(Luận văn thạc sĩ) Xác định vị trí và dung lượng máy phát điện phân tán dùng pin quang điện để tổn thất công suất là nhỏ nhất

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 3 năm 2018
Ngƣời cam đoan


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, em xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất gửi đến thầy
Trương Việt Anh, người Thầy đã tận tình hướng dẫn em trong suốt q trình nghiên
cứu để hồn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn q thầy cơ Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật
TP.HCM đã giảng dạy em trong suốt q trình học tập.
Và cuối cùng, tơi xin cảm ơn đến tất cả các đồng nghiệp, bạn bè và đặc biệt
là gia đình đã giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập cũng như để hồn thành luận
văn này.

Xin trân trọng cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 3 năm 2019


TÓM TẮT
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, nhƣng thục tế hiện nay các DG chủ yếu phát công suất P nên vấn đề
cần xem xét các tụ bù trên lƣới điện phân phối cho phù hợp. Nhƣ vậy, với cơng cụ
tính tốn nhƣ hiện nay đã làm cho thời gian tính tốn của phƣơng pháp tối ƣu là rất

lớn, nên cần phải giảm thiểu thời gian tính toán tối ƣu.
Đề tài này tiếp cận bài toán xác định vị trí và cơng 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 với thời gian tính tốn đƣợc giảm
thiểu với cơng cụ tính tốn là Back - Forward.
Việc xác định vị trí và cơng suất của các DG và các tụ bù trên lƣới điện tối
ƣu và xác định cấu hình vận hành mới của lƣới điện phân phối đƣợc thực hiện bằng
thuật tốn PSO. Trong đó, giải thuật PSO đề xuất sử dụng công cụ Backward –
Forward để tính phân bố cơng suất trên lƣới điện phân phối nhằm giảm thiểu tổng
thời gian tính tốn trên lƣới điện phân phối. Kết quả bài toán đƣợc kiểm nghiệm
trên lƣới điện 13 nút và lƣới điện 33 nút đã cho thấy hiệu quả của phƣơng pháp đề
xuất.


ABSTRACT
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 the efficiency of power
supply, but nowadays DG mainly distributes P power so it is necessary to consider
compensating capacitors on the distribution grid for fit. Thus, with the current
calculation tool has made the calculation time of the optimal method is very large,
so it is necessary to minimize the optimal calculation time.
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 provided on the electrical system with the calculated time
is reduced with the calculation tool is Back - Forward.
Determining the position and power of DGs and compensating capacitors on

the optimal grid and determining the new operating configuration of the distribution
grid is implemented by PSO algorithm. In particular, the proposed PSO algorithm
uses Backward tool - Forward to calculate the power distribution on the distribution
grid to minimize the total calculation time on the distribution grid. The results of the
test on the 13-node grid and the 33-button grid showed the effectiveness of the
proposed method.


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2. 1. Sơ đồ phân loại nguồn điện phân tán .........................................................7
Hình 2. 2. Nguồn năng lƣợng mặt trời ........................................................................8
Hình 2. 3. Nhà máy địa nhiệt ......................................................................................9
Hình 2. 4. Nguồn năng lƣợng gió ..............................................................................10
Hình 2. 5. Pin nhiên liệu –FC ....................................................................................11
Hình 3. 1. Sơ đồ đơn tuyến .......................................................................................22
Hình 3. 2. Lƣu đồ giải thuật ......................................................................................24
Hình 3. 3. Ví dụ về hệ thống 6 bus ...........................................................................25
Hình 3. 4. Tính tổn thất cơng suất cho nhánh 56 ......................................................25
Hình 3. 5. Tính tổn thất cơng suất cho nhánh 25 ......................................................26
Hình 3. 6. Tính tổn thất cơng suất cho nhánh 24 ......................................................27
Hình 3. 7. Tính tổn thất cơng suất cho nhánh 23 ......................................................28
Hình 3. 8. Tính tổn thất cơng suất cho nhánh 12 ......................................................28
Hình 3. 9. Cập nhật lại giá trị đƣờng dây ..................................................................29
Hình 3. 10. Tính tổn thất trên nhánh 12 ....................................................................30
Hình 3. 11. Tính tổn thất trên nhánh 24 ....................................................................31
Hình 3. 12. Tính tổn thất trên nhánh 23 ....................................................................31
Hình 3. 13. Tính tổn thất trên nhánh 25 ....................................................................32
Hình 3. 14. Tính tổn thất trên nhánh 56 ....................................................................32
Hình 3. 15. Chuyển động của cá thể. ........................................................................36
Hình 3. 16. Sơ đồ đơn tuyến .....................................................................................40

Hình 3. 17. Lƣu đồ tính phân bố cơng suất bằng phƣơng pháp BW/FW cải tiến.....42
Hình 3. 18. LĐPP hình tia khi có sự tham gia của các DG.......................................43
Hình 3. 19. Lƣu đồ giải thuật PSO sử dụng BW/FW tính phân bố cơng suất ..........43
Hình 4. 1. Lƣới điện 3 nguồn ....................................................................................44
Hình 4. 2. Đặc tính hội tụ của giải thuật PSO trong phƣơng pháp đề xuất...............48
Hình 4. 3. Lƣới điện đƣợc vẽ trên phần mềm PSS/Adept ........................................48
Hình 4. 4. Kết quả thử nghiệm trên phần mềm PSS/Adept ......................................49
Hình 4. 5. Kết quả chạy chƣơng trình Topo..............................................................50


