Qui hoạch thiết kế hệ thống cung cấp điện có xét đến khả năng tham gia của nguồn điện phân tán và giá điện

Cùng với quá trình phát triển của ngành điện, nhiều mô hình và phương pháp qui hoạch HTCCĐ đã được phát triển và ứng dụng thành công trong thực tiễn với kết quả và giải pháp phù hợp.. Từ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Vũ Văn Thắng

QUI HOẠCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN

CÓ XÉT ĐẾN KHẢ NĂNG THAM GIA CỦA NGUỒN ĐIỆN

PHÂN TÁN VÀ GIÁ ĐIỆN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội - 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Vũ Văn Thắng

QUI HOẠCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN

CÓ XÉT ĐẾN KHẢ NĂNG THAM GIA CỦA NGUỒN ĐIỆN

PHÂN TÁN VÀ GIÁ ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 62520202

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS TS Đặng Quốc Thống

2 TS Bạch Quốc Khánh

Hà Nội - 2015

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TS Bạch Quốc Khánh

Tác giả luận án

Vũ Văn Thắng

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu của mình, tôi đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp, động viên từ các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp và người thân trong gia đình

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới PGS.TS Đặng Quốc Thống và

TS Bạch Quốc Khánh đã tận tình hướng dẫn, luôn hỗ trợ và khích lệ trong suốt bốn năm qua để tôi có thể hoàn thành được luận án của mình

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GS.TSKH Trần Đình Long, GS.TS

Lã Văn Út, PGS.TS Trần Bách, PGS.TS Nguyễn Lân Tráng, TS Đinh Quang Huy, TS Đỗ Xuân Khôi cùng các thầy cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện - Viện Điện - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cho tôi những ý kiến quý báu trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp cùng các đồng nghiệp ở bộ môn Hệ thống điện - Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện về thời gian và có những ý kiến đóng góp bổ sung cho luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành nội dung nghiên cứu

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cha mẹ tôi, vợ tôi và những người thân trong gia đình đã luôn động viên, khích lệ cho tôi động lực để

có thể hoàn thành được luận án này

Tác giả luận án

Vũ Văn Thắng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xii

MỞ ĐẦU xiv

1 Tính cấp thiết của đề tài xiv

2 Mục đích nghiên cứu xv

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu xv

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn xvi

5 Nội dung nghiên cứu xvi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUI HOẠCH HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN 1 1.1 Giới thiệu 1

1.2 HTCCĐ Việt Nam và một số vấn đề về qui hoạch 1

1.2.1Hiện trạng HTCCĐ Việt Nam 1

1.2.2Những tồn tại và vấn đề qui hoạch HTCCĐ 2

1.3 Nguồn điện phân tán 3

1.3.1Tổng quan về nguồn điện phân tán 3

1.3.2Công nghệ và đặc điểm của nguồn điện phân tán 3

1.3.2.1 Thủy điện nhỏ 4

1.3.2.2 Điện gió 4

1.3.2.3 Điện mặt trời 5

1.3.2.4 Tuabin khí và máy phát diesel 6

1.4 Bài toán qui hoạch phát triển HTCCĐ 6

1.4.1Tổng quan bài toán qui hoạch HTCCĐ 6

1.4.1.1 Mục tiêu 6

1.4.1.2 Những bước cơ bản của bài toán qui hoạch HTCCĐ 6

1.4.1.3 Một số bài toán qui hoạch HTCCĐ 6

1.4.2Phân tích và lựa chọn phương pháp qui hoạch HTCCĐ 8

1.4.2.1 Qui hoạch theo tiêu chuẩn 8

1.4.2.2 Qui hoạch toán học 8

1.4.2.3 Phân tích và lựa chọn phương pháp qui hoạch 9

1.4.3Bài toán qui hoạch toán học tổng quát 9

1.4.3.1 Mô hình toán 9

1.4.3.2 Phân loại bài toán qui hoạch 10

1.4.4Những thay đổi gần đây trong qui hoạch HTCCĐ 11

1.4.4.1 Sự tham gia của các nguồn điện phân tán 11

1.4.4.2 Yếu tố giá điện 12

1.4.5Các chỉ tiêu kinh tế đánh giá phương án đầu tư 12

1.5 Qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của các DG 15

1.5.1Mô hình bài toán qui hoạch HTCCĐ 15

1.5.2Phương pháp, thuật toán giải bài toán qui hoạch HTCCĐ 18

1.6 Đánh giá và lựa chọn công cụ tính toán 19

1.6.1Giới thiệu chương trình GAMS 19

1.6.2Thuật toán và solver MINOS trong chương trình GAMS 21

1.6.3Những yêu cầu khi lập bài toán qui hoạch HTCCĐ trong GAMS 25

1.7 Nhận xét và đề xuất những vấn đề cần nghiên cứu 26

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN QUI HOẠCH HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN 28

2.1 Đặt vấn đề 28

2.2 Phân tích một số đặc điểm của bài toán qui hoạch HTCCĐ hiện nay30 2.2.1Lựa chọn mô hình qui hoạch HTCCĐ 30

2.2.2Những đặc điểm cần nghiên cứu bổ sung 32

2.2.2.1 Ràng buộc nâng cấp và hàm chi phí nâng cấp đường dây, TBA 32

2.2.2.2 Mô hình cân bằng công suất nút AC 33

2.2.2.3 Sử dụng ĐTPT điển hình trong tính toán chi phí 34

2.3 Xây dựng mô hình toán qui hoạch HTCCĐ 35

2.3.1Sơ đồ khối và qui trình tính toán qui hoạch HTCCĐ 35

2.3.2Xây dựng mô hình cơ sở (MCSD) 39

2.3.2.1 Hàm mục tiêu của mô hình cơ sở 39

2.3.2.2 Các ràng buộc của mô hình cơ sở 46

2.3.2.3 Phân tích và nhận dạng mô hình cơ sở 50

2.3.3Xây dựng mô hình hiệu chỉnh (MHCD) 50

2.3.3.1 Hàm mục tiêu của mô hình hiệu chỉnh 50

2.3.3.2 Các ràng buộc của mô hình hiệu chỉnh 51

2.3.3.3 Phân tích và nhận dạng mô hình hiệu chỉnh 51

2.3.4Đánh giá mô hình đề xuất 53

2.4 Tính toán áp dụng 53

2.4.1Đặt vấn đề 53

2.4.2Sơ đồ khối và mô hình tính toán 53

2.4.3Xây dựng chương trình tính toán 54

2.4.3.1 Lập modul nhập thông số đầu vào và mô tả bài toán 54

2.4.3.2 Sử dụng solver giải bài toán tìm nghiệm tối ưu 56

2.4.3.3 Lập modul hiển thị kết quả 56

2.4.4Ví dụ 1 56

2.4.4.1 Lập mô hình và tính toán bước cơ sở 57

2.4.4.2 Lập mô hình và tính toán bước hiệu chỉnh 61

2.4.4.3 Đánh giá hiệu quả của mô hình đề xuất 64

2.5 Nhận xét và kết luận chương 2 65

CHƯƠNG 3 QUI HOẠCH HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN XÉT ĐẾN KHẢ NĂNG THAM GIA CỦA CÁC LOẠI NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN 67

3.1 Đặt vấn đề 67

3.2 Sơ đồ khối và qui trình tính toán qui hoạch HTCCĐ khi xét đến đặc điểm công nghệ của DG 68

3.3 Qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của TBK hoặc máy phát diesel 68

3.3.1Xây dựng mô hình toán qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của TBK hoặc máy phát diesel 68

3.3.1.1 Xây dựng mô hình cơ sở 68

3.3.1.2 Xây dựng mô hình hiệu chỉnh 74

3.3.2Lập chương trình giải bài toán qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của TBK, máy phát diesel 76

