Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng tăng cao, đặc biệt trong các giờ cao điểm, việc đảm bảo cung cấp điện ổn định và hiệu quả trở thành thách thức lớn đối với các hệ thống lưới điện phân phối (LĐPP). Theo báo cáo của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), tổn thất điện năng trên LĐPP chiếm từ 4% đến 6,7% tổng công suất sản xuất, góp phần làm tăng chi phí vận hành và ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Để giải quyết vấn đề này, việc tối ưu lắp đặt nguồn điện phân tán (Distributed Generation - DG) trong LĐPP được xem là giải pháp hiệu quả nhằm giảm tổn thất công suất, cải thiện chất lượng điện áp và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng và áp dụng các thuật toán tối ưu nhằm xác định vị trí và công suất tối ưu của các nguồn DG trong LĐPP, từ đó giảm thiểu tổn thất công suất tác dụng và cải thiện các chỉ số vận hành của lưới điện. Nghiên cứu tập trung vào các DG công suất nhỏ và vừa, chủ yếu là các pin quang điện và tụ bù công suất phản kháng, được kết nối trực tiếp vào lưới trung áp và hạ áp tại thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn hiện nay. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, hỗ trợ các công ty điện lực trong công tác quản lý và vận hành lưới điện phân phối, đồng thời góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo và giảm chi phí vận hành hệ thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về lưới điện phân phối và nguồn điện phân tán. Lưới điện phân phối được vận hành chủ yếu ở chế độ mạch vòng hở (hình tia), với đặc điểm tổn thất công suất cao do cấu trúc phức tạp và phân bố phụ tải không đồng đều. Việc tái cấu hình lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất và cân bằng tải là một trong những phương pháp vận hành quan trọng.

Nguồn điện phân tán (DG) được phân loại theo công suất, vị trí và công nghệ, bao gồm các loại như pin mặt trời (PV), turbine gió (WT), pin nhiên liệu (FC), máy phát động cơ đốt trong (ICE), microturbine và turbine khí (CT). DG có vai trò giảm tải cho lưới truyền tải, cải thiện chất lượng điện áp, giảm tổn thất công suất và tăng độ tin cậy cung cấp điện. Tuy nhiên, việc kết nối DG cũng đặt ra các thách thức về kỹ thuật như ổn định hệ thống, bảo vệ, và chất lượng điện năng.

Phương pháp tối ưu hóa lắp đặt DG được xây dựng dựa trên hàm mục tiêu giảm thiểu tổn thất công suất tác dụng, đồng thời đảm bảo các ràng buộc kỹ thuật như giới hạn điện áp, dòng điện, công suất máy biến áp và cấu hình vận hành lưới điện. Các thuật toán tối ưu hóa được phân thành hai nhóm chính: thuật toán cổ điển (như lập trình tuyến tính, lập trình phi tuyến, lập trình động) và thuật toán heuristic/metaheuristic (như thuật toán di truyền GA, tối ưu hóa bầy đàn PSO, thuật toán cá heo WOA). Thuật toán metaheuristic được ưu tiên do khả năng tìm kiếm giải pháp toàn cục và xử lý hiệu quả các ràng buộc phức tạp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm số liệu vận hành thực tế của lưới điện phân phối tại thành phố Hồ Chí Minh, các thông số kỹ thuật của DG và lưới điện, cùng với các tài liệu chuyên ngành và báo cáo của EVN. Phương pháp phân tích chính là mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng như PSS-ADEPT, MATLAB và ETAP để kiểm chứng hiệu quả các thuật toán tối ưu.

Quy trình nghiên cứu được thực hiện theo các bước: phân tích đặc điểm lưới điện và DG, xây dựng mô hình toán học bài toán tối ưu vị trí và công suất DG, phát triển thuật toán tối ưu Whale Optimization Algorithm (WOA) để giải bài toán, mô phỏng và đánh giá kết quả trên các hệ thống lưới điện mẫu gồm 33 nút và 69 nút. Cỡ mẫu mô phỏng được lựa chọn phù hợp với quy mô lưới điện phân phối thực tế nhằm đảm bảo tính đại diện và khả năng áp dụng kết quả.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2021, tập trung vào việc phát triển thuật toán và thực hiện các mô phỏng đánh giá hiệu quả giải pháp trong điều kiện vận hành thực tế của LĐPP tại TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm tổn thất công suất đáng kể: Việc tối ưu vị trí và công suất DG bằng thuật toán WOA trên lưới điện 33 nút đã giảm tổn thất công suất tác dụng khoảng 15-20% so với cấu hình không có DG. Trên lưới 69 nút, mức giảm tổn thất đạt khoảng 12-18%, cho thấy hiệu quả rõ rệt của giải pháp trong các hệ thống có quy mô khác nhau.

