Tổng quan nghiên cứu

Chất lượng điện năng (CLĐN) là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả vận hành và tuổi thọ của các thiết bị điện trong hệ thống điện. Tại Việt Nam, với sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị điện tử công suất và nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng, vấn đề CLĐN trên lưới phân phối trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Theo ước tính, trên 90% các sự cố sụt giảm điện áp ngắn hạn (SANH) trên lưới phân phối do ngắn mạch gây ra, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động của các phụ tải nhạy cảm, đặc biệt trong các khu công nghiệp. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình và giải bài toán tối ưu vị trí và công suất của thiết bị phục hồi điện áp động (DVR) nhằm cải thiện tổng thể hiện tượng SANH trên lưới phân phối điện. Nghiên cứu tập trung vào lưới phân phối mẫu 33 nút của IEEE, có xét đến đặc thù của lưới điện Việt Nam, trong khoảng thời gian và điều kiện vận hành thực tế. Việc nâng cao CLĐN không chỉ giúp giảm thiểu tổn thất điện năng mà còn tăng độ tin cậy cung cấp điện, giảm thiểu khiếu nại của khách hàng và nâng cao uy tín của các công ty điện lực. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc phát triển hạ tầng lưới điện thông minh và tối ưu hóa vận hành hệ thống phân phối điện tại Việt Nam.

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 (CLĐN): Được định nghĩa theo tiêu chuẩn IEEE 1159-1995, bao gồm các hiện tượng biến thiên điện áp, dòng điện và tần số gây ảnh hưởng đến thiết bị điện. Trong đó, biến thiên điện áp ngắn hạn và biến dạng sóng hài là hai hiện tượng chính được nghiên cứu.
  • Sụt giảm điện áp ngắn hạn (SANH): Là hiện tượng giảm điện áp hiệu dụng trong khoảng thời gian từ 0,5 đến 30 chu kỳ, chủ yếu do ngắn mạch hoặc khởi động động cơ lớn gây ra.
  • Thiết bị phục hồi điện áp động (DVR): Thiết bị điều hòa công suất nối tiếp, sử dụng bộ nghịch lưu nguồn áp (VSI) và bộ tích trữ năng lượng một chiều để bù điện áp tức thời, giúp ổn định điện áp tại điểm kết nối phụ tải nhạy cảm.
  • Tối ưu hóa đa mục tiêu (MOO): Phương pháp tối ưu đồng thời nhiều hàm mục tiêu, trong đó có chi phí đầu tư và hiệu quả cải thiện CLĐN, được giải quyết bằng thuật toán di truyền đa mục tiêu (GA).
  • Thuật toán di truyền (GA): Thuật toán tìm kiếm heuristic dựa trên nguyên lý chọn lọc tự nhiên, lai ghép và đột biến, được sử dụng để giải bài toán tối ưu vị trí và công suất DVR.

Các khái niệm chính bao gồm: SARFIx (tần suất dao động điện áp trung bình hệ thống), hàm mục tiêu chi phí đầu tư CDS, mô hình toán DVR theo nguyên tắc xếp chồng Thevenin, và các phương pháp bù điện áp như bù theo điện áp trước sự cố, bù đồng pha.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ mô hình lưới phân phối mẫu 33 nút của IEEE, được điều chỉnh phù hợp với đặc điểm lưới điện Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Mô hình hóa thiết bị DVR: Xây dựng mô hình toán học mô phỏng hoạt động của DVR trong điều kiện ngắn mạch, sử dụng mô hình nguồn dòng Norton tương đương để tính toán điện áp và dòng điện bù.
  • Tính toán ngắn mạch: Sử dụng Matlab để mô phỏng các sự cố ngắn mạch 3 pha trên lưới phân phối, xác định các chỉ số SANH và SARFIx cho từng kịch bản.
  • Tối ưu hóa đa mục tiêu: Áp dụng thuật toán di truyền đa mục tiêu (GA) để tìm vị trí và công suất tối ưu của DVR, nhằm giảm thiểu chi phí đầu tư và tần suất sụt giảm điện áp ngắn hạn.
  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong năm 2022, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, mô phỏng, tối ưu hóa và phân tích kết quả.

Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ các vị trí có thể xảy ra sự cố trên lưới phân phối mẫu, với giả định phân bố xác suất sự cố đồng đều. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng toàn bộ các vị trí ngắn mạch 3 pha. Phương pháp phân tích chính là mô phỏng trên Matlab kết hợp thuật toán GA đa mục tiêu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của DVR trong cải thiện SANH: Khi không sử dụng DVR, chỉ số SARFI50 (tần suất sụt giảm điện áp dưới 50%) là 13,73. Sau khi đặt một DVR với công suất tối đa 0,0101 pu tại nhánh 27, SARFI50 giảm xuống còn 13,6, cho thấy sự cải thiện rõ rệt về chất lượng điện áp trên toàn hệ thống.
  2. Vị trí đặt DVR ảnh hưởng lớn đến hiệu quả: Kết quả tối ưu cho thấy vị trí đặt DVR tại nhánh 27 là tối ưu nhất trong việc giảm tần suất sụt áp ngắn hạn, so với các vị trí khác trong lưới 33 nút.
  3. Đường cong Pareto đa mục tiêu: Đường cong Pareto được xây dựng cho các mức ngưỡng sụt áp 50%, 70%, 80% và 90%, cho phép lựa chọn các giải pháp cân bằng giữa chi phí đầu tư và hiệu quả cải thiện CLĐN. Ví dụ, với mức sụt áp 50%, tập nghiệm tối ưu gồm 130 nghiệm Pareto, cung cấp nhiều lựa chọn cho nhà quản lý lưới điện.
  4. Thuật toán di truyền đa mục tiêu hiệu quả: Thuật toán GA hội tụ sau khoảng 102 thế hệ với kích thước quần thể 200, cho thấy khả năng tìm kiếm nghiệm tối ưu đa dạng và hiệu quả trong không gian giải pháp phức tạp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện CLĐN là khả năng bù điện áp tức thời và chính xác của DVR, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của các sự cố ngắn mạch đến điện áp tại các nút tải nhạy cảm. Việc lựa chọn vị trí đặt DVR tối ưu dựa trên mô hình toán học và thuật toán GA giúp giảm chi phí đầu tư không cần thiết, đồng thời nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện. So với các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào bảo vệ phụ tải riêng lẻ, nghiên cứu này mở rộng phạm vi bảo vệ tổng thể cho toàn hệ thống phân phối. Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong Pareto và bảng so sánh SARFIx giữa các kịch bản đặt DVR khác nhau, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp. Ngoài ra, việc sử dụng mô hình lưới phân phối 33 nút của IEEE có xét đến đặc thù Việt Nam giúp tăng tính ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai lắp đặt DVR tại các vị trí tối ưu: Các công ty điện lực nên ưu tiên lắp đặt thiết bị DVR tại các nhánh có tần suất sự cố cao và ảnh hưởng lớn đến phụ tải nhạy cảm, như nhánh 27 trong nghiên cứu, nhằm giảm thiểu SANH tổng thể. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 1-2 năm.
  2. Áp dụng thuật toán tối ưu đa mục tiêu trong quy hoạch lưới: Sử dụng các công cụ tối ưu hóa như thuật toán di truyền đa mục tiêu để xác định vị trí và công suất thiết bị CPD phù hợp, cân bằng giữa chi phí đầu tư và hiệu quả vận hành. Chủ thể thực hiện là các đơn vị nghiên cứu và quản lý lưới điện.
  3. Nâng cao năng lực vận hành và bảo trì thiết bị DVR: Đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì thiết bị DVR để đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định, phát huy tối đa hiệu quả bù điện áp. Thời gian đào tạo nên được tổ chức định kỳ hàng năm.
  4. Mở rộng nghiên cứu và ứng dụng đa thiết bị CPD: Khuyến khích nghiên cứu phát triển mô hình sử dụng đồng thời nhiều thiết bị DVR hoặc các thiết bị CPD khác như D-Statcom để nâng cao chất lượng điện năng toàn diện trên lưới phân phối. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trường đại học, với lộ trình 3-5 năm.
  5. Xây dựng chính sách hỗ trợ đầu tư thiết bị CPD: Các cơ quan quản lý nhà nước cần xây dựng chính sách ưu đãi, hỗ trợ tài chính cho các công ty điện lực đầu tư thiết bị CPD nhằm nâng cao chất lượng điện năng, góp phần phát triển thị trường điện lực bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các công ty điện lực và quản lý lưới phân phối: Nhóm này sẽ nhận được kiến thức về giải pháp kỹ thuật và phương pháp tối ưu hóa vị trí, công suất thiết bị DVR để nâng cao chất lượng điện năng, từ đó cải thiện dịch vụ cung cấp điện và giảm thiểu khiếu nại khách hàng.
  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, mô hình toán và phương pháp giải thuật hiện đại, giúp phát triển nghiên cứu sâu hơn về thiết bị CPD và tối ưu hóa lưới điện phân phối.
  3. Nhà sản xuất và cung cấp thiết bị điện tử công suất: Thông tin về cấu trúc, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của DVR giúp các nhà sản xuất cải tiến sản phẩm phù hợp với yêu cầu thực tế của lưới điện Việt Nam.
  4. Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách: Luận văn cung cấp dữ liệu và phân tích về hiệu quả đầu tư thiết bị CPD, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển hạ tầng điện lực và nâng cao chất lượng điện năng quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

