dự trữ năng lượng trên lưới điện phân phối
Lưới điện phân phối
Lưới điện phân phối (LĐPP) đóng vai trò then chốt trong hệ thống điện bằng cách cung cấp điện trực tiếp cho các hộ phụ tải, với cấu trúc truyền thống dạng dọc nhận năng lượng từ lưới truyền tải Quá trình truyền công suất từ nguồn điện đến các hộ sử dụng gây ra tổn thất công suất lớn, đặc biệt do đặc điểm phân bố phụ tải không đều, có tải cao điểm cùng sự thay đổi liên tục theo nhu cầu Các yếu tố này có thể dẫn đến quá tải đường dây, tổn thất năng lượng tăng cao, vận hành không kinh tế, giảm độ tin cậy hệ thống, dễ xảy ra sự cố và ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng cung cấp điện.
Lưới điện được vận hành ở trạng thái mạch vòng hở nhằm đảm bảo an toàn và ổn định hệ thống Để nâng cao độ tin cậy của lưới điện, các nhà hoạch định thiết kế hệ thống theo cấu trúc mạch vòng, vận hành theo dạng hình tia Các tuyến dây trong mạch vòng liên kết với nhau qua các khóa chuyển mạch, thường để ở vị trí mở nhằm cho phép dễ dàng thao tác Trong trường hợp cần sửa chữa hoặc xảy ra sự cố trên đường dây hoặc thiết bị, các khóa chuyển mạch này có thể chuyển sang trạng thái đóng mà không gây gián đoạn hệ thống, đảm bảo liên tục cung cấp điện năng.
Nghiên cứu và thực tế vận hành cho thấy LĐPP hình tia mang lại lợi ích như vận hành đơn giản, dễ dàng định lại cấu hình lưới sau sự cố, vùng mất điện nhỏ và hạn chế lan truyền sự cố Ngoài ra, hệ thống còn giảm khó khăn trong cắt điện cục bộ, dòng ngắn mạch nhỏ giúp việc đóng cắt và bảo vệ trên các tuyến dễ dàng hơn Tuy nhiên, LĐPP hình tia vẫn có nhược điểm như tổn thất công suất lớn, sụt áp cao và độ tin cậy thấp, đòi hỏi cần có các giải pháp khắc phục Trong thiết kế hệ thống, các khóa chuyển mạch được lắp đặt hợp lý để thuận tiện thao tác và giảm chi phí xây dựng.
• Kiểm soát và điều khiển
• Kiểm soát và điều khiển
• Kiểm soát và điều khiển
HỆ THỐNG TRUYỀN THỐNG HỆ THỐNG TƯƠNG LAI
Hình 2 1 Lưới điện trong truyền thống và tương lai [18]
Cấu trúc lưới điện truyền thống có dạng dọc, trong khi hệ thống mới hiện nay chuyển sang dạng ngang nhờ sự tham gia của các nguồn năng lượng phân tán (DG) và hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) Với cấu trúc ngang, công suất không chỉ truyền từ lưới truyền tải đến lưới phân phối mà còn lưu thông giữa các bộ phận của hệ thống, thậm chí có thể truyền ngược về phía nguồn, nâng cao hiệu quả vận hành Cấu trúc mới này giúp giảm tổn thất trên hệ thống, cải thiện chất lượng cung cấp điện, tăng độ tin cậy vận hành, đồng thời mang lại nhiều lợi ích kinh tế và kỹ thuật cho hệ thống phân phối điện.
Nguồn điện phân tán (DG)
Nguồn điện phân tán (DG) hiện nay đang được tích hợp rộng rãi vào lưới điện phân phối nhờ khả năng cung cấp năng lượng đảm bảo theo yêu cầu và mang lại lợi ích kinh tế lớn Các nguồn năng lượng tái tạo công suất lớn như tua bin gió, pin quang điện và thủy điện thường được kết nối với lưới truyền tải để đảm bảo cung cấp điện ổn định Tuy nhiên, điều kiện môi trường thất thường, như thiếu gió, nắng hoặc nước, gây ra tình trạng thiếu hụt nguồn điện cung cấp, ảnh hưởng đến sự vận hành liên tục của hệ thống điện.
Việc tìm giải pháp bù đắp điện năng cho sự thiếu hụt trong LĐPP là rất quan trọng đối với các nhà cung cấp năng lượng Lắp đặt các nhà máy phát điện nhỏ (DG) là phương pháp hiệu quả nhất để bổ sung điện năng ngay tại LĐPP, đặc biệt khi hệ thống gặp tải đỉnh hoặc bị gián đoạn nguồn Các DG tham gia cung cấp điện năng giá rẻ và giúp duy trì liên tục hệ thống khi cần thiết Trong hệ thống truyền tải, các nhà máy điện công suất lớn như nhiệt điện và thủy điện đóng vai trò chính, còn các nhà máy nhỏ hay vừa thường tham gia vào LĐPP để cung cấp năng lượng linh hoạt hơn Hiện nay, xây dựng các nhà máy phát công suất lớn gặp nhiều khó khăn do chi phí đầu tư cao, nguồn sơ cấp giảm, và tác động đến môi trường Thị trường điện cạnh tranh bán lẻ đã thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của các DG trong LĐPP, vì chúng là giải pháp hiệu quả để giảm chi phí và bù đắp hụt điện năng hiện nay.
