Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Tổng quan. Chương 3: Các phương pháp tối ưu Chương 4: Tái cấu trúc lưới điện phân phối với hàm đơn mục tiêu Chương 5: Tái cấu trúc lưới điện phân phối với hàm đa mục tiêu có xét ảnh hưởng của nguồn phân tán Chương 6: Kết luận Tài liệu tham khảo Các công trình đã công bố Phụ lục 5 TỔNG QUAN Giới thiệu 2.1 Tổng quan về tái cấu trúc lưới điện phân phối Lưới điện phân phối (LĐPP) là phần quan trọng trong một hệ thống điện. LĐPP có vai trò truyền tải điện năng từ các trạm biến thế trung gian đến khách hàng (Hình 2. Tổn hao công suất trong LĐPP thường lớn do có điện áp thấp và dòng điện cao so với lưới điện truyền tải.
Hiện nay, LĐPP đang phải đối mặt với sự phát triển rất nhanh chóng của phụ tải. Việc phát triển nhanh của phụ tải đã làm tăng thêm gánh nặng và tăng sụt áp lên LĐPP. Để giảm tổn thất công suất và ổn định điện áp, nhiều phương pháp đã được ứng dụng như tái cấu trúc lưới điện, lắp đặt tụ bù, tăng kích thước dây dẫn, và thay đổi nấc máy biến áp. Trong các phương pháp này, tái cấu trúc LĐPP yêu cầu ít chi phí đầu tư nhất vì nó dùng cơ sở hạ tầng sẵn có, trong khi các phương pháp khác cần chi phí đầu tư và lắp đặt.
Khác với đường dây truyền tải thường được vận hành mạch vòng, LĐPP được thiết kế mạch vòng nhưng vận hành theo cấu trúc hình tia trong mọi trường hợp để phối hợp bảo vệ hiệu quả, giảm sự cố, và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Trong LĐPP có hai loại khóa điện là khóa thường đóng (sectionalizing switches) và khóa thường mở (tie-line switches). Việc đóng mở các khóa điện này ảnh hưởng lớn đến LĐPP về tổn hao công suất và ổn định điện áp. Đóng mở các khóa điện hợp lý sẽ tạo ra được một LĐPP mới có tổn hao công suất thấp và điện áp ổn định.
Giải bài toán tái cấu trúc LĐPP là việc đi tìm cấu trúc tối ưu mới của lưới điện bằng cách thay đổi trạng thái đóng/mở của các khóa điện để từ đó tổn thất công suất là ít nhất nhưng vẫn đảm các điều kiện ràng buộc vận hành của hệ thống. Vấn đề tái cấu trúc LĐPP giúp ích rất nhiều trong việc quy hoạch hệ thống điện, giúp trì hoãn chi phí đầu tư mở rộng hệ thống điện, và tăng khả năng vận hành hiệu quả hệ thống điện.1 Sơ đồ lưới điện truyền tải – phân phối 2.2 Ảnh hưởng của nguồn phân tán đến lưới điện phân phối Trong những năm gần đây, nguồn điện phân tán (DG – Distribution Generator) kết nối vào LĐPP đang được triển khai nhanh chống trên thế giới do sự cạn kiệt của nhiện liệu hóa thạch, vấn đề môi trường, và thị trường điện tự do. Do đó bái toán tái cấu trúc LĐPP cần xét đến ảnh hưởng của nguồn điện phân tán. Khi xuất hiện nguồn điện phân tán trong LĐPP, phân bố dòng điện trên các nhánh đường dây sẽ thay đổi và ảnh hưởng đến cấu hình tối ưu của LĐPP, điều đó đặt nhiệm vụ là: cần phải tìm cấu hình tối ưu mới (tái cấu trúc LĐPP có nguồn DG) nhằm đảm bảo các mục tiêu: cải thiện chất lượng điện áp các nút trên LĐPP, giảm tổn thất công suất, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, chống quá tải đường dây… Nguồn phân tán – DG được biết đến như là nguồn phát có công suất nhỏ từ vài kW – 50 MW, được kết nối trực tiếp vào LĐPP hoặc đặt gần phía hộ tiêu thụ [1].
