Xác định vị trí và dung lượng máy phát phân tán để tổn thất công suất là nhỏ nhất

Xác định vị trí và dung lượng máy phát phân tán để tổn thất công suất là nhỏ nhất Xác định vị trí và dung lượng máy phát phân tán để tổn thất công suất là nhỏ nhất Xác định vị trí và dung lượng máy phát phân tán để tổn thất công suất là nhỏ nhất Xác định vị trí và dung lượng máy phát phân tán để tổn thất công suất là nhỏ nhất Xác định vị trí và dung lượng máy phát phân tán để tổn thất công suất là nhỏ nhất

MỤC LỤC

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Các nghiên cứu liên quan đã công bố 4

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 6

1.4 Phạm vi nghiên cứu 6

1.5 Phương pháp giải quyết bài toán 6

1.6 Điểm mới của đề tài 6

1.7 Giá trị thực tiễn của đề tài 7

1.8 Bố cục 7

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Đặc điểm của lưới điện phân phối 8

2.2 Các lý do vận hành hình tia lưới điện phân phối 8

2.3 Tổng quan về nguồn điện phân tán (DG - Distributed Generation) 10

2.4 Lợi ích của lưới điện phân phối khi vận hành có kết nối DG 16

2.5 Các tác động của DG lên lưới điện phân phối 19

2.6 Một số nguồn năng lượng tái tạo thích hợp với công nghệ DG 20

2.7 Bài toán xác định cấu trúc vận hành lưới điện phân phối kết hợp với máy phát điện phân tán 22

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT 24

3.1 Giới thiệu 24

3.2 Phương pháp đề xuất: 27

3.2.1 Giải thuật tính tổn thất công suất trên lưới điện phân phối hình tia 27

3.2.2 Giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO – Particle Swarm Optimization) 37

3.2.3 Mô hình toán 42

3.2.4 Hàm mục tiêu 44

Chương 4: KIỂM CHỨNG GIẢI THUẬT 466

Chương 5: KẾT LUẬN 511

5.1 Kết luận 511

5.2 Hướng phát triển 511

TÀI LIỆU THAM KHẢO 522

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2 1 Sơ đồ phân loại nguồn điện phân tán 11

Hình 2 2 Photovoltaic - PV 12

Hình 2 3 Wind turbine – WT 13

Hình 2 4 Pin nhiên liệu –FC 14

Hình 3 1 Sơ đồ đơn tuyến 27

Hình 3 2 Lưu đồ giải thuật 29

Hình 3 3 Ví dụ về hệ thống 6 bus 30

Hình 3 4 Tính tổn thất công suất cho nhánh 56 30

Hình 3 5 Tính tổn thất công suất cho nhánh 25 31

Hình 3 6 Tính tổn thất công suất cho nhánh 24 31

Hình 3 7 Tính tổn thất công suất cho nhánh 23 32

Hình 3 8 Tính tổn thất công suất cho nhánh 12 33

Hình 3 9 Cập nhật lại giá trị đường dây 33

Hình 3 10 Tính tổn thất trên nhánh 12 35

Hình 3 11 Tính tổn thất trên nhánh 24 35

Hình 3 12 Tính tổn thất trên nhánh 23 36

Hình 3 13 Tính tổn thất trên nhánh 25 36

Hình 3 14 Tính tổn thất trên nhánh 56 37

Hình 3 15 Chuyển động của cá thể 41

Hình 3 16 LĐPP kín và hở 42

Hình 3 17 Lưu đồ giải thuật PSO 45

Hình 4 1 Lưới điện 33 nút, một nguồn 46

Hình 4 2 Độ hội tụ của PSO trong quá trình thực hiện 49

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 4 1 Thông số mạng 33 nút 46 Bảng 4 2 Kết quả thực hiện hai giai đoạn trên LĐPP 33 nút 48 Bảng 4 3 So sánh kết quả thực hiện với các phương pháp trên LĐPP 33 nút 49

Chương 1: TỔNG QUAN1.1 Đặt vấn đề

Điện là một dạng năng lượng đặc biệt, vì năng lượng điện không thể dễ dàng tích trữ với lượng lớn, nhưng nhu cầu phụ tải đòi hỏi phải đáp ứng công suất tại mọi thời điểm.Điều này đòi hỏi các Nhà quy hoạch năng lượng, các công ty sản xuất và kinh doanh điện phải tính toán đến các giải pháp tối ưu việc truyền tải, phân bố công suất trên

hệ thống lưới điện

Nhu cầu tiêu thụ năng lượng điện tăng một cách nhanh chóng trên tất cả mọi lĩnh vực, từ nhu cầu thiết yếu của đời sống xã hội đến nhu cầu để phát triển kinh tế, xã hội, khoa học công nghệ của các quốc gia, và kể cả việc để đảm bảo tốt an ninh chính trị thì

an ninh năng lượng điện cũng được đặt lên hàng đầu

Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, các thiết bị sử dụng điện (đặc biệt là các thiết bị công nghệ cao) ngày càng đòi hỏi nguồn điện cung cấp phải đảm bảo về chất lượng Vấn đề đặt ra cho các Công ty sản xuất và kinh doanh điện là làm sao vừa đảm bảo đáp ứng được các vấn đề nêu trên, vừa đảm bảo lợi ích kinh tế cao nhất của nhà sản xuất, vừa đảm bảo tính cạnh tranh trong điều kiện nguồn lực tài chính có hạn Trong khi

đó chiều dài, phụ tải của lưới điện phân phối phát triển một cách nhanh chóng kể cả ở khu vực thành thị lẫn nông thôn, miền núi dẫn đến công suất đỉnh chỉ xảy ra tại vài giờ trong ngày, lưới điện bị sụt áp, tổn thất truyền tải trên đường dây tăng, chi phí sản xuất điện tăng theo

Đã có nhiều giải pháp kỹ thuật được đưa ra, như là nâng công suất các trạm trung gian, lắp đặt các hệ thống tụ bù, nâng tiết diện dây dẫn, lắp đặt các thiết bị FACTS, lắp đặt công tơ 3 giá cho khách hàng nhưng cũng chỉ giải quyết được một phần vấn đề trên Tái cấu trúc lưới điện phân phối và tối ưu vị trí máy phát điện phân tán là một trong những giải pháp để giải quyết vấn đề đã đặt ra, nhiều nhà nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu và thực nghiệm với nhiều phương pháp khác nhau để đi đến tối ưu nhất về kết cấu lưới điện và vị trí đặt máy phát điện phân tán trên lưới điện phân phối

Lưới điện phân phối có đặc điểm là vận hành phức tạp, kết cấu hình tia, hình xương

cá, mạch kín nhưng thường vận hành hở, phụ tải phân bố và phát triển ít theo quy hoạch

nên việc tính toán để xác định vị trí, dung lượng của các DG là khá phức tạp Vì vậy việc tìm các phương pháp, giải thuật để giải quyết vấn đề đặt ra là cần thiết, đảm bảo sao cho bài toàn tính toán đơn giản nhất, nhanh nhất và có kết quả tốt nhất đối với điều kiện đã được đặt Vấn đề đã được sự quan tâm của rất nhiều các nhà khoa học, nhà nghiên cứu, các nghiên cứu sinh và các tổ chức

