Chương 1. Lý do chọn đề tài Với sự phát triển kinh tế - xã hội ngày càng mạnh mẽ, nhu cầu sử dụng điện cho tiêu dùng, sản xuất, kinh doanh cũng ngày càng tăng. Đặc biệt là các phụ tải lớn tại các khu công nghiệp có mức tiêu thụ công suất phản kháng rất lớn (do các phụ tải này đều mang tính chất điện cảm), và điều này đã làm gia tăng tổn thất điện năng, tổn thất công suất và chi phí truyền tải điện năng, làm giảm hệ số công suất cosφ, giảm hiệu quả sử dụng điện và chất lượng điện năng. Chính vì lẽ đó, các đơn vị bán điện phải áp dụng hệ số phạt đối với các hộ tiêu thụ có hệ số cosφ thấp hơn quy định.
Bên cạnh đó, hầu hết cấu trúc lưới phân phối đều được vận hành ở dạng hình tia, cung cấp cho phụ tải đa dạng như thương mại, công nghiệp, dân dụng,…nhu cầu phụ tải sẽ dao động theo thời gian và có thể gây ra sự mất cân bằng phân bố công suất trên đường dây, tạo nên hiện tượng sụp đổ điện áp đối với lưới điện hạ áp. Khi tổn thất công suất thực trong mạng phân phối quá nhiều, điện áp tại các nút có thể phá vỡ ràng buộc điện áp. Điều này có thể sẽ ảnh hưởng đến chất lượng cung cấp điện và sự ổn định của hệ thống. Sự sụt giảm điện áp tại các nút và tổn thất công suất là do thiếu hụt công suất phản kháng.
[1] Có khá nhiều cách thức để giảm tổn thất công suất và nâng cao chất lượng điện áp như tái cấu trúc lưới điện, lắp đặt tụ bù, cân bằng phụ tải, nâng cấp điện áp,… Trong đó, bù công suất phản kháng (CSPK) là một giải pháp được sử dụng khá rộng rãi để duy trì an ninh và độ tin cậy cung cấp điện trong mạng phân phối cấu trúc hình tia. Điều này có thể thực hiện được bằng cách tối ưu vị trí đặt tụ bù tại các nút khác nhau trên lưới điện. Đề tài áp dụng giải thuật Tìm kiếm sinh vật cộng sinh lai (Hybrid Sympiosis Organisms Search - HSOS) để giải bài toán tối ưu vị trí đặt tụ bù (Optimal Capacitors Placement - OCP) trong lưới điện phân phối với nhiều mức phụ tải khác nhau. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài Bài toán tối ưu vị trí đặt tụ bù trong lưới điện phân phối đã được sử dụng khá phổ biến với nhiều giải thuật được áp dụng.
Nó có ý nghĩa rất quan trọng trong sản xuất và kinh doanh điện năng. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu các phương pháp bù tối ưu công suất phản kháng trong lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất và nâng cao chất lượng điện năng. Cụ thể luận văn cần thực hiện các nhiệm vụ sau: Dựa vào thuật toán HSOS để tìm kiếm vị trí và dung lượng tối ưu của tụ bù trong lưới điện phân phối cấu trúc hình tia nhằm giảm thiểu chi phí vận hành và gia tăng giá trị tiết kiệm ròng hàng năm của hệ thống điện; Xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu của lưới điện thực tế có xét đến nhiều mức phụ tải khác nhau. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu Đề tài nghiên cứu, áp dụng thuật toán HSOS để xây dựng mô hình toán học cho bài toán xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu trong lưới điện phân phối chuẩn của IEEE với nhiều mức phục tải khác nhau và lưới phân phối thực tế.
Đồng thời so sánh với các phương pháp khác để thấy được sự nổi bật của phương pháp HSOS. Đề tài sẽ sử dụng phần mềm MATLAB để xây dựng thuật toán giải bài toán tối ưu hóa vị trí đặt tụ bù trong lưới phân phối. Thông số kỹ thuật vận hành của lưới điện thực tế được khai thác từ dữ liệu quản lý của Công ty Điện lực Củ Chi - Tổng công ty Điện lực Thành phố Hồ Chí Minh, làm cơ sở cho bài toán OCP. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Bù công suất phản kháng là bài toán tối ưu đa mục tiêu, được chia làm hai bài toán nhỏ là (1) xác định vị trí đặt tụ bù tối ưu và (2) xác định dung lượng tối ưu của tụ bù.
Đối với các phụ tải tại hộ tiêu thụ, giá trị hệ số công suất cosφ được quy định phải lớn hơn hoặc bằng 0.9 [2], tức là công suất phản kháng yêu cầu tại các nút tải không được quá lớn. Thông thường đối với các điểm tải này, tụ bù sẽ được lắp ngay tại phụ tải để bù công suất phản kháng cho thiết bị điện. Đối với đường dây phân phối, số 3 lượng nút rất lớn nên rất khó để xác định được vị trí nút nào thích hợp nhất để lắp đặt tụ bù. Về lý thuyết, các nút thích hợp để lắp đặt tụ bù là các nút thuộc các nhánh có tổn thất công suất tác dụng theo thành phần tác dụng hoặc thành phần phản kháng của dòng điện là tốt nhất [3].
