nghiên cứu xây dựng mô hình tối ưu hóa công xuất phản kháng mở rộng đa mục tiêu trong lưới điện phân phối tích hợp hệ thống phát và lưu trữ hệ mặt trời
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.26 MB, 92 trang )
<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">
<b>ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN </b>
<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP </b>
<b>NGUYỄN VĂN SƠN </b>
<b>NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG MỞ RỘNG ĐA MỤC TIÊU TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TÍCH HỢP HỆ THỐNG PHÁT VÀ LƯU TRỮ </b>
<b>ĐIỆN MẶT TRỜI </b>
<b>LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN </b>
<b>THÁI NGUYÊN - 2023 </b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2"><b>ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN </b>
<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP </b>
<b>NGUYỄN VĂN SƠN </b>
<b>NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG MỞ RỘNG ĐA MỤC TIÊU TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TÍCH HỢP HỆ THỐNG PHÁT VÀ LƯU TRỮ </b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3"><b>LỜI CAM ĐOAN </b>
Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là
<b>những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của TS. Hà Thanh Tùng, có tham khảo một số tài liệu và bài báo của các tác giả trong và ngồi nước </b>
đã được xuất bản. Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của người khác.
Tác giả
<b> Nguyễn Văn Sơn </b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">1. Tính cấp thiết của đề tài ... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ... 3
3. Phương pháp nghiên cứu ... 3
4. Kết cấu của luận văn ... 4
<b>CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ... 5 </b>
1.1. Khái niệm về hệ thống phân phối điện<sup>[18 ]</sup> ... 5
1.1.1. Hệ thống phân phối điện (Electric distribution system) ... 6
1.1.2. Các dạng nguồn điện trong hệ thống phân phối điện ... 8
1.2. Công nghệ điện mặt trời ... 9
1.2.1. Nhiệt điện mặt trời... 9
1.2.2. Pin mặt trời ... 10
1.2.3. Cơng nghệ tích trữ điện năng ... 12
1.3. Tối ưu công suất phản kháng trong hệ thống điện ... 14
1.3.1. Công suất phản kháng trong hệ thống điện ... 14
1.3.2. Cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện ... 18
1.3.3. Thực trạng nghiên cứu tối ưu hóa CSPK trong LĐPP ... 20
1.4. Cơng cụ tính tốn [36] ... 22
1.4.1. Ngơn ngữ lập trình bậc cao GAMS ... 22
1.4.2. Giới thiệu chung về phần mềm PSS/ADEPT ... 25
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ... 33
<b>CHƯƠNG 2. TÁC ĐỘNG CỦA NGUỒN QUANG ĐIỆN (PV)ĐẾN LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI ... 34 </b>
2.1.1. Vấn đề tăng điện áp lưới điện khi có DG ... 34
2.1.2. Ảnh hưởng của DG đến sự vận hành lưới điện phân phối ... 35
</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">2.2. Điện năng lượng mặt trời nối lưới ... 37
2.2.1. Công nghệ điện mặt trời nối lưới ... 37
2.2.2. Một số yêu cầu khi kết lưới của nhà máy điện mặt trời ... 37
2.3. Phân tích cơ chế tác động của PV đến lưới điện phân phối ... 39
2.3.1. Tác động của PV đối với khả năng mang dòng điện của LĐPP ... 39
2.3.2. Tác động của PV đến dịng cơng suất phản kháng ... 40
2.3.3. Tác động của PV đến phân bố điện áp ... 42
2.3.4. Tác động đến tổn thất công suất của LĐPP ... 45
2.4. Mô phỏng và phân tích ảnh hưởng của PV tới LĐPP ... 46
2.4.1. Xây dựng mơ hình và xác định các tiêu chí tác động ... 46
2.4.2. Ví dụ tính tốn ... 49
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ... 57