Việc cải tạo nâng cấp đường dây hoặc lắp đặt thêm các trạm biến áp, đường dây truyền tải và phân phối nhằm đáp ứng nhu cầu của phụ tải trong một số giờ cao điểm làm cho chi phí vận hành tăng cao và cần phải có vốn đầu tư lớn Các nghiên cứu đã chỉ

ra rằng nguồn điện phân tán sẽ mang lại nhiều hiệu quả khi áp dụng trên lưới điện phân phối Nguồn điện từ các DG sẽ góp phần giảm bớt gánh nặng công suất vào giờ cao điểm, giảm tổn thất trên đường dây, cải thiện chất lượng điện năng, nâng cao độ tin cậy

và thân thiện với môi trường (đối với năng lượng tái tạo) Nó còn góp phần vào việc giảm áp lực đầu tư cải tạo lưới điện hiện hữu, giảm chi phí nhiên liệu, chi phí vận hành, đáp ứng tốt về khả năng dự phòng cho hệ thống và có thời gian ngắn trong việc đáp ứng nhu cầu cục bộ của từng vùng miền, đặc điểm riêng của phụ tải

Do đó, các công ty điện lực và các DG có sẵn hoặc lắp đặt thêm các DG để hỗ trợ cho hệ thống điện của họ, giảm công suất điện mua từ hệ thống truyền tải, từ đó có thể giảm giá điện, đồng thời đối phó với tình huống tăng giá đột biến trong giờ cao điểm và trì hoãn việc xây dựng thêm đường dây mới DG là các máy phát có công suất nhỏ hơn 10MW, có giá thành rẽ, dễ vận hành và có thể xây dựng trong một thời gian ngắn DG

có thể tận dụng các nguồn năng lượng tái tạo sẵn có thân thiện với môi trường như thủy năng, phong năng, quang năng công nghệ DG rất đa dạng: nhiệt điện kết hợp, quang điện, tuabine gió, pin nhiên liệu, thủy điện công suất nhỏ, máy phát động cơ đốt trong, microturbine

Các DG hoạt động độc lập có hiệu quả do chi phí vận hành tăng cao, công suất phát điện lại không ổn định nên độ tin cậy cung cấp điện thấp Mặc khác, DG có trở kháng lớn, nên dòng ngắn mạch của nó rất nhỏ, do đó mức độ ảnh hưởng đến lưới điện phân phối khi nó vận hành song song là rất thấp Vì vậy, các DG thường được kết nối trực tiếp với lưới điện phân phối trung áp/ hạ áp

Sử dụng DG trong lưới điện phân phối sẽ mang lại một số lợi ích sau: giảm tải trên lưới điện, giảm tổn hao công suất và chi phí vận hành trên mạng điện, cải thiện chất lượng điện và độ tin cậy, bình ổn giá điện, cung cấp các dịch vụ hỗ trợ…

- Về phía điện lực: Giảm tải trên đường dây truyền tải; Giảm tải trên lưới phân

phối; Bình ổn giá điện; Giảm tổn hao công suất trên đường dây; Giảm chi phí vận hành;

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

Cải thiện độ tin cậy

- Về mặt thương mại: Tạo một thị trường điện có tính cạnh tranh; Cung cấp các

dịch vụ khác như: công suất phản kháng, công suất dự phòng

Khi lưới điện phân phối có kết nối các DG, thì khách hàng có thể kiểm soát giá thành điện năng và chuyển đổi nguồn điện sao cho họ có lợi nhất Do đó, các điều độ viên phải căn cứ vào cấu trúc lưới điện, dung lượng cần truyền tải, giá điện mua từ hệ thống và từ các DG và các yêu cầu về tác động môi trường và sinh thái để đưa ra các phương án thay đổi cấu trúc lưới điện ở từng thời điểm sao cho chi phí vận hành bao gồm chi phí chuyển tải và tổn thất công suất là bé nhất, đồng thời đảm bảo các yêu cầu

về kỹ thuật Với mục tiêu là tìm giải pháp để giảm tổn thất công suất, giảm chi phí vận hành của lưới điện phân phối trong trường hợp có các DG, đề tài sẽ đề cập đến các

phương pháp có liên quan đến vấn đề “Xác định vị trí, dung lượng máy phát điện phân

tán trên lưới điện phân phối” Kết quả của bài toán sẽ góp phần hỗ trợ cho các công ty

điện lực địa phương trong công tác vận hành lưới điện phân phối

Luận văn này tiếp cận bài toán xác định vị trí và công suất máy phát điện phân tán trên lưới điện phân phối có xét đến cấu trúc vận hành lưới điện với mục tiêu là giảm tổn thất công suất tác dụng trên hệ thống phân phối Giải pháp xác định vị trí và công suất máy phát điện phân tán tối ưu và xác định cấu trúc vận hành được thực hiện riêng

rẽ bằng hai giai đoạn sử dụng thuật toán di truyền Trong đó hai giai đoạn, giai đoạn thứ nhất sử dụng thuật toán di truyền xác định vị trí và công suất tối ưu của các máy phát phân tán trên lưới điện phân phối kín, giai đoạn thứ hai, giải thuật di truyền được sử dụng để xác định cấu trúc vận hành hở tối ưu của hệ thống

1.2 Các nghiên cứu liên quan đã công bố

Đã có nhiều NCKH về bài toán tái cấu hình LĐPP giảm tổn thất có kết nối DG hoặc không có kết nối DG cố định Phương pháp giải chủ yếu: Merlin và Back [1] Họ giải quyết bài toán thông qua kỹ thuật heuristic rời rạc nhánh-biên Civanlar et al [2] đề xuất một phương pháp trao đổi nhánh Phương pháp meta-heuristic: GA, PSO, CSA [3-5] mới đã được đề xuất để giải quyết vấn đề tối ưu hóa để có được một giải pháp tối ưu toàn cục Xét vị trí và dung lượng DG trên bài toán LĐPP hình tia, không xét sự biến đổi cấu hình của LĐPP Xét cả hai vấn đề cùng lúc: tích hợp cả hai bài toán tái cấu hình

và vị trí và dung lượng DG để nâng cao hiệu quả của mạng lưới phân phối

Các tác giả [6] Nghiên cứu sử dụng phương pháp điểm trong để xác định vị trí và dung lượng của DG nhằm tối ưu tổn thất lưới phân phối, kết quả áp dụng trên lưới 10 nút và lưới 42 nút đạt được khá tốt Kết quả tính toán cho thấy vị trí đặt DG tối ưu là tại nút có công suất tải tiêu thụ lớn nhất trong lưới phân phối Độ giảm tổn hao trên lưới phân phối sau khi có DG so với trước khi có DG nhiều hay ít phụ thuộc vào lượng công

suất phát ra của DG

Sự tham gia của DG vào hệ thống phân bố sẽ đạt được một số lợi ích về mặt kỹ thuật như: giảm tổn hao đường dây, cải thiện chỉ số điện áp, nâng cao chất lượng điện năng, tăng độ tin cậy trong việc truyền tải và phân phối

Các tác giả ở tài liệu [7] mô tả cách sử dụng giải thuật di truyền để tìm ra vị trí đặt

và công suất phát tối ưu của nguồn phân tán trên mô hình lưới điện phân phối 22kV Tổn thất công suất được cực tiểu hóa trong khi dạng điện áp đường dây được cải thiện tốt hơn