Bài toán bù tối ưu công suất phản kháng trong lưới điện phân phối là bài toán xác định vị trí và dung lượng bù cần thiết của tụ bù để lắp vào lưới điện sao cho tổn thất công suất là nhỏ nhất, chất lượng điện áp ổn định nhất và chi phí hàng năm của lưới điện thấp nhất. Có rất nhiều kỹ thuật được áp dụng để giải quyết vấn đề tối ưu vị trí đặt tụ bù. Các đề xuất phương pháp giải thường chia thành 3 nhóm: Nhóm phương pháp giải tích (Analytical), nhóm phương pháp quy hoạch tối ưu (Programming) và nhóm phương pháp tìm kiếm thông minh (Heuristics). Trên lưới điện thực tế, tổn thất điện năng phụ thuộc vào cấu trúc của lưới điện và phụ tải, và các yếu tố này lại dễ bị thay đổi theo thời gian và vị trí.
Hiện nay việc tính toán, xác định vị trí và dung lượng tụ bù tại các Công ty Điện lực ở Việt Nam chủ yếu dựa vào quy tắc 2/3 (vị trí lắp đặt tụ ở 2/3 khoảng cách đường dây tính từ tải về nguồn, và dung lượng bù bằng 2/3 công suất phản kháng lớn nhất của lưới điện). Đây là nhóm phương pháp giải tích. Ưu điểm của nhóm này là các phép tính đơn giản, nhưng nhược điểm là kết quả không có độ chính xác cao do bài toán phải đi kèm với các giả thuyết kém thực tế như: Phụ tải đường dây phân bố đều, dung lượng bù có giá trị liên tục, tiết diện đường dây đồng nhất. Nhóm phương pháp thứ hai là phương pháp quy hoạch tối ưu.
Phương pháp này sử dụng kỹ thuật lặp để cực đại hoặc cực tiểu hóa hàm mục tiêu của các biến quyết định trong bài toán xác định vị trí và dung lượng tụ bù (hàm mục tiêu gồm tổng tổn thất công suất của lưới hoặc tổng chi phí tiết kiệm được nhờ vào việc giảm tổn thất; các biến quyết định bao gồm điện áp nút, dòng nhánh, vị trí, dung lượng tụ bù). Nhóm phương pháp này có thể xét đến như quy hoạch nguyên hỗn hợp (mixed integer programming) và quy hoạch toàn phương (quadratic programming). Nhược điểm của phương pháp này là khó hội tụ, đặc biệt là các bài toán có kích cỡ lớn, nhiều biến số. 4 Nhóm phương pháp thứ ba là phương pháp tìm kiếm thông minh.
Phương pháp này giúp cho việc giải các bài toán tối ưu tốt hơn các phương pháp kể trên, bằng cách thu hẹp không gian tìm kiếm nhưng vẫn cho ra kết quả cuối cùng của hàm mục tiêu đạt gần đến giá trị tối ưu tổng thể. Trong các phương pháp heuristics sử dụng trí thông minh nhân tạo, việc nghiên cứu tính toán xác định vị trí và dung lượng bù trong lưới điện phân phối dựa vào thuật toán HSOS có thể cung cấp giải pháp tốt hơn so với các phương pháp khác. Đây chính là tầm quan trọng của thuật toán HSOS để tìm ra lời giải tối ưu. Luận văn này sẽ áp dụng thuật toán HSOS để xác định vị trí đặt tụ bù công suất phản kháng tối ưu cho lưới điện phân phối IEEE 33 nút và 69 nút, đồng thời so sánh với các thuật toán trí tuệ nhân tạo khác để thấy được ưu điểm của phương pháp.
Dựa trên kết quả đạt được, đề tài sẽ xây dựng thuật toán HSOS trên nền MATLAB để tối ưu hóa vị trí đặt tụ bù trên một xuất tuyến của lưới điện huyện Củ Chi. TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG 2. Giới thiệu Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp sản xuất, các phụ tải công nghiệp được đưa vào sử dụng với công suất rất lớn. Cụ thể, các máy biến áp, các động cơ không đồng bộ và các phụ tải mang tính cảm sẽ tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới điện trong quá trình vận hành.
Theo thống kê, trong mạng điện xí nghiệp, lượng tiêu thụ công suất phản kháng do động cơ không đồng bộ chiếm khoảng 60 ÷ 65 %, máy biến áp khoảng 20 ÷ 25 % và các thiết bị khác là 10 ÷ 20 %. Trong hệ thống điện xoay chiều, dòng điện I gồm 2 thành phần: Thành phần tác dụng IR cùng pha với điện áp U và thành phần phản kháng IX vuông góc với điện áp U. Góc lệch giữa điện áp U và dòng điện I là φ. Hệ số cosφ được gọi là hệ số công suất, là hệ số biểu thị cho sự chuyển đổi công suất biểu kiến sang các dạng năng lượng hữu công khác.
Sơ đồ vector dòng điện và công suất trong hệ thống điện. Hệ số công suất (tức thời) được xác định bởi tỷ số giữa công suất tác dụng (P) và công suất biểu kiến (S): IR P P cos (2.1) I S 3UI Trên thực tế, hệ số công suất thường được xác định theo giá trị trung bình: Ap costb (2.2) Ap2 Aq2 6 Trong đó, Ap và Aq lần lượt là điện năng tác dụng và điện năng phản kháng xác định qua công tơ đo đếm điện năng. Giữa công suất tác dụng P, công suất phản kháng Q, công suất biểu kiến S và hệ số công suất cosφ liên hệ với nhau bằng tam giác công suất. Mối quan hệ giữa các loại công suất điện.
Công suất biểu kiến S (hay công suất toàn phần) đặc trưng cho công suất thiết kế của thiết bị điện. Cùng một công suất S, nếu cosφ lớn (tức góc φ nhỏ) thì công suất P lớn, công suất Q nhỏ, thiết bị được khai thác hiệu quả.
