ĐẶT VẤN ĐỀ Việt Nam đang hướng đến phát triển bền vững, từng bước thay thế năng lượng hóa thạch bằng năng lượng tái tạo, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Thông qua cơ chế khuyến khích phát triển điện mặt trời và điện gió của Chính phủ, bên cạnh sự phát triển các nhà máy điện năng lượng tái tạo quy mô công suất lớn được xây dựng, các hệ thống điện mặt trời phân tán cũng chiếm một tỷ trọng lớn trong cơ cấu nguồn điện hiện nay (nguồn phân tán). Các nguồn phân tán này vận hành với những đặc tính phụ thuộc vào thời tiết đã gây một số ảnh hưởng nhất định đến lưới điện phân phối (điện áp, tần số, tổn thất, ổn định, …). Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) được sử dụng như một giải pháp để hạn chế các ảnh hưởng đó.
ESS bao gồm pin, siêu tụ điện, bánh đà, bộ lưu trữ bơm thủy lực, bộ lưu trữ năng lượng khí nén, pin nhiên liệu tái sinh, … Trong đó, pin lưu trữ năng lượng (BESS) được sử dụng rộng rãi nhất do tính hiệu quả và tính kinh tế mà nó mang lại. Bài toán đặt ra yêu cầu phải tối ưu về số lượng, vị trí, dung lượng và giải pháp vận hành để đạt được hiệu quả cao nhất. HƯỚNG TIẾP CẬN ĐỀ TÀI Vấn đề này đã được giới khoa học nghiên cứu và công bố kết quả trên các tờ báo lớn, cũng như các tạp chí, hội nghị trong nước và trong khu vực. Nhóm tác giả Duong Quoc Hung, N.
Bansal đã nghiên cứu ảnh hưởng của PV và BESS lên lưới điện phân phối xét trên yếu tố tổn thất năng lượng và ổn định điện áp [1]. Hàm đa mục tiêu được xây dựng dựa trên các phân tích để tối ưu về dung lượng và hệ số công suất của sự kết hợp PV và BESS. Thuật toán Self-correction (SCA) được phát triển để phù hợp cho bài toán tối ưu dung lượng của PV và BESS. Kết quả được mô phỏng, đánh giá trên lưới điện phân phối 33 nút.
Nhóm tác giả Hussain Shareef, Wong Ling Ai, Md. Mainul Islam nghiên cứu tối ưu vị trí BESS có xét đến nguồn phát điện xét trên tiêu chí điện áp [2]. Thuật toán Firefly optimization (FA) được sử dụng để mô phỏng và đánh giá hiệu quả so với 2 thuật toán khác là binary FA (BFA) và binary Gravitational Search (QB. Lưới điện phân phối 69 nút được sử dụng để đánh giá các thuật toán trên.
Học viên: Trần Minh Mẩn 1 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS. Huỳnh Quang Minh Nhóm tác giả Ali Selim, Salah Kamel, Francisco Jurado, Joao A.Pecas Lopes và Manuel Matos nghiên cứu tối ưu vị trí và dung lượng của PV và BESS đối với hệ thống điện phân phối dùng thuật toán Fuzzy logic decision-making [3]. Hàm mục tiêu của bài toán là giảm tối thiểu tổn thất công suất, độ lệch điện áp và tăng tối đa chỉ số ổn định của điện áp. Thuật toán Fuzzy logic được sử dụng và được đánh giá hiệu quả dựa trên 3 kịch bản, 3 mô hình lưới điện IEEE 33 nút, lưới điện thực tế 94 nút.