<b>CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TÍCH HỢP HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN – LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ... 58 </b>
3.1. Phối hợp (On Load Tap Changer) OLTC và CSPK của DG ... 58
3.1.1. Tìm hiểu về OLTC ... 59
3.1.2. Điều phối điện áp giữa OLTC và DG khi có thơng tin liên lạc ... 63
3.2. Cơ chế ảnh hưởng của hệ thống phát điện kết hợp lưu trữ năng lượng mặt trời đến mạng lưới phân phối điện ... 64
3.3. Tối ưu hóa cơng suất phản kháng mở rộng đa mục tiêu có xét đến hệ thống phát điện kết hợp lưu trữ ... 66
3.2.1. Mơ hình tối ưu ... 67
3.2.2. Tính tốn áp dụng ... 69
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ... 76
</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">Đầu phân áp Máy biến áp
DWG Distributed Wind Generator Máy phát điện gió PEHS Photovoltaic-Energy Storage
</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7"><b>DANH MỤC CÁC BẢNG </b>
Bảng 1.1. Bảng 1.1. Một số mơ hình khai thác nguồn PV 11 Bảng 1.2. Modul các thuật toán giải trong GAMS 24 Bảng 2.1 Thông xuất xuất tuyến 471 – Nam Gianh 51 Bảng 2.2 Kết quả tính tốn tổn thất xuất tuyến 471 – Nam Gianh 52 Bảng 2.3 Kết quả tính tốn tổn thất xuất tuyến 471 – Nam Gianh khi xét
đến PV
54
Bảng 3.2. Kết quả tính tốn tối ƣu của các biến điều khiển 73 Bảng 3.3. Kết quả tính tốn của mơ hình DERPO cho 04 kịch bản 74 Bảng 3.4. Kết quả hàm mục tiêu của các giải pháp tối ƣu 74 Bảng 3.5 Kết quả hàm mục tiêu của các giải pháp tối ƣu theo các kịch
bản tính tốn
74
</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8"><b>DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ </b>
Hình 1.1 Mơ hình cấu trúc hệ thống điện hồn chỉnh 5
Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý một sợi hệ thống điện phân phối 7
Hình 1.9. Thiết đặt thơng số thuộc tính của lưới điện. 29 Hình 1.10. Thiết lập hằng số kinh tế của lưới điện 30
Hình 1.13. Hiển thị kết quả phân tích ngay trên sơ đồ 32 Hình 1.14. Kết quả tính trên cửa sổ progress view 32 Hình 1.15. Kết quả tính tốn chi tiết từ phần report 33 Hình 2.1: Sơ đồ lưới điện đơn giản có kết nối DG 34 Hình 2.2. Sơ đồ đơn giản hóa của một PV được kết nối với mạng phân
phối
39
Hình 2.3. Sơ đồ đơn giản hóa nhiều PV được kết nối với mạng phân phối 44
Hình 2.5. Sơ đồ nối dây đường dây 471 Nam Gianh trên PSS/ADEAPT 50 Hình 2.6. Sơ đồ nối dây đường dây 471 Nam Gianh trên PSS/ADEAPT
khi xét đến PV
53
Hình 2.7. Biểu đồ so sánh điện áp nút của hai kịch bản vận hành 55 Hình 2.8. Biểu đồ so sánh trào lưu cơng suất của hai kịch bản vận hành 55
</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">Hình 3.2. Sơ đồ thay thế máy biến áp tăng áp 61 Hình 3.3. Sơ đồ thay thế máy biến áp ba dây quấn 62
Hình 3.6. Mơ hình đơn giản của PESHS kết nối LĐPP 65
</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10"><b>MỞ ĐẦU </b>
<i><b>1. Tính cấp thiết của đề tài </b></i>
Tối ưu hóa cơng suất phản kháng của hệ thống điện (HTĐ) là một bài tốn lập trình phi tuyến phức tạp, đa biến, nhiều ràng buộc. Mục đích chủ yếu là xác định trạng thái các thiết bị phản kháng khác nhau của hệ thống trong một khoảng thời gian nhất định nhằm giảm tổn thất, nâng cao chất lượng điện áp, đảm bảo an toàn và tiết kiệm trong vận hành lưới điện. Điều này có thể thực hiện thơng qua việc điều chỉnh kích từ máy phát điện, điều chỉnh đầu phân áp máy biến áp có điều áp dưới tải, đặt các tụ bù và nhất là sử dụng công nghệ máy bù tĩnh (Static Var Conpensato, SVC). Tuy vậy, do HTĐ có cấu trúc và quy mô lớn và liên tục phát triển, cùng với những vấn đề khó khăn trong việc sản xuất, cung ứng điện năng; để có thể đáp ứng các tiêu chuẩn điện áp tại bất kì thời điểm nào thực sự là một vấn đề không hề đơn giản.
