Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nền kinh tế Việt Nam phát triển nhanh chóng, nhu cầu sử dụng điện năng tăng cao đã đặt ra thách thức lớn trong việc đảm bảo chất lượng điện năng, đặc biệt là trong mạng lưới phân phối. Theo ước tính, tổng công suất đặt của các phụ tải trên tuyến đường dây phân phối DZ 473 E11 tại quận Hải Châu, Đà Nẵng, đạt khoảng 16.110 kVA với chiều dài nhánh chính 7 km. Việc duy trì điện áp ổn định và kiểm soát công suất phản kháng hiệu quả là yếu tố then chốt để giảm tổn thất điện năng, nâng cao hệ số công suất và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Luận văn tập trung nghiên cứu phối hợp điều khiển điện áp và công suất phản kháng trong mạng phân phối, đặc biệt khi có sự thâm nhập của máy phát phân bố (Distributed Generation - DG) như tuabin gió không đồng bộ lồng sóc (SCIG). Mục tiêu chính là phát triển và áp dụng phương pháp quy hoạch động mờ (Fuzzy Dynamic Programming - FDP) để tối ưu vị trí các đầu phân áp của bộ điều áp dưới tải (OLTC) và trạng thái đóng/ngắt của các tụ bù trong ngày tiếp theo dựa trên dự báo phụ tải và điện áp sơ cấp trạm biến áp. Phạm vi nghiên cứu bao gồm tuyến đường dây phân phối DZ 473 E11 tại Đà Nẵng trong khoảng thời gian một ngày điển hình.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng điện năng, giảm tổn thất công suất trên lưới phân phối, đồng thời hỗ trợ tích hợp hiệu quả các nguồn phát phân bố, góp phần phát triển hệ thống điện thông minh và bền vững.

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:

  • Điều khiển điện áp và công suất phản kháng trong mạng phân phối: Bao gồm nguyên lý hoạt động của bộ điều áp dưới tải OLTC, các tụ bù trạm biến áp và tụ bù đường dây nhằm duy trì điện áp trong giới hạn cho phép và giảm tổn thất điện năng.

  • Phương pháp quy hoạch động (Dynamic Programming): Giải quyết bài toán tối ưu có nhiều biến động và ràng buộc phi tuyến, bằng cách chia nhỏ bài toán thành các bài toán con độc lập, từ đó tìm ra giải pháp tối ưu tổng thể.

  • Logic mờ (Fuzzy Logic): Áp dụng để mô hình hóa các biến không chắc chắn như điện áp lệch, hệ số công suất, tổn thất công suất và số lần chuyển vị trí đầu phân áp, giúp hàm mục tiêu và các ràng buộc vận hành được biểu diễn linh hoạt hơn.

Các khái niệm chính bao gồm: điện áp thứ cấp trạm biến áp, công suất phản kháng, hàm liên thuộc mờ, trạng thái đóng/ngắt tụ bù, vị trí đầu phân áp OLTC, và tổn thất công suất trên đường dây.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ tuyến đường dây phân phối DZ 473 E11, bao gồm số liệu phụ tải các trạm biến áp, thông số điện trở và cảm kháng dây dẫn, cùng các đặc tính vận hành của OLTC và tụ bù. Dữ liệu dự báo phụ tải và điện áp sơ cấp trạm biến áp được sử dụng làm đầu vào cho mô hình.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng và tối ưu hóa bằng phương pháp quy hoạch động mờ (FDP), được lập trình và thực hiện trên phần mềm MATLAB phiên bản 2011a. Cỡ mẫu nghiên cứu là 24 khoảng thời gian trong ngày (mỗi giờ một trạng thái), với các biến trạng thái gồm vị trí đầu phân áp và trạng thái đóng/ngắt của các tụ bù.

Quy trình nghiên cứu gồm: thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình toán học và hàm mục tiêu mờ, áp dụng thuật toán FDP để tìm bảng điều độ tối ưu, so sánh kết quả với phương pháp vận hành thông thường. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 7/2012 đến tháng 6/2013.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm tổn thất công suất trên đường dây: Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp FDP giảm tổn thất công suất xuống còn khoảng 1,3229 pu, thấp hơn 9,5% so với trường hợp vận hành thông thường (1,4640 pu) và 6,4% so với trường hợp điều khiển theo thời gian (1,4125 pu).

  2. Cải thiện hệ số công suất trạm biến áp: Hệ số công suất được nâng cao rõ rệt, đạt giá trị gần 0,98 trong các giờ cao điểm, so với mức khoảng 0,92-0,95 khi sử dụng phương pháp truyền thống.

  3. Ổn định điện áp thứ cấp trạm biến áp: Điện áp thứ cấp được duy trì trong phạm vi ±5% so với giá trị đặt, với độ lệch điện áp trung bình giảm khoảng 15% so với phương pháp thông thường.

  4. Giảm số lần chuyển vị trí đầu phân áp và đóng/ngắt tụ bù: Tổng số lần chuyển vị trí đầu phân áp giảm xuống còn 7 lần/ngày, thấp hơn so với mức 14-19 lần của các phương pháp khác, giúp kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí bảo dưỡng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các cải thiện trên là do phương pháp FDP kết hợp logic mờ cho phép tối ưu hóa đồng thời vị trí đầu phân áp OLTC và trạng thái các tụ bù, đảm bảo phối hợp vận hành hiệu quả, giảm dao động điện áp và công suất phản kháng không cần thiết. So với các phương pháp điều khiển thông thường vận hành độc lập OLTC và tụ bù, FDP giảm thiểu hiện tượng chuyển vị trí liên tục gây hư hỏng thiết bị.

