Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu phụ tải điện ngày càng tăng và sự gia nhập mạnh mẽ của các nguồn năng lượng tái tạo, hệ thống truyền tải điện thường xuyên phải vận hành trong trạng thái căng thẳng, dẫn đến hiện tượng nghẽn mạch trên một số đường dây truyền tải. Theo ước tính, việc xử lý nghẽn mạch trở thành một thách thức lớn đối với các nhà vận hành hệ thống điện, đặc biệt trong điều kiện thị trường điện cạnh tranh và cơ chế điều độ mở. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tối ưu hóa chi phí xử lý nghẽn mạch trong hệ thống điện có tích hợp nguồn năng lượng tái tạo và thiết bị FACTS, cụ thể là Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC) và nguồn điện phân tán (Distributed Generation - DG). Nghiên cứu tập trung vào việc áp dụng giải thuật tối ưu hóa dạy học (Teaching-Learning-Based Optimization - TLBO) để giải quyết bài toán nghẽn mạch trên hai hệ thống điện chuẩn IEEE 30 nút và IEEE 57 nút. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình toán học của thiết bị FACTS, tích hợp nguồn DG, và so sánh hiệu quả của các kịch bản xử lý nghẽn mạch trong khoảng thời gian nghiên cứu từ năm 2022 đến 2024 tại Việt Nam. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm chi phí xử lý nghẽn mạch, nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành hệ thống điện, đồng thời hỗ trợ phát triển bền vững nguồn năng lượng tái tạo trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết quản lý nghẽn mạch trong hệ thống điện và mô hình thiết bị FACTS, đặc biệt là TCSC. Quản lý nghẽn mạch được hiểu là quá trình điều chỉnh công suất phát điện và phân bố dòng công suất trên hệ thống để tránh quá tải đường dây, đảm bảo vận hành an toàn và hiệu quả. Thiết bị FACTS, theo định nghĩa của IEEE, là hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử công suất để điều khiển các thông số của đường dây truyền tải nhằm nâng cao khả năng truyền tải và ổn định hệ thống. Trong đó, TCSC là thiết bị điều khiển nối tiếp, có khả năng thay đổi điện kháng đường dây truyền tải một cách linh hoạt, giúp giảm thiểu hiện tượng nghẽn mạch. Ngoài ra, nguồn điện phân tán (DG) được xem là các máy phát nhỏ đặt gần phụ tải, có vai trò dự phòng và giảm tải cho hệ thống truyền tải. Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm: nghẽn mạch, thiết bị FACTS (TCSC), và nguồn điện phân tán (DG).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu mô phỏng từ hai hệ thống điện chuẩn IEEE 30 nút và IEEE 57 nút, được thực hiện trên phần mềm MATLAB với công cụ MATPOWER để tính toán dòng công suất và mô phỏng vận hành hệ thống. Cỡ mẫu bao gồm các kịch bản vận hành khác nhau với sự tích hợp của TCSC và DG. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng hệ thống điện chuẩn nhằm đảm bảo tính đại diện và khả năng áp dụng thực tế. Thuật toán tối ưu hóa dạy học (TLBO) được áp dụng để giải bài toán tối ưu chi phí xử lý nghẽn mạch, với các bước chính gồm khởi tạo quần thể, giai đoạn người dạy và giai đoạn người học. Quá trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 11/2022 đến năm 2024, bao gồm việc xây dựng mô hình toán học, phát triển thuật toán, thực hiện mô phỏng và phân tích kết quả. Phương pháp phân tích so sánh hiệu quả của TLBO với thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) nhằm đánh giá tính ưu việt của giải pháp đề xuất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của thuật toán TLBO trong xử lý nghẽn mạch: Kết quả mô phỏng trên hệ thống IEEE 30 nút cho thấy TLBO giảm chi phí nghẽn mạch khoảng 2,23% khi tích hợp nguồn DG và 3,38% khi tích hợp TCSC so với các phương pháp truyền thống. Trên hệ thống IEEE 57 nút, mức giảm tương ứng là 8,14% với DG và 1,43% với TCSC.