3.3.3Ví dụ 2 76

3.3.3.1 Sơ đồ và thông số của HTCCĐ 76

3.3.3.2 Khai báo biến và dữ liệu đầu vào 77

3.3.3.3 Kết quả tính toán 78

3.3.4Nhận xét 82

3.4 Qui hoạch HTCCĐ khi xét khả năng tham gia của TĐN 83

3.4.1Xây dựng mô hình toán qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của TĐN 84

3.4.1.1 Xây dựng mô hình cơ sở 84

3.4.1.2 Xây dựng mô hình hiệu chỉnh 87

3.4.2Lập chương trình tính toán qui hoạch HTCCĐ khi xét khả năng tham gia của TĐN 88

3.4.3Ví dụ 3 88

3.4.3.1 Sơ đồ và thông số của HTCCĐ 88

3.4.3.2 Khai báo biến và dữ liệu đầu vào 89

3.4.3.3 Kết quả tính toán 89

3.4.4Nhận xét 91

3.5 Qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của nhiều loại DG 92

3.5.1Xây dựng mô hình toán qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của nhiều loại DG 93

3.5.1.1 Xây dựng mô hình cơ sở 93

3.5.1.2 Xây dựng mô hình hiệu chỉnh 96

3.5.2Lập chương trình tính toán qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của nhiều loại DG 98

3.5.3Ví dụ 4 98

3.5.3.1 Sơ đồ và thông số HTCCĐ 98

3.5.3.2 Khai báo biến và dữ liệu đầu vào 99

3.5.3.3 Kết quả tính toán 99

3.5.4Nhận xét 102

3.6 Nhận xét và kết luận chương 3 103

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO QUI HOẠCH HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN VIỆT NAM 105

4.1 Đặt vấn đề 105

4.2 Những giả thiết và thông số tính toán 105

4.2.1Những giả thiết chung 105

4.2.2Suất chi phí của DG theo công nghệ 106

4.2.3Suất chi phí đầu tư đường dây và TBA 107

4.2.4Đặc tính giá bán điện 107

4.3 Tính toán qui hoạch HTCCĐ trong khu vực 1 108

4.3.1Sơ đồ và thông số tính toán của hệ thống 108

4.3.2Kết quả tính toán và thảo luận 110

4.4 Tính toán qui hoạch HTCCĐ trong khu vực 2 114

4.4.1Sơ đồ HTCCĐ và thông số tính toán 114

4.4.2Kết quả tính toán và thảo luận 116

4.5 Những đánh giá và kết luận chương 4 120

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121

1 Những nội dung cơ bản của luận án 121

2 Những đóng góp của luận án 122

3 Hướng nghiên cứu tiếp theo 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO 124

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 134

PHỤ LỤC 135

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DG Nguồn điện phân tán (Distributed Generator)

LP Qui hoạch tuyến tính (Linear Programming)

LNP Qui hoạch phi tuyến (Nonlinear Programming)

MCSD Mô hình cơ sở xét đến khả năng tham gia của DG

MHCD Mô hình hiệu chỉnh xét đến khả năng tham gia của DG

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

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

PMT Nguồn pin mặt trời (PV)

PD i , QD i Phụ tải tại các nút năm cơ sở (MW, MVAR)

kt Hệ số mùa và giờ của ĐTPT điển hình

k pt.i Hệ số phát triển của phụ tải i

0,ij, 0,ij, ij

r x L Điện trở, điện kháng đơn vị và chiều dài của đường dây (W/km, W/km, km)

U dm Điện áp định mức của lưới điện (kV)

C F0 , C F Suất chi phí đầu tư đường dây ($/km, $/km.mm2)

C S0 , C S Suất chi phí đầu tư TBA ($/TBA, $/MVA)

S Công suất của TBA hiện trạng (MVA)

N, NL, NS Tổng số nút, số nút tải và số nút TBA nguồn của HTCCĐ

M S , M T Hệ số có giá trị đủ lớn (thỏa mãn biến lựa chọn tiết diện dây dẫn,

TBA) min

|Y ij t |, q ij t, Modul và góc lệch của thành phần tổng dẫn trong ma trận tổng

U d Xấp xỉ đầu (modul và góc lệch điện áp nút) (kV, rad)

D s Tổng số ngày trong mùa s (ngày)

H, SS, T Số giờ trong ngày, số mùa trong năm và số năm tính toán

N DG Tổng số nút có thể xây dựng DG

r r Suất chi phí nhiên liệu và vận hành DG ($/MWh, $/MVARh)

Q Công suất phát của DG tại nút i (MW, MVAR)

T F , T S , T DG Tuổi thọ của đường dây, TBA nguồn và DG (năm)

C Suất chi phí đầu tư xây dựng TBK hoặc máy phát diesel ($)

N TB Tổng số nút có thể xây dựng TBK hoặc máy phát diesel

m

P P Giới hạn công suất đầu tư của TBK hoặc máy phát diesel (MW)

T TB Tuổi thọ của TBK hoặc máy phát diesel (năm)

P P Giới hạn công suất đầu tư của TĐN (MW)

T TD Tuổi thọ của TĐN (năm)

t Tuổi thọ và thời gian khấu hao của DG theo công nghệ k trong

giai đoạn tính toán (năm) , ,minDG , , , axDG

TB

i t

P Biến lựa chọn là công suất đầu tư TBK hoặc máy phát diesel

(MW) , ,DG

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Những thay đổi trong mô hình bài toán qui hoạch HTCCĐ 16

Bảng 1.2 Modul các thuật toán giải trong GAMS 20

Bảng 2.1 Khai báo biến và tham số của HTCCĐ trong MCSD 49

Bảng 2.2 Khai báo biến và tham số của HTCCĐ trong MHCD 52

Bảng 2.3 Thông số đường dây của HTCCĐ 4 nút 57

Bảng 2.4 Thông số nâng cấp của đường dây 61

Bảng 2.5 Thông số nâng cấp của TBA nguồn 61

Bảng 2.6 Kết quả qui hoạch HTCCĐ 4 nút 63

Bảng 2.7 Một số chỉ tiêu KT-KT khi qui hoạch HTCCĐ 4 nút 63

Bảng 2.8 So sánh một số chỉ tiêu KT-KT khi tính theo Pmax và t 64

Bảng 3.1 Khai báo biến và tham số của MCSD khi xét đến khả năng tham gia của TBK hoặc máy phát diesel 73

Bảng 3.2 Khai báo biến và tham số của MHCD khi xét đến khả năng tham gia của TBK hoặc máy phát diesel 75

Bảng 3.3 Phụ tải của HTCCĐ 7 nút 76

Bảng 3.4 Thông số đường dây của HTCCĐ 7 nút 76

Bảng 3.5 Khai báo mảng dữ liệu và tham số của HTCCĐ 7 nút 77

Bảng 3.6 Khai báo tham số của máy phát diesel 77

Bảng 3.7 Khai báo giới hạn của biến và tham số của mô hình 78

Bảng 3.8 Khai báo biến của chương trình 78

Bảng 3.9 Tổng dẫn nhánh đơn vị năm cơ sở 78

Bảng 3.10 Lộ trình đầu tư, nâng cấp thiết bị của HTCCĐ khi xét khả năng tham gia của máy phát diesel 79

Bảng 3.11 Quyết định nâng cấp đường dây và TBA 79

Bảng 3.12 Công suất lớn nhất cần đáp ứng của thiết bị trong HTCCĐ 7 nút 79

Bảng 3.13 Một số chỉ tiêu KT-KT khi qui hoạch HTCCĐ 7 nút 80

Bảng 3.14 So sánh chỉ tiêu KT-KT của HTCCĐ trong hai bước tính 81

Bảng 3.15 Khai báo biến và tham số của MCSD khi xét đến khả năng tham gia của TĐN 86

