Xác định vị trí của DG trên lưới điện phân phối để giảm chi phí vận hành

Tuy nhiên chất lượng điện năng còn phụ thuộc nhiều vào tải khách hàng sử dụng, vì vậy đòi hỏi hệ thống lưới phân phối phải đáp ứng mức độ thay đổi liên tục của phụ tải, để đạt được vấn đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN XUÂN NGỌ

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ CỦA DG TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

ĐỂ GIẢM CHI PHÍ VẬN HÀNH

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202

S K C0 0 4 6 9 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ CỦA DG TRÊN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ĐỂ GIẢM CHI PHÍ VẬN HÀNH

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC

Họ và Tên: Nguyễn Xuân Ngọ Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 26- 06 -1972 Nơi sinh: Hà Tĩnh

Địa chỉ liên lạc: 0933617668

Điện thoại cơ quan: 061222589 Điện thoại nhà riêng:

Fax: 0612225897: Email: nguyenxuanngo.pvpnt2@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

1 Đại Học

Hệ đào tạo: Vừa học vừa làm Thời gian: 2009

Nơi học: Tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật điện (KDD)

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Từ tháng

12-2009 đến nay

Công ty Cổ phần Điện lực Dầu

khí Nhơn Trạch 2 P Phòng HCTH

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 07 năm 2015

(Ký & ghi rõ họ tên)

Nguyễn Xuân Ngọ

TÓM TẮT

Luận văn trình bày phương pháp tối ưu vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện phân phối dựa trên giải thuật di truyền GA Mục tiêu chính của bài toán là giảm chi phí tổn thất công suất tác dụng, chi phí mua điện và chi phí bồi thường do mất điện Để đánh giá giải thuật, mạng điện 21 nút được mô phỏng Kết quả mô phỏng đã chứng tỏ rằng giải thuật và phương đề xuất đã tìm ra vị trí và dung lượng DG phù hợp để giảm chi phí vận hành

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

DANH SÁCH CÁC HÌNH ix

DANH SÁCH CÁC BẢNG x

CHƯƠNG 0 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

I ĐẶT VẤN ĐỀ 1

II MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN 3

III PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3

IV PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN 3

V ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN 3

VI GIÁ TRỊ THỰC TIỂN CỦA LUẬN VĂN 3

VII BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ DG 1

1.1 Tổng quan về lưới điện phân phối: 1

1.1.1 Đặc điểm lưới điện phân phối: 1

1.1.2 Nhiệm vụ của lưới điện phân phối: 2

1.2 Tổng quan về DG 3

1.3 Một số công nghệ DG: 3

1.3.1 Pin mặt trời (photovoltaic –PV) 3

1.3.2 Pin nhiên liệu (Fuel cell –FC) 4

1.3.3 Máy phát turbine gió (Wind turbine – WT) 4

1.3.4 Máy phát động cơ đốt trong (Internal Combustion Engines – ICE) 5

1.3.5 Turbine khí (Combustion Turbine – CT) 5

1.3.6 Thủy điện nhỏ 6

1.3.7 Năng lượng mặt trời 7

CHƯƠNG 2 CÁC BÀI TOÀN LIÊN QUAN ĐẾN DG 1

2.1 Mục đích vận hành DG: 1

2.2 Các bài toán liên quan đến DG: 1

2.2.1 Bài toán đánh giá độ giảm tổn hao đường dây: 2

2.2.2 Bài toán nâng cao độ tin cậy: 4

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 1

3.1 Những ảnh hưởng khi tích hợp nguồn phân tán vào lươi phân phối 1

3.2 Mô tả mục tiêu bài toán: 2

3.3 Mô hình toán học: 3

3.3.1 Hàm mục tiêu của mô hình: 3

3.3.2 Tổng chi phí cung cấp từ hệ thống phân phối: 3

3.3.3 Tổng chi phí gián đoạn ước tính: 4

3.3.4 Tổng chi phí tổn thất năng lượng: 4

3.3.5 Hạn chế công suất DG 4

3.3.6 Hạn chế hoạt động DG 5

3.4 Giải thuật di truyền (genetic algorithm-GA): 5

3.4.1 Các đặc tính của thuật toán di truyền 5

3.4.2 Các quá trình cơ bản trong thuật toán di truyền: 6

3.4.3 Các tham số của thuật toán di truyền (hay còn gọi là các thông số điều khiển của thuật toán): 10

3.5 Áp dụng giải thuật di truyền tính toán lưới điện 20 nút tải có tải tập trung như sau: 13