  2. So sánh TLBO và PSO: Thuật toán TLBO thể hiện khả năng hội tụ nhanh hơn và ổn định hơn so với PSO trong các kịch bản mô phỏng, đặc biệt ở các hệ thống có quy mô lớn như IEEE 57 nút. Đường cong hội tụ minh họa sự vượt trội của TLBO trong việc tìm kiếm giải pháp tối ưu.

  3. Tác động tích hợp nguồn DG và TCSC: Việc tích hợp nguồn DG giúp giảm tải cho các đường dây truyền tải, từ đó giảm chi phí xử lý nghẽn mạch và tăng độ tin cậy hệ thống. TCSC điều chỉnh điện kháng đường dây truyền tải, cải thiện phân bố dòng công suất và nâng cao khả năng truyền tải. Kết quả mô phỏng cho thấy sự kết hợp này mang lại hiệu quả vượt trội so với chỉ sử dụng một trong hai giải pháp.

  4. Phân tích chi phí điều độ lại máy phát: Chi phí điều độ lại máy phát được tối ưu hóa thông qua việc áp dụng TLBO, giúp giảm thiểu chi phí phát sinh cho các công ty phát điện (GENCOs) trong quá trình xử lý nghẽn mạch.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả vượt trội của TLBO là do thuật toán không yêu cầu nhiều tham số điều chỉnh và có khả năng khai thác thông tin từ quá trình học tập giữa các cá thể trong quần thể, giúp tránh bị kẹt tại điểm tối ưu cục bộ. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng PSO hay các thuật toán meta-heuristic khác, TLBO mang lại giải pháp ổn định và hiệu quả hơn trong việc xử lý nghẽn mạch. Việc tích hợp nguồn DG và TCSC không chỉ giảm chi phí mà còn góp phần nâng cao độ tin cậy và ổn định hệ thống điện, phù hợp với xu hướng phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam. Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường cong hội tụ, bảng so sánh chi phí và biểu đồ phân bố dòng công suất trước và sau khi áp dụng giải pháp, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của các phương pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai rộng rãi thiết bị FACTS (TCSC) trong hệ thống truyền tải: Đẩy mạnh lắp đặt TCSC tại các vị trí nghẽn mạch trọng điểm nhằm tăng khả năng truyền tải và giảm thiểu hiện tượng quá tải. Thời gian thực hiện trong vòng 3-5 năm, chủ thể thực hiện là các công ty truyền tải điện và cơ quan quản lý ngành điện.

  2. Phát triển và tích hợp nguồn điện phân tán (DG): Khuyến khích đầu tư các nguồn DG sử dụng năng lượng tái tạo như điện mặt trời và điện gió tại các khu vực phụ tải cao để giảm áp lực lên hệ thống truyền tải. Mục tiêu tăng tỷ lệ DG lên khoảng 10-20% tổng công suất phụ tải trong 5 năm tới, do các nhà đầu tư và công ty điện lực thực hiện.

  3. Áp dụng giải thuật TLBO trong công tác điều độ hệ thống: Đưa giải thuật TLBO vào phần mềm điều độ và quản lý hệ thống điện nhằm tối ưu hóa chi phí xử lý nghẽn mạch và nâng cao hiệu quả vận hành. Thời gian triển khai thử nghiệm trong 1-2 năm, do các trung tâm điều độ và viện nghiên cứu phối hợp thực hiện.

  4. Nâng cao năng lực vận hành và đào tạo nhân lực: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về quản lý nghẽn mạch, thiết bị FACTS và thuật toán tối ưu cho cán bộ vận hành hệ thống điện. Mục tiêu nâng cao năng lực trong vòng 2 năm, do các trường đại học và cơ quan đào tạo chuyên ngành đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà vận hành hệ thống điện (ISO): Giúp nâng cao hiệu quả quản lý nghẽn mạch, tối ưu chi phí vận hành và đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện trong điều kiện tích hợp năng lượng tái tạo.

