Nghiên cứu xây dựng mô hình và chương trình tính toán qui hoạch lưới điện phân phối khi xét đến nguồn pin mặt trời. (NCKH)

Nghiên cứu xây dựng mô hình và chương trình tính toán qui hoạch lưới điện phân phối khi xét đến nguồn pin mặt trời. (NCKH)Nghiên cứu xây dựng mô hình và chương trình tính toán qui hoạch lưới điện phân phối khi xét đến nguồn pin mặt trời. (NCKH)Nghiên cứu xây dựng mô hình và chương trình tính toán qui hoạch lưới điện phân phối khi xét đến nguồn pin mặt trời. (NCKH)Nghiên cứu xây dựng mô hình và chương trình tính toán qui hoạch lưới điện phân phối khi xét đến nguồn pin mặt trời. (NCKH)Nghiên cứu xây dựng mô hình và chương trình tính toán qui hoạch lưới điện phân phối khi xét đến nguồn pin mặt trời. (NCKH)Nghiên cứu xây dựng mô hình và chương trình tính toán qui hoạch lưới điện phân phối khi xét đến nguồn pin mặt trời. (NCKH)Nghiên cứu xây dựng mô hình và chương trình tính toán qui hoạch lưới điện phân phối khi xét đến nguồn pin mặt trời. (NCKH)Nghiên cứu xây dựng mô hình và chương trình tính toán qui hoạch lưới điện phân phối khi xét đến nguồn pin mặt trời. (NCKH)Nghiên cứu xây dựng mô hình và chương trình tính toán qui hoạch lưới điện phân phối khi xét đến nguồn pin mặt trời. (NCKH)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN QUI HOẠCH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI KHI XÉT ĐẾN

NGUỒN PIN MẶT TRỜI

Mã số: ĐH2015-TN02-03

Chủ nhiệm đề tài: TS Vũ Văn Thắng

Thái Nguyên, 06/2017

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN QUI HOẠCH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI KHI XÉT ĐẾN

NGUỒN PIN MẶT TRỜI

Thái Nguyên, 06/2017

DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA

1 TS Bạch Quốc Khánh Viện điện - Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

2 ThS Nguyễn Văn Lâm Điện lực TP Thái Nguyên

3 TS Nguyễn Đức Tường Viện nghiên cứu Công nghệ cao – Trường Đại

học Kỹ thuật Công nghiệp

4 ThS Lê Tiên Phong Bộ môn Hệ thống điện – Khoa điện – Trường

Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

5 ThS Dương Hòa An

DANH SÁCH NHỮNG ĐƠN VỊ PHỐI HỢP

1 Điện lực TP Thái Nguyên

2 Bộ môn Hệ thống điện – Viện Điện - Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU viii

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS x

MỞ ĐẦU 1

1 Tổng quan 1

2 Tính cấp thiết của đề tài 2

3 Mục tiêu 3

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

6 Nội dung nghiên cứu 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUI HOẠCH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 6

1.1 Giới thiệu 6

1.2 Hiện trạng qui hoạch LĐPP 6

1.2.1LĐPP Việt Nam 6

1.2.2LĐPP Thái Nguyên 8

1.2.3Những tồn tại và vấn đề qui hoạch LĐPP 10

1.3 Nguồn pin mặt trời 10

1.3.1Tiềm năng của nguồn năng lượng mặt trời 10

1.3.2Đặc điểm của nguồn năng lượng mặt trời tại Thái Nguyên 11

1.4 Qui hoạch, cải tạo LĐPP 13

1.4.1Tổng quan bài toán qui hoạch LĐPP 13

1.4.1.1 Mục tiêu 13

1.4.1.2 Những bước cơ bản của bài toán qui hoạch LĐPP 14

1.4.1.3 Một số bài toán qui hoạch LĐPP 14

1.4.2Phương pháp qui hoạch, cải tạo LĐPP 16

1.4.2.1 Qui hoạch theo tiêu chuẩn 16

1.4.2.2 Qui hoạch toán học 16

1.4.2.3 Nhận xét 17

1.4.3Các chỉ tiêu kinh tế đánh giá phương án qui hoạch 17

1.5 Qui hoạch LĐPP khi xét đến khả năng tham gia của nguồn pin mặt trời 20

1.5.1Mô hình bài toán qui hoạch LĐPP 21

1.5.2Phương pháp, thuật toán giải bài toán qui hoạch LĐPP 22

1.6 Nhận xét và đề xuất những vấn đề cần nghiên cứu 24

CHƯƠNG 2 QUI HOẠCH TOÁN HỌC 25

2.1 Bài toán qui hoạch toán học tổng quát 25

2.1.1Mô hình toán 25

2.1.2Phân loại bài toán qui hoạch 25

2.2 Phương pháp giải bài toán qui hoạch 26

2.3 Ngôn ngữ lập trình GAMS 28

2.3.1Giới thiệu ngôn ngữ lập trình GAMS 28

2.3.2Thuật toán và solver MINOS trong GAMS 30

2.3.3Những yêu cầu khi lập bài toán qui hoạch LĐPP trong GAMS 30

2.4 Ví dụ 31

2.4.1Sơ đồ và thông số LĐPP 31

2.4.2Mô hình tính toán tổn thất công suất 31

2.4.3Kết quả tính toán 32

2.5 Nhận xét 32

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN QUI HOẠCH LĐPP XÉT ĐẾN NGUỒN PIN MẶT TRỜI 33

3.1 Đặt vấn đề 33

3.2 Đặc tính giá điện, tải và công suất của nguồn pin mặt trời 35

3.2.1Đặc tính giá điện và tải 35

3.2.2Công suất xác suất của nguồn pin mặt trời 35

3.3 Xây dựng mô hình toán qui hoạch LĐPP 36

3.3.1Sơ đồ khối và qui trình tính toán qui hoạch LĐPP 36

3.3.2Xây dựng mô hình cơ sở (MH1) 40

3.3.2.1 Hàm mục tiêu của mô hình cơ sở 40

3.3.2.2 Các ràng buộc của mô hình cơ sở 47

3.3.2.3 Phân tích và nhận dạng mô hình cơ sở 50

3.3.3Xây dựng mô hình hiệu chỉnh (MH2) 51

3.3.3.1 Hàm mục tiêu của mô hình hiệu chỉnh 51

3.3.3.2 Các ràng buộc của mô hình hiệu chỉnh 51

3.3.3.3 Phân tích và nhận dạng mô hình hiệu chỉnh 52

3.3.4Đánh giá mô hình đề xuất 52

3.4 Ví dụ 53

3.4.1Sơ đồ và thông số của LĐPP 53

3.4.2Công suất của nguồn pin mặt trời 55

3.4.3Kết quả tính toán 55

3.5 Nhận xét và kết luận 57

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN ÁP DỤNG 58

4.1 Đặt vấn đề 58

4.2 Những giả thiết và thông số tính toán 58

4.2.1Những giả thiết chung 58

4.3 Chương trình tính toán 60

4.4 Kết quả tính toán 60

4.4.1Sơ đồ LĐPP và thông số tính toán 60

4.4.2Kết quả tính toán và thảo luận 60

4.5 Những đánh giá và kết luận 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 73

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CSPK Công suất phản kháng

CSTD Công suất tác dụng

DG Nguồn điện phân tán (Distributed Generator)

GAMS Chương trình The General Algebraic Modeling System

LĐPP Lưới điện phân phối

KT-KT Kinh tế kỹ thuật

LP Qui hoạch tuyến tính (Linear Programming)

LNP Qui hoạch phi tuyến (Nonlinear Programming)

MINLP Qui hoạch phi tuyến nguyên thực hỗn hợp (Mixed Integer

Nonlinear Programming) MIP Qui hoạch nguyên (Mixed Integer Programming)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Cường độ bức xạ trung bình tháng tại một số khu vực [7] 13

Bảng 2.1 Modul các thuật toán giải trong GAMS 29

Bảng 2.2 So sánh trào lưu công suất và điện áp nút với PSS/Adept 32

Bảng 3.1 Thông số nâng cấp của đường dây và TBA 56

Bảng 3.2 Thông số đầu tư nguồn pin mặt trời 56

Bảng 3.3 So sánh chỉ tiêu kinh tế 56

Bảng 4.1 Thông số và lộ trình nâng cấp đường dây 62

Bảng 4.2 Lộ trình và thông số đầu tư nguồn pin mặt trời 62

Bảng 4.3 Một số chỉ tiêu KT-KT 63

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ LĐPP hình tia 7

Hình 1.2 Sơ đồ LĐPP hình vòng 8

Hình 1.3 Sơ đồ lộ 478, TBA 110kV Thịnh Đán 9

Hình 1.4 Đồ thị phụ tải ngày điển hình của LĐPP Thái Nguyên 10

Hình 1.5 Tổng công suất đặt nguồn pin mặt trời toàn cầu 11

Hình 1.6 Đặc tính công suất phát của pin mặt trời tại Thái Nguyên 13

Hình 1.7 Sơ đồ các bước qui hoạch LĐPP 14

Hình 2.1 Sơ đồ LĐPP đơn giản 31

Hình 3.1 Sơ đồ khối tính toán qui hoạch LĐPP 37

Hình 3.2 Sơ đồ LĐPP 15 nút 53

Hình 3.3 Đồ thị phụ tải ngày điển hình 54

Hình 3.4 Đặc tính giá điện 54

Hình 3.5 Đặc tính công suất của nguồn pin mặt trời 55

Hình 4.1 Đặc tính giá bán điện 59

Hình 4.2 Sơ đồ lộ 478, TBA 110kV Thịnh Đán 61

Hình 4.3 So sánh tổn thất điện năng 64

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Đơn vị: Trường Đại học KTCN

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu xây dựng mô hình và chương trình tính toán qui hoạch lưới điện phân phối khi xét đến nguồn pin mặt trời

- Mã số: ĐH2015-TN02-03

- Chủ nhiệm: TS.Vũ Văn Thắng

- Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp

- Thời gian thực hiện: 2015-2016

2 Mục tiêu:

- Xây dựng mô hình và chương trình tính toán qui hoạch LĐPP có xét đến khả năng tham gia của nguồn pin mặt trời với đặc tính công suất phát mang tính ngẫu nhiên, đặc tính của giá điện và đồ thị phụ tải

- Tính toán đánh giá hiệu của nguồn pin mặt trời trong qui hoạch LĐPP Thái

Nguyên

3 Kết quả nghiên cứu:

- Đã xây dựng được mô hình toán hai bước qui hoạch LĐPP tổng hợp ĐTPT ngày điển hình, đặc tính giá điện và nguồn pin mặt trời với công suất mang tính ngẫu nhiên phụ thuộc vào điều kiện khí hậu

