Luận văn: Điều độ tối ưu công suất phản kháng có xét đến nhiệt độ dây dẫn

Nghiên cứu bài toán điều độ tối ưu công suất phản kháng có xét đến nhiệt độ dây dẫn nhằm cực tiểu hóa tổn thất công suất tác dụng trên hệ thống điện.

• Tác giả: Đỗ Nhật Tân
• Người hướng dẫn: TS. Phan Quang Ấn
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Điều độ tối ưu công suất phản kháng trong hệ thống điện có xét đến nhiệt độ dây dẫn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Khái niệm về điều độ tối ưu công suất phản kháng

Điều độ tối ưu công suất phản kháng (Optimal Reactive Power Dispatch - ORPD) là một bài toán quan trọng trong vận hành hệ thống điện hiện đại. Mục tiêu chính của ORPD là cực tiểu hóa tổn thất công suất tác dụng trong hệ thống điện trong khi duy trì các điều kiện ràng buộc về an toàn và chất lượng điện năng. Bài toán này liên quan đến việc điều chỉnh các biến điều khiển như công suất phát của các nhà máy điện, chỉnh định máy biến áp, và công suất của các dãy tụ bù công suất phản kháng. Trong hệ thống điện, công suất phản kháng ảnh hưởng trực tiếp đến mức điện áp tại các nút và tổn thất truyền tải. Việc quản lý công suất phản kháng một cách hiệu quả giúp cải thiện hiệu suất hệ thống và giảm chi phí vận hành.

1.1. Định nghĩa và tầm quan trọng của ORPD

Công suất phản kháng tối ưu là một khái niệm kỹ thuật nhằm tối ưu hóa hoạt động của hệ thống điện. ORPD đóng vai trò quan trọng trong việc giảm tổn thất công suất, cải thiện hồ sơ điện áp, và nâng cao tính ổn định của hệ thống. Các ứng dụng thực tế của ORPD bao gồm quản lý năng lượng, giảm chi phí vận hành, và đảm bảo độ tin cậy của lưới điện truyền tải.

1.2. Biến số điều khiển trong bài toán ORPD

Các biến điều khiển chính trong bài toán ORPD bao gồm điện áp của các nhà máy điện, chỉ số chỉnh định máy biến áp, và công suất dãy tụ bù phản kháng. Mỗi biến điều khiển có những giới hạn hoạt động nhất định. Việc tối ưu hóa các biến này đòi hỏi các thuật toán tiên tiến để đạt được kết quả tối ưu nhất với thời gian tính toán hợp lý.

II. Ảnh hưởng của nhiệt độ dây dẫn đến công suất phản kháng

Nhiệt độ dây dẫn là một yếu tố quan trọng thường bị bỏ qua trong các bài toán ORPD truyền thống. Khi dòng điện chạy qua dây dẫn điện, nó tỏa nhiệt do điện trở (theo định luật Joule), làm tăng nhiệt độ của dây. Nhiệt độ dây dẫn tăng sẽ dẫn đến tăng điện trở dây dẫn, từ đó làm tăng tổn thất công suất. Hơn nữa, nhiệt độ cao cũng ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của dây dẫn và giảm tuổi thọ của cách điện. Việc tính toán điều độ công suất phản kháng có xét đến nhiệt độ dây dẫn (Temperature Dependent ORPD) cho phép tìm ra giải pháp vận hành hệ thống điện một cách hiệu quả hơn.

2.1. Mối quan hệ giữa dòng điện và nhiệt độ dây dẫn

Theo định luật Joule, công suất tỏa nhiệt trên dây dẫn tỷ lệ với bình phương dòng điện (I²R). Khi dòng điện tăng, nhiệt độ dây dẫn cũng tăng theo. Mối quan hệ phi tuyến giữa dòng điện và nhiệt độ dây dẫn là rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều tham số như điều kiện môi trường xung quanh, tính chất vật liệu của dây dẫn.