Bảng 3.16 Khai báo biến và tham số của MHCD khi xét đến khả năng tham gia của TĐN 88

Bảng 3.17 Tham số của TĐN 89

Bảng 3.18 Khai báo biến của mô hình khi xét khả năng tham gia của TĐN 89

Bảng 3.19 Quyết định đầu tư TĐN 90

Bảng 3.20 Lộ trình qui hoạch HTCCĐ 7 nút khi xét khả năng tham gia của TĐN 90

Bảng 3.21 So sánh chỉ tiêu KT-KT của HTCCĐ khi có TĐN 90

Bảng 3.22 Khai báo biến và tham số của MCSD khi xét đến khả năng tham gia của nhiều loại DG 96

Bảng 3.23 Khai báo biến và tham số của MHCD khi xét đến khả năng tham gia của nhiều loại DG 97

Bảng 3.24 Giới hạn công suất của các DG trong HTCCĐ 7 nút 98

Bảng 3.25 Suất chi phí đầu tư và vận hành của các DG 99

Bảng 3.26 Khai báo biến của bài toán qui hoạch HTCCĐ 7 nút 99

Bảng 3.27 Kết quả lựa chọn công suất DG và TBA nguồn trong bước cơ sở 100

Bảng 3.28 Lộ trình đầu tư, nâng cấp thiết bị của HTCCĐ khi xét khả năng đầu tư nhiều DG 100

Bảng 3.29 So sánh chỉ tiêu KT-KT của HTCCĐ khi có nhiều loại DG 101

Bảng 4.1 Suất chi phí xây dựng, vận hành và nhiên liệu của các DG 107

Bảng 4.2 Suất chi phí đầu tư, nâng cấp TBA và đường dây 107

Bảng 4.3 Tuổi thọ của các thiết bị điện 107

Bảng 4.4 Lộ trình nâng cấp đường dây, TBA và đầu tư TĐN của HTCCĐ Ba Bể 110

Bảng 4.5 Lộ trình nâng cấp thiết bị HTCCĐ Ba Bể khi không xét khả năng tham gia của TĐN 111

Bảng 4.6 So sánh một số chỉ tiêu KT-KT của HTCCĐ Ba Bể 112

Bảng 4.7 Thông số và lộ trình nâng cấp tối ưu đường dây và TBA lộ 478, TBA Thịnh Đán 116

Bảng 4.8 Một số chỉ tiêu KT-KT của lộ 478, TBA Thịnh Đán 117

Bảng 4.9 So sánh quyết định đầu tư trong các bước tính lộ 478, TBA Thịnh Đán 119

Bảng 4.10 So sánh chỉ tiêu KT-KT trong các bước tính lộ 478, TBA Thịnh Đán 119

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ các bước qui hoạch HTCCĐ 7

Hình 1.2 Sơ đồ khối của solver MINOS giải bài toán phi tuyến 25

Hình 2.1 Mô hình hai bước qui hoạch HTCCĐ 31

Hình 2.2 Sơ đồ khối tính toán qui hoạch HTCCĐ 36

Hình 2.3 Sơ đồ HTCCĐ 4 nút 56

Hình 2.4 Đồ thị phụ tải ngày điển hình giả thiết 56

Hình 2.5 Đặc tính giá bán điện 57

Hình 2.6 Tổn thất công suất lớn nhất của HTCCĐ 4 nút 64

Hình 2.7 Tổn thất điện áp lớn nhất của HTCCĐ 4 nút 64

Hình 2.8 So sánh tổn thất điện năng 65

Hình 3.1 Sơ đồ HTCCĐ 7 nút 76

Hình 3.2 Tổn thất công suất lớn nhất của HTCCĐ 7 nút 80

Hình 3.3 Phân tích độ nhậy theo suất chi phí nhiên liệu của máy phát diesel 81

Hình 3.4 Sơ đồ và thông số HTCCĐ hình tia 7 nút 88

Hình 3.5 Đặc tính công suất phát của TĐN 89

Hình 3.6 So sánh tổn thất công suất lớn nhất khi đầu tư TĐN 91

Hình 3.7 So sánh điện áp nhỏ nhất tại nút 4 khi đầu tư TĐN 91

Hình 3.8 Đặc tính công suất phát của PMT (PV) 99

Hình 3.9 So sánh tổn thất công suất lớn nhất khi đầu tư nhiều DG 101

Hình 3.10 So sánh tổn thất điện áp lớn nhất khi đầu tư nhiều DG 101

Hình 3.11 Phân tích độ nhậy theo suất chi phí đầu tư của PMT 102

Hình 4.1 Sơ đồ HTCCĐ huyện Ba Bể, tỉnh Bắc Kạn 109

Hình 4.2 Đồ thị phụ tải ngày điển hình của HTCCĐ Bắc Kạn [7] 110

Hình 4.3 So sánh tổn thất công suất trong HTCCĐ Ba Bể 112

Hình 4.4 So sánh tổn thất điện năng của HTCCĐ Ba Bể 113

Hình 4.5 So sánh điện năng nhận từ HTĐ của HTCCĐ Ba Bể 113

Hình 4.6 So sánh điện áp nút nhỏ nhất của HTCCĐ Ba Bể 113

Hình 4.7 Sơ đồ lộ 478, TBA 110kV Thịnh Đán 115

Hình 4.8 Đồ thị phụ tải ngày điển hình của HTCCĐ Thái Nguyên 116

Hình 4.9 Tổn thất công suất lớn nhất của lộ 478, TBA Thịnh Đán 117

Hình 4.10 So sánh tổn thất điện năng của lộ 478, TBA Thịnh Đán 118

Hình 4.11 Điện áp nút nhỏ nhất của lộ 478, TBA Thịnh Đán 118

Hình 4.12 Độ nhậy của phương án đầu tư lộ 478, TBA Thịnh Đán 118

MỞ ĐẦU

Qui hoạch HTCCĐ 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 HTCCĐ 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 Tính cấp thiết của đề tài

Tốc độ tăng trưởng phụ tải điện nước ta khá cao trong hơn thập kỷ qua Trong giai đoạn (1999÷2010) tốc độ tăng trưởng đạt 13,84% [34], dự báo trong giai đoạn (2010÷2015) đạt (14,1÷16,0)% và đạt khoảng (11,3÷11,6)% trong giai đoạn (2016÷2020) tương ứng sản lượng năm 2020 đạt khoảng (330÷362)tỷ kWh [44] HTCCĐ còn nhiều bất cập như nhiều cấp điện áp chồng chéo, thiết bị lạc hậu, chất lượng điện năng và độ tin cậy CCĐ kém [42][44] Do đó, qui hoạch HTCCĐ cần phải được quan tâm thỏa đáng mới đáp ứng yêu cầu hiện nay Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện và đưa ra những giải pháp như xây dựng lộ trình qui hoạch dài hạn, thống nhất cho từng khu vực và từng miền Đầu

tư nâng cấp đường dây và TBA, từng bước nâng cấp và thay thế các hệ thống cũ, thiết bị lạc hậu, bổ sung các thiết bị mới và giảm bán kính cấp điện nhằm nâng cao chất lượng điện và độ tin cậy CCĐ [3][23][42] Tuy vậy, thực hiện các giải pháp trên đòi hỏi lượng vốn đầu tư lớn, thời gian thực hiện dài nên qui hoạch HTCCĐ nước ta trong thời gian tới cần những giải pháp hiệu quả và đột phá Trong thập kỷ tới, phụ tải của HTĐ 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 [44] 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 HTĐ nói chung và qui hoạch HTCCĐ là yêu cầu cấp thiết hiện nay Hơn nữa, TTĐ đã được xây dựng thành công tại nhiều quốc gia trên thế giới trong những năm gần đây và đang từng bước được ứng dụng để tái cơ cấu ngành điện Việt Nam theo

xu hướng cạnh tranh [10][11][33][36] Công nghệ phát điện đã phát triển rất

nhanh với nhiều nguồn năng lượng mới và tái tạo được thương mại hóa thành công, có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng truyền thống [88][101][106] [111][112][128][131][138][146][148][154] Khi DG tham gia trong HTCCĐ sẽ dẫn đến những thay đổi trong bài toán qui hoạch và cải tạo 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 HTCCĐ [66][74][76] Bài toán qui hoạch HTCCĐ đã được nghiên cứu và phát triển từ rất sớm với nhiều phương pháp và mô hình qui hoạch được đề xuất Nâng cấp thiết bị của hệ thống (đường dây, TBA), bổ sung các đường dây mới và mở rộng sơ đồ hay bổ sung thiết bị bù là bài toán qui hoạch cải tạo HTCCĐ đã được nhiều tác giả nghiên cứu và đề xuất các mô hình tính toán [68][79][104][137][139] Ứng dụng