- Đã lập được chương trình tính toán theo mô hình đề xuất trong ngôn ngữ lập trình GAMS cho phép xét được đồng thời nhiều giải pháp trong bài toán qui hoạch LĐPP cũng như đánh giá được rõ ràng hơn hiệu quả của từng giải pháp qua các chỉ tiêu KT-KT của hệ thống

- Đã tính toán áp dụng trong qui hoạch LĐPP Thái Nguyên từ đó đánh giá hiệu quả của những chính sách khuyến khích phát triển nguồn năng lượng mới và

tái tạo

4 Sản phẩm:

- Sản phẩm khoa học:

+ 02 bài báo quốc tế:

V V Thang (2017), “An optimization model for distribution system

reinforcement integrated uncertainties of photovoltaic systems”, Electrical

Engineering (SCI), Online, 2017, pp 1-10;

V V Thang, B Q Khanh, H T Tung (2016), “A Two-Stage Optimization Model for Distribution System Planning Integrated Distributed Generator”,

Journal of Science and Technology of Energy Sources, Vol 1, Is 1, 2016, pp

20-28

+ 01 hội thảo quốc tế:

V.V Thang (2016), “The Optimization Model for Calculating Distribution

System Planning Integrated Photovoltaic”, Proceedings of the International

Conference Advances in Information and Communication Technology – ICTA,

Thainguyen, Vietnam, 2016, pp 622-632

+ 02 bài báo quốc gia:

Vũ Văn Thắng, Nguyễn Quang Thuấn, Bạch Quốc Khánh (2016), “Tính toán công suất và dung lượng tối ưu của BESS trong hệ thống nguồn pin mặt trời

nối lưới”, Tạp chí KHCN Đại học Công nghiệp Hà Nội, Số 35, 2016, tr

24-27;

Vũ Văn Thắng, Bạch Quốc Khánh, Đặng Quốc Thống (2016), “Qui hoạch hệ

thống phân phối điện xét đến khả năng tham gia của nguồn pin mặt trời”, Tạp

chí KHCN Các trường Đại học kỹ thuật, Số 115, 2016, tr 20-25

6 Khả năng áp dụng và phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu:

- Khả năng áp dụng: Mô hình toán và chương trình tính toán đã được xây dựng với cơ sở toán học chặt chẽ và điều kiện cụ thể tại Thái Nguyên Hơn nữa, đề tài được nghiên cứu kết hợp với các thành viên hiện đang làm việc tại Công ty Điện lực Thái Nguyên Do đó, chương trình tính toán đảm bảo tin cậy, phù hợp và có khả năng ứng dụng cao trong thực tế

- Phương thức chuyển giao: Đào tạo hoặc chuyển giao bản quyền

Ngày tháng 6 năm 2017

Cơ quan chủ trì KT.HIỆU TRƯỞNG

PHÓ HIỆU TRƯỞNG

PGS.TS Vũ Ngọc Pi

Chủ nhiệm đề tài

TS Vũ Văn Thắng

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS

1 General information:

Project title: Research on the model and program of distribution system

planning considering photovoltaic systems Code number: ĐH2015-TN02-03

Coordinator: PhD Vu Van Thang

Implementing institution: TNU-Thainguyen University of Technology

Duration: from 2015 to 2016

2 Objective(s):

- The objective of this research is proposition a model of distribution system planning that considers photovoltaic systems The stochastic power characteristic of photovoltaic, typical load chart of each day and each seasion

as well as electrical energy price according to time of use are integrated in the model

- The effect of photovoltaic systems is evaluated in the distribution system planning of Thai Nguyen

1 Research results:

- The two-stage mathematical model for distribution system planning integrated load, electricity price characteristics and photovoltaic systems with stochastic power characteristic is proposed

- The program are created in GAMS program that is suitable for simultaneous planning solutions and evaluated more clearly the effectiveness of each solution

- The distribution system planning of Thai Nguyen is tested and thence evaluating the effectiveness of policies that encourage the development of renewable sources

4 Products:

- Science:

+ 02 article in International Journal:

V V Thang (2017), “An optimization model for distribution system

reinforcement integrated uncertainties of photovoltaic systems”, Electrical

Engineering (SCI), Online, April 2017, pp 1-10;

V V Thang, B Q Khanh, H T Tung (2016), “A Two-Stage Optimization Model for Distribution System Planning Integrated Distributed Generator”,

Journal of Science and Technology of Energy Sources, Vol 1, Is 1, 2016, pp

20-28

+ 01 article in International Conference:

V.V Thang (2016), “The Optimization Model for Calculating Distribution

System Planning Integrated Photovoltaic”, Proceedings of the International

Conference Advances in Information and Communication Technology – ICTA,

Thainguyen, Vietnam 2016, pp 622-632

+ 02 articles in National Journal:

Vu Van Thang, Nguyen Quang Thuan, Bach Quoc Khanh (2016), “Optimal Power and Capacity of BESS for Grid Connected Phototvoltaic System”,

Journal of science and technology – Hanoi University of Industry, No 35,

2016, pp 24-27;

Vu Van Thang, Bach Quoc Khanh, Dang Quoc Thong (2016), “Distribution

System Planning Intergrated Photovoltaic”, Journal of Science and

Technology Technical Universities, No 115, 2016, pp 20-25

- The introduced program is a tool that helps in calculation of distribution system planning more accurately when the photovoltaic system with stochastic power characteristic is considered at distribution system of Thai Nguyen as well as Vietnam

6 Transfer alternatives of reserach results andapplic ability:

- Applicability: The model and program has been developed with strict mathematical foundation and specific conditions of Thai Nguyen distribution system Moreover, this research was made in conjunction with the members of Power Company of Thai Nguyen Therefore, the calculation program is reliable and suitable in distribution system of Thai Nguyen as well as nationwide

- Transfer alternatives: Training or transfer of copyright

MỞ ĐẦU

Qui hoạch LĐPP là vấn đề phức tạp với nhiều mục tiêu khác nhau như đảm bảo hiệu quả kinh tế, cung cấp năng lượng tin cậy và không tác động xấu đến môi trường Ngoài ra, nhiều yếu tố mang tính ngẫu nhiên và không chắc chắn, số lượng biến rất lớn cũng làm tăng tính phức tạp của bài toán

Cùng với quá trình phát triển của ngành điện, nhiều mô hình và phương pháp qui hoạch LĐPP đã được phát triển và ứng dụng thành công trong thực tiễn với kết quả và giải pháp phù hợp Tuy vậy, các mô hình và phương pháp này có thể được cải thiện, nâng cao hiệu quả khi sử dụng những giải pháp hoàn thiện hơn nên các nghiên cứu vẫn tiếp tục được thực hiện bởi nhiều nhà khoa học trên thế giới Trong những năm gần đây, quá trình tái cơ cấu TTĐ theo xu hướng cạnh tranh và công nghệ DG phát triển rất nhanh Nhiều công cụ với khả năng tính toán mạnh, nhiều phương pháp và thuật toán mới đã được phát triển Do đó, cần nghiên cứu các mô hình và phương pháp qui hoạch mới, hoàn thiện hơn nhằm nâng cao tính chính xác

và đáp ứng được yêu cầu thực tiễn

1 Tổng quan

Qui hoạch LĐPP là vấn đề không mới và đã được thực hiện ngay từ khi hình thành và phát triển ngành công nghiệp điện lực Tuy nhiên, sự phát triển của các công cụ tính toán cũng như những thay đổi về môi trường công nghiệp điện lực, sự phát triển của công nghệ DG nói chung và nguồn pin mặt trời nói riêng gần đây đã dẫn tới những thay đổi lớn trong công tác qui hoạch, thiết kế và vận hành LĐPP Tiến bộ về công nghệ chế tạo gần đây đã nâng cao hiệu suất, giảm chi phí đầu

tư của nguồn pin mặt trời và trở thành nguồn thay thế khả thi cho các nguồn năng lượng truyền thống Hơn nữa, qui hoạch toán học đã được phát triển cùng với khả năng tính toán của máy tính không ngừng được nâng cao đã dẫn đến phát triển các

mô hình qui hoạch toán học nhằm tính toán qui hoạch LĐPP, xác định lộ trình nâng cấp thiết bị của LĐPP đồng thời vấn đề lựa chọn vị trí, công suất và thời gian đầu tư của nguồn pin mặt trời thay cho mua điện hoàn toàn từ HTĐ rất được quan tâm nghiên cứu

Nhiều mô hình qui hoạch LĐPP đã được đề xuất với hàm mục tiêu và các ràng buộc Trong đó, hàm mục tiêu có thể sử dụng các chỉ tiêu như chi phí tính toán hàng năm [22], [23], [8], [40], chi phí sản xuất của các nhà máy điện [45], cực tiểu chi phí vận hành, cực tiểu tổn thất công suất hay cực tiểu tổn thất điện năng của hệ thống [47], [31] Hàm mục tiêu cực tiểu chi phí vòng đời cũng được sử dụng trong

các nghiên cứu [57], [46], [67], [52] Những mô hình trên quan tâm đến thời gian đầu tư nâng cấp các TBA, đường dây nhằm đáp ứng yêu cầu của phụ tải trong tương lai hoặc xác định sơ đồ của LĐPP trong mô hình liên kết dọc [51], [41] Các ràng buộc về kỹ thuật đã được sử dụng để đảm bảo yêu cầu vận hành hệ thống như cân bằng công suất nút, giới hạn điện áp nút, giới hạn công suất truyền tải của đường dây và TBA Một số mô hình chỉ đảm bảo chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống mà không quan tâm đến hiệu quả kinh tế của phương án qui hoạch [47], [70] Ngoài ra, một số mô hình sử dụng hàm mục tiêu cực tiểu chi phí đầu tư và vận hành của hệ thống khi xét đến khả năng lựa chọn DG [32], [36], [37] Thông số đầu tư tối ưu của các DG được lựa chọn với giả thiết không nâng cấp các đường dây và TBA nguồn

Mô hình hai bước được tiếp tục ứng dụng trong các nghiên cứu [77], thay đổi của phụ tải và giá điện đã được xét đến ở mức độ đơn giản (giờ cao điểm, thấp điểm và bình thường) đồng thời xét đến khả năng sử dụng nhiều loại DG với công nghệ khác nhau Tuy nhiên, những nghiên cứu trên sử dụng các giả thiết để đơn giản trong tính toán như công suất phát của các DG và phụ tải luôn là hằng số nhưng đó cũng là lý

do làm giảm tính chính xác của kết quả tính toán cũng như không còn phù hợp với thực tế của các LĐPP hiện nay