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

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

+ Vị trí kết nối: 7, 8, 17, 20, 21

+ Tỷ lệ % giảm tổn thất là 58,46%

+ Tỷ lệ % tăng điện áp cao nhất 3,32%

Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chỉ tập trung giải quyết trên một lưới điện phân

phối hình tia cố định Điều này, thực sự chưa phù hợp với bài toán thiết kế và vận hành lưới điện phân phối vì: LĐPP phải luôn chuyển tải để đảm bảo đạt được mục tiêu vận hành khi sự thay đổi của phụ tải

Việc kết hợp phương pháp Newton-Raphson trong tính toán trào lưu công suất lưới điện và giải thuật di truyền giải các bài toán tối ưu tổ hợp đã cung cấp một cách thức tìm ra các vị trí đặt và công suất phát tốt nhất cho một số lượng nguồn phân tán DG cho trước trên lưới điện phân phối Phương pháp này cho phép người vận hành có thể nghiên cứu một mạng phân phối bất kỳ Người vận hành có thể sử dụng những thông tin về lưới điện phân phối có sẵn để lập kế hoạch cho việc kết nối DG nhằm đạt mục tiêu giảm tổn thất, cải thiện dạng điện áp như mong muốn Ngoài ra, nhóm tác giả César Augusto Peñuela Meneses, Member, IEEE, and José Roberto Sanches Mantovani, Member, IEEE đã công bố nghiên cứu “Improving the Grid Operation and Reliability Cost of Distribution Systems With Dispersed Generation” nghiên cứu sử dụng giải thuật tìm kiếm Taboo để giải quyết bài toán đa mục tiêu nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi có kết nối DG vào hệ thống Nghiên cứu đưa ra một phương pháp giải quyết tối

ưu hàm mục tiêu gồm các chi phí hoạt động của lưới, chi phí hệ thống bảo vệ, chi phí gián đoạn do ngừng cung cấp điện, chi phí tổn thất công suất

Mô hình toán học đề xuất được thử nghiệm trên hệ thống 135 bus trong đó bao gồm một hệ thống phân phối thực tế 13,8 kV ở Sao Paulo, Brazil Kết quả mô phỏng của một hệ thống qua kiểm tra thực tế cho thấy mô hình đề xuất có thể xác định các tác động liên quan đến độ tin cậy của hệ thống, hệ thống bảo vệ, và hiệu quả hoạt động của mạng, tất cả chỉ trong một chương trình Thông qua các phương pháp thực hiện, lợi thế đạt được là khả năng quan sát điện áp và tần số của hệ thống khi có kết nối DG Người

ta thấy rằng thực hiện kết nối DG như thế này, dẫn đến chi phí hoạt động và chi phí độ tin cậy sẽ tốt hơn, bởi vì họ sử dụng các mức giá khác nhau được cung cấp bởi các nguồn phát trên diện rộng Nó cũng có thể phục vụ nhu cầu phụ tải tăng lên một cách đột biến Tuy nhiên, thiết kế này có thể dẫn đến một hệ thống bảo vệ đắt tiền, cũng như làm giảm

tỷ suất lợi nhuận trong việc phối hợp các thiết bị bảo vệ

Từ những nghiên cứu đã công bố nêu trên, trong khuôn khổ đề tài này chủ yếu tập

kết nối DG sử dụng giải thuật PSO, các vấn đề liên quan đến cải thiện điện áp và cải thiện vận hành lưới thông qua việc thay đổi các thiết bị bảo vệ trên hệ thống sẽ không được xem xét

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu việc: Giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin

cậy hệ thống điện lưới điện phân phối

- Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính phân bố công suất bằng phương pháp Back – Forward

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

- Xây dựng hàm đa mục tiêu sử dụng giải thuật PSO để giải bài toán tìm vị trí và dung lượng thích hợp để kết nối DG nhằm giảm tổn thất công suất

- Áp dụng giải thuật vào lưới điện phân phối mẫu

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào bài toán giảm tổn thất công suất và

nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi kết nối DG nhằm cực tiểu chi phí vận hành

1.5 Phương pháp giải quyết bài toán

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

- Sử dụng giải thuật di truyền giải bài toán đa mục tiêu khi có DG

1.6 Điểm mới của đề tài

- Xây dựng hàm đa mục tiêu giải quyết vấn đề giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi có kết nối DG

- Áp dụng giải thuật di truyền tìm vị trí và dung lượng tối ưu khi kết nối DG trên

lưới điện phân phối

1.7 Giá trị thực tiễn của đề tài

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

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

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

1.8 Bố cục

Đề tài có bố cục gồm 5 chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Phương pháp đề xuất

Chương 4: Ví dụ kiểm tra

Chương 5: Kết luận

Tài liệu tham khảo

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT2.1 Đặc điểm của lưới điện phân phối

Cấu trúc hệ thống điện truyền thống có dạng dọc, mạng phân phối sẽ nhận điện

từ lưới truyền tải hoặc truyền tải phụ sau đó cung cấp đến hộ tiêu thụ điện Mạng phân phối có cấu trúc hình tia hoặc dạng mạch vòng nhưng vận hành trong trạng thái hở Dòng công suất trong trường hợp này đổ về từ hệ thống thông qua mạng phân phối cung cấp cho phụ tải Vì vậy, việc truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến hộ tiêu thụ

sẽ sinh ra tổn hao trên lưới truyền tải và mạng phân phối (khoảng 10 - 15% tổng công suất của hệ thống) Với cấu trúc mới của lưới phân phối hiện nay, do có sự tham gia của các nguồn điện phân tán (distributed generation - DG), dòng công suất không chỉ

đổ về từ hệ thống truyền tải mà còn lưu thông giữa các phần của mạng phân phối với nhau, thậm chí đổ ngược về lưới truyền tải Cấu trúc này được gọi là cấu trúc ngang Với cấu trúc ngang có sự tham gia của các DG, lưới điện phân phối thực hiện tốt hơn nhiệm vụ cung cấp năng lượng điện đến hộ tiêu thụ đảm bảo chất lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện và một số yêu cầu an toàn trong giới hạn cho phép Đồng thời mang lại nhiều lợi ích khác như: giảm tải trên lưới điện, cải thiện điện áp, giảm tổn thất công suất và điện năng, hỗ trợ lưới điện

Vì lý do kỹ thuật, các đường dây phân phối điện luôn được vận hành hở trong mọi trường hợp, mặc dù được thiết kế theo kiểu mạch vòng để tăng độ tin cậy cung cấp điện Nhờ cấu trúc vận hành hở mà hệ thống relay bảo vệ chỉ cần sử dụng lọai relay quá dòng Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, hầu hết các tuyến dây đều có các mạch vòng liên kết với các đường dây kế cận đựơc cung cấp từ một trạm biến áp trung gian khác hay chính từ trạm biến áp có đường dây bị sự cố Việc khôi phục lưới điện được thực hiện thông qua các thao tác đóng/cắt các cặp khóa điện nằm trên các mạch vòng, do đó trên lưới phân phối có rất nhiều khóa điện

2.2 Các lý do vận hành hình tia lưới điện phân phối

Khi lưới điện được vận hành hở, tổn thất năng lượng và chất lượng điện năng luôn kém hơn một lưới điện được vận hành kín Khi có sự cố, thời gian tái lập việc cung

cấp điện của lưới điện vận hành hở sẽ lâu hơn do cần có thời gian chuyển tải qua các tuyến dây khác