Hình 4. 6. Lƣới điện 33 nút, một nguồn ....................................................................51
Hình 4. 7. Độ hội tụ của PSO trong quá trình thực hiện ...........................................54
Hình 4. 8. Kết quả trên phần mềm PSS- ADEPT .....................................................55


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 4. 1. Thông số mạng 3 nguồn ..........................................................................44
Bảng 4. 2. Kết quả thực hiện hai giai đoạn trên hệ thống 16 nút ..............................46
Bảng 4. 3. So sánh kết quả thực hiện với một số phƣơng pháp ................................50
Bảng 4. 4. Thông số mạng 33 nút .............................................................................51
Bảng 4. 5. Kết quả thực hiện trên LĐPP 33 nút ........................................................53


MỤC LỤC
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề .........................................................................................................1
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài .......................................................................2
1.3. Phạm vi nghiên cứu ..........................................................................................3
1.4. Phƣơng pháp giải quyết bài toán ......................................................................3
1.5. Điểm mới của đề tài ..........................................................................................3

1.6. Giá trị thực tiễn của đề tài .................................................................................3
1.7. Bố cục ...............................................................................................................3
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 5
2.1. Tổng quan về lƣới điện phân phối ....................................................................5
2.2. Nguồn điện phân tán (DG - Distributed Generation) .......................................6
2.2.1. Năng lƣợng mặt trời....................................................................................7
2.2.2. Năng lƣợng địa nhiệt ..................................................................................8
2.2.3. Năng lƣợng gió ...........................................................................................9
2.2.4. Pin nhiên liệu ............................................................................................10
2.3. Lợi ích của lƣới điện phân phối khi vận hành có kết nối DG .........................11
2.3.1. Tác động lên giá điện ...............................................................................11
2.3.2. Giảm đầu tƣ nâng cấp hệ thống ................................................................12
2.3.3. Sử dụng năng lƣợng rác thải và nhiên liệu linh hoạt................................12
2.3.4. Nhiệt - Điện kết hợp .................................................................................12
2.3.5. Độ tin cậy .................................................................................................12
2.3.6. Điện khí hóa các vùng nơng thơn xa ........................................................13
2.4. Các tác động của DG lên lƣới điện phân phối ................................................13
2.5. Các nghiên cứu khoa học liên quan ................................................................14
2.5.1. Bài toán xác định cấu trúc vận hành lƣới điện phân phối ........................14
2.5.2. Bài tốn tối ƣu vị trí và dung lƣợng của các DG .....................................15
2.5.3. Bài toán kết hợp tái cấu hình và tối ƣu vị trí và cơng suất của các DG ...17
CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT .............................................................. 20
3.1. Giới thiệu ........................................................................................................20


3.2. Phƣơng pháp đề xuất: .....................................................................................22
3.2.1. Giải thuật tính tổn thất cơng suất trên lƣới điện phân phối hình tia .........22
3.2.2. Giải thuật tối ƣu bầy đàn (PSO – Particle Swarm Optimization) ............33
3.2.3. Hàm mục tiêu ...........................................................................................38
3.2.4. Mã hóa các biến ........................................................................................39

3.2.5. Phƣơng pháp đề nghị ...............................................................................40
CHƢƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TRÊN VÍ DỤ KIỂM CHỨNG .................. 44
4.1. Hệ thống mạng phân phối 13 nút, 3 nguồn .................................................44
4.2. Hệ thống mạng phân phối 33 nút, 1 nguồn [12]..........................................51
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN ........................................................................................ 56
5.1. Kết luận ...........................................................................................................56
5.2. Hƣớng phát triển .............................................................................................56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 57


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Điện năng ngày càng giữ một vai trò quan trọng việc đảm bảo sự ổn định và
phát triển kinh tế xã hội, an ninh chính trị của mỗi quốc gia. Hiện nay, vấn đề về
thiếu hụt năng lƣợng, đặc biệt là năng lƣợng điện ngày càng có xu hƣớng gia tăng.
Nhất là trong một số giờ cao điểm, hệ thống phân phối không thỏa mãn nhu cầu
của phụ tải hoặc khách hàng phải chấp nhận mua điện với giá cao. 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. Do đó, các cơng ty điện
lực và các khách hàng có sẵn hoặc lắp đặt thêm các DG để hỗ trợ cho hệ thống
điện, điều này làm giảm công suất điện mua từ hệ thống truyền tải và tận dụng các
nguồn năng lƣợng dƣ thừa của khách hàng (thƣờng là các nguồn năng lƣợng tái
tạo), 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 (Distributed generation) 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... Các DG hoạt động độc lập có hiệu quả do chi
phí vận hành tăng cao, công suất phát điện lại không ổn định nên độ tin cậy cung
cấp điện thấp. Mặc khác, DG có trở kháng lớn, nên dịng ngắn mạch của nó rất
nhỏ, do đó mức độ ảnh hƣởng đến LĐPP khi nó vận hành song song là rất thấp. Vì
vậy, các DG thƣờng đƣợc kết nối trực tiếp với LĐPP trung áp/ hạ áp.
Sử dụng DG trong LĐPP sẽ mang lại một số lợi ích nhƣ giảm tải trên lƣới
điện, giảm tổn hao cơng suất và chi phí vận hành trên mạng điện, cải thiện chất
lƣợng điện và độ tin cậy, bình ổn giá điện, cung cấp các dịch vụ hỗ trợ…