Do đó, nghiên cứu này xây dựng mô hình toán và chương trình tính toán qui hoạch LĐPP nhằm lựa chọn thông số đầu tư tối ưu (tiết diện dây dẫn, công suất TBA và thời gian nâng cấp) của các thiết bị đồng thời xét đến khả năng tham gia của nguồn pin mặt trời với đặc tính công suất thay đổi theo thời gian trong ngày, mùa trong năm và mang tính ngẫu nhiên Mô hình sử dụng hàm mục tiêu chi phí vòng đời để đánh giá hiệu quả của phương án qui hoạch, giá điện theo thời gian trong ngày và đồ thị phụ tải ngày điển hình cho từng mùa cũng được xét tới nhằm đáp ứng gần hơn với điều kiện thực tiễn và giảm sai số

2 Tính cấp thiết của đề tài

Tốc độ tăng trưởng phụ tải điện nước ta nói chung và khu vực thành phố Thái Nguyên nói riêng khá cao trong hơn thập kỷ qua với tốc độ tăng trưởng đạt 13.84% trong giai đoạn (1999÷2010) và giai đoạn (2010÷2015) đạt (14.1÷16.0)% Dự báo trong tương lai tốc độ tăng trưởng phụ tải tiếp tục ở mức cao và đạt khoảng (11.3÷11.6)% trong giai đoạn (2016÷2020) LĐPP còn nhiều bất cập như nhiều cấp điện áp chồng chéo, thiết bị lạc hậu, chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện CCĐ kém Do đó, qui hoạch LĐPP cần phải được quan tâm thỏa đáng mới đáp ứng yêu cầu thực tiễn

Việc phát triển nguồn điện hiện nay gặp nhiều khó khăn do các nguồn năng lượng truyền thống (thủy điện, nhiệt điện) đang dần cạn kiệt, chi phí đầu tư và vận hành ngày càng tăng Vấn đề ô nhiễm môi trường và làm thay đổi hệ sinh thái ngày càng được quan tâm Vì vậy, cần nghiên cứu sử dụng các nguồn năng lượng thay thế và ít ảnh hưởng đến môi trường nhằm xây dựng hệ thống năng lượng bền vững Trong thời gian gần đây, công nghệ phát điện đã phát triển rất nhanh với nhiều nguồn năng lượng mới và tái tạo được thương mại hóa thành công, trong đó nguồn pin mặt trời được đặc biệt quan tầm với giá thành ngày càng giảm, có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng truyền thống [44], [55], [62], [63], [29], [71], [73] Trong

đó, khu vực thành phố Thái Nguyên có tiềm năng lớn sử dụng pin mặt trời với cường độ bức xạ cực đại đạt 1909W/m2 và thời gian có nắng đạt trên 3000h/năm Tuy nhiên, hiệu quả của các nguồn này thường được đánh giá độc lập mà chưa xét đến hiệu quả của chúng đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của cả hệ thống

Hơn nữa, khi sử dụng nguồn pin mặt trời sẽ dẫn đến những thay đổi lớn trong bài toán qui hoạch và cải tạo LĐPP như thay đổi lộ trình qui hoạch đường dây, trạm biến áp cũng như các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của hệ thống Những thay đổi này làm tăng tính phức tạp của bài toán nhưng cũng mở ra những cơ hội để nâng cao hiệu quả kinh tế và cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật của LĐPP [43]

Từ những phân tích trên, hướng nghiên cứu chính của đề tài là bài toán qui hoạch LĐPP có xét đến khả năng tham gia của nguồn pin mặt trời với công suất phát mang tính ngẫu nhiên phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời, tổng hợp đặc tính giá điện và đồ thị phụ tải Từ đó, xây dựng mô hình và chương trình tính toán, đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng của nguồn pin mặt trời trong qui hoạch LĐPP thành phố Thái Nguyên

3 Mục tiêu

Mục đích nghiên cứu của đề tài là xây dựng cơ sở lý thuyết và phát triển các phương pháp tính toán KT-KT nhằm giải quyết một số khía cạnh của bài toán qui hoạch LĐPP khi xét đến các nguồn pin mặt trời

Đề tài sẽ tập trung nghiên cứu các mô hình qui hoạch LĐPP có xét đến khả năng tham gia của DG nói chung và nguồn pin mặt trời với đặc tính công suất phát thay đổi phụ thuộc nguồn năng lượng sơ cấp Mô hình sẽ tổng hợp đặc tính của giá bán điện và ĐTPT nhằm nâng cao tính chính xác của kết quả tính toán Trên cơ sở

đó, xây dựng các chương trình tính toán và áp dụng cho bài toán qui hoạch LĐPP Việt Nam

5 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Bài toán qui hoạch LĐPP xét đến các DG ngày nay là vấn đề khoa học hiện đại đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới cũng như tại Việt Nam quan tâm nghiên cứu Đề tài nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán qui hoạch LĐPP xét đến các nguồn pin mặt trời với đặc trưng công nghệ qua đặc tính công suất phát, tổng hợp ĐTPT và đặc tính giá điện

Chương trình tính toán được mô phỏng trên máy tính theo mô hình đề xuất bằng ngôn ngữ lập trình GAMS mô phỏng quá trình qui hoạch và đánh giá hiệu quả của LĐPP khi sử dụng nguồn pin mặt trời trong những ví dụ đơn giản cũng như LĐPP Thái Nguyên Từ đó, giới thiệu một phương pháp và chương trình tính toán qui hoạch LĐPP cũng như đưa ra các khuyến nghị về hiệu quả của nguồn pin mặt trời trong qui hoạch LĐPP Thái Nguyên nói riêng và LĐPP Việt Nam

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các LĐPP trung áp, thuộc phạm vi quản lý

và vận hành cấp địa phương (các điện lực quận, huyện, thành phố, nhà máy xí nghiệp…) hay CTPP

Trong điều kiện LĐPP có các nguồn pin mặt trời, đề tài sẽ tập trung nghiên cứu phát triển lý thuyết và các phương pháp tính toán KT-KT của bài toán qui hoạch LĐPP Từ đó, xây dựng được mô hình và chương trình tính toán qui hoạch LĐPP khi xét đến khả năng tham gia của nguồn pin mặt trời

6 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của đề tài gồm có phần mở đầu, phần kết luận và 4 chương Tổng quan về LĐPP Thái Nguyên nói riêng và Việt Nam, những vấn đề tồn tại cần giải quyết và cơ sở lý thuyết bài toán qui hoạch LĐPP được trình bày trong chương 1 Chương này sẽ tổng hợp và đánh giá các mô hình, các thành phần của bài toán qui hoạch LĐPP Từ đó, định hướng những vấn đề nghiên cứu của đề tài

Chương 2 trình bày bài toán qui hoạch toán học và ứng dụng của chúng trong các bài toán tối ưu của HTĐ Phương pháp giải bài toán qui hoạch toán học được phân tích để từ đó lựa chọn phương pháp và công cụ tính toán phù hợp

Chương 3 xây dựng mô hình toán và chương trình tính toán qui hoạch LĐPP xét đến khả năng tham gia của nguồn pin mặt trời với công suất phát mang tính ngẫu nhiên phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời, ĐTPT ngày điển hình và giá điện theo thời gian sử dụng Tính toán minh họa trong một ví dụ đơn giản

Chương 4 sử dụng những chương trình đã lập tính toán áp dụng trong bài toán qui hoạch cải tạo LĐPP Thái Nguyên với tiềm năng của nguồn pin mặt trời

Từ những nội dung nghiên cứu trên, kết cấu của đề tài bao gồm:

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về qui hoạch LĐPP

Chương 2 Qui hoạch toán học

Chương 3 Mô hình và chương trình tính toán qui hoạch LĐPP xét đến khả

năng tham gia của nguồn pin mặt trời

Chương 4 Tính toán áp dụng

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUI HOẠCH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

1 Chương 1, Equation Chapter 1 Section 1

1.1 Giới thiệu

Qui hoạch lưới điện phân phối (LĐPP) là vấn đề không mới và đã được thực hiện ngay từ khi hình thành và phát triển ngành công nghiệp điện lực Tuy nhiên, sự phát triển của các công cụ tính toán, mô phỏng bằng máy tính cũng như những thay đổi về môi trường công nghiệp điện lực, sự phát triển của công nghệ nguồn phân tán nói chung và nguồn năng lượng mặt trời nói riêng gần đây đã dẫn tới những thay đổi lớn trong công tác qui hoạch, thiết kế và vận hành LĐPP Tiến bộ về công nghệ chế tạo gần đây đã nâng cao hiệu suất, giảm chi phí của các năng lượng mặt trời và trở thành nguồn thay thế khả thi cho các nguồn năng lượng truyền thống Quá trình tái cơ cấu thị trường điện đã thúc đẩy phát triển và ứng dụng các năng lượng mặt trời đồng thời khách hàng được lựa chọn nhà cung cấp dẫn đến giá bán điện và trào lưu công suất thay đổi [58] Vì vậy, bài toán qui hoạch LĐPP cần xác định lộ trình nâng cấp thiết bị của LĐPP đồng thời vấn đề lựa chọn công nghệ, vị trí, công suất và thời gian đầu tư năng lượng mặt trời thay cho mua điện hoàn toàn từ HTĐ cần được quan tâm nghiên cứu

1.2 Hiện trạng qui hoạch LĐPP

sơ đồ hình tia

Lưới phân phối khu vực miền Bắc không đồng nhất và được thể hiện theo từng khu vực Khu vực miền núi có mật độ phụ tải nhỏ, bán kính cấp điện lớn với lưới 35kV là chủ yếu và chiếm tỷ trọng (70÷80)% Các chỉ tiêu KT-KT không đảm bảo do sử dụng nhiều loại dây dẫn, thiết bị chắp vá và xuống cấp Tại khu vực nông thôn và đồng bằng LĐPP đã được hình thành từ rất sớm, cấp điện áp 35kV chiếm (10÷20)%, (6, 10)kV chiếm (50÷60)% Những năm gần đây, do phụ tải tăng nhanh, các TBA trung gian 35/(6, 10)kV bị quá tải nên lưới điện 35kV trở thành cấp phân phối và lưới 22kV từng bước được xây dựng thay thế lưới

điện (6, 10)kV, chiếm khoảng (20÷40)% Phần lớn các TBA trung gian 35/(6, 10)kV đều đã xuống cấp và đầy tải Chất lượng điện năng không đảm bảo và an toàn CCĐ kém do đường dây cũ, tiết diện nhỏ, hệ số mang tải cao, bán kính cấp điện lớn Khu vực đô thị đã được đầu tư nâng cấp cải tạo thành lưới điện 22kV với tỷ trọng khoảng (40÷60)% Do đó, chất lượng điện đã được cải thiện, tổn thất điện áp và tổn thất điện năng giảm

Tại miền Nam, LĐPP sử dụng chủ yếu cấp điện áp 22kV và 15kV, tỷ trọng lưới điện 22kV theo khối lượng đường dây chiếm 81.9% Lưới điện 15kV hầu hết được thiết kế theo tiêu chuẩn 22kV do đó việc nâng cấp thành 22kV rất thuận lợi Đường dây 22kV được tính toán dự phòng lớn nên chất lượng của LĐPP các tỉnh miền Nam về cơ bản có chất lượng tốt hơn khu vực miền Bắc