  2. Cải thiện chất lượng điện áp: Sau khi lắp đặt DG tối ưu, biên độ điện áp tại các nút lưới được cải thiện, giảm hiện tượng sụt áp và dao động điện áp. Ví dụ, điện áp tại các nút cuối tuyến tăng trung bình 3-5%, giúp nâng cao độ ổn định và chất lượng cung cấp điện.

  3. Tăng khả năng cân bằng tải và giảm quá tải: Việc phân bố DG hợp lý giúp cân bằng công suất trên các nhánh đường dây, giảm hiện tượng quá tải cục bộ. Số lượng nhánh quá tải giảm khoảng 30% so với trước khi tối ưu, góp phần kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm nguy cơ sự cố.

  4. Hiệu quả vận hành và kinh tế: Kết quả mô phỏng cho thấy chi phí vận hành lưới điện giảm do giảm tổn thất và giảm nhu cầu mua điện từ hệ thống truyền tải. Đồng thời, việc tận dụng nguồn năng lượng tái tạo từ DG giúp giảm phát thải khí nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm tổn thất công suất là do DG được đặt tại các vị trí chiến lược gần phụ tải lớn, giúp giảm dòng điện truyền tải trên các nhánh dài và giảm tổn thất trên đường dây. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng thuật toán GA hay PSO, thuật toán WOA cho kết quả hội tụ nhanh hơn và chất lượng giải pháp tốt hơn, đặc biệt trong các bài toán đa mục tiêu có nhiều ràng buộc kỹ thuật.

Việc cải thiện điện áp và cân bằng tải cũng phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về tác động tích cực của DG trên lưới điện phân phối. Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ điện áp nút trước và sau khi lắp đặt DG, biểu đồ tổn thất công suất theo thời gian và bảng so sánh chi phí vận hành, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp.

Tuy nhiên, việc vận hành DG cũng cần lưu ý các thách thức kỹ thuật như ổn định hệ thống, bảo vệ và phối hợp điều khiển, đòi hỏi các công ty điện lực phải xây dựng quy chuẩn và chính sách phù hợp để đảm bảo lợi ích cho tất cả các bên tham gia.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng thuật toán tối ưu WOA trong quản lý vận hành LĐPP: Các công ty điện lực nên tích hợp giải pháp tối ưu vị trí và công suất DG vào hệ thống điều khiển và giám sát lưới điện nhằm giảm tổn thất và nâng cao chất lượng điện áp. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, bắt đầu từ các khu vực có tổn thất cao.

  2. Khuyến khích đầu tư và phát triển các nguồn DG tái tạo: Nhà nước và các đơn vị quản lý cần xây dựng chính sách ưu đãi, hỗ trợ tài chính và kỹ thuật để thúc đẩy lắp đặt DG sử dụng năng lượng mặt trời, gió, thủy điện nhỏ tại các địa phương. Mục tiêu tăng tỷ lệ DG trong lưới điện lên khoảng 20-30% trong 5 năm tới.

  3. Xây dựng quy chuẩn kỹ thuật và quy trình vận hành DG: Thiết lập các tiêu chuẩn về công suất, vị trí, hệ số công suất và bảo vệ để đảm bảo DG hoạt động ổn định, an toàn và không gây ảnh hưởng tiêu cực đến lưới điện phân phối. Thời gian hoàn thiện trong 1 năm, phối hợp với các cơ quan quản lý và chuyên gia kỹ thuật.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực cho đội ngũ điều độ viên và kỹ sư: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về quản lý, vận hành và tối ưu hóa lưới điện có DG nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và xử lý sự cố. Thực hiện liên tục hàng năm, ưu tiên các khu vực có tỷ lệ DG cao.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các công ty điện lực và quản lý lưới điện: Giúp nâng cao hiệu quả vận hành, giảm tổn thất và cải thiện chất lượng điện năng thông qua ứng dụng các thuật toán tối ưu vị trí và công suất DG.

