Đặt vấn đề Ở mỗi quốc gia, điện năng ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo ổn định và phát triển. Hiện nay, năng lượng bị thiếu do nhu cầu năng lượng có xu hướng gia tăng cũng như các yếu tố tác động đến môi trường. Lưới điện phân phối (LĐPP) và tải có sự thay đổi trong những năm tới với những yêu cầu và thách thức mới như là các dịch vụ, độ tin cậy, chi phí đầu tư, giá năng lượng và các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường. Chính vì vậy, với yêu cầu và thách thức mới thì LĐPP cần phải được mở rộng.
Để mở rộng lưới điện có thể thực hiện nâng cấp đường dây, xây dựng tuyến dây mới, lắp đặt thêm các trạm biến áp mới, mở rộng dung lượng trạm biến áp, lắp đặt nguồn điện phân tán (DG), mở rộng công suất DG, lắp đặt bộ dự trữ năng lượng [1]. Việc cải tạo nâng cấp đường dây, xây dựng tuyến dây mới, lắp đặt thêm trạm biến áp hay nâng cấp các hệ thống để phục vụ ở một số thời điểm mà tải tăng cao sẽ làm tăng vốn đầu tư, tăng chi phí và không hiệu quả. Hiện nay, việc mở rộng LĐPP thông qua lắp đặt DG hay ESS để hỗ trợ cho hệ thống điện là một xu thế tất yếu [2]. Chiến lược năng lượng ở thời điểm hiện nay và sắp tới là tập trung vào việc khai thác các nguồn năng lượng tái tạo và khí thiên nhiên, tiết kiệm năng lượng, lưu trữ năng lượng và chính sách thu hút trong đầu tư nguồn điện từ tư nhân.
Năng lượng bền vững hiện nay có một số công nghệ về mặt trời, gió và bộ dự trữ năng lượng được cho là rất hiệu quả đối với LĐPP [3], [4]. Các công nghệ này sử dụng tương đối là phổ biến vì nó có chi phí giảm mạnh và được nhiều chính sách hỗ trợ trong việc khai thác và sử dụng. Do đó, cần phải lắp đặt DG vào LĐPP nhằm đạt được các lợi ích kỹ thuật, kinh kế và môi trường từ DG [5], [6]. Bộ dự trữ năng lượng (ESS) là một trong các công nghệ của DG.
ESS hiện đang phát triển và sử dụng trong lưới điện phân phối ngày càng nhiều [7]. Bởi vì trong một số giờ cao điểm, hệ thống không đáp ứng nhu cầu của phụ tải hoặc khách hàng phải chấp nhận mua năng lượng với chi phí cao. Ngoài ra, năng lượng phát ra dư thừa cần ESS lưu trữ ở thời điểm nhu cầu thấp và phát ra trở lại ở thời điểm nhu cầu cao. ESS 1 giúp lưới điện hoạt động hiệu quả như tránh phạt hợp đồng do sự cố mất điện, giảm giá năng lượng, ứng phó với việc tăng giá điện đột biến, khai thác hiệu quả hơn nguồn năng lượng tái tạo (RES) và trì hoãn đầu tư nâng cấp hệ thống điện hiện có [8].
Chính vì vậy, cần nghiên cứu lắp đặt ESS cho LĐPP để nâng cao hiệu quả hoạt động.Trong các công nghệ của ESS thì hệ thống pin dự trữ năng lượng (BESS) được sử dụng nhiều nhất trong LĐPP cho đến thời điểm hiện nay [9], [10]. Thực trạng hiện nay, một số LĐPP đã được lắp đặt các DG tái tạo có giá thành đầu tư thấp, phần lớn là các pin quang điện (PV) [11]. Do vị trí lắp đặt, yếu tố môi trường, chính sách khuyến khích và khả năng của các nhà đầu tư nên các PV khó có thể được lựa chọn vị trí và công suất lắp đặt tối ưu. Trên thực tế, các PV được lắp đặt từng phần theo điều kiện đầu tư hiện có và tiếp tục mở rộng công suất tùy thuộc vào điều kiện thực tiễn.
Vì vậy, LĐPP cần phải xác định cấu hình vận hành tối ưu để cho LĐPP hoạt động hiệu quả tốt nhất. NGUỒN DG ESS DG TẢI TẢI TẢI TẢI DG TẢI ESS TẢI TẢI ESS DG TẢI Hình 1. LĐPP có kết nối các DG và ESS DG và ESS thu hút rất nhiều nhà nghiên cứu trong bài toán tối ưu vị trí và dung lượng nhằm mở rộng LĐPP và nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện [12], [13]. Khi LĐPP mở rộng với DG và ESS thì LĐPP sẽ làm việc hiệu quả hơn, kiểm soát được giá mua điện năng đồng thời giảm các yếu tố tác động đến môi trường [14], [15].
Chính vì thế, bài toán cho LĐPP hiện nay là: 2 - Đối với LĐPP chưa được lắp đặt DG: Việc mở rộng LĐPP thông qua xác định vị trí và công suất DG tham gia vào hệ thống nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của LĐPP. Trong đó, cực tiểu tổn thất công suất (ΔP) là yếu tố chính trong hàm mục tiêu tối ưu vì cực tiểu tổn thất công suất cho thấy được hiệu quả của DG tham gia vào hệ thống. - Đối với LĐPP đã có lắp đặt DG (chủ yếu là PV): Việc tiếp tục mở rộng công suất của PV ở cùng một vị trí hay vị trí mới theo thời gian và khả năng đầu tư, chính sách khuyến khích, vị trí lắp đặt và yếu tố ảnh hưởng đến môi trường. Lúc này, LĐPP cần xác định lại cấu hình vận hành mới của LĐPP với hàm mục tiêu là cực tiểu tổn thất năng lượng (ΔA).