Khi đồng bộ máy phát điện (DG) vào lưới điện phân phối (LĐPP), DG trở thành nguồn điện thứ hai hoặc nhiều hơn, hình thành lưới điện kín có đa nguồn cung cấp Tuy nhiên, việc lắp đặt DG ảnh hưởng đến tổn thất công suất hệ thống, dòng ngắn mạch, công suất đường dây và điện áp nút, đồng thời gây ra các vấn đề như giảm độ tin cậy hệ thống, biến động tần số và cộng hưởng Do đó, cần lập kế hoạch kỹ lưỡng về công suất và vị trí lắp đặt DG nhằm giảm tổn thất công suất, nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện Tối ưu hóa công suất và vị trí lắp đặt DG để giảm tổn thất, phù hợp với các ràng buộc kỹ thuật, đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu suất hệ thống điện và đảm bảo sự ổn định an toàn của lưới điện.
Hiện tại, công nghệ phát điện phân tán (DG) bao gồm các hệ thống không tái tạo và tái tạo quy mô nhỏ được tích hợp vào hệ thống điện phổ thông nhằm cung cấp năng lượng ngay tại các phụ tải hoặc gần khu vực phụ tải, đặc biệt ở những khu vực không thể kết nối lưới điện truyền thống như vùng nông thôn hoặc ngoại thành DG thường có công suất vừa hoặc nhỏ, phù hợp để lắp đặt tại hoặc gần các điểm phụ tải, giúp tối ưu hóa sự phân phối năng lượng và giảm tải cho hệ thống chính Các loại DG chủ yếu gồm các hệ thống khác nhau được phân loại rõ ràng theo tiêu chuẩn đã đề cập trong Bảng 2.1 [22], [23], phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật và kinh tế của từng khu vực.
Bảng 2 1 Phân loại DG Theo loại công suất Theo vị trí Theo kích cỡ Theo công nghệ
- DG1 là loại hỗ trợ
- DG2 là loại hỗ trợ cả P và Q (WT, thủy triều, sóng biển)
- DG3 là loại hỗ trợ
- DG4 là loại hỗ trợ
Q và hấp thụ P (WT kép)
- DG kết nối ở phía LĐPP
- DG kết nối ở phía phụ tải (rất gần, gần, xa với phụ tải)
- DG cở trung bình (5 - 50 MW)
- Tái tạo (WT, PV, nhiệt, khối lượng sinh học, địa nhiệt, thủy triều và thủy điện nhỏ, siêu nhỏ)
- Không tái tạo (tua bin khí loại nhỏ, tua bin đốt trong)
- Lưu trữ (siêu tụ điện, pin, bánh đà, khí nén)
Công nghệ về DG được mô tả như Hình 2.2, tùy theo loại công nghệ sẽ có phương pháp lắp đặt và chi phí khác nhau [19]
DG KHÔNG TÁI TẠO Địa nhiệt
Micro turbine Động cơ phản lực Động cơ đốt trong
Hình 2 2 Các công nghệ DG [19]
Công nghệ về năng lượng phân tán (DG) ngày càng cần thiết nhờ vào các nguồn năng lượng tái tạo (RES) như năng lượng mặt trời (PV), gió (WT), thủy điện nhỏ, sinh khối, địa nhiệt và thủy triều Việc tích hợp RES vào hệ thống năng lượng giúp giảm tác động môi trường và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về điện năng sạch, bền vững Chính vì lý do này, sử dụng RES đã trở thành xu hướng chính trong phát triển hệ thống năng lượng hiện đại.
Hiện nay, năng lượng tái tạo (RES) đã giúp giảm tình trạng thiếu hụt năng lượng và mang lại nhiều lợi ích khác RES là nguồn năng lượng vô hạn, bền vững và thân thiện với môi trường, góp phần bảo vệ hành tinh và nâng cao an ninh năng lượng cho tương lai.
Các công nghệ phát điện không tái tạo như động cơ diesel, động cơ piston, và tuabin khí có khả năng cung cấp điện kết nối LĐPP hoặc hoạt động độc lập, mang lại lợi ích kinh tế và kỹ thuật vượt trội Công nghệ này ngày càng phổ biến nhờ tiết kiệm nhiên liệu, khởi động nhanh, tính sẵn sàng cao, hiệu suất tối ưu, vận hành linh hoạt và hiệu quả vượt trội Do đó, các hệ thống phát điện không tái tạo đều được ưa chuộng trong lĩnh vực thương mại và công nghiệp.
2.2.2.3 Bộ dự trữ năng lượng (ESS)
Hiện nay, công nghệ lưu trữ năng lượng đa dạng gồm pin lưu trữ, siêu tụ điện, bánh đà, lưu trữ hóa học, khí nén và từ tính, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống ESS Các nguồn năng lượng tái tạo thường được tích hợp cùng ESS để nâng cao hiệu quả, tối ưu hóa hoạt động và đảm bảo cung cấp nguồn năng lượng ổn định trong nhiều ứng dụng khác nhau.
