Luận văn thạc sĩ về tái cấu trúc lưới điện phân phối nhằm giảm thiểu tổn thất công suất tác dụng

Luận văn thạc sĩ phân tích tái cấu trúc lưới điện phân phối nhằm giảm thiểu tổn thất công suất tác dụng và ảnh hưởng của máy phát phân tán.

• Tác giả: Đoàn Ngọc Minh
• Người hướng dẫn: Ts. Dương Thanh Long
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Tái cấu trúc lưới điện phân phối cực tiểu tổn thất công suất tác dụng có xét ảnh hưởng của máy phát phân tán
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về tái cấu trúc lưới điện phân phối giảm tổn thất công suất

Tái cấu trúc lưới điện phân phối là một trong những giải pháp quan trọng nhằm giảm thiểu tổn thất công suất trong hệ thống điện. Với sự gia tăng nhu cầu sử dụng điện, việc tối ưu hóa lưới điện trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Tổn thất công suất không chỉ ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế mà còn tác động đến chất lượng cung cấp điện. Việc áp dụng các công nghệ mới và phương pháp tái cấu trúc lưới điện sẽ giúp nâng cao hiệu quả lưới điện, giảm thiểu tổn thất và đảm bảo cung cấp điện ổn định.

1.1. Định nghĩa và vai trò của tái cấu trúc lưới điện

Tái cấu trúc lưới điện là quá trình thay đổi cấu trúc và vận hành của lưới điện nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm tổn thất công suất. Việc này không chỉ giúp cải thiện chất lượng điện mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện.

1.2. Lợi ích của việc tái cấu trúc lưới điện phân phối

Việc tái cấu trúc lưới điện phân phối mang lại nhiều lợi ích như giảm tổn thất công suất, cải thiện chất lượng điện, và tăng cường khả năng phục hồi của hệ thống điện. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh nhu cầu điện năng ngày càng tăng cao.

II. Vấn đề và thách thức trong tái cấu trúc lưới điện phân phối

Mặc dù tái cấu trúc lưới điện phân phối mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng đối mặt với nhiều thách thức. Các vấn đề như tổn thất điện năng cao, sự không ổn định của điện áp, và sự phức tạp trong quản lý lưới điện là những yếu tố cần được giải quyết. Đặc biệt, việc tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo vào lưới điện cũng đặt ra nhiều thách thức về kỹ thuật và quản lý.

2.1. Tổn thất công suất và nguyên nhân

Tổn thất công suất trong lưới điện phân phối chủ yếu do điện trở của dây dẫn, sự không đồng đều trong phân bố tải, và các yếu tố khác. Việc hiểu rõ nguyên nhân sẽ giúp tìm ra giải pháp hiệu quả để giảm thiểu tổn thất.

2.2. Ảnh hưởng của nguồn phân tán đến lưới điện

Nguồn phân tán có thể cải thiện hiệu suất lưới điện nhưng cũng có thể gây ra tổn thất công suất nếu không được quản lý đúng cách. Việc xác định vị trí và công suất tối ưu của nguồn phân tán là rất quan trọng.

III. Phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối hiệu quả

Có nhiều phương pháp khác nhau để tái cấu trúc lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất công suất. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng các giải thuật tối ưu hóa, công nghệ lưới điện thông minh, và các giải pháp kỹ thuật khác. Việc áp dụng các phương pháp này sẽ giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của lưới điện.

3.1. Giải thuật tối ưu hóa trong tái cấu trúc lưới điện

Các giải thuật tối ưu hóa như SOS (Symbiotic Organisms Search) đã được áp dụng để giải quyết bài toán tái cấu trúc lưới điện. Những giải thuật này giúp tìm ra cấu hình tối ưu cho lưới điện, giảm thiểu tổn thất công suất.

3.2. Công nghệ lưới điện thông minh

Công nghệ lưới điện thông minh giúp cải thiện khả năng giám sát và điều khiển lưới điện, từ đó giảm thiểu tổn thất công suất. Việc tích hợp công nghệ này vào lưới điện phân phối là một xu hướng tất yếu.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tái cấu trúc lưới điện phân phối có thể giảm đáng kể tổn thất công suất. Các mô phỏng trên hệ thống IEEE 33 nút và IEEE 69 nút cho thấy hiệu quả rõ rệt của các phương pháp tái cấu trúc. Kết quả này không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn có thể áp dụng vào thực tiễn.

4.1. Kết quả mô phỏng trên hệ thống IEEE 33 nút

Mô phỏng trên hệ thống IEEE 33 nút cho thấy việc tái cấu trúc lưới điện đã giảm tổn thất công suất từ 10% xuống còn 5%. Điều này chứng tỏ tính khả thi của các phương pháp tái cấu trúc.

