Tổng quan nghiên cứu

Trong hệ thống điện hiện đại, động cơ không đồng bộ và máy biến áp tiêu thụ từ 60% đến 65% tổng lượng công suất phản kháng, làm gia tăng đáng kể tổn thất công suất tác dụng và gây sụt áp trên diện rộng. Theo quy định kỹ thuật của ngành điện Việt Nam, hệ số công suất tại các điểm giao nhận điện bắt buộc phải duy trì ở mức từ 0.90 trở lên nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và chất lượng điện áp. Đa số các lưới điện phân phối trung thế 22 kV hiện nay đều vận hành theo cấu trúc hình tia, nơi phụ tải biến động liên tục giữa các khung giờ cao điểm và thấp điểm trong ngày. Khi thiếu hụt nguồn bù công suất phản kháng tại chỗ, tổn thất điện năng gia tăng theo hàm bậc hai của dòng điện, đồng thời biên độ điện áp tại các nút xa nguồn có thể suy giảm nghiêm trọng dưới ngưỡng an toàn 0.95 đơn vị tương đối (pu).

Nhằm giải quyết triệt để bài toán kỹ thuật này, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện của tác giả Lê Minh Luân, dưới sự hướng dẫn khoa học của Phó Giáo sư Võ Ngọc Điều tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (bảo vệ thành công vào tháng 01 năm 2020), đã thực hiện đề tài nghiên cứu chuyên sâu về tối ưu hóa vị trí và dung lượng tụ bù. Mục tiêu trọng tâm của công trình là xác định chính xác các điểm nút lắp đặt và dung lượng bù tối ưu trên lưới điện phân phối hình tia có xét đến nhiều mức phụ tải khác nhau. Bằng việc ứng dụng giải thuật Tìm kiếm sinh vật cộng sinh lai (HSOS), nghiên cứu hướng tới việc cực tiểu hóa chi phí vận hành toàn hệ thống, cắt giảm tổn thất điện năng và tối đa hóa giá trị tiết kiệm ròng hàng năm cho đơn vị quản lý lưới điện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết điều chỉnh hệ số công suất (PFC) và mô hình tính toán tối ưu hóa lưới điện phân phối hình tia. Hai khung lý thuyết chính bao gồm: Lý thuyết dòng công suất xoay chiều trong mạng điện phân phối và Lý thuyết tối ưu hóa kinh tế kỹ thuật hệ thống điện. Ba khái niệm cốt lõi chi phối toàn bộ mô hình là tổn thất công suất tác dụng trên đường dây, biên độ sụt áp tại các thanh cái và chỉ số tiết kiệm ròng hàng năm (NYS). Trong đó, chi phí tổn hao nội tại của tụ điện tĩnh được mô hình hóa ở mức rất thấp, chỉ khoảng 0.005 kW/kVAr so với mức 0.027 kW/kVAr của máy bù đồng bộ. Về mặt thuật toán, nghiên cứu khai thác lý thuyết tìm kiếm sinh vật cộng sinh (SOS) mô phỏng 3 mối quan hệ sinh thái tự nhiên gồm tương sinh, hội sinh và ký sinh. Để khắc phục hiện tượng rơi vào cực trị cục bộ, giải thuật được tích hợp thêm phép toán nội suy bậc hai đơn giản (SQI), tạo thành giải thuật lai HSOS có khả năng tìm kiếm không gian nghiệm liên tục và rời rạc vô cùng mạnh mẽ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số học trên phần mềm MATLAB kết hợp thuật toán tính trào lưu công suất chuyên biệt cho lưới điện hình tia. Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết lập bao gồm 3 hệ thống đại diện: lưới chuẩn IEEE 33 nút (32 phân đoạn đường dây), lưới chuẩn IEEE 69 nút (68 phân đoạn đường dây) và phát tuyến trung thế 22 kV thực tế Trung Lập Hạ gồm hơn 50 nút tiêu thụ điện tại huyện Củ Chi. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm đánh giá độ tin cậy từ các mô hình tiêu chuẩn quốc tế cho đến hệ thống phân phối thực tiễn tại Việt Nam. Dữ liệu vận hành được khảo sát chi tiết qua 3 mức phụ tải điển hình gồm mức tải nhẹ (hệ số 0.5), mức tải định mức (hệ số 1.0) và mức tải cực đại (hệ số 1.6) tương ứng với chu kỳ 8760 giờ vận hành mỗi năm. Giải thuật HSOS được lựa chọn nhờ ưu thế không đòi hỏi tham số điều khiển phức tạp, tốc độ hội tụ nhanh vượt bậc và độ chính xác vượt trội khi xử lý bài toán dung lượng tụ rời rạc trong thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, trên hệ thống chuẩn IEEE 33 nút, giải thuật HSOS đã xác định chính xác cấu hình bù tối ưu tại các mức tải khác nhau, giúp giảm tổng tổn thất công suất tác dụng từ 210.98 kW xuống còn 138.45 kW ở chế độ đầy tải, đạt tỷ lệ cắt giảm tổn thất lên đến 34.3% so với trạng thái ban đầu chưa lắp đặt tụ bù.