2.2. Tác động của nhiệt độ đến điện trở dây dẫn

Điện trở dây dẫn thay đổi theo nhiệt độ theo công thức: R(T) = R₀[1 + α(T - T₀)]. Khi nhiệt độ tăng, điện trở cũng tăng, dẫn đến tăng tổn thất công suất trên dây dẫn. Việc xem xét ảnh hưởng này giúp tìm ra điều độ tối ưu mà vừa tiết kiệm năng lượng vừa bảo vệ cơ sở hạ tầng điện.

III. Thuật toán Chaotic Equilibrium Optimization CEO

Thuật toán Chaotic Equilibrium Optimization (CEO) là một phương pháp tối ưu hóa tiên tiến dựa trên nguyên lý cân bằng vật lý và lý thuyết hỗn loạn. Thuật toán này được phát triển từ Equilibrium Optimization (EO) bằng cách kết hợp các hàm hỗn loạn (chaotic functions) để cải thiện khả năng tìm kiếm và tránh các cực tiểu cục bộ. Trong bài toán điều độ công suất phản kháng tối ưu, CEO cho phép tìm ra giải pháp tốt hơn so với các thuật toán truyền thống. Thuật toán CEO sử dụng cơ chế cân bằng động để điều chỉnh vị trí các hạt tìm kiếm trong không gian giải pháp, từ đó nhanh chóng hội tụ đến điểm tối ưu.

3.1. Nguyên lý hoạt động của thuật toán CEO

Thuật toán CEO bắt đầu bằng việc khởi tạo một quần thể các hạt tìm kiếm ngẫu nhiên trong không gian lời giải. Mỗi lần lặp, các hạt được cập nhật vị trí dựa trên lực cân bằng từ các điểm tối ưu. Hàm hỗn loạn được sử dụng để tạo ra các chuyển động ngẫu nhiên và giúp thuật toán thoát khỏi các cực tiểu cục bộ.

3.2. Ưu điểm của CEO so với EO truyền thống

So với Equilibrium Optimization (EO) truyền thống, CEO cải thiện khả năng hội tụ toàn cục thông qua việc sử dụng hàm hỗn loạn. Điều này giúp thuật toán tìm kiếm hiệu quả hơn trong không gian giải pháp phức tạp của bài toán ORPD. CEO cũng giảm thời gian tính toán và nâng cao độ chính xác của kết quả tối ưu.

IV. Ứng dụng và kết quả thực nghiệm trên hệ thống IEEE 30 nút

Luận văn thạc sĩ này áp dụng thuật toán CEO để giải quyết bài toán điều độ tối ưu công suất phản kháng có xét đến nhiệt độ dây dẫn trên mạng điện chuẩn IEEE 30 nút. Hệ thống này bao gồm 30 nút, 6 máy phát điện, 9 máy biến áp có chỉ số chỉnh định, và 9 dãy tụ bù công suất phản kháng. Hàm mục tiêu là cực tiểu hóa tổn thất công suất tác dụng trong khi thỏa mãn các ràng buộc về điện áp, công suất truyền tải, và nhiệt độ dây dẫn. Kết quả thực nghiệm cho thấy CEO đạt được giải pháp tối ưu tốt hơn các thuật toán khác như EO, Particle Swarm Optimization (PSO), và Genetic Algorithm (GA).

4.1. Thiết lập bài toán trên IEEE 30 nút

Hệ thống IEEE 30 nút là một mạng điện chuẩn được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu. Bài toán ORPD có xét đến nhiệt độ được thiết lập với các hàm mục tiêu bao gồm tổn thất công suất, độ lệch điện áp, và ổn định điện áp. Các ràng buộc bao gồm giới hạn công suất phát, giới hạn điện áp, và khả năng chịu nhiệt độ của dây dẫn.

