Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống điện phân phối đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng đến người tiêu dùng cuối cùng. Theo ước tính, tổn thất công suất trên lưới điện 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. Với sự phát triển nhanh chóng của các nguồn năng lượng tái tạo và máy phát điện phân tán (Distributed Generation - DG), việc tích hợp DG vào lưới điện phân phối đã trở thành xu hướng tất yếu nhằm nâng cao độ tin cậy và chất lượng cung cấp điện. Tuy nhiên, việc xác định vị trí và dung lượng tối ưu của các máy phát điện phân tán trên lưới điện phân phối là một bài toán phức tạp, đòi hỏi phải cân nhắc đến cấu trúc vận hành lưới điện và các ràng buộc kỹ thuật.

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu và đề xuất giải pháp xác định vị trí và công suất máy phát điện phân tán trên lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất công suất tác dụng và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Nghiên cứu tập trung vào việc áp dụng thuật toán di truyền (Genetic Algorithm - GA) để giải quyết bài toán đa mục tiêu này, đồng thời xem xét cấu trúc vận hành lưới điện phân phối trong phạm vi thời gian nghiên cứu từ năm 2016 đến 2018 tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc hỗ trợ các công ty điện lực địa phương tối ưu hóa vận hành lưới điện, giảm chi phí vận hành và nâng cao chất lượng dịch vụ cung cấp điện.

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): Hệ thống truyền tải điện năng từ các trạm biến áp trung gian đến các phụ tải cuối cùng, thường có cấu trúc hình tia hoặc mạch vòng vận hành hở nhằm đảm bảo độ tin cậy và an toàn vận hành.
  • Nguồn điện phân tán (DG): Các máy phát điện có công suất nhỏ (dưới 10 MW) được đặt gần hoặc tại điểm tiêu thụ, sử dụng các công nghệ như pin mặt trời (PV), turbine gió (WT), pin nhiên liệu (FC), máy phát động cơ đốt trong (ICE), microturbine và turbine khí (CT). DG giúp giảm tổn thất, cải thiện chất lượng điện và độ tin cậy.
  • Thuật toán di truyền (GA): Phương pháp tối ưu hóa meta-heuristic dựa trên cơ chế chọn lọc tự nhiên và di truyền học, được sử dụng để giải bài toán xác định vị trí và công suất DG tối ưu cũng như cấu trúc vận hành lưới điện phân phối nhằm giảm tổn thất công suất.

Các khái niệm chính bao gồm: tổn thất công suất tác dụng, cấu trúc vận hành lưới điện (hở và kín), ràng buộc kỹ thuật về điện áp, dòng điện và công suất máy phát phân tán.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm các mô hình lưới điện phân phối mẫu 33 nút và 69 nút, cùng các thông số kỹ thuật mạng điện thực tế tại Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu được thực hiện qua 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 di truyền để tìm ra vị trí và dung lượng máy phát phân tán sao cho tổn thất công suất tác dụng trên lưới được giảm thiểu tối đa. Mã hóa các biến số trong thuật toán bao gồm vị trí nút và công suất DG.
  2. Xác định cấu trúc vận hành hở tối ưu của hệ thống: Áp dụng thuật toán di truyền để lựa chọn trạng thái đóng/mở các khóa điện trên lưới phân phối nhằm tối ưu hóa cấu trúc vận hành, đảm bảo các ràng buộc kỹ thuật và giảm tổn thất.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các lưới điện mẫu với 33 và 69 nút, được chọn để phản ánh đặc điểm vận hành thực tế của lưới điện phân phối Việt Nam. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện và khả năng áp dụng thuật toán tối ưu. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 10/2016 đến tháng 4/2018.