Trang 1


Khi lƣới điện phân phối có kết nối các DG, thì khách hàng có thể kiểm
sốt giá thành điện năng và chuyển đổi nguồn điện sao cho họ có lợi nhất. Do
đó, các điều độ viên phải căn cứ vào cấu trúc lƣới điện, dung lƣợng cần
truyền tải, giá điện mua từ hệ thống và từ các DG và các yêu cầu về tác động
môi trƣờng và sinh thái... để đƣa ra các phƣơng án thay đổi cấu trúc lƣới điện
ở từng thời điểm sao cho chi phí vận hành bao gồm chi phí chuyển tải và tổn
thất cơng suất là bé nhất, đồng thời đảm bảo các yêu cầu về k ỹ thuật. Với
mục tiêu là tìm giải pháp để giảm tổn thất cơng suất, giảm chi phí vận hành
của lƣới điện phân phối trong trƣờng hợp có các DG, đề tài sẽ đề cập đến các
phƣơng pháp có liên quan đến vấn đề “Xác định vị trí và dung lƣợng máy
phát điện phân tán dùng pin quang điện để tổn thất công suất là nhỏ
nhất”. Kết quả của bài tốn sẽ góp phần hỗ trợ cho các cơng ty điện lực địa
phƣơng trong công tác vận hành lƣới điện phân phối.
Luận văn này tiếp cận bài toán xác định vị trí và cơng suất máy phát điện
phân tán trên lƣới điện phân phối có xét đến cấu trúc vận hành lƣới điện với
mục tiêu là giảm tổn thất công suất tác dụng trên hệ thống phân phối. Các DG
ở đây là các pin quang điện hiện nay đang đƣợc ứng dụng lắp đặt và kết nối vào
lƣới điện phân phối, các DG xác định ở ở luận văn này gồm có:

- Các DG chủ yếu phát cơng suất tác dụng là các Pin quang điện;
- Các DG phát công suất phản kháng là các tụ bù trên lƣới điện phân phối.
Với hàm mục tiêu là giảm thiểu tổn thất công suất tác dụng và nâng cao chất lƣợng
về điện áp trên lƣới điện phân phối.
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu việc: Giảm tổn thất công suất và nâng cao
chất lƣợng điện áp và độ tin cậy hệ thống điện lƣới điện phân phối.
-

Nghiên cứu ứng dụng phƣơng pháp tính phân bố cơng suất để tính tổn thất
cơng suất.
- Nghiên cứu việc giảm tổn thất công suất, giảm tổn thất về điện áp trên lƣới

phân phối khi có kết nối các DG và tụ bù vào lƣới điện phân phối.

Trang 2


- Xây dựng hàm đa mục tiêu, sử dụng giải thuật PSO để giải bài tốn tìm vị
trí và dung lƣợng thích hợp để kết nối DG và tụ bù nhằm giảm thiểu tổn thất công
suất.
- Áp dụng giải thuật vào kiểm nghiệm cho lƣới điện phân phối mẫu.
1.3. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào bài tốn giảm tổn thất cơng suất
và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi kết nối DG nhằm cực tiểu chi phí vận
hành.
1.4. Phƣơng pháp giải quyết bài tốn
- Áp dụng các phƣơng pháp giải tích mạng điện xây dựng hàm đa mục tiêu
cực tiểu tổn thất cơng suất khi có DG kết nối vào lƣới điện phân phối.
- Sử dụng giải thuật PSO giải bài tốn đa mục tiêu khi có các DG là các Pin

quang điện và các tụ bù kết nối vào lƣới điện phân phối.
1.5. Điểm mới của đề tài
- Xây dựng hàm đa mục tiêu giải quyết vấn đề giảm thiểu tổn thất công suất
tác dụng và giảm thiểu tổn thất điện áp khi có kết nối DG (bao gồm các Pin quang
điện và các tụ bù).
- Áp dụng giải thuật PSO tìm vị trí và dung lƣợng tối ƣu khi kết nối DG trên
lƣới điện phân phối.
1.6. Giá trị thực tiễn của đề tài
- Cung cấp một giải thuật PSO và chƣơng trình tìm vị trí tối ƣu lắp đặt DG,
tụ bù giảm tổn thất trên lƣới với công cụ tính tốn phân bố cơng suất trên lƣới điện
hình tia.
- Góp phần vào các nghiên cứu liên quan đến DG trong lƣới điện phân phối.
- Làm tài liệu tham khảo cho các công tác nghiên cứu và vận hành lƣới điện
khi có kết nối DG.
1.7. Bố cục

Trang 3


Đề tài dự kiến gồm 5 chƣơng
Chƣơng 1: Tổng quan
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
Chƣơng 3: Phƣơng pháp đề xuất
Chƣơng 4: Phân tích kết quả
Chƣơng 5: Kết luận
Tài liệu tham khảo

