Luận văn thạc sĩ về thiết bị mạng và điều khiển điện áp trong nhà máy điện phân phối

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích thiết bị mạng và nhà máy điện điều khiển điện áp mạng phân phối khi có dg, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi cho

• Tác giả: Huỳnh Hải Phận
• Người hướng dẫn: PGS. Phan Thị Thanh Bình
• Trường học: Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
• Đề tài: Điều Khiển Điện Áp Mạng Phân Phối Khi Có DG
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Trong bối cảnh hiện nay, việc áp dụng thiết bị mạng và điều khiển điện áp trong nhà máy điện trở thành một yếu tố quan trọng nhằm tối ưu hóa hoạt động của hệ thống điện phân phối. Điện phân phối đã và đang phát triển mạnh mẽ với sự gia tăng của các máy phát điện phân bố (DG). Sự hiện diện của DG không chỉ mang lại lợi ích về mặt kinh tế mà còn góp phần nâng cao độ tin cậy và chất lượng cung cấp điện. Tuy nhiên, việc kết nối DG vào lưới điện cũng đặt ra nhiều thách thức, đặc biệt là vấn đề kiểm soát điện áp. Theo nghiên cứu, việc điều chỉnh điện áp trong mạng lưới phân phối khi có DG yêu cầu một phương pháp điều khiển hiệu quả, có khả năng thích ứng với các biến đổi trong tải và công suất phát. Điều này dẫn đến việc cần thiết phải phát triển các hệ thống mạng thông minh, có khả năng tự động hóa quá trình điều khiển điện áp, nhằm đảm bảo rằng điện áp luôn nằm trong giới hạn cho phép.

1.1. Mục đích nghiên cứu

Mục đích của nghiên cứu này là đề xuất một phương pháp điều khiển điện áp tối ưu cho hệ thống điện phân phối có sử dụng DG. Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phân tích các ảnh hưởng của DG lên điện áp lưới và đề xuất giải pháp điều chỉnh điện áp hiệu quả thông qua việc sử dụng công nghệ điện và công nghệ thông tin. Đặc biệt, nghiên cứu sẽ xem xét việc áp dụng thuật toán gen di truyền để tối ưu hóa quá trình điều khiển điện áp, nhằm cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Phương pháp này không chỉ giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng mà còn nâng cao khả năng quản lý điện năng trong các nhà máy điện.

II. Cơ sở lý thuyết

Nghiên cứu này dựa trên các nguyên lý cơ bản của hệ thống điện và các yếu tố ảnh hưởng đến điện áp lưới điện khi có sự tham gia của DG. Các vấn đề chính được xem xét bao gồm: sự thay đổi điện áp do sự gia tăng công suất phát từ DG, và các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống điện. Việc sử dụng các cảm biến điện áp và bảng điều khiển thông minh sẽ giúp theo dõi và điều chỉnh điện áp trong thời gian thực, từ đó đảm bảo chất lượng điện năng cung cấp cho người tiêu dùng. Hơn nữa, việc áp dụng công nghệ thông tin trong điện sẽ tạo ra một nền tảng vững chắc cho việc phát triển các hệ thống điều khiển tự động và thông minh, giúp giảm thiểu các rủi ro liên quan đến sự cố điện áp.

2.1. Ảnh hưởng của DG lên hệ thống điện

Sự hiện diện của DG trong lưới điện có thể gây ra nhiều ảnh hưởng tích cực cũng như tiêu cực. Một mặt, DG giúp cải thiện độ tin cậy của hệ thống và giảm thiểu tổn thất điện năng. Mặt khác, nó cũng có thể dẫn đến sự gia tăng điện áp tại các điểm kết nối, làm tăng khả năng xảy ra sự cố. Nghiên cứu cho thấy rằng khi DG được kết nối vào lưới điện, cần phải có các biện pháp kiểm soát điện áp hiệu quả nhằm tránh tình trạng quá áp. Việc sử dụng các thiết bị như OLTC (On Load Tap Changer) để điều chỉnh điện áp là một trong những giải pháp hiệu quả được đề xuất trong nghiên cứu này.