4.2. Kết quả mô phỏng trên hệ thống IEEE 69 nút

Tương tự, mô phỏng trên hệ thống IEEE 69 nút cũng cho thấy sự giảm thiểu tổn thất công suất, từ 12% xuống còn 6%. Kết quả này khẳng định hiệu quả của việc áp dụng các giải thuật tối ưu hóa.

V. Kết luận và tương lai của tái cấu trúc lưới điện phân phối

Tái cấu trúc lưới điện phân phối là một giải pháp hiệu quả để giảm tổn thất công suất và nâng cao chất lượng cung cấp điện. Trong tương lai, việc áp dụng các công nghệ mới và giải thuật tối ưu hóa sẽ tiếp tục được nghiên cứu và phát triển. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất lưới điện mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành điện.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ lưới điện

Công nghệ lưới điện thông minh và các giải pháp năng lượng tái tạo sẽ tiếp tục phát triển, tạo ra nhiều cơ hội mới cho việc tái cấu trúc lưới điện. Việc áp dụng các công nghệ này sẽ giúp giảm thiểu tổn thất công suất và nâng cao hiệu quả hoạt động của lưới điện.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu và phát triển

Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực tái cấu trúc lưới điện là rất quan trọng. Các nghiên cứu mới sẽ giúp tìm ra những giải pháp tối ưu hơn, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về điện năng trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tổng quan về lưới điện phân phối và nguồn phân tán Chương 3: Tái cấu hình lưới điện phân phối sử dụng giải thuật SOS Chương 4: Kết quả mô phỏng Chương 5: Kết luận 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ NGUỒN PHÂN TÁN 2.1 TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI 2.1 Tổng quan LĐPP là bộ phận của hệ thống điện làm nhiệm vụ phân phối điện năng từ các trạm biến áp trung gian 110/22 kV đến các nơi tiêu thụ. LĐPP gồm 2 thành phần đó là LĐPP trung áp 22 kV và LĐPP hạ áp 380/220 V. Lưới điện phân phối là một bộ phận chiếm tỉ lệ lớn trong hệ thống điện của các quốc gia, có nhiệm vụ truyền tải điện năng trực tiếp đến các phụ tải dùng điện.Trong hệ thống điện, tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối (LĐPP) chiếm tỷ lệ đáng kể. Theo thống kê của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) tổn thất điện năng năm 2018 ước đạt 6,9% tổng công suất sản xuất, trong đó tổn thất công suất trên lưới điện phân phối chiếm 3-5,7% [1].

Lý do làm cho tổn thất điện năng trên lưới phân phối chiếm tỷ lệ cao do các yếu tố, như nhiều cấp điện áp, phương thức vận hành chưa tốt, đường dây phức tạp, các hộ phụ tải có tính chất khác nhau và phân bố không đồng đều v. Mặt khác lưới điện phân phối có tính chất: Thiết kế kín - mạch vòng, vận hành hở. Do đó mục tiêu của bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối là tìm ra được cấu trúc phương thức vận hành hình tia đảm bảo yêu cầu mục tiêu giảm tổn thất trên lưới điện và đảm bảo được yêu cầu kĩ thuất để hệ thống vận hành bình thường. Trong thực tế, lưới điện phân phối là hệ thống cung cấp điện trực tiếp đến các phụ tải tiêu thụ điện.Trong hệ thống điện, ngoài các nhà máy thủy điện, nhiệt điện,.là các nguồn chính có công suất lớn cung cấp điện năng được kết nối trên lưới điện truyền tải, thì các nhà máy thủy điện, nhiệt điện có công suất nhỏ được kết nối trực tiếp vào lưới điện phân phối.

Việc xây dựng các nhà máy thủy điện, nhiệt điện lớn kết nối vào lưới điện truyền tải đang dần gặp nhiều khó khăn như, nguồn năng lượng sơ cấp tập trung không còn, ảnh hưởng môi trường, chi phí đầu tư lớn,.Mặt khác, sự hình thành thị trường điện cạnh tranh của các quốc gia 4 trên thế giới mang lại triển vọng phát triển cho các nguồn điện phân tán kết nối vào lưới điện phân phối. Thông thường các DG có công suất nhỏ từ 5kW đến 10 kW, được kết nối trực tiếp vào lưới phân phối, nhằm nhiệm vụ cung cấp điện năng và nâng cao chất lượng điện năng. Ngày nay với tốc độ công nghiệp hóa hiện đại hóa nhanh, yêu cầu LĐPP cũng phải mở rộng và phát triển theo. Sự phát triển nhanh chóng của phụ tải đã làm tăng thêm gánh nặng và sụt giảm điện áp cho LĐPP.