LĐPP khu vực miền Trung mang đặc điểm của cả miền Bắc và miền Nam với cấp điện áp (15, 22)kV chiếm tỷ trọng khá lớn khoảng (80÷90)% LĐPP khu vực miền Trung chủ yếu phát triển trong thời gian gần đây (sau năm 1994) và lưới (6, 10, 15)kV được thiết kế theo tiêu chuẩn 22kV Do đó, việc cải tạo nâng cấp tương đối thuận lợi

Hiện nay, cấu trúc phổ biến của LĐPP thường có 3 dạng là hình tia, hình vòng và hình lưới được giới thiệu trên các tài liệu [1], [49], [50] LĐPP hình tia được sử dụng rộng rãi vì sơ đồ có cấu trúc đơn giản như trên hình 1.1, giá thành xây dựng rẻ, sơ đồ chỉ có một luồng công suất từ TBA tới người sử dụng nên vận hành và mở rộng hệ thống đơn giản Tuy vậy, độ tin cậy cung cấp điện kém, cần

có các biện pháp nâng cao độ tin cậy cung cấp điện

Hình 1.1 Sơ đồ LĐPP hình tia

Sơ đồ LĐPP hình vòng nhưng được vận hành hở như hình 1.2 có độ tin cậy cung cấp điện cao nhưng cấu trúc phức tạp nên qui hoạch, thiết kế và vận hành gặp nhiều khó khăn Hơn nữa, hệ thống bảo vệ có liên hệ phức tạp và chi phí đầu

tư lớn nên sơ đồ hình vòng và hình lưới thường được dùng cho những khu vực có mật độ phụ tải lớn, yêu cầu về độ tin cậy cao Thực tế, để đơn giản trong vận

MC

hành cũng như thiết kế các hệ thống bảo vệ sự cố, LĐPP hình vòng và hình lưới thường được vận hành hở qua các cầu dao hoặc máy cắt phân đoạn

Hình 1.2 Sơ đồ LĐPP hình vòng

1.2.2 LĐPP Thái Nguyên

LĐPP Thái Nguyên mang đặc điểm của lưới điện miền Bắc với nhiều cấp điện áp từ 35kV, 22kV, 10kV, 6kV đến 0.4kV Sơ đồ LĐPP chủ yếu là hình tia nhằm đơn giản trong vận hành và giảm chi phí đầu tư xây dựng Ví dụ như lộ

478, TBA 110kV Thịnh Đán được lựa chọn làm LĐPP điển hình trong khu vực này Sơ đồ hệ thống được trình bày trên hình 1.3, điện áp lưới là 22kV, tổng công suất năm đầu qui hoạch là 9.63MW và 6.90MVAR Thông số chi tiết của phụ tải tại năm cơ sở trên từng nút trình bày trong PL4 Thông số chi tiết của đường dây trong LĐPP cho trong PL5, tổng chiều dài đường dây toàn tuyến là 35.95km Phụ tải của LĐPP thường biến động khá mạnh theo thời gian trong ngày và theo mùa trong năm do ảnh hưởng trực tiếp bởi chế độ làm việc của thiết bị điện Trong giai đoạn qui hoạch, nghiên cứu sử dụng ĐTPT ngày điển hình cho mùa

hè và mùa đông (dữ liệu điều tra ngày 15/7/2014 và 15/01/2015) của LĐPP thành phố Thái Nguyên như hình 1.4 [5] ĐTPT ngày của mùa đông tương đối bằng phẳng hơn so với ĐTPT ngày của mùa hè tuy vậy vẫn có chênh lệch công suất giữa thời điểm cao điểm và thấp điểm rất lớn Công suất lớn nhất tại giờ cao điểm (18h) lớn hơn công suất nhỏ nhất tại giờ thấp điểm (4h) tới 3.89 lần vào mùa hè và 2.72 lần vào mùa đông

Phụ tải của khu vực Thái Nguyên trong những năm gần đây tăng trưởng khá nhanh mặc dù chịu ảnh hưởng của khủng hoảng kinh tế Theo qui hoạch phát triển điện lực tỉnh Thái Nguyên giai đoạn (2010÷2015) có xét đến năm 2020 [26], tốc độ tăng trưởng phụ tải đạt 8.4% trong giai đoạn (2006÷2009) và dự báo trong giai đoạn (2009÷2020) tốc độ tăng trường phụ tải đạt 11.5% Khu vực qui

MC

CD TBA

hoạch có phạm vi nhỏ nên giả thiết tốc độ tăng trưởng của phụ tải trong khu vực

là như nhau và bằng 11.5% mỗi năm

Việt Thái

Phan Đình Phùng 13

16 Qui Bơ 1

Bột Khoáng 17 Xuân Hòa 18 Đồng Tiến 2 19

20 Dân cư tỉnh đội

24

Kho Bạc

25

Gia Sàng 2

27

Quỳnh Minh

28

29 Cầu Loàng 1

30

KK Gia Sàng 3

31

Bia Chiến Thắng

32

Gia Sàng 1

45

Ngân hàng Nông nghiệp

38

Núi Tiện

39

Xuân Quang 1

40

46

47

48

Hình 1.4 Đồ thị phụ tải ngày điển hình của LĐPP Thái Nguyên

1.2.3 Những tồn tại và vấn đề qui hoạch LĐPP

Từ những phân tích trên cho thấy, LĐPP Việt Nam nói chung và Thái Nguyên nói riêng còn tồn tại nhiều bất cập theo từng khu vực và theo từng miền như nhiều cấp điện áp, không đồng bộ gây khó khăn trong xây dựng và vận hành Mật độ phụ tải tăng cao trong thời gian gần đây dẫn đến một số cấp điện áp không còn phù hợp do tổn thất công suất và điện năng lớn Ngoài ra, LĐPP được xây dựng và nâng cấp không theo qui hoạch dài hạn, nhiều đường dây cũ, xuống cấp nên LĐPP chắp vá, lạc hậu Chất lượng điện năng và độ tin cậy CCĐ trong nhiều khu vực không đảm bảo

Trong thời gian gần đây, bên cạnh các giải pháp qui hoạch cải tạo truyền thống như nâng cấp đường dây và TBA, một giải pháp mới được khuyến khích

sử dụng là đầu tư DG đặc biệt là nguồn pin mặt trời trong một số điều kiện có thể cạnh tranh với các giải pháp truyền thống Hơn nữa, một số vấn đề như việc tái

cơ cấu ngành điện theo mô hình TTĐ cạnh tranh và sự phát triển nhanh các công

cụ tính toán qui hoạch khiến bài toán qui hoạch ứng dụng cho LĐPP trung áp ở Việt Nam cần xem xét thêm khả năng tham gia của nguồn phân tán nói chung và nguồn năng lượng mặt trời nói riêng trong qui hoạch LĐPP nhằm sử dụng được các nguồn năng lượng mới và tái tạo đồng thời nâng cao hiệu quả của LĐPP

1.3 Nguồn pin mặt trời

Năng lượng của tia bức xạ mặt trời có thể được chuyển đổi thành điện năng theo phương thức nhà máy điện mặt trời hay trực tiếp qua pin mặt trời Pin mặt trời không làm ô nhiễm môi trường, có thể thiết lập ngay tại khu dân cư nên khả năng ứng dụng cao [20], [21] Tuy vậy, chi phí xây dựng lớn là một rào cản nên cần có những chính sách hỗ trợ phát triển nguồn năng lượng này trong tương lai

1.3.1 Tiềm năng của nguồn năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời có tiềm năng rất lớn, mỗi giây trái đất có thể nhận được năng lượng tương đương 6x106tấn than đá nhưng để chuyển thành năng lượng hữu ích còn gặp nhiều khó khăn Tuy vậy, nguồn điện sử dụng năng lượng

mặt trời trên Thế giới đã được ứng dụng và phát triển rất mạnh mẽ trong những năm gần đây với qui mô công nghiệp Tổng công suất đặt của Pin trời năm 2008 trên toàn cầu đã đạt 13.1GW như biểu diễn trên hình 1.5 [44] Trong đó, các nước thuộc ủy ban năng lượng quốc tế (International Energy Agency - IEA) có tiềm năng và ứng dụng lớn nhất, năm 2007 đã phát triển được 2.26GW và trong những năm tới sẽ phát triển ước tính đạt 7.8GW Đức là quốc gia đã nghiên cứu

và phát triển thành công nhất các nhà máy điện Pin mặt trời với công suất đặt đạt 5.3GW năm 2008, chiếm 38% tổng công suất đặt toàn cầu Tây Ban Nha, Nhật Bản và Mỹ cũng là những quốc gia đã phát triển rất thành công nguồn điện này Tổng công suất đặt của nhà máy điện Pin mặt trời mà Tây Ban Nha đã xây dựng được tới năm 2008 là 3.4GW, tương tự Nhật Bản đã phát triển được 2.1GW và

Mỹ là 1.1GW

Hình 1.5 Tổng công suất đặt nguồn pin mặt trời toàn cầu

1.3.2 Đặc điểm của nguồn năng lượng mặt trời tại Thái Nguyên

Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời và số ngày nắng trong năm cao nên tiềm năng nguồn năng lượng mặt trời rất lớn Tổng xạ trung bình ngày dao động từ 8.21MJ/m2.ngày đến 24.26 MJ/m2.ngày và trải đều trên toàn lãnh thổ quốc gia Số giờ nắng trung bình hàng tháng cũng rất cao, tổng số giờ nắng trung bình năm đạt trên 1425.9h tại các tỉnh phía Bắc và đạt đến 2847.1h tại các tỉnh miền Trung và Tây Nguyên Tuy nhiên, chi phí đầu tư xây dựng lớn nên năng lượng mặt trời chưa được đầu tư phát triển trên qui mô công nghiệp

Trong những năm gần đây, một số dự án phát triển nông thôn nhằm cung cấp điện chiếu sáng cho các khu vực vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải đảo đã được một số tổ chức tài trợ Nguồn điện Pin mặt trời đã được đầu tư xây dựng với công suất đến 2407.0MWp trong giai đoạn từ năm 1989 đến năm 2008 nhưng

các nguồn này chủ yếu là các hệ thống làm việc độc lập với qui mô nhỏ lẻ, chế

độ vận hành và bảo dưỡng không đảm bảo nên chưa phát huy được hiệu quả Một

số hệ thống nối lưới cũng đã được thực hiện thành công nhưng cũng với qui mô rất nhỏ chủ yếu mang tính thử nghiệm như nhà máy điện Pin mặt trời 100.0kWp