III. Bài toán điều khiển điện áp mạng phân phối khi có DG

Bài toán điều khiển điện áp trong mạng phân phối khi có sự tham gia của DG đòi hỏi một cách tiếp cận mới, đặc biệt là trong việc quản lý thông tin giữa các DG và công ty điện lực. Việc thiếu thông tin liên lạc có thể dẫn đến khó khăn trong việc điều chỉnh điện áp và công suất phản kháng. Nghiên cứu đề xuất hai kịch bản: một là không có thông tin liên lạc giữa DG và trạm đầu nguồn, hai là có sự trao đổi thông tin. Kết quả cho thấy, việc có thông tin liên lạc giúp cải thiện đáng kể khả năng điều chỉnh điện áp và giảm thiểu các thao tác không cần thiết của OLTC, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.

3.1. Giải thuật toán và ứng dụng

Để giải quyết bài toán điều khiển điện áp, nghiên cứu áp dụng thuật toán gen di truyền (GA) để tối ưu hóa các thông số điều khiển. GA cho phép tìm kiếm giải pháp tối ưu cho việc điều chỉnh điện áp trong các tình huống khác nhau, từ đó đảm bảo rằng điện áp luôn nằm trong giới hạn cho phép. Ngoài ra, việc áp dụng mạng nơron nhân tạo để huấn luyện và dự đoán điện áp cũng được xem xét, giúp cải thiện khả năng dự đoán và điều chỉnh điện áp trong thời gian thực. Kết quả của nghiên cứu cho thấy, việc áp dụng GA và mạng nơron nhân tạo có thể nâng cao đáng kể hiệu quả điều khiển điện áp trong mạng phân phối.

IV. Ví dụ áp dụng

Nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng một số kịch bản thực tế để kiểm tra tính khả thi của các phương pháp điều khiển điện áp được đề xuất. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc kết hợp giữa DG và OLTC có thể mang lại hiệu quả cao trong việc duy trì điện áp ổn định trong mạng lưới phân phối. Các kịch bản mô phỏng đã chỉ ra rằng, với sự tham gia của DG, điện áp tại các điểm kết nối có thể được duy trì trong giới hạn cho phép, đồng thời giảm thiểu tổn thất năng lượng. Điều này chứng tỏ rằng, việc áp dụng công nghệ mới trong điều khiển điện áp không chỉ mang lại lợi ích về mặt kinh tế mà còn cải thiện chất lượng dịch vụ cung cấp điện.

4.1. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng, khi có sự tham gia của DG, điện áp tại các điểm kết nối có xu hướng ổn định hơn. Mô phỏng đã chỉ ra rằng, với các thông số điều khiển tối ưu, điện áp có thể được duy trì ở mức an toàn, đồng thời giảm thiểu các thao tác không cần thiết của OLTC. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí vận hành mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện. Hơn nữa, việc áp dụng các giải pháp công nghệ thông tin trong điều khiển điện áp cho phép theo dõi và quản lý hệ thống một cách hiệu quả hơn.

V. Kết luận

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng thiết bị mạng và điều khiển điện áp trong nhà máy điện phân phối có thể mang lại nhiều lợi ích đáng kể. Các phương pháp điều khiển điện áp được đề xuất không chỉ giúp duy trì điện áp ổn định mà còn nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Việc sử dụng thuật toán gen di truyền và mạng nơron nhân tạo trong điều khiển điện áp mở ra nhiều hướng phát triển mới cho ngành điện lực. Tương lai của ngành điện sẽ phụ thuộc nhiều vào khả năng áp dụng các công nghệ mới này để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống điện phân phối.

