(Luận văn thạc sĩ) xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện 22kv trong thị trường cạnh tranh bằng giải thuật lai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỒN MINH HẬU

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG MÁY PHÁT
ĐIỆN PHÂN TÁN TRÊN LƯỚI ĐIỆN 22KV
TRONG THỊ TRƯỜNG CẠNH TRANH BẰNG GIẢI
THUẬT LAI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 6052020

SKC 0 0 6 1 3 9

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỒN MINH HẬU

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƢỢNG MÁY PHÁT ĐIỆN
PHÂN TÁN TRÊN LƢỚI ĐIỆN 22KV TRONG THỊ
TRƢỜNG CẠNH TRANH BẰNG GIẢI THUẬT LAI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 6052020

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỒN MINH HẬU

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƢỢNG MÁY PHÁT ĐIỆN
PHÂN TÁN TRÊN LƢỚI ĐIỆN 22KV TRONG THỊ
TRƢỜNG CẠNH TRANH BẰNG GIẢI THUẬT LAI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 6052020
Hƣớng dẫn khoa học:
PGS.TS TRƢƠNG VIỆT ANH

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 03/2019

i


ii


iii


TÓM TẮT
Lƣới điện phân phối thƣờng đƣợc quy hoạch và quản lý theo một hƣớng
công suất từ nguồn đến phụ tải. Hiện nay, với sự phát triển của các nguồn năng
lƣợng mới từ các máy phát điện phân tán (DG) đƣợc kết nối nhiều hơn vào hệ thống
điện phân phối. Việc kết nối DG vào lƣới điện phân phối sẽ giúp nâng cao độ tin
cậy và khả năng cung cấp điện. Tuy nhiên, nó cũng địi hỏi một cấu hình lƣới phù
hợp để nâng cao hiệu quả cung cấp điện.
Đề tài này tiếp cận bài tốn xác định vị trí và công suất của các DG trên lƣới
điện phân phối có xét đến bài tốn tái cấu hình vận hành lƣới điện với mục tiêu là
giảm tổn thất công suất tác dụng và thỏa mãn công suất đƣa vào lƣới điện của các
khách hàng tham gia cung cấp trên hệ thống điện.
Việc xác định vị trí và cơng suất của các DG tối ƣu và xác định cấu hình vận
hành mới của lƣới điện phân phối đƣợc thực hiện bằng hai giai đoạn với thuật tốn
PSO. Trong đó, giai đoạn 1 sử dụng thuật tốn PSO xác định vị trí và công suất tối
ƣu của các máy phát phân tán trên lƣới điện phân phối kín (tất cả các khóa điện đều
đóng), ở giai đoạn 2, giải thuật PSO đƣợc sử dụng để xác định cấu trúc vận hành hở
tối ƣu của hệ thống. Kết quả bài toán đƣợc kiểm nghiệm trên lƣới điện 33 nút và
lƣới điện 72 nút của Thành phố Bến Tre đã cho thấy hiệu quả của phƣơng pháp đề
xuất.

iv


ABSTRACT
Distribution grids are often planned and managed in a power direction from
source to load. Currently, the development of new energy sources from distributed
generators (DG) is more connected to distribution power systems. Connecting DG
to the distribution grid will help improve reliability and power supply. However, it
also requires an appropriate grid configuration to improve power supply efficiency.
This topic approaches the problem of determining the position and capacity
of DGs on the distribution grid considering the re-configuring the operation of the
grid with the goal of reducing the capacity loss and satisfying capacity put into the
grid of participating customers on the electrical system.
The determination of the position and power of the optimal DG and the
determination of the new operating configuration of the distribution grid is carried
out in two stages with the PSO algorithm. In particular, phase 1 uses PSO algorithm
to determine the optimal position and capacity of distributed generators on the
closed distribution grid (all electric locks are closed), in phase 2, PSO algorithm.
used to determine the optimal open operating structure of the system. The results of
the 33-node grid test and the 72-node grid of Ben Tre City showed the effectiveness
of the proposed method.

v


DANH DÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
- LĐPP: Lƣới điện phân phối
- NCKH: Nghiên cứu khoa học
- CIGRE : Hội đồng quốc tế về các hệ thống điện lớn