DG kết nối vào hệ thống có nhiều ưu điểm và mang lại lợi ích theo từng quan điểm khác nhau như ở Bảng 2.2 [18]
Bảng 2 2 Lợi ích của việc kết nối DG vào LĐPP
Quan điểm kỹ thuật Quan điểm kinh tế Quan điểm môi trường
• Giảm tổn thất công suất / tổn thất năng lượng
• Cải thiện chất lượng điện áp và điện năng
• Tăng độ tin cậy và an ninh
• Tăng hiệu suất năng lượng
• Hoãn đầu tư cho hệ thống
• Giảm chi phí nhiên liệu
• Giảm yêu cầu dự trữ
• Chi phí vận hành thấp hơn
• Giảm rủi ro đầu tư
• Giảm sự ấm dần lên toàn cầu
• Khuyến khích RES tham gia
2.2.4 Mục tiêu lắp đặt DG
Hầu hết các nghiên cứu tối ưu lắp đặt hệ thống phát điện phân tán (DG) tập trung vào mục tiêu giảm tối đa tổn thất công suất tác dụng Bên cạnh đó, các mục tiêu phụ như giảm tổn thất công suất phản kháng, cải thiện cấu hình điện áp, giảm dòng điện quá tải trên các nhánh, tăng công suất dự phòng và công suất bơm tối đa cũng được xem xét để nâng cao hiệu quả hệ thống Thường thì, cực tiểu tổn thất công suất được chọn làm chỉ số mục tiêu chính, trong khi các mục tiêu khác hỗ trợ cho các phương pháp tối ưu đơn hoặc đa mục tiêu Các phương pháp kết hợp này thường được trình bày rõ ràng qua sơ đồ như Hình 2.3.
TỐI ƯU LẮP ĐẶT DG
Cực tiểu ΔP/ ΔA, khả năng tải
Mục tiêu kinh tế Đa mục tiêu
Cải thiện các chỉ số: chỉ số điện áp, ổn định điện áp, khả năng tải
Giảm chi phí, tối đa khả năng thâm nhâp của DG
Kết hợp mục tiêu kỹ thuật, mục tiêu kinh tế, kết hợp
Các chỉ số: tổn thất, điện áp, dòng điện, tài, môi trường.
Hình 2 3 Các mục tiêu khi tối ưu lắp đặt DG
2.2.4.1 Mục tiêu giảm thiểu tổn thất công suất
Giảm tổn thất công suất là tiêu chí quan trọng nhất để đánh giá hiệu quả của các nhà máy phát điện phân tán (DG) trong hệ thống truyền tải điện Nghiên cứu về DG trong lưới truyền tải tập trung vào việc tối ưu hóa lắp đặt nhằm giảm thiểu tổn thất công suất, qua đó nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống điện Các giải pháp tối ưu hóa này không chỉ giúp giảm hao phí năng lượng mà còn góp phần nâng cao độ tin cậy và khả năng vận hành của lưới điện truyền tải.
2.2.4.2 Mục tiêu cải thiện cấu hình điện áp
Trong các nghiên cứu về tối ưu lắp đặt hệ thống phát điện phân tán (DG), nhiều tập trung vào việc tối ưu hóa cấu hình điện áp hoặc cải thiện điện áp để nâng cao hiệu quả hoạt động Hầu hết các nghiên cứu đều hướng đến giảm tổn thất công suất, kết hợp với việc thiết lập cấu hình điện áp tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả hệ thống Ngoài ra, một số nghiên cứu khác còn kết hợp nhiều mục tiêu như nâng cao độ tin cậy, giảm độ nhạy đối với tăng điện áp, đảm bảo ổn định điện áp và tối ưu hóa giá nút để đạt hiệu quả vận hành cao nhất.
2.2.4.3 Mục tiêu về tài chính
Hiệu quả của người phát điện năng lượng phân tán (DG) và tối đa hóa công suất của DG là yếu tố quan trọng trong các bài toán tối ưu hóa hệ thống phân phối điện Nghiên cứu về công suất, vị trí lắp đặt và hiệu quả của DG thường giả định mỗi nút đều có một DG được lắp đặt, góp phần nâng cao hiệu quả hệ thống Tuy nhiên, tối đa công suất của DG không phải là mục tiêu duy nhất để tối ưu hóa hệ thống; cần kết hợp với các yếu tố khác như giảm tổn thất công suất để đạt hiệu quả vận hành cao nhất.
Chi phí sản xuất điện được tối thiểu hóa nhằm giảm thiểu chi phí xây dựng, bảo trì, bảo dưỡng và vận hành hệ thống điện phân tán (DG), trong khi vẫn đảm bảo hiệu quả kỹ thuật cao Tuy nhiên, các mục tiêu về chi phí thường mâu thuẫn với các mục tiêu kỹ thuật, khiến việc xây dựng một hàm mục tiêu duy nhất trở nên khó khăn hoặc không khả thi Do đó, việc sử dụng hàm mục tiêu đa mục tiêu là cần thiết để tối ưu hóa đồng thời các yếu tố về chi phí và kỹ thuật trong quá trình phát triển hệ thống điện.
2.2.4.4 Tối ưu đa mục tiêu
Việc kết hợp các hàm đơn mục tiêu để xây dựng hàm đa mục tiêu trong tối ưu lắp đặt hệ thống điện năng lượng mặt trời (DG) giúp cân bằng các tiêu chí khác nhau Hàm đa mục tiêu tạo ra một mô hình linh hoạt, cho phép các nhà hoạch định lựa chọn giải pháp tối ưu từ các phương án khả thi, đặc biệt khi các mục tiêu mâu thuẫn nhau Trong quá trình lắp đặt DG, cần xem xét các ràng buộc liên quan đến thiết kế và vận hành như công suất DG, điện áp nút, dòng điện nhánh để đảm bảo điều kiện hoạt động an toàn và hiệu quả [14] Các ràng buộc phổ biến bao gồm ràng buộc đẳng thức về cân bằng công suất hệ thống, và ràng buộc bất đẳng thức về giới hạn điện áp, dòng điện, công suất, số lượng DG, hệ số công suất, vị trí trạm, tổn thất điện năng, giúp đảm bảo tính khả thi và ổn định của hệ thống.
