Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam đang trong quá trình chuyển đổi năng lượng bền vững, từng bước thay thế năng lượng hóa thạch bằng năng lượng tái tạo nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Theo báo cáo của ngành, tỷ trọng các nguồn năng lượng tái tạo phân tán như điện mặt trời và điện gió ngày càng tăng, chiếm phần lớn trong cơ cấu nguồn điện hiện nay. Tuy nhiên, các nguồn phân tán này vận hành phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, gây ra các vấn đề về điện áp, tần số, tổn thất và ổn định trong lưới điện phân phối. Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS), đặc biệt là pin lưu trữ năng lượng (BESS), được xem là giải pháp hiệu quả để giảm thiểu các ảnh hưởng tiêu cực này.

Mục tiêu nghiên cứu là tối ưu vị trí, số lượng và dung lượng của hệ thống BESS nhằm giảm tổn thất điện năng, độ lệch điện áp và dao động công suất trong hệ thống điện phân phối có nhiều nguồn năng lượng tái tạo phân tán. Nghiên cứu áp dụng thuật toán Đom đóm kết hợp phương pháp lượng tử (Quantum Bit Firefly Algorithm - QBFA) để giải bài toán tối ưu trên mô hình lưới điện IEEE 33 nút và hệ thống điện thực tế 110 kV khu vực trạm biến áp Phan Thiết. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng hàm mục tiêu đa tiêu chí, bao gồm chi phí tổn thất, chi phí độ lệch điện áp và chi phí phát tại điểm cân bằng, đồng thời xét các ràng buộc về điện áp và công suất nạp/xả của BESS.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc đề xuất thuật toán tối ưu mới có hiệu quả tính toán cao, giúp xác định vị trí và công suất BESS tối ưu, góp phần nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện trong hệ thống có nhiều nguồn năng lượng tái tạo phân tán.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính:

  1. Thuật toán Đom đóm (Firefly Algorithm - FA): Thuật toán bầy đàn lấy cảm hứng từ hành vi phát sáng và di chuyển của đom đóm trong tự nhiên, được sử dụng để giải các bài toán tối ưu hóa toàn cục. Cường độ sáng của mỗi cá thể tỷ lệ nghịch với giá trị hàm mục tiêu, cá thể sẽ di chuyển về phía các cá thể sáng hơn nhằm tìm kiếm nghiệm tối ưu. Thuật toán xử lý ràng buộc bằng phương pháp hàm phạt tĩnh, động và tự thích nghi để đảm bảo các giải pháp thỏa mãn điều kiện kỹ thuật.

  2. Phương pháp lượng tử (Quantum-Inspired Evolutionary Algorithm - QEA): Sử dụng khái niệm qubit trong cơ học lượng tử để biểu diễn trạng thái xác suất của các biến thiết kế, giúp tăng cường khả năng khám phá không gian tìm kiếm và tránh mắc kẹt tại cực trị cục bộ. QEA cập nhật trạng thái qubit thông qua các cổng lượng tử (Q-gates) như cổng xoay, cổng NOT, nhằm cải thiện hiệu quả tìm kiếm.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Hàm mục tiêu đa tiêu chí: Tối ưu chi phí tổn thất điện năng, chi phí độ lệch điện áp và chi phí phát tại điểm cân bằng.
  • Ràng buộc kỹ thuật: Giới hạn điện áp tại các nút, công suất nạp/xả của BESS, độ sâu xả pin (DOD).
  • Mô hình hệ thống: Lưới điện IEEE 33 nút và hệ thống điện thực tế 110 kV khu vực trạm biến áp Phan Thiết.
  • Hàm phạt: Xử lý các ràng buộc bằng hàm phạt tĩnh, động và tự thích nghi để hướng các cá thể vào miền hợp lệ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm mô hình lưới điện IEEE 33 nút chuẩn và dữ liệu vận hành thực tế của hệ thống điện 110 kV khu vực trạm biến áp Phan Thiết, bao gồm các thông số tải, công suất phát của nguồn năng lượng tái tạo (điện gió, điện mặt trời) và đặc tính BESS.

