TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI VÀ NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN
Tổng quan về lưới điện phân phối
2.1.1.Đặc điểm lưới điện phân phối:
Lưới điện phân phối bao gồm các trạm biến áp và đường dây tải điện, cung cấp điện năng trực tiếp cho hộ tiêu thụ Nó có nhiệm vụ phân phối điện cho các khu vực địa phương, với bán kính cung cấp điện thường nhỏ hơn 50 km, nhưng thực tế có thể lên đến 100 km Tổng chiều dài và số lượng máy biến áp trong hệ thống chiếm tỷ lệ lớn, với số lượng lộ ra và nhánh rẽ nhiều hơn 5-7 lần so với lưới điện truyền tải Mặc dù bán kính cấp điện ngắn, nhưng cấu trúc của lưới điện phân phối lại rất phức tạp.
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý lưới điện phân phối điển hình
Lưới điện phân phối tại Việt Nam nhận điện từ các trạm phân phối khu vực, bao gồm trạm 110/35-22-15-10-6 KV Hiện nay, lưới điện phân phối đang dần chuyển sang sử dụng cấp điện áp 22 KV, bên cạnh một số cấp điện áp 35 KV.
HVTH: Nguyễn Anh Tuấn, trang 7, gian 35/22-15-10-6 KV Lưới điện phân phối cung cấp điện theo cấp trung áp, với các trạm phân phối bao gồm trạm nâng áp từ các nhà máy điện phân tán và trạm phân phối khu vực dạng CA/TA (110/35-22-15-10-6 KV).
Hệ thống điện phân phối đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của toàn bộ hệ thống.
Trạm phân phối Hộ phụ tải
Mạng trung áp Mạng hạ áp
HVTH: Nguyễn Anh Tuấn Trang 8
- Chất lượng cung cấp điện: ở đây là độ tin cậy cung cấp điện và độ dao động của điện áp, tần số tại phụ tải
- Tổn thất điện năng: Thường tổn thất điện năng ở lưới phân phối lớn gấp 3 đến 4 lần so với tổn thất ở lưới truyền tải
Giá đầu tư xây dựng mạng điện được chia theo tỷ lệ cao áp, phân phối trung áp và phân phối hạ áp, trong đó vốn đầu tư cho mạng cao áp là 1, trong khi đó, vốn đầu tư cho mạng phân phối trung áp và hạ áp thường cao gấp 2,5 đến 3 lần so với mạng cao áp.
Xác suất xảy ra sự cố liên quan đến việc ngừng cung cấp điện hoặc cắt điện để thực hiện sửa chữa, bảo trì theo kế hoạch, cải tạo và xây dựng đường dây cũng như trạm phân phối mới Điều này cho thấy rằng lưới phân phối thường có tần suất sự cố cao hơn so với lưới truyền tải.
2.1.2 Nhiệm vụ của lưới điện phân phối:
- Cung cấp phương tiện để truyền tải năng lượng điện đến hộ tiêu thụ
- Cung cấp phương tiện để các công ty điện lực có thể bán điện
- Đảm bảo chất lượng điện năng và độ tin cậy cung cấp điện
- Đảm bảo các thông số vận hành trong giới hạn cho phép
- Các hệ thống bảo vệ hoạt động tin cậy
- Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác không bị quá tải
2.1.3 Chế độ vận hành lưới điện phân phối:
Chế độ vận hành bình thường của lưới điện phân phối thường là vận hành hở, hình tia hoặc dạng xương cá Để nâng cao độ tin cậy trong việc cung cấp điện, các nhà phân phối đang chuyển hướng xây dựng lưới điện theo cấu trúc vòng nhưng vẫn duy trì chế độ vận hành hở.
Trong mạch vòng, các xuất tuyến được kết nối thông qua dao cách ly hoặc thiết bị nối mạch vòng như Ring Main Unit, dao cắt có tải, và Recloser, tất cả đều hoạt động ở vị trí mở Khi cần sửa chữa hoặc gặp sự cố đường dây, việc cung cấp điện không bị gián đoạn lâu dài nhờ vào khả năng chuyển đổi nguồn cung cấp thông qua thao tác đóng cắt các DCL phân đoạn hoặc tự động chuyển đổi nhờ các thiết bị nối mạch vòng.
HVTH: Nguyễn Anh Tuấn Trang 9
Hình 2.3 Các chế độ vận hành của lưới điện phân phối
Mạch vòng có chất lượng điện tốt hơn so với mạch hình tia, nhưng lại gây phức tạp trong việc bảo vệ rơle Cấu trúc mạch vòng chỉ phù hợp cho các máy TA/HA công suất lớn với ít trạm Mặc dù đầu tư tương đương, hiệu quả khai thác mạch vòng kín thấp hơn mạch hình tia Tuy nhiên, chất lượng phục vụ của mạch hình tia đã được cải thiện đáng kể trong những năm gần đây nhờ vào sự phát triển của thiết bị tự động, việc xây dựng thêm trạm phân phối trung gian, tăng tiết diện dây dẫn và bù công suất phản kháng.