Bộ dự trữ năng lượng (ESS)
Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi điện từ lưới điện sang dạng năng lượng có thể lưu trữ, sau đó chuyển đổi ngược trở lại thành điện khi cần thiết ESS giúp tối ưu hóa việc sử dụng điện, đặc biệt trong các thời điểm nhu cầu thấp hoặc giá mua điện thấp, đồng thời hỗ trợ tích hợp nguồn điện tái tạo không liên tục từ các nguồn năng lượng tái tạo (RES) Nhờ đó, ESS góp phần nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện và đảm bảo cung cấp điện ổn định, linh hoạt.
Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) được sử dụng khi có nhu cầu cao hoặc trong các khoảng thời gian có giá mua điện năng cao ESS có vai trò quan trọng trong các khâu phát điện, truyền tải, phân phối, và tiêu thụ điện năng, đặc biệt trong các nguồn năng lượng tái tạo (RES), giúp duy trì cân bằng trong hệ thống điện Với sự phát triển mạnh mẽ, ESS trở thành yếu tố không thể thiếu trong ngành điện, nổi bật nhờ khả năng giảm chi phí năng lượng đáng kể.
Trong thời gian gần đây, ESS trở thành yếu tố quan trọng trong hệ thống LĐPP bởi vì nó mang lại nhiều lợi ích như giảm chênh lệch giá, điều chỉnh tần số, nâng cao độ ổn định và độ tin cậy, đặc biệt khi có sự tham gia của các nguồn năng lượng tái tạo (RES) Các nguồn RES như WT và PV thường phát công suất gián đoạn, và ESS giúp giảm thiểu tác động này nhằm đảm bảo sự ổn định của hệ thống cung cấp điện Hiện nay, các dự án RES đang được xây dựng tại nhiều địa phương và dần thay thế các nhà máy điện truyền thống, trong đó lượng công suất dư thừa cần được lưu trữ để tránh truyền tải không cần thiết gây ảnh hưởng tiêu cực đến lưới điện ESS cho phép cả phía mua và phía bán dự trữ năng lượng trong các khoảng thời gian thấp điểm, sau đó sử dụng hoặc bán lượng năng lượng này trong cao điểm, mở ra cơ hội kinh doanh mới và nâng cao khả năng kết nối giữa người bán và người mua điện [28].
Tải đỉnh Đường cong tải Tải trung bình
Hình 2 4 Nạp/ xả và san phẳng đồ thị với ESS [8]
Trước đây, ESS gặp khó khăn trong việc cạnh tranh với các công nghệ khác, nhưng hiện nay, công nghệ ESS đã có nhiều ưu điểm phù hợp với yêu cầu mới của hệ thống điện Chi phí đầu tư cho ESS đang giảm dần và mang lại khả năng sinh lợi nhuận, giúp các giải pháp lưu trữ năng lượng trở nên khả thi hơn Tuy nhiên, nhu cầu về năng lượng điện thay đổi đáng kể theo giờ, ngày và mùa, với các cao điểm tiêu thụ thường tập trung trong vài giờ mỗi ngày Điều này khiến việc nâng cấp các nhà máy phát điện và hệ thống truyền tải trở nên không hiệu quả ESS cho phép sản xuất năng lượng theo hai hướng từ nguồn cung cấp của nó, giúp tối ưu hóa việc cung cấp điện trong các khung giờ cao điểm.
Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) có dung lượng lớn, giúp các nhà hoạch định hệ thống xây dựng công suất phù hợp với nhu cầu trung bình thay vì nhu cầu cao đột biến ESS đóng vai trò thiết yếu trong các hệ thống điện hiện đại, đặc biệt khi có yêu cầu lưu trữ năng lượng lớn và đảm bảo ổn định hoạt động Việc tích hợp ESS không chỉ nâng cao khả năng dự phòng mà còn tối ưu hóa quản lý năng lượng, giúp hệ thống điện hoạt động hiệu quả và bền vững hơn.
ESS là giải pháp thiết yếu để bổ sung linh hoạt và đảm bảo cung cấp điện liên tục cho hệ thống điện có nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là các nguồn năng lượng phân tán như DG Trong hệ thống điện hiện đại, ESS đóng vai trò bền vững, tin cậy, hiệu quả và thân thiện môi trường, góp phần nâng cao hiệu suất vận hành của Lưới Điện Phân Tán (LĐPP) có DG.
Sự cần thiết ngày càng tăng của hệ thống lưu trữ năng lượng dựa trên dòng điện (ESS) đã thúc đẩy con người không ngừng khám phá các phương pháp lưu trữ mới hiệu quả hơn nhằm phục vụ các nhu cầu trong đời sống ESS được phân loại dựa trên các tiêu chí như tốc độ đáp ứng, thời gian lưu trữ và dạng lưu trữ, giúp tối ưu hóa hiệu quả hoạt động Hình 2.5 trình bày các công nghệ chính của ESS, cung cấp cái nhìn tổng thể về các phương pháp lưu trữ hiện đại và tiềm năng phát triển trong tương lai [29].
CÔNG NGHỆ CỦA BỘ DỰ TRỮ NĂNG LƯỢNG
Tĩnh điện và từ tính Điện hóa Hóa học
Siêu từ tính Pin a xít chì
Siêu tụ điện Pin nhiên liệu
Hình 2 5 Các dạng công nghệ của ESS
Lưu trữ cơ học (MES) là phương pháp lưu trữ lâu đời nhất được con người sử dụng, có ưu điểm nổi bật là dễ dàng vận hành, thời gian lưu trữ dài và linh hoạt trong ứng dụng Cơ năng của hệ thống MES có thể biểu thị dưới dạng thế năng hoặc động năng, mang lại nhiều lợi ích trong quá trình lưu trữ và sử dụng năng lượng Các dạng lưu trữ chính của MES gồm bơm, bánh đà và khí nén, giúp đảm bảo hiệu quả và độ bền trong các hệ thống lưu trữ năng lượng cơ học.
