Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế nhanh chóng, nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng tăng cao, dẫn đến yêu cầu nâng cao chất lượng cung cấp điện (CCĐ) và giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối (LĐPP). Theo báo cáo của Tập đoàn Điện lực Việt Nam, tổn thất điện năng năm 2018 ước đạt 6,9% tổng sản lượng điện sản xuất, trong đó tổn thất trên lưới điện phân phối chiếm khoảng 3-5,7%. Lưới điện phân phối vận hành theo cấu trúc hình tia, gây ra tổn thất công suất lớn và sụt áp tại các nút xa nguồn. Do đó, việc tái cấu trúc lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng và cải thiện ổn định điện áp là một vấn đề cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối cực tiểu tổn thất công suất tác dụng, có xét đến ảnh hưởng của nguồn phát phân tán (DG), sử dụng giải thuật tìm kiếm tối ưu Symbiotic Organisms Search (SOS). Phạm vi nghiên cứu tập trung trên các hệ thống mô phỏng chuẩn IEEE 33 nút và IEEE 69 nút, với dữ liệu tải và cấu trúc lưới được lấy từ các tài liệu chuẩn. Nghiên cứu không chỉ nhằm giảm tổn thất công suất mà còn xác định vị trí và công suất tối ưu của các nguồn DG kết nối vào lưới.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện ở việc cung cấp giải pháp tối ưu cho bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối trong điều kiện có nguồn phân tán, góp phần nâng cao hiệu quả vận hành, giảm tổn thất điện năng và cải thiện chất lượng điện năng. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong quy hoạch và vận hành lưới điện thực tế, đặc biệt trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ các nguồn năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết lưới điện phân phối hình tia: Lưới điện phân phối vận hành theo cấu trúc hình tia, với các khóa điện đóng/mở để điều chỉnh cấu trúc lưới nhằm giảm tổn thất và duy trì ổn định điện áp. Các ràng buộc kỹ thuật bao gồm đảm bảo cấp điện cho tất cả các nút, giới hạn điện áp và dòng điện trong phạm vi cho phép, và duy trì cấu trúc hình tia.

  • Nguồn phát phân tán (DG): DG là các nguồn phát công suất nhỏ (1 kW – 50 kW) kết nối trực tiếp vào lưới phân phối, bao gồm các công nghệ năng lượng tái tạo như pin mặt trời, tuabin gió, và các nguồn không tái tạo như pin nhiên liệu, tuabin siêu nhỏ. DG ảnh hưởng đến phân bố công suất và tổn thất trên lưới, do đó cần xác định vị trí và công suất tối ưu của DG.

  • Giải thuật tối ưu meta-heuristic SOS (Symbiotic Organisms Search): SOS mô phỏng các quá trình tương tác cộng sinh trong hệ sinh thái gồm ba giai đoạn: hỗ sinh, hội sinh và ký sinh. Thuật toán không yêu cầu nhiều tham số điều chỉnh, có khả năng tìm kiếm toàn cục hiệu quả và tránh rơi vào cực trị địa phương. SOS được áp dụng để giải bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối nhằm tối ưu tổn thất công suất tác dụng.

Các khái niệm chính bao gồm: tổn thất công suất tác dụng, cấu trúc lưới hình tia, nguồn phát phân tán DG, thuật toán SOS, và các ràng buộc kỹ thuật trong vận hành lưới điện.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu là các hệ thống mô phỏng chuẩn IEEE 33 nút và IEEE 69 nút, với dữ liệu tải và thông số lưới được lấy từ các tài liệu chuẩn và báo cáo ngành điện. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Mô hình hóa bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối: Bài toán được mô hình hóa dưới dạng bài toán tối ưu phi tuyến rời rạc với hàm mục tiêu là giảm tổn thất công suất tác dụng trên lưới. Các ràng buộc kỹ thuật về điện áp, dòng điện và cấu trúc hình tia được đưa vào mô hình.

  • Áp dụng giải thuật SOS: Quá trình giải bài toán bắt đầu bằng việc khởi tạo quần thể các cấu hình lưới điện thỏa mãn điều kiện hình tia. Thuật toán tiến hành các giai đoạn hỗ sinh, hội sinh và ký sinh để tìm kiếm cấu hình tối ưu. Mỗi cá thể trong quần thể đại diện cho một tập hợp các khóa điện mở trên lưới.

  • Phân tích kết quả mô phỏng: Các kết quả được đánh giá dựa trên tổn thất công suất tác dụng, điện áp các nút, và tốc độ hội tụ của thuật toán. So sánh kết quả với các giải thuật khác như ACSA, FWA, HSA để đánh giá hiệu quả.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2017 đến 2019, với các bước chính gồm tổng quan tài liệu, xây dựng mô hình, phát triển thuật toán, mô phỏng và phân tích kết quả.