Kết quả nghiên cứu cho thấy lưới điện hình tia được ưa chuộng vì dễ dàng trong vận hành và phục hồi sau sự cố Hệ thống này giúp hạn chế vùng mất điện, giảm thiểu sự lan rộng khi có sự cố, và đơn giản hóa việc lập kế hoạch cắt điện cục bộ, đồng thời có dòng ngắn hiệu quả.
HVTH: Nguyễn Anh Tuấn Trang 10 nhấn mạnh rằng việc đơn giản hóa các thiết bị đóng cắt và bảo vệ trên các xuất tuyến là cần thiết cho mạch bé Tái cấu trúc lưới điện là yếu tố quan trọng để phục hồi cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, cũng như trong quá trình cắt điện để sửa chữa, nhằm giảm tổn thất hệ thống và cân bằng tải để tránh quá tải Khôi phục lưới điện được thực hiện thông qua các thao tác đóng cắt các cặp khóa điện trên các mạch vòng, hoặc sử dụng các nguồn phân tán có sẵn trong khu vực, dẫn đến việc có nhiều khóa điện trên lưới phân phối.
Lưới điện hình tia mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm cần cải thiện, bao gồm tổn thất công suất lớn trong hệ thống, sụt áp cao trên đường dây và độ tin cậy cung cấp điện thấp Để khắc phục những vấn đề này, việc thay đổi cấu trúc lưới điện là cần thiết.
2.1.4 Ứng dụng các đặc điểm của lưới điện phân phối để tái cấu trúc lưới điện
Một đường dây phân phối điện thường chứa nhiều loại phụ tải khác nhau như ánh sáng sinh hoạt, thương mại dịch vụ và công nghiệp, với sự phân bố không đồng đều giữa các đường dây Mỗi loại tải có thời điểm đỉnh khác nhau và biến đổi theo thời gian trong ngày, tuần và mùa, dẫn đến đồ thị phụ tải không đồng nhất và chênh lệch công suất tiêu thụ Tình trạng này có thể gây ra quá tải đường dây và tăng tổn thất năng lượng trên lưới điện phân phối Để giảm thiểu quá tải và tổn thất, ngoài việc điều chỉnh cấu trúc lưới điện thông qua thao tác đóng/cắt các khoá điện hiện có, việc sử dụng các nguồn phân tán cũng là giải pháp quan trọng Do đó, trong thiết kế các khoá điện như Recloser, LBS, DCL, cần lắp đặt tại các vị trí tối ưu nhằm giảm chi phí vận hành và tổn thất năng lượng, đồng thời kết nối với các nguồn phân tán khi cần thiết.
Trong quá trình phát triển, phụ tải điện liên tục biến đổi, dẫn đến sự xuất hiện của nhiều mục tiêu vận hành lưới điện phân phối để phù hợp với từng tình huống cụ thể Dù vậy, các điều kiện vận hành lưới điện phân phối luôn cần phải đáp ứng những yêu cầu nhất định.
HVTH: Nguyễn Anh Tuấn Trang 11
- Cấu trúc vận hành hở (Hình tia)
- Đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện, sụt áp trong phạm vi cho phép
- Các hệ thống bảo vệ hoạt động tin cậy
- Đường dây, máy biến áp và các thiết bị khác vận hành ở giới hạn cho phép
- Điện áp rơi ở mức cho phép…
Kết nối nguồn điện phân tán (DG) mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống phân phối, bao gồm giảm gánh nặng công suất vào giờ cao điểm, giảm tổn thất trên đường dây, cải thiện chất lượng điện năng và nâng cao độ tin cậy Ngoài ra, DG còn thân thiện với môi trường, giảm áp lực đầu tư cải tạo lưới điện hiện có, cũng như giảm chi phí nhiên liệu và chi phí vận hành, đồng thời tăng cường khả năng dự phòng cho hệ thống.
Tổng quan về nguồn điện phân tán
Nguồn điện phân tán (DG) là một khái niệm được đề cập nhiều trong nghiên cứu, nhưng vẫn chưa có định nghĩa chung và thống nhất trên toàn cầu Một số quốc gia mô tả nguồn điện phân tán là nguồn sử dụng năng lượng tái tạo và không được kiểm soát tập trung, trong khi các quốc gia khác lại dựa vào cấp điện áp để xác định, ví dụ như nguồn điện đấu nối trực tiếp vào lưới điện để cung cấp cho khách hàng Các tổ chức quốc tế cũng đưa ra nhiều định nghĩa khác nhau, chủ yếu tập trung vào kích cỡ và loại hình của nguồn điện phân tán.
Theo Hội đồng Quốc tế về các hệ thống điện lớn (CIGRE), các nguồn điện không phải là nguồn trung tâm, có công suất nhỏ hơn 100MW và được đặt gần phụ tải, được gọi là nguồn điện phân tán (DG).
- Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA - International Energy Agency) định nghĩa
DG là nguồn điện cung cấp trực tiếp cho nhu cầu của khách hàng hoặc hỗ trợ lưới điện phân phối, được kết nối với hệ thống điện tại các cấp điện áp khác nhau của lưới phân phối.
HVTH: Nguyễn Anh Tuấn Trang 12
Viện Kỹ nghệ Điện và Điện tử (IEEE) định nghĩa nguồn điện phân tán là những nguồn phát điện có công suất nhỏ hơn các nhà máy điện trung tâm, thường có công suất tối đa là 10MW Những nguồn này có khả năng kết nối vào bất kỳ điểm nào trong hệ thống điện, mang lại tính linh hoạt và hiệu quả cho lưới điện.
Viện Nghiên cứu Năng lượng Điện (EPRI) định nghĩa nguồn điện phân tán là các nguồn điện có công suất từ vài kW đến 50MW, bao gồm cả các thiết bị lưu điện, được đặt gần khu vực tiêu thụ của khách hàng hoặc lưới phân phối cùng với các trạm biến áp truyền tải trung gian.
Theo Ban Năng lượng Mỹ (DOE), DG (Distributed Generation) là các máy phát điện có công suất từ vài kW đến vài chục MW Các loại máy phát này bao gồm: máy phát điện Biomass, turbine khí, pin năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu, turbine gió, cùng với các công nghệ tích trữ năng lượng.
- Thụy Điển xem các máy phát có công suất dưới 1500kW là DG
Trong thị trường điện nước Anh và xứ Wales, các nhà máy điện có công suất nhỏ hơn 100MW không được coi là nguồn điện tập trung, do đó, các nguồn điện phân tán (DG) được định nghĩa là những máy phát điện có công suất dưới 100 MW.
- Ở Úc: máy phát có công suất dưới 30 MW gọi là DG
- New Zealand: các máy phát có công suất dưới 5 MW được gọi là DG
Như vậy, những định nghĩa về nguồn điện phân tán thường căn cứ vào quy mô công suất
2.2.2 Phân loại nguồn phân tán:
Các nguồn phân tán được phân loại theo nhiều công nghệ khác nhau, bao gồm cả công nghệ truyền thống như động cơ đốt trong và tua-bin khí, cùng với các công nghệ mới thân thiện với môi trường như pin nhiên liệu, pin mặt trời và tua-bin gió Mỗi loại nguồn phân tán có những ưu điểm và hạn chế riêng về đặc tính kỹ thuật cũng như tính kinh tế Việc lựa chọn công nghệ phù hợp là yếu tố quyết định đến công suất và vị trí lắp đặt của nguồn phân tán Dưới đây là phân loại một số nguồn điện phân tán chính hiện có.
HVTH: Nguyễn Anh Tuấn Trang 13
Hình 2.4 Sơ đồ phân loại nguồn điện phân tán
2.2.3 Máy phát điện sử dụng động cơ đốt trong (Internal Combustion
Máy phát điện sử dụng động cơ đốt trong với động cơ pittông có độ tin cậy cao, tuổi thọ lớn và yêu cầu bảo trì ít Động cơ này phổ biến với công suất từ vài chục kW đến 60MW, nhưng nhược điểm lớn nhất là tiếng ồn, chi phí bảo trì cao và lượng khí thải lớn Để giảm thiểu khí thải, có thể điều chỉnh đặc tính đốt của động cơ Chi phí lắp đặt và vận hành của động cơ phụ thuộc vào mức độ giảm khí thải mong muốn.
Động cơ đốt trong là công nghệ đã được chứng minh hiệu quả với tính cạnh tranh cao và dải công suất rộng Chúng có khả năng khởi động nhanh và đạt hiệu suất cao, lên tới 43% cho hệ thống diesel lớn và 80% cho micro turbine Hầu hết động cơ này sử dụng bốn kỳ và hoạt động với nhiên liệu như khí tự nhiên, khí biogas hoặc dầu diesel Một số nguồn điện từ động cơ đốt trong có thể kết nối vào lưới điện trung áp, cho phép hoạt động song song với lưới điện khu vực trong các thời điểm phụ tải đỉnh theo yêu cầu của đơn vị phân phối điện.
2.2.4 Nguồn điện sử dụng năng lượng mặt trời:
Hình 2.6: Nhà máy năng lượng mặt trời và Pin mặt trời
Nguồn điện pin năng lượng mặt trời (photovoltaic - PV) bao gồm các dàn pin PV được kết nối với nhau, với mỗi dàn được ghép từ các miếng pin rời rạc nhằm chuyển đổi bức xạ mặt trời thành dòng điện một chiều mà không cần đốt cháy hay tiêu thụ nhiên liệu Hệ thống PV có thể hoạt động độc lập hoặc kết nối trực tiếp vào mạng lưới phân phối Việt Nam sở hữu tiềm năng lớn cho phát triển nguồn PV, hiện đã có nhiều dự án quy mô lớn kết nối vào lưới điện quốc gia đang được triển khai Nguồn điện pin PV có nhiều tính chất ưu việt.