Trong những năm gần đây, do nhu cầu điện năng tăng liên tục, sự thiếu hụt năng lượng truyền thống và việc mở cửa thị trường điện đang là động lức thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng và quy mô ngày càng lớn của các loại nguồn điện phân tán （ Distributed Generator, DG) [1]. Trong đó phải kể đến pin quang điện (Photovoltaic, PV) – loại hình có tốc độ thâm nhập ngày càng cao trong mạng lưới điện phân phối (LĐPP). Sự thay đổi này đã dẫn đến những thách thức lớn trong công tác quy hoạch, vận hành và bảo vệ LĐPP truyền thống [2-4]. Một trong số đó là vấn đề tối ưu hóa cơng suất phản kháng [5-11]. Điển hình như: Tài liệu tham khảo [5] thiết lập mơ hình đa trạng thái cho tải của PV đồng thời tối ưu hóa cấu hình PV cung cấp công suất phản kháng trong LĐPP; [6] xây dựng mô hình mạng phân phối điện tích cực; [7] Tính tốn dịng công suất trong LĐPP xem xét tính ngẫu nhiên của PV; [8] Thiết lập mô hình tối ưu hóa cơng suất phản kháng của LĐPP có xét đến sự gián đoạn cơng suất phát của PV sử dụng thuật toán đàn ong nhân tạo (Artificial Bee Colony, ABC).
Tỷ lệ hệ thống lưu trữ năng lượng trong LĐPP gia tăng đã giúp cho hệ thống phát điện kết hợp lưu trữ quang điện (Photovoltaic-energy storage hybrid systems, PESHS) ngày càng ổn định và hiệu quả [12]. Cấu trúc của thị trường điện thay đổi
</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">đã đặt ra yêu cầu cấp bách cần phải cải cách HTĐ [13]. Chẳng hạn như bên bán điện (các đơn vị bán điện) tham gia cạnh tranh có thể có quyền vận hành mạng LĐPP và đầu tư vào việc lắp đặt PESHS trong LĐPP hoặc vi lưới (Micro Grid, MG) mà họ vận hành [14-15]. Bởi vì PESHS có thể cắt giảm đỉnh và lấp đầy đồ thị phụ tải của của LĐPP, giảm chi phí mua điện đỉnh, giảm chi phí đầu tư mở rộng hệ thống, cải thiện chất lượng điện áp, giảm tổn thất điện năng, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện [16-17], thúc đẩy bảo tồn năng lượng và giảm phát thải, tạo ra các lợi ích kinh tế - xã hội quan trọng. Ngồi ra, chi phí đầu tư của PESHS đang giảm dần qua từng năm, loại hình này sẽ ngày càng được áp dụng phổ biến trong LĐPP. Trong bối cảnh đó, PESHS sẽ trở thành một nguồn lực quan trọng để điều phối công suất phản kháng và chủ động trong LĐPP do khả năng điều tiết linh hoạt của nó.
