Chương 1 sẽ tập trung vào phần giới thiệu tổng quan hệ thống điện. Các phương pháp, công trình đã nghiên cứu về phương pháp giải cho bài toán phân bố công suất trong hệ thống điện từ đó giới thiệu phương pháp nghiên cứu mới và thể hiện rõ phạm vi nghiên cứu của đề tài.1 Lý do chọn đề tài Trong thế kỷ 21, điện là một phần quan trọng trong cuộc sống hàng ngày. Người sử dụng thường cắm các thiết bị điện tử của họ vào ổ cắm điện trên tường và kì vọng các thiết bị hoạt động với công suất được thiết kế. Công suất này chủ yếu được tạo ra trong các nhà máy phát điện quy mô lớn, nằm ở những địa điểm xa khu dân cư.
Các nguồn phát điện đang có các bước phát triển mới và tiềm năng trong lĩnh vực sản xuất điện bằng năng lượng mặt trời và gió; cũng như các nguồn năng lượng tái tạo khác, tạo thành những chủ đề nóng trên các phương tiện truyền thông. Nhưng cũng còn đó vấn đề cũng thường được thảo luận về sự suy giảm tài nguyên thiên nhiên trong quá trình sản xuất điện và những rủi ro đem lại từ điện hạt nhân. Vấn đề truyền tải và phân phối điện năng là một nhiệm vụ vô cùng phức tạp và cần được thực hiện một cách tin cậy, an toàn và có hiệu quả cao thì lại ít được quan tâm hơn. Để đạt được các yêu cầu này, việc vận hành và lập kế hoạch yêu cầu phải thực hiện các mô phỏng tính toán phức tạp đối với mạng hệ thống điện.1 Mô hình đường dây truyền tải trong hệ thống điện [26] Trong đề tài này, thực hiện vấn đề tính toán cơ bản trong một hệ thống điện được mô phỏng ở trạng thái xác lập — vấn đề phân bố công suất.
Luồng phân bố công suất HVTH: Nguyễn Sỹ Bảo Anh GVHD: PGS. Võ Ngọc Điều Luận văn thạc sĩ 2 (hoặc phân bố tải) là một hệ phương trình phi tuyến tạo thành từ các phương trình điện áp của nút nối đến nguồn phát và tải tiêu thụ. Đối với nguồn phát và tải tiêu thụ đã có, vấn đề phân bố công suất có thể được giải quyết để thể hiện mối liên kết về điện áp. Giải pháp được sử dụng để đánh giá liệu hệ thống điện có hoạt động tốt với nguồn phát và tải tiêu thụ đã cho hay không.
Phân bố công suất là thành phần chính của các phép tính trong phân tích hệ thống điện. Áp dụng mô phỏng Monte Carlo [25] để giải hệ thống có nhiều ngõ vào nguồn phát và tải tiêu thụ khác nhau để phân tích trạng thái ngẫu nhiên của một hệ thống điện. Loại mô phỏng này đang trở nên đặc biệt quan trọng do tính chất nguồn điện tạo ra từ năng lượng gió và năng lượng mặt trời là không kiểm soát được.2 Mô hình hệ thống điện thông minh [26] Việc vận hành và lập kế hoạch hệ thống điện tiếp tục dẫn đến nhiều loại vấn đề về tối ưu hóa. Những nhà máy điện nào nên tạo ra bao nhiêu năng lượng tại bất kỳ thời điểm nào? Nơi tốt nhất để xây dựng một nhà máy điện mới? Những nút nào được chọn để kết nối với một đường dây truyền tải hoặc dây cáp mới? Tất cả những câu hỏi này yêu cầu giải pháp đối với vấn đề tối ưu hóa, tập hợp các giải pháp khả thi được xác định từ các vấn đề về phân bố công suất hoặc thậm chí phân tích dự phòng và ứng dụng mô phỏng Monte Carlo [25].