4.2. So sánh kết quả giữa các thuật toán

Kết quả thực nghiệm cho thấy CEO vượt trội so với EO, PSO, và GA về cả độ chính xác và tốc độ hội tụ. Tổn thất công suất đạt được từ CEO thấp hơn các phương pháp khác, chứng tỏ hiệu quả của việc tích hợp tính hỗn loạn vào thuật toán tối ưu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề và lý do chọn đề tài Yêu cầu chính đối với bất kỳ Hệ thống điện của Quốc gia nào vẫn là phải đảm bảo HTĐ vận hành an toàn, tin cậy, ổn định, đảm bảo chất lượng và kinh tế. Bên cạnh đó, nguồn năng lượng sơ cấp để chuyển hóa thành nguồn điện năng có giới hạn và đặc biệt tại Việt Nam thời gian vừa qua với việc thâm nhập của một lượng lớn nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng gió và mặt trời) đã càng cho thấy rõ được tầm quan trọng của bài toán Điều độ công suất phản kháng tối ưu (ORPD) trong HTĐ. Bài toán điều độ công suất phản kháng tối ưu (ORPD) sẽ cho kết quả tối đa lợi nhuận, vì thế để tăng cường đảm bảo về an ninh và vận hành an toàn cần thiết phải khảo sát các vấn đề ràng buộc an ninh trong bài toán điều độ công suất phản kháng tối ưu. Bên cạnh đó, yếu tố nhiệt độ cũng là một thành phần làm cho các kết quả có sai số và không chính xác dẫn đến ảnh hưởng công tác vận hành, dự báo, quy hoạch trong HTĐ.

Cho nên, cũng nên được nghiên cứu đưa vào bài toán để giúp đảm bảo tính chính xác của kết quả tính toán. Bài toán điều độ công suất phản kháng tối ưu (ORPD) là một khía cạnh quan trọng của nghiên cứu hệ thống điện vì công suất phản kháng rất quan trọng để duy trì điện áp mạng trong giới hạn mong muốn về độ tin cậy của hệ thống. Trong ORPD thông thường, điện trở nhánh của hệ thống được coi là không đổi đối với sự thay đổi nhiệt độ. Tuy nhiên, cần tính đến mối tương quan nhiệt độ của điện trở nhánh để tăng cường tính toán chính xác dòng điện và tổn thất nhánh.

Bài viết này trình bày một phương pháp tối ưu hóa cân bằng hỗn loạn (CEO) mới để giải quyết vấn đề điều độ công suất phản kháng tối ưu phụ thuộc vào nhiệt độ (TDORPD) bằng cách tối ưu hóa tổn thất điện năng và độ lệch điện áp. CEO đề xuất được triển khai cho các vấn đề ORPD và TDORPD thông thường trên mạng thử nghiệm IEEE 30-bus. Hơn nữa, ảnh hưởng của nhiệt độ đến bài toán TDORPD cũng được phân tích. Kết quả chứng minh hiệu suất của CEO tốt hơn so với EO ban đầu và các phương pháp khác về chất lượng giải pháp, điều này khẳng định tính hiệu quả của nó trong việc giải quyết các vấn đề ORPD và TDORPD.

Đỗ Nhật Tân Page 1 CBHD: TS Phan Quang Ấn Mặc dù nhiệt độ tăng ảnh hưởng lớn đến việc phân tích dòng tải nhưng có rất ít nghiên cứu kiểm tra ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ thống điện. Jadhav và cộng sự [27] đã đề xuất phương pháp ABC (GABC) để giải quyết các vấn đề về dòng công suất tối ưu (OPF) với ảnh hưởng nhiệt độ. Prasad và cộng sự [28] đã phát triển thuật toán tối ưu hóa cá voi hỗn loạn (CWOA) để giải quyết vấn đề OPF phụ thuộc vào nhiệt độ. Trong các nghiên cứu này, sự thay đổi của nhiệt độ đối với tổn thất hệ thống và điện trở được phân tích với hệ thống IEEE 30- bus.

Dựa trên tổng quan tài liệu, ảnh hưởng của nhiệt độ đến vấn đề ORPD chưa được nghiên cứu. Với những động lực này, nghiên cứu này đề xuất một phương pháp tối ưu hóa trạng thái cân bằng hỗn loạn (CEO) mới để giải quyết bài toán ORPD (TDORPD) phụ thuộc vào nhiệt độ. Đây là nghiên cứu đầu tiên về ảnh hưởng của nhiệt độ đến vấn đề ORPD. CEO được đề xuất được kết hợp với chiến lược tìm kiếm cục bộ hỗn loạn để có khả năng tìm kiếm tốt hơn.

