Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phụ tải điện ngày càng tăng do sự phát triển của xã hội hiện đại, việc quản lý và vận hành lưới điện phân phối (LĐPP) trở nên phức tạp và đòi hỏi các giải pháp tối ưu nhằm giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Theo ước tính, tổn thất điện năng trên lưới phân phối chiếm khoảng 10-15% tổng công suất hệ thống, gây ảnh hưởng lớn đến hiệu quả vận hành và chi phí sản xuất điện. Đặc biệt, sự phát triển nhanh chóng của các nguồn điện phân tán (Distributed Generation - DG) như pin mặt trời, turbine gió, pin nhiên liệu, động cơ đốt trong... đã tạo ra cơ hội mới để cải thiện hiệu quả lưới điện phân phối.

Luận văn tập trung nghiên cứu bài toán xác định vị trí và dung lượng tối ưu của các máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kV trong thị trường cạnh tranh, đồng thời kết hợp với bài toán tái cấu hình vận hành lưới điện nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng và đảm bảo cung cấp điện ổn định cho khách hàng. Phạm vi nghiên cứu áp dụng cho lưới điện phân phối tại thành phố Bến Tre với các hệ thống thử nghiệm gồm lưới 33 nút và 72 nút. Mục tiêu cụ thể là xây dựng hàm mục tiêu đa mục tiêu và áp dụng giải thuật lai Particle Swarm Optimization (PSO) để tìm ra cấu hình vận hành và vị trí, công suất DG tối ưu.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ các công ty điện lực địa phương tối ưu hóa vận hành lưới điện phân phối, giảm tổn thất điện năng, nâng cao độ tin cậy và thúc đẩy phát triển nguồn năng lượng tái tạo, đồng thời góp phần tạo ra thị trường điện cạnh tranh hiệu quả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lưới điện phân phối (LĐPP): Lưới điện phân phối truyền tải điện năng từ hệ thống truyền tải đến các phụ tải cuối cùng, thường vận hành theo cấu trúc hình tia hoặc mạch vòng hở nhằm đảm bảo độ tin cậy và dễ dàng bảo vệ. Tổn thất công suất trên lưới phân phối là vấn đề lớn do điện áp thấp và dòng điện lớn.

  • Nguồn điện phân tán (DG): DG là các máy phát có công suất nhỏ hơn 10MW, được kết nối trực tiếp vào lưới phân phối trung áp/hạ áp, bao gồm các công nghệ như pin mặt trời (PV), turbine gió (WT), pin nhiên liệu (FC), động cơ đốt trong (ICE), microturbine, turbine khí (CT). DG giúp giảm tải lưới, giảm tổn thất, cải thiện chất lượng điện năng và độ tin cậy.

  • Tái cấu hình lưới điện phân phối: Là quá trình thay đổi trạng thái đóng/mở của các khóa điện trên lưới nhằm tìm cấu hình vận hành hình tia tối ưu, giảm tổn thất công suất và đảm bảo các ràng buộc kỹ thuật như điện áp, dòng điện, không quá tải thiết bị.

  • Thuật toán tối ưu bầy đàn (Particle Swarm Optimization - PSO): PSO là thuật toán tối ưu dựa trên hành vi bầy đàn, được sử dụng để giải bài toán xác định vị trí và công suất DG cũng như cấu hình vận hành lưới điện phân phối. PSO có ưu điểm hội tụ nhanh, dễ triển khai và hiệu quả trong không gian tìm kiếm lớn.

Các khái niệm chính bao gồm: tổn thất công suất, cấu hình vận hành hình tia, ràng buộc điện áp và dòng điện, hàm mục tiêu đa mục tiêu, thuật toán PSO.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm thông số kỹ thuật và dữ liệu tải của lưới điện phân phối 33 nút và 72 nút tại thành phố Bến Tre. Các thông số mạng như điện trở đường dây, điện áp nút, công suất tải được thu thập và chuẩn hóa.

Phương pháp nghiên cứu gồm hai giai đoạn chính:

  1. Xác định vị trí và công suất DG tối ưu trên lưới điện phân phối kín: Sử dụng thuật toán PSO để tối ưu hàm mục tiêu đa mục tiêu, giảm tổn thất công suất tác dụng, đảm bảo các ràng buộc kỹ thuật như điện áp nút trong giới hạn, dòng điện nhánh không quá tải. Giai đoạn này giả định tất cả các khóa điện đều đóng, tạo thành mạng kín.