HVTH: Nguyễn Sỹ Bảo Anh GVHD: PGS. Võ Ngọc Điều Luận văn thạc sĩ 3 Theo truyền thống, sự phát điện được tập trung trong các nhà máy phát điện quy mô lớn được kết nối trực tiếp với hệ thống truyền tải. Hệ thống truyền tải điện cao áp sau đó vận chuyển công suất phát ra đến các hệ thống phân phối tại các địa phương với cấp điện áp thấp hơn. Trong những năm gần đây, việc phát triển mạng điện phân tán đang nổi lên thành một xu hướng mới (ví dụ dưới dạng các trang trại gió nhỏ kết nối trực tiếp với mạng lưới phân phối, hoặc các tấm pin mặt trời trên mái nhà tại các nhà dân).
Với hy vọng rằng trong tương lai sẽ hình thành một hệ thống phân bố công suất phi tập trung hơn nhiều so với hiện nay. Điều này tất nhiên sẽ dẫn đến nhiều thách thức mới trong việc tính toán vận hành và lập kế hoạch cho hệ thống điện. Tương đương với việc hệ thống điện của các quốc gia đang được kết nối với nhau ngày càng nhiều và mang định hướng thị trường năng lượng. Hệ thống năng lượng trên toàn lục địa yêu cầu các mô phỏng một hệ thống điện lớn hơn nhiều so với hiện tại.
Cả hai hướng phát triển này đều có tiềm năng tạo ra một hệ thống điện quy mô hoàn toàn mới và có nhiều vấn đề đối với phân bố công suất. Để giải quyết các vấn đề như vậy, các phương pháp giải bài toán phân bố công suất hiện tại không còn khả thi. Đòi hỏi việc nghiên cứu kỹ thuật và cho ra các phương pháp giải mới là cực kì quan trọng. Trong nghiên cứu này trình bày một giải pháp giải theo phương pháp nhúng đa hình có khả năng thoát khỏi hoàn toàn phương pháp lặp truyền thống, đem đến lợi thế là có tốc độ xử lý nhanh hơn nhiều cho các vấn đề giải phân bố công suất trong các mạng điện quy mô lớn hơn so với các phương pháp giải truyền thống được trình bày trong Chương 3.2 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu trong đề tài này là phương pháp nhúng đa hình (Holomorphic Embedding – HE) để giải các bài toán phân bố công suất được đề xuất bởi Antonio Trias [12], bởi nó được xem như thoát khỏi hoàn toàn phương pháp lặp truyền thống, vốn mang một khối lượng tính toán rất lớn tại mỗi bước lặp và tiềm ẩn sự suy biến.
Thuật toán nhúng đa hình đã được triển khai bằng ngôn ngữ Matlab, thử nghiệm với các M-files dữ liệu cấu hình (testcase) của IEEE [24] để có thể đối chiếu kết quả. Cấu hình lớn nhất cho đến hiện tại được thử nghiệm là cấu hình IEEE_118 nút. Các cấu HVTH: Nguyễn Sỹ Bảo Anh GVHD: PGS. Võ Ngọc Điều Luận văn thạc sĩ 4 hình đều hội tụ với ε = 10−8 đối với các giá trị công suất tác dụng 𝑃𝑖 , công suất phản kháng 𝑄𝑖 , góc pha 𝛿𝑖 và độ lớn điện áp |𝑉𝑖 |.
Mục đích của quá trình nghiên cứu là xây dựng một chương trình tính toán có thể áp dụng vào trong thực tế. Và có thể từng bước đi tới xây dựng các thuật toán cho bài toán tối ưu, với các mục đích ứng dụng đề cập ở mục 1. Bên cạnh đó, là cơ sở để nghiên cứu các mô hình xác suất, điển hình như thuật toán mô phỏng Monte Carlo [25] sẽ được đề cập ở phần 1.3 Phạm vi nghiên cứu Có thể thấy trong những năm gần đây, các nguồn năng lượng tái tạo, như điện gió và điện mặt trời, đang dần thâm nhập vào hệ thống điện một cách rõ rệt. Các nguồn năng lượng này mang những thuộc tính khác hẳn so với các nguồn năng lượng truyền thống vốn sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch, đó là bản chất ngẫu nhiên và không ổn định của chúng.3 Mô hình hệ thống điện có thành phần năng lượng tái tạo [29] Các phương pháp phân tích phân bố công suất truyền thống nay được xem xét như các bài toán tối ưu tất định dựa trên các đại lượng đã biết trước một cách chính xác.