Kết quả phù hợp với các nghiên cứu gần đây về ứng dụng quy hoạch động và logic mờ trong điều khiển điện áp và công suất phản kháng, đồng thời cho thấy ưu thế vượt trội trong việc tích hợp máy phát phân bố DG, đặc biệt là tuabin gió SCIG, vào mạng phân phối. Biểu đồ tổn thất công suất và số lần chuyển vị trí đầu phân áp minh họa rõ sự khác biệt giữa các phương pháp, góp phần thuyết phục về hiệu quả của FDP.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng phương pháp FDP trong vận hành lưới phân phối: Các công ty điện lực nên tích hợp thuật toán FDP vào hệ thống SCADA để tự động hóa việc điều khiển OLTC và tụ bù, nhằm giảm tổn thất và nâng cao chất lượng điện năng trong vòng 12 tháng tới.

  2. Nâng cấp hệ thống đo đếm và dự báo phụ tải: Đầu tư thiết bị đo điện áp, công suất và phát triển mô hình dự báo phụ tải chính xác để cung cấp dữ liệu đầu vào cho phương pháp FDP, đảm bảo hiệu quả tối ưu hóa.

  3. Tăng cường đào tạo nhân lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật điều khiển điện áp và công suất phản kháng, cũng như vận hành hệ thống tích hợp DG, nhằm nâng cao năng lực quản lý và vận hành lưới điện.

  4. Khuyến khích nghiên cứu phát triển tích hợp DG: Đẩy mạnh nghiên cứu và thử nghiệm các giải pháp phối hợp điều khiển khi có sự thâm nhập của các nguồn phát phân bố, đặc biệt là năng lượng tái tạo, để khai thác tối đa lợi ích và giảm thiểu tác động tiêu cực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia vận hành lưới điện phân phối: Nghiên cứu cung cấp giải pháp thực tiễn để tối ưu hóa điều khiển điện áp và công suất phản kháng, giúp giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy hệ thống.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Thông tin về tác động tích cực của phương pháp FDP và DG hỗ trợ trong việc xây dựng chính sách phát triển lưới điện thông minh và bền vững.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện: Luận văn trình bày chi tiết mô hình toán học, thuật toán và kết quả mô phỏng, là tài liệu tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu liên quan.

  4. Các nhà cung cấp thiết bị và phần mềm điều khiển: Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và lợi ích của phương pháp FDP để phát triển sản phẩm phù hợp với nhu cầu vận hành hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp quy hoạch động mờ (FDP) là gì?
    FDP là kỹ thuật tối ưu kết hợp quy hoạch động và logic mờ, giúp xử lý các biến không chắc chắn và ràng buộc phi tuyến trong bài toán điều khiển điện áp và công suất phản kháng, từ đó tìm ra giải pháp tối ưu tổng thể.

  2. Tại sao cần phối hợp điều khiển OLTC và tụ bù?
    Phối hợp giúp tránh hiện tượng chuyển vị trí đầu phân áp và đóng/ngắt tụ bù liên tục, giảm hư hỏng thiết bị, đồng thời duy trì điện áp ổn định và giảm tổn thất công suất hiệu quả hơn so với điều khiển độc lập.

  3. Máy phát phân bố DG ảnh hưởng thế nào đến điều khiển điện áp?
    DG như tuabin gió SCIG có thể gây biến động điện áp và công suất phản kháng trên lưới phân phối. Việc điều khiển phối hợp giúp ổn định điện áp, hạn chế dòng công suất phản kháng qua máy biến áp, nâng cao hệ số công suất.

  4. Phương pháp FDP có thể áp dụng cho các lưới điện khác không?
    Có thể áp dụng cho nhiều loại lưới phân phối khác nhau, đặc biệt là các lưới có sự thâm nhập của DG và yêu cầu điều khiển điện áp, công suất phản kháng phức tạp, với điều kiện có dữ liệu dự báo phụ tải và điện áp sơ cấp.

  5. Chi phí và khó khăn khi triển khai phương pháp FDP là gì?
    Chi phí đầu tư hệ thống đo đếm, phần mềm và đào tạo nhân lực là thách thức. Tuy nhiên, lợi ích về giảm tổn thất, nâng cao chất lượng điện năng và tuổi thọ thiết bị sẽ bù đắp chi phí này trong dài hạn.

Kết luận

  • Phương pháp quy hoạch động mờ (FDP) hiệu quả trong phối hợp điều khiển điện áp và công suất phản kháng trên mạng phân phối, đặc biệt khi có sự thâm nhập của máy phát phân bố DG.
  • FDP giúp giảm tổn thất công suất trên đường dây khoảng 9,5% so với phương pháp truyền thống, đồng thời nâng cao hệ số công suất trạm biến áp và ổn định điện áp thứ cấp.
  • Số lần chuyển vị trí đầu phân áp và đóng/ngắt tụ bù được giảm đáng kể, góp phần kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí vận hành.
  • Nghiên cứu đã áp dụng thành công trên tuyến đường dây phân phối DZ 473 E11 tại Đà Nẵng với dữ liệu thực tế và mô phỏng trên MATLAB.
  • Đề xuất triển khai áp dụng phương pháp FDP trong vận hành thực tế, đồng thời nâng cấp hệ thống đo đếm và đào tạo nhân lực để phát huy tối đa hiệu quả.

Hành động tiếp theo là xây dựng hệ thống thử nghiệm thực tế và mở rộng nghiên cứu cho các lưới phân phối khác nhằm hoàn thiện giải pháp điều khiển điện áp và công suất phản kháng hiện đại, góp phần phát triển hệ thống điện thông minh tại Việt Nam.