- Đối với LĐPP có chi phí mua điện cao thì cần giảm chi phí mua điện năng, hoặc LĐPP có DG là các nguồn năng lượng tái tạo (RES) có công suất đầu ra không ổn định thì cần phải khai thác hiệu quả RES. Việc mở rộng công suất vận hành của ESS trong hệ thống ngoài vấn đề giảm giá mua điện, khai thác hiệu quả RES thì vấn đề giảm tổn thất năng lượng, dịch chuyển thời gian và giảm đỉnh của phụ tải cũng được xem xét. Lúc này, cần xác định vị trí và dung lượng của ESS để LĐPP hoạt động với các lợi ích lớn mang lại từ ESS. - Đối với LĐPP cần khai thác tiềm năng của các nguồn năng lượng tại chỗ: Việc mở rộng LĐPP cần tối đa công suất để tăng tỷ lệ tham gia của DG và giảm giá thành đầu tư của các nhà đầu tư DG [16].
Để thu hút các nhà đầu tư thì tối đa tỷ lệ thâm nhập của DG là một mục tiêu quan trọng vì tỷ lệ DG thâm nhập càng cao thì chi phí đầu tư trên 1 kW càng thấp. Trong vận hành hệ thống điện, một trong các vấn đề kỹ thuật quan trọng để giảm chi phí là cực tiểu tổn thất công suất [17]. Lúc này, bài toán cần phải tối đa công suất của DG và giảm thiểu tổn thất công suất của hệ thống. Từ các công trình đã nghiên cứu và được công bố cũng như thực tiễn của LĐPP thì đề tài “Mở rộng nguồn điện phân tán và bộ dự trữ năng lượng trên lưới điện phân phối” với mục tiêu giải quyết bài toán mở rộng LĐPP thông qua lắp đặt DG và ESS với bốn vấn đề chính như sau: - Mở rộng LĐPP thông qua lắp đặt mới DG có xét đến DNR với hàm mục tiêu là cực tiểu tổn thất công suất của hệ thống.
3 - Xác định cấu hình vận hành của LĐPP khi DG tiếp tục được mở rộng công suất với hàm mục tiêu là cực tiểu tổn thất năng lượng của hệ thống. - Mở rộng LĐPP thông qua lắp đặt mới ESS với hàm mục tiêu là giảm chi phí mua điện và giảm chi phí tổn thất năng lượng của hệ thống. - Mở rộng tối đa công suất thâm nhập của DG vào LĐPP với hàm mục tiêu là cực tiểu tổn thất công suất của hệ thống. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về LĐPP, DG và ESS.
- Nghiên cứu các bài toán mở rộng LĐPP thông qua kết nối DG và ESS, mở rộng công suất của DG và công suất vận hành của ESS. - Mô phỏng, kiểm tra trên LĐPP mẫu và so sánh kết quả với các công bố khác. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu - Mở rộng LĐPP thông qua lắp đặt mới các DG với mục tiêu là cực tiểu tổn thất công suất của hệ thống. - Xác định cấu hình LĐPP khi mở rộng công suất DG với mục tiêu cực tiểu tổn thất năng lượng của hệ thống.
- Kế hoạch lắp đặt mở rộng DG thâm nhập vào LĐPP với mục tiêu cực tiểu tổn thất công suất cho LĐPP Chư Prông – Gia Lai, Việt Nam. - Xác định vị trí và dung lượng của ESS với mục tiêu là giảm chi phí mua điện và giảm chi phí tổn thất năng lượng của hệ thống. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu, phân tích và tổng hợp một số tài liệu với nội dung của đề tài để giải quyết các yêu cầu của bài toán đặt ra. - Mô phỏng trên các phần mềm MATLAB, PSS-ADEPT để kiểm tra các bài toán đề xuất trên các lưới điện mẫu.
Đóng góp của luận án Luận án phân tích và đề xuất bài toán mở rộng lưới điện phân phối (LĐPP), mở rộng công suất của nguồn phân tán (DG) và công suất vận hành của bộ dự trữ 4 năng lượng (ESS) nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của LĐPP. Luận án đề xuất bốn bài toán, trong đó có ba bài toán mới và một bài toán áp dụng cho LĐPP Việt Nam, các bài toán cụ thể như sau: Bài toán 1: Mở rộng LĐPP thông qua xác định vị trí và công suất tối ưu của DG có xét tái cấu hình lưới điện phân phối (DNR). Luận án đưa ra một bài toán mới để giải quyết vấn đề tối ưu vị trí và công suất của DG thông qua hai giai đoạn. Giai đoạn I - tối ưu lắp đặt DG trong LĐPP kín (giai đoạn thiết kế) và giai đoạn II - tối ưu khóa mở để LĐPP vận hành hở (giai đoạn vận hành).
Bài toán đề nghị thực hiện tối ưu lắp đặt DG có xét DNR với hàm mục tiêu là cực tiểu tổn thất công suất của hệ thống. Bài toán đề nghị hai giai đoạn là một dạng bài toán tối ưu mới trong lắp đặt DG có xét DNR bên cạnh các dạng bài toán tối ưu lắp đặt DG có xét DNR khác đã được công bố như bài toán tối ưu đồng thời vị trí, công suất và DNR (bài toán đồng thời) và bài toán tối ưu vị trí trước và sau đó tối ưu công suất và DNR (bài toán VT - CS và DNR). Bài toán đề nghị với hai giai đoạn tối ưu có ưu điểm nổi trội là đưa ra lời giải tối ưu toàn cục cho vấn đề lắp đặt DG có xét DNR. Bài toán tối ưu DG thông qua hai giai đoạn cho thấy số biến giảm cho mỗi giai đoạn của thuật toán tối ưu bằng cách chia ra từng giai đoạn.