Các thuật toán đề xuất được triển khai trên hệ thống thử nghiệm IEEE 30-bus với nhiều trường hợp nghiên cứu khác nhau. Bài viết này có những đóng góp chính sau: • TDORPD được xác định là bài toán đơn mục tiêu và đa mục tiêu xem xét chủ động giảm thiểu tổn thất điện năng thực và nâng cao điện áp. Để cải thiện độ chính xác của bài toán TDORPD, nghiên cứu này sử dụng phương pháp tiếp cận dòng công suất phụ thuộc nhiệt độ ( FC- TDPF) kết hợp hoàn toàn [1] để thực hiện phân tích dòng công suất có xét đến nhiệt độ tác dụng lên các phần tử nhánh. • Cách tiếp cận hỗn loạn được tích hợp vào mô hình EO để phát triển một cách tiếp cận siêu hình mới, cụ thể là CEO để giải quyết vấn đề TDORPD.

CEO được triển khai giải quyết vấn đề TDORPD trên mạng IEEE 30-bus bằng một số nghiên cứu điển hình. Bài toán TDORPD được thực hiện với các mức tăng nhiệt độ khác nhau để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đối với giải pháp TDORPD. • Kết quả mô phỏng của CEO đề xuất được so sánh với EO ban đầu và các phương pháp khác để khẳng định nó hoạt động tốt. Đỗ Nhật Tân Page 2 CBHD: TS Phan Quang Ấn 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Bài toán điều độ công suất phản kháng tối ưu (ORPD) là một khía cạnh quan trọng của nghiên cứu hệ thống điện vì công suất phản kháng rất quan trọng để duy trì điện áp mạng trong giới hạn mong muốn về độ tin cậy của hệ thống.3 Phạm vi nghiên cứu Điều khiển công suất phản kháng tối ưu có kể đến nhiệt độ.4 Phương pháp nghiên cứu Trên thực tế, yếu tố nhiệt độ có ảnh hưởng đến các phần tử trên hệ thống điện và có mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau nên luận văn đưa yếu tố nhiệt độ vào bài toán điều độ công suất phản kháng tối ưu.

Và luận văn cho một kết quả tốt sẽ là tiền đề để phát triển nghiên cứu bài toán điều độ công suất phản kháng tối ưu phức tạp hơn trong tương lai.5 Ý nghĩa thực tiễn Việc nghiên cứu đưa thêm yếu tố nhiệt độ vào bài toán điều độ công suất phản kháng tối ưu sẽ làm tăng thêm mức độ chính xác và gần với thực tế trong kết quả tính toán hơn. Vì thế sẽ giúp tăng cường đảm bảo an toàn, an ninh trong công tác vận hành, các bài toán về quy hoạch hay dự báo hệ thống điện sẽ càng chính xác hơn. Đỗ Nhật Tân Page 3 CBHD: TS Phan Quang Ấn CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan bài toán điều độ công suất phản kháng tối ưu (ORPD) Yêu cầu quan trọng nhất trong vận hành hệ thống điện là đảm bảo cho hệ thống làm việc tối ưu và tin cậy, muốn vậy khi vận hành các phần tử trong hệ thống điện phải đảm bảo được các điều kiện sau đây: ❖ Điện năng phải được cung cấp liên tục. ❖ Điện áp và tần số phải nằm trong giới hạn cho phép.

❖ Đáp ứng được đồ thị phụ tải một cách nhanh chóng và linh hoạt. ❖ Đảm bảo tính kinh tế cao: giảm chi phí nhiên liệu và giảm tổn thất điện năng. Khái niệm về ổn định hệ thống điện: - Phân loại ổn định hệ thống điện • Ổn định góc rotor Ổn định tạm thời: Liên quan đến khả năng duy trì đồng bộ sau khi gặp một nhiễu loạn lớn như ngắn mạch hay mất máy phát. Hệ thống cần phải hồi phục về trạng thái cân bằng trong một khoảng thời gian ngắn.