DG trong HTCCĐ và đặc tính giá điện thay đổi theo thời gian phụ thuộc vào cơ cấu tải rất được quan tâm gần đây Do đó, nhiều mô hình qui hoạch HTCCĐ xét đến khả năng tham gia DG đã được nghiên cứu và giới thiệu [50][60][70][71] [122][124] Những nghiên cứu này đã xét đến nhiều khía cạnh của bài toán qui hoạch HTCCĐ khi tổng hợp DG Tuy vậy, công suất của các DG thường thay đổi phụ thuộc vào nguồn năng lượng sơ cấp, giá điện của các nguồn cung cấp cũng thay đổi theo thời gian và vị trí kết nối trong HTĐ thì chưa được đề cập đầy đủ

Từ phân tích trên, hướng nghiên cứu chính của luận án là bài toán qui hoạch HTCCĐ có xét đến khả năng tham gia của DG với đặc tính công suất phát theo từng công nghệ, tổng hợp đặc tính giá điện và ĐTPT

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của luận án 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 HTCCĐ khi xét đến các DG Luận án sẽ tập trung nghiên cứu các mô hình qui hoạch HTCCĐ có xét đến khả năng tham gia của DG 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 HTCCĐ Việt Nam

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là các HTCCĐ 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 HTCCĐ có các DG, luận án sẽ tập trung nghiên cứu phát triển lý thuyết và các phương pháp tính toán KT-KT của bài toán qui hoạch

HTCCĐ Từ đó, xây dựng được mô hình và chương trình tính toán qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của DG

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Bài toán qui hoạch HTCCĐ 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 Luận án nghiên cứu xây dựng mô hình tính toán qui hoạch HTCCĐ xét đến các DG với đặc trưng công nghệ qua đặc tính công suất phát, tổng hợp ĐTPT và đặc tính giá điện Biến nhị phân được sử dụng để biểu diễn đặc tính chi phí phi tuyến có thành phần cố định của đường dây và TBA nguồn phù hợp hơn với đặc tính chi phí thực tế đồng thời biểu diễn các ràng buộc nâng cấp thiết bị từ dạng logic về các bất phương trình trong mô hình toán

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

Quá trình tái cơ cấu ngành điện nước ta đã được từng bước thực hiện, DG

đã được ứng dụng và có tiềm năng phát triển lớn Các mô hình đề xuất trong luận

án đã được tính toán kiểm tra trên các HTCCĐ thực tế cho nhiều khu vực với đặc điểm sử dụng DG điển hình bằng chương trình lập trong GAMS Kết quả cho thấy mô hình và chương trình tính toán phù hợp với những HTCCĐ thực tiễn Do

đó, có thể được ứng dụng trong qui hoạch HTCCĐ Việt Nam

5 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của luận án gồm có phần mở đầu, phần kết luận và 4 chương Tổng quan về HTCCĐ Việt Nam, những vấn đề tồn tại cần giải quyết và

cơ sở lý thuyết bài toán qui hoạch HTCCĐ 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 HTCCĐ Phân tích những tác động của giá bán điện và DG làm thay đổi hàm mục tiêu, các ràng buộc và mô hình hóa các thành phần của bài toán Từ

đó, định hướng những vấn đề nghiên cứu của luận án

Chương 2 trình bày những nghiên cứu trước đây về bài toán qui hoạch HTCCĐ từ đó đề xuất mô hình toán hai bước qui hoạch HTCCĐ khi xét đến đặc tính giá điện, ĐTPT ngày điển hình và DG Mô hình sử dụng hàm mục tiêu cực tiểu chi phí vòng đời của phương án đầu tư với các ràng buộc đảm bảo yêu cầu

kỹ thuật Trong bước cơ sở, mô hình xác định tiết diện nâng cấp đường dây và công suất bổ sung của TBA nguồn với biến lựa chọn sử dụng biến thực đồng thời với thông số đầu tư tối ưu của DG Kết quả tính toán được lựa chọn lại theo thông số tiêu chuẩn của thiết bị, tổng trở của hệ thống được cập nhật theo thông

số đã nâng cấp và sử dụng làm thông số đầu vào của bước hiệu chỉnh Mô hình hiệu chỉnh xác định lại thông số đầu tư tối ưu của DG cùng các chỉ tiêu kinh tế, thông số chế độ của HTCCĐ theo thông số của thiết bị tiêu chuẩn nên cho kết quả chính xác và gần với giá trị tối ưu hơn Chương trình tính toán được lập trong GAMS và tính toán minh họa trong những ví dụ đơn giản

Chương 3 phát triển mô hình qui hoạch hai bước đã đề xuất trong chương 2, xây dựng mô hình và chương trình tính toán qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của từng loại DG theo công nghệ sử dụng năng lượng sơ cấp (TBK hoặc máy phát diesel, TĐN, PMT…) hay xét đồng thời nhiều công nghệ

DG với đặc tính công suất phát, ĐTPT và đặc tính giá điện được tổng hợp trong

mô hình Hàm mục tiêu cực tiểu chi phí vòng đời, ràng buộc cân bằng công suất nút AC và các ràng buộc kỹ thuật được sử dụng với biến lựa chọn là biến thực Những mô hình đề xuất được tính toán minh họa trong những ví dụ đơn giản bằng chương trình lập trong GAMS Kết quả cho thấy, thời gian tính toán nhỏ và kết quả tính toán phù hợp

Chương 4 sử dụng những chương trình đã lập tính toán áp dụng trong bài toán qui hoạch cải tạo HTCCĐ thực tế tại Việt Nam Những HTCCĐ trong các khu vực có tiềm năng điển hình của các DG được lựa chọn để tính toán kiểm tra

Từ những nội dung nghiên cứu trên, kết cấu của luận án bao gồm:

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan về qui hoạch HTCCĐ

Chương 2 Xây dựng mô hình và phương pháp giải bài toán qui hoạch

HTCCĐ

Chương 3 Qui hoạch HTCCĐ xét đến khả năng tham gia của các loại

nguồn điện phân tán

Chương 4 Tính toán áp dụng cho qui hoạch HTCCĐ Việt Nam

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUI HOẠCH HỆ THỐNG CUNG

Phần tiếp theo sẽ nghiên cứu, thảo luận những vấn đề về qui hoạch HTCCĐ nói chung và bài toán qui hoạch HTCCĐ Việt Nam Những thay đổi của bài toán qui hoạch HTCCĐ khi xét đến DG Từ đó, xác định những vấn đề cần nghiên cứu, giải quyết