  2. Các công ty phát điện (GENCOs): Cung cấp cơ sở khoa học để tối ưu hóa lịch trình phát điện, giảm chi phí điều độ lại máy phát và nâng cao hiệu quả kinh tế trong thị trường điện cạnh tranh.

  3. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành kỹ thuật điện: Là tài liệu tham khảo quý giá về mô hình thiết bị FACTS, nguồn điện phân tán và ứng dụng thuật toán tối ưu trong hệ thống điện hiện đại.

  4. Nhà hoạch định chính sách và quản lý ngành năng lượng: Hỗ trợ xây dựng các chính sách phát triển năng lượng tái tạo, nâng cao khả năng truyền tải và đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần quản lý nghẽn mạch trong hệ thống điện?
    Nghẽn mạch gây quá tải đường dây truyền tải, dẫn đến nguy cơ hỏng hóc, mất điện cục bộ hoặc rã lưới toàn bộ, ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ tin cậy và an toàn hệ thống. Quản lý nghẽn mạch giúp duy trì vận hành ổn định và giảm thiểu chi phí phát sinh.

  2. Thiết bị FACTS (TCSC) hoạt động như thế nào trong việc xử lý nghẽn mạch?
    TCSC điều chỉnh điện kháng nối tiếp của đường dây truyền tải, từ đó thay đổi phân bố dòng công suất, giảm tải cho các đường dây bị nghẽn và nâng cao khả năng truyền tải của hệ thống.

  3. Nguồn điện phân tán (DG) có vai trò gì trong hệ thống điện?
    DG cung cấp điện gần phụ tải, giảm tổn thất truyền tải và tăng độ tin cậy hệ thống. DG còn giúp giảm áp lực lên các đường dây truyền tải chính, góp phần xử lý nghẽn mạch hiệu quả.

  4. Ưu điểm của giải thuật TLBO so với các thuật toán tối ưu khác là gì?
    TLBO không cần nhiều tham số điều chỉnh, dễ triển khai và có khả năng hội tụ nhanh, tránh bị kẹt tại điểm tối ưu cục bộ, mang lại giải pháp ổn định và hiệu quả trong bài toán tối ưu phức tạp như quản lý nghẽn mạch.

  5. Nghiên cứu này có thể áp dụng thực tế như thế nào?
    Kết quả nghiên cứu có thể được tích hợp vào phần mềm điều độ hệ thống điện, hỗ trợ các nhà vận hành trong việc ra quyết định tái điều độ máy phát và lắp đặt thiết bị FACTS, đồng thời hướng dẫn phát triển nguồn DG phù hợp với quy hoạch năng lượng quốc gia.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã phát triển thành công mô hình quản lý nghẽn mạch tích hợp thiết bị FACTS (TCSC) và nguồn điện phân tán (DG) trên hệ thống điện chuẩn IEEE 30 và 57 nút.
  • Thuật toán tối ưu hóa dạy học (TLBO) được áp dụng hiệu quả, giảm chi phí xử lý nghẽn mạch từ 1,43% đến 8,14% tùy hệ thống và kịch bản.
  • Việc tích hợp DG và TCSC góp phần nâng cao khả năng truyền tải, giảm tải cho đường dây và tăng độ tin cậy hệ thống điện.
  • Kết quả so sánh với thuật toán PSO cho thấy TLBO có ưu thế về tốc độ hội tụ và ổn định giải pháp.
  • Đề xuất triển khai thực tế các giải pháp này trong vòng 3-5 năm nhằm hỗ trợ phát triển bền vững hệ thống điện Việt Nam trong xu thế chuyển đổi năng lượng.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các cơ quan quản lý và doanh nghiệp điện lực áp dụng kết quả nghiên cứu vào công tác vận hành và quy hoạch hệ thống điện, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng các thuật toán tối ưu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.