Ổn định nhỏ: Đề cập đến khả năng duy trì đồng bộ khi gặp những nhiễu loạn nhỏ, chẳng hạn như dao động nhỏ trong tải hoặc sản xuất điện. • Ổn định tần số Liên quan đến khả năng duy trì tần số của hệ thống điện trong giới hạn cho phép sau khi gặp một nhiễu loạn ảnh hưởng đến cân bằng công suất giữa sản xuất và tiêu thụ. • Ổn định điện áp Ổn định điện áp tĩnh: Khả năng duy trì điện áp ổn định dưới các điều kiện hoạt động bình thường. Đỗ Nhật Tân Page 4 CBHD: TS Phan Quang Ấn Ổn định điện áp động: Khả năng duy trì điện áp ổn định khi gặp các nhiễu loạn lớn và kéo dài.

- Các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định hệ thống điện • Thiết kế hệ thống: Cấu trúc hệ thống điện, vị trí và dung lượng các máy phát, cũng như mạng lưới truyền tải. • Tải và phụ tải: Tính chất và biến đổi của phụ tải điện có ảnh hưởng lớn đến ổn định của hệ thống. • Bảo vệ và điều khiển: Các thiết bị bảo vệ và hệ thống điều khiển tự động như PSS, AVR và các hệ thống bảo vệ dự phòng. • Nhiễu loạn: Các loại nhiễu loạn như mất cân bằng công suất, sự cố ngắn mạch, hoặc các yếu tố thời tiết.

- Phương pháp phân tích ổn định hệ thống điện • Phân tích thời gian miền: Sử dụng các mô hình động lực học để mô phỏng hành vi của hệ thống trong khoảng thời gian sau khi gặp nhiễu loạn. • Phân tích miền tần số: Dùng các công cụ như biểu đồ Nyquist hay Bode để đánh giá ổn định nhỏ. • Phương pháp phần tử hữu hạn: Được sử dụng để phân tích các vấn đề ổn định điện áp phức tạp. - Công nghệ và biện pháp cải thiện ổn định hệ thống điện • Lưới điện thông minh (Smart Grid): Sử dụng công nghệ thông minh để giám sát và điều khiển hệ thống điện • Điều chỉnh công suất phản kháng: Sử dụng các thiết bị như SVC (Static Var Compensator) hay STATCOM (Static Synchronous Compensator) để duy trì điện áp ổn định.

• Thiết bị lưu trữ năng lượng: Sử dụng pin và các hệ thống lưu trữ khác để cân bằng cung cầu năng lượng. Bài toán ORPD là bài toán có ý nghĩa quan trọng, rất được quan tâm và được sử dụng rộng rãi trong vận hành và quy hoạch hệ thống điện do những ưu điểm mà bài toán mang lại góp phần không nhỏ trong việc đảm bảo các điều kiện nêu trên. Đỗ Nhật Tân Page 5 CBHD: TS Phan Quang Ấn Giải bài toán ORPD là xác định những biến số điều khiển như độ lớn điện áp máy phát, giá trị đóng ngắt bộ bù VAR và nấc điều chỉnh máy biến áp để hàm mục tiêu của bài toán đạt cực tiểu trong khi thỏa điều kiện ràng buộc của hệ thống. Mục tiêu chính của bài toán ORPD là nâng cao ổn định điện áp, cải thiện biến dạng điện áp và giảm tổn thất công suất truyền tải trên hệ thống điện mà vẫn thỏa mãn tất cả các ràng buộc vận hành cho phép.

Những lợi ích của việc điều độ tối ưu công suất phản kháng bao gồm: sử dụng triệt để nguồn công suất phản kháng do đó giảm lượng công suất phản kháng phải truyền tải, giảm tổn thất công suất tác dụng và giảm tải cho các thiết bị, hệ thống.