1.2 HTCCĐ Việt Nam và một số vấn đề về qui hoạch

1.2.1 Hiện trạng HTCCĐ Việt Nam

HTCCĐ trung áp tại Việt Nam do hoàn cảnh lịch sử có những đặc điểm riêng biệt như tồn tại nhiều cấp điện áp và mang tính đặc trưng theo miền và vùng khá rõ nét Miền Bắc sử dụng các cấp điện áp (6, 10, 22, 35)kV, miền Trung sử dụng cấp điện áp (6, 10, 15, 22, 35)kV và miền Nam chỉ sử dụng cấp điện áp (15, 22, 35)kV[42][44][23] Năm 2007, tổng khối lượng lưới phân phối

có chiều dài 139.897,0km với cấu trúc ở khu vực thành phố, thị xã, khu đô thị và khu công nghiệp theo sơ đồ mạch vòng vận hành hở, các khu vực còn lại thường

sử dụng 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 HTCCĐ 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, HTCCĐ 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 HTCCĐ các tỉnh miền Nam về cơ bản có chất lượng tốt hơn khu vực miền Bắc HTCCĐ 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)% HTCCĐ 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

1.2.2 Những tồn tại và vấn đề qui hoạch HTCCĐ

Từ những phân tích trên cho thấy, HTCCĐ Việt Nam 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, HTCCĐ được xây dựng và nâng cấp không theo qui hoạch dài hạn, nhiều đường dây cũ, xuống cấp nên HTCCĐ 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 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 HTCCĐ trung áp ở Việt Nam cần xem xét thêm một số vấn đề sau:

- Khả năng tham gia của DG với các dạng nguồn năng lượng sơ cấp khác nhau trong qui hoạch HTCCĐ nhằm sử dụng được các nguồn năng lượng mới và tái tạo đồng thời nâng cao hiệu quả của HTCCĐ

- Đưa các yếu tố liên quan đến TTĐ vào mô hình qui hoạch HTCCĐ như giá điện, ĐTPT…

1.3 Nguồn điện phân tán

1.3.1 Tổng quan về nguồn điện phân tán

Nguồn điện phân tán là nguồn điện được kết nối trực tiếp với HTCCĐ hoặc cung cấp trực tiếp cho khách hàng [82][114][144], thường sử dụng công nghệ mới như điện mặt trời, TĐN, điện gió, điện địa nhiệt, máy phát diesel, TBK, pin nhiên liệu hay nhà máy điện-nhiệt kết hợp DG có công suất nhỏ thường được chế tạo theo dạng modul nên thời gian và không gian xây dựng nhỏ, có thể dễ dàng bổ sung trong HTCCĐ

DG là nguồn phát được lắp đặt gần nơi tiêu thụ nên loại trừ được những chi phí truyền tải và phân phối, tăng cường linh hoạt và độ tin cậy của HTCCĐ, giảm tổn thất công suất và tổn thất điện năng, cải thiện độ lệch điện áp nút và giảm ô nhiễm môi trường [41][116][144] Tuy nhiên, DG thường làm tăng tính phức tạp trong đo lường, bảo vệ và vận hành hệ thống đồng thời vốn đầu tư thường lớn theo từng công nghệ nên những nguồn này chưa được sử dụng rộng rãi

Những năm đầu của thế kỷ XXI, công nghệ DG phát triển rất nhanh với chỉ tiêu KT-KT ngày càng nâng cao đồng thời vấn đề ô nhiễm môi trường cũng được quan tâm Do đó, DG đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và từng bước được ứng dụng thành công tại nhiều nước trên thế giới [114] Năm 2008 tổng công suất đặt của PMT đạt 13,1GW với tốc độ phát triển trong giai đoạn (1998¸2008) đạt 54% [88][146][147][148][153] Tương tự, điện gió cũng được tập trung phát triển rất mạnh tại Châu Âu và Bắc Mỹ với tốc độ phát triển đạt 21,4% trong giai đoạn (1998÷2008), tổng công suất đặt năm 2008 là 121,19GW, dự báo đến năm

2020 đạt tới 1500,0GW [112][154][155] Ngoài ra, TĐN và các DG sử dụng năng lượng hóa thạch như máy phát TBK, máy phát diesel, pin nhiên liệu cũng được nghiên cứu và phát triển rất mạnh mẽ [12][13][143]

DG cũng được sử dụng và có vai trò ngày càng quan trọng trong HTCCĐ Việt Nam Năm 2010 công suất của các nguồn này đạt 3,5% và dự báo đến năm

2020 đạt 4,5% tương ứng 3375,0MW[44] Hiện nay, nhiều dự án sử dụng DG đang được triển khai trong phạm vi cả nước [5][6][8][16][35][46][95]

Vì vậy, nghiên cứu ứng dụng DG trong qui hoạch HTCCĐ cần được đặc biệt quan tâm với mục tiêu tăng cường sử dụng các nguồn năng lượng sạch và nâng cao hiệu quả trong qui hoạch, vận hành HTCCĐ góp phần xây dựng và phát triển hệ thống năng lượng bền vững

1.3.2 Công nghệ và đặc điểm của nguồn điện phân tán

Nhiều công nghệ DG đã được phát triển và thương mại thành công trong những năm gần đây với chỉ tiêu KT-KT ngày càng cải thiện như giới thiệu trong các nghiên cứu [19][20][21][82][98][114][143][144]

1.3.2.1 Thủy điện nhỏ

TĐN sử dụng năng lượng của dòng chảy đã được phát triển và ứng dụng rất rộng rãi do không tạo khí thải gây ô nhiễm môi trường, không sử dụng hồ chứa nên không gây ngập lụt, không làm thay đổi hệ sinh thái… Tuy nhiên, vị trí của chúng chỉ hạn chế ở những nơi có dòng chảy nên hiệu quả đối với HTCCĐ bị hạn chế trong trường hợp khoảng cách truyền tải đến phụ tải xa

Công suất của TĐN phụ thuộc vào chiều cao cột nước H và lưu lượng nước qua tuabin Q theo biểu thức (1.1) với hiệu suất của hệ tuabin - máy phát h

9.81

Lưu lượng nước của dòng chảy là hàm của thời gian theo chu kỳ năm và biến thiên khá lớn, lưu lượng nước mùa lũ có thể gấp 20 lần mùa cạn [22] Xét trong chu ngắn (một ngày đêm) thì lưu lượng nước hầu như không thay đổi [19] Tuy nhiên, TĐN kiểu đường dẫn có hồ chứa với dung tích nhỏ nên khả năng điều tiết yếu, công suất phát trong thời gian mùa mưa thường không thay đổi và bằng công suất định mức Trong những tháng mùa khô, nhà máy tập trung phát vào giờ cao điểm để tận dụng giá bán cao Do đó, đặc tính công suất phát của TĐN cũng có thể là hàm của thời gian trong ngày và mùa trong năm

1.3.2.2 Điện gió

Nhà máy điện gió biến đổi động năng của dòng không khí thành điện năng nên không tiêu tốn nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, có thể đặt gần nơi tiêu thụ Do đó, tránh được chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện, có thể đặt ở những địa điểm và vị trí khác nhau với những giải pháp linh hoạt Tuy nhiên, gió là dạng năng lượng mang tính bất định cao nên khi đầu tư vào lĩnh vực này cần có các số liệu thống kê đầy đủ, tin cậy đồng thời chi phí xây dựng nhà máy điện gió là khá cao, đòi hỏi vốn đầu tư lớn

Công suất của máy phát điện gió khi vận tốc của gió v qua diện tích nhận năng lượng của cánh tuabin S phụ thuộc vào mật độ không khí r và hàm bậc 3 của tốc độ gió như biểu thức (1.2) [13][53][76][138]