  1. DVR là gì và tại sao lại quan trọng trong lưới phân phối?
    DVR (Dynamic Voltage Restorer) là thiết bị phục hồi điện áp động giúp bù điện áp tức thời khi xảy ra sụt giảm điện áp ngắn hạn. Nó quan trọng vì giúp bảo vệ các phụ tải nhạy cảm, giảm thiểu gián đoạn và thiệt hại thiết bị, nâng cao chất lượng điện năng trên lưới phân phối.

  2. Phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu được áp dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Nghiên cứu sử dụng thuật toán di truyền đa mục tiêu (GA) để đồng thời tối ưu chi phí đầu tư và giảm tần suất sụt áp (SARFIx). Phương pháp này giúp tìm ra các giải pháp cân bằng giữa hiệu quả kỹ thuật và chi phí kinh tế.

  3. Tại sao vị trí đặt DVR lại ảnh hưởng lớn đến hiệu quả cải thiện CLĐN?
    Vị trí đặt DVR quyết định phạm vi và mức độ bù điện áp cho các nút tải nhạy cảm. Đặt đúng vị trí giúp tối ưu hóa công suất thiết bị, giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu quả cải thiện SANH trên toàn hệ thống.

  4. SARFIx là gì và vai trò của nó trong đánh giá chất lượng điện năng?
    SARFIx là chỉ số tần suất dao động điện áp trung bình hệ thống vượt ngưỡng x%, dùng để đánh giá mức độ sụt giảm điện áp ngắn hạn ảnh hưởng đến phụ tải. Đây là thước đo quan trọng để đánh giá hiệu quả các giải pháp cải thiện CLĐN.

  5. Nghiên cứu có thể áp dụng cho các loại sự cố ngắn mạch khác ngoài 3 pha không?
    Mô hình và phương pháp nghiên cứu có thể mở rộng để xem xét các loại ngắn mạch khác như 1 pha, 2 pha hoặc pha đất. Tuy nhiên, nghiên cứu hiện tại tập trung vào ngắn mạch 3 pha để đơn giản hóa và làm rõ hiệu quả giải pháp.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình toán học và phương pháp tối ưu đa mục tiêu để lựa chọn vị trí và công suất thiết bị DVR nhằm cải thiện tổng thể sụt giảm điện áp ngắn hạn trên lưới phân phối.
  • Kết quả mô phỏng trên lưới phân phối mẫu 33 nút của IEEE cho thấy việc đặt DVR tại vị trí tối ưu giúp giảm đáng kể tần suất sụt áp, nâng cao chất lượng điện năng.
  • Thuật toán di truyền đa mục tiêu được chứng minh là công cụ hiệu quả trong việc giải quyết bài toán tối ưu phức tạp với nhiều mục tiêu khác nhau.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển ứng dụng thiết bị CPD trong lưới phân phối Việt Nam, góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành hệ thống điện.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng mô hình cho nhiều loại sự cố, phát triển giải pháp đa thiết bị và ứng dụng trong thực tế, đồng thời đề xuất chính sách hỗ trợ đầu tư thiết bị CPD.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị quản lý lưới điện và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai thử nghiệm và áp dụng giải pháp DVR tối ưu để nâng cao chất lượng điện năng, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng để đáp ứng yêu cầu phát triển lưới điện thông minh trong tương lai.