• Chi phí vận hành thấp, không có khí thải,
• Độ tin cậy cao và ít phải bảo dưỡng,
• Chất lượng điện năng không cao,
• Hiệu suất trong phòng thí nghiệm là 24% nhưng trong thực tế là 10%,
• Chi phí đầu tư cao, công suất phát thấp so với các dạng nguồn phân tán khác do phụ thuộc vào thời tiết và thời gian trong ngày
HVTH: Nguyễn Anh Tuấn Trang 15
Nhà máy nhiệt điện năng lượng mặt trời hoạt động tương tự như một nhà máy nhiệt điện truyền thống, nhưng sử dụng năng lượng mặt trời để biến đổi nước thành hơi nước, tạo ra nhiệt năng.
2.2.5 Pin nhiên liệu (Fuel cell –FC)
Pin nhiên liệu (FC) chuyển đổi khí hydrô hoặc nhiên liệu chứa hydrô thành năng lượng điện và nhiệt thông qua phản ứng hóa học với oxi, không cần quá trình đốt cháy Công nghệ này có hiệu suất cao (trên 60%), vận hành êm ái và không gây ô nhiễm môi trường, với lượng khí thải thấp (SO, CO) Nhiên liệu hydrô được chiết suất từ khí tự nhiên, dầu mỏ và biomass, có cấu tạo nguyên khối và độ tin cậy cao.
Hình 2.7: Nguyên lý làm việc của pin nhiên liệu loại axit phosphoric
Khởi động Fuel Cell (FC) mất từ 1 đến 4 giờ, do đó không phù hợp cho ứng dụng dự phòng nóng, mà chỉ thích hợp cho các phụ tải yêu cầu độ tin cậy cao trong cung cấp điện Chi phí lắp đặt FC hiện vẫn còn cao và cần có bộ chuyển đổi dòng điện để chuyển đổi từ DC sang AC FC có thể hoạt động độc lập hoặc kết nối với mạng phân phối tùy thuộc vào mục đích sử dụng.
2.2.6 Máy phát turbine gió (Wind turbine – WT)
Năng lượng gió được phân loại là nguồn năng lượng phân tán do công suất và vị trí của các trang trại gió phù hợp cho việc kết nối với lưới điện phân phối Tuabin gió đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác nguồn năng lượng này.
Bài toán xác định cấu trúc vận hành lưới điện phân phối kết hợp với máy phân tán
Tái cấu trúc lưới điện phân phối là quá trình điều chỉnh các phương thức kết nối mạng lưới phân phối thông qua việc thay đổi trạng thái đóng/mở của các khóa điện, nhằm đáp ứng các mục tiêu đã đề ra Nghiên cứu về tái cấu trúc lưới điện đã được bắt đầu từ năm 1975 bởi Merlin và Back, khi họ đề xuất giải quyết vấn đề này bằng kỹ thuật heuristic rời rạc nhánh-biên Civanlar và các cộng sự đã giới thiệu phương pháp trao đổi nhánh để ước tính giảm tổn thất, tuy nhiên, phương pháp này gặp khó khăn trong việc đánh giá một giải pháp tối ưu một cách hệ thống do dựa trên kỹ thuật chẩn đoán Gần đây, các phương pháp meta-heuristic mới đã được phát triển để cải thiện quy trình tái cấu trúc lưới điện.
HVTH: Nguyễn Anh Tuấn Trang 20 đề xuất một giải pháp tối ưu toàn cục cho vấn đề tối ưu hóa, sử dụng phương pháp dựa trên thuật toán di truyền cải tiến Phương pháp này được phát triển nhằm tái cấu hình hệ thống, giảm thiểu tổn thất điện năng và nâng cao độ tin cậy của hệ thống.
Tái cấu trúc hệ thống lưới điện phân phối là một bài toán quy hoạch phi tuyến rời rạc, chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như trạng thái khóa điện và điều kiện vận hành Hệ thống lưới điện cần hoạt động hở, không vượt quá tải trọng của máy biến áp, đường dây và thiết bị đóng cắt Việc giải quyết bài toán này bằng các phương pháp toán học truyền thống gặp nhiều khó khăn Thay vào đó, các phương pháp tìm kiếm như quy tắc Hueristics và hệ chuyên gia thường được áp dụng Các bài toán vận hành lưới điện phân phối tập trung vào việc giảm tổn thất công suất, cải thiện thời gian tái lập, nâng cao độ tin cậy, khả năng tải và tình trạng không cân bằng tải của hệ thống Những mục tiêu này đặt ra một số bài toán tái cấu trúc cần được giải quyết hiệu quả.