Hệ thống lưu trữ nhiệt (TES) là công nghệ dùng để lưu trữ nhiệt năng nóng hoặc lạnh trong các phương tiện chuyên dụng TES thường bao gồm kho chứa, thiết bị để phun và chiết nhiệt nhằm truyền nhiệt đến trung gian hoặc lấy nhiệt từ trung gian một cách hiệu quả Công nghệ TES giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, giảm thiểu tổn thất và nâng cao hiệu suất hệ thống năng lượng tổng thể.
Lưu trữ điện hóa (EES) bao gồm các thiết bị lưu trữ dưới dạng pin hoặc tụ điện, trong đó pin có khả năng lưu trữ năng lượng với điện áp cao và mật độ năng lượng lớn Các loại pin phổ biến gồm có pin lithium-ion (Li-ion), natri-lưu huỳnh (NaS), niken-cadmium (NiCd), axit chì (axit Pb), pin chì-cacbon và pin dòng chảy, trong đó pin Li-ion hiện nay được ưa chuộng nhất nhờ vòng đời dài, điện áp hoạt động cao và tốc độ tự phóng điện thấp hơn các loại pin khác Ngoài ra, pin Li-ion còn nổi bật với mật độ sạc cao hơn và trọng lượng nhẹ hơn so với các loại pin cùng dung lượng, làm tăng hiệu quả và tiện lợi trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng.
Lưu trữ tĩnh điện và từ tính (EAMES) sử dụng điện trường và từ trường nhờ vào các siêu tụ điện và nam châm siêu dẫn, mang lại mật độ năng lượng trung bình và công suất cao Các hệ thống này rất hữu ích trong lưu trữ năng lượng để đáp ứng tải cao điểm, làm mịn công suất đầu ra và thu hồi năng lượng hiệu quả, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động của các hệ thống năng lượng tái tạo và lưới điện thông minh.
Lưu trữ hóa học (ChES) là hệ thống lưu trữ năng lượng dưới dạng liên kết hóa học của các phân tử, giúp chuyển đổi năng lượng khi các phản ứng hóa học xảy ra và điện tử dịch chuyển Có hai dạng chính của ChES là nhiệt hóa (lưu trữ thông qua phản ứng nhiệt) và điện hóa (lưu trữ qua các phản ứng điện hóa), đóng vai trò quan trọng trong công nghệ lưu trữ năng lượng hiện đại.
Lưu trữ hỗn hợp (HESS) là giải pháp lưu trữ năng lượng thông minh phù hợp với các hệ thống điện phức tạp Do đó, để đáp ứng tất cả các yêu cầu về nguồn cung năng lượng, cần kết hợp nhiều loại hệ thống lưu trữ năng lượng khác nhau, tạo thành hệ thống ESS lai (HESS) Việc sử dụng ESS lai giúp tối ưu hóa hiệu suất lưu trữ và cung cấp năng lượng linh hoạt hơn cho các ứng dụng khác nhau.
ESS đóng vai trò quan trọng trong hệ thống phát điện – truyền tải – phân phối – tải, giúp cân bằng tải, giảm đỉnh tải và quản lý tải hiệu quả Việc sử dụng ESS tăng cao nhằm tận dụng chênh lệch giá năng lượng, dịch chuyển thời gian và tối ưu hóa tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo phân tán (DG) Với sự gia tăng tích hợp của các nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện, ESS ngày càng thu hút sự nghiên cứu và đầu tư để nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện.
Hệ thống pin dự trữ năng lượng (BESS) ngày càng trở nên phổ biến trong các hệ thống ESS nhờ vào khả năng lưu trữ năng lượng cao, thời gian phản hồi nhanh và tính độc lập ưu việt Trong các loại BESS, pin lithium-ion (pin Li-ion) được xem là lựa chọn tối ưu nhờ có thời gian đáp ứng nhanh, trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn và dễ dàng triển khai.
Phương pháp và thuật toán tối ưu lắp đặt DG và ESS
Thuật toán tối ưu lắp đặt hệ thống DG và ESS được phân thành hai nhóm chính: thuật toán cổ điển và thuật toán trí tuệ nhân tạo, như minh họa trong Hình 2.7 [14] Mỗi nhóm thuật toán đều mang ưu điểm và hạn chế riêng, phù hợp với từng loại bài toán khác nhau [35], giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình tối ưu hóa hệ thống năng lượng.
THUẬT TOÁN TỐI ƯU LẮP ĐẶT DG/ESS
Thuật toán phân tích (AA) và xác định (DA)
Lập trình tuyến tính (LP)
Lập trình tuyến tính số nguyên hỗn hợp (MILP)
Lập trình hỗn hợp số nguyên
Lập trình phi tuyến (NLP)
Tìm kiếm toàn diện (ES)
Dòng công suất tối ưu (OPF)
Thuật toán lấy cảm hứng từ vật lý hoặc xã hội
Mô phỏng luyện kim (SA)
Tìm kiếm hài hòa (HS)
Thuật toán dựa trên tập mờ (FS) Tải trọng (LC)
Cạnh tranh của chủ nghĩa đế quốc
Thuật toán lấy cảm hứng từ thiên nhiên
Thuật toán tiến hóa (EA)
Tối ưu hóa bầy đàn (PSO)
Tối ưu đàn kiến (ACO) Đàn ong nhân tạo (ABC)
Thuật toán lai thông minh (HIA)
Cổ điển Thông minh nhân tạo
Hình 2 7 Các thuật toán tối ưu lắp đặt DG và ESS [35]
Thuật toán cổ điển chủ yếu dựa trên các phương pháp toán học như thuật toán phân tích, quy hoạch tuyến tính, các phương pháp phi tuyến, bậc hai tuần tự và tuyến tính số nguyên hỗn hợp để giải quyết các bài toán phức tạp một cách hiệu quả.