31 .2

Tốc độ gió thường không ổn định và thay đổi theo không gian và thời gian nên công suất của máy phát gió cũng không ổn định, điều này gây khó khăn trong vận hành HTĐ Trong giai đoạn qui hoạch, công suất của máy phát điện gió có thể tính toán theo mô hình tuyến tính được đề xuất trong [61][155] với các

hệ số được giả thiết là các hằng số không phụ thuộc tốc độ gió nên độ tin cậy không cao Gần đây, mô hình phi tuyến bậc 2 được ứng dụng rộng rãi trong tính toán công suất phát của tuabin gió như biểu thức (1.3) [53][64][65][66][106]

min 2

m ax ax

£ì

ï

= í

£ £ï

và a2 là các hệ số phụ thuộc vào tốc độ gió giới hạn hay đặc tính của tuabin gió được xác định theo biểu thức (1.4)

hỗ trợ phát triển nguồn năng lượng này trong tương lai

Công suất phát của PMT phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời và có thể xác định bởi nhiều mô hình khác nhau [153] Mô hình vật lý có xét đến tính chất vật lý của PMT 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 PMT Công suất của PMT phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời được xác định như biểu thức (1.5) [153][131]

DC trong hệ thống được xác định bởi ảnh hưởng của bụi làm giảm hiệu suất của pin, nhiệt độ của môi trường và các dây nối…

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

1.3.2.4 Tuabin khí và máy phát diesel

TBK và máy phát diesel vẫn sử dụng nhiên liệu hóa thạch nhưng với công nghệ mới đã nâng cao được hiệu suất, giảm giá thành và giảm được nồng độ khí thải Ngoài ra, nguồn này được chế tạo dưới dạng modul, kích thước nhỏ, thời gian xây dựng ngắn rất thuận lợi trong qui hoạch HTCCĐ đồng thời không chịu tính bất định tự nhiên của nguồn năng lượng sơ cấp nên đặc tính công suất phát không bị ràng buộc mà có thể đáp ứng theo yêu cầu của phụ tải

Ngoài ra, một số công nghệ cũng được quan tâm phát triển trong thời gian gần đây như điện địa nhiệt, nhiên liệu sinh khối, pin nhiên liệu và máy phát điện - nhiệt kết hợp sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch…

1.4 Bài toán qui hoạch phát triển HTCCĐ

1.4.1 Tổng quan bài toán qui hoạch HTCCĐ

1.4.1.1 Mục tiêu

Mục tiêu của bài toán qui hoạch HTCCĐ 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 cầu phụ tải trong tương lai đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế và các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống [54][55][57][77][90][150]

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 HTCCĐ 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 HTCCĐ

Nhìn chung, việc giải các bài toán qui hoạch HTCCĐ có thể là một quá trình phức tạp với nhiều nội dung cần nghiên cứu giải quyết Các tác giả trong [77][150] đề xuất các bước tính toán qui hoạch nói chung và qui hoạch cải tạo HTCCĐ nói riêng như hình 1.1

1.4.1.3 Một số bài toán qui hoạch HTCCĐ

Các HTCCĐ 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 HTCCĐ 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 HTCCĐ đang rất được quan tâm Do đó, quá trình cải tạo HTCCĐ thường nghiên cứu ứng dụng một số bài toán sau đây [23][77][84][118][150]

Hình 1.1 Sơ đồ các bước qui hoạch HTCCĐ

a) Bài toán nâng cấp thiết bị của hệ thống

Cấu trúc của một số HTCCĐ 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 [78][79][137][139] 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 HTCCĐ

b) Bài toán bổ sung nguồn điện phân tán

DG được ứng dụng ngày càng nhiều trong các HTCCĐ và có tác động tích cực tới chỉ tiêu KT-KT của hệ thống [144][69][97][99] Qui hoạch HTCCĐ 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

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

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 HTCCĐ 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 [40]

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 HTCCĐ [137][139] 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

Luận án 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 HTCCĐ tại Việt Nam

1.4.2 Phân tích và lựa chọn phương pháp qui hoạch HTCCĐ

Nhìn chung, việc qui hoạch các HTCCĐ thường được thực hiện theo hai hướng là qui hoạch theo tiêu chuẩn và qui hoạch toán học [23][24][25]

1.4.2.1 Qui hoạch theo tiêu chuẩn

Phương pháp qui hoạch theo tiêu chuẩn được đặc trưng bởi việc mở rộng HTCCĐ 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 HTCCĐ 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 Phân tích và lựa chọn phương pháp qui hoạch

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 HTCCĐ) Sau đó, phương pháp qui hoạch toán học sẽ được áp dụng để tính toán và lựa chọn phương án tối ưu

Hiện nay, HTCCĐ 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 HTCCĐ 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, luận án nghiên cứu ứng dụng phương pháp qui hoạch toán học trong bài toán qui hoạch HTCCĐ với sơ đồ cấu trúc trong giai đoạn qui hoạch đã được xác định trước Bài toán qui hoạch toán học được trình bày chi tiết sau đây

1.4.3 Bài toán qui hoạch toán học tổng quát

1.4.3.1 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 [24][25]:

Xác định tập giá trị các biến: X ={x x1, , ,2 x n}

Sao cho:

( )j min(max)

J x ® j= 1, 2, ,n (1.6) đồng thời thỏa mãn các điều kiện:

( )( ; ; ) 1, 2, ,

n j

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

1.4.3.2 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 [24][25][93] 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

1.4.4 Những thay đổi gần đây trong qui hoạch HTCCĐ

1.4.4.1 Sự tham gia của các nguồn điện phân tán

Từ phân tích trong phần 1.3 cho thấy, DG có tác động rất tích cực đến chỉ tiêu KT-KT của HTCCĐ 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 [53][64][65][69][97][99][116] 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 các DG sử dụng năng lượng mới và tái tạo thường cao, công suất phát không ổn định Khi DG tham gia trong HTCCĐ sẽ làm thay đổi trào lưu công suất, làm phức tạp thêm các hệ thống bảo vệ và đo lường Vận hành HTCCĐ cũng trở nên phức tạp hơn khi công suất của DG sử dụng năng lượng tái tạo thường thay đổi theo nguồn năng lượng sơ cấp và khả năng ổn định kém [122][123][124][150] Ngoài ra, DG sẽ làm phát sinh nhiều vấn đề mới trong bài toán qui hoạch HTCCĐ 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 DG trong HTCCĐ

Một số DG không bị hạn chế về vị trí và công suất xây dựng bởi nguồn năng lượng sơ cấp như PMT, máy phát diesel hay tuabin khí nhỏ thì việc lựa chọn vị trí, thời gian và công suất xây dựng DG là mục tiêu của bài toán qui hoạch HTCCĐ Thông số lựa chọn không hợp lý sẽ dẫn tới tăng công suất truyền tải trên đường dây, tăng tổn thất công suất, làm quá tải thiết bị và không đảm bảo

chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện Ngoài ra, với những DG sử dụng năng lượng tái tạo nhưng bị hạn chế về vị trí xây dựng và giới hạn công suất theo nguồn năng lượng sơ cấp như thủy điện nhỏ thường lựa chọn công suất lớn nhất

để tận dụng tối đa nguồn năng lượng tái tạo Khi đó, giới hạn công suất theo nguồn năng lượng sơ cấp cần được sử dụng

Những năm đầu của thế kỷ XXI đã có một số thay đổi lớn về môi trường công nghiệp điện lực và phát triển của khoa học công nghệ như quá trình tái cơ cấu TTĐ, công nghệ phát điện được cải thiện, khó khăn về không gian xây dựng

hệ thống truyền tải và phân phối, vấn đề ô nhiễm môi trường khiến cho DG ngày càng được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới như ở Châu Âu (Đức, Hà Lan…), Châu Mỹ (Mỹ, Canada…) và Châu Á [114]

Vì vậy, nghiên cứu ứng dụng DG trong qui hoạch HTCCĐ cần được đặc biệt quan tâm với mục tiêu lựa chọn được công nghệ, vị trí và công suất đầu tư tối ưu của DG cũng như các thiết bị của HTCCĐ