Trang 4

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tổng quan về lƣới điện phân phối
Cấu trúc hệ thống điện truyền thống có dạng dọc, mạng phân phối sẽ nhận
điện từ lƣới truyền tải hoặc truyền tải phụ sau đó cung cấp đến hộ tiêu thụ điện.
Mạng phân phối có cấu trúc hình tia hoặc dạng mạch vòng nhƣng vận hành trong
trạng thái hở. Dịng cơng suất trong trƣờng hợp này đổ về từ hệ thống thông qua
mạng phân phối cung cấp cho phụ tải. Vì vậy, việc truyền tải điện năng từ nhà
máy điện đến hộ tiêu thụ sẽ sinh ra tổn hao trên lƣới truyền tải và mạng phân phối
(khoảng 10 - 15% tổng công suất của hệ thống). Với cấu trúc mới của lƣới phân
phối hiện nay, do có sự tham gia của các nguồn điện phân tán (distributed
generation - DG), dịng cơng suất khơng chỉ đổ về từ hệ thống truyền tải mà cịn
lƣu thơng giữa các phần của mạng phân phối với nhau, thậm chí đổ ngƣợc về
lƣới truyền tải. Cấu trúc này đƣợc gọi là cấu trúc ngang.
Với cấu trúc ngang có sự tham gia của các DG, lƣới điện phân phối thực
hiện tốt hơn nhiệm vụ cung cấp năng lƣợng điện đến hộ tiêu thụ đảm bảo chất
lƣợng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện và một số yêu cầu an toàn trong giới
hạn cho phép. Đồng thời mang lại nhiều lợi ích khác nhƣ: giảm tải trên lƣới điện,
cải thiện điện áp, giảm tổn thất cơng suất và điện năng, hỗ trợ lƣới điện.
Vì lý do kỹ thuật, các đƣờng dây phân phối điện luôn đƣợc vận hành hở
trong mọi trƣờng hợp, mặc dù đƣợc thiết kế theo kiểu mạch vòng để tăng độ tin
cậy cung cấp điện. Nhờ cấu trúc vận hành hở mà hệ thống relay bảo vệ chỉ cần sử
dụng lọai relay quá dòng. Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, hầu hết
các tuyến dây đều có các mạch vòng liên kết với các đƣờng dây kế cận đựơc
cung cấp từ một trạm biến áp trung gian khác hay chính từ trạm biến áp có đƣờng
dây bị sự cố. Việc khôi phục lƣới điện đƣợc thực hiện thơng qua các thao tác
đóng/cắt các cặp khóa điện nằm trên các mạch vịng, do đó trên lƣới phân phối có
rất nhiều khóa điện.
Khi lƣới điện đƣợc vận hành hở, tổn thất năng lƣợng và chất lƣợng điện
năng luôn kém hơn một lƣới điện đƣợc vận hành kín. Khi có sự cố, thời gian tái
lập việc cung cấp điện của lƣới điện vận hành hở sẽ lâu hơn do cần có thời gian

Trang 5


chuyển tải qua các tuyến dây khác. Tuy nhiên, do tính chất khác nhau cơ bản giữa
lƣới phân phối và truyền tải là:
- Số lƣợng phần tử nhƣ lộ ra, nhánh rẽ, thiết bị bù, phụ tải của lƣới phân
phối nhiều hơn lƣới điện truyền tải từ 5-7 lần.
- Có rất nhiều khách hàng tiêu thụ điện năng với công suất nhỏ và nằm
trên diện rộng, nên khi có sự cố, mức độ thiệt hại do gián đọan cung cấp điện ở
lƣới điện phân phối gây ra cũng ít hơn so với sự cố của lƣới điện truyền tải.
Vì vậy lƣới điện phân phối vận hành tia mặc dù có cấu trúc mạch vòng do
các nguyên nhân sau:
- Tổng trở của lƣới điện phân phối vận hành hở lớn hơn nhiều so với vận
hành vịng kín nên dịng ngắn mạch bé khi có sự cố. Vì vậy chỉ cần chọn các
thiết bị đóng cắt có dịng ngắn mạch chịu đựng và dòng ngắn mạch bé, nên mức
đầu tƣ giảm đáng kể.
- Trong vận hành hở, các relay bảo vệ lộ ra chỉ cần dùng các lọai relay
đơn giản, rẻ tiền nhƣ relay q dịng, thấp áp… mà khơng nhất thiết phải trang bị
các lọai relay phức tạp nhƣ relay định hƣớng, bảo vệ khỏang cách, so lệch… nên
việc phối hợp bảo vệ relay trở nên dễ dàng hơn và mức đầu tƣ cũng giảm xuống.
- Chỉ cần dùng các cầu chì tự rơi (FCO: Fuse cut out) hay cầu chì tự rơi
kết hợp cắt có tải (LBFCO: Load break fuse cut out) để bảo vệ các nhánh rẽ hình
tia trên cùng một đọan trục và phối hợp với recloser để tránh sự cố thóang qua.
- Do vận hành hở, nên khi có sự cố, khơng bị lan tràn qua các phụ tải khác.
- Do đƣợc vận hành hở, nên việc điều khiển điện áp trên từng tuyến dây
dễ dàng hơn và giảm đƣợc phạm vi mất điện trong thời gian giải trừ sự cố.
- Nếu chỉ xem xét giá xây dựng mới lƣới điện phân phối, thì phƣơng án kinh
tế là lƣới điện hình tia.
2.2. Nguồn điện phân tán (DG - Distributed Generation)
Khái niệm nguồn điện phân tán đã đƣợc nêu nhiều trong các quá trình nghiên

cứu về DG. Tuy nhiên các tác giả chƣa đƣa ra đƣợc định nghĩa chung cho khái

Trang 6


niệm này. Hiện nay trên thế giới cũng chƣa có định nghĩa thống nhất về nguồn
điện phân tán. Một số quốc gia định nghĩa nguồn điện phân tán là nguồn điện theo
các thông số cơ bản nhƣ: nguồn điện phân tán là nguồn điện sử dụng năng lƣợng
tái tạo, không điều khiển tập trung...; hoặc một số khác căn cứ theo cấp điện áp mà
nguồn điện đó đấu nối vào: nguồn điện phân tán là nguồn điện đấu nối vào lƣới
điện cung cấp điện trực tiếp cho phụ tải khách hàng.