Do cấu trúc của mạng phân phối khác với mạng truyền tải, tỷ số R/X lớn, phân bố của dòng công suất tác dụng và phản kháng có tác động lớn hơn đến tổn thất và chất lượng điện áp của LĐPP. Hơn nữa, do sự biến động ngẫu nhiên của tải trong LĐPP, rất khó có thể dự đốn chính xác sản lượng điện của nó. Cần đảm bảo rằng điện áp thực của từng nút có đủ biên độ an tồn trong q trình vận hành tránh xảy ra hiện tượng điện áp vượt quá giới hạn. Vì những lý do nêu trên, nghiên cứu này đề xuất mơ hình Tối ưu hóa công suất phản kháng mở rộng đa mục tiêu (Doubleobjectives Extended Reactive Power Optimization, DERPO) cho LĐPP có tích hợp PESH với hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất và giảm nguy cơ quá giới hạn điện áp. Bằng cách xem xét khả năng điều chỉnh công suất phản kháng và hoạt động của hệ thống phát điện kết hợp lưu trữ quang điện, ngôn ngữ lập trình bậc cao GAMS (The General Algebraic Modeling System) được sử dụng để giải quyết bài toán tối ưu. Thông qua việc so sánh mô phỏng với mơ hình tối ưu hóa cơng suất phản kháng có xét đến các biến điều khiển khác nhau, kết quả cho thấy mơ hình DERPO được đề xuất nghiên cứu
</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">này có thể thực hiện tối ưu hóa thống nhất và phối hợp giữa dịng cơng suất tác dụng và dịng cơng suất phản kháng, đồng thời có thể khai thác triệt để tiềm năng tiết kiệm năng lượng và giảm tiêu hao trong hệ thống, đồng thời nâng cao biên độ an toàn vận hành điện áp của LĐPP.
<i><b>2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài </b></i>
Đề tài đặt ra những mục tiêu nghiên cứu cụ thể như sau:
1/ Nghiên cứu tìm hiểu về bài toán tối ưu hóa cơng suất phản kháng trong HTĐ
2/ Nghiên cứu tác động của PV đến phân bố cơng suất, đặc tính điện áp, vận hành mạng lưới điện phân phối…
3/ Xây dựng mơ hình Tối ưu hóa cơng suất phản kháng mở rộng (Double Objectives Extended Reactive Power Optimization, DERPO) được xây dựng với hàm mục tiêu nhằm giảm thiểu tổn thất điện năng và giảm nguy cơ quá giới hạn điện áp có xét bổ sung các biến điều khiển gồm công suất tác dụng của thiết bị lưu trữ điện và công suất phản kháng của Pin quang điện (Photovoltaic, PV)
4/ Tính tốn áp dụng với một lưới điện thực tế để kiểm chứng tính hiệu quả.
<i><b>3. Phương pháp nghiên cứu </b></i>
<b>Nghiên cứu lý thuyết: </b>
- Thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài, vận dụng kiến thức chuyên mơn tích lũy được kết hợp với bổ túc thêm của Người hướng dẫn để thực hiện nội dung yêu cầu của đề tài.
- Phần mềm tính tốn PSS/ADEPT được sử dụng để tính tốn giải tích lưới điện phân phối; Ngơn ngữ lập trình bậc cao GAMS được áp dụng để giải quyết bài toán tối ưu.
</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">- Phân tích, lập luận khoa học và tính tốn áp dụng với lưới điện thực tế để đánh giá kết quả nghiên cứu, từ đó nêu bật được những đóng góp của đề tài và giá trị khoa học đạt được.
<i><b>4. Kết cấu của luận văn </b></i>
<b>Mở đầu </b>
<b>Chương 1: Tổng quan </b>
<b>Chương 2: Tác động của nguồn quang điện (PV) đến lưới điện phân phối. Chương 3: Tính tốn tối ưu hóa cơng suất phản kháng trong lưới điện phân </b>
phối tích hợp hệ thống phát – lưu trữ điện mặt trời.