1.4.4.2 Yếu tố giá điện

Giá điện là chỉ tiêu quan trọng quyết định đến hiệu quả của phương án qui hoạch HTCCĐ Trong mô hình liên kết dọc trước đây, giá điện thường sử dụng là hằng số bởi các CTPP được vận hành theo kế hoạch chung của cả ngành điện Tuy nhiên, nhằm khuyến khích khách hàng sử dụng hợp lý và tiết kiệm điện, giá điện hiện nay của HTCCĐ Việt Nam thực hiện theo thời gian và phụ thuộc vào

cơ cấu của phụ tải Giá bán điện thay đổi theo giờ cao điểm, thấp điểm và bình thường [4]

Gần đây, quan hệ thương mại của các thành phần kinh tế trong HTĐ đã thay đổi khi xuất hiện TTĐ cạnh tranh, giá bán điện thay đổi theo thời gian phụ thuộc vào mức độ tham gia thị trường của CTPP [72][83] Các CTPP có thể mua điện từ các nhà máy điện theo hợp đồng song phương hay mua trực tiếp từ TTĐ bán buôn nên giá bán điện hiện nay là hàm của thời gian và chênh lệch lớn giữa các thời điểm trong ngày Do đó, chi phí mua điện của HTCCĐ chịu ảnh hưởng lớn bởi giá điện thay đổi theo thời gian và ảnh hưởng của giá điện tới chỉ tiêu kinh tế của bài toán qui hoạch HTCCĐ cần được nghiên cứu [108][109]

Tuy nhiên, các mô hình dự báo giá trong TTĐ thường là ngắn hạn và được

sử dụng chủ yếu trong các bài toán vận hành tối ưu HTĐ hay các nhà máy điện

mà ít được sử dụng trong bài toán qui hoạch Vì vậy, trong bài toán qui hoạch thường sử dụng đặc tính giá trung bình mang tính ổn định [58][71][124][156]

1.4.5 Các chỉ tiêu kinh tế đánh giá phương án đầu tư

Qui hoạch HTCCĐ 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 HTCCĐ Hiện nay, thường sử dụng 4 chỉ tiêu để đánh giá hiệu quả đầu tư của các dự án nói chung như sau [25][38][39]:

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 HTCCĐ 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 HTCCĐ 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 [24] Thời gian nâng cấp thiết bị của HTCCĐ 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 [25][29] 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 HTCCĐ [23][127] 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 HTCCĐ trong quá trình qui hoạch [75][81][129][126][130][142]

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

án cải tạo HTCCĐ trong suốt vòng đời hay trong khoảng thời gian tính toán, được xác định như biểu thức (1.8)

1

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 [132] Thời gian tính toán vòng đời của HTCCĐ 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 (1.9) với CåC 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 [142]

việc cần được xem xét, RNt mang giá trị dương Hơn nữa, khi thay thế thiết bị chi phí thanh lý, xử lý chất thải hoặc phá hủy thiết bị cũng cần xem xét [142] Nhiều nghiên cứu đã ứng dụng thành công chi phí vòng đời trong qui hoạch HTCCĐ Mô hình lựa chọn thông số cấu trúc tối ưu của HTCCĐ với hàm mục tiêu là cực tiểu chi phí vòng đời được giới thiệu trong [1] Tương tự, chỉ tiêu này cũng đã được ứng dụng khi qui hoạch HTCCĐ như giới thiệu trong các nghiên cứu [85][96][135][136][152]

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 HTCCĐ nên sẽ được sử dụng cho bài toán qui hoạch HTCCĐ trong nghiên cứu của luận án

1.5 Qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của các DG

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 HTCCĐ đã được đề xuất và ứng dụng trong thực tế để giải quyết các bài toán qui hoạch HTCCĐ như:

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

- Xác định lộ trình qui hoạch, cải tạo HTCCĐ (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

Bài toán qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của các DG là bài toán xét đồng thời qui hoạch nguồn và qui hoạch lưới điện DG có ảnh hưởng lớn đến chi phí mua điện từ hệ thống nên giá điện theo thời gian và ĐTPT cần được xem xét Hơn nữa, mỗi DG có đặc tính công suất phát phụ thuộc nguồn năng lượng sơ cấp khác nhau nên số lượng phần tử và số biến lựa chọn trong bài toán rất lớn

1.5.1 Mô hình bài toán qui hoạch HTCCĐ

Qui hoạch HTCCĐ 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 [14][25][29][125], cực tiểu chi phí đầu tư của HTCCĐ hoặc cực tiểu chi phí sản xuất của các nhà máy điện [92] 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 [50][59][68][104][102][140] Gần đây, [110][100][119][139] 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 HTCCĐ trong mô hình liên kết dọc [79][137][139] 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 HTCCĐ 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 Các thành phần của bài toán qui hoạch HTCCĐ trong mô hình liên kết dọc như trình bày trên bảng 1.1 [133]

Bảng 1.1 Những thay đổi trong mô hình bài toán qui hoạch HTCCĐ

TT Mô hình qui hoạch HTCCĐ trước đây Mô hình qui hoạch HTCCĐ xét đến đầu tư DG hiện nay

1

Hàm mục tiêu gồm:

- Chi phí đầu tư, nâng cấp đường dây

- Chi phí đầu tư, nâng cấp TBA

- Chi phí tổn thất điện năng theo Pmax

và t

Hàm mục tiêu gồm:

- Chi phí đầu tư, nâng cấp đường dây

- Chi phí đầu tư, nâng cấp TBA

- Chi phí đầu tư, vận hành và năng lượng của

DG theo mỗi công nghệ

- Chi phí mua điện từ hệ thống theo giá trung bình năm

2

Đối tượng quan tâm và các ràng buộc:

- Tính toán trào lưu công suất và cân

bằng công suất nút theo công suất cực

đại của mỗi năm

- Ràng buộc công suất đường dây và

TBA theo công suất cực đại của mỗi

năm

- Ràng buộc giới hạn điện áp nút

Đối tượng quan tâm và các ràng buộc:

- Tính toán trào lưu công suất và cân bằng công suất nút theo công suất cực đại của mỗi năm

- Ràng buộc công suất đường dây và TBA theo công suất cực đại của mỗi năm

- Ràng buộc giới hạn điện áp nút

- Ràng buộc giới hạn công suất của DG theo mỗi công nghệ và nguồn năng lượng sơ cấp

- Thời gian, vị trí, công suất nâng cấp TBA

- Thời gian, vị trí, công suất đầu tư của DG theo mỗi công nghệ

- Công suất nhận từ hệ thống

- Công suất vận hành của DG

Gần đây, nhiều mô hình qui hoạch HTCCĐ tổng hợp DG 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 HTCCĐ khác Nghiên cứu [50][113] 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

[105][145][151] 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 [70][71] 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 HTCCĐ đang rất được quan tâm nghiên cứu Mô hình hai bước qui hoạch dài hạn HTCCĐ khi xét đến phương án đầu tư

DG được giới thiệu trong các nghiên cứu [58][122][123][124] Trong bước 1, hàm mục tiêu cực tiểu chi phí đầu tư, chi phí năng lượng và vận hành HTCCĐ 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 HTCCĐ 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 [60][71] 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 HTCCĐ 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 HTCCĐ

Những phân tích trên cho thấy, bài toán qui hoạch HTCCĐ trong điều kiện mới xuất hiện một số thay đổi như trong bảng 1.1 Trong đó, hàm mục tiêu thường xét thêm chi phí đầu tư, vận hành và năng lượng của DG theo công nghệ cùng với chi phí mua điện từ hệ thống theo giá trung bình năm Các ràng buộc kỹ thuật được bổ sung thêm ràng buộc giới hạn công suất của DG theo mỗi công nghệ và nguồn năng lượng sơ cấp đồng thời biến lựa chọn vị trí, thời gian và công suất đầu tư DG theo mỗi công nghệ cũng đã được bổ sung