Nói cách khác, phụ tải tiêu thụ cũng như công suất phát tại mỗi phần tử đầu cuối trong mạng lưới là xác định. Tuy nhiên, rất khó để trông đợi một dự báo chính xác về phụ tải tiêu thụ, bởi sự bất định đến từ thời tiết, cũng như đến từ sự đa dạng của phụ tải. HVTH: Nguyễn Sỹ Bảo Anh GVHD: PGS. Võ Ngọc Điều Luận văn thạc sĩ 5 Cụ thể là việc dự báo phụ tải, vốn đã mang tính bấp bênh trong quan hệ với việc lập kế hoạch vận hành hệ thống và rõ ràng là sự bất định sẽ dẫn đến các sai số trong kết quả của việc tối ưu phân bố công suất được xác định.
Do các khó khăn trong việc giải quyết sự bất định bằng việc sử dụng phương pháp xác định tải truyền thống, việc vận hành một hệ thống điện cần phải được lập kế hoạch dựa trên sự ước lượng nhu cầu phụ tải một cách ngẫu nhiên, do đó cần xem xét tới việc kết hợp phương pháp xác suất [7]. Câu hỏi đặt ra là những mô hình tối ưu sẽ tiếp cận theo phương pháp xác suất nào là cần được xem xét? Và những đặc điểm cũng như yêu cầu cho lời giải bài toán phân bố công suất được đặt ra.1 Mô hình tối ưu theo phân bố xác suất Có một số mô hình tối ưu theo phương pháp xác suất được đề cập trong các tài liệu [4][8][14][15]. Trong đó, có thể thấy “giải bài toán phân bố công suất với mô hình xác xuất của công suất tác dụng và công suất phản kháng để xác định một kế hoạch điều độ tối ưu với các nguồn điện không ổn định được thực hiện bởi mô phỏng Monte- Carlo, là phương pháp phổ biến và chính xác cho các bài toán xác xuất” [8]. Cụ thể, mô phỏng Monte Carlo [25] với các lượt phân tích phân bố công suất với các dữ liệu máy phát và phụ tải đầu vào biến đổi, có thể được sử dụng để phân tích đặc tính ngẫu nhiên của một hệ thống điện.
Thuật toán mô phỏng này càng trở nên quan trọng đặc biệt bởi các đặc tính không thể điều khiển của các nguồn năng lượng tái tạo như điện gió và điện mặt trời [8][14].2 Yêu cầu cho lời giải đối với bài toán phân bố công suất Theo truyền thống, bài toán phân bố công suất được giải bằng các phương pháp Gauss-Seidel (GS), Newton-Raphson (NR) hoặc Fast Decoupled Power Flow (FDPF), một biến thể của Newton-Raphson. Phương pháp Newton-Raphson có độ hội tụ bậc hai nhưng cần một khối lượng tính toán rất lớn tại mỗi bước lặp, đặc biệt là với bài toán kích cỡ lớn. Phương pháp Fast Decoupled Power Flow có khối lượng tính toán tương đối ít hơn, nhưng chỉ là hội tụ tuyến tính. Trong thực tế, phương pháp Newton- HVTH: Nguyễn Sỹ Bảo Anh GVHD: PGS.
Võ Ngọc Điều Luận văn thạc sĩ 6 Raphson nói chung được ưa chuộng hơn do trong một số trường hợp Fast Decoupled Power Flow không thể hội tụ thì Newton-Raphson vẫn tiếp tục giải bài toán. Tuy nhiên, không phương pháp nào có thể đáp ứng với những bài toán cực lớn.