  2. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp phát triển nguồn điện phân tán: Cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để lựa chọn vị trí, công suất đầu tư phù hợp, tối ưu hóa lợi nhuận và giảm thiểu rủi ro.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành điện: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết, phương pháp và ứng dụng thuật toán tối ưu trong lĩnh vực lưới điện phân phối và nguồn điện phân tán.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách năng lượng: Hỗ trợ xây dựng các chính sách, quy chuẩn kỹ thuật và kế hoạch phát triển năng lượng tái tạo phù hợp với xu hướng phát triển lưới điện thông minh và bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nguồn điện phân tán (DG) là gì và có vai trò gì trong lưới điện phân phối?
    DG là các nguồn phát điện nhỏ gọn, công suất dưới 10 MW, được kết nối trực tiếp vào lưới điện phân phối. DG giúp giảm tải cho lưới truyền tải, giảm tổn thất công suất, cải thiện chất lượng điện áp và tăng độ tin cậy cung cấp điện.

  2. Tại sao cần tối ưu vị trí và công suất của DG trong lưới điện phân phối?
    Việc đặt DG không hợp lý có thể gây ra hiện tượng quá tải, sụt áp hoặc mất ổn định hệ thống. Tối ưu vị trí và công suất giúp giảm tổn thất điện năng, cân bằng tải, cải thiện chất lượng điện áp và đảm bảo vận hành an toàn, hiệu quả.

  3. Thuật toán Whale Optimization Algorithm (WOA) có ưu điểm gì so với các thuật toán khác?
    WOA mô phỏng hành vi săn mồi của cá voi lưng gù, có khả năng tìm kiếm toàn cục tốt, hội tụ nhanh và dễ dàng xử lý các ràng buộc phức tạp trong bài toán tối ưu. Kết quả nghiên cứu cho thấy WOA cho giải pháp chất lượng cao hơn so với GA hay PSO trong nhiều trường hợp.

  4. Các ràng buộc kỹ thuật nào cần được xem xét khi lắp đặt DG?
    Các ràng buộc bao gồm giới hạn công suất DG, điện áp nút, dòng điện trên đường dây, công suất máy biến áp, cấu hình vận hành lưới điện, ổn định hệ thống và bảo vệ thiết bị. Đảm bảo các ràng buộc này giúp vận hành lưới an toàn và hiệu quả.

  5. Lợi ích kinh tế và môi trường khi sử dụng DG là gì?
    DG giúp giảm chi phí vận hành do giảm tổn thất và giảm nhu cầu mua điện từ hệ thống truyền tải. Đồng thời, DG sử dụng năng lượng tái tạo giảm phát thải khí nhà kính, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Kết luận

  • Đã xây dựng và áp dụng thành công thuật toán Whale Optimization Algorithm (WOA) để tối ưu vị trí và công suất nguồn điện phân tán trong lưới điện phân phối, giảm tổn thất công suất từ 12% đến 20% tùy quy mô lưới.
  • Giải pháp tối ưu giúp cải thiện chất lượng điện áp, cân bằng tải và giảm quá tải, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật cho các công ty điện lực trong quản lý vận hành lưới điện có DG, đồng thời hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam.
  • Đề xuất các giải pháp triển khai thực tiễn bao gồm áp dụng thuật toán tối ưu, xây dựng quy chuẩn kỹ thuật, khuyến khích đầu tư DG và đào tạo nhân lực.
  • Các bước tiếp theo cần tập trung vào mở rộng mô hình tối ưu đa mục tiêu, tích hợp các yếu tố kinh tế và môi trường, đồng thời phát triển hệ thống điều khiển thông minh cho lưới điện phân phối.

Hành động ngay: Các đơn vị quản lý lưới điện và nhà đầu tư DG nên nghiên cứu áp dụng các giải pháp tối ưu này để nâng cao hiệu quả vận hành và phát triển bền vững hệ thống điện phân phối.