Hình 2. 1. Sơ đồ phân loại nguồn điện phân tán
Khác với các dạng năng lƣợng truyền thống không thể tái tạo đƣợc nhƣ:
dầu mỏ, khí đốt, than đá thƣờng đƣợc dùng làm nhiên liệu cho các nhà máy điện
tập trung có cơng suất lớn và xa tâm phụ tải. Các nguồn năng lƣợng tái tạo
đƣợc nhƣ: năng lƣợng mặt trời, năng lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng gió, năng lƣợng
thủy triều... là những dạng năng lƣợng có thể xem nhƣ không cạn kiệt theo thời
gian và rất phù hợp với các cơng nghệ sản xuất điện năng mới có cơng suất nhỏ.
Các nguồn năng lƣợng tái tạo đƣợc này hiện hữu hầu nhƣ tất cả mọi nơi trên trái
đất. Việc khai thác các nguồn năng lƣợng này ngày càng đƣợc xúc tiến và thu đƣợc
nhiều thành quả.
2.2.1. Năng lƣợng mặt trời

Trang 7


Năng lƣợng mặt trời phát ra dƣới dạng sóng điện từ truyền trong chân
không và bị suy giảm khi qua lớp khí quyển xung quanh trái đất. Mật độ năng
lƣợng mặt trời chiếu trên mặt đất ở các nơi khác nhau là khơng giống nhau, trung

bình mật độ này vào khoảng 200W/m2, mức cao điểm đạt 1000W/m2. Xét qui mơ
tồn cầu thì năng lƣợng này khơng lớn lắm nhƣng nó rất có ý nghĩa với một số
quốc gia nhƣ: Ấn Độ, Trung Quốc và Châu Phi vì ở đó mạng lƣới phân phối điện
năng vẫn cịn thƣa thớt.

Hình 2. 2. Nguồn năng lƣợng mặt trời
2.2.2. Năng lƣợng địa nhiệt
Năng lƣợng địa nhiệt là nhiệt đƣợc lấy từ trong lòng đất, nhiệt năng của
trái đất là khoảng 64 tỉ kWh. Từ lâu ngƣời ta đã biết khoan sâu trong lòng đất 1
km thì nhiệt độ tăng thêm 30oC. Giá trị này tùy thuộc vào từng nơi. Ví dụ ở
đồng bằng sơng Hồng có lỗ khoan 3 km khơng phải là 90oC mà là 150oC. Trên thế
giới có những nơi với lỗ khoan nhƣ vậy đã tìm thấy nhiệt độ từ 200 đến
1000oC. Từ năm 1904 ở Larderelo (Italia) đã xây dựng thành cơng nhà máy địa
nhiệt có cơng suất 365 MW. Tại Mỹ vào năm 1960 ngƣời ta xây dựng hai nhà
máy có cơng suất 12,5 MW. Năm 1980 tại Sanfrancixco đã xây dựng thành công

Trang 8


nhà máy địa nhiệt có cơng suất 1180 MW cung cấp cho toàn thành phố.
Sự khác nhau giữa nhà máy địa nhiệt so với các nhà máy điện khác là loại
này chỉ lấy hơi từ lòng đất để sản xuất điện năng nên qui mô nhà máy rất gọn nhẹ,
đơn giản, không cần kho dự trữ nhiệt liệu nên an tồn và giảm diện tích. Mặc
dù hiệu suất khơng cao nhƣng chi phí xây dựng, lắp đặt thấp nên giá thành điện
năng tƣơng đối rẻ. Một dạng năng lƣợng địa nhiệt khác đó là bồn nhiệt nƣớc
nóng, do nƣớc sơi ở áp suất cao ở độ sâu lớn nên nhiệt độ có thể đạt đến 180 đến
370oC và năng lƣợng tồn tại dƣới dạng nƣớc nóng. Hiện nay ở NewZeland ngƣời
ta đã sử dụng năng lƣợng này để xây dựng nhà máy điện có cơng suất 75 MW.

Hình 2. 3. Nhà máy địa nhiệt

2.2.3. Năng lƣợng gió
Năng lƣợng gió là năng lƣợng cơ học trong tự nhiên, sáng kiến về cối xay
gió là một trong những sáng kiến quan trọng trong lịch sử sử dụng năng lƣợng gió
của con ngƣời. Ngày nay ngƣời ta sử dụng năng lƣợng gió để bơm nƣớc và sản
xuất điện năng đặc biệt ở những vùng xa xơi. Theo tính tốn, tổng số năng lƣợng
gió trên toàn thế giới là 350 triệu MWh nhƣng do khơng ổn định và phân tán
nên chỉ có thể sử dụng đƣợc một phần rất nhỏ. Tính đến năm 2002, cơng suất máy
phát điện bằng sức gió của tồn thế giới đã vƣợt quá 30 GW, sản lƣợng điện năng

Trang 9


trong một năm là 4,7 triệu MWh.

