Tổng quan nghiên cứu

Chất lượng điện năng (CLĐN) ngày càng trở thành vấn đề trọng yếu trong ngành điện, đặc biệt khi Việt Nam đang trong giai đoạn phát triển kinh tế mạnh mẽ với mức tiêu thụ điện năng tăng gấp ba lần trong vòng mười năm qua. Sự mở rộng và nâng cấp lưới điện dẫn đến các sự cố thường xuyên và ảnh hưởng tiêu cực đến CLĐN, đặc biệt là hiện tượng sụt áp ngắn hạn (SANH) trên lưới phân phối. SANH, được định nghĩa là sự giảm điện áp hiệu dụng từ 10% đến 90% trong khoảng thời gian từ 0,02 giây đến một phút, gây ra nhiều tác động nghiêm trọng đến thiết bị điện tử công suất và dây chuyền sản xuất công nghiệp nhạy cảm với điện áp.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là đề xuất và phát triển một mô hình tối ưu hóa đa mục tiêu nhằm xác định vị trí và công suất tối ưu của thiết bị bù đồng bộ tĩnh D-STATCOM để giảm thiểu tổng thể SANH trên lưới phân phối. Nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng giải thuật di truyền (GA) để giải quyết bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu, trong đó hàm mục tiêu bao gồm chi phí đầu tư và chỉ số tần suất dao động điện áp trung bình hệ thống (SARFIx) đại diện cho mức độ SANH.

Phạm vi nghiên cứu áp dụng cho hệ thống lưới điện phân phối trung áp, sử dụng các mô hình lưới điện chuẩn IEEE 33 và 69 nút làm hệ thống thử nghiệm. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp tối ưu giúp các công ty điện lực có thể đầu tư hiệu quả, nâng cao chất lượng điện áp, giảm thiểu thiệt hại kinh tế do SANH gây ra và đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe về CLĐN từ khách hàng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Chất lượng điện năng và sụt áp ngắn hạn (SANH): SANH được định nghĩa theo tiêu chuẩn IEC là sự giảm điện áp hiệu dụng từ 10% đến 90% trong khoảng thời gian từ 0,02 giây đến một phút. Nguyên nhân chủ yếu là do sự cố ngắn mạch trên lưới điện phân phối, ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của các thiết bị điện tử công suất và dây chuyền sản xuất công nghiệp.

  • Thiết bị D-STATCOM (Dynamic Static Synchronous Compensator): Là thiết bị bù đồng bộ tĩnh thuộc nhóm D-FACTS, sử dụng bộ chuyển đổi nguồn điện áp (VSC) để cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng, từ đó điều chỉnh điện áp tại các nút lưới phân phối. Mô hình trạng thái ổn định của D-STATCOM được xây dựng dựa trên định lý xếp chồng Thevenin, cho phép tính toán sự cải thiện điện áp do dòng điện bơm vào từ thiết bị.

  • Tối ưu hóa đa mục tiêu (MOO): Phương pháp tối ưu hóa đồng thời hai hàm mục tiêu không cùng đơn vị: chi phí đầu tư thiết bị D-STATCOM và chỉ số SARFIx đại diện cho tần suất dao động điện áp trung bình hệ thống. MOO giúp cân bằng giữa chi phí và hiệu quả cải thiện CLĐN.

  • Giải thuật di truyền (GA): Thuật toán tiến hóa dựa trên nguyên lý chọn lọc tự nhiên và di truyền sinh học, sử dụng các toán tử chọn lọc, lai ghép và đột biến để tìm kiếm tập nghiệm tối ưu Pareto cho bài toán MOO. GA được lựa chọn do khả năng xử lý bài toán phi tuyến, đa mục tiêu và dễ lập trình.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng mô hình lưới điện phân phối chuẩn IEEE 33 nút và 69 nút, giả định công suất cơ bản 100 MVA, điện áp 11 kV, điện kháng 0,1 pu. Xác suất xảy ra sự cố ngắn mạch phân bổ đều cho tất cả các nút, chỉ xét ngắn mạch ba pha.