  2. Xác định cấu hình vận hành hở tối ưu của lưới điện phân phối: Tiếp tục sử dụng PSO để tìm trạng thái đóng/mở các khóa điện nhằm tạo cấu hình vận hành hình tia tối ưu, giảm tổn thất công suất và đảm bảo cung cấp điện cho tất cả phụ tải.

Phương pháp phân tích bao gồm mô hình toán học bài toán tối ưu, giải thuật PSO với cỡ mẫu quần thể khoảng 50 cá thể, chạy độc lập 50 lần để đảm bảo tính ổn định và hội tụ. Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng 6 tháng, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, triển khai thuật toán và kiểm nghiệm trên hệ thống thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm tổn thất công suất đáng kể khi kết nối DG: Kết quả trên lưới 33 nút cho thấy tổn thất công suất giảm khoảng 15% so với cấu hình không có DG. Trên lưới 72 nút, tổn thất giảm khoảng 12%, chứng minh hiệu quả của việc tối ưu vị trí và công suất DG.

  2. Cấu hình vận hành hở tối ưu giúp giảm tổn thất thêm 5-7%: So với cấu hình vận hành kín, việc tái cấu hình lưới điện phân phối bằng PSO giúp giảm tổn thất công suất thêm từ 5% đến 7% trên cả hai hệ thống thử nghiệm.

  3. Đảm bảo điện áp nút trong giới hạn cho phép: Điện áp tại các nút lưới phân phối được duy trì trong khoảng 0.95 - 1.05 p.u., đảm bảo chất lượng điện năng và ổn định hệ thống.

  4. Tăng độ tin cậy cung cấp điện: Việc kết nối DG và tái cấu hình lưới điện giúp cải thiện khả năng cung cấp điện liên tục, giảm thời gian mất điện do sự cố, đặc biệt trong các giờ cao điểm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm tổn thất công suất là do DG cung cấp điện gần phụ tải, giảm dòng điện truyền tải trên các nhánh dài, từ đó giảm tổn thất trên đường dây. Việc tái cấu hình lưới điện vận hành hở giúp phân bố lại tải, tránh quá tải nhánh và giảm sụt áp.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả đạt được tương đương hoặc vượt trội nhờ áp dụng giải thuật PSO lai, kết hợp tối ưu vị trí, công suất DG và cấu hình vận hành. Các biểu đồ hội tụ PSO cho thấy thuật toán ổn định và hội tụ nhanh trong vòng 50 lần chạy độc lập.

Ý nghĩa của kết quả là cung cấp một công cụ hiệu quả cho các công ty điện lực trong việc vận hành lưới điện phân phối có DG, giảm chi phí vận hành và nâng cao chất lượng dịch vụ. Ngoài ra, nghiên cứu góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo và thị trường điện cạnh tranh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai giải thuật PSO trong hệ thống điều khiển lưới điện phân phối: Các công ty điện lực nên áp dụng giải thuật PSO để xác định vị trí và công suất DG tối ưu, đồng thời tái cấu hình lưới điện theo thời gian thực nhằm giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng.

  2. Khuyến khích đầu tư và phát triển nguồn điện phân tán: Nhà nước và các tổ chức nên hỗ trợ chính sách ưu đãi, khuyến khích đầu tư DG sử dụng năng lượng tái tạo như PV, turbine gió, pin nhiên liệu nhằm giảm áp lực lên lưới truyền tải và phân phối. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý năng lượng và doanh nghiệp điện lực.

  3. Nâng cao năng lực quản lý và vận hành lưới điện phân phối: Đào tạo nhân lực kỹ thuật về các thuật toán tối ưu và công nghệ DG, đồng thời trang bị hệ thống giám sát, điều khiển thông minh để thực hiện tái cấu hình lưới điện hiệu quả. Thời gian triển khai 6-9 tháng.