Hình 2. 4. Nguồn năng lƣợng gió
2.2.4. Pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu (Fuel Cell -FC): Các FC có thể chuyển đổi năng lƣợng hóa học
thành điện năng mà khơng cần đến q trình đốt cháy. Công nghệ FC đƣợc phát
triển ban đầu cho ngành vũ trụ, sau đó, ngành vận tải đã xem nó nhƣ một cơng
nghệ đầy hứa hẹn. Từ đó, cơng nghệ này đã chứng tỏ có hiệu quả rất tốt, có cấu
tạo nguyên khối, độ ồn rất thấp, lƣợng khí thải NOx, SO, CO rất thấp và có độ tin
cậy cao.

Trang 10


Hình 2. 5. Pin nhiên liệu –FC
2.3. Lợi ích của lƣới điện phân phối khi vận hành có kết nối DG
Khi DG đƣợc sử dụng trong hệ thống điện sẽ mang lại các lợi ích: tác động
đến giá điện, trì hoãn việc nâng cấp hệ thống truyền tải và phân phối, sử dụng

năng lƣợng rác thải và nhiên liệu linh hoạt, cải thiện chất lƣợng điện, sự sẵn sàng
trong dịch vụ, kết hợp nhiệt - điện, cung cấp điện năng với độ tin cậy cao. Sau
đây là một số phân tích sơ bộ.
2.3.1. Tác động lên giá điện
Trong các thị trƣờng điện tự do, ngƣời vận hành hệ thống độc lập sẽ tính
tiền khách hàng bằng một giá điện dựa trên tất cả các chi phí hỗ trợ đảm bảo cho
hệ thống điện hoạt động tin cậy. Các chi phí đó bao gồm: chi phí phục vụ, dự
trữ vận hành, tổn thất cơng suất, gián đoạn truyền tải, chi phí truyền tải và chi phí
quản lý. Lƣợng này chiếm khoảng 20% giá thành điện năng. Vì vậy, các cơng ty
điện lực và các khách hàng lớn có thể xem xét đến việc sử dụng DG nhằm 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. Việc tham gia của DG cịn giúp đối phó với tình huống
Trang 11


giá tăng đột biến trong giờ cao điểm.
2.3.2. Giảm đầu tƣ nâng cấp hệ thống
Khi xảy ra tình trạng tắc nghẽn truyền tải hoặc quá tải trên đƣờng dây,
thay vì cải tạo nâng cấp đƣờng dây hoặc xây dựng thêm đƣờng dây mới, việc sử
dụng DG có thể làm trì hỗn, thậm chí loại bỏ vấn đề này. Thơng thƣờng, tình
trạng quá tải chỉ xảy ra trong một số giờ cao điểm, việc nâng cấp đƣờng dây chỉ
phục vụ cho giờ cao điểm sẽ làm cho chi phí vận hành tăng cao. Các công ty
điện lực hoặc các khách hàng dùng điện lớn có thể tận dụng các DG sẵn có trên
hệ thống hoặc lắp đặt DG tại các vị trí cần thiết. Phƣơng pháp này có thể mang lợi
lợi ích về kinh tế rất lớn vì chi phí vận hành DG thƣờng không cao hơn nhiều so
với mua điện từ hệ thống truyền tải, đơi khi chi phí này rất thấp (turbine gió,
turbine khí), ngƣợc lại, tiết kiệm đƣợc một lƣợng khá lớn vốn đầu tƣ đƣờng dây.
2.3.3. Sử dụng năng lƣợng rác thải và nhiên liệu linh hoạt
Các cơng nghệ DG có thể sử dụng các nguồn năng lƣợng có tính kinh tế
thấp hoặc khó khăn trong vận chuyển. Chẳng hạn nhƣ dầu mỏ có phẩm chất

xấu, các khí khơng kinh tế trong chun chở thƣờng phải đốt bỏ, các năng
lƣợng vi sinh đƣợc cung cấp từ rác thải hoặc từ nơng trại, hơi đốt từ q trình xử
lý nƣớc phế thải… các turbine khí và microturbine rất thích hợp đối với nhiên liệu
loại này.
2.3.4. Nhiệt - Điện kết hợp
Việc kết hợp nhiệt - điện mang lại hiệu suất toàn phần lên đến 90%. Khi
nhiệt đƣợc sản xuất ra phải dùng tại chỗ, sử dụng nhiệt - điện kết hợp là rất thích
hợp. Chi phí lắp đặt tăng thêm khoảng 10% nhƣng bù lại chi phí nhiên liệu hầu
nhƣ bằng khơng. Tuy nhiên, cơng nghệ này chỉ thích hợp với các khách hàng cơng
nghiệp có nhu cầu về nhiệt lớn.
2.3.5. Độ tin cậy
Độ tin cậy cung cấp điện ảnh hƣởng trực tiếp đến chi phí bồi thƣờng do
cắt điện. Thƣờng chi phí bồi thƣờng khá cao trên mỗi kW bị cắt giảm. Khi xảy ra
tình huống thiếu hụt công suất hoặc sự cố bất khả kháng, các công ty điện lực bắt

Trang 12


buộc phải cắt cƣỡng bức hoặc thỏa thuận công suất cắt của một số khách hàng
và chi ra một khoảng tiền bồi thƣờng thỏa đáng. Khi có DG tham gia vào hệ
thống, chi phí bồi thƣờng này có thể giảm đi rất nhiều đồng thời tăng đƣợc độ tin
cậy cho hệ thống.
2.3.6. Điện khí hóa các vùng nơng thơn xa
DG là biện pháp hữu dụng đối với các khu vực nông thôn xa xôi, nơi mà
việc xây dựng hoặc mở rộng mạng điện quốc gia tiêu tốn nhiều ngân sách nhƣng
hiệu quả sử dụng lại rất thấp. Vấn đề chọn lựa giữa giải pháp dùng hệ thống điện
quốc gia hoặc DG cần phải đƣợc cân nhắc kỹ lƣỡng và hiện đang là vấn đề gây
nhiều tranh cãi. Vấn đề này cần có một cách nhìn vĩ mơ tồn cục về nền kinh tế đất
nƣớc.
2.4. Các tác động của DG lên lƣới điện phân phối