Bài toán đầu tiên là giảm thiểu tổn thất công suất, đây là vấn đề cơ bản trong quản lý lưới điện Kết quả của bài toán này sẽ xác định cấu trúc lưới điện có tổn thất thấp nhất tại một điểm phụ tải cụ thể, chỉ xem xét tại một thời điểm nhất định.
Bài toán thứ hai tập trung vào việc giảm thiểu tổn thất năng lượng trong lưới điện, dựa trên bài toán cơ bản trước đó nhưng được phân tích trong một khoảng thời gian cụ thể Kết quả sẽ xác định cấu trúc lưới điện có tổn thất năng lượng thấp nhất trong thời gian được xem xét.
Bài toán thứ ba liên quan đến việc cân bằng tải cho máy biến áp và đường dây, nhằm tạo ra một cấu trúc lưới điện với tải được phân phối đồng đều theo khả năng của các thiết bị Cấu trúc này không chỉ đáp ứng yêu cầu kỹ thuật mà còn nâng cao độ tin cậy trong cung cấp điện Việc đảm bảo khả năng dự trữ tương đương giữa các máy biến áp và đường dây sẽ giúp giảm thiểu tình trạng quá tải khi có sự thay đổi trong tải điện.
Bài toán khôi phục việc cấp điện liên quan đến việc xử lý sự cố ngắn mạch hoặc quá tải, dẫn đến việc cắt điện ở một hoặc nhiều đoạn đường dây Giải pháp cho bài toán này sẽ xác định cấu trúc lưới điện, cô lập khu vực bị sự cố và khôi phục nguồn điện cho các phụ tải bị ảnh hưởng.
HVTH: Nguyễn Anh Tuấn Trang 21 thực hiện các ràng buộc dòng một cách hiệu quả, đảm bảo rằng áp lực nằm trong giới hạn cho phép và số lượng phụ tải mất điện được giảm thiểu tối đa.
Tái cấu trúc lưới điện phân phối có máy phát điện là bài toán phân bố công suất trong lưới điện, nhằm giải quyết các yêu cầu như chọn dây dẫn và thiết bị phân phối điện Bài toán này cũng bao gồm việc kiểm tra sụt áp trong điều kiện làm việc bình thường và sự cố, cũng như tính toán tổn thất công suất để đánh giá chỉ tiêu kinh tế của phương án đề xuất Dựa trên những phân tích này, có thể lựa chọn phương án cấp điện hợp lý về kinh tế và kỹ thuật.
XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ CÔNG SUẤT NGUỒN PHÂN TÁN CÓ XÉT ĐẾN BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC LƯỚI
Hàm mục tiêu
Đặt máy phát phân tán trên lưới điện phân phối giúp giảm tổn thất công suất nhờ khả năng đáp ứng nhu cầu phụ tải tại chỗ và khu vực lân cận Bên cạnh đó, việc tái cấu trúc lưới điện qua thay đổi trạng thái các khóa điện đã được nhiều nhà nghiên cứu chứng minh là hiệu quả trong việc giảm tổn thất công suất Do đó, trong luận văn này, mục tiêu chính là giảm tổn thất công suất, được xem như hàm mục tiêu trong việc xác định vị trí và công suất của máy phát điện phân tán, đồng thời xem xét đến bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối.
Tổn thất công suất tác dụng của một phần đường dây giữa nút i và nút i+1 được tính như sau:
P i , Q i : Công suất tác dụng và công suất phản kháng tại nhánh thứ i
V i : Điện áp tại nút thứ i
R( i,i+1) : Điện trở dây giữa nút i và nút i+1
Tổn thất công suất của hệ thống bằng tổng tổn thất trên các nhánh
HVTH: Nguyễn Anh Tuấn Trang 25 ΔPi: tổn thất công suất tác dụng trên nhánh thứ i
Pi, Qi: công suất tác dụng và công suất phản kháng trên nhánh thứ i
Vi, Ii: điện áp nút kết nối của nhánh và dòng điện trên nhánh thứ i
Ploss: tổn thất công suất tác dụng của hệ thống ki: trạng thái của của các khóa điện, nếu ki = 0, khóa điện thứ i mở và ngược lại
Việc tận thu công suất từ các nguồn điện phân tán, đặc biệt là nguồn năng lượng tái tạo, là rất quan trọng để tránh lãng phí khả năng phát điện Tuy nhiên, việc huy động tối đa công suất từ các nguồn này có thể ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống phân phối, dẫn đến hiện tượng quá điện áp trên một số đoạn của lưới điện Do đó, trong nghiên cứu này, bên cạnh mục tiêu giảm tổn thất công suất trên lưới điện phân phối, việc tối đa hóa công suất phát từ các nguồn phân tán cũng được xem như một phần trong hàm mục tiêu đa mục tiêu.