Phân tích kết quả được thực hiện thông qua so sánh tổn thất công suất trước và sau khi áp dụng giải thuật, đồng thời đánh giá điện áp các nút và khả năng vận hành lưới điện. Các biểu đồ đặc tính hội tụ của thuật toán di truyền và bảng so sánh kết quả với các phương pháp khác được sử dụng để minh họa hiệu quả giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm tổn thất công suất đáng kể khi có DG: Kết quả trên lưới 33 nút cho thấy tổn thất công suất giảm từ mức ban đầu khoảng 5,4 MW xuống còn khoảng 2,2 MW, tương đương giảm khoảng 59%. Trên lưới 69 nút, tổn thất giảm từ khoảng 7,8 MW xuống còn 3,1 MW, tương đương giảm 60%.
  2. Vị trí đặt DG tối ưu tập trung tại các nút có công suất tải lớn: Các nút có phụ tải tiêu thụ cao nhất được xác định là vị trí thích hợp để lắp đặt DG nhằm tối ưu hóa hiệu quả giảm tổn thất.
  3. Cấu trúc vận hành lưới điện hở tối ưu giúp giảm tổn thất thêm 10-15% so với cấu trúc vận hành kín: Việc tái cấu hình lưới điện bằng cách đóng/mở các khóa điện hợp lý giúp giảm tổn thất và cải thiện điện áp các nút.
  4. Thuật toán di truyền có đặc tính hội tụ tốt: Đặc tính hội tụ của GA được thể hiện qua các biểu đồ cho thấy thuật toán đạt được nghiệm tối ưu trong khoảng 50-100 thế hệ, đảm bảo tính hiệu quả và khả năng áp dụng thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm tổn thất công suất là do DG cung cấp điện gần điểm tiêu thụ, giảm dòng tải trên các nhánh truyền tải và phân phối, từ đó giảm tổn thất trên đường dây. Việc lựa chọn vị trí đặt DG tại các nút có phụ tải lớn giúp tận dụng tối đa công suất phát của DG, đồng thời giảm áp lực lên lưới truyền tải chính.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả giảm tổn thất đạt mức tương đương hoặc cao hơn, đặc biệt khi kết hợp với tái cấu hình lưới điện vận hành hở. Điều này khẳng định tính ưu việt của phương pháp sử dụng thuật toán di truyền trong việc giải quyết bài toán đa mục tiêu phức tạp.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu là cung cấp một công cụ hỗ trợ các công ty điện lực trong việc lập kế hoạch và vận hành lưới điện phân phối có kết nối DG, giúp giảm chi phí vận hành, nâng cao chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện. Dữ liệu có thể được trình bày qua các bảng so sánh tổn thất công suất và biểu đồ điện áp các nút trước và sau tối ưu để minh họa hiệu quả giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng thuật toán di truyền trong quy hoạch lưới điện phân phối có DG: Các công ty điện lực nên sử dụng giải thuật này để xác định vị trí và công suất DG tối ưu, nhằm giảm tổn thất công suất và chi phí vận hành trong vòng 1-2 năm tới.
  2. Tái cấu hình lưới điện vận hành hở theo kết quả tối ưu: Thực hiện đóng/mở các khóa điện theo cấu trúc vận hành đề xuất để giảm tổn thất và cải thiện điện áp, đảm bảo vận hành an toàn, trong vòng 6-12 tháng.
  3. Đầu tư phát triển các nguồn điện phân tán sử dụng năng lượng tái tạo: Khuyến khích lắp đặt các DG như pin mặt trời, turbine gió tại các nút phụ tải lớn, ưu tiên các khu vực có tiềm năng năng lượng tái tạo cao, trong kế hoạch phát triển năng lượng 5 năm tới.
  4. Nâng cao năng lực quản lý và vận hành lưới điện phân phối: Đào tạo nhân lực vận hành sử dụng công cụ tối ưu hóa và quản lý cấu trúc lưới điện linh hoạt, đảm bảo vận hành hiệu quả và an toàn, trong vòng 1 năm.
  5. Xây dựng chính sách hỗ trợ và khuyến khích đầu tư DG: Các cơ quan quản lý nhà nước cần ban hành các chính sách ưu đãi về thuế, vốn vay và giá điện để thúc đẩy phát triển DG, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao an ninh năng lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các công ty điện lực và đơn vị vận hành lưới điện phân phối: Hỗ trợ trong việc lập kế hoạch, tối ưu hóa vận hành lưới điện có kết nối DG, giảm tổn thất và chi phí vận hành.
  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện: Cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp và kết quả thực nghiệm về bài toán xác định vị trí và công suất DG, cũng như tái cấu hình lưới điện phân phối.
  3. Các nhà hoạch định chính sách năng lượng và quản lý nhà nước: Tham khảo để xây dựng các chính sách phát triển năng lượng tái tạo và DG phù hợp với thực tiễn và xu hướng phát triển ngành điện.
  4. Các nhà đầu tư và doanh nghiệp phát triển nguồn điện phân tán: Hiểu rõ về lợi ích, vị trí và công suất tối ưu của DG trên lưới điện phân phối, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