  4. Xây dựng cơ chế thị trường điện cạnh tranh cho DG: Thiết lập cơ chế giá điện linh hoạt, minh bạch cho các khách hàng có DG tham gia thị trường, tạo động lực cho việc cung cấp điện từ nguồn phân tán, đồng thời đảm bảo an toàn và ổn định hệ thống. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý thị trường điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các công ty điện lực và nhà vận hành lưới điện phân phối: Nghiên cứu giúp tối ưu hóa vận hành, giảm tổn thất và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, đồng thời hỗ trợ tích hợp nguồn điện phân tán hiệu quả.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Cung cấp cơ sở lý thuyết, mô hình toán học và phương pháp giải thuật hiện đại trong lĩnh vực tối ưu lưới điện phân phối và nguồn phân tán.

  3. Các nhà hoạch định chính sách năng lượng và quản lý thị trường điện: Tham khảo để xây dựng chính sách phát triển nguồn điện phân tán, thúc đẩy thị trường điện cạnh tranh và phát triển bền vững.

  4. Doanh nghiệp đầu tư và phát triển nguồn điện phân tán: Hiểu rõ các yếu tố kỹ thuật và kinh tế trong việc lựa chọn vị trí, công suất DG, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý và hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần xác định vị trí và công suất tối ưu của máy phát điện phân tán?
    Việc xác định vị trí và công suất tối ưu giúp giảm tổn thất công suất trên lưới điện phân phối, cải thiện chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện. Ví dụ, DG đặt gần phụ tải giúp giảm dòng điện truyền tải và tổn thất trên đường dây.

  2. Giải thuật PSO có ưu điểm gì trong bài toán này?
    PSO hội tụ nhanh, dễ triển khai và hiệu quả trong không gian tìm kiếm lớn, phù hợp với bài toán tối ưu phức tạp như xác định vị trí, công suất DG và cấu hình vận hành lưới điện. Kết quả nghiên cứu cho thấy PSO đạt hiệu quả cao trên lưới 33 và 72 nút.

  3. Tái cấu hình lưới điện phân phối là gì và tại sao cần thiết?
    Tái cấu hình là thay đổi trạng thái đóng/mở các khóa điện để tạo cấu hình vận hành hình tia tối ưu, giảm tổn thất công suất và đảm bảo các ràng buộc kỹ thuật. Nó giúp phân bố tải hợp lý, tránh quá tải và cải thiện độ tin cậy.

  4. Nguồn điện phân tán gồm những loại nào phổ biến?
    Các loại DG phổ biến gồm pin mặt trời (PV), turbine gió (WT), pin nhiên liệu (FC), động cơ đốt trong (ICE), microturbine và turbine khí (CT). Mỗi loại có đặc tính kỹ thuật và kinh tế riêng, phù hợp với các điều kiện khác nhau.

  5. Lợi ích kinh tế của việc sử dụng DG trên lưới điện phân phối là gì?
    DG giúp giảm chi phí vận hành do giảm tổn thất công suất, giảm tải trên lưới truyền tải, trì hoãn nâng cấp hệ thống, bình ổn giá điện và tăng độ tin cậy cung cấp điện. Điều này góp phần giảm giá thành điện năng cho người tiêu dùng.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công hàm mục tiêu đa mục tiêu và áp dụng giải thuật PSO lai để xác định vị trí, công suất DG và cấu hình vận hành lưới điện phân phối 22kV tối ưu.
  • Kết quả kiểm nghiệm trên lưới 33 nút và 72 nút tại Bến Tre cho thấy giảm tổn thất công suất từ 12-15% và cải thiện độ tin cậy cung cấp điện.
  • Phương pháp tái cấu hình lưới điện vận hành hở giúp giảm tổn thất thêm 5-7%, đảm bảo điện áp nút trong giới hạn cho phép.
  • Nghiên cứu góp phần thúc đẩy phát triển nguồn điện phân tán, nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện phân phối và hỗ trợ thị trường điện cạnh tranh.
  • Đề xuất triển khai giải thuật PSO trong thực tế, khuyến khích đầu tư DG và nâng cao năng lực quản lý vận hành lưới điện phân phối trong vòng 12 tháng tới.

Hành động tiếp theo là áp dụng giải pháp vào hệ thống lưới điện phân phối thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các loại lưới điện khác và tích hợp thêm các yếu tố kinh tế, môi trường để phát triển bền vững.