Tuy nhiên, do tính chất khác nhau cơ bản giữa lưới phân phối và truyền tải là:

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

- Có rất nhiều khách hàng tiêu thụ điện năng với công suất nhỏ và nằm trên diện rộng, nên khi có sự cố, mức độ thiệt hại do gián đọan cung cấp điện ở lưới điện phân phối gây ra cũng ít hơn so với sự cố của lưới điện truyền tải

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

- Tổng trở của lưới điện phân phối vận hành hở lớn hơn nhiều so với vận hành vòng kín nên dòng ngắn mạch bé khi có sự cố Vì vậy chỉ cần chọn các thiết bị đóng cắt có dòng ngắn mạch chịu đựng và dòng ngắn mạch bé, nên mức đầu tư giảm đáng

kể

- Trong vận hành hở, các relay bảo vệ lộ ra chỉ cần dùng các lọai relay đơn giản, rẻ tiền như relay quá dòng, thấp áp… mà không nhất thiết phải trang bị các lọai relay phức tạp như relay định hướng, bảo vệ khỏang cách, so lệch… nên việc phối hợp bảo vệ relay trở nên dễ dàng hơn và mức đầu tư cũng giảm xuống

- Chỉ cần dùng các cầu chì tự rơi (FCO: Fuse cut out) hay cầu chì tự rơi kết hợp cắt có tải (LBFCO: Load break fuse cut out) để bảo vệ các nhánh rẽ hình tia trên cùng một đọan trục và phối hợp với recloser để tránh sự cố thóang qua

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

- Do được vận hành hở, nên việc điều khiển điện áp trên từng tuyến dây dễ dàng hơn và giảm được phạm vi mất điện trong thời gian giải trừ sự cố

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

2.3 Tổng quan về nguồn điện phân tán (DG - Distributed Generation)

Khái niệm nguồn điện phân tán đã được nêu nhiều trong các quá trình nghiên cứu

về DG Tuy nhiên các tác giả chưa đưa ra được định nghĩa chung cho khái niệm này Hiện nay trên thế giới cũng chưa có định nghĩa thống nhất về nguồn điện phân tán Một

số quốc gia định nghĩa nguồn điện phân tán là nguồn điện theo các thông số cơ bản như:

“nguồn điện phân tán là nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo, không điều khiển tập trung ”; hoặc một số khác căn cứ theo cấp điện áp mà nguồn điện đó đấu nối vào:

“nguồn điện phân tán là nguồn điện đấu nối vào lưới điện cung cấp điện trực tiếp cho phụ tải khách hàng” Các tổ chức quốc tế cũng đưa ra những định nghĩa khác nhau về nguồn điện phân tán, chủ yếu xoay quanh về đề kích cỡ và chủng loại Các định nghĩa

đó như sau:

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

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

- Viện Nghiên Cứu Gas Mỹ: các máy phát có công suất từ 25 kW đến 25 MW được gọi là DG

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

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

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

- Ở Úc: máy phát dưới 30 MW gọi là DG

- Theo Hội Đồng Quốc Tế về các Hệ Thống Điện lớn (CIGRE): các nguồn điện không phải là nguồn trung tâm, được đặt gần phụ tải và nối vào mạng điện phân phối,

có công suất nhỏ hơn 100 MW gọi là DG

Các loại nguồn phân tán sử dụng nhiều công nghệ khác nhau, trong đó công nghệ

sử dụng máy phát truyền thống như động cơ đốt trong, tua-bin khí… và các công nghệ mới , thân thiện môi trường, đang được phát triển như pin nhiên liệu, pin mặt trời, tua-bin gió Mỗi loại nguồn phân tán đều có những ưu điểm, hạn chế về đặc tính kĩ thuật và tính kinh tế Sự lựa chọn công nghệ là nhân tố chính để quyết định về công suất và vị trí lắp đặt của nguồn phân tán Dưới đây là phân loại một số nguồn điện phân tán chính hiện có

Hình 2 1 Sơ đồ phân loại nguồn điện phân tánMột số công nghệ DG Pin mặt trời (photovoltaic - PV): Các hệ thống pin mặt trời (PV) chuyển đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thành điện năng mà không cần đến quá trình đốt cháy hoặc tiêu thụ nhiên liệu Công nghệ này có chi phí vận hành và bảo trì rất thấp Công nghệ PV được sử dụng phổ biến cho các tòa nhà độc lập và các hệ thống thông tin PV được xem như một công nghệ tốt nhất cho các căn hộ và các ứng dụng thương mại nhỏ

Hiện nay, các hệ thống PV thương mại có các cấp: nhỏ (ít hơn 10 kW), trung bình (10 - 100 kW), và lớn (trên 100 kW) được nối vào hệ thống phân phối Rào cản chính hiện nay là giá thành cao trong chi phí lắp đặt (6000 - 10000 USD/ kW) Ngoài ra, việc vận hành PV còn lệ thuộc vào độ cao lắp đặt và điều kiện thời tiết

Giá sản xuất điện năng đối với PV là vào khoảng 0,3 USD/kWh Giá này có thể cạnh tranh được trong các giờ tải đỉnh hoặc khi có yêu cầu cao về độ tin cậy Công nghệ PV cũng hiệu quả khi yêu cầu về bảo vệ môi trường được đặt ra Hệ thống PV

có thể vận hành độc lập hoặc kết nối trực tiếp vào mạng phân phối

Hình 2 2 Photovoltaic - PV

- Máy Phát Turbine Gió (wind turbine - WT): Công nghệ sản xuất điện năng từ năng lượng gió sử dụng các turbine khí động, được phân chia ra các cấp như sau: Hệ thống mini công suất nhỏ hơn 10 kW; Hệ thống nhỏ có công suất từ 10 đến 100 kW; Hệ thống trung bình có công suất từ 100 đến 500 kW; Hệ thống lớn có công suất trên 500

kW Đặc tính của turbine khí động phụ thuộc vào vận tốc của gió:

 Turbine có công suất định mức 40 kW tương ứng với tốc độ gió trung bình 13,4m/s, vận tốc gió cực tiểu 3,6m/s, vận tốc gió cực đại 22,3m/s Đường kính cánh turbine là 13,2m

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

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

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

Hình 2 3 Wind turbine – WT Pin nhiên liệu (Fuel Cell -FC): Các FC có thể chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng mà không cần đến quá trình đốt cháy Công nghệ FC được phát triển ban đầu cho ngành vũ trụ, sau đó, ngành vận tải đã xem nó như một công nghệ đầy hứa hẹn Từ

đó, công nghệ này đã chứng tỏ có hiệu quả rất tốt, có cấu tạo nguyên khối, độ ồn rất thấp, lượng khí thải NOx, SO, CO rất thấp và có độ tin cậy cao Có năm dạng FC chính tùy thuộc vào vật liệu chế tạo Cụ thể là: Alkaline (AFC), Molten Carbonate (MCFC), Phosphoric Acid(PAFC), Proton Exchange Membrane (PEMFC) và Solic Oxide (SOFC) Trong đó PAFC được ứng dụng nhiều nhất trong thương mại Từ 1970 đến

2003, PAFC chiếm khoảng 80% dung lượng của FC được lắp đặt Tuy nhiên, từ 2002 đến 2003, MCFC và PEMFC dần thay thế cho PAFC