Khi DG đƣợc kết nối vào lƣới điện phân phối, DG đƣợc xem nhƣ một
nguồn điện thứ hai. Lƣới điện phân phối lúc này khơng cịn là hình tia hay
vịng hở mà trở thành mạng điện kín có hai nguồn cung cấp hoặc hơn. Một số
tác động chính của DG lên lƣới điện phân phối bao gồm:
- Làm thay đổi phân bố công suất trên lƣới điện
- Làm thay đổi dòng ngắn mạch
- Gây nên họa tần
- Cộng hƣởng trong hệ thống
- Thay đổi độ lớn điện áp trên hệ thống
- Ảnh hƣởng đến độ tin cậy
- Thay đổi tổn hao cơng suất trên phát tuyến
Chính vì các tác động nêu trên, việc kết nối và vận hành DG sẽ gặp một số
trở ngại. Tuy nhiên, các DG hoạt động độc lập có hiệu quả thấp do chi phí vận
hành tăng cao, cơng suất phát điện lại không ổn định nên độ tin cậy cung cấp
điện thấp. Mặc khác, DG có trở kháng lớn, nên dịng ngắn mạch của nó rất nhỏ,
dó đó mức độ ảnh hƣởng đến lƣới điện phân phối khi nó vận hành song song là

Trang 13


rất thấp. Vì vậy, các DG thƣờng đƣợc kết nối trực tiếp với lƣới điện phân phối
trung áp/ hạ áp.
2.5. Các nghiên cứu khoa học liên quan
2.5.1. Bài toán xác định cấu trúc vận hành lƣới điện phân phối
Tái cấu trúc lƣới điện phân phối là quá trình thay đổi các phƣơng thức liên
kết mạng lƣới phân phối bằng cách thay đổi trạng thái đóng / mở của các khóa
điện trong khi tôn trọng ràng buộc hệ thống để đáp ứng các mục tiêu đề ra.
Đã có rất nhiều đề tài nghiên cứu về vấn đề “Tái cấu hình lƣới điện”. Năm
1975, Merlin và Back đã đƣa ra vấn đề tái cấu trúc lần đầu tiên và đề xuất giải
quyết bài tốn thơng qua kỹ thuật heuristic rời rạc nhánh-biên. Civanlar et al đề

xuất một phƣơng pháp trao đổi nhánh để ƣớc tính giảm tổn thất. Vì phƣơng pháp
này dựa trên kỹ thuật chẩn đốn, rất khó để có một cách có hệ thống để đánh giá
một giải pháp tối ƣu. Trong những năm gần đây, phƣơng pháp meta-heuristic, mới
đã đƣợc đề xuất để giải quyết vấn đề tối ƣu hóa để có đƣợc một giải pháp tối ƣu
tồn cục. một phƣơng pháp dựa trên một thuật toán di truyền cải tiến đƣợc phát
triển cho bài tốn tái cấu hình để giảm thiểu tổn thất điện năng và độ tin cậy hệ
thống.
Tái cấu trúc hệ thống lƣới điện phân phối là bài tốn quy hoạch phi tuyến rời
rạc, có nhiều biến số tác động đến các trạng thái khóa điện và điều kiện vận hành
nhƣ: Lƣới điện phân phối phải vận hành hở, không quá tải máy biến áp, đƣờng
dây, thiết bị đóng cắt. Rất khó để giải bài tốn tái cấu trúc bằng phƣơng pháp giải
tích tốn học truyền thống. Các phƣơng pháp tìm kiếm sử dụng trong bài toán tái
cấu trúc lƣới điện phân phối cân bằng tải thƣờng là: quy tắc Hueristics, hệ chuyên
gia.
Các bài toán vận hành lƣới điện phân phối chủ yếu giải quyết các vấn đề:
giảm tổn thất công suất của lƣới điện, cải thiện thời gian tái lập, cải thiện các hệ số
tin cậy của hệ thống, cải thiện khả năng tải của hệ thống, cải thiện tình trạng khơng
cân bằng tải… Với những mục tiêu cơ bản đó thì một số bài toán tái cấu trúc đƣợc
đặt nhƣ sau:

Trang 14


o

Bài tốn thứ nhất: Giảm tổn thất cơng suất, đây là bài toán cơ bản,

kết quả sẽ chỉ ra một cấu trúc lƣới điện có tổn thất là nhỏ nhất đối với một điểm
phụ tải nhất định (chỉ xét ở một thời điểm).
o

Bài toán thứ hai: Giảm tổn thất năng lƣợng, bài toán này dựa vào bài

toán cơ bản nêu trên, nhƣng xét cho một khoảng thời gian. Kết quả sẽ chỉ ra một
cấu trúc lƣới điện có tổn thất năng lƣợng là nhỏ nhất trong khoảng thời gian xem
xét.
o