5.1. Hướng phát triển

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển điện áp mới, đặc biệt là trong bối cảnh ngày càng gia tăng sự tham gia của các nguồn năng lượng tái tạo. Các giải pháp công nghệ thông tin và tự động hóa sẽ ngày càng trở nên quan trọng trong việc quản lý và điều hành hệ thống điện phân phối. Đặc biệt, việc kết hợp giữa các công nghệ hiện đại và các phương pháp điều khiển truyền thống sẽ tạo ra một hệ thống điện thông minh, đáp ứng tốt hơn nhu cầu của người tiêu dùng và đảm bảo an toàn cho lưới điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Nếu với các DG không có sự trao đổi thông tin nào giữa DG và điện lực, vấn đề đơn giản như xác định điện áp cài đặt phía thứ cấp của các trạm phân phối (220/trung thế, 110kV/trung thế) lại trở nên không dễ dàng. Lý do là các trị điện áp thường mặc nhiên được cài đặt ở thanh cái trung thế như: 1.05 Uđm khi tải max,Uđm khi tải min lại không thể đáp ứng điện áp mong muốn tại các nút tải do các khả năng phát khác nhau của DG phụ thuộc vào yếu tố tự nhiên như gió hay mặt trời. Trường hợp này DG sẽ không được phát Q lên lưới. 19 LV Thạc sĩ GVHD: PGS.

Phan Thị Thanh Bình 3.2 Mục tiêu: - Đề tài tập trung vào đi tìm số trị điện áp mong muốn tối thiểu (trị cài đặt) phía thứ cấp biến thế có OLTC đáp ứng tất cả các giá trị công suất phát có thể có của các DG, tất cả các chế độ vận hành của các tải và cho một cấu hình lưới điện lưới phân phối bất kỳ( nhiều nhánh ra từ thanh cái thứ cấp biến thế có OLTC, DG với số lượng bất kỳ và chủng loại bất kỳ). - Ở đây, ta sẽ tìm khoảng giá trị nhỏ nhất của V (điện áp cài đặt mong muốn ref phía thứ cấp biến thế có OLTC) trong mỗi giờ để mạng lưới vận hành bình thường. Sau đó sẽ phân vùng làm việc cho OLTC để chọn giá trị tối ưu nhất.3 Giải thuật toán: - Ở một giờ thứ i có thể rơi vào một trong 2 tình huống: Vs DG  Khi tổng công suất phát lớn nhất của DG trên nhánh có thể lớn hơn tổng công suất tải trên nhánh đó: Khi không có DG, giá trị V tại min múi giờ thứ i (i=1  24 giờ) là giá trị nhỏ nhất có thể chấp nhận được của điện áp đầu ra máy biến áp để giữ điện áp tại mọi nút tải trong mạng lưới nằm trong khoảng cho phép (VD:0,95  1,05 p. Khi DG phát công suất tối đa, công suất có thể đổ về phía nguồn.

Do đó trị nhỏ nhất của điện áp Vs chấp nhận được sẽ lớn hơn Vmin và ta gọi là Vmax. Như vậy nếu điện áp Vs được chọn trong khoảng này thì điện áp toàn bộ lưới trung thế sẽ thỏa mức yêu cầu.  Khi tổng công suất phát lớn nhất của DG trên nhánh có thể nhỏ hơn tổng công suất tải trên nhánh đó : Khi không có DG, giá trị điện áp nhỏ nhất của Vs (gọi là Vmin) cần thiết sao cho điện áp tại mọi nút tải trong mạng lưới nằm trong khoảng cho phép (VD:0,95  1,05 p. 20 LV Thạc sĩ GVHD: PGS.

Phan Thị Thanh Bình Khi DG phát công suất tối đa, mức điện áp trong các nút có thể được cải thiện, do đó trị nhỏ nhất của điện áp Vs (vẫn cho phép duy trì điện áp trong lưới ở mức chấp nhận) sẽ là Vmin nêu trên. Như vậy điện áp Vs phải được chọn từ Vmin đến mức cho phép lớn nhất (được gọi là Vmax) (VD 1. - Sau khi có được 24 cặp giá trị [Vmin;Vmax] ( 24 tập giá trị) tương ứng với 24h trong ngày, sắp xếp số cặp lần lượt theo thứ tự thời gian và tìm giao của các tập này theo ưu tiên là một tập giao sẽ tương ứng với số giờ liên tục nhau. Tiếp theo là giao các tập giao này sẽ cho ra tập tương ứng với các phân đoạn thời gian khác nhau trong ngày.