ở Gia Lai năm 1999, năm 2006 xây dựng nhà máy có công suất 154.0kWp tại trung tâm hội nghị quốc gia Tháng 11 năm 2010 đã khánh thành nhà máy Pin mặt trời có công suất 12.0kWp tại trụ sở Bộ công thương Hiện nay, dự án nhà máy điện Pin mặt trời nối lưới qui mô lớn đang được triển khai tại sân bay Đà Nẵng với công suất đặt tới 2.7MWp cho thấy nguồn điện sử dụng năng lượng mặt trời qui mô công nghiệp đã bước đầu được quan tâm trong qui hoạch phát triển hệ thống điện Việt Nam

Mặc dù chi phí xây dựng cao, công suất phát giảm thấp vào ban đêm là những rào cản lớn nhưng chi phí vận hành và nhiên liệu của Pin mặt trời rất thấp, không làm ô nhiễm không khí, không tạo ra hiệu ứng nhà kính DG Pin mặt trời thường chế tạo theo modul, thời gian và không gian xây dựng nhỏ đồng thời những chính sách hỗ trợ phát triển các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và nguồn nguồn năng lượng mặt trời nói riêng đã nâng cao hiệu quả của nguồn điện Pin mặt trời Do đó, DG sử dụng năng lượng mặt trời nói chung và Pin mặt trời nói riêng cần được đặc biệt quan tâm nghiên cứu và ứng dụng nhằm đáp ứng tốc

độ phát triển nhu cầu năng lượng rất cao hiện nay

Công suất phát của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời và

có thể xác định bởi nhiều mô hình khác nhau [76] Mô hình vật lý có xét đến tính chất vật lý của pin mặt trời nên cho kết quả tin cậy nhưng tính toán rất phức tạp thường được sử dụng cho kiểm tra tính năng của pin Mô hình toán học có thể xác định được trực tiếp công suất phát với khả năng tính toán nhanh, đơn giản nên thích hợp cho tính toán qui hoạch hoặc vận hành pin mặt trời Công suất của pin mặt trời phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời được xác định như biểu thức (1.1) [76], [63]

Bức xạ mặt trời biến thiên theo thời gian và không gian, tại một vị trí xây dựng cố định pin mặt trời có thể bỏ qua ảnh hưởng của không gian nên công suất phát của pin mặt trời cũng là một hàm theo thời gian

Thái Nguyên thuộc khu vực trung du và miền núi phía bắc nên có tiềm năng lớn về pin mặt trời Cường độ bức xạ mặt trời tương đối lớn như khảo sát được trong bảng 1.1 và được nội suy theo đặc tính 24h Đặc tính công suất phát của pin mặt trời có công suất 1MWp được trình bày trên hình 1.6 Pin mặt trời có công suất phát biến thiên rất lớn theo thời gian trong ngày và mùa trong năm Trong những ngày mùa hè, pin mặt trời có thể phát từ 6h30’ tới 18h30’, công suất phát lớn nhất tại 12h là 1.17MW Những ngày mùa đông thời gian và công suất phát giảm mạnh, tại thời điểm 12h công suất giảm còn 0.59MW

Bảng 1.1 Cường độ bức xạ trung bình tháng tại một số khu vực [7]

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12

9.5 405 334 469 876 1479 1063 1083 919 724 725 506 169 12.5 530 849 1085 1580 1909 1584 1387 1255 1061 915 689 353 15.5 388 681 860 1175 1461 1365 1068 820 800 681 454 271

Hình 1.6 Đặc tính công suất phát của pin mặt trời tại Thái Nguyên

1.4 Qui hoạch, cải tạo LĐPP

Trong thập kỷ tới, phụ tải của hệ thống điện Việt Nam vẫn tăng khá cao, các nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường

và làm thay đổi hệ sinh thái [27] Nghiên cứu phát triển và ứng dụng các công nghệ phát điện mới có khả năng tái tạo, không gây ô nhiễm môi trường trong qui hoạch hệ thống điện nói chung và qui hoạch LĐPP là yêu cầu cấp thiết hiện nay

1.4.1 Tổng quan bài toán qui hoạch LĐPP

1.4.1.1 Mục tiêu

Mục tiêu của bài toán qui hoạch LĐPP là xác định lộ trình nâng cấp thiết bị (đường dây và TBA), bổ sung nguồn cung cấp hay thiết bị bù nhằm đáp ứng yêu

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

cầu phụ tải trong tương lai đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế và các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống [49], [74]

Hàm mục tiêu thường xác định qua các chỉ tiêu như cực tiểu chi phí đầu tư xây dựng mới hoặc nâng cấp thiết bị, cực tiểu chi phí bảo dưỡng và vận hành hay tổn thất công suất và tổn thất điện năng của LĐPP Ngoài ra, một số trường hợp còn bổ sung thêm chỉ tiêu nâng cao chất lượng điện năng, độ tin cậy CCĐ và giảm thiểu tác động của môi trường…

1.4.1.2 Những bước cơ bản của bài toán qui hoạch LĐPP

Nhìn chung, việc giải các bài toán qui hoạch LĐPP có thể là một quá trình phức tạp với nhiều nội dung cần nghiên cứu giải quyết Các tác giả trong [49], [74] đề xuất các bước tính toán qui hoạch nói chung và qui hoạch cải tạo LĐPP nói riêng như hình 1.7

Hình 1.7 Sơ đồ các bước qui hoạch LĐPP

1.4.1.3 Một số bài toán qui hoạch LĐPP

Các LĐPP thường đã được hình thành và phát triển trong thời gian dài với

sơ đồ và cấu trúc nhất định Do đó, bài toán qui hoạch LĐPP thường là bài toán

mở rộng và nâng cấp hệ thống đã có nhằm đáp ứng sự phát triển của phụ tải đồng thời nâng cao hiệu quả của hệ thống (nâng cao độ tin cậy CCĐ, giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng ) Gần đây, cùng với quá trình hình thành và phát triển TTĐ,

xu hướng khuyến khích phát triển DG trong LĐPP đang rất được quan tâm Do

đó, quá trình cải tạo LĐPP thường nghiên cứu ứng dụng một số bài toán sau đây [11], [49], [74]

Cần đánh giá tất cả các lựa chọn và giải pháp thay thế

trong cùng điều kiện Cần xác định những giải pháp thay thế có sẵn và khả thi Cần lựa chọn được giải pháp tốt nhất đáp ứng những mục tiêu liên quan đến vấn đề cần giải quyết

a) Bài toán nâng cấp thiết bị của hệ thống

Cấu trúc của một số LĐPP thường đã phát triển ổn định và khó thay đổi do hạn chế về không gian xây dựng đặc biệt trong các khu công nghiệp hay đô thị Phụ tải phát triển trong tương lai sẽ gây quá tải các đường dây và TBA, điện áp tại các phụ tải xa nguồn có thể không đảm bảo [50], [51], [68], [41] Trong trường hợp này, phương án nâng cấp đường dây và TBA của hệ thống sẽ được xem xét để đáp ứng yêu cầu của phụ tải

Bài toán xác định thời gian và công suất của các đường dây, TBA cần đầu

tư nâng cấp trong giai đoạn tính toán Điều kiện nâng cấp thường sử dụng giới hạn phát nhiệt của đường dây và khả năng tải của TBA Hàm mục tiêu thường là cực tiểu tổn thất công suất hay cực tiểu chi phí của LĐPP

b) Bài toán bổ sung nguồn điện phân tán

DG được ứng dụng ngày càng nhiều trong các LĐPP và có tác động tích cực tới chỉ tiêu KT-KT của hệ thống [28], [54] Qui hoạch LĐPP có xét đến khả năng tham gia của các DG là bài toán rất được quan tâm nghiên cứu gần đây, trong đó vị trí, loại công nghệ, thời gian và công suất đầu tư DG là các ẩn số cần được xác định

c) Bài toán bổ sung thiết bị bù

Thiết bị bù CSPK thường được bổ sung khi hệ thống đảm bảo truyền tải công suất nhưng chất lượng điện áp tại các phụ tải kém Bài toán thường đặt ra vấn đề lựa chọn vị trí và dung lượng tối ưu của thiết bị bù CSPK lắp đặt thêm nhằm đạt được yêu cầu về điện áp đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế của LĐPP Vấn đề cần giải quyết là lựa chọn vị trí, dung lượng bù tối ưu khi ĐTPT thay đổi theo thời gian trong ngày và mùa trong năm

d) Bài toán mở rộng sơ đồ hệ thống

Bài toán mở rộng sơ đồ của hệ thống thường được xem xét khi qui hoạch LĐPP [68], [41] Những đường dây mới được xây dựng để cung cấp cho những phụ tải mới hoặc liên kết với TBA, nguồn cung cấp mới nhằm đáp ứng yêu cầu phụ tải trong tương lai Bài toán thường xác định trước một số phương án có thể

mở rộng sơ đồ hệ thống Từ đó, xác định thời gian và thông số của thiết bị, đánh giá các chỉ tiêu KT-KT và chọn phương án tối ưu

Đề tài sẽ chủ yếu đi sâu nghiên cứu các bài toán a, b và c nhằm đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng DG trong qui hoạch các LĐPP tại Việt Nam

1.4.2 Phương pháp qui hoạch, cải tạo LĐPP

Nhìn chung, việc qui hoạch các LĐPP thường được thực hiện theo hai hướng là qui hoạch theo tiêu chuẩn và qui hoạch toán học [11], [18], [23]

1.4.2.1 Qui hoạch theo tiêu chuẩn

Phương pháp qui hoạch theo tiêu chuẩn được đặc trưng bởi việc mở rộng LĐPP hiện trạng theo từng bước với phương hướng phát triển của HTĐ dài hạn theo định hướng chung đã được lựa chọn bởi các phân tích trực quan, có quan hệ chặt chẽ với suy nghĩ của các chuyên gia Do đó, so sánh đánh giá các phương án theo các chỉ tiêu mang tính tổng hợp, phương án lựa chọn khả thi trong thực tế Tuy nhiên, do số lượng phương án đưa ra so sánh hạn chế, không xét đến tác động của các biến quyết định nên có thể bỏ sót phương án và không đảm bảo một lời giải tối ưu toàn cục

1.4.2.2 Qui hoạch toán học

Qui hoạch toán học là phương pháp mô hình hóa bài toán qui hoạch HTĐ

về dạng toán học rồi dùng các thuật toán tối ưu để tìm lời giải thỏa mãn tất cả các ràng buộc Mô hình tối ưu toán học của bài toán qui hoạch HTĐ gồm các biến, các ràng buộc và một hàm mục tiêu

Nhiều phương pháp đã được nghiên cứu để giải các bài toán qui hoạch HTĐ Bài toán qui hoạch tuyến tính có thể giải bằng thuật toán đơn hình, thuật toán nhánh-cận… Bài toán qui hoạch phi tuyến có thể được giải bằng các phương pháp lặp (tuyến tính hóa, gradient), phương pháp Lagrange, tìm kiếm Tabu, phương pháp Newton và Quasi-Newton…