Hình 2 4 Pin nhiên liệu –FC Hiệu suất trung bình của FC trong khoảng 30 đến 55 % Đối với PAFC là 36 đến 42% PAFC có thể sản xuất nước nóng và nhiệt khi nhiệt độ vận hành của chúng đạt mức trên 200oC Sự thải CO2 phụ thuộc vào chủng loại của FC Đối với PAFC, lượng này nằm trong khoảng 430 đến 490 kg/MWh Nhiên liệu chủ yếu dùng cho FC

là hydro từ khí tự nhiên Việc khởi động FC cần thời gian từ 1 đến 4 giờ do vậy nó không phù hợp cho dự phòng nóng và chỉ thích hợp cho chạy nền đối với các phụ tải cần độ tin cậy cung cấp điện cao Chi phí lắp đặt cho các bộ FC cao gấp khoảng 8 đến

11 lần so với máy phát động cơ đốt trong Chi phí đó vào khoảng 4000 USD/kW đối với bộ công suất 25 kW và khoảng 5500 USD/kW đối với bộ 200 kW Chi phí bảo trì

hệ thống PV vào khoảng 0,005 đến 0,01 USD/kW

Dòng điện ngõ ra của FC là dòng một chiều, vì vậy, đối với phụ tải xoay chiều cần phải có một bộ chuyển đổi dòng điện (bộ nghịch lưu) để chuyển dòng điện sang dạng xoay chiều FC có thể vận hành độc lập hoặc kết nối với mạng phân phối tùy theo mục đích sử dụng dạng xoay chiều FC có thể vận hành độc lập hoặc kết nối với mạng phân phối tùy theo mục đích sử dụng

- Máy phát động cơ đốt trong (Internal Combustion Engines -ICE): Công nghệ dùng động cơ đốt trong (ICE) để sản xuất điện năng có thể nói là lâu đời nhất Công nghệ này sử dụng chu trình đốt cháy dầu diesel và gas để tạo lực cơ học, lực này quay máy phát điện để sản xuất ra điện năng Chi phí lắp đặt ICE tương đối thấp và cho hiệu suất tương đối cao (36 - 43% đối với máy phát Diesel và 28 - 42% đối với máy phát sử dụng gas) Thời gian khởi động và dừng máy nhỏ (khoảng 10s) thích hợp với phần tải đỉnh của hệ thống Việc kết hợp giữa nhiệt và điện của ICE mang lại hiệu suất rất cao lên đến 90% Các thuận lợi của ICE là giá rẻ và tính sẵn sàng của dịch vụ cũng như khả năng bảo trì sửa chữa của nhân viên chuyên nghiệp Công suất trung bình của ICE vào khoảng từ vài kW đến 30 MW Tại mỹ lượng điện năng phát ra từ ICE chiếm 7% tổng sản lượng điện năng của quốc gia Tại các quốc gia như Hà Lan, Trung Quốc và Inđônêsia tỉ lệ này là 25% Chi phí lắp đặt ICE tại Thổ Nhĩ Kỳ vào khoảng 350-500 USD/kW đối với máy phát Diesel và 600 - 1000 USD/kW đối với máy phát sử dụng gas Chi phí bảo trì khoảng 0,005 - 0,015 USD/kW [10] Vướng mắc lớn nhất đối với công nghệ ICE là vấn đề chất thải Các chất thải bao gồm: NOx, CO2 có ảnh hưởng lớn đến sức khỏe và môi trường Chi phí vận hành tương đối cao và vấn đề tiếng ồn cũng gây nên hạn chế cho ứng dụng của ICE

- Microturbine: Ban đầu microturbine được phát triển cho ngành vận tải, nhưng gần đây, nó đã đuợc sử dụng trong công nghiệp điện lực Công nghệ này có một phạm

vi sử dụng nhiện liệu rất rộng: khí tự nhiên, hydrogen, propan và dầu diesel Các microturbine có thể chạy ở tải nền, công suất dự phòng, phủ tải đỉnh hoặc dưới hình thức co-gen Dung lượng của microturbine trong phạm vi từ 25 - 500 kW, hiệu suất là khoảng 15% đối với loại bình thường và 20 - 30% đối với loại có thiết bị hồi nhiệt Khi

sử dụng chu trình nhiệt - điện kết hợp, hiệu suất có thể đạt mức 85% Máy phát microturbine có lượng khí thải NOx rất thấp (0,1 kg/MWh), song lượng CO2 lại cao hơn ICE (720 kg/MWh) [16]

Chi phí lắp đặt đối với công nghệ này vào khoảng 700 - 1000 USD/kW và chi phí bảo trì từ 0,005 - 0,016 USD/kW Các ưu điểm chủ yếu của microturbine là tiếng ồn nhỏ, kích thước gọn nhẹ, ít chi tiết, chu kỳ bảo trì dài và có thể sử dụng được nhiên liệu rác thải Microturbine có thể vận hành độc lập hoặc kết nối với mạng phân phối

- Turbine khí (Combustion Turbine - CT): Turbine khí được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong ngành công nghiệp điện năng Công suất của CT từ 500 kW đến 265 MW Đối với CT công suất nhỏ hiệu suất chỉ đạt 15 - 17%, với công suất khoảng 30 MW, hiệu suất có thể đạt 45% Hiệu suất của CT tăng khi vận hành đầy tải Nếu sử dụng turbine chu trình kết hợp, hiệu suất có thể đạt 55% và chỉ sử dụng tại các nhà máy điện lớn, không sử dụng cho DG

Thuận lợi của công nghệ CT: chi phí lắp đặt thấp, giá cả khí tự nhiên tương đối rẻ, hiệu suất cao và thời gian lắp đặt tương đối ngắn Lượng khí thải CO2 khoảng 580 - 680 kg/MWh và NOx khoảng 0,3 - 0,5 kg/MWh Chi phí lắp đặt trung bình đối với turbine khí là 650 - 900 USD/kW, với chu trình kết hợp khoảng 1000 - 1200 USD/kW Chi phí bảo trì từ 0,004 - 0,005 USD/kW [16]

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

Các ứng dụng của DG bao gồm: nhiệt - điện kết hợp, công suất dự phòng, dự phòng công suất đỉnh và vận hành độc lập Tùy vào từng ứng dụng, việc vận hành DG có thể được mô tả tổng quát như sau:

Đầu tiên, DG được tham gia vận hành khi tải đỉnh Trong trường hợp này phụ tải của hệ thống đạt đến công suất đỉnh, hệ thống phân phối không thể thỏa mãn nhu cầu của phụ tải hoặc phải chấp nhận mua điện với giá cao Phần điện năng thiếu hụt này

sẽ do các DG đảm nhiệm Hoặc trong trường hợp cần giảm tải trên lưới truyền tải do công suất truyền tải vượt quá giới hạn của đường dây, DG cũng được vận hành để cung cấp điện đến các phụ tải bị ảnh hưởng bởi giới hạn này

Thứ hai, DG được vận hành để cung cấp điện năng với giá rẻ Công suất của phụ tải trong hệ thống thay đổi theo thời gian và phụ thuộc chủng loại, đặc tính của mỗi phụ tải Chi phí mua điện từ hệ thống truyền tải được xác định theo lượng công suất mua

từ hệ thống theo từng thời điểm Vì vậy, khi DG được kết nối vào mạng phân phối và xem như một nguồn phụ, người hoạch định công tác vận hành hệ thống có thể tận dụng giá rẻ từ một số DG nhằm giảm chi phí vận hành