  1. DG là gì và có vai trò như thế nào trong lưới điện phân phối?
    DG là các máy phát điện công suất nhỏ đặt gần điểm tiêu thụ, giúp giảm tổn thất công suất, cải thiện chất lượng điện và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Ví dụ, pin mặt trời và turbine gió là các dạng DG phổ biến.

  2. Tại sao cần xác định vị trí và công suất DG tối ưu?
    Vị trí và công suất DG ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả giảm tổn thất và cải thiện điện áp trên lưới. Đặt DG không hợp lý có thể gây quá tải hoặc không tận dụng được lợi ích kỹ thuật.

  3. Thuật toán di truyền được áp dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    Thuật toán di truyền được sử dụng để tìm kiếm vị trí và công suất DG tối ưu, cũng như cấu trúc vận hành lưới điện phân phối, thông qua quá trình chọn lọc, lai ghép và đột biến các giải pháp tiềm năng.

  4. Lợi ích kinh tế của việc sử dụng DG là gì?
    DG giúp giảm chi phí vận hành do giảm tổn thất công suất, trì hoãn nâng cấp lưới điện, giảm chi phí nhiên liệu và tăng độ tin cậy cung cấp điện, từ đó góp phần bình ổn giá điện.

  5. Phạm vi áp dụng của kết quả nghiên cứu này?
    Phương pháp và kết quả có thể áp dụng cho các lưới điện phân phối có cấu trúc tương tự tại Việt Nam và các nước đang phát triển, đặc biệt trong quy hoạch và vận hành lưới điện có kết nối DG.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công hàm đa mục tiêu và áp dụng thuật toán di truyền để xác định vị trí và công suất DG tối ưu trên lưới điện phân phối.
  • Kết quả nghiên cứu cho thấy tổn thất công suất giảm khoảng 59-60% trên các lưới mẫu 33 và 69 nút khi có DG và tái cấu hình lưới điện vận hành hở.
  • Vị trí đặt DG tối ưu tập trung tại các nút có phụ tải lớn, giúp tận dụng hiệu quả công suất phát và giảm tổn thất.
  • Thuật toán di truyền có đặc tính hội tụ tốt, phù hợp với bài toán đa mục tiêu phức tạp trong vận hành lưới điện phân phối.
  • Đề xuất các giải pháp triển khai thực tế nhằm nâng cao hiệu quả vận hành lưới điện phân phối có kết nối DG, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển bền vững.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng giải pháp trên các lưới điện thực tế, đồng thời nghiên cứu mở rộng bài toán tích hợp các yếu tố cải thiện chất lượng điện năng và độ tin cậy vận hành. Mời các đơn vị điện lực và nhà nghiên cứu quan tâm phối hợp để phát triển ứng dụng thực tiễn.

Hãy liên hệ để được tư vấn chi tiết về giải pháp tối ưu hóa lưới điện phân phối có kết nối máy phát điện phân tán.