<b> KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ </b>
Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn đã hoàn thành. Tác giả xin
<b>bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc của mình đối với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS. Hà Thanh Tùng. Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ môn Hệ thống </b>
điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt q trình tham gia khóa học. Xin chân thành cảm ơn bạn bè đồng nghiệp và người thân đã tạo điều kiện giúp đỡ tơi hồn thành luận văn này.
Do hạn chế về thời gian, trình độ nên luận văn không thể tránh khỏi sai sót; Tác giả rất mong nhận được những chỉ dẫn, góp ý của các thầy giáo, cô giáo cũng như các đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.
<i>Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và chân thành cảm ơn! </i>
</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14"><b>CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN </b>
<i>Nội dung chương 1 này sẽ giới thiệu tổng quan các vấn đề về: Lưới điện phân phối, Công nghệ điện mặt trời, cơng cụ tốn học để giải quyết vấn đề tối ưu…. </i>
<b>1.1. Khái niệm về hệ thống phân phối điện<sup>[18 ]</sup></b>
Điện năng là một dạng năng lượng đặc biệt và rất phổ biến hiện nay, điện năng có rất nhiều ưu điểm hơn hẳn so với các dạng năng lượng khác như: dễ dàng chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác với hiệu suất cao (cơ năng, nhiệt năng, hoá năng, quang năng...). Điện năng được sản xuất ra từ các nhà máy điện hay các trạm phát điện theo nhiều cơng nghệ khác nhau. Q trình sản xuất và sử dụng điện năng được thực hiện bởi một hệ thống điện như mô tả trên hình 1.1, bao gồm các hạng mục chính : sản xuất, truyển tải đến phân phối và tiêu thụ điện.
<i><b>Hình 1.1 Mơ hình cấu trúc hệ thống điện hoàn chỉnh </b></i>
Một hệ thống điện quốc gia bao gồm rất nhiều các phần tử được kết nối với nhau theo nguyên lý của một mạch điện dựa trên cơ sở đảm bảo tính kỹ thuật và kinh tế. Sơ đồ nguyên lý của một hệ thống điện quốc gia thường được biểu diễn kiểu sơ đồ một sợi (One Diagram), hình 1.2:
</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15"><i><b>Hình 1.2 Sơ đồ một sợi hệ thống điện </b></i>
Để tiện lợi cho việc quản trị các hoạt động điện lực, cấu trúc của một hệ thống điện thường được chia thành 03 khối chính như mơ tả trên hình 1.3
<i><b>Hình 1.3 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điện </b></i>
<b>1.1.1. Hệ thống phân phối điện (Electric distribution system) a/ Cấu trúc hệ thống: </b>
Trước đây ở Việt Nam, phạm vi của hệ thống phân phối điện chỉ bao gồm các trạm biến áp và đường dây được tính từ phía thứ cấp trạm biến áp 110 kV trở về đến các phụ tải tiêu thụ điện. Ngày nay, kể từ 01/11/2018, EVN đã có quy định mới: hệ thống phân phối điện được mở rộng thêm về phía cao áp đến thứ cấp của trạm biến áp 220 kV. Đây là một hướng hội nhập quốc tế. Trên cơ sở mơ hình tổng qt của
</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">hệ thống điện quốc gia hình 1.1 và hình 1.2, cấu trúc một hệ thống phân phối điện có thể được giới thiệu dưới dạng sơ đồ một sợi như trên hình 1.4
<i><b>Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý một sợi hệ thống điện phân phối </b></i>
Theo cấu trúc này, hệ thống phân phối điện lại có thể được phân chia thành các hệ thống phân phối con dựa trên điện áp định mức làm căn cứ:
<b>- Hệ thống phân phối điện cao thế 110 kV (High Voltage): bao gồm toàn bộ </b>
đường dây và các trạm biến áp 110 kV đóng vai trị trung gian (Sup transmision line) hay (Transmision line) để cung cấp điện cho các trạm biến áp khu vực (Zone Suptation). Đối với các phụ tải lớn như các nhà máy lớn hay các khu công nghiệp có sức tiêu thụ điện cao, có thể được kết nối trực tiếp với hệ thống truyền tải con 110 kV.