3.5.1 Hàm mục tiêu của bài toán: 14

3.5.2 Sử dụng thuật toán di truyền trong matlab 16

3.5.3 Kết quả kiểm tra giải thuật 19

3.6 Nhận xét 23

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 25

4.1 Kết luận 25

4.2 Hướng phát triển của đề tài 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

PHỤ LỤC 30

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

GA: Gennetic Algorithm

DG: Distributed Generator

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1 1 Pin mặt trời 4

Hình 1 2 Pin nhiên liệu 4

Hình 1 3 Turbin gió 5

Hình 1 4 Turbin khí 6

Hình 1 5 Thủy điện nhỏ 6

Hình 2 2 Lưới điện có nguồn điện phân tán 5

Hình 3 1 Lưu đồ thuật toán di truyền GA 11

Hình 3 2 Lưới điện phân phối 22kV với 20 nút tải tập trung 13

Hình 3 3 Giao diện hộp công cụ GAOT 17

Hình 3 4 Đặc tuyến hội tụ của giải thuật và giá trị tốt nhất của quần thể trong trường hợp 1 21

Hình 3 5 Điện áp các nút trước và sau khi đặt DG (Trường hợp 1) 21

Hình 3 6 Đặc tuyến hội tụ của giải thuật và giá trị tốt nhất của quần thể trong trường hợp 2 23

Hình 3 7 Điện áp các nút trước và sau khi đặt DG (Trường hợp 2) 23

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3 1 Thông số đường dây 20 nút 13Bảng 3 2 Kết quả thực hiện giải thuật trong trường hợp 1 20Bảng 3 3 Kết quả thực hiện giải thuật trong trường hợp 2 22

CHƯƠNG 0 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Điện năng ngày càng giữ một vai trò quan trọng việc đảm bảo sự ổn định và phát triển kinh tế xã hội, an ninh chính trị của mỗi quốc gia Nếu xét về mặt kinh tế, điện năng được cung cấp bởi các công ty Điện lực đến khách hàng sử dụng điện phải có giá thành rẻ nhất, chất lượng điện năng phải tốt nhất Chính vì vậy, để đảm bảo chất lượng điện năng phân phối đến các hộ tiêu thụ, độ tin cậy phải được nâng cao Tuy nhiên chất lượng điện năng còn phụ thuộc nhiều vào tải khách hàng sử dụng, vì vậy đòi hỏi hệ thống lưới phân phối phải đáp ứng mức độ thay đổi liên tục của phụ tải, để đạt được vấn đề này thì lưới điện chúng ta phải bố trí thật hợp lý để giảm thiểu tổn thất, nâng cao chất lượng điện và đáp ứng yêu cầu nguồn cung cấp

Trong mạng phân phối, tải ngày càng tăng theo sự phát triển của nền kinh tế, trong khi cấu trúc lưới điện của chúng ta thì không thay đổi, điều này dẫn đến tổn thất trong lưới tăng lên và các biện pháp khắc phục thường là sử dụng tụ bù tại các điểm thích hợp, tăng cường công suất máy biến áp nhưng các biện pháp này thật sự không cải thiện được nhiều

về các chỉ tiêu tổn thất

Các lưới điện phân phối hiện nay đang trong giai đoạn cải tạo, đầu tư và phát triển mạnh mẽ Khối lượng các đường dây tải điện, các trạm biến áp cũng như các nguồn điện kết nối vào hệ thống đang ngày càng gia tăng nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển nhanh chóng của phụ tải Tuy nhiên phụ thuộc quá nhiều vào các nguồn thủy điện và nhiệt điện

sử dụng nhiên liệu hóa thạch ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường đang ngày càng được quan tâm Các nguồn năng lượng thay thế sẽ là một yếu tố ưu tiên lựa chọn, hệ thống nguồn phát phân tán (Distributed Generation-DG) là thiết thực cho nhu cầu năng lượng đối với một xã hội phát triển, hiện đại nhằm bổ sung và đáp ứng nhanh chóng nguồn điện cho phụ tải Các nguồn phân tán này sẽ xem xét việc sản xuất dòng công suất thực tế theo nhu cầu trên lưới nhằm tăng giá trị điện áp của hệ thống, giảm tổn thất điện năng, tăng doanh

thu cho các Công ty Điện lực trong khi hoạt động của các thiết bị bảo vệ trên lưới là không thay đổi