N DG là số lượng máy phát phân tán lắp đặt trên lưới điện phân phối
P DG,j là công suất phát của máy phát phân tán thứ j;
P DG,,jmax là công suất phát lớn nhất của máy phát phân tán thứ j;
HVTH: Nguyễn Anh Tuấn Trang 26
Điều kiện ràng buộc
3.2.1 Cấu trúc hình tia Để duy trì cấu trúc hình tia, tổng số nhánh được kết nối (N br ) của mỗi cấu hình phải bằng tổng số nút được kết nối (N b ) trừ đi một đơn vị:
3.2.2 Giới hạn dòng điện trên các nhánh Để duy trì an ninh hệ thống, dòng điện chạy qua các nhánh phải luôn nằm trong giới hạn cho phép của đường dây:
3.2.3 Giới hạn điện áp các nút Để duy trì sự ổn định của hệ thống điện, biên độ điện áp các nút phải được giữ trong giới hạn vận hành cho phép:
3.2.4 Giới hạn công suất phát của các máy phát phân tán
Máy phát điện phân tán được phân loại theo kích cỡ công suất như sau: máy phát có công suất từ 1 đến 5 kW được gọi là máy phát có công suất cực nhỏ (Micro DG); máy phát có công suất từ 5 kW đến 5 MW được gọi là máy phát công suất nhỏ (Small DG); máy phát có công suất từ 5 MW đến 50 MW được gọi là máy phát công suất trung bình (Medium DG); và máy phát có công suất lớn khi công suất nằm trong khoảng 30 MW trở lên.
Máy phát phân tán được phân loại thành bốn loại chính dựa trên chức năng của chúng: Loại P-DG chỉ phát công suất tác dụng mà không trao đổi công suất phản kháng với lưới; Loại Q-DG chỉ trao đổi công suất phản kháng với lưới; Loại PQ + cung cấp cả công suất tác dụng và phản kháng lên lưới điện; và Loại PQ - cung cấp công suất tác dụng trong khi tiêu thụ công suất phản kháng từ lưới.
HVTH: Nguyễn Anh Tuấn Trang 27
Trong luận văn này, máy phát tán loại P-DG có công suất nhỏ được áp dụng nhằm tối ưu hóa vị trí và dung lượng trên lưới điện phân phối Đồng thời, công suất của các máy phát này được định nghĩa và giới hạn cụ thể để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Áp dụng giải thuật di truyền xác định vị trí và công suất máy phát điện phân tán có xét đến bài toán tái cấu trúc lưới điện phân phối
Giải thuật di truyền là một phương pháp trong khoa học máy tính nhằm tìm kiếm giải pháp tối ưu cho các bài toán tổ hợp, thuộc lĩnh vực giải thuật tiến hóa Kỹ thuật này áp dụng các nguyên lý tiến hóa như di truyền, đột biến, chọn lọc tự nhiên và trao đổi chéo Bằng cách sử dụng ngôn ngữ máy tính, nó mô phỏng quá trình tiến hóa của một tập hợp các đại diện trừu tượng (gọi là nhiễm sắc thể) và các giải pháp khả thi (gọi là cá thể) cho bài toán tối ưu hóa Tập hợp này sẽ phát triển theo hướng chọn lọc những giải pháp tốt hơn.
Giải thuật di truyền và các thuật toán tiến hoá được phát triển dựa trên quan niệm rằng "quá trình tiến hoá tự nhiên là hoàn hảo và tối ưu" Tính tối ưu này được thể hiện qua việc thế hệ sau luôn cải thiện hơn so với thế hệ trước.
Giải thuật di truyền ngày càng trở nên quan trọng trong lĩnh vực tối ưu hoá, nơi có nhiều bài toán thú vị và ứng dụng thực tiễn Tuy nhiên, các bài toán này thường khó khăn và chưa có phương pháp hiệu quả để giải quyết.
Giải thuật di truyền là một kỹ thuật mạnh mẽ, mô phỏng quá trình tiến hóa của con người và các sinh vật khác, dựa trên thuyết tiến hóa của Darwin Kỹ thuật này hoạt động trong các điều kiện môi trường đã được xác định trước, với mục tiêu không phải là tìm ra lời giải chính xác tối ưu, mà là cung cấp các giải pháp tương đối tối ưu cho các vấn đề phức tạp.
HVTH: Nguyễn Anh Tuấn Trang 28
Trong giải thuật di truyền, một cá thể đại diện cho một giải pháp cho bài toán, và để đơn giản hóa, mỗi cá thể được coi là có một nhiễm sắc thể (NST) thay vì nhiều NST như trong tự nhiên Do đó, khái niệm cá thể và NST trong giải thuật di truyền được xem là tương đương.
Một nhiễm sắc thể (NST) bao gồm nhiều gen, mỗi gen có thể mang các giá trị khác nhau để xác định một đặc điểm cụ thể Trong giải thuật di truyền, mỗi gen được xem như một phần tử trong chuỗi nhiễm sắc thể.
Quần thể là một tập hợp các cá thể có chung những đặc điểm nhất định Trong bối cảnh giải thuật di truyền, quần thể được hiểu là tập hợp các lời giải cho một bài toán cụ thể.