Thứ hai, đối với hệ thống lưới điện IEEE 69 nút, kết quả mô phỏng cho thấy tổn thất công suất thực giảm mạnh từ 225.00 kW xuống xấp xỉ 145.20 kW, tương ứng mức tiết kiệm tổn thất điện năng đạt 35.4%, đồng thời nâng mức điện áp thấp nhất toàn hệ thống từ 0.9092 pu lên 0.9315 pu.

Thứ ba, khi áp dụng trên phát tuyến 22 kV thực tế Trung Lập Hạ tại địa bàn Củ Chi, việc lắp đặt tụ bù theo kết quả tính toán của HSOS đã cắt giảm tổn thất công suất toàn tuyến hơn 28.5%, đồng thời cải thiện hệ số công suất trung bình từ 0.82 lên mức trên 0.96.

Thứ tư, phương diện phân tích tài chính chỉ ra rằng tổng giá trị tiết kiệm ròng hàng năm sau khi trừ khấu hao mua sắm và chi phí bảo dưỡng tụ bù tăng trưởng vượt bậc, mang lại thời gian thu hồi vốn đầu tư toàn bộ thiết bị chỉ trong vòng dưới 1.5 năm vận hành.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả vượt trội của giải thuật HSOS xuất phát từ sự kết hợp hài hòa giữa cơ chế tìm kiếm sinh học tự nhiên và bước nhảy nội suy bậc hai, giúp quá trình thăm dò không gian nghiệm không bị tắc nghẽn tại các điểm tối ưu địa phương. Khi đối chiếu với các công trình nghiên cứu sử dụng thuật toán bầy đàn (PSO) hay thuật toán tìm kiếm Cuckoo (CSA), giải thuật HSOS thể hiện tốc độ hội tụ nhanh hơn từ 15% đến 25% về số lượng vòng lặp tính toán. Thông qua đồ thị đường cong hội tụ tổng chi phí và biểu đồ phân bố điện áp theo từng nút tải, biên độ điện áp toàn mạng được nâng lên đồng đều và duy trì ổn định trong dải cho phép từ 0.95 pu đến 1.05 pu. Việc mô hình hóa đồng thời nhiều mức phụ tải (nhẹ, định mức, đỉnh) đã chứng minh tính thực tiễn cao hơn hẳn các nghiên cứu chỉ xét tải cố định, giúp hệ thống tránh được hoàn toàn rủi ro phát ngược công suất phản kháng gây quá áp nguy hiểm vào ban đêm.

Đề xuất và khuyến nghị

Một là, triển khai ứng dụng bộ công cụ tính toán tối ưu hóa vị trí tụ bù dựa trên mã nguồn HSOS cho phòng kỹ thuật điều độ tại Công ty Điện lực Củ Chi và các công ty điện lực trực thuộc trong giai đoạn 2020 đến 2022, nhằm mục tiêu hạ tỷ lệ tổn thất điện năng kỹ thuật xuống dưới mức 3.5% trên toàn địa bàn quản lý.

Hai là, lắp đặt hệ thống tụ bù tĩnh kết hợp các bộ tụ bù ứng động tự động đóng cắt theo thời gian thực tại các vị trí nút phân nhánh trọng điểm trong thời hạn 6 tháng, do các đơn vị quản lý vận hành lưới điện phân phối chủ trì thực hiện nhằm duy trì hệ số công suất cosφ luôn trên ngưỡng 0.95.

Ba là, tích hợp thuật toán phân bổ tụ bù thông minh vào hệ thống SCADA/DMS của Trung tâm Điều độ Hệ thống điện Thành phố Hồ Chí Minh trong lộ trình 12 tháng, nhằm tối ưu hóa biểu đồ phụ tải và tự động hóa giám sát điện áp trên toàn bộ các xuất tuyến trung thế 22 kV.

Bốn là, ban hành chính sách điều chỉnh biểu giá phạt công suất phản kháng và cơ chế khuyến khích các doanh nghiệp sản xuất công nghiệp đầu tư hệ thống tụ bù hạ thế tại chỗ, do Tổng công ty Điện lực Thành phố Hồ Chí Minh phối hợp cùng các cơ quan quản lý năng lượng hoàn thiện trong quý 4 năm 2021 nhằm giảm tải tối thiểu 15% dòng phản kháng truyền tải trên lưới điện nguồn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Một là, các kỹ sư vận hành và điều độ hệ thống điện tại các công ty điện lực phân phối, những người cần giải pháp định lượng chính xác vị trí và dung lượng lắp đặt tụ bù trên các xuất tuyến trung thế 22 kV thực tế nhằm giảm tổn thất dòng điện và ổn định điện áp.

Hai là, các nhà nghiên cứu, giảng viên và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật điện, những người đang tìm kiếm tài liệu học thuật chuyên sâu về thuật toán metaheuristic lai ghép (HSOS) ứng dụng giải quyết các bài toán tối ưu phi tuyến đa biến trong mạng lưới điện.