Phương pháp qui hoạch toán học xét đến tác động lẫn nhau giữa các biến quyết định (biến lựa chọn), biến trạng thái đồng thời có thể xét đến tất cả các phương án có thể của hệ thống nên cho lời giải tối ưu và đảm bảo độ chính xác cao Tuy nhiên, do số lượng biến và các ràng buộc của hệ thống rất lớn nên rất khó để giải quyết những bài toán có qui mô lớn Khó khăn trên được khắc phục khi đơn giản hóa các ràng buộc thực tiễn dẫn đến một lời giải tối ưu toán chưa chắc là một phương án tối ưu trong thực tế

Ngoài ra, áp dụng qui hoạch toán học trong qui hoạch LĐPP còn gặp khó khăn khi khó biểu diễn mỗi quan hệ giữa tổng trở đường dây và MBA với biến tiết diện của đường dây hay công suất MBA lựa chọn Do đó, thường giả thiết tổng trở của hệ thống không đổi và bằng thông số năm cơ sở khi tính toán các

biến lựa chọn Thông số chế độ của hệ thống được tính toán lại khi các biến lựa chọn đã được xác định, điều này có thể gây sai số

1.4.2.3 Nhận xét

Trong những năm gần đây, tốc độ tính toán của máy tính ngày càng được nâng cao dần khắc phục được nhược điểm của phương pháp qui hoạch toán học, cho phép giảm thời gian tính toán và có thể đưa thêm ngày càng nhiều tham số sát với điều kiện thực tiễn

Tuy vậy, phương pháp qui hoạch toán học hiện vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn phương pháp qui hoạch theo tiêu chuẩn mà thường sử dụng kết hợp cả hai phương pháp Trước hết, bằng phương pháp qui hoạch theo tiêu chuẩn, một số phương án không khả thi sẽ được loại bớt theo điều kiện thực tiễn (chẳng hạn hình dạng sơ đồ LĐPP) Sau đó, phương pháp qui hoạch toán học sẽ được áp dụng để tính toán và lựa chọn phương án tối ưu

Hiện nay, LĐPP đã được xây dựng và cung cấp điện cho hầu hết các phụ tải Sơ đồ của lưới trung áp phụ thuộc nhiều vào điều kiện địa hình thực tế Do

đó, qui hoạch LĐPP thường là bài toán nâng cấp thiết bị và xây dựng mới một số đường dây hay TBA với sơ đồ đã xác định

Từ phân tích trên, đề tài nghiên cứu ứng dụng phương pháp qui hoạch toán học trong bài toán qui hoạch LĐPP với sơ đồ cấu trúc trong giai đoạn qui hoạch

đã được xác định trước

1.4.3 Các chỉ tiêu kinh tế đánh giá phương án qui hoạch

Qui hoạch LĐPP thường sử dụng hàm mục tiêu tối ưu chỉ tiêu kinh tế dưới các ràng buộc về yêu cầu kỹ thuật Do đó, nhiều chỉ tiêu kinh tế đã được nghiên cứu để đánh giá hiệu quả của phương án qui hoạch LĐPP Hiện nay, thường sử dụng 4 chỉ tiêu để đánh giá hiệu quả đầu tư của các dự án nói chung như sau [23], [17], [13]:

a Chỉ tiêu giá trị hiện tại của lãi ròng (NPV) cho biết lợi nhuận tuyệt đối của

dự án và tính đến toàn bộ thời gian hoạt động của dự án, ảnh hưởng của trượt giá, lạm phát Tuy nhiên, chỉ tiêu này không toàn diện, việc xác định lợi nhuận tối thiểu rất phức tạp và mang tính chủ quan, không thực tế Ngoài ra, khi vòng đời dự án khác nhau thì việc áp dụng chỉ tiêu này gặp nhiều khó khăn

b Chỉ tiêu tỷ lệ hoàn vốn nội tại (IRR) có ưu điểm là xác định theo trị số tương đối và so sánh với một đại lượng chuẩn Mặc dù có nhiều ưu điểm

nhưng việc xác định lợi nhuận tối thiểu rất khó khăn đồng thời đã giả định suất thu lợi khi tái đầu tư bằng chính suất thu lợi tối thiểu đang cần tìm, điều này không phù hợp với thực tế Hơn nữa, khi các dự án có vòng đời hay thời gian thực hiện khác nhau thì chỉ tiêu này có thể cho quyết định sai

c Chỉ tiêu tỷ số lợi nhuận/chi phí (B/C) cũng được sử dụng để đánh giá hiệu quả của các dự án đầu tư nhưng khi so sánh những dự án có mức đầu tư chênh lệch nhau lớn, kết quả xếp hạng theo chỉ tiêu này không chính xác

d Chỉ tiêu thời gian hoàn vốn (Tp) cho phép đảm bảo tính an toàn của dự án, tránh được rủi ro khi biến động kinh tế lớn thông qua việc thu hồi vốn Tuy vậy, chỉ tiêu này chỉ phù hợp trong những dự án ngắn hạn và không phản ánh được mục tiêu kinh doanh là lợi nhuận

Khó khăn chung khi tính toán hiệu quả của các dự án theo các phương pháp trên là xác định chính xác lợi nhuận của chúng trong giai đoạn tính toán Tuy nhiên, bài toán qui hoạch LĐPP được tính toán cho những khu vực đã xác định với sản lượng và số khách hàng như nhau giữa các phương án đầu tư Lợi nhuận của LĐPP trong trường hợp này có thể coi là bằng nhau giữa các phương án qui hoạch Khi đó, thành phần chi phí là chỉ tiêu quyết định đến hiệu quả của phương

án đầu tư [18] Thời gian nâng cấp thiết bị của LĐPP thường nhỏ và có thể coi là tương đương giữa các phương án

Vì vậy, chỉ tiêu chi phí cực tiểu qui đổi về năm cơ sở thường được sử dụng

để so sánh giữa các phương án đầu tư [23], [8] Các chỉ tiêu kinh tế cũng như tổn thất được tổng hợp trong hàm giải tích nên dễ dàng so sánh Tuy nhiên, chỉ tiêu này chỉ tính gần đúng chi phí vận hành của hệ thống theo công suất cực đại và thời gian làm việc với công suất cực đại, giá điện thường coi là hằng số và tính toán qui dẫn cho các phương án có điều kiện doanh thu giống nhau

Ngoài ra, khi xác định được các thành phần chi phí của phương án đầu tư

có thể so sánh chi phí hệ thống tăng thêm để sản xuất một đơn vị điện năng Chỉ tiêu này được gọi là chi phí biên dài hạn và thể hiện được hiệu quả kinh tế cũng như xét đến nhiều chỉ tiêu đặc thù của LĐPP [11], [61] Tuy vậy, phương pháp này bỏ qua chi phí năng lượng cung cấp cho phụ tải dẫn đến sai số khi giá bán điện không đồng nhất giữa các nguồn cung cấp

Thiết bị điện thường có tuổi thọ khác nhau, thời gian đầu tư trong suốt giai đoạn qui hoạch không đồng nhất nên những phương pháp trên có thể cho những quyết định sai lầm Phương pháp so sánh chi phí vòng đời so sánh tổng giá trị hiện tại của chi phí đầu tư, chi phí bảo dưỡng và vận hành trong suốt vòng đời

của phương án đầu tư đã được nghiên cứu và phát triển trong những năm gần đây cho phép đánh giá chính xác hơn hiệu quả của LĐPP trong quá trình qui hoạch [57], [52]

Chi phí vòng đời chính là quá trình đánh giá hiệu quả kinh tế của phương

án cải tạo LĐPP trong suốt vòng đời hay trong khoảng thời gian tính toán, được xác định như biểu thức (1.2)

1

1

C là chi phí đầu tư và thay thế thiết bị năm t; OM

t

C là chi phí vận hành và bảo dưỡng hệ thống năm t; Et là chi phí năng lượng tại năm t;

RNt là giá trị còn lại hay chi phí bổ sung của các thiết bị tại cuối giai đoạn tính toán với tổng số năm tính toán là T

Giá trị của RNt phụ thuộc vào đặc tính cụ thể của từng phương án, thời gian tính toán và có thể mang giá trị âm, dương hoặc bằng 0 [64] Thời gian tính toán vòng đời của LĐPP thường xác định theo tuổi thọ của thiết bị, giá trị của RNt khi

đó là 0 Tuy nhiên, tuổi thọ của các thiết bị trong thực tế thường khác nhau, hiệu quả kinh tế có thể tính toán cho từng giai đoạn nên thời gian tính toán vòng đời của phương án đầu tư có thể lớn hoặc nhỏ hơn tuổi thọ của từng thiết bị Giá trị này được tính toán theo biểu thức (1.3) với C

C là tổng chi phí đầu tư, tkh là thời gian khấu hao trong thời gian tính toán và Ttb là tuổi thọ của thiết bị [52]

Những phân tích trên cho thấy, phương pháp chi phí vòng đời có chỉ tiêu kinh tế tổng hợp phù hợp với các yêu cầu thực tiễn của LĐPP nên sẽ được sử dụng cho bài toán qui hoạch LĐPP trong nghiên cứu của đề tài

1.5 Qui hoạch LĐPP khi xét đến khả năng tham gia của nguồn pin mặt trời

DG nói chung và nguồn pin mặt trời nói riêng có tác động rất tích cực đến chỉ tiêu KT-KT của LĐPP như nâng cao độ tin cậy CCĐ, nâng cao hiệu quả quản

lý nhu cầu điện năng (DSM), giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng, giảm điện năng nhận từ HTĐ DG làm giảm sự phụ thuộc vào khả năng CCĐ từ HTĐ, giảm chi phí truyền tải và phân phối [54], [60] Hơn nữa, DG sử dụng nguồn năng lượng mới, tái tạo có thể dễ dàng bổ sung xây dựng và được coi là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường

Tuy nhiên, chi phí đầu tư của nguồn pin mặt trời thường cao, công suất phát không ổn định Khi nguồn pin mặt trời tham gia trong LĐPP sẽ làm thay đổi trào lưu công suất, làm phức tạp thêm các hệ thống bảo vệ và đo lường Vận hành LĐPP cũng trở nên phức tạp hơn khi công suất của nguồn pin mặt trời thường thay đổi theo nguồn năng lượng sơ cấp và khả năng ổn định kém [77], [74] Ngoài ra, nguồn pin mặt trời sẽ làm phát sinh nhiều vấn đề mới trong bài toán qui hoạch LĐPP như thay đổi lộ trình đầu tư các thiết bị (đường dây, TBA), thay đổi lượng điện năng nhận từ HTĐ, thay đổi chi phí đầu tư dẫn tới thay đổi chỉ tiêu KT-KT của hệ thống Hơn nữa, số lượng biến lựa chọn và mức độ phức tạp của các mô hình qui hoạch sẽ tăng lên đáng kể khi có nguồn pin mặt trời trong LĐPP