  • Phương pháp phân tích: Tính toán ngắn mạch dựa trên ma trận tổng trở nút (Zbus) để xác định điện áp sụt giảm tại các nút khi xảy ra sự cố. Mô hình D-STATCOM được áp dụng để tính toán dòng điện bơm vào và cải thiện điện áp theo định lý xếp chồng Thevenin. Chỉ số SARFIx được sử dụng để đánh giá mức độ SANH.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu bao gồm xây dựng mô hình toán học, phát triển thuật toán GA trên nền tảng Matlab, thực hiện các mô phỏng với các kịch bản khác nhau về vị trí và công suất D-STATCOM, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp tối ưu.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Lưới điện mẫu gồm 33 và 69 nút, đại diện cho các hệ thống phân phối điển hình. Các vị trí đặt D-STATCOM được xem xét toàn bộ các nút trong lưới để tìm vị trí tối ưu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả giảm thiểu SANH với D-STATCOM: Khi không sử dụng D-STATCOM, chỉ số SARFI50 (tần suất sụt áp dưới 50%) là 13,73. Sau khi lắp đặt một D-STATCOM tại nút 12 với dòng điện tối đa IDSmax = 0,1322 pu, SARFI50 giảm xuống còn 5,73, tương đương giảm hơn 58%. Dòng điện thực tế bơm vào từ D-STATCOM chỉ là 0,0735 pu, nhỏ hơn giới hạn IDSmax, cho thấy hiệu quả sử dụng thiết bị.

  2. Ảnh hưởng vị trí đặt D-STATCOM: Kết quả phân tích cho thấy vị trí đặt D-STATCOM ảnh hưởng lớn đến hiệu quả cải thiện SANH. Vị trí nút 12 được xác định là tối ưu nhất trong lưới 33 nút với IDSmax = 0,1322 pu, mang lại giá trị SARFI50 thấp nhất. Các nút lân cận cũng được cải thiện điện áp đáng kể, giảm số lần sụt áp.

  3. Đường cong Pareto đa mục tiêu: Tập nghiệm tối ưu Pareto gồm 70 nghiệm được tìm thấy sau 102 thế hệ chạy GA. Đường cong Pareto cho thấy xu hướng ưu tiên các nghiệm với IDSmax thấp (dưới 0,1 pu) để giảm chi phí đầu tư, trong khi vẫn đạt được mức cải thiện SARFIx đáng kể. Các mức ngưỡng điện áp sụt giảm khác (70%, 80%, 90%) cũng được phân tích và cho kết quả tương tự.

  4. Khả năng mở rộng mô hình: Phương pháp có thể áp dụng cho lưới điện lớn hơn như lưới 69 nút, đồng thời có thể mở rộng để tối ưu hóa vị trí và công suất của nhiều thiết bị D-STATCOM hoặc các thiết bị D-FACTS khác.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng D-STATCOM là giải pháp hiệu quả để cải thiện tổng thể chất lượng điện áp trên lưới phân phối, đặc biệt trong việc giảm thiểu hiện tượng SANH do ngắn mạch gây ra. Việc áp dụng mô hình toán học dựa trên định lý xếp chồng Thevenin giúp mô phỏng chính xác tác động của thiết bị lên điện áp nút. Chỉ số SARFIx là công cụ đánh giá phù hợp để đo lường tần suất dao động điện áp, phản ánh trực tiếp mức độ SANH.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, việc sử dụng GA trong tối ưu hóa đa mục tiêu cho phép tìm kiếm tập nghiệm tối ưu Pareto, giúp cân bằng giữa chi phí đầu tư và hiệu quả cải thiện CLĐN. Kết quả mô phỏng trên lưới 33 nút và 69 nút IEEE cho thấy tính khả thi và hiệu quả của phương pháp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường cong Pareto, biểu đồ cột thể hiện số lần sụt áp tại các nút trước và sau khi lắp đặt D-STATCOM, cũng như bảng tổng hợp các nghiệm tối ưu với vị trí và công suất tương ứng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai lắp đặt D-STATCOM tại vị trí tối ưu: Các công ty điện lực nên ưu tiên lắp đặt D-STATCOM tại các nút được xác định tối ưu như nút 12 trong lưới 33 nút để đạt hiệu quả giảm SANH cao nhất với chi phí hợp lý. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm tùy quy mô đầu tư.

  2. Sử dụng giải thuật di truyền trong quy hoạch đầu tư: Áp dụng GA để tối ưu hóa đa mục tiêu trong việc xác định vị trí và công suất thiết bị bù giúp cân bằng chi phí và hiệu quả, hỗ trợ ra quyết định đầu tư chính xác. Chủ thể thực hiện là các phòng kỹ thuật và nghiên cứu phát triển của công ty điện lực.

  3. Mở rộng nghiên cứu cho nhiều thiết bị và loại sự cố: Nghiên cứu tiếp tục phát triển mô hình tối ưu hóa cho nhiều D-STATCOM hoặc các thiết bị D-FACTS khác, đồng thời xem xét các loại ngắn mạch khác ngoài ngắn mạch ba pha để nâng cao tính thực tiễn. Thời gian nghiên cứu 2-3 năm.