Thứ ba, DG được vận hành để cung cấp điện năng khi nguồn hệ thống bị gián đoạn

Khi có gián đoạn xảy ra, các phụ tải sẽ được cắt ra khỏi hệ thống bằng các thiết bị như: máy cắt, recloser và được tái cấp điện bởi các DG Trong trường hợp này, DG cải thiện độ tin cậy cung cấp điện và làm giảm chi phí bồi thường do mất điện

Khi lưới điện phân phối có các DG, các khách hàng có thể kiểm soát giá thành điện năng và chuyển đổi nguồn điện sao cho họ có lợi nhất, Do đó, các điều độ viên phải căn cứ vào cấu trúc lưới điện, dung lượng cần truyền tải, giá điện mua từ hệ thống và

từ các DG và các yêu cầu về tác động môi trường và sinh thái để đưa ra các phương

án thay đổi cấu trúc lưới điện ở từng thời điểm sao cho chi phí vận hành bao gồm chi phí chuyển tải và tổn thất công suất là bé nhất, đồng thời đảm bảo các yêu cầu về

kỹ thuật như:

- Cấu trúc vận hành hở

- Tất cả các phụ tải đều được cung cấp điện

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

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

- Sụt áp nằm trong phạm vi cho phép

Với những yêu cầu khi đưa thị trường bán lẻ áp dụng vào lưới điện phân phối, yếu

tố huy động nguồn DG có sãn hay lắp đạt mới của khách hàng là điều cần thiết cho xã hội

- Về phía khách hàng bán điện, họ đòi hỏi làm sao bán được nhiều năng lượng nhất lên lưới với những vị trí cho phép được đấu nối lên lưới điện phân phối

- Về phía công ty điện lực, họ đòi hỏi việc đấu nối các DG phải đảm bảo việc cung cấp điện liên tục cho khách hàng mua điện và giảm tổn thất công suất trên lưới phân phối, thỏa mãn các điều kiện ràng buộc sau:

• Điện áp nút nằm trong phạm vi cho phép

• Không quá tải nhánh

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

Lưới điện phân phối của điện lực luôn có hoạt động chuyển tải do sự thay đổi của khách hàng Vì vậy khi xem xét các điều kiện trên, bài toán xác định vị trí của DG cần phải xét đến bài toán tái cấu hình lưới của lưới điện phân phối

Lợi ích kinh tế của DG trong hệ thống điện: Khi DG được sử dụng trong hệ thống điện sẽ mang lại các lợi ích: tác động đến giá điện, trì hoãn việc nâng cấp hệ thống truyền tải và phân phối, sử dụng năng lượng rác thải và nhiên liệu linh hoạt, cải thiện chất lượng điện, sự sẵn sàng trong dịch vụ, kết hợp nhiệt - điện, cung cấp điện năng với

độ tin cậy cao Sau đây là một số phân tích sơ bộ

- Tác động lên giá điện: Trong các thị trường điện tự do, người vận hành hệ thống độc lập sẽ tính tiền khách hàng bằng một giá điện dựa trên tất cả các chi phí hỗ trợ đảm bảo cho hệ thống điện hoạt động tin cậy Các chi phí đó bao gồm: chi phí phục vụ, dự trữ vận hành, tổn thất công suất, gián đoạn truyền tải, chi phí truyền tải và chi phí quản

lý Lượng này chiếm khoảng 20% giá thành điện năng Vì vậy, các công ty điện lực và các khách hàng lớn có thể xem xét đến việc sử dụng DG nhằm hỗ trợ cho hệ thống điện của họ, giảm công suất điện mua từ hệ thống truyền tải từ đó có thể giảm giá điện Việc tham gia của DG còn giúp đối phó với tình huống giá tăng đột biến trong giờ cao điểm

- Giảm đầu tư nâng cấp hệ thống: Khi xảy ra tình trạng tắc nghẽn truyền tải hoặc quá tải trên đường dây, thay vì cải tạo nâng cấp đường dây hoặc xây dựng thêm đường dây mới, việc sử dụng DG có thể làm trì hoãn, thậm chí loại bỏ vấn đề này Thông thường, tình trạng quá tải chỉ xảy ra trong một số giờ cao điểm, việc nâng cấp đường dây chỉ phục vụ cho giờ cao điểm sẽ làm cho chi phí vận hành tăng cao Các công ty điện lực hoặc các khách hàng dùng điện lớn có thể tận dụng các DG sẵn có trên hệ thống hoặc lắp đặt DG tại các vị trí cần thiết Phương pháp này có thể mang lợi lợi ích

về kinh tế rất lớn vì chi phí vận hành DG thường không cao hơn nhiều so với mua điện

từ hệ thống truyền tải, đôi khi chi phí này rất thấp (turbine gió, turbine khí), ngược lại, tiết kiệm được một lượng khá lớn vốn đầu tư đường dây

- Sử dụng năng lượng rác thải và nhiên liệu linh hoạt: Các công nghệ DG có thể sử dụng các nguồn năng lượng có tính kinh tế thấp hoặc khó khăn trong vận chuyển Chẳng hạn như dầu mỏ có phẩm chất xấu, các khí không kinh tế trong chuyên chở thường phải đốt bỏ, các năng lượng vi sinh được cung cấp từ rác thải hoặc từ nông trại, hơi đốt từ quá trình xử lý nước phế thải… các turbine khí và microturbine rất thích hợp đối với nhiên liệu loại này

Nhiệt - Điện kết hợp: Việc kết hợp nhiệt - điện mang lại hiệu suất toàn phần lên đến 90% Khi nhiệt được sản xuất ra phải dùng tại chỗ, sử dụng nhiệt - điện kết hợp là rất thích hợp Chi phí lắp đặt tăng thêm khoảng 10% nhưng bù lại chi phí nhiên liệu hầu như bằng không Tuy nhiên, công nghệ này chỉ thích hợp với các khách hàng công nghiệp có nhu cầu về nhiệt lớn

- Độ tin cậy: Độ tin cậy cung cấp điện ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí bồi thường

do cắt điện Thường chi phí bồi thường khá cao trên mỗi kW bị cắt giảm Khi xảy ra tình huống thiếu hụt công suất hoặc sự cố bất khả kháng, các công ty điện lực bắt buộc phải cắt cưỡng bức hoặc thỏa thuận công suất cắt của một số khách hàng và chi ra một khoảng tiền bồi thường thỏa đáng Khi có DG tham gia vào hệ thống, chi phí bồi thường này có thể giảm đi rất nhiều đồng thời tăng được độ tin cậy cho hệ thống

- Điện khí hóa các vùng nông thôn xa: DG là biện pháp hữu dụng đối với các khu vực nông thôn xa xôi, nơi mà việc xây dựng hoặc mở rộng mạng điện quốc gia tiêu tốn nhiều ngân sách nhưng hiệu quả sử dụng lại rất thấp Vấn đề chọn lựa giữa giải pháp dùng hệ thống điện quốc gia hoặc DG cần phải được cân nhắc kỹ lưỡng và hiện đang

là vấn đề gây nhiều tranh cãi Vấn đề này cần có một cách nhìn vĩ mô toàn cục về nền

kinh tế đất nước

2.5 Các tác động của DG lên lưới điện phân phối

Khi DG được kết nối vào lưới điện phân phối, DG được xem như một nguồn điện thứ hai Lưới điện phân phối lúc này không còn là hình tia hay vòng hở mà trở thành mạng điện kín có hai nguồn cung cấp hoặc hơn Một số tác động chính của