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nguồn điện phân tán sẽ mang lại nhiều hiệu quả thiết thực khi tham gia hệ thống phân phối, khi sử dụng DG sẽ góp phần giảm bớt 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 Nó còn góp phần vào việc giảm áp lực đầu tư cải tạo lưới điện hiện hữu, giảm chi phí nhiên liệu, chi phí vận hành và đáp ứng tốt

về khả năng dự phòng cho hệ thống

Các lợi ích khi kết nối DG

* Đối với ngành điện:

- Giảm tổn thất công suất trên đường dây

- Giảm tải trên đường dây

- Giảm chi phí vận hành

- Giảm chi phí đầu tư nâng cấp hệ thống

* Đối với khách hàng sử dụng điện:

- Nâng cao chất lượng điện năng

- Cải thiện độ tin cậy cung cấp điện

- Giảm giá thành sử dụng điện

- Tạo môi trường ngày càng cạnh tranh cho thị trường điện

Các tác động:

Khi DG được kết nối vào hệ thống phân phối, nó được xem như một nguồn cung cấp thứ hai vì vậy mạng điện hiện hữu sẽ trở thành mạng điện kín có hai nguồn cung cấp Tùy thuộc vào cấu trúc của lưới điện mà ảnh hưởng của DG đến lưới cũng khác nhau, các tác đồng thường gặp:

- Thay đổi tổn thất công suất trên lưới điện

- Tổn thất điện áp và sự dao động diện áp

- Thay đổi dòng sự cố trong lưới và bảo vệ Relay

- Độ không sin của sóng điện áp

- Ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện

- Thay đổi sự phối hợp của các thiết bị bảo vệ trên lưới điện

II MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu việc: “Xác định vị trí của DG trên lưới điện phân phối để giảm chi phí vận hành”

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

- Xây dựng hàm đa mục tiêu sử dụng giải thuật tối ưu để giải bài toán tìm vị trí thích hợp để kết nối DG nhằm giảm tổn thất công suất và cực tiểu chi phí vận hành

- Áp dụng giải thuật vào lưới điện phân phối mẫu

III PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Phạm vi nghiên cứu của luận văn tập trung vào bài toán cực tiểu chi phí vận hành khi kết nối DG

IV 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 Genetic (GA) giải bài toán đa mục tiêu khi có DG

V ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN

- Xây dựng hàm đa mục tiêu cho bài toán giảm tổn thất công suất khi có kết nối DG

- Áp dụng giải thuật tối tìm vị trí tối ưu lắp đặt DG trên lưới phân phối cực tiểu chi phí vận hành

VI GIÁ TRỊ THỰC TIỂN CỦA LUẬN VĂN

- Cung cấp một giải thuật tìm vị trí tối ưu lắp đặt DG giảm tổn thất trên lưới

- Góp phần vào các nghiên cứu liên quan đến DG

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

VII BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN

Luận văn gồm 5 chương:

Chương 0: Giới thiệu đề tài

Chương 1: Tổng quan về lưới phân phối

Chương 2: Các bài toán liên quan đến DG

Chương 3: Xây dựng mô hình toán học và ứng dụng giải thuật

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển cho đề tài

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ DG

1.1 Tổng quan về lưới điện phân phối:

1.1.1 Đặc điểm lưới điện phân phối:

Lưới điện phân phối là khâu cuối cùng của hệ thống điện để đưa điện năng trực tiếp đến người tiêu dùng Lưới điện phân phối bao gồm lưới trung áp và hạ áp Đường dây truyền tải thường được vận hành mạch vòng hay hình tia, còn các đường dây phân phối điện luôn được vận hành hở trong mọi trường hợp Nhờ cấu trúc vận hành hở mà hệ thống relay bảo vệ chỉ cần sử dụng loại relay quá dòng Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, hầu hết các tuyến dây đều có các mạch vòng liên kết với các đường dây kế cận được cấp điện từ một trạm biến áp trung gian khác hay từ chính trạm biến áp có đường dây bị sự cố Việc khôi phục lưới được thực hiện thông qua các thao tác đóng/cắt các thiết bị bảo vệ hiện có trên lưới hoặt sử dụng các nguồn phân tán hiện có trong khu vực