Nhóm tác giả Panyawoot Boonluk, Apirat Siritaratiwat, Pradit Fuangfoo và Sirote Khunkitti cũng nghiên cứu tối ưu vị trí và dung lượng của BESS đối với hệ thống điện phân phối, so sánh kết quả giữa 2 phương pháp Genetic Algorithm (GA) và Particle Swarm Optimization (PSO) [4]. Hàm mục tiêu của bài toán là giảm tối thiểu chi phí do độ lệch điện áp, tổn thất điện năng và chi phí tránh được khi phủ đỉnh nhu cầu phụ tải. Kết quả của 2 phương pháp được so sánh, cho thấy sự tương đồng về vị trí và công suất lắp đặt của BESS đối với hệ thống điện IEEE 33 nút. PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Mô hình matlab lưới điện 33 nút, hệ thống điện mặt trời (PV) và hệ thống pin lưu trữ năng lượng (BESS).
- Xây dựng hàm đa mục tiêu trên các yếu tố điện áp, tổn thất, phủ đỉnh phụ tải. - Thuật toán tối ưu Firefly Algorithm (FA) với lượng tử (QEA) và một số phương pháp cải tiến. - Áp dụng phương pháp cho một hệ thống điện vận hành thực tế. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Vấn đề xây dựng hệ thống lưu trữ năng lượng để tối ưu hóa về tổn thất, độ dao động điện áp và một số vấn đề khác đã được nghiên cứu từ những năm 2000.
Tuy nhiên, vấn đề này càng trở nên cấp thiết và thực tiễn khi hệ thống điện có sự tham gia của các nguồn điện Năng lượng tái tạo. Mục tiêu chính là tìm ra vị trí tối ưu nhất theo các tiêu chí đặt ra để lắp đặt BESS và vận hành BESS trong hệ thống điện một cách linh hoạt, góp phần nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện. Để giải quyết vấn đề trên có nhiều phương pháp, và phương pháp đom đóm được áp dụng trong phạm vi nghiên cứu này là một trong số đó. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Tìm hiểu về bài toán tối ưu BESS trong hệ thống điện phân phối.
Học viên: Trần Minh Mẩn 2 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS. Huỳnh Quang Minh - Tìm hiểu về các phương pháp giải đã được các tác giả thực hiện. - Tìm hiểu về thuật toán tối ưu Firefly Algorithm (FA) và Quantum-Inspired Evolutionary Algorithm (QEA). - Tìm hiểu các phương pháp cải tiến thuật toán FA.
- Mô hình hóa các phần tử trong Hệ thống điện: PV, BESS, lưới điện IEEE 33 nút. - Xây dựng hàm mục tiêu dựa trên tiêu chí điện áp, tổn thất, phủ đỉnh phụ tải. - Code matlab giải bài toán tối ưu BESS dùng thuật toán FA và QBFA. - Áp dụng phương pháp cho một hệ thống điện vận hành thực tế.
- Đánh giá kết quả, nhận xét, kết luận. Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 1. Ý nghĩa khoa học - Kết quả nghiên cứu dự kiến đề xuất được một thuật toán mới để giải quyết bài toán tối ưu vị trí BESS trong hệ thống điện phân phối. - Thuật toán mới này thể hiện tính ưu việt hơn trong một số trường hợp khi tìm lời giải tối ưu cho bài toán và có thời gian tính toán, số vòng lặp tốt hơn các thuật toán khác.
Ý nghĩa thực tiễn - Đối với một lưới điện phân phối có các nguồn điện phân tán có thể đánh giá và tìm được vị trí tốt nhất để lắp đặt hệ thống pin lưu trữ năng lượng, phục vụ công tác thiết kế và vận hành kinh tế hệ thống sau này. Học viên: Trần Minh Mẩn 3 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS. Huỳnh Quang Minh CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA BESS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI Ngày nay, các nguồn năng lượng tái tạo (RES) đã được kết nối rộng rãi với mạng lưới phân phối theo lợi thế của việc phát điện từ RES, là năng lượng sạch, đáp ứng nhu cầu điện ngày càng cao.