2.4.2 Phương pháp tìm kiếm cơ bản
Phương pháp tìm kiếm cơ bản như Gradient, toàn diện, dòng công suất tối ưu và dòng công suất liên tục [41], [42]
2.4.3 Thuật toán lấy cảm hứng từ vật lý hoặc xã hội Để giải quyết với sự không chắc chắn và các kết quả tối ưu không toàn cục của bài toán tối ưu lắp đặt, các thuật toán tìm kiếm thông minh đã được tích hợp như các bộ giải heuristic Có các nghiên cứu kết hợp các thuật toán này với một số thuật toán tối ưu thông thường hay các thuật toán dựa trên tập mờ để giải quyết Một số phương pháp như mô phỏng luyện kim, tìm kiếm hài hòa và tìm kiếm Tabu [35]
2.4.4 Kỹ thuật lấy cảm hứng từ thiên nhiên
Các phương pháp tối ưu hóa hiện nay được lấy cảm hứng từ thiên nhiên như thuật toán tối ưu đàn kiến, thuật toán tiến hóa, đàn ong nhân tạo và phương pháp tìm kiếm cuckoo, hay còn gọi là tối ưu hóa đàn bầy đàn.
2.4.5 Thuật toán lai thông minh
Thuật toán lai thông minh là một loại thuật toán hỗn hợp tích hợp nhiều kỹ thuật trí tuệ nhân tạo khác nhau, hoạt động song song hoặc xếp tầng để tối ưu hóa quá trình tìm kiếm giải pháp Các ví dụ điển hình của thuật toán này gồm GATS và GAPSO, sử dụng các kỹ thuật tiên tiến để nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong các bài toán phức tạp Đây là các thuật toán linh hoạt, có khả năng thích nghi cao, phù hợp với nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau trong công nghệ và khoa học dữ liệu.
Mở rộng lưới điện phân phối
Hiện nay, LĐPP chỉ đáp ứng các yêu cầu và tiêu chuẩn của các thập kỷ trước, gặp khó khăn trong việc phù hợp với nhiệm vụ và thách thức mới sắp tới Để thích ứng, LĐPP và tải sẽ cần thay đổi đáng kể với các yêu cầu mới về độ tin cậy, dịch vụ khách hàng mong đợi, chi phí đầu tư, giá năng lượng và môi trường Vì vậy, việc lập kế hoạch mở rộng LĐPP (DEP) là cần thiết, bao gồm các kế hoạch ngắn hạn (1-4 năm), trung hạn (5-20 năm) và dài hạn (hơn 20 năm) phù hợp với giai đoạn phát triển Mục tiêu của DEP là xác định cấu hình vận hành, mở rộng trạm biến áp, lắp đặt các nguồn phát điện phân tán (DG), hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) và nâng cấp đường dây để đáp ứng nhu cầu nhanh chóng, tiết kiệm chi phí và tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống Một DEP tối ưu sẽ mang lại lợi thế về kỹ thuật và kinh tế, nâng cao chất lượng dịch vụ Do đó, DEP cần xem xét các đặc tính tải mới, các chi phí liên quan, lợi ích của DG và ESS, mở rộng nhà cung cấp, mở rộng trạm biến áp và nâng cấp đường dây, như thể hiện trong Hình 2.8 các vấn đề cần xem xét toàn diện trong quá trình lập kế hoạch.
Gần đây, nhiều nghiên cứu tập trung vào phát triển năng lượng phân tán (DEP) thông qua lắp đặt và khai thác khả năng của các nguồn năng lượng phân tán (DG) và hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS), mang lại lợi ích như giảm tổn thất, nâng cao chất lượng điện, giảm giá năng lượng và cải thiện độ tin cậy hệ thống Việc khai thác tối đa các nguồn năng lượng tái tạo (RES) trong DEP giúp giảm tác động đến môi trường, đồng thời đảm bảo đầu tư linh hoạt, rủi ro thấp phù hợp với phát triển bền vững của lưới điện phân phối (LĐPP) ESS được xem là yếu tố bắt buộc trong hệ thống, đặc biệt khi LĐPP có nhiều nguồn RES, nhằm tăng tính linh hoạt và ổn định hệ thống Do đó, phát triển DEP hướng tới mở rộng LĐPP thông qua lắp đặt DG và ESS là các yếu tố chủ đạo trong quy hoạch phát triển lưới điện phân phối bền vững.
Hàm mục tiêu Định hướng phát triển
Thuật toán tối ưu Biến mở rộng
Khả năng của hệ thống
Thông số Hạn chế của hệ thống Công nghệ
Hình 2 8 Kế hoạch mở rộng LĐPP
Hình 2.9 thể hiện các khía cạnh quan trọng của DEP, gồm các yêu cầu về địa điểm, quy mô và kế hoạch đầu tư để lắp đặt, mở rộng hoặc nâng cấp DG và ESS, dựa trên điều kiện địa lý, nguyên nhiên liệu, môi trường và tính khả thi của dự án Các nhà đầu tư DG và ESS sẽ lựa chọn tối ưu về công suất, vị trí và loại thiết bị để đảm bảo hiệu quả hoạt động, phù hợp với các yếu tố tài nguyên và khả năng thực hiện Mở rộng LĐPP hiện nay thông qua việc lắp đặt mới hoặc tăng công suất của DG và ESS là một nhu cầu cấp thiết để nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống điện.