Một đường dây phân phối luôn có nhiều loại phụ tải khác nhau (ánh sáng sinh hoạt, thương mại dịch vụ, công nghiệp …) và các phụ tải này được phân bố không đồng đều giữa các đường dây Mỗi loại tải lại có thời điểm đỉnh tải khác nhau và luôn thay đổi trong ngày, trong tuần và trong từng mùa Vì vậy, trên các đường dây,

đồ thị phụ tải không bằng phẳng và luôn có sự chênh lệch công suất tiêu thụ Điều này gây ra quá tải đường dây và làm tăng tổn thất trên lưới điện phân phối

Để chống quá tải đường dây và giảm tổn thất, ngoài việc thay đổi cấu trúc lưới điện vận hành bằng các thao tác đóng/cắt các cặp khoá điện hiện có trên lưới thì việc sử dụng các nguồn phân tán là một trong những giải pháp cần xem xét Vì vậy, trong quá trình thiết kế các loại khoá điện (Recloser, LBS, DS…) sẽ được lắp đặt tại các vị trí có lợi nhất để khi thao tác đóng/cắt các khoá này vừa có thể giảm chi phí

vận hành và vừa giảm tổn thất năng lượng đồng thời kết hợp để kết nối với các nguồn phân tán khi cần thiết

Bên cạnh đó, trong quá trình phát triển, phụ tải liên tục thay đổi, vì vậy xuất hiện nhiều mục tiêu vận hành lưới điện phân phối để phù hợp với tình hình cụ thể Tuy nhiên, các điều kiện vận hành lưới phân phối luôn phải thoả mãn các điều kiện:

- Cấu trúc vận hành hở

- Đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện, sụt áp trong phạm vi cho phép

- Các hệ thống bảo vệ hoạt động tin cậy

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

Các đặc điểm chính của lưới điện phân phối:

- Cung cấp phương tiện để truyền tải năng lượng điện đến hộ tiêu thụ

- Cung cấp phương tiện để các công ty điện lực có thể bán điện

- Đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện

- Đảm bảo các thông số vận hành trong giới hạn cho phép

- Các hệ thống bảo vệ hoạt động tin cậy

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

Các nghiên cứu [6] đã chỉ ra rằng kết nối nguồn điện phân tán sẽ mang lại nhiều hiệu quả thiết thực khi tham gia hệ thống phân phối, khi sử dụng DG sẽ góp phần giảm bớt 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 Nó còn góp phần vào việc giảm áp lực đầu tư cải tạo lưới điện hiện hữu, giảm chi phí nhiên liệu, chi phí vận hành và đáp ứng tốt về khả năng dự phòng cho hệ thống

- Ban Năng lượng Mỹ (DOE): dg là các máy phát có công suất từ vài kW đến vài chục MW Bao gồm: máy phát điện Biomass, turbine khí, pin năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu, turbine gió và các công nghệ tích trữ năng lượng

- Viện Nghiên cứu năng lượng điện Mỹ (EPRI): DG là các máy phát có công suất từ vài kW đến 50MW vá các thiết bị tích trữ năng lượng đặt gần phụ tải, mạng phân phối hoặc truyền tải phụ dưới dạng những nguồn năng lượng phân tán

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

- Trong thị trường điện nước Anh và xứ Wales: một nhà máy điện có công suất nhỏ hơn 100MW không được gọi là nguồn điện tập trung Như vậy DG được xem là các máy phát có công suất nhỏ hơn 100MW

- Ở Úc: máy phát có công suất dưới 30MW gọi là DG

- New Zealand: các máy phát có công suất dưới 5MW được gọi là DG

1.3 Một số công nghệ DG:

1.3.1 Pin mặt trời (photovoltaic –PV)

Các hệ thống pin mặt trời chuyển đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành điện năng

mà không cần đến quá trình đốt cháy hoặc tiêu thụ nhiện liệu Công nghệ này có chi phí vận hành và bảo trì rất thấp Công nghệ PV được sử dụng phổ biến cho các tòa nhà độc lập

và các hệ thông thông tin, nó được xem như một công nghệ tốt nhất cho các căn hộ và các ứng dụng thương mại nhỏ Tuy nhiên hiện tại giá thành sản xuất điện năng từ PV là khá cao cho nên nó chỉ có thể cạnh tranh được ở những nơi yêu cầu cao về độ tin cậy và thân thiện với môi trường Hệ thống PV có thể vận hành độc lập hoặc kết nối trực tiếp vào mạng phân phối