Ba là, sinh viên và học viên cao học khối ngành Năng lượng, Hệ thống điện và Kỹ thuật điều khiển, có thể sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp xây dựng mô hình toán học và lập trình mô phỏng trên nền tảng MATLAB.

Bốn là, các cán bộ quản lý kỹ thuật và tư vấn thiết kế cơ điện (M&E) tại các nhà máy, khu công nghiệp, cần giải pháp tối ưu hóa hệ số công suất của trạm biến áp xí nghiệp lên trên 0.95 nhằm loại bỏ chi phí phạt công suất phản kháng hàng tháng.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần tối ưu hóa vị trí đặt tụ bù thay vì dùng quy tắc 2/3 truyền thống?

Quy tắc 2/3 truyền thống dựa trên giả định đường dây đồng nhất và phụ tải phân bố đều, dẫn đến sai số rất lớn trên lưới điện thực tế. Phương pháp tối ưu hóa HSOS phân tích chi tiết từng đặc tính nút, giúp giảm thêm từ 12% đến 18% tổn thất điện năng so với cách tính giải tích kinh điển.

Giải thuật HSOS có điểm gì vượt trội hơn so với thuật toán SOS nguyên bản?

Thuật toán SOS nguyên bản thường gặp khó khăn về tốc độ hội tụ ở giai đoạn cuối không gian tìm kiếm. Việc tích hợp phép nội suy bậc hai đơn giản (SQI) giúp HSOS tăng tốc độ hội tụ thêm 20%, nâng cao độ chính xác khi tìm kiếm dung lượng tụ bù rời rạc mà không bị kẹt vào cực trị địa phương.

Việc xét đến nhiều mức phụ tải mang lại lợi ích thực tế nào cho lưới điện?

Phụ tải thực tế biến thiên liên tục giữa mức thấp (0.5), định mức (1.0) và đỉnh (1.6). Tính toán đa mức tải giúp thiết lập cấu hình phối hợp giữa tụ cố định và tụ ứng động, ngăn ngừa hiện tượng phát ngược công suất phản kháng gây quá áp nguy hiểm trong khung giờ thấp điểm.

Thuật toán trong luận văn đã được kiểm chứng trên các hệ thống nào?

Nghiên cứu đã thử nghiệm thành công trên hai hệ thống mạng phân phối chuẩn quốc tế gồm IEEE 33 nút và IEEE 69 nút, đồng thời kiểm chứng thực tế trên phát tuyến trung thế 22 kV Trung Lập Hạ tại huyện Củ Chi, chứng minh tính khả thi và độ chính xác cao khi áp dụng vào thực tế.

Suất tổn thất công suất của tụ bù được tính toán ra sao trong mô hình kinh tế?

Trong hàm mục tiêu kinh tế, suất tổn thất công suất tác dụng của tụ bù tĩnh được xác định ở mức cực thấp, chỉ khoảng 0.005 kW/kVAr. Thông số này vượt trội hơn hẳn so với máy bù đồng bộ (khoảng 0.027 kW/kVAr), giúp tối ưu hóa tổng chi phí vận hành và tăng chỉ số tiết kiệm ròng hàng năm.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình toán học tối ưu hóa vị trí và dung lượng tụ bù trong lưới điện phân phối hình tia có xét đến 3 mức phụ tải biến thiên theo thời gian.
  • Phát triển hoàn chỉnh giải thuật Tìm kiếm sinh vật cộng sinh lai (HSOS), chứng minh sự vượt trội về tốc độ hội tụ và độ chính xác so với các thuật toán tối ưu bầy đàn truyền thống.
  • Cắt giảm thành công từ 28.5% đến 35.4% tổng tổn thất công suất tác dụng trên hệ thống mạng chuẩn IEEE 33 nút, IEEE 69 nút và phát tuyến 22 kV Trung Lập Hạ.
  • Cải thiện đáng kể chất lượng điện áp toàn diện, nâng biên độ điện áp tại các nút xa nguồn lên trên 0.93 pu và đưa hệ số công suất trung bình toàn mạng đạt trên 0.96.
  • Đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt với giá trị tiết kiệm ròng hàng năm đạt mức tối ưu, rút ngắn thời gian thu hồi vốn đầu tư lắp đặt thiết bị xuống dưới 1.5 năm.

Trong lộ trình nghiên cứu giai đoạn 2020 đến 2025, định hướng tiếp theo là mở rộng thuật toán HSOS để tối ưu hóa tích hợp nguồn điện phân tán (DG) như điện mặt trời mái nhà và hệ thống lưu trữ năng lượng pin. Bạn đọc và các kỹ sư hệ thống điện có thể tham khảo toàn văn luận văn thạc sĩ của tác giả Lê Minh Luân để tiếp cận đầy đủ bộ dữ liệu mô phỏng và thuật toán chi tiết.