Các bước cơ bản của thuật toán giải thuật di truyền được thực hiện như sau: Bước 1: Khởi tạo quần thể
Với các biến điều khiển đã được xác định, ta tiến hành chọn ngẫu nhiên một quần thể nhiễm sắc thể {𝑋 0 1 , 𝑋 0 2 , … , 𝑋 0 𝑝 }, trong đó mỗi NST 𝑋 0 𝑖 có thể được biểu diễn bằng chuỗi mã nhị phân hoặc số liên tục Mỗi NST sẽ tương ứng với giá trị hàm mục tiêu 𝑓(𝑋 0 𝑖 ), và quần thể sẽ tạo thành tập hợp giá trị hàm mục tiêu {𝑓(𝑋 0 1 ), 𝑓(𝑋 0 2 ), … , 𝑓(𝑋 0 𝑝 } Sau khi thiết lập, ta đặt thế hệ k = 0 và tiếp tục thực hiện các bước tiếp theo.
Chọn một cặp nhiễm sắc thể từ quần thể để làm cha mẹ Thông thường, những nhiễm sắc thể có độ thích nghi cao hơn sẽ có xác suất được lựa chọn lớn hơn.
Ghép chéo là một bước quan trọng trong thuật toán Giải thuật di truyền, nhằm mục đích trao đổi thông tin giữa các nhiễm sắc thể (NST) Có nhiều phương pháp ghép chéo khác nhau, bao gồm ghép chéo một điểm và ghép chéo đa điểm, giúp tối ưu hóa quá trình tìm kiếm giải pháp tốt nhất.
HVTH: Nguyễn Anh Tuấn Trang 29
Đột biến là một yếu tố quan trọng trong thuật toán di truyền, nơi các đột biến tích cực được giữ lại và các đột biến tiêu cực bị loại bỏ Những NST có độ thích nghi kém thường có khả năng được lựa chọn cao hơn Tương tự như quá trình ghép chéo, đột biến có thể diễn ra ở mức một điểm hoặc đa điểm.
Sau khi hoàn thành bước 2-4, một quần thể mới được tạo ra để thay thế cho thế hệ cha mẹ, với một số nhiễm sắc thể (NST) mới và loại bỏ những NST không tốt Quần thể mới sẽ được đánh giá dựa trên hàm thích nghi Nếu các điều kiện hội tụ được đáp ứng, thuật toán sẽ dừng lại; ngược lại, thuật toán sẽ quay lại bước 2 và tiếp tục thực hiện các bước tiếp theo.
Bước đầu tiên trong giải thuật di truyền là khởi tạo quần thể, trong đó mỗi nhiễm sắc thể đại diện cho một giải pháp cho bài toán xác định vị trí và công suất của máy phát phân tán Mỗi giải pháp được cấu thành từ hai thành phần: thành phần đầu tiên là các khóa điện mở, và thành phần thứ hai là vị trí cùng công suất của các máy phát điện phân tán Do đó, mỗi nhiễm sắc thể trong quần thể được khởi tạo ngẫu nhiên để đảm bảo tính đa dạng và khả năng tìm kiếm giải pháp tối ưu.
Trong bài viết, 𝑆 𝑁𝑂 𝑖 đại diện cho khóa điện mở, trong khi NO là số lượng khóa mở cần thiết để duy trì cấu trúc lưới hình tia Vị trí các nút được lắp đặt DG được ký hiệu là 𝑉𝑇 𝑚 𝑖, với m là số lượng DG cần lắp đặt.
𝐷𝐺 𝑚 𝑖 là công suất của DG cần lắp đặt
Dựa trên quần thể đã được khởi tạo, thông số nhánh và nút của lưới điện sẽ được cập nhật Bài toán phân bố công suất được giải bằng phương pháp lặp Newton-Raphson, nhằm tính toán giá trị hàm mục tiêu là tổn thất công suất.