Ngoài ra, nó cũng ảnh hưởng đến độ tin cậy và an toàn của LĐPP. Vì vậy, để giải quyết các vấn đề về kỹ thuật đó, các công nghệ tiên tiến cần được nghiên cứu và áp dụng cho LĐPP. Đồng thời, cần phải áp dụng hiệu quả các nguồn năng sẵn có để đáp ứng mức độ tăng trưởng phụ tải hiện nay.2 Một số đặc điểm lưới điện phân phối LĐPP vận hành hình tia nên có đặc điểm là bị sụt áp ở các nút xa nguồn. Tỉ lệ X\R đối với cấp điện áp LĐPP thì thấp hơn cấp điện áp truyền tải nên trong quá trình vận hành sẽ gây ra tổn thất công suất lớn và sụt giảm biên độ điện áp dọc theo các đường dây phân phối hình tia.

Chính vì các lý do đó mà tổn thất công suất trên LĐPP sẽ lớn hơn nhiều so với lưới điện truyền tải. Tổn thất trên LĐPP thường được chia làm 2 loại: tổn thất kỹ thuật và tổn thất phi kỹ thuật. Tổn thất kỹ thuật: - Tổn hao công suất trên đường dây do điện trở dây dẫn. - Tổn hao công suất trong máy biến áp và máy điều chỉnh.

- Tổn thất điện môi trong đường dây cáp ngầm hay tụ bù tĩnh. - Tổn hao do hệ số công suất thấp. - Các tổn thất kỹ thuật khác. Tổn thất phi kỹ thuật: - Ăn trộm điện của một số khách hàng.

- Hoạt động sai của thiết bị điện kế.2 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN PHÂN TÁN 5 2.1 Định nghĩa nguồn phân tán Nguồn phân tán – DG là các nguồn phát công suất nhỏ (1 kW – 50 kW), được kết nối trực tiếp vào cấp điện áp trung thế của LĐPP hoặc đặt phía hạ áp của hộ tiêu thụ. Nguồn phân tán DG được lắp đặt gần nơi tiêu thụ điện năng nên loại trừ được những chi phí truyền tải và phân phối không cần thiết. Vì vậy, nguồn phân tán DG sẽ cấp nguồn cục bộ trực tiếp cho phụ tải dẫn đến thay đổi phân bố công suất trong lưới điện. Chính vì lý do đó, nguồn DG sẽ ảnh hưởng đến bài toán vận hành tối ưu tổn thất công suất tác dụng trên lưới điện phân phối.

Hơn nữa, DG sẽ giúp giảm việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, tăng cường tính linh hoạt của nguồn điện và độ tin cây cung cấp điện, giảm tổn thất và cải thiện điều kiện điện áp đường dây phân phối. DG có thể là nguồn năng lượng tái tạo hoặc nguồn năng lượng không tái tạo. DG bao gồm pin mặt trời, tuabin năng lượng gió, tuabin siêu nhỏ, pin nhiên liệu, máy phát diesel… 2.2 PHÂN LOẠI NGUỒN PHÂN TÁN Hiện nay có rất nhiều công nghệ DG khác nhau trên thế giới. Một số công nghệ đã dùng trước đây và một số công nghệ khác mới được nghiên cứu ứng dụng gần dây.

Tuy nhiên, tất cả các công nghệ DG đều có điểm chung là giúp tăng hiệu suất và giảm chi phí liên quan đến việc lắp đặt, vận hành và bảo trì. Công nghệ DG có thể được phân làm 2 loại chính: công nghệ sử dụng năng lượng tái tạo (quang điện, tuabin gió, tuabin thủy triều…) và công nghệ không tái tạo (tuabin nhỏ và siêu nhỏ, tuabin khí, tuabin nhiên liệu…). Công nghệ DG có tác động đến việc lựa chọn dung lượng và vị trí tối ưu nguồn DG để kết nối vào LĐPP. Chi tiết về các công nghệ DG phổ biến hiện nay trên thị trường dưới đây: - Pin nhiên liệu FC (Fuel Cell): Pin nhiên liệu FC được biết đến như nguồn phát phi truyền thống.

Chúng là thiết bị điện hóa, chuyển đổi trực tiếp từ hóa năng từ nhiên liệu thành điện năng bằng cách kết hợp khí oxy (như là một chất oxy hóa) và hydro (làm nhiên liệu) mà không cần đốt. Không giống như pin hoặc ắc quy, tế bào nhiên liệu không bị mất điện và cũng không có khả năng tích điện. Tế bào nhiên liệu hoạt động liên tục khi nhiên 6 liệu (hiđrô) và chất ôxi hóa (ôxy) được đưa từ ngoài vào. Một tế bào nhiên liệu có cấu tạo đơn giản bao gồm ba lớp nằm trên nhau.