- DG : Distributed generation - nguồn phân tán
- DOE : Ban năng lƣợng Mỹ
- EPRI : Viện nghiên cứu năng lƣợng Mỹ
- CIGRE : Hội đồng quốc tế về các hệ thống lớn
- FCO : Fuse cut out : Cầu chì tự rơi
- LBFCO : Load break fuse cut out : cầu chì tự rơi kết hợp cắt có tải
- ICE : Internal Combustion Engines : Máy phát động cơ đốt trong
- PV : Photovoltaic : Pin mặt trời
- WT : wind turbine : Máy Phát Turbine Gió
- FC : Fuel Cell-FC : Pin nhiên liệu
- CT : Combustion Turbine : Turbine khí
- GA : Genetic Algorithm : Thuật tốn di truyền
- HSA: Harmony Search Algorithm : thuật tốn tìm kiếm hài hịa
- FWA: thuật tốn tối ƣu pháo hoa
- CSA: giải thuật cuckoo search algorithm
- NST: Nhiễm sắc thể
- PSM : Particle Swarm Method : Thuật toán bầy đàn
- SA : Simulated Annealing Method : Phƣơng pháp mô phỏng luyện kim

vi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2. 1. Sơ đồ hệ thống mạng phân phối hình tia....................................................6
Hình 2. 2. Sơ đồ hệ thống mạng phân phối vịng kín..................................................8
Hình 2. 3. Sơ đồ phân loại nguồn điện phân tán .......................................................10
Hình 2. 4. Photovoltaic - PV .....................................................................................11
Hình 2. 5. Wind turbine – WT...................................................................................12
Hình 2. 6. Pin nhiên liệu –FC ....................................................................................13
Hình 2. 7. Lƣới điện phân phối đơn giản ..................................................................21

Hình 2. 8. Thuật tốn tái cấu trúc lƣới đơn giản [18] ...............................................24
Hình 2. 9. Lực hấp dẫn giữa 2 chất điểm ..................................................................32
Hình 3. 1. LĐPP kín và hở ........................................................................................40
Hình 3. 2. Khái niệm về sự thay đổi điểm tìm kiếm của PSO ..................................46
Hình 3. 3. Sơ đồ chung của phƣơng pháp bầy đàn PSO ...........................................46
Hình 3. 4. Chuyển động của cá thể. ..........................................................................49
Hình 3. 5. Lƣu đồ chung cho giải thuật PSO ............................................................52
Hình 3. 6. Lƣu đồ giải thuật đề nghị .........................................................................54
Hình 4. 1. Lƣới điện 33 nút .......................................................................................55
Hình 4. 2. Sự hội tụ của PSO trong giai đoạn đầu tiên trên 50 lần chạy độc lập cho
hệ thống 33 nút ..........................................................................................................60
Hình 4. 3. Sự hội tụ của PSO trong giai đoạn thứ hai trên 50 lần chạy độc lập cho hệ
thống 33 nút...............................................................................................................60
Hình 4. 4. Cấu hình điện áp trong bốn trƣờng hợp của hệ thống 33 nút. .................61
Hình 4. 5. Sơ đồ đơn tuyến của một phát tuyến của Bến Tre ...................................63
Hình 4. 6. Sự hội tụ của RRA trong giai đoạn đầu tiên trên 50 lần chạy độc lập cho
hệ thống kiểm tra 72 nút............................................................................................70
Hình 4. 7. Sự hội tụ của RRA trong giai đoạn thứ hai trên 50 lần chạy độc lập cho
hệ thống kiểm tra 72 nút............................................................................................70

vii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 4. 1. Thông số mạng 33 nút .............................................................................55
Bảng 4. 2. Kết quả của kỹ thuật đƣợc đề xuất trên hệ thống 33 nút. ........................59
Bảng 4. 3. So sánh kết quả trên hệ thống 33 nút với các phƣơng thức khác nhau ...61
Bảng 4. 4. Dữ liệu tải của lƣới điện phân phối 72 nút ..............................................64
Bảng 4. 5. Thông số đƣờng dây của lƣới điện phân phối 72 nút ..............................66
Bảng 4. 6. Kết quả của kỹ thuật đƣợc đề xuất trên hệ thống 72 nút ở Bến Tre ........69