</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17"><b>- Hệ thống phân phối điện trung thế (Middle Voltage): bao gồm hệ thống </b>
các đường dây trung thế (22 kV, 35 kV) và các trạm biến áp phân phối hạ áp cung cấp điện cho lưới phân phối hạ thế (Low voltage).
<b>- Hệ thống phân phối điện hạ thế thế (Low Voltage): bao gồm hệ thống các </b>
trạm biến áp phân phối và đường dây hạ thế (0,4 kV) cung cấp cho các phụ tải là điểm cuối cùng của hệ thống điện.
<b>1.1.2. Các dạng nguồn điện trong hệ thống phân phối điện </b>
Hiện nay, trong lưới phân phối điện khơng chỉ có một loại nguồn cung cấp từ phía lưới điện quốc gia mà cịn có thêm các nguồn phân tán. Chính vì vậy cấu trúc lưới được thay đổi căn bản, phân bố công suất không chỉ theo một hướng (one way) như trước đây mà là nhiều hướng, thậm chí ln thay đổi cả về độ lớn và hướng cơng suất.
<b> Nguồn chính: nguồn chính cung cấp điện cho lưới cho lưới phân phối được </b>
chỉ định từ lưới điện quốc gia được quy đổi về cấp điện áp trung thế cao nhất của lưới phân phối. Trên sơ đồ nguyên lý một sợi (one line diagram) nguồn có thể được biểu diễn bởi một thanh cái (Bus) hay một ký hiệu theo tiêu chuẩn IEC như trên
Một hệ thống điện phân phối có thể bao gồm một hoặc hai nguồn chính tùy theo cấp độ tin cậy cần thiết. Trong thực tế đó là các trạm biến áp trung gian biến đổi từ cấp điện áp 110 kV hoặc 220 kV xuống cấp điện áp phân phối.
<b> Nguồn phân tán (DG): trong lưới phân phối cịn có các nguồn phân tán </b>
khác, điển hình là:
</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">1- Nguồn pin mặt trời: đó là các tổ hợp pin mặt trời kết hợp với biến tần DC/AC và máy biến áp tạo ra một nguồn cung cấp điện kết nối với lưới phân phối.
2- Nguồn thủy điện nhỏ: đó là thủy điện nhỏ địa phương kết nối trực tiếp với lưới điện phân phối.
3- Nguồn máy phát điện sức gió: đó là turbine gió cơng suất nhỏ, có thể là đơn chiếc hay tổ hợp nhiều chiếc (Wind Farm) kết nối với lưới phân phối.
4- Nguồn máy phát diesel: loại nguồn này chủ yếu đóng vai trị dự phịng và khơng thể thiếu được đối với các hộ dùng điện đòi hỏi cao về chất lượng điện năng cung cấp như: những nhà máy hay phân xưởng sản xuất áp dụng công nghệ hiện đại, khách sạn, bệnh viện , nhà cao tầng,VV.
5- Kho điện (battery) kết hợp với biến tần DC/AC/DC: Loại nguồn này cũng đang được khuyến khích phát triển với vai trị nguồn dự phòng hoặc ứng dụng cho các giải pháp điều phối năng lượng hữu ích.
<b>1.2. Cơng nghệ điện mặt trời </b>
Điện mặt trời là việc chuyển đổi NLMT thành điện, hoặc trực tiếp bằng cách sử dụng quang điện, hoặc gián tiếp bằng cách hội tụ NLMT cung cấp cho thiêt bị gia nhiệt trong nhà máy nhiệt điện.