Bài toán thứ ba: Cân bằng tải máy biến áp và đƣờng dây, kết quả sẽ

chỉ ra một cấu trúc lƣới điện, trong đó tải đƣợc phân phối đều theo khả năng của
máy biến áp và đƣờng dây. Cấu trúc lƣới điện này đáp ứng chủ yếu về mặt kỹ
thuật, độ tin cậy cung cấp điện. Đảm bảo khả năng dự trữ của mỗi máy biến áp và
đƣờng dây gần nhƣ nhau, ít xảy ra q tải khi thay đổi.
o

Bài tốn thứ tƣ: Khơi phục việc cấp điện, bài tốn này giải trong

trƣờng hợp sự cố ngắn mạch hay quá tải phải cắt điện một hay nhiều đoạn đƣờng
dây. Kết quả sẽ chỉ ra một cấu trúc lƣới điện cô lập phần bị sự cố, cấp điện trở lại
cho phụ tải bị ảnh hƣởng với các ràng buộc dòng, áp nằm trong phạm vị cho phép
và đảm bảo số phụ tải mất điện là ít nhất.
Tái cấu trúc lƣới điện phân phối có máy phát điện cũng chính là bài tốn
phân bố cơng suất trong lƣới điện, bài tốn nhằm mục đích giải quyết các yêu cầu
đặt ra là chọn chọn dây dẫn, thiết bị phân phối điện, kiểm tra sụt áp trong điều kiện
làm việc bình thƣờng và sự cố, tính tốn tổn thất cơng suất để đánh giá chỉ tiêu
kinh tế của phƣơng án đƣợc đề xuất xem xét… và trên cơ sở đó chọn đƣợc phƣơng
án cấp điện hợp lý về kinh tế, kỹ thuật.
2.5.2. Bài toán tối ƣu vị trí và dung lƣợng của các DG
Đã có nhiều NCKH về bài tốn tái cấu hình LĐPP giảm tổn thất có kết nối

DG hoặc khơng có kết nối DG cố định. Phƣơng pháp giải chủ yếu: Merlin và Back
[1] Họ giải quyết bài tốn thơng qua kỹ thuật heuristic rời rạc nhánh-biên.
Civanlar et al [2] đề xuất một phƣơng pháp trao đổi nhánh. Phƣơng pháp metaheuristic nhƣ các giải thuật di truyền (GA), giải thuật bầy đàn (PSO), giải thuật
CSA... [3-5] mới đã đƣợc đề xuất để giải quyết vấn đề tối ƣu hóa để có đƣợc một
giải pháp tối ƣu tồn cục. Xét vị trí và dung lƣợng DG trên bài tốn LĐPP hình tia,
Trang 15


khơng xét sự biến đổi cấu hình của LĐPP. Xét cả hai vấn đề cùng lúc: tích hợp cả
hai bài tốn tái cấu hình và vị trí và dung lƣợng DG để nâng cao hiệu quả của
mạng lƣới phân phối.
Các tác giả trong tài liệu nghiên cứu [6] đã nghiên cứu sử dụng phƣơng pháp
điểm trong để xác định vị trí và dung lƣợng của DG nhằm tối ƣu tổn thất lƣới phân
phối, kết quả áp dụng trên lƣới 10 nút và lƣới 42 nút đạt đƣợc khá tốt. Kết quả tính
tốn cho thấy vị trí đặt DG tối ƣu là tại nút có cơng suất tải tiêu thụ lớn nhất trong
lƣới phân phối. Độ giảm tổn hao trên lƣới phân phối sau khi có DG so với trƣớc
khi có DG nhiều hay ít phụ thuộc vào lƣợng cơng suất phát ra của DG.

Sự tham

gia của DG vào hệ thống phân bố sẽ đạt đƣợc một số lợi ích về mặt kỹ thuật nhƣ:
giảm tổn hao đƣờng dây, cải thiện chỉ số điện áp, nâng cao chất lƣợng điện năng,
tăng độ tin cậy trong việc truyền tải và phân phối...
Các tác giả ở tài liệu tham khảo [7] mô tả cách sử dụng giải thuật di truyền
(GA) để tìm ra vị trí đặt và cơng suất phát tối ƣu của nguồn phân tán trên mơ hình
lƣới điện phân phối 22kV. Tổn thất công suất đƣợc cực tiểu trong khi dạng điện áp
đƣờng dây cũng đƣợc cải thiện tốt hơn. Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chỉ tập
trung giải quyết trên một lƣới điện phân phối hình tia cố định. Điều này, thực sự
chƣa phù hợp với bài toán thiết kế và vận hành lƣới điện phân phối vì LĐPP phải
ln chuyển đổi các khóa điện để đảm bảo đạt đƣợc mục tiêu vận hành khi sự thay

đổi của phụ tải, tức có sự thay đổi về cấu hình vận hành của lƣới điện.
Việc kết hợp phƣơng pháp Newton-Raphson trong tính tốn phân bố cơng
suất trong lƣới điện phân phối và các giải thuật tối ƣu để giải các bài toán tối ƣu tổ
hợp đã cung cấp một cách thức tìm ra các vị trí đặt và cơng suất phát tốt nhất cho
một số lƣợng nguồn phân tán DG cho trƣớc trên lƣới điện phân phối. Phƣơng pháp
này cho phép ngƣời vận hành có thể nghiên cứu một mạng phân phối bất kỳ.
Ngƣời vận hành có thể sử dụng những thơng tin về lƣới điện phân phối có sẵn để
lập kế hoạch cho việc kết nối DG nhằm đạt mục tiêu giảm tổn thất, cải thiện dạng
điện áp nhƣ mong muốn.

Trang 16