DG lên lưới điện phân phối bao gồm:

- Làm thay đổi phân bố công suất trên lưới điện

- Làm thay đổi dòng ngắn mạch

- Gây nên họa tần

- Cộng hưởng trong hệ thống

- Thay đổi độ lớn điện áp trên hệ thống

- Ảnh hưởng đến độ tin cậy

- Thay đổi tổn hao công suất trên phát tuyến

Chính vì các tác động nêu trên, việc kết nối và vận hành DG sẽ gặp một số trở ngại Tuy nhiên, các DG hoạt động độc lập có hiệu quả thấp do chi phí vận hành tăng cao, công suất phát điện lại không ổn định nên độ tin cậy cung cấp điện thấp Mặc khác, DG có trở kháng lớn, nên dòng ngắn mạch của nó rất nhỏ, dó đó mức độ ảnh hưởng đến lưới điện phân phối khi nó vận hành song song là rất thấp Vì vậy, các

DG thường được kết nối trực tiếp với lưới điện phân phối trung áp/ hạ áp

2.6 Một số nguồn năng lượng tái tạo thích hợp với công nghệ DG

Khác với các dạng năng lượng truyền thống không thể tái tạo được như: dầu

mỏ, khí đốt, than đá thường được dùng làm nhiên liệu cho các nhà máy điện tập trung

có công suất lớn và xa tâm phụ tải Các nguồn năng lượng tái tạo được như: năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió, năng lượng thủy triều là những dạng năng lượng có thể xem như không cạn kiệt theo thời gian và rất phù hợp với các công nghệ sản xuất điện năng mới có công suất nhỏ Các nguồn năng lượng tái tạo được này hiện hữu hầu như tất cả mọi nơi trên trái đất Việc khai thác các nguồn năng lượng này ngày càng được xúc tiến và thu được nhiều thành quả

- Năng lượng mặt trời: Năng lượng mặt trời phát ra dưới dạng sóng điện từ truyền trong chân không và bị suy giảm khi qua lớp khí quyển xung quanh trái đất Mật độ năng lượng mặt trời chiếu trên mặt đất ở các nơi khác nhau là không giống nhau, trung

cầu thì năng lượng này không lớn lắm nhưng nó rất có ý nghĩa với một số quốc gia như:

Ấn Độ, Trung Quốc và Châu Phi vì ở đó mạng lưới phân phối điện năng vẫn còn thưa thớt

- Năng lượng địa nhiệt: Năng lượng địa nhiệt là nhiệt được lấy từ trong lòng đất, nhiệt năng của trái đất là khoảng 64 tỉ kWh Từ lâu người ta đã biết khoan sâu trong lòng đất 1 km thì nhiệt độ tăng thêm 30oC Giá trị này tùy thuộc vào từng nơi Ví

dụ ở đồng bằng sông Hồng có lỗ khoan 3 km không phải là 90oC mà là 150oC Trên thế giới có những nơi với lỗ khoan như vậy đã tìm thấy nhiệt độ từ 200 đến 1000oC

Từ năm 1904 ở Larderelo (Italia) đã xây dựng thành công nhà máy địa nhiệt có công suất 365 MW Tại Mỹ vào năm 1960 người ta xây dựng hai nhà máy có công suất 12,5

MW Năm 1980 tại Sanfrancixco đã xây dựng thành công nhà máy địa nhiệt có công

suất 1180 MW cung cấp cho toàn thành phố

Sự khác nhau giữa nhà máy địa nhiệt so với các nhà máy điện khác là loại này chỉ lấy hơi từ lòng đất để sản xuất điện năng nên qui mô nhà máy rất gọn nhẹ, đơn giản, không cần kho dự trữ nhiệt liệu nên an toàn và giảm diện tích Mặc dù hiệu suất không cao nhưng chi phí xây dựng, lắp đặt thấp nên giá thành điện năng tương đối rẻ Một dạng năng lượng địa nhiệt khác đó là bồn nhiệt nước nóng, do nước sôi ở

áp suất cao ở độ sâu lớn nên nhiệt độ có thể đạt đến 180 đến 370oC và năng lượng tồn tại dưới dạng nước nóng Hiện nay ở NewZeland người ta đã sử dụng năng lượng này

để xây dựng nhà máy điện có công suất 75 MW

- Năng lượng gió: Năng lượng gió là năng lượng cơ học trong tự nhiên, sáng kiến về cối xay gió là một trong những sáng kiến quan trọng trong lịch sử sử dụng năng lượng gió của con người Ngày nay người ta sử dụng năng lượng gió để bơm nước và sản xuất điện năng đặc biệt ở những vùng xa xôi Theo tính toán, tổng số năng lượng gió trên toàn thế giới là 350 triệu MWh nhưng do không ổn định và phân tán nên chỉ

có thể sử dụng được một phần rất nhỏ Tính đến năm 2002, công suất máy phát điện bằng sức gió của toàn thế giới đã vượt quá 30 GW, sản lượng điện năng trong một năm

là 4,7 triệu MWh

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

Tái cấu trúc lưới điện phân phối là quá trình thay đổi các phương thức liên kết mạng lưới phân phối bằng cách thay đổi trạng thái đóng / mở của các khóa điện trong khi tôn trọng ràng buộc hệ thống để đáp ứng các mục tiêu đề ra

Đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu về vấn đề “Tái cấu hình lưới điện” Năm 1975, Merlin và Back đã đưa ra vấn đề tái cấu trúc lần đầu tiên và đề xuất giải quyết bài toán thông qua kỹ thuật heuristic rời rạc nhánh-biên Civanlar et al đề xuất một phương pháp trao đổi nhánh để ước tính giảm tổn thất Vì phương pháp này dựa trên kỹ thuật chẩn đoán, rất khó để có một cách có hệ thống để đánh giá một giải pháp tối ưu Trong những năm gần đây, phương pháp meta-heuristic, mới đã được đề xuất để giải quyết vấn đề tối

ưu hóa để có được một giải pháp tối ưu toàn cục một phương pháp dựa trên một thuật toán di truyền cải tiến được phát triển cho bài toán tái cấu hình để giảm thiểu tổn thất điện năng và độ tin cậy hệ thống

Tái cấu trúc hệ thống lưới điện phân phối là bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc,

có nhiều biến số tác động đến các trạng thái khóa điện và điều kiện vận hành như: Lưới điện phân phối phải vận hành hở, không quá tải máy biến áp, đường dây, thiết bị đóng cắt Rất khó để giải bài toán tái cấu trúc bằng phương pháp giải tích toán học truyền thống Các phương pháp tìm kiếm sử dụng trong bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối cân bằng tải thường là: quy tắc Hueristics, hệ chuyên gia