Lớp thứ nhất là điện cực nhiên liệu (cực dương), lớp thứ hai là chất điện phân dẫn ion và lớp thứ ba là điện cực khí ôxy (cực âm). Hai điện cực được làm bằng chất dẫn điện (kim loại, than chì,. Chất điện phân được dùng là nhiều chất khác nhau tùy thuộc vào loại của tế bào nhiên liệu, có loại ở thể rắn, có loại ở thể lỏng và có cấu trúc màng. Vì một tế bào riêng lẻ chỉ tạo được một điện thế rất thấp cho nên tùy theo điện thế cần dùng nhiều tế bào riêng lẻ được nối kế tiếp vào nhau, tức là chồng lên nhau.

Người ta thường gọi một lớp chồng lên nhau như vậy là stack. Ngoài ra, hệ thống đầy đủ cần có các thiết bị phụ trợ như máy nén, máy bơm, để cung cấp các khí đầu vào, máy trao đổi nhiệt, hệ thống kiểm tra các yêu cầu, sự chắc chắn của sự vận hành máy, hệ thống dự trữ và điều chế nhiên liệu. Kết quả của quá trình điện hóa này tạo thành nguồn điện một chiều DC với dòng điện lớn và điện áp thấp. Hiện nay, để kết nối pin nhiên liệu FC vào lưới điện cần phải qua bộ chuyển đổi DC/AC và bộ lọc.

Trong quá trình điện hóa này, sản phẩm sinh ra ngoài điện năng còn có nước và nhiệt. Lượng nhiệt sinh ra này sẽ được tái sử dụng cho các mục đích khác. Vì đây là quá trình điện hóa nên sẽ không có bộ phận chuyển động và buồng đốt. Pin nhiên liệu FC được chia thành 5 loại tùy theo phản ứng hóa học: alkaline (AFC), molten carbonate (MCFC), phosphoric acid (PAFC), proton exchange membrane (PEMFC) và solid oxide (SOFC) [3], [4].

- Tuabin siêu nhỏ MT (Micro-turbin) Micro-turbin là các máy phát điện loại nhỏ. Chúng bao gồm một máy nén, máy đốt, tuabin và máy phát điện trên một hoặc hai trục. Nguyên lý hoạt động dựa trên quá trình đốt cháy nhiên liệu như khí thiên nhiên, propane và dầu để quay tuabin với tốc độ cao. Sau đó, động năng này được truyền đến máy phát thông qua một trục chính.

MT bao gồm ba thành phần cơ bản: máy nén khí, tuabin máy phát, thiết bị thu hồi nhiệt. Nhiệt thải có thể được sử dụng để làm nóng nước, không khí.Trong thị trường hiện nay, MT là các thiết bị cải tiến và hấp dẫn nhất trong các thiết bị DG. Công suất của MT dao động từ 20 kW đến 500 kW và đạt hiệu suất 7 lên đến 80% khi tổ hợp nhiệt-điện (CHP) được sử dụng trong hệ thống. MT hoạt động độc lập có hiệu suất khoảng 15% nếu không có bộ thu hồi nhiệt và đạt 20-30% nếu có bộ thu hồi nhiệt.

Ngoài ra một ưu điểm khác của MT là khí thải NOx chiếm tỉ lệ rất thấp so với các tuabin cỡ lớn [4]. - Quang điện PV (Photovoltaic) Năng lượng của tia bức xạ mặt trời được chuyển đổi thành điện năng theo hai phương thức: Nhà máy điện mặt trời dùng bức xạ mặt trời đốt nóng lò hơi của nhà máy điện, tương tự nhà máy nhiệt điện, lò hơi tạo hơi nước quay tuabin, máy phát sinh ra điện năng và Pin mặt trời biến đổi trực tiếp năng lượng của bức xạ mặt trời thành điện năng không qua bước trung gian về nhiệt. Năng lượng mặt trời không làm ô nhiễm không khí, không tạo ra hiệu ứng nhà kính. Hệ nguồn pin mặt trời có thể xây dựng ngay trên nóc các chung cư hay các tòa nhà lớn nên tiện lợi.

Ánh sáng mặt trời có thể được lưu lại thành nhiệt để sử dụng ngay hoặc chuyển đổi thành điện năng. Ngoài ra công nghệ còn cho phép biến đổi ánh sáng thành năng lượng điện thông qua hiệu ứng quang điện.