Tuy nhiên, RESs cũng tồn tại một nhược điểm lớn là nguồn điện phát ra dao động, do nguồn điện tự nhiên bấp bênh, không thể kiểm soát được, gây mất cân đối cung cầu điện năng. Kết quả là, một số thời điểm điện năng sẽ phát ngược lên hệ thống điện và tổn thất điện năng xảy ra trong các mạng phân phối [5] [6] [7] [8], đặc biệt là kết nối của các RES thuộc sở hữu tư nhân với hệ thống mạng phân phối của các nhà khai thác mạng phân phối (DNO). Chủ sở hữu của các công ty RES thường bán năng lượng điện cho các mạng lưới phân phối dựa trên việc phát điện phụ thuộc vào các nguồn tự nhiên tại thời điểm đó. Quang điện (PV) chỉ có thể tạo ra điện vào ban ngày, đó là một ví dụ của vấn đề nêu trên.
Các yếu tố quan trọng đối với lưới điện phân phối là độ tin cậy của hệ thống điện và chất lượng điện đạt tiêu chuẩn. Do đó, hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) có một vai trò quan trọng và đã được sử dụng trong mạng phân phối với các RES kết nối để khắc phục các nhược điểm của RES. Ngoài ra, ESS có thể cân bằng nguồn điện và nhu cầu điện [9], cải thiện độ lệch điện áp [10] [11], giảm tổn thất điện năng [12] [13] [14] [15], giảm nhu cầu cao điểm bằng cách lưu trữ năng lượng điện trong thời gian thấp điểm và cung cấp điện năng lượng trong thời gian cao điểm [16] [17], và sử dụng cho nhiều mục tiêu bao gồm cải thiện độ lệch điện áp, giảm tổn thất điện năng và giảm nhu cầu cao điểm [18] [19] [20]. Vị trí và kích thước tối ưu của việc lắp đặt ESS có thể cải thiện hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện [21].
Nadji và cộng sự. đã đề xuất kích thước tối ưu của một cài đặt ESS được coi là chi phí tối thiểu ở vị trí yếu nhất bằng cách xem xét chỉ số nhạy cảm dự phòng (CSI) [22]. Nick và cộng sự. đã đưa ra chi phí đầu tư tối thiểu của một ESS cùng với việc bố trí và định cỡ ESS tối ưu để giảm chi phí phát sinh trong hệ thống điện bằng cách sử dụng lập trình hình nón bậc hai (SOCP) [23].
Việc lắp đặt hệ thống lưu trữ năng lượng pin (BESS) không chỉ nâng cao hiệu suất hệ thống điện mà còn tăng tính linh hoạt trong việc quản lý (mua và bán) điện năng vì lợi nhuận tối đa của nhà cung Học viên: Trần Minh Mẩn 4 Luận văn Thạc sĩ GVHD: TS. Huỳnh Quang Minh cấp điện [24]. Việc lắp đặt một BESS, cùng với việc kết nối các RES để quản lý hệ thống điện, có thể hỗ trợ việc tiêu thụ điện ngày càng tăng [25] [26] [27] [28]. Ngoài việc lắp đặt ESS ở vị trí và kích thước tối ưu, việc kiểm soát lịch trình phù hợp của ESS đóng một vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả của hệ thống điện và cũng có thể tăng lợi nhuận từ việc bán điện cho bên bán điện [29] [30] [31].
Jayasekara và cộng sự. đã đề xuất một phương pháp thích hợp để tìm ra kiểu định vị, định cỡ và hoạt động tối ưu của BESS [18]. Tuy nhiên, các chi phí - bao gồm chi phí pin, chi phí lắp đặt và chi phí bảo trì của BESS - được bao gồm trong hàm mục tiêu. Do đó, việc định vị và định cỡ thu được của BESS không thực sự thích hợp nhằm mục đích nâng cao hiệu quả như giảm thiểu độ lệch điện áp, tổn thất điện năng và nhu cầu cao điểm của mạng phân phối.
Hơn nữa, việc so sánh các thuật toán tối ưu hóa khác nhau chưa được nghiên cứu để xác minh kết quả mô phỏng thu được.