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 Hơn nữa, đặc trưng công nghệ của DG theo đặc tính công suất phát có ảnh hưởng rất lớn tới chỉ tiêu kinh tế và khả năng cân bằng công suất của HTCCĐ cũng chưa được đề cập 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 HTCCĐ Việt Nam

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

Bài toán qui hoạch HTCCĐ 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) [94][104][125][141]… 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 HTCCĐ [105][113][151] Thuật toán di truyền đã giải quyết tốt một số vấn đề riêng rẽ của bài toán qui hoạch HTCCĐ 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 HTCCĐ 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 [73] 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 HTCCĐ [60][70][71][156]

Tuy vậy, bài toán qui hoạch HTCCĐ 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 [80][89][120] 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, luận án sẽ nghiên cứu xây dựng mô hình và lập chương trình tính toán qui hoạch HTCCĐ khi xét đến đặc trưng công suất phát theo công nghệ của

DG, 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 HTCCĐ lớn

1.6 Đánh giá và lựa chọn công cụ tính toán

Bài toán qui hoạch tối ưu HTCCĐ được tiếp cận theo nhiều hướng với những hàm mục tiêu và các ràng buộc khác nhau, công cụ sử dụng trong tính toán cũng rất đa dạng, thường sử dụng các ngôn ngữ lập trình bậc cao như Matlab, Fortran, Delphi, C++ [50]…

Trong thời gian gần đây, một chương trình cho phép lập các bài toán tối ưu được phát triển và có những ứng dụng rộng rãi trong bài toán tối ưu nói chung và trong qui hoạch HTĐ là chương trình The General Algebraic Modeling System (GAMS) GAMS có khả năng giải quyết tốt các bài toán tối ưu trong HTĐ bằng các thuật toán giải được xây dựng sẵn trong chương trình (solver)

Do đó, luận án sử dụng chương trình GAMS lập chương trình tính toán qui hoạch HTCCĐ khi xét đến ĐTPT điển hình và đặc tính giá điện Chương trình được xây dựng sẽ mang tính linh hoạt, đáp ứng yêu cầu người dùng hơn là những chương trình ứng dụng có sẵn

1.6.1 Giới thiệu chương trình GAMS

GAMS được phát triển để giải quyết vấn đề tối ưu toán học lớn và có thể giải quyết được nhiều bài toán tối ưu như [73]:

- Bài toán qui hoạch tuyến tính - LP (Linear Programming)

- Bài toán qui hoạch phi tuyến - NLP (Nonlinear Programming)

- Bài toán qui hoạch phi tuyến rời rạc - DNLP (Nonlinear Programming with Discontinuous derivatives)

- Bài toán qui hoạch nguyên thực hỗn hợp - MIP (Mixed Integer Programming), RMIP (Relaxed Mixed Integer Programming)

- Bài toán qui hoạch phi tuyến nguyên thực hỗn hợp - MINLP (Mixed Integer Nonlinear Programming), RMINLP (Relaxed Mixed Integer Nonlinear Programming)…

Cần phải nhấn mạnh rằng, GAMS không phải là một chương trình ứng dụng sẵn trong HTĐ như WASP-III, EMTP, PSS/E, PSS/ADEPT… mà là một công cụ, một ngôn ngữ máy, để xây dựng các chương trình tính toán dựa trên sự hiểu biết đầy đủ về HTĐ [32]

Qua quá trình phát triển, GAMS đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và rất thành công trong lĩnh vực tính toán qui hoạch, tối ưu HTĐ cũng như HTCCĐ [61][70][82][124] GAMS là chương trình cho phép lập các bài toán tối

ưu với những mô hình lớn và phức tạp Mô hình được trình bày ngắn gọn và đơn giản, cho phép sử dụng những liên hệ đại số và miêu tả mô hình độc lập với giải thuật tính toán Hơn nữa, GAMS cung cấp một số thuật toán giải bài toán tối ưu qua các solver được xây dựng sẵn như trong bảng 1.2 [73]

Bảng 1.2 Modul các thuật toán giải trong GAMS

6 MINLP, RMINLP DICOPT, SBB, MINOS, BONMIN

Ø Cấu trúc chương trình

Cấu trúc chương trình lập trong GAMS gồm những thành phần cơ bản sau: i) Set (khai báo kích thước các mảng số liệu)

ii) Scalar, parameter, table (khai báo và nhập số liệu)

iii) Variables (khai báo biến)

iv) Equations (khai báo và xây dựng các phương trình toán như hàm mục tiêu, ràng buộc, giới hạn…)

v) Model và Solver (xây dựng bài toán và gọi thuật toán giải)

vi) Output (in kết quả)

Mọi bài toán tối ưu đều có thể lập trên GAMS bằng những thành phần cơ bản trên Phần nhập số liệu đầu vào có thể thực hiện đơn giản dưới dạng gán trực tiếp, dạng vector hoặc dưới dạng bảng Giống như các ngôn ngữ lập trình khác, GAMS có thể sử dụng các lệnh chuẩn như IF-THEN, WHILE, LOOP…

Phần linh hoạt nhất trong GAMS là phần xây dựng bài toán MODEL với một MODEL bao gồm hàm mục tiêu và các phương trình ràng buộc Người sử dụng có thể lập nhiều MODEL bằng cách thay đổi số phương trình ràng buộc và hàm mục tiêu mà không phải thay đổi cấu trúc chương trình Tính năng này rất hữu dụng khi cần giải quyết một vấn đề với nhiều ràng buộc khác nhau

Ø Ứng dụng GAMS trong HTĐ

GAMS đã được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực tính toán qui hoạch và tối

ưu HTĐ với một số bài toán nổi bật như:

i) Qui hoạch nguồn và lưới điện

ii) Lựa chọn vị trí và công suất tối ưu của tụ điện, DG, hệ thống tích trữ năng lượng và thiết bị FACTS

iii) Vận hành tối ưu các nhà máy điện

iv) Vận hành tối ưu HTĐ…

1.6.2 Thuật toán và solver MINOS trong chương trình GAMS

GAMS cung cấp một ngôn ngữ, môi trường lập trình và các solver có tính năng, giải thuật sẵn cho phép thực hiện các thuật toán để tìm kết quả tối ưu với những mô hình bài toán mở được thiết lập bởi người lập trình (sử dụng)

Solver MINOS có khả năng tìm nghiệm tối ưu đối với những bài toán phi tuyến qui mô lớn và tỏ ra phù hợp với bài toán qui hoạch HTCCĐ [58][71][133] Thuật toán reduced-gradient kết hợp với thuật toán quasi-newton được sử dụng

để tìm nghiệm tối ưu cho bài toán phi tuyến Cơ sở lý thuyết đã được trình bày trong các nghiên cứu [31][32][63][73]

Bài toán qui hoạch tổng quát đã trình bày trong tiểu mục 1.4.3.1 được biểu diễn phân tách thành nhóm các thành phần phi tuyến và tuyến tính Khi đó, hàm mục tiêu tổng quát ( )J X đã trình bày trong biểu thức (1.6) được biểu diễn như

biểu thức (1.10)

F x +c x d y+ ® (1.10) Trong đó: ( )F x bao gồm các thành phần phi tuyến của hàm mục tiêu với

nhóm biến x là hàm vô hướng c x bao gồm các thành phần tuyến tính với nhóm T

biến x và vector c d y bao gồm các thành phần tuyến tính với nhóm biến y (độc T

lập với ( )F x ) và vector d

Tương tự, các ràng buộc g X i( ) trong biểu thức (1.7) được biểu diễn thành các ràng buộc phi tuyến như biểu thức (1.11) và các ràng buộc tuyến tính như biểu thức (1.12)