I. Tổng Quan Về Nguồn Điện Phân Tán Giảm Tổn Thất Điện Năng
Điện năng đóng vai trò then chốt trong sự ổn định và phát triển kinh tế, xã hội của mỗi quốc gia. Tuy nhiên, tình trạng thiếu hụt năng lượng, đặc biệt là điện năng, ngày càng trở nên cấp bách, đặc biệt trong các giờ cao điểm. Giải pháp cải tạo, nâng cấp đường dây hoặc lắp đặt thêm trạm biến áp đòi hỏi vốn đầu tư lớn và làm tăng chi phí vận hành. Do đó, việc sử dụng nguồn điện phân tán (DG) trở thành một lựa chọn hiệu quả. DG giúp giảm công suất điện mua từ hệ thống truyền tải, tận dụng các nguồn năng lượng tái tạo, giảm giá điện, và trì hoãn việc xây dựng thêm đường dây mới. Theo nghiên cứu, tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối chiếm tỷ lệ đáng kể, từ 4-6,7% tổng công suất sản xuất của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN).
1.1. Định nghĩa và lợi ích của Nguồn Điện Phân Tán DG
Nguồn điện phân tán (DG) là các máy phát có công suất nhỏ hơn 10MW, chi phí thấp, dễ vận hành và xây dựng nhanh chóng. DG có thể sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như thủy năng, phong năng, quang năng. Công nghệ DG đa dạng: nhiệt điện kết hợp, quang điện, tuabin gió, pin nhiên liệu, thủy điện nhỏ, máy phát động cơ đốt trong, microturbine. DG mang lại nhiều lợi ích như giảm tải trên lưới điện, giảm tổn hao công suất và chi phí vận hành, cải thiện chất lượng điện và độ tin cậy, bình ổn giá điện, cung cấp các dịch vụ hỗ trợ. Các DG hoạt động độc lập không hiệu quả do chi phí vận hành tăng cao, công suất phát điện không ổn định nên độ tin cậy cung cấp điện thấp. Vì vậy, các DG thường được kết nối trực tiếp với lưới điện phân phối trung áp/ hạ áp. Khách hàng có thể kiểm soát giá thành điện năng và chuyển đổi nguồn điện sao cho họ có lợi nhất.
1.2. Ảnh hưởng của DG đến Lưới Điện Phân Phối LĐPP
Khi lưới điện phân phối có kết nối các DG, khách hàng có thể kiểm soát giá thành điện năng và chuyển đổi nguồn điện sao cho họ có lợi nhất. Vì thế, cần căn cứ vào cấu trúc lưới điện, dung lượng cần truyền tải, giá điện mua từ hệ thống và từ các DG, các yêu cầu về tác động môi trường để đưa ra các phương án thay đổi cấu trúc lưới điện ở từng thời điểm sao cho chi phí vận hành (chi phí chuyển tải và tổn thất công suất) là nhỏ nhất, đồng thời đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật. DG có trở kháng lớn, nên dòng ngắn mạch của nó rất nhỏ, do đó mức độ ảnh hưởng đến LĐPP khi nó vận hành song song là rất thấp. Các điều độ viên phải căn cứ vào cấu trúc lưới điện, dung lượng cần truyền tải, giá điện mua từ hệ thống và từ các DG và các yêu cầu về tác động môi trường và sinh thái.
II. Vấn Đề Tổn Thất Công Suất Thách Thức Lớn Trên Lưới Điện
Một trong những thách thức lớn nhất trong vận hành lưới điện phân phối là tổn thất công suất. Theo thống kê từ EVN, tổn thất điện năng hàng năm chiếm tỷ lệ đáng kể. Tổn thất này không chỉ gây lãng phí tài nguyên mà còn làm tăng chi phí vận hành và giảm hiệu quả kinh tế. Việc tìm ra các giải pháp để giảm thiểu tổn thất công suất là vô cùng quan trọng. Bài toán “Tối ưu lắp đặt nguồn điện phân tán trong lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất công suất” là một trong những hướng đi tiềm năng, có thể góp phần cải thiện đáng kể hiệu quả vận hành của hệ thống điện.
2.1. Nguyên nhân gây tổn thất công suất trong LĐPP
Tổn thất điện năng trên LĐPP chiếm tỷ lệ cao do nhiều yếu tố, bao gồm: nhiều cấp điện áp, phương thức vận hành chưa tốt, đường dây phức tạp, các hộ phụ tải có tính chất khác nhau, thiết kế kín - mạch vòng, vận hành hở - mạch tia. Lưới điện phân phối (LĐPP) 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. Mặt khác LĐPP có tính chất: Thiết kế kín - mạch vòng, vận hành hở - mạch tia. Do đó mục tiêu của bài toán tái cấu hình LĐPP 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 kỹ thuất để hệ thống vận hành bình thường.
2.2. Tầm quan trọng của việc giảm tổn thất công suất
Giảm tổn thất công suất không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn mang lại nhiều lợi ích khác, như giảm chi phí vận hành, tăng độ tin cậy cung cấp điện, và cải thiện chất lượng điện năng. Các giải pháp giảm tổn thất công suất đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển bền vững. Để giảm tổn thất trên LĐPP các điều độ viên sẽ thay đổi cấu trúc LĐPP vận hành bằng các thao tác đóng /mở các cặp khóa điện trên LĐPP. Vì vậy, trong quá trình thiết kế các loại khóa điện (Recloser, LBS, DS, LTD…) sẽ được lắp đặt tại các vị trí tốt nhất để...'.