<b>1.2.1. Nhiệt điện mặt trời </b>
Các nhà máy điện mặt trời sử dụng kính, gương và các hệ thống xoay hướng để tập trung ánh sáng mặt trời trên một phạm vi rộng để hội tụ lại thành một chùm nhiệt tập trung sau đó được sử dụng như một nguồn năng lượng cho một nhà máy nhiệt điện. Một loạt các công nghệ tập trung được hình thành, trong đó phát triển nhất là máng parabol tập trung phản xạ tuyến tính Fresnel, hay đĩa Stirling và các tháp điện mặt trời. Có nhiều kỹ thuật điều khiển khác nhau được sử dụng để xoay hướngvà tập trung đón được bức xạ mặt trời một cách tốt nhất. Trong tất cả các hệ thống này một chất lỏng làm việc được làm nóng bởi NLMT tập trung, và sau đó được sử dụng để phát điện hoặc lưu trữ năng lượng.
Các nhà máy điện mặt trời tập trung thương mại được phát triển đầu tiên vào những năm 1980 công suất 354 MW là nhà máy điện mặt trời lớn nhất trên thế giới
</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">nằm ở sa mạc Mojave, California. Các nhà máy điện mặt trời tập trung lớn khác nhƣ nhà máy điện mặt trời Solnova (150 MW),Andasol (100 MW), cả hai ở Tây Ban Nha, v.v...
<b>1.2.2. Pin mặt trời </b>
Đó là một dạng nguồn điện đƣợc phát triển mạnh trong thời gian gần đây, đầu thế kỷ 21. Tại những nơi có tiềm năng bức xạ mặt trời cao, tổ hợp các tấm pin mặt trời đƣợc thiết lập nhằm biến đổi quang năng của bức xạ mặt trời thành điện năng. Hình 1.5 giới thiệu một mơ hình nhà máy phát điện pin mặt trời.
<i><b>Hình 1.5 Mơ hình nhà máy điện pin mặt trời </b></i>
Pin mặt trời, sau đây gọi là nguồn PV (Photovoltaic), là phần tử bán dẫn quang có chứa trên bề mặt một số lƣợng lớn các linh kiện cảm biến ánh sáng là các dạng diode p-n, dùng biến đổi năng lƣợng ánh sáng thành năng lƣợng điện. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
Pin mặt trời phổ biến hiện nay đƣợc cấu thành từ các chất bán dẫn nhƣ Silicon, Germanium. Đồng thời, các nguyên tố nhƣ Boron, Photpho, Gallium, Cadmium và Tellurium cũng đƣợc sử dụng nhƣ các chất phụ gia để chế tạo pin mặt trời.
Từ một PV cell riêng lẻ đƣợc sản xuất chỉ có điện áp danh định khoảng 0.5 V và hầu nhƣ không đƣợc áp dụng trực tiếp cho một hệ nguồn nào trong thực tế. Thay vào đó, các khối cơ bản đƣợc xây dựng cho các ứng dụng PV là một module bao gồm một số cell kết nối thành một khối có kết cấu cơ học chắc chắn, chịu đƣợc các
</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">điều kiện thời tiết khắc nghiệt, thuận tiện cho việc vận chuyển và lắp đặt. Để tăng công suất của PV, cần tổ hợp các midule hỗn hợp gồm nhiều mạch song song, trong mỗi mạch được cấu trúc bởi nhiều cell mắc nối tiếp. Dựa trên cơ sở này, các nhà sản xuất đã cho ra đời các module thương mại có nhiều kích cỡ, cơng suất lắp đặt khác nhau giúp linh hoạt hơn trong quá trình sử dụng.
Tương tự như tổ hợp các cell thành module, các kỹ sư thiết kế sẽ tổ hopwj các module thành một khối nguồn mong muốn. Mỗi tổ hợp như vậy được gọi là một array. Hình 1.6 miêu tả các cell, module, và array.
<i><b>Hình 1.6 Tổ hợp pin mặt trời </b></i>
Mơ hình khai thác nguồn PV trong hệ thống điện có thể