DEP chú trọng đến mức độ thâm nhập của DG và ESS thông qua tối ưu công suất và vị trí lắp đặt chúng vào hệ thống [46]
Hình 2 9 Các biến cần xem xét khi mở rộng LĐPP 2.5.1 Mở rộng sự thâm nhập của nguồn điện phân tán trên lưới điện phân tán
- Mở rộng LĐPP thông qua việc lắp đặt mới DG vào LĐPP:
Các kết hợp về công suất, vị trí, số lượng và loại nguồn phát điện (DG) mang lại các lợi thế khác nhau, phù hợp với mục tiêu của bài toán Việc chọn hàm mục tiêu phù hợp giúp điều chỉnh hoạt động của hệ thống phân phối năng lượng, tối ưu hóa hiệu quả của các nguồn điện phân tán (LĐPP) Kế hoạch tối ưu LĐPP nhằm hỗ trợ cung cấp năng lượng hiệu quả, từ đó đạt được lợi ích tiềm năng tối đa của hệ thống phân phối năng lượng phân tán.
Lắp đặt hệ thống phát điện phân tán (DG) với chi phí tối thiểu đang là ưu tiên hàng đầu, nhằm tối đa hóa công suất DG để giảm thiểu tổn thất công suất trong lưới điện Tổn thất công suất đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả thâm nhập của DG vào lưới truyền tải và phân phối, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống điện.
Một số nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp tối ưu lắp đặt nhà máy điện gió mới vào hệ thống truyền tải điện như thuật toán Invasive Weed Optimization (IWO), Genetic Algorithm (GA), Firefly Algorithm (FWA) và Cuckoo Search Algorithm (CSA) Tuy nhiên, các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào tối ưu vị trí và công suất của nhà máy điện gió mà chưa xem xét đến việc tái cấu hình lưới điện phân phối (DNR) Trong khi đó, thay đổi cấu hình lưới điện phân phối thông qua khóa chuyển mạch là một kỹ thuật hiệu quả để giảm tổn thất công suất, giúp nâng cao hiệu quả hệ thống điện Kỹ thuật DNR thực hiện bằng cách đóng hoặc mở khóa các chuyển mạch theo các ràng buộc nhất định, trong đó có các phương pháp như nhánh và ràng buộc để tối ưu hóa cấu hình lưới điện.
Xây dựng tuyến dây mới
Lắp đặt BESS Phân bố lại tải
Lắp đặt trạm BA mớiThay thế dây dẫn
Các phương pháp như rời rạc, kỹ thuật trao đổi nhánh, thuật toán FWA, và thuật toán Shuffled Frog Leaping (SFL) đã được sử dụng để tối ưu hóa hệ thống Tuy nhiên, những phương pháp này chủ yếu tập trung vào đề xuất thuật toán nhằm giảm thiểu tổn thất công suất Khi các nguồn năng lượng phân tán (DG) được tích hợp vào lưới phân phối (LĐPP), cấu hình vận hành sẽ thay đổi, khiến vị trí đã chọn của DG có thể không còn phù hợp để giảm thiểu tổn thất công suất hoặc duy trì ổn định điện áp Ngoài ra, sự không phù hợp trong công suất của DG cũng có thể gây ra tổn thất công suất lớn hơn, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả hệ thống.
Nghiên cứu tích hợp tối ưu cả DNR và lắp đặt DG nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của Lưới Điều Khiển Phổ Quát (LĐPP) Việc lắp đặt DG là vấn đề thiết kế dài hạn, trong khi DNR tập trung vào vận hành ngắn hạn, dẫn đến việc giữ cố định công suất và vị trí lắp đặt DG để dễ dàng điều chỉnh các khóa chuyển mạch khi xác định DNR Tối ưu hóa đồng thời cả hai yếu tố gây ra độ phức tạp cao của thuật toán và cần nhiều thời gian hơn do các biến điều khiển lớn và số vòng lặp nhiều hơn Giải pháp đề xuất tách bài toán thành hai giai đoạn: Giai đoạn I tối ưu lắp đặt DG trong LĐPP kín, phù hợp với mục tiêu dài hạn, và Giai đoạn II tối ưu các khóa mở cho vận hành hở của LĐPP Phương pháp này giúp đơn giản hóa bài toán, giảm thời gian tính toán và phù hợp với đặc thù thiết kế dài hạn, đồng thời cho phép DNR được thực hiện sau khi lắp đặt DG đã được tối ưu hóa.
- Mở rộng công suất của DG đã được lắp đặt vào LĐPP:
Hiện nay, các dự án điện gió (DG) được khuyến khích kết nối vào lưới điện truyền tải quốc gia, chủ yếu là nhờ vào nguồn năng lượng tái tạo (RES) Việc kết nối lưới này giúp tối ưu hóa công suất và đảm bảo ổn định hệ thống điện quốc gia Sự phát triển của công nghệ ngày càng thúc đẩy số lượng các dự án tham gia vào lưới truyền tải, nhờ vào chi phí giảm và hiệu quả vận hành cao hơn Điều này góp phần thúc đẩy sự chuyển dịch sang nguồn năng lượng sạch và bền vững, phù hợp với mục tiêu phát triển năng lượng của đất nước.