Các bài toán vận hành lưới điện phân phối chủ yếu giải quyết các vấn đề: giảm tổn thất công suất của lưới điện, cải thiện thời gian tái lập, cải thiện các hệ số tin cậy của hệ thống, cải thiện khả năng tải của hệ thống, cải thiện tình trạng không cân bằng tải… Với những mục tiêu cơ bản đó thì một số bài toán tái cấu trúc được đặt như sau:

sẽ chỉ ra một cấu trúc lưới điện có tổn thất là nhỏ nhất đối với một điểm phụ tải nhất định (chỉ xét ở một thời điểm)

cơ bản nêu trên, nhưng xét cho một khoảng thời gian Kết quả sẽ chỉ ra một cấu trúc lưới điện có tổn thất năng lượng là nhỏ nhất trong khoảng thời gian xem xét

o Bài toán thứ ba: Cân bằng tải máy biến áp và đường dây, kết quả sẽ chỉ ra một cấu trúc lưới điện, trong đó tải được phân phối đều theo khả năng của máy biến áp

và đường dây Cấu trúc lưới điện này đáp ứng chủ yếu về mặt kỹ thuật, độ tin cậy cung cấp điện Đảm bảo khả năng dự trữ của mỗi máy biến áp và đường dây gần như nhau, ít xảy ra quá tải khi thay đổi

hợp sự cố ngắn mạch hay quá tải phải cắt điện một hay nhiều đoạn đường dây Kết quả

sẽ chỉ ra một cấu trúc lưới điện cô lập phần bị sự cố, cấp điện trở lại cho phụ tải bị ảnh hưởng với các ràng buộc dòng, áp nằm trong phạm vị cho phép và đảm bảo số phụ tải mất điện là ít nhất

Tái cấu trúc lưới điện phân phối có máy phát điện cũng chính là bài toán phân bố công suất trong lưới điện, bài toán nhằm mục đích giải quyết các yêu cầu đặt ra là chọn chọn dây dẫn, thiết bị phân phối điện, kiểm tra sụt áp trong điều kiện làm việc bình thường và sự cố, tính toán tổn thất công suất để đánh giá chỉ tiêu kinh tế của phương án được đề xuất xem xét… và trên cơ sở đó chọn được phương án cấp điện hợp lý về kinh

tế, kỹ thuật

Trong đề tài này trình bày một thuật toán mới, áp dụng giải thuật PSO trên lưới điện phân phối để giải quyết vấn đề nêu trên

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT

3.1 Giới thiệu

Lưới điện phân phối truyền tải điện từ các trạm biến áp trung gian đến khách hàng

sử dụng điện Lưới điện phân phối thường có cấu trúc mạch vòng nhưng được vận hành hình tia do những ưu điểm liên quan đến thiết bị bảo vệ, dễ dàng vận hành Khi các nguồn phát phát triển, việc kết nối các nguồn phân tán với lưới điện phân phối có nhiều

ưu điểm Một trong những ưu điểm lớn khi đặt máy phát phân tán trên lưới điện phân phối là giảm tổn thất công suất do bởi khả năng đáp ứng nhu cầu phụ tải tại chỗ và các vùng lân cận

Như vậy, rõ ràng với sự xuất hiện của các nguồn phân tán trên lưới điện phân phối, cùng với các khóa điện tồn tại trên lưới điện phân phối làm xuất hiện bài toán cần giải quyết là tối ưu vị trí, công suất các nguồn phân tán và thay đổi cấu trúc lưới điện thông qua thao tác chuyển khóa điện sẵn có trên lưới để nâng cao hiệu quả của lưới điện phân phối Để giải quyết bài toán này, một số nghiên cứu đã sử dụng các kỹ thuật khác nhau

để giải quyết và có thể được tóm tắt một số phương pháp chung như sau:

phân phối hình tia ban đầu bằng các thuật toán tối ưu Sau đó sử dụng các thuật toán tối

ưu để xác định cấu trúc lưới có tổn thất công suất bé nhất

đó, Xác định vị trí và công suất của các nguồn phân tán tối ưu trên lưới điện phân phối

có cấu trúc hình tia tối ưu

điện áp, độ nhạy điện áp các nút Sau đó sử dụng các thuật toán tối ưu để xác định dung lượng, kết hợp với bài toán tái cấu trúc lưới

nguồn phân tán và xác định cấu trúc vận hành hình tia tối ưu

Trong bốn kỹ thuật được sử dụng, phương pháp (1) và (2) có ưu điểm là dễ dàng thực hiện, thời gian tính toán nhanh Nhưng kết quả thu được thường không phải là hệ

thống phân phối có tổn thất công suất bé nhất do sự độc lập của hai lần tính toán Phương pháp (3), đã hạn chế được nhược điểm của phương pháp (1) và (2) Tuy nhiên, các chỉ

số ban đầu của lưới phân phối để lựa chọn vị trí của nguồn phân tán lại thường bị thay đổi khi cấu trúc lưới thay đổi dẫn đến giải pháp thu được sau cùng cũng có thể không phải là tối ưu nhất Phương pháp (4) đã giải quyết được những hạn chế của các phương pháp trên Nhưng rõ ràng, bài toán sẽ trở nên phức tạp hơn do bởi sự khác nhau về bản chất của các biến trong véc tơ biến điều khiển của các thuật toán tối ưu và ít nhiều ảnh hưởng đến các cơ chế tạo ra các véc tơ biến mới trong quá trình tối ưu Mặt khác, thời gian tính toán trên thuật toán sẽ lâu hơn do số biến cần tối ưu lớn bao gồm vị trí nguồn phân tán, công suất nguồn phân tán và các khóa điện cần thay đổi trong hệ thống

Có thể thấy rằng lưới điện kín có dòng phân bố công suất tối ưu nơi mà tổn thất công suất trên lưới điện phân phối là nhỏ nhất Ngoài ra, việc thay đổi cấu trúc vận hành lưới điện phân phối cũng thường được thay đổi tùy theo sự phát triển của phụ tải và thường được thay đổi tương đối dễ dàng thông qua thao tác đóng mở Tuy nhiên đối với các nguồn phân tán, việc tối ưu nguồn phân tán đặc biệt là vị trí lại tương đối khó khăn

và khó thay đổi theo thời gian Vì vậy, xác định vị trí và công suất nguồn phát sao cho

ít bị ảnh hưởng bởi cấu trúc lưới hình tia là điều đặc biệt quan trọng và chưa được quan tâm giải quyết

Để giải bài toán tái cấu trúc lưới điện có lựa chọn vị trí và dụng lượng của các DG thì cần giải quyết 2 bài toán: tính phân công suất và bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối khi có DG Trong các nghiên cứu [8-12], [13-15] tác giả sử dụng phương pháp CSA, RRA, HAS, GA… để giải lựa chọn vị trí và công suất nhưng phương pháp này giải cho kết quả toàn cục nhưng có thời gian hội tụ chậm nên khó áp dụng Còn trong phương pháp GA với ưu điểm độ hội tụ nhanh nhưng cho kết quả rơi vào cực trị địa phương Bài toán tái cấu hình trong lưới điện phân phối thường được gắn với sự phát triển của thị trường điện với lý do kỹ thuật cũng như kinh tế Lưới điện phân phối tham gia vào trong thị trường điện cần phải vận hành một cách tối ưu như giảm thiểu tổn hao,

ổn định điện áp, cân bằng công suất trên các nhánh… Bài toán tái cấu hình lưới điện phân phối được phát triển do đầu tư về chi phí là thấp hơn so với các phương pháp khác

vì khi vận hành lưới điện phân phối thì tận dụng cấu trúc mạch vòng nhưng vận hành