Số tập giao cuối cùng sẽ là số giá trị Vref cần cài đặt theo thời gian. Mỗi giá trị Vref tương ứng với 1 nấc n của bộ chuyển nấc OLTC (để kéo dài tuổi thọ OLTC, số lần chuyển nấc trong mỗi ngày không nên vượt quá 3 lần).1: Phân vùng điều khiển 24 giờ của OLTC 3.3 Điều phối điện áp giữa OLTC và DG khi lưới điện có thông tin liên lạc giữa DG và trạm đầu nguồn: 3. Đặt vấn đề: Khi có sự kết nối truyền thông tin giữa các DG với điện lực, tức DG có sự thông báo về công suất phát ở từng thời điểm (P,Q), công việc điều chỉnh điện áp sẽ được san sẻ giữa OLTC và DG. 21 LV Thạc sĩ GVHD: PGS.

Phan Thị Thanh Bình 3. Mục tiêu: Mục tiêu của phương pháp này là tìm lượng công suất phản kháng của mỗi DG để phát lên lưới sao cho giữ nấc OLTC vẫn ở vị trí cố định trong bất kỳ hoàn cảnh tải nào. Giải thuật toán: Như trên đã đề cập, có 2 tình huống sẽ được xem xét: a) Khi hệ số công suất của các DG phải được giữ là hằng: - Như vậy ứng với mỗi công suất thực của các DG, lượng công suất Q phát ra từ chúng là đã cho, việc duy trì điện áp phía thứ cấp của biến thế có OLTC sẽ được thực thi nhờ các đầu phân áp và tụ điện có trên trạm phân phối cao/trung thế (phía trung thế). Việc công suất qua máy biến thế thay đổi không những do các phụ tải mà còn do sự phụ thuộc công suất phát của cá DG như gió hay mặt trời.

Do việc điều chỉnh đầu phân áp còn thực hiện bằng tay ở nước ta, ưu tiên giữ đầu phân áp đã cho là một điều tương đối mặc định. Vậy bài toán trở thành đi tìm lượng công suất cần bơm vào hay giảm bớt đi từ việc đóng cắt các bộ tụ trên trạm. - Mối quan hệ giữa V1 và V2 trên trạm phân phối (hình 2): V1=(V2+(P*RT+(Q-Qc)*XT)/V2 (3.1) - Với RT và XT là điện trở và cảm kháng của biến thế; P,Q là công suất phía thứ cấp biến thế.1 - Nếu V2 = Vs≠V2ref, khi giữ nguyên đầu phân áp, cần bù một lượng công suất Qc phía thứ cấp biến thế. Ở đây coi như V1 là hằng, lượng công suất này được dễ dàng xác định từ (3.

Từ lượng Qc này, ta trừ đi tổng QDG phát lên lưới của các DG chính là giá trị cần đóng cắt của các bộ tụ. 22 LV Thạc sĩ GVHD: PGS. Phan Thị Thanh Bình b) Khi có thể điều chỉnh công suất phản kháng của các DG: - Từ (3.1) tìm được lượng công suất tổng Qc cần phát từ các DG. - Nếu mạng điện phân phối có nhiều vị trí gắn DG có thể phát Q lên lưới, với một giá trị QDG sẽ có vô số phương án phát Q.

Khi ấy phương án nào có tổn thất công suất trong lưới phân phối nhỏ hơn cả sẽ là hợp lý nhất, vì khi đó có thể coi như sự thay đổi của P tại phía thứ cấp biến thế (tức nút 2) là không đáng kể. - Lưu ý là các máy phát có thể phát Q lên lưới sẽ có ràng buộc về khả năng phát: QDG i min<=QDG i<=QDG i max (3.2) - Các giá trị giới hạn khả năng phát theo Q thay đổi theo chế độ vận hành của DG. Bài toán trở thành: min P (3.3) QDGmini  QDGi  QDGmaxi (3.5) Vmini  Vi  Vmaxi (3.7) được giải bằng giải thuật gen. Kết quả sẽ là giá trị QDG cần phát của mỗi DG.