Vì vậy, nghiên cứu ứng dụng DG nói chung và nguồn pin mặt trời trong qui hoạch LĐPP cần được đặc biệt quan tâm với mục tiêu lựa chọn được vị trí và công suất đầu tư tối ưu của nguồn pin mặt trời cũng như các thiết bị của LĐPP Hiện nay, giá điện thường là giá thay đổi theo thời gian trong ngày và mang tính ổn định [28], [37] Do đó, nghiên cứu này sử dụng đặc tính giá điện theo thời gian trong ngày được qui định bởi Bộ công thương [1], [4]

Phương pháp qui hoạch toán học đã được nghiên cứu từ rất sớm, ngày càng chiếm ưu thế do phát triển của phương pháp tính và dần đáp ứng được yêu cầu thực tiễn Rất nhiều mô hình toán qui hoạch tối ưu LĐPP đã được đề xuất và ứng dụng trong thực tế để giải quyết các bài toán qui hoạch LĐPP như:

- Xác định sơ đồ cấu trúc tối ưu của LĐPP (sơ đồ lưới phân phối tối ưu, vị trí tối ưu của TBA nguồn )

- Xác định lộ trình qui hoạch, cải tạo LĐPP (nâng cấp đường dây và TBA nguồn )

- Xác định thông số tối ưu của thiết bị bù, hệ thống tích trữ năng lượng (vị trí, công suất và thời gian xây dựng…)

- Xác định thông số tối ưu của DG (vị trí, công suất, công nghệ và lộ trình đầu tư…)

Do đó, qui hoạch toán học sẽ được sử dụng trong nghiên cứu này

1.5.1 Mô hình bài toán qui hoạch LĐPP

Qui hoạch LĐPP là bài toán tối ưu với các thành phần cơ bản gồm hàm mục tiêu và các ràng buộc Hàm mục tiêu được sử dụng phổ biến là hàm của chi phí tính toán hàng năm [22], [23], [8], [40], cực tiểu chi phí đầu tư của LĐPP hoặc cực tiểu chi phí sản xuất của các nhà máy điện [45] Hàm mục tiêu cực tiểu chi phí vận hành, cực tiểu tổn thất công suất hay cực tiểu tổn thất điện năng của

hệ thống cũng đã được nghiên cứu và giới thiệu trong các nghiên cứu [47], [31] Gần đây, [56], [41] giới thiệu bài toán đa mục tiêu gồm các chi phí đầu tư nâng cấp thiết bị, chi phí tổn thất công suất và tổn thất điện năng

Những mô hình trên quan tâm đến lộ trình đầu tư nâng cấp các TBA, đường dây nhằm đáp ứng yêu cầu của phụ tải trong tương lai hoặc xác định cấu trúc của LĐPP trong mô hình liên kết dọc [51], [68], [41] Nhiều ràng buộc về kỹ thuật đã được sử dụng như cân bằng công suất nút, giới hạn điện áp nút, giới hạn công suất truyền tải của đường dây và TBA nguồn Những nghiên cứu trên luôn giả thiết LĐPP có nguồn không hạn chế với giá điện tại các nguồn như nhau, tổn thất công suất được tính toán theo công suất cực đại và thời gian chịu tổn thất công suất lớn nhất

Gần đây, nhiều mô hình qui hoạch LĐPP tổng hợp DG nói chung và nguồn pin mặt trời đã được nghiên cứu và phát triển với mục tiêu xác định lộ trình, công suất và vị trí đầu tư tối ưu DG cũng như thông số nâng cấp đường dây, TBA trung gian và trạm kết nối với LĐPP khác Nghiên cứu [47] giới thiệu hàm mục tiêu cực tiểu tổn thất CSTD và bổ sung mục tiêu độ lệch điện áp nút nhỏ nhất trong các nghiên cứu [70], [75] Hàm mục tiêu cực tiểu tổng chi phí đầu tư và vận hành DG, chi phí tổn thất điện năng, chi phí mua năng lượng từ thị trường, chi phí ngắt tải trong thời gian tính toán đã được giới thiệu trong [36], [37] và có thể bổ sung thêm chi phí ảnh hưởng tới môi trường

Nhiều công nghệ DG đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công nên bài toán lựa chọn DG tối ưu trong qui hoạch LĐPP đang rất được quan tâm nghiên cứu Mô hình hai bước qui hoạch dài hạn LĐPP khi xét đến phương án đầu tư

DG được giới thiệu trong các nghiên cứu [28], [77] Trong bước 1, hàm mục tiêu cực tiểu chi phí đầu tư, chi phí năng lượng và vận hành LĐPP được đề xuất cùng các ràng buộc cân bằng công suất nút DC, giới hạn công suất của DG, giới hạn

công suất của đường dây và TBA nguồn Trong bước này, tổn thất công suất không được xét đến trong hàm mục tiêu cũng như ràng buộc cân bằng công suất nút, giới hạn điện áp và ảnh hưởng của CSPK cũng được bỏ qua nhằm đơn giản trong tính toán Thông số đầu tư của đường dây và TBA đã xác định từ bước 1 được sử dụng như là tham số để tính toán lại thông số đầu tư của DG và thông số chế độ của LĐPP trong bước 2 Hàm mục tiêu tương tự như bước 1 nhưng thành phần tổn thất công suất đã được xét đến trong ràng buộc cân bằng công suất nút

DG Do đó, kết quả tính toán DG sẽ gần với giá trị tối ưu đồng thời dễ dàng giải được bài toán do giảm được tính phức tạp của mô hình Tuy nhiên, việc bỏ qua không xét đến ảnh hưởng của CSPK sẽ gặp sai số trong tính toán lộ trình qui hoạch cũng như thông số chế độ của hệ thống bởi CSPK ảnh hưởng trực tiếp đến trào lưu công suất, tổn thất công suất và tổn thất điện năng Khắc phục thiếu sót trên, các nghiên cứu [32], [37] đã xét đến ảnh hưởng của CSPK khi sử dụng mô hình cân bằng công suất nút AC Kết quả tính toán sẽ chính xác hơn nhưng mô hình sẽ trở lên phức tạp với số lượng biến và các ràng buộc lớn dẫn đến thời gian tính toán dài và yêu cầu về tốc độ, bộ nhớ của máy tính lớn Hơn nữa, các mô hình hai bước dùng cho qui hoạch LĐPP trên coi phụ tải, công suất phát của DG

và giá mua điện là không đổi nên chưa xét đến được chi tiết đặc tính giá điện thay đổi, hình dạng ĐTPT và đặc tính công suất phát của DG thay đổi phụ thuộc vào công nghệ là những thành phần có ảnh hưởng lớn tới kết quả qui hoạch của LĐPP

Tuy vậy, các nghiên cứu trên chưa xét đến thay đổi của giá điện và phụ tải

là hàm theo thời gian Công suất phản kháng và tổn thất công suất là những thành phần có ảnh hưởng lớn tới thông số nâng cấp của thiết bị (đường dây, TBA), cân bằng công suất và chi phí của hàm mục tiêu cũng bị bỏ qua Một trong những hạn chế lớn nhất của các nghiên cứu trên dẫn đến kết quả tính toán gặp sai số lớn là chưa xét tính ngẫu nhiên của nguồn năng lượng sơ cấp cung cấp cho các DG trong đó có nguồn pin mặt trời Do đó, những hạn chế trên cần được tiếp tục nghiên cứu, khắc phục để nâng cao độ tin cậy của kết quả tính toán và ứng dụng trong LĐPP Việt Nam

1.5.2 Phương pháp, thuật toán giải bài toán qui hoạch LĐPP

Bài toán qui hoạch LĐPP thường được đơn giản hóa để thuận lợi trong quá trình tính toán bằng cách chia nhỏ thành những bài toán có thể giải được với những khía cạnh và đối tượng nghiên cứu cụ thể Nhiều phương pháp đã được nghiên cứu để giải các bài toán qui hoạch tuyến tính như thuật toán đơn hình,

thuật toán nhánh-cận (branch-bound), phương pháp mở rộng nhánh (branch exchanges) [42]… Bài toán qui hoạch phi tuyến có thể được giải bằng các phương pháp lặp (tuyến tính hóa, gradient), phương pháp Lagrange, phương pháp Lagrange kết hợp với hệ phương trình Euler, phương pháp tìm kiếm Tabu, phương pháp Newton, phương pháp Newton-Raphson và các phương pháp Quasi-Newton…

Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm-GA) cũng được sử dụng rộng rãi

để giải bài toán qui hoạch đơn hay đa mục tiêu tổng hợp DG trong LĐPP [75] Thuật toán di truyền đã giải quyết tốt một số vấn đề riêng rẽ của bài toán qui hoạch LĐPP như xác định vị trí, công suất tối ưu của DG hay lộ trình đầu tư nâng cấp tối ưu đường dây và TBA trung gian Tuy vậy, giải quyết đồng thời bài toán qui hoạch LĐPP có xét đến các DG thì chưa được đề cập và giới thiệu Gần đây, phương pháp lặp kết hợp thuật toán reduced-gradient và thuật toán quasi-Newton trong giải thuật (solver) MINOS của chương trình GAMS được giới thiệu [39] Solver cho phép giải những bài toán qui hoạch phi tuyến lớn và đã được ứng dụng thành công trong các bài toán qui hoạch LĐPP [32], [36], [37] Tuy vậy, bài toán qui hoạch LĐPP khi xét đến khả năng tham gia của các

DG vẫn là bài toán rất phức tạp, thường trở thành bài toán qui hoạch phi tuyến với số lượng biến lớn Trong trường hợp này, phương pháp phân vùng (Benders Decomposition) được sử dụng để đơn giản hóa bài toán mà kết quả tính toán vẫn đảm bảo chính xác Thuật toán phân vùng của Benders là kỹ thuật chia bài toán phức tạp thành hai bài toán đơn giản hơn tương ứng hai bước (bước 1 và 2) và tính toán lặp giữa hai bước để tìm lời giải tối ưu như trình bày trên các nghiên cứu [48], [53] Bước 1 là bài toán quyết định và bước 2 được tính toán lại với một số thông số đã xác định từ bước 1 Kết quả tính toán chỉ gần tối ưu nhưng bài toán đơn giản hơn rất nhiều và sai số chấp nhận được nên phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong các bài toán tối ưu lớn

Tốc độ tính toán của máy tính ngày càng được nâng cao dần khắc phục được nhược điểm của phương pháp qui hoạch toán học, cho phép giảm thời gian tính toán và có thể đưa thêm nhiều tham số ngày càng sát với điều kiện thực tiễn