  4. Tăng cường đào tạo và nâng cao nhận thức về CLĐN: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về CLĐN, SANH và ứng dụng thiết bị D-STATCOM cho kỹ sư vận hành và quản lý lưới điện nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì. Chủ thể là các trường đại học, viện nghiên cứu và công ty điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các công ty điện lực và nhà quản lý lưới điện: Giúp hoạch định chiến lược đầu tư thiết bị cải thiện CLĐN, tối ưu hóa chi phí và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

  2. Kỹ sư và chuyên gia vận hành hệ thống điện: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa D-STATCOM, tính toán ngắn mạch và ứng dụng giải thuật di truyền trong tối ưu hóa hệ thống.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Là tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết CLĐN, hiện tượng SANH, thiết bị D-FACTS và phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu.

  4. Các nhà sản xuất và cung cấp thiết bị điện tử công suất: Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và hiệu quả ứng dụng của D-STATCOM trong thực tế, từ đó phát triển sản phẩm phù hợp với nhu cầu thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. D-STATCOM là gì và vai trò của nó trong cải thiện chất lượng điện năng?
    D-STATCOM là thiết bị bù đồng bộ tĩnh sử dụng bộ chuyển đổi nguồn điện áp để cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng, giúp điều chỉnh điện áp tại các nút lưới phân phối. Nó cải thiện chất lượng điện áp, giảm thiểu hiện tượng sụt áp ngắn hạn, từ đó bảo vệ thiết bị và dây chuyền sản xuất.

  2. Tại sao phải tối ưu hóa vị trí và công suất của D-STATCOM?
    Vị trí và công suất của D-STATCOM ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả cải thiện điện áp và chi phí đầu tư. Tối ưu hóa giúp xác định phương án đầu tư hiệu quả nhất, cân bằng giữa chi phí và lợi ích, tránh lãng phí tài nguyên.

  3. Giải thuật di truyền (GA) được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    GA được áp dụng để giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu, tìm kiếm tập nghiệm tối ưu Pareto cho vị trí và công suất D-STATCOM. GA sử dụng các toán tử chọn lọc, lai ghép và đột biến để tiến hóa quần thể giải pháp qua các thế hệ, đạt hiệu quả cao trong bài toán phi tuyến và đa mục tiêu.

  4. Chỉ số SARFIx có ý nghĩa gì trong đánh giá SANH?
    SARFIx là tần suất dao động điện áp trung bình hệ thống vượt ngưỡng x% trong khoảng thời gian đánh giá, phản ánh mức độ thường xuyên xảy ra sụt áp ngắn hạn. Đây là chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu quả của các giải pháp cải thiện CLĐN.

  5. Phương pháp này có thể áp dụng cho các hệ thống lưới điện khác không?
    Có, phương pháp mô hình hóa và tối ưu hóa có thể mở rộng cho các hệ thống lưới điện phân phối khác với quy mô và cấu trúc khác nhau, cũng như cho nhiều thiết bị D-STATCOM hoặc D-FACTS khác, giúp nâng cao tính ứng dụng thực tiễn.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học và phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu sử dụng giải thuật di truyền để xác định vị trí và công suất tối ưu của D-STATCOM nhằm giảm thiểu tổng thể sụt áp ngắn hạn trên lưới phân phối.
  • Kết quả mô phỏng trên lưới 33 nút IEEE cho thấy việc lắp đặt D-STATCOM tại vị trí tối ưu có thể giảm chỉ số SARFI50 hơn 58%, đồng thời tiết kiệm chi phí đầu tư nhờ lựa chọn công suất phù hợp.
  • Phương pháp sử dụng định lý xếp chồng Thevenin để mô hình hóa tác động của D-STATCOM giúp tính toán chính xác sự cải thiện điện áp tại các nút lưới.
  • Giải thuật di truyền là công cụ hiệu quả trong giải quyết bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu phi tuyến, cung cấp tập nghiệm tối ưu Pareto đa dạng cho việc ra quyết định.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển cho việc tối ưu hóa nhiều thiết bị D-STATCOM và các thiết bị D-FACTS khác, đồng thời có thể tích hợp thêm các mục tiêu và ràng buộc mới trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Các công ty điện lực và nhà nghiên cứu nên áp dụng phương pháp này để thiết kế và triển khai các giải pháp cải thiện chất lượng điện năng, đồng thời tiếp tục phát triển nghiên cứu mở rộng cho các hệ thống phức tạp hơn.