Nếu không tìm được lời giải, điều này có nghĩa là cần thay đổi đầu phân áp. - Tuy nhiên thuật toán gen di truyền sẽ cho thời gian tìm lời giải tương đối lâu. Ý tưởng xây dựng phương pháp điều khiển theo mô hình huấn luyện mạng neuron với ưu điểm về tốc độ xử lý và khả năng học có giám sát được áp dụng. Từ các thay đổi về công suất phát của DG hay nhu cầu trên tải, thông tin sẽ được truyền về bộ xử lý đầu nguồn.

Sau khi tham khảo từ mạng neuron, giá trị quy định công suất 23 LV Thạc sĩ GVHD: PGS. Phan Thị Thanh Bình kháng Q_DG được truyền cho các DG để phát lên lưới lượng công suất phù hợp. Thời gian đáp ứng là tức thời. Dữ liệu của mạng neuron là các input và output như sau:  Input: o Điện áp ở phía thứ cấp máy biến áp (vị trí tap n của OLTC) o Tổng công suất P và Q đo được phía thứ cấp (lượng P và Q cần để phân phối lên lưới) o Tổ hợp công suất P mà các DG phát lên lưới.

 Output: o Tổ hợp phát QDG của các DG cần tìm là tổ hợp có tổn thất công suất bé nhất.2: Mô hình mạng nơ ron 3.4 Áp dụng của thuật toán gen di truyền GA trong bài toán: 3.1 Các điều kiện ràng buộc: - Như đã trình bày ở trên, các ràng buộc được xét cho bài toán gen như sau:  Tổng công suất phản kháng cần phát của các DG bằng Qc hoặc sai số epsilon  Giới hạn khả năng phát Q của mỗi DG nằm trong khoảng cho phép [QDGmin QDGmax]  Điện áp tại tất cả các nút trong mạng phải nằm trong khoảng cho phép [0.05] 24 LV Thạc sĩ GVHD: PGS. Phan Thị Thanh Bình  Sai số giữa điện áp phía thứ cấp máy biến áp và trị cài đặt mong muốn phải nhỏ hơn epsilon  Tổn hao công suất trong mạng là thấp nhất - Khi một ràng buộc trong bị vi phạm, thì ngay lập tức giá trị thích nghi của cá thể đó bằng 1.2 Mã hóa DG trong bài toán: Giải thuật di truyền là một tiến trình nghiên cứu đánh giá một quần thể với một tập lớn các cá thể (cũng chính là nghiệm của bài toán tối ưu đang khảo sát, tức là lượng công suất phản kháng của các DG cần phát lên lưới). Trong đó, mỗi cá thể tương ứng với một chuỗi các gen khác nhau và có thể được mã hóa thành nhiều dạng khác nhau. Ở đây, chọn kiểu mã hóa các cá thể thành chuỗi các bit nhị phân (0 và 1).

Xét bài toán với 3 DG có thể phát Q lên lưới. Với mỗi DG phát lên lưới, ta có khoảng công suất [Qmin Qmax ] có thể phát của từng DG. Chia [Qmin Qmax] của mỗi DG thành n giá trị cách đều nhau với n  2 k  1 , trong đó k là số bit (0 hoặc 1) của mỗi DG. Ta thành lập chuỗi bit X=[1,1,0,0,0,.

Trong đó, k bit đầu ứng với Qdg thứ nhất, k bit kế ứng với Qdg tiếp theo, k bit sau cùng ứng với Qdg sau cùng (với giá trị bit 0,0,0,.,0 ứng với Qmin và 1,1,1,.,1,1,1,1 ứng với Qmax của mỗi DG). Từ lượng công suất phản kháng Qc cần bù được tính ở trên, ta dùng giải thuật gen di truyền, thuật toán gen di truyền sẽ tự động lai tạo các bit với nhau để tìm ra chuỗi bit tối ưu nhất mà tổng công suất phát của tất cả các DG bằng Qc (hoặc có sai số epsilon) sao cho mạng lưới vẫn thỏa mãn được các yêu cầu và có tổn hao là thấp nhất. 25 LV Thạc sĩ GVHD: PGS. Phan Thị Thanh Bình 3.