Phương pháp phân tích sử dụng thuật toán Đom đóm kết hợp phương pháp lượng tử (QBFA) để tối ưu vị trí và công suất BESS. Thuật toán được cài đặt và chạy trên môi trường Matlab với công cụ Matpower hỗ trợ mô phỏng lưới điện. Cỡ mẫu quần thể đom đóm được chọn là 5 lần số biến thiết kế, số vòng lặp tối đa đảm bảo hội tụ. Các tham số thuật toán như hệ số hấp thụ ánh sáng, hệ số ngẫu nhiên được điều chỉnh phù hợp.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 09/2021 đến tháng 05/2022, bao gồm các bước: tìm hiểu bài toán và thuật toán, xây dựng mô hình, cài đặt thuật toán, mô phỏng trên lưới điện chuẩn và thực tế, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả giảm tổn thất điện năng: Kết quả mô phỏng trên lưới điện IEEE 33 nút cho thấy thuật toán QBFA giảm tổn thất điện năng trung bình khoảng 12% so với thuật toán Đom đóm truyền thống (FA). Tương tự, trên hệ thống thực tế 110 kV, tổn thất giảm khoảng 10%, chứng minh tính khả thi của phương pháp.

  2. Cải thiện độ lệch điện áp: Đặt BESS tại vị trí tối ưu giúp giảm độ lệch điện áp trung bình tại các nút tải từ khoảng 5% xuống dưới 2%, đảm bảo điện áp trong giới hạn cho phép. So sánh giữa các vị trí cho thấy vị trí nút 6 trên lưới IEEE 33 nút và nút Ma Lâm trên hệ thống thực tế là tối ưu nhất.

  3. Giảm dao động công suất tại điểm cân bằng: Công suất dao động tại nút cân bằng giảm khoảng 15% khi vận hành BESS theo lịch trình tối ưu, góp phần ổn định lưới điện trong điều kiện có nhiều nguồn năng lượng tái tạo phân tán.

  4. Tính ưu việt của thuật toán QBFA: So sánh hàm mục tiêu qua các vòng lặp cho thấy QBFA hội tụ nhanh hơn FA, với số vòng lặp giảm khoảng 20%, đồng thời đạt giá trị hàm mục tiêu thấp hơn từ 5-8%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả trên là do thuật toán QBFA kết hợp ưu điểm của thuật toán Đom đóm trong khai thác không gian tìm kiếm và khả năng khám phá đa dạng của phương pháp lượng tử, giúp tránh mắc kẹt tại cực trị cục bộ. Việc xử lý ràng buộc bằng hàm phạt tự thích nghi cũng giúp các cá thể nhanh chóng hội tụ vào miền hợp lệ.

Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về tối ưu vị trí BESS sử dụng các thuật toán metaheuristic như PSO, GA nhưng QBFA thể hiện ưu thế về tốc độ hội tụ và chất lượng nghiệm. Việc áp dụng trên hệ thống thực tế 110 kV khu vực trạm biến áp Phan Thiết cho thấy tính ứng dụng thực tiễn cao, giúp cải thiện chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện trong điều kiện có nhiều nguồn năng lượng tái tạo phân tán.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hàm mục tiêu giữa FA và QBFA theo số vòng lặp, bảng thống kê tổn thất điện năng và độ lệch điện áp tại các nút trước và sau khi lắp đặt BESS, cũng như đồ thị công suất nạp/xả của BESS trong 24 giờ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai lắp đặt BESS tại vị trí tối ưu: Khuyến nghị các nhà quản lý lưới điện ưu tiên lắp đặt BESS tại các nút được xác định tối ưu như nút 6 trên lưới IEEE 33 nút và nút Ma Lâm trên hệ thống thực tế, nhằm giảm tổn thất và cải thiện điện áp. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm.

  2. Áp dụng thuật toán QBFA trong quy hoạch và vận hành: Đề xuất sử dụng thuật toán QBFA làm công cụ hỗ trợ quyết định trong quy hoạch vị trí và công suất BESS, cũng như lập lịch vận hành linh hoạt để tối ưu hiệu quả hệ thống. Chủ thể thực hiện là các đơn vị nghiên cứu và vận hành lưới điện.

  3. Nâng cao công tác giám sát và điều khiển BESS: Xây dựng hệ thống giám sát trạng thái pin, điều khiển sạc/xả theo lịch trình tối ưu để kéo dài tuổi thọ pin và đảm bảo hiệu quả vận hành. Thời gian triển khai 6-12 tháng, do các đơn vị vận hành và nhà cung cấp thiết bị thực hiện.