DG có thể là nguồn năng lượng tái tạo hoặc nguồn năng lượng không tái tạo. DG bao gồm pin mặt trời, tuabin gió, tuabin siêu nhỏ, pin nhiên liệu, máy phát diesel, v.2 Kết nối DG vào LĐPP Hiện nay, có rất nhiều công nghệ DG đang được sử dụng trên thị trường. Ngoài các máy phát điện chạy bằng dầu diezel, xăng…, các công nghệ mới về DG như micro tubine chạy bằng năng lượng gió, sức nước hay nguồn năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu… cũng đang được áp dụng rộng rãi hơn. Những lợi ích mà DG mang lại khi tham gia vào LĐPP bao gồm lợi ích kỹ thuật và lợi ích kinh tế: Các lợi ích kỹ thuật: ❖ Giảm tổn hao đường dây ❖ Cải thiện điện áp ❖ Giảm sự ô nhiễm môi trường ❖ Tăng hiệu suất điện năng ❖ Tăng cường độ tin cậy và sự an toàn ❖ Cải thiện chất lượng điện năng ❖ Đảm bảo tính cung cấp điện liên tục Các lợi ích kinh tế: ❖ Trì hoãn sự đầu tư trong việc nâng cấp các thiết bị ❖ Giảm chi phí vận hành ❖ Tăng cường hoạt động sản xuất ❖ Giảm chi phí nhiên liệu ❖ Tăng độ an toàn cho những tải quan trọng trong LĐPP Khi có sự tham gia của DG vào LĐPP, phân bố công suất trên lưới thay đổi, các đặc tính về dòng điện, điện áp sẽ thay đổi dẫn theo sự thay đổi về tổn thất công suất trên 8 lưới.
Nhiều nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng việc xác định dung lượng cũng như vị trí đặt DG không chính xác sẽ dẫn đến lượng công suất tổn thất lớn hơn so với trước khi đặt DG [2], [3]. Bằng cách tính toán xác định dung lượng và vị trí tối ưu của DG sẽ giảm thiểu được tổn thất công suất và nâng cao chất lượng điện năng, cải thiện độ tin cậy cung cấp điện. Tổng quan về bài toán tái cấu trúc LĐPP Tái cấu trúc lưới điện là quá trình vận hành các khóa điện để thay đổi cấu hình của lưới điện nhằm đảm bảo các mục tiêu vận hành cũng như giảm thiểu chi phí. Đối với LĐPP, chi phí chủ yếu được tối thiểu hóa là chi phí tổn thất điện năng.
Các bài toán vận hành LĐPP mô tả các hàm mục tiêu tái cấu trúc lưới điện: • Bài toán 1: Xác định cấu hình lưới điện theo đồ thị phụ tải trong một thời đoạn để chi phí vận hành bé nhất. • Bài toán 2: Xác định cấu hình lưới điện không thay đổi trong thời đoạn khảo sát để tổn thất năng lượng bé nhất. • Bài toán 3: Xác định cấu hình lưới điện tại một thời điểm để tổn thất công suất bé nhất. • Bài toán 4: Tái cấu hình lưới điện cân bằng tải (giữa các đường dây, máy biến thế nguồn ở các trạm biến áp) để nâng cao khả năng truyền tải của lưới điện.
• Bài toán 5: Khôi phục lưới điện sau sự cố hay cắt điện sửa chữa. • Bài toán 6: Xác định cấu hình lưới điện theo nhiều mục tiêu như: tổn thất công suất bé nhất, mức độ cân bằng tải cao nhất, số lần chuyển tải ít nhất, sụt áp cuối lưới bé nhất cùng đồng thời xảy ra (hàm đa mục tiêu). • Bài toán 7: Xác định cấu hình lưới điện để đảm bảo mục tiêu giảm năng lượng do việc ngừng cung cấp điện hay nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Các bài toán xác định cấu trúc vận hành của một LĐPP cực tiểu tổn thất năng lượng hay cực tiểu chi phí vận hành thỏa mãn các điều kiện kỹ thuật vận hành luôn là bài toán quan trọng và kinh điển trong vận hành hệ thống điện.
Trong đó, bài toán 3 là bài toán quan trọng, làm nền tảng cho việc giải các bài toán khác trong hệ thống các bài toán tái cấu trúc LĐPP. 9 Các phương pháp nghiên cứu bài toán tái cấu trúc LĐPP 2.1 Các nghiên cứu giải bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối 2.1 Phương pháp Heuristic Năm 1975, Merlin và Back [4] đề xuất một phương pháp heuristic có ràng buộc để xác định các cấu trúc lưới cho tổn thất tối thiểu trên đường dây. Để có cấu trúc hình tia, tác giả đã lần lượt loại bỏ những nhánh có dòng công suất chạy qua bé nhất, quá trình sẽ kết thúc khi lưới điện đạt được trạng thái vận hành hở. Trong quá trình thực hiện, thuật toán không tính mức giảm ΔP khi phân bố lại phụ tải cho từng bước mà chỉ xét đến dòng chạy qua khóa điện.
Thuật toán không tính tổn thất ΔP để so sánh lựa chọn cấu hình tối ưu vì đã xuất phát từ điều kiện mở nhánh có dòng bé nhất để mức tổn thất ΔP là bé nhất. Dựa trên cơ sở thuật toán này, rất nhiều nghiên cứu về sau đã phát triển, chỉnh sửa cho phù hợp với thực tế vận hành lưới điện cũng như yêu cầu về giảm khối lượng tính toán và nâng cao chất lượng điện năng. Điển hình cho các nghiên cứu đó là thuật toán của Shirmonohammadi và Hong đã cải tiến phương pháp của Merlin & Back và đã thu được kết quả khả quan trong việc tìm kiếm giải pháp tối ưu hoặc gần tối ưu và trạng thái của các khóa điện không phụ thuộc vào cấu trúc lưới [5]. Tác giả Shirmohammadi là người đầu tiên sử dụng kỹ thuật “bơm vào/rút ra” một lượng dòng điện không đổi để mô tả thao tác phân bố lại phụ tải trong LĐPP với giả thiết dòng điện bơm vào/rút ra là một đại lượng liên tục.
Phương pháp này khắc phục được tất cả các nhược điểm chính của Merlin & Back. Xuất phát từ lưới điện ban đầu là lưới điện kín (sau khi đóng tất cả các khóa điện trên lưới), giải bài toán PBCS sẽ lựa chọn nhánh có dòng điện bé nhất trong các vòng độc lập. Sau khi mở nhánh có dòng bé nhất trong lưới điện, giải lại bài toán PBCS cho lưới điện mới, đồng thời kiểm tra các điều kiện về chất lượng điện áp nút, khả năng mang tải của các tuyến dây còn lại. Trong trường hợp không vi phạm chất lượng điện áp các nút và khả năng tải của nhánh, sẽ lặp lại các bước như trên cho đến khi lưới điện hoàn toàn hình tia và các phụ tải đều được cấp điện.
Trong trường hợp khóa điện vừa mở vi phạm điều kiện vận hành, sẽ phải đóng khóa điện vừa mở và mở khóa điện có dòng bé nhất 10 tiếp theo trong LĐPP. Sau đó giải lại bài toán PBCS và tiếp tục kiểm tra điều kiện vận hành cho đến khi lưới điện có cấu trúc tia. Với cách thực hiện như trên dễ nhận thấy rằng thuật toán của Shirmohammadi có xét đến điều kiện chất lượng điện áp và khả năng tải đường dây (điều này khác với thuật toán của Merlin & Back), do đó cấu trúc LĐPP theo thuật toán này đảm bảo được chất lượng điện năng tốt hơn so với thuật toán của Merlin & Back. Tuy nhiên, sau mỗi lần mở khóa điện, phải tiến hành giải lại bài toán PBCS nên tốn nhiều thời gian tính toán.