viii


MỤC LỤC
LÝ LỊCH KHOA HỌC ................................................... Error! Bookmark not defined.
LỜI CAM ĐOAN ............................................................ Error! Bookmark not defined.
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. i
TÓM TẮT ...................................................................................................................... ii
ABSTRACT ................................................................................................................... v
DANH DÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... vi
DANH SÁCH CÁC HÌNH.......................................................................................... vii
DANH SÁCH CÁC BẢNG ........................................................................................ viii
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 1
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài .......................................................................... 4
1.3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................. 4
1.4. Phƣơng pháp giải quyết bài toán ......................................................................... 4
1.5. Điểm mới của đề tài ............................................................................................. 4
1.6. Giá trị thực tiễn của đề tài .................................................................................... 5
1.7. Bố cục .................................................................................................................. 5
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................ 6
2.1. Lƣới điện phân phối ............................................................................................. 6
2.2. Nguồn điện phân tán (DG - Distributed Generation) .......................................... 8
2.3. Các tác động của DG trong lƣới điện phân phối .............................................. 14
2.3.1. Lợi ích của lƣới điện phân phối khi vận hành có kết nối DG .................... 14
2.3.2. Các tác động của DG lên lƣới điện phân phối ............................................ 18
2.3.3. Một số nguồn năng lƣợng tái tạo thích hợp với cơng nghệ DG .................. 18
2.4. Các phƣơng pháp tái cấu hình lƣới điện phân phối ..................................... 20
2.4.1. Giới thiệu .................................................................................................... 20

2.4.2. Mơ hình tốn học của tái cấu hình lƣới điện phân phối ............................. 25
2.4.3. Phƣơng pháp Heuristic ............................................................................... 26
2.4.4. Phƣơng pháp tối ƣu kiến – Ant Colony Optimization Method .................. 27
2.4.5. Thuật tối ƣu bầy đàn (PSO – Particle Swarm Optimization) ..................... 30
2.4.6. Thuật toán GSA (Gravitational Search Algorithm -GSA) ......................... 32
2.5. Các nghiên cứu khoa học liên quan ................................................................... 32
2.6. Bài toán xác định cấu trúc vận hành lƣới điện phân phối kết hợp với máy phát
điện phân tán ............................................................................................................. 35
CHƢƠNG 3: XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ CƠNG SUẤT NGUỒN PHÂN TÁN
TRONG LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI BẰNG GIẢI THUẬT LAI ............................ 38
3.1. Giới thiệu ........................................................................................................... 38
3.2. Mơ hình tốn ...................................................................................................... 39
3.3. Hàm mục tiêu ..................................................................................................... 42
3.4. Điều kiện ràng buộc ........................................................................................... 42

x


3.4.1. Giới hạn công suất phát của các máy phát phân tán ................................... 43
3.4.2. Giới hạn dòng điện trên các nhánh và điện áp nút ..................................... 43
3.5. Phƣơng pháp đề xuất ......................................................................................... 43
3.5.1. Thuật toán PSO ........................................................................................... 43
3.5.2. Phƣơng pháp đề xuất .................................................................................. 52
CHƢƠNG 4: VÍ DỤ KIỂM TRA .............................................................................. 55
4.1. Lƣới điện phân phối 33 nút ................................................................................ 55
4.2. Lƣới điện phân phối Thành phố Bến Tre .......................................................... 62
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN .......................................................................................... 71
5.1. Kết luận.......................................................................................................... 71
5.2. Hƣớng phát triển ............................................................................................ 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 72

xi


Luận văn thạc sĩ

PGS.TS. Trƣơng Việt Anh

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Phụ tải điện ngày càng tăng do nhu cầu sử dụng và sự phát triển của xã hội
hiện đại, tuy nhiên sự gia tăng tải phải nằm trong giới hạn cho phép. Do cấu trúc
của mạng điện không thay đổi dẫn đến tổn thất điện năng của mạng phân phối điện
tăng lên. Nếu muốn giảm tổn thất điện năng, các biện pháp thƣờng đƣợc sử dụng
bao gồm: Đặt tụ bù tại các vị trí thích hợp, cải tạo lại lƣới điện… Các phƣơng pháp
này cho thấy phải chi phí nhiều vốn đầu tƣ mà hiệu quả giảm tổn thất lại khơng
đáng kể. Vì vậy, khi tải tăng trong giới hạn cho phép của mạng phân phối, ta có thể
sử dụng phƣơng pháp tái cấu trúc để làm giảm tổn thất trên đƣờng dây. Có rất nhiều
phƣơng pháp để tái cấu trúc lƣới phân phối, nhƣ Phƣơng pháp cổ điển cho kết quả
chính xác tuy nhiên lại khơng dùng đƣợc trong mạng phân phối thực tế do không
gian thực nghiệm lớn sẽ mất nhiều thời gian cho việc tìm kiếm cấu trúc tối ƣu. Với
sự tiến bộ của khoa học cơng nghệ, các thiết bị điện ngày càng địi hỏi nguồn điện
cung cấp phải đảm bảo về chất lƣợng. Vấn đề đặt ra cho các Công ty sản xuất và
kinh doanh điện là làm sao vừa đảm bảo đáp ứng đƣợc các vấn đề nêu trên, vừa
đảm bảo lợi ích kinh tế cao nhất của nhà sản xuất, vừa đảm bảo tính cạnh tranh
trong điều kiện nguồn lực tài chính có hạn. Trong khi đó chiều dài, phụ tải của lƣới
điện phân phối phát triển một cách nhanh chóng kể cả ở khu vực thành thị lẫn nông
thôn, miền núi dẫn đến công suất đỉnh chỉ xảy ra tại vài giờ trong ngày, lƣới điện bị
sụt áp, tổn thất truyền tải trên đƣờng dây tăng, chi phí sản xuất điện tăng theo.
Đã có nhiều giải pháp kỹ thuật đƣợc đƣa ra, nhƣ là nâng công suất các trạm