Các PV kết nối vào LĐPP còn hạn chế về số lượng và công suất do phụ thuộc vào các yếu tố như chi phí đầu tư, điều kiện môi trường, vị trí địa lý và chính sách địa phương Việc mở rộng công suất của LĐPP có thể thực hiện tại cùng vị trí đã lắp đặt hoặc vị trí mới, nhưng không theo phương pháp tối ưu vận hành hệ thống, đòi hỏi lựa chọn phương án vận hành phù hợp để giảm thiểu tổn thất công suất Phương pháp DNR là một công cụ hiệu quả giúp xác định cấu hình vận hành nhằm giảm tổn thất công suất của hệ thống Tuy nhiên, việc ghi lại chính xác công suất tại từng thời điểm gặp khó khăn, đặc biệt trong các LĐPP có tải thay đổi liên tục, khiến việc vận hành theo đồ thị phụ tải trở nên không khả thi Do đó, việc xác định cấu hình vận hành phù hợp trong khoảng thời gian nhất định là rất cần thiết để giảm thiểu tổn thất công suất, chi phí vận hành và đảm bảo cấp điện liên tục, cân bằng tải, tạo ra thách thức lớn cho nhà hoạch định và vận hành hệ thống Trong bối cảnh đó, bài toán DNR cực tiểu tổn thất công suất đã trở thành phương pháp thay thế hiệu quả so với cực tiểu tổn thất năng lượng.
Hiện nay, có hai nhóm phương pháp phổ biến được sử dụng để giải quyết vấn đề DNR nhằm giảm tổn thất năng lượng, bao gồm phương pháp heuristic và metaheuristic Nhóm phương pháp heuristic bao gồm các kỹ thuật như cắt vòng kín, nhánh và ràng buộc, trao đổi nhánh, cùng phương pháp phỏng đoán, nhằm tìm kiếm giải pháp tối ưu nhanh chóng và hiệu quả Trong khi đó, nhóm metaheuristic gồm các thuật toán tiến tiến hơn nhằm tối ưu hóa các giải pháp phức tạp hơn trong bài toán DNR.
GA [64], thuật toán Firefly Algorithm (FA) [56], thuật toán Harmony Search (HSA)
Việc lựa chọn giữa thuật toán metaheuristic hoặc heuristic để giải quyết bài toán DNR phụ thuộc vào mục tiêu cụ thể của từng bài toán Thuật toán metaheuristic thường có khả năng tìm ra giải pháp tối ưu toàn cục, mang lại hiệu quả cao trong việc tối ưu hóa, nhưng đồng thời đòi hỏi quá trình tính toán và lập trình phức tạp hơn so với các phương pháp heuristic.
Trong các phương pháp giải quyết vấn đề DNR, heuristics thường được ưa chuộng do giảm độ phức tạp của bài toán Kỹ thuật trao đổi nhánh là một phương pháp đơn giản và dễ áp dụng để tối ưu hóa DNR trong hệ thống điện nặng tải Nhiều nghiên cứu đã tập trung vào giải bài toán cực tiểu tổn thất năng lượng, trong đó [60] đề xuất một phương pháp heuristic dựa trên thống kê thời điểm tải và điện áp của các nút trong một khoảng thời gian nhất định Phương pháp này cho kết quả chính xác nhưng yêu cầu tính toán các tham số lớn, gây ra độ phức tạp cao trong thực hiện.
Các nghiên cứu từ [67] đến [69] đề xuất các phương pháp khác nhau để xác định DNR dựa trên đồ thị phụ tải, như tải tối đa cố định, tải ở ba mức cao, thấp và trung bình, hoặc sử dụng đường cong tải của ngày đặc trưng Tuy nhiên, các phương pháp này chủ yếu sử dụng tải điển hình để tính toán, không phản ánh đúng sự biến đổi của tải thực tế và không xem xét ảnh hưởng của các nguồn phân phối điện phân phối (DG) tham gia vào hệ thống Khi DG được tích hợp vào hệ thống, nó ảnh hưởng đến chiều truyền của dòng công suất trên các nhánh, điều này đòi hỏi các phương pháp DNR phù hợp để đảm bảo tối ưu hóa hệ thống điện trong điều kiện thay đổi tải và có sự tham gia của DG.
Các nghiên cứu trước đây, như trong [2], [19], đề xuất sử dụng nguồn dự phòng phân phối cố định nhằm giảm tổn thất năng lượng và số lần chuyển đổi trạng thái, nhưng phương pháp này không phù hợp vì nguồn PV thay đổi liên tục trong ngày Trong [70], nhóm tác giả đề xuất thuật toán Gravitational Search (GSA) để tái cấu trúc lưới điện phân phối khi có kết nối PV, dựa trên nhiều tính toán hàng giờ của tải và PV Bên cạnh đó, [71] giới thiệu thuật toán Path Finding (PFA) nhằm thực hiện định tuyến dự phòng (DNR) tối ưu hóa tổn thất năng lượng, nhưng chưa xem xét tác động của công suất DG đến công suất của các nhánh trong lưới Điều này có thể dẫn đến các cấu hình lưới có tổn thất không tối ưu khi công suất DG mở rộng, đặc biệt trong các thời điểm một số hướng truyền công suất của các nhánh có thể bị đảo lộn Do đó, cần phát triển các phương pháp đơn giản và chính xác để xác định cấu hình lưới phù hợp khi công suất DG thay đổi hoặc mở rộng, nhằm đảm bảo tối ưu hóa tổn thất năng lượng và ổn định vận hành lưới điện phân phối.
2.5.2 Mở rộng sự thâm nhập của bộ dự trữ năng lượng trên lưới điện phân tán