HVTH: Nguyễn Anh Tuấn Trang 30
Bước 2: Chọn lọc các nhiễm sắc thể tốt
TÍNH TOÁN LƯỚI ĐIỆN HUYỆN CHƯ PRÔNG
Giới thiệu lưới điện huyện Chư Prông
Lưới điện trung áp của huyện Chư Prông được cung cấp thông qua hai trạm biến áp 110/35/22 kV và hai trạm trung gian 35/22 KV:
Trạm thứ nhất là trạm 110/35/22 kV Diên Hồng (E42) với hai máy biến áp T1% MVA và MBA T2@MVA, có hai XT cung cấp cho huyện Chư Prông gồm
XT 480/E42 và XT 373/E42 thông qua trạm trung gian Trà Bá (F7)
Trạm thứ hai là trạm 110/35/22 kV Chư Prông (110CR) với một máy biến áp
16 MVA có bốn xuất tuyến cung cấp cho huyện Chư Prông là 472/110CR, 474/110CR, 476/110CR, 478/110CR trong đó XT 478/110CR là dự phòng
Trạm thứ ba là trạm trung gian 35/22 KV Hàm Rồng (F19) với hai máy biến áp T1c00 KVA và MBA T2V00 KVA, có hai XT 472/F19 và 474/F19 cung cấp cho huyện Chư Prông
Trạm thứ bốn là trạm trung gian 35/22 KV Chư Prông (F20) với hai máy biến áp T1c00 KVA và MBA T2@00 KVA, có hai XT 472/F20 và 475/F20 cung cấp cho huyện Chư Prông
*Tổng chiều dài đường dây trung thế 459,55 km Trong đó:
- Chiều dài đường dây trung thế 03 pha: 391,687 km, tài sản điện lực 281,437 km và tài sản khách hàng 110,250 km
- Chiều dài trung thế 01 pha: 67,863 km, tài sản điện lực là 49,942 km và tài sản khách hàng 23,921 km
*Tổng chiều dài đường dây hạ thế 254,322 km Trong đó:
- Chiều dài hạ thế 03 pha 254,322 km, tài sản điện lực là 187,165 km và tài sản khách hàng là 15,537 km
- Chiều dài hạ thế 01 pha 51,62 km, tài sản điện lực là 51,62 km
*Tổng số trạm biến áp là 424 trạm/436 máy với tổng dung lượng là 68,953kVA cung cấp cho 22,105 khách hàng
HVTH: Nguyễn Anh Tuấn Trang 47
4.1.2 Các nguồn thủy điện nhỏ đang phát lên lưới
Khu vực miền Trung Tây Nguyên với địa hình đồi núi và nhiều sông suối tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển thủy điện vừa và nhỏ Tại huyện Chư Prông, có nhiều nhà máy thủy điện nhỏ hoạt động, bao gồm Thủy điện Ia Đrăng 1, Ia Đrăng 2, Ia Đrăng 3, Bàu Cạn, Ia Hlốp, Ia Muer, và Ia Púch.
Hiện tại lưới điện huyện Chư Prông có 02 NMTĐ nhỏ đang hòa và phát trên lưới điện do Điện lực Chư Prông quản lý vận hành, cụ thể:
- NMTĐ Ia Hlốp (I5) được xây dựng tại xã Ia Piơr với công suất đặt 2x135 kW đang hòa và phát trên XT 472/110CR
- NMTĐ Bàu Cạn (I12) được xây dựng tại xã Bàu Cạn với công suất đặt 215 kW đang hòa và phát trên XT 474/F19
Bảng 4.1 Công suất các nhà máy thủy điện hiện có trên địa bàn
STT Nhà máy Nơi đặt Máy phát P đặt (MW) P phát (MW)
Các máy phát điện còn lại đang hoạt động trên đường dây 35 KV và truyền tải điện về trạm biến áp 110 KV Chư Prông, với các DG được phân bố rải rác trên địa bàn huyện.
HVTH: Nguyễn Anh Tuấn Trang 48
Một số số liệu các xuất tuyến
Bảng 4.2: Số liệu cơ bản các xuất tuyến cung cấp điện huyện Chư Prông
Tổng số trạm/tổng KVA
Sản lượng điện trung bình tháng (kwh)
Tổng số khách hàng dùng điện
Theo báo cáo tháng 4/2016 của Điện lực Chư Prông, các số liệu thống kê về công suất, chiều dài đường dây, bù công suất và số lượng khách hàng sử dụng điện được cập nhật đến ngày 1/8/2016 Riêng số liệu về điện năng sử dụng và sản lượng điện năng trung bình được ghi nhận trong năm 2015.
4.2.2 Số liệu sự cố điển hình của Điện lực Chư Prông
Sự cố lưới điện phân phối có nhiều nguyên nhân, trong đó va quẹt cây là nguyên nhân chủ yếu, chiếm đa số các sự cố Theo thống kê trong ba năm từ 2013 đến 2015, sự cố do thiết bị chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ.
Bảng 4.3 Thống kê theo loại sự cố lưới điện huyện Chư Prông năm 2013 - 2015
HVTH: Nguyễn Anh Tuấn Trang 49
3 Sự cố thiết bị (phóng sứ + FCO) 10 8.55 18 14.17 46 21.10
Dựa trên số liệu sự cố, có thể thấy rằng nguyên nhân chủ yếu dẫn đến sự cố thường là do yếu tố khách quan Bảng 4.2 chỉ ra rằng việc thay thế thiết bị cũ để cải thiện độ tin cậy cung cấp điện là một khoản chi phí lớn, trong khi xác suất xảy ra sự cố từ thiết bị lại rất thấp Ngược lại, sự cố do cây va chạm trong mùa cao điểm chiếm tới 70% Do đó, việc lựa chọn phương án vận hành tối ưu nhằm tiết kiệm chi phí và nâng cao độ tin cậy là vô cùng cần thiết.
Tổn thất công suất trung áp các xuất tuyến của tháng 3 năm 2016
XT P max P min P TB Q max Q min Q TB ∆P ∆A A %TT