  4. Mở rộng nghiên cứu và ứng dụng: Khuyến nghị nghiên cứu mở rộng áp dụng thuật toán QBFA cho các hệ thống lưới điện lớn hơn, đa dạng hơn về nguồn năng lượng tái tạo và các loại ESS khác nhau nhằm nâng cao tính tổng quát và hiệu quả. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và vận hành lưới điện phân phối: Giúp hiểu rõ về tối ưu vị trí và công suất BESS nhằm nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện trong hệ thống có nhiều nguồn năng lượng tái tạo phân tán.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Cung cấp kiến thức chuyên sâu về thuật toán Đom đóm, phương pháp lượng tử và ứng dụng trong tối ưu hóa hệ thống điện, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu tiếp theo.

  3. Các nhà thiết kế và cung cấp thiết bị lưu trữ năng lượng: Hỗ trợ trong việc xác định các thông số kỹ thuật và vị trí lắp đặt BESS phù hợp với đặc điểm vận hành thực tế, tối ưu hóa hiệu quả đầu tư.

  4. Các nhà hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách khuyến khích phát triển hệ thống lưu trữ năng lượng, góp phần thúc đẩy chuyển đổi năng lượng bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thuật toán Đom đóm là gì và tại sao được chọn?
    Thuật toán Đom đóm là thuật toán tối ưu hóa bầy đàn dựa trên hành vi phát sáng và di chuyển của đom đóm. Nó được chọn vì khả năng tìm kiếm toàn cục hiệu quả, dễ cài đặt và xử lý tốt các bài toán tối ưu hóa phức tạp trong hệ thống điện.

  2. Phương pháp lượng tử giúp gì cho bài toán tối ưu?
    Phương pháp lượng tử sử dụng khái niệm qubit để biểu diễn trạng thái xác suất, giúp tăng khả năng khám phá không gian tìm kiếm, tránh mắc kẹt tại cực trị cục bộ và cải thiện tốc độ hội tụ của thuật toán.

  3. Làm thế nào để xác định vị trí tối ưu của BESS?
    Vị trí tối ưu được xác định thông qua hàm mục tiêu đa tiêu chí bao gồm tổn thất điện năng, độ lệch điện áp và chi phí phát, kết hợp với các ràng buộc kỹ thuật. Thuật toán QBFA tìm kiếm vị trí và công suất BESS sao cho hàm mục tiêu đạt giá trị nhỏ nhất.

  4. BESS có ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng điện năng?
    BESS giúp giảm tổn thất điện năng, ổn định điện áp tại các nút tải, giảm dao động công suất tại điểm cân bằng, từ đó nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện trong hệ thống có nhiều nguồn năng lượng tái tạo phân tán.

  5. Nghiên cứu có thể áp dụng cho hệ thống điện nào khác?
    Phương pháp và thuật toán có thể áp dụng cho các hệ thống điện phân phối khác có đặc điểm tương tự, đặc biệt là các hệ thống có sự tham gia của nhiều nguồn năng lượng tái tạo phân tán và yêu cầu tối ưu vị trí, công suất BESS.

Kết luận

  • Đề tài đã phát triển và áp dụng thành công thuật toán Đom đóm kết hợp phương pháp lượng tử (QBFA) để tối ưu vị trí và công suất BESS trong hệ thống điện phân phối.
  • Kết quả mô phỏng trên lưới điện IEEE 33 nút và hệ thống thực tế 110 kV khu vực trạm biến áp Phan Thiết cho thấy giảm tổn thất điện năng khoảng 10-12%, cải thiện độ lệch điện áp dưới 2% và giảm dao động công suất tại điểm cân bằng khoảng 15%.
  • Thuật toán QBFA thể hiện ưu thế vượt trội về tốc độ hội tụ và chất lượng nghiệm so với thuật toán Đom đóm truyền thống.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống điện có nhiều nguồn năng lượng tái tạo phân tán, đồng thời cung cấp công cụ hỗ trợ ra quyết định cho các nhà quản lý và vận hành lưới điện.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu áp dụng cho các hệ thống lớn hơn, đa dạng hơn và phát triển các giải pháp vận hành linh hoạt cho BESS.

Hành động khuyến nghị: Các đơn vị quản lý và vận hành lưới điện nên xem xét áp dụng thuật toán QBFA trong quy hoạch và vận hành BESS để nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện trong bối cảnh phát triển năng lượng tái tạo.