III. Cách Tối Ưu Vị Trí Công Suất DG Giải Pháp Giảm Tổn Thất
Việc xác định vị trí và công suất tối ưu cho các nguồn điện phân tán (DG) đóng vai trò then chốt trong việc giảm tổn thất công suất. Bằng cách đặt các DG ở các vị trí chiến lược và điều chỉnh công suất phù hợp, có thể giảm thiểu dòng điện trên các đường dây, từ đó giảm tổn thất điện năng. Các phương pháp tối ưu hóa, như Thuật toán Whale Optimization Algorithm (WOA), có thể được sử dụng để giải quyết bài toán này.
3.1. Xác định vị trí tối ưu cho DG bằng thuật toán WOA
Thuật toán Whale Optimization Algorithm (WOA) là một thuật toán tối ưu hóa metaheuristic, mô phỏng hành vi săn mồi của cá voi lưng gù. Thuật toán này có thể được áp dụng để tìm kiếm vị trí và công suất tối ưu cho các DG trong lưới điện phân phối. WOA có khả năng tìm kiếm không gian giải pháp hiệu quả và tìm ra các giải pháp tốt trong thời gian ngắn.
3.2. Tối ưu công suất DG để giảm tổn thất điện năng
Sau khi xác định vị trí lắp đặt DG, việc tối ưu công suất của DG là rất quan trọng. Công suất DG phải được điều chỉnh sao cho phù hợp với nhu cầu phụ tải và điều kiện vận hành của lưới điện. Nếu công suất DG quá lớn, có thể gây ra quá áp và các vấn đề khác. Nếu công suất DG quá nhỏ, hiệu quả giảm tổn thất sẽ không cao. Do đó, cần phải có một phương pháp tối ưu hóa để xác định công suất DG phù hợp.
3.3. Kết hợp WOA với tái cấu trúc lưới điện
Kết hợp thuật toán tối ưu vị trí DG với việc tái cấu trúc LĐPP là một giải pháp hiệu quả. Việc thay đổi cấu trúc LĐPP có thể giúp giảm tổn thất điện năng và cải thiện độ tin cậy cung cấp điện. Thuật toán WOA có thể được sử dụng để đồng thời tối ưu vị trí DG và cấu trúc LĐPP.
IV. Ứng Dụng Mô Phỏng Thực Tế Kết Quả Nghiên Cứu Tối Ưu
Nghiên cứu đề xuất áp dụng thuật toán WOA để tối ưu hóa vị trí và công suất DG trên lưới điện phân phối (LĐPP) 33 nút và 69 nút. Kết quả mô phỏng cho thấy việc lắp đặt DG theo phương pháp tối ưu giúp giảm đáng kể tổn thất công suất và cải thiện điện áp trên lưới. Các phần mềm mô phỏng như PSS – ADEPT, MATLAB, ETAP được sử dụng để kiểm chứng phương pháp đề xuất.
4.1. Mô phỏng trên LĐPP 33 nút Giảm tổn thất và cải thiện điện áp
Mô phỏng trên LĐPP 33 nút cho thấy việc lắp đặt DG theo vị trí và công suất tối ưu giúp giảm đáng kể tổn thất công suất và cải thiện biên độ điện áp các nút. Kết quả này chứng minh tính hiệu quả của thuật toán WOA trong việc giải quyết bài toán tối ưu hóa trên LĐPP. Biên độ điện áp các nút và dòng điện các nhánh trước và sau khi lắp đặt DGs trên LĐPP 33 nút. Đặc tuyến hội tụ của WOA trên LĐPP 33 nút.
4.2. Mô phỏng trên LĐPP 69 nút Khẳng định tính hiệu quả
Mô phỏng trên LĐPP 69 nút cũng cho kết quả tương tự, khẳng định tính hiệu quả và khả năng ứng dụng của phương pháp tối ưu hóa WOA trên các hệ thống điện phân phối có quy mô khác nhau. Điều này củng cố thêm tính ứng dụng thực tế của nghiên cứu. Biên độ điện áp các nút và dòng điện các nhánh trước và sau khi lắp đặt DGs trên LĐPP 69 nút. Đặc tuyến hội tụ của WOA trên LĐPP 69 nút.
V. Kết Luận Hướng Phát Triển Tương Lai của DG Trên LĐPP
Nghiên cứu đã trình bày một phương pháp hiệu quả để tối ưu hóa việc lắp đặt nguồn điện phân tán (DG) trong lưới điện phân phối (LĐPP) nhằm giảm tổn thất công suất. Kết quả cho thấy việc áp dụng thuật toán WOA giúp giảm đáng kể tổn thất và cải thiện chất lượng điện. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tích hợp các yếu tố khác như độ tin cậy, chi phí đầu tư và các ràng buộc kỹ thuật để có một giải pháp toàn diện hơn.
5.1. Tổng kết kết quả nghiên cứu và đóng góp
Nghiên cứu đã xây dựng và kiểm chứng một phương pháp hiệu quả để tối ưu hóa vị trí và công suất của các DG trong lưới điện phân phối. Phương pháp này có thể giúp các công ty điện lực địa phương trong công tác vận hành lưới điện phân phối. Đề tài này tiếp cận bài toán xác định vị trí và công suất máy phát điện phân tán trên lưới điện phân phối có xét đến cấu trúc vận hành lưới điện với mục tiêu là giảm tổn thất công suất tác dụng trên hệ thống phân phối.
5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo và tiềm năng phát triển
Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tích hợp các yếu tố khác như độ tin cậy, chi phí đầu tư, và các ràng buộc kỹ thuật để có một giải pháp toàn diện hơn. Ngoài ra, có thể nghiên cứu áp dụng các thuật toán tối ưu hóa khác để so sánh và đánh giá hiệu quả. Cần có sự kết hợp hài hòa giữa DG, hệ thống lưu trữ năng lượng và hệ thống quản lý năng lượng thông minh để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng.