trung gian, lắp đặt các hệ thống tụ bù, nâng tiết diện dây dẫn, lắp đặt các thiết bị
FACTS, lắp đặt công tơ 3 giá cho khách hàng nhƣng cũng chỉ giải quyết đƣợc một
phần vấn đề trên. Tái cấu trúc lƣới điện phân phối và tối ƣu vị trí máy phát điện
phân tán là một trong những giải pháp để giải quyết vấn đề đã đặt ra, nhiều nhà
nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu và thực nghiệm với nhiều phƣơng pháp khác
nhau để đi đến tối ƣu nhất về kết cấu lƣới điện và vị trí đặt máy phát điện phân tán
trên lƣới điện phân phối.

HVTH: Đoàn Minh Hậu

Trang 1


Luận văn thạc sĩ

PGS.TS. Trƣơng Việt Anh

Lƣới điện phân phối có đặc điểm là vận hành phức tạp, kết cấu hình tia, hình
xƣơng cá, mạch kín nhƣng thƣờng vận hành hở, phụ tải phân bố và phát triển ít theo
quy hoạch nên việc tính tốn để xác định vị trí, dung lƣợng của các DG là khá phức
tạp.
Vì vậy việc tìm các phƣơng pháp, giải thuật để giải quyết vấn đề đặt ra là cần
thiết, đảm bảo sao cho bài tồn tính tốn đơn giản nhất, nhanh nhất và có kết quả tốt
nhất đối với điều kiện đã đƣợc đặt . Vấn đề đã đƣợc sự quan tâm của rất nhiều các
nhà khoa học, nhà nghiên cứu, các nghiên cứu sinh và các tổ chức.
Việc cải tạo nâng cấp đƣờng dây hoặc lắp đặt thêm các trạm biến áp, đƣờng
dây truyền tải và phân phối nhằm đáp ứng nhu cầu của phụ tải trong một số giờ cao
điểm làm cho chi phí vận hành tăng cao và cần phải có vốn đầu tƣ lớn. Các nghiên
cứu đã chỉ ra rằng nguồn điện phân tán sẽ mang lại nhiều hiệu quả khi áp dụng trên
lƣới điện phân phối. Nguồn điện từ các DG sẽ góp phần giảm bớt gánh nặng cơng

suất vào giờ cao điểm, giảm tổn thất trên đƣờng dây, cải thiện chất lƣợng điện năng,
nâng cao độ tin cậy và thân thiện với môi trƣờng (đối với năng lƣợng tái tạo). Nó
cịn góp phần vào việc giảm áp lực đầu tƣ cải tạo lƣới điện hiện hữu, giảm chi phí
nhiên liệu, chi phí vận hành, đáp ứng tốt về khả năng dự phịng cho hệ thống và có
thời gian ngắn trong việc đáp ứng nhu cầu cục bộ của từng vùng miền, đặc điểm
riêng của phụ tải.
Do đó, các cơng ty điện lực và các DG có sẵn hoặc lắp đặt thêm các DG để
hỗ trợ cho hệ thống điện của họ, giảm công suất điện mua từ hệ thống truyền tải, từ
đó có thể giảm giá điện, đồng thời đối phó với tình huống tăng giá đột biến trong
giờ cao điểm và trì hỗn việc xây dựng thêm đƣờng dây mới. DG là các máy phát
có cơng suất nhỏ hơn 10MW, có giá thành rẽ, dễ vận hành và có thể xây dựng trong
một thời gian ngắn. DG có thể tận dụng các nguồn năng lƣợng tái tạo sẵn có thân
thiện với mơi trƣờng nhƣ thủy năng, phong năng, quang năng... công nghệ DG rất
đa dạng: nhiệt điện kết hợp, quang điện, tuabine gió, pin nhiên liệu, thủy điện công
suất nhỏ, máy phát động cơ đốt trong, microturbine...

HVTH: Đoàn Minh Hậu

Trang 2