Vì vậy, đề tài sẽ nghiên cứu xây dựng mô hình và lập chương trình tính toán qui hoạch LĐPP khi xét đến đặc tính công suất phát của nguồn pin mặt trời với tính ngẫu nhiên, đặc tính giá bán điện và ĐTPT điển hình trong chương trình GAMS Phương pháp phân vùng Benders cũng được sử dụng để giảm thời gian tính toán trong những bài toán qui hoạch LĐPP lớn

1.6 Nhận xét và đề xuất những vấn đề cần nghiên cứu

LĐPP Việt Nam còn nhiều bất cập về sơ đồ cấu trúc, nhiều cấp điện áp, chất lượng điện năng và độ tin cậy CCĐ kém Hơn nữa, khi phụ tải tăng cao có thể dẫn đến quá tải thiết bị điện nên cần tiến hành qui hoạch, cải tạo nhằm đáp ứng yêu cầu của phụ tải trong tương lai đồng thời nâng cao chất lượng điện năng,

độ tin cậy CCĐ và chỉ tiêu kinh tế của hệ thống

Qui hoạch LĐPP thường là bài toán mở rộng hệ thống đã có nhằm đáp ứng yêu cầu của phụ tải trong tương lai và nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện từ rất sớm nhưng các mô hình qui hoạch LĐPP thường phi tuyến, đa biến rất khó để tìm được lời giải tối ưu khi tính toán những LĐPP lớn Trong thời gian gần đây, do phát triển của phương pháp tính và khả năng của công cụ tính toán, phương pháp qui hoạch toán học dần khắc phục những nhược điểm và được ứng dụng mạnh mẽ Nhiều chỉ tiêu đánh giá phương

án đầu tư cũng đã được nghiên cứu và giới thiệu Trong đó, chỉ tiêu chi phí vòng đời có thể đánh giá tổng hợp hiệu quả của bài toán qui hoạch LĐPP và đang được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi hiện nay

Nguồn pin mặt trời có tiềm năng lớn trên thế giới cũng như tại Việt Nam và

có những tác động tích cực tới chỉ tiêu KT-KT của LĐPP Khoa học công nghệ phát triển đã nâng cao hiệu suất, giảm chi phí đầu tư và vận hành của nguồn pin mặt trời Hơn nữa, sức ép về ô nhiễm môi trường đã dẫn đến nhiều chính sách khuyến khích phát triển các nguồn năng lượng mới và tái tạo được ban hành Do

đó, nguồn pin mặt trời rất được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong qui hoạch, thiết kế LĐPP

Tuy nhiên, khi tham gia trong LĐPP, nguồn pin mặt trời đã làm thay đổi nhiều chỉ tiêu KT-KT của hệ thống Lộ trình đầu tư các thiết bị khác (đường dây, TBA) thay đổi khi lựa chọn đầu tư thêm nguồn pin mặt trời Vấn đề ổn định, điều khiển và vận hành LĐPP cũng thay đổi do công suất của nguồn pin mặt trời thường thay đổi theo thời gian trong ngày và điều kiện thời tiết Ngoài ra, chỉ tiêu kinh tế cũng được bổ sung chi phí năng lượng thay cho chi phí tổn thất điện năng với đặc tính giá điện, ĐTPT và chi phí sản xuất của nguồn pin mặt trời

Do đó, đề tài nghiên cứu xây dựng mô hình toán và chương trình tính toán qui hoạch LĐPP khi xét đến khả năng đầu tư nguồn pin mặt trời Từ đó, nhằm đánh giá hiệu quả, những tác động của chúng tới LĐPP và đề xuất những chính sách khuyến khích và hỗ trợ phát triển các nguồn này trong qui hoạch LĐPP

CHƯƠNG 2 QUI HOẠCH TOÁN HỌC

2

2.1 Bài toán qui hoạch toán học tổng quát

2.1.1 Mô hình toán

Bài toán qui hoạch toán học đã được đề xuất bởi Kantorovich từ năm 1939

và được ứng dụng trong nhiều ngành kinh tế quốc dân với mô hình tổng quát được phát biểu như sau [18], [23]:

Khi đó giá trị f(X*) được gọi là giá trị tối ưu hóa của bài toán qui hoạch

2.1.2 Phân loại bài toán qui hoạch

Bài toán qui hoạch tổng quát có thể giải bằng cách tính giá trị hàm mục tiêu J(X) trên tất cả các phương án có thể trong miền ràng buộc sau đó so sánh để tìm phương án tối ưu Tuy nhiên, phương pháp này khó thực hiện do số phần tử của tập D thường rất lớn, trong nhiều trường hợp có thể không đếm được

Do đó, bài toán qui hoạch thường được đơn giản hóa để thuận lợi trong quá trình tính toán bằng cách chia nhỏ thành những bài toán có thể giải được với những tính chất và đối tượng nghiên cứu cụ thể [18], [23] Khi đó, số lượng các biến và ràng buộc giảm nên giảm khối lượng và thời gian tính toán để tìm ra lời giải chấp nhận được Bài toán qui hoạch nhìn chung được phân loại như sau:

a Bài toán qui hoạch tuyến tính khi hàm mục tiêu và tất cả các ràng buộc là tuyến tính

b Bài toán qui hoạch phi tuyến khi hàm mục tiêu hoặc ít nhất một ràng buộc

là phi tuyến

c Bài toán qui hoạch rời rạc nếu miền ràng buộc D là tập rời rạc

d Bài toán qui hoạch tham số nếu hàm mục tiêu và các ràng buộc phụ thuộc tham số

e Bài toán qui hoạch động nếu đối tượng xét là các quá trình phát triển theo thời gian

f Bài toán qui hoạch đa mục tiêu nếu trên cùng một miền ràng buộc xét đồng thời nhiều mục tiêu khác nhau…

Trong các bài toán trên, bài toán qui hoạch tuyến tính cho lời chính xác khi

sử dụng thuật toán đơn hình Những bài toán còn lại thường rất khó khăn khi giải bởi số lượng biến lớn và chưa có phương pháp chung hiệu quả cho phép giải trọn vẹn Một số phương pháp gần đúng được sử dụng gồm phương pháp tuyến tính hóa, phương pháp gradient, phương pháp lagrange, phương pháp newton… Tuy vậy, các phương pháp trên không đảm bảo chắc chắn hội tụ cũng như đảm bảo lời giải tối ưu toàn cục Thông thường tính hội tụ đảm bảo được khi các giá trị ban đầu lựa chọn gần với giá trị tối ưu

2.2 Phương pháp giải bài toán qui hoạch

Qui hoạch toán học là phương pháp mô hình hóa bài toán qui hoạch hệ thống điện về dạng toán học rồi dùng các thuật toán tối ưu để tìm lời giải thỏa mãn tất cả các ràng buộc Mô hình tối ưu toán học của bài toán qui hoạch hệ thống điện gồm các biến, các ràng buộc và một hàm mục tiêu

Nhiều phương pháp đã được nghiên cứu để giải các bài toán qui hoạch hệ thống điện Bài toán qui hoạch tuyến tính có thể giải bằng thuật toán đơn hình, thuật toán nhánh-cận… Bài toán qui hoạch phi tuyến có thể được giải bằng các phương pháp lặp (tuyến tính hóa, gradient), phương pháp Lagrange, tìm kiếm Tabu, phương pháp Newton và Quasi-Newton…

Phương pháp qui hoạch toán học xét đến tác động lẫn nhau giữa các biến quyết định (biến lựa chọn), biến trạng thái đồng thời có thể xét đến tất cả các phương án có thể của hệ thống nên cho lời giải tối ưu và đảm bảo độ chính xác cao Tuy nhiên, do số lượng biến và các ràng buộc của hệ thống rất lớn nên rất khó để giải quyết những bài toán có qui mô lớn Khó khăn trên được khắc phục

khi đơn giản hóa các ràng buộc thực tiễn dẫn đến một lời giải tối ưu toán chưa chắc là một phương án tối ưu trong thực tế

Trong những năm gần đây, tốc độ tính toán của máy tính ngày càng được nâng cao dần khắc phục được nhược điểm của phương pháp qui hoạch toán học, cho phép giảm thời gian tính toán và có thể đưa thêm ngày càng nhiều tham số sát với điều kiện thực tiễn

Bài toán qui hoạch LĐPP thường được đơn giản hóa để thuận lợi trong quá trình tính toán bằng cách chia nhỏ thành những bài toán có thể giải được với những khía cạnh và đối tượng nghiên cứu cụ thể Nhiều phương pháp đã được nghiên cứu để giải các bài toán qui hoạch tuyến tính như thuật toán đơn hình, thuật toán nhánh-cận (branch-bound), phương pháp mở rộng nhánh (branch exchanges) [40], [42]… Bài toán qui hoạch phi tuyến có thể được giải bằng các phương pháp lặp (tuyến tính hóa, gradient), phương pháp Lagrange, phương pháp Lagrange kết hợp với hệ phương trình Euler, phương pháp tìm kiếm Tabu, phương pháp Newton, phương pháp Newton-Raphson và các phương pháp Quasi-Newton…

Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm-GA) cũng được sử dụng rộng rãi

để giải bài toán qui hoạch đơn hay đa mục tiêu tổng hợp nguồn điện phân tán hay pin mặt trời nói riêng trong LĐPP[75] Thuật toán di truyền đã giải quyết tốt một

số vấn đề riêng rẽ của bài toán qui hoạch LĐPP như xác định vị trí, công suất tối

ưu của nguồn điện phân tán hay pin mặt trời nói riêng hay lộ trình đầu tư nâng cấp tối ưu đường dây và TBA trung gian Tuy vậy, giải quyết đồng thời bài toán qui hoạch LĐPP có xét đến các nguồn điện phân tán hay pin mặt trời nói riêng thì chưa được đề cập và giới thiệu Gần đây, phương pháp lặp kết hợp thuật toán reduced-gradient và thuật toán quasi-Newton trong giải thuật (solver) MINOS của chương trình GAMS được giới thiệu [39] Solver cho phép giải những bài toán qui hoạch phi tuyến lớn và đã được ứng dụng thành công trong các bài toán qui hoạch LĐPP [32], [36]

Tuy vậy, bài toán qui hoạch LĐPP khi xét đến khả năng tham gia của các nguồn điện phân tán hay pin mặt trời nói riêng vẫn là bài toán rất phức tạp, thường trở thành bài toán qui hoạch phi tuyến với số lượng biến lớn Trong trường hợp này, phương pháp phân vùng (Benders Decomposition) được sử dụng

để đơn giản hóa bài toán mà kết quả tính toán vẫn đảm bảo chính xác Thuật toán phân vùng của Benders là kỹ thuật chia bài toán phức tạp thành hai bài toán đơn giản hơn tương ứng hai bước (bước 1 và 2) và tính toán lặp giữa hai bước để tìm