Cỡ mẫu trong mô phỏng là 30 cá thể cho mỗi quần thể thuật toán SOS, với số lần đánh giá hàm mục tiêu tối đa là 1000 cho hệ thống 33 nút và 3000 cho hệ thống 69 nút. Phương pháp chọn mẫu là khởi tạo ngẫu nhiên các cấu hình lưới thỏa mãn điều kiện hình tia, nhằm đảm bảo đa dạng giải pháp ban đầu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm tổn thất công suất tác dụng trên lưới IEEE 33 nút: Sau khi áp dụng giải thuật SOS, tổn thất công suất tác dụng giảm từ 201 kW xuống còn 139,2 kW, tương đương giảm khoảng 30,8%. Điện áp các nút đều nằm trong giới hạn cho phép, với nút có điện áp thấp nhất là nút 32 đạt 0,95 p.u. (phần đơn vị). Thuật toán hội tụ nhanh, đạt kết quả tối ưu sau khoảng 10 vòng lặp.

  2. Giảm tổn thất công suất tác dụng trên lưới IEEE 69 nút: Tổn thất công suất tác dụng giảm từ mức ban đầu xuống còn 99,33 kW sau tái cấu trúc, tương ứng giảm khoảng 25-30%. Điện áp các nút được duy trì ổn định trong phạm vi cho phép, nút có điện áp thấp nhất là nút 61 với giá trị khoảng 0,94 p.u. Thuật toán SOS thể hiện khả năng xử lý tốt bài toán quy mô lớn với số lần đánh giá hàm mục tiêu tối đa 3000.

  3. Ảnh hưởng của nguồn phát phân tán (DG): Khi xét đến ảnh hưởng của DG, việc xác định vị trí và công suất tối ưu của DG giúp giảm thêm tổn thất công suất tác dụng trên lưới. Việc kết nối DG không hợp lý có thể làm tăng tổn thất và gây mất ổn định điện áp. Kết quả mô phỏng cho thấy DG được đặt tại các nút có tải lớn và vị trí chiến lược giúp cải thiện hiệu quả vận hành lưới.

  4. So sánh với các giải thuật khác: Kết quả của giải thuật SOS tương đương hoặc vượt trội hơn so với các giải thuật meta-heuristic khác như ACSA, FWA, HSA về mức giảm tổn thất và tốc độ hội tụ. SOS không yêu cầu nhiều tham số điều chỉnh, giúp đơn giản hóa quá trình triển khai.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm tổn thất công suất tác dụng là do giải thuật SOS tìm được cấu hình lưới tối ưu bằng cách thay đổi trạng thái đóng/mở các khóa điện, từ đó giảm dòng điện chạy qua các nhánh có điện trở lớn và cân bằng tải trên lưới. Việc xét đến ảnh hưởng của DG giúp tận dụng nguồn năng lượng cục bộ, giảm tải cho các nhánh truyền tải chính và giảm tổn thất.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng các giải thuật như PSO, GA, thuật toán SOS cho thấy ưu điểm về tốc độ hội tụ và khả năng tránh rơi vào cực trị địa phương nhờ cơ chế tương tác cộng sinh đa dạng. Kết quả mô phỏng được trình bày qua các biểu đồ điện áp các nút trước và sau tái cấu trúc, cũng như biểu đồ tổn thất công suất tác dụng, minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu không chỉ nằm ở việc giảm tổn thất mà còn góp phần nâng cao chất lượng điện năng, ổn định điện áp và tăng độ tin cậy vận hành lưới điện phân phối trong điều kiện có nguồn phát phân tán ngày càng phổ biến.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai giải thuật SOS trong hệ thống điều khiển lưới điện phân phối: Áp dụng giải thuật SOS để tự động hóa quá trình tái cấu trúc lưới điện nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng, nâng cao hiệu quả vận hành. Thời gian thực hiện đề xuất trong vòng 1-2 năm, chủ thể thực hiện là các công ty điện lực và trung tâm điều khiển hệ thống điện.

  2. Xác định vị trí và công suất tối ưu của nguồn phát phân tán (DG): Phát triển các công cụ hỗ trợ xác định vị trí và công suất DG phù hợp với đặc điểm tải và cấu trúc lưới nhằm tối ưu hóa tổn thất và ổn định điện áp. Khuyến nghị áp dụng trong quy hoạch phát triển lưới điện trong 3-5 năm tới.

  3. Nâng cao năng lực vận hành và bảo trì lưới điện phân phối: Đào tạo nhân lực vận hành về các kỹ thuật tái cấu trúc lưới điện và quản lý nguồn phát phân tán, đảm bảo vận hành an toàn và hiệu quả. Chủ thể thực hiện là các đơn vị đào tạo và công ty điện lực, thời gian liên tục.

  4. Phát triển chính sách hỗ trợ và khuyến khích đầu tư nguồn năng lượng tái tạo: Nhà nước cần xây dựng các chính sách ưu đãi, hỗ trợ kỹ thuật và tài chính để thúc đẩy phát triển nguồn DG, góp phần giảm tổn thất và bảo vệ môi trường. Thời gian thực hiện trong giai đoạn 5 năm tới.

  5. Nghiên cứu mở rộng áp dụng giải thuật SOS cho các hệ thống lưới điện quy mô lớn và phức tạp hơn: Tiếp tục phát triển và tối ưu thuật toán để xử lý các bài toán đa mục tiêu, đa ràng buộc trong vận hành lưới điện hiện đại. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trường đại học, thời gian 3-5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tái cấu trúc lưới điện phân phối, ứng dụng thuật toán tối ưu meta-heuristic, giúp nâng cao hiểu biết và phát triển nghiên cứu trong lĩnh vực.

  2. Các kỹ sư vận hành và quản lý lưới điện tại các công ty điện lực: Tham khảo để áp dụng các giải pháp tối ưu hóa vận hành, giảm tổn thất điện năng và cải thiện chất lượng điện năng trong thực tế.

  3. Các nhà hoạch định chính sách và quy hoạch năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển nguồn năng lượng tái tạo và quy hoạch lưới điện phân phối hiệu quả.

  4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp phát triển nguồn năng lượng tái tạo: Hiểu rõ tác động của nguồn phát phân tán đến lưới điện, từ đó lựa chọn vị trí và công suất đầu tư phù hợp, tối ưu hóa lợi ích kinh tế và kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải tái cấu trúc lưới điện phân phối?
    Tái cấu trúc giúp giảm tổn thất công suất tác dụng, cải thiện điện áp và độ tin cậy vận hành lưới điện. Ví dụ, việc thay đổi trạng thái các khóa điện có thể giảm tổn thất đến 30% trên lưới IEEE 33 nút.

  2. Giải thuật SOS có ưu điểm gì so với các giải thuật khác?
    SOS không cần nhiều tham số điều chỉnh, có khả năng tránh cực trị địa phương và hội tụ nhanh. Kết quả mô phỏng cho thấy SOS đạt hiệu quả cao hơn hoặc tương đương với PSO, GA trong bài toán tái cấu trúc lưới.

  3. Nguồn phát phân tán (DG) ảnh hưởng thế nào đến lưới điện phân phối?
    DG giúp giảm tổn thất và cải thiện điện áp nếu được đặt đúng vị trí và công suất. Ngược lại, DG không phù hợp có thể làm tăng tổn thất và gây mất ổn định. Do đó, xác định vị trí và công suất tối ưu của DG là rất quan trọng.

  4. Phạm vi áp dụng của phương pháp nghiên cứu này là gì?
    Phương pháp được mô phỏng trên hệ thống chuẩn IEEE 33 và 69 nút, có thể mở rộng áp dụng cho các lưới điện phân phối quy mô lớn hơn với điều chỉnh phù hợp.

  5. Làm thế nào để triển khai giải pháp tái cấu trúc lưới điện trong thực tế?
    Cần tích hợp thuật toán SOS vào hệ thống điều khiển lưới điện, đào tạo nhân lực vận hành và xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển nguồn DG. Việc này giúp tự động hóa và tối ưu hóa vận hành lưới điện phân phối.

Kết luận

  • Luận văn đã phát triển thành công phương pháp tái cấu trúc lưới điện phân phối cực tiểu tổn thất công suất tác dụng sử dụng giải thuật SOS, có xét đến ảnh hưởng của nguồn phát phân tán DG.
  • Kết quả mô phỏng trên hệ thống IEEE 33 nút và 69 nút cho thấy tổn thất công suất giảm khoảng 25-30%, điện áp các nút được duy trì ổn định trong giới hạn cho phép.
  • Giải thuật SOS thể hiện ưu điểm về tốc độ hội tụ và khả năng tránh cực trị địa phương so với các giải thuật meta-heuristic khác.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công cụ hỗ trợ cho việc quy hoạch và vận hành lưới điện phân phối trong điều kiện phát triển mạnh mẽ các nguồn năng lượng tái tạo.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế giải thuật SOS, mở rộng nghiên cứu cho các hệ thống lớn hơn và phát triển chính sách hỗ trợ phát triển nguồn DG.

Quý độc giả và các đơn vị quan tâm được khuyến khích áp dụng và phát triển tiếp các kết quả nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện phân phối, góp phần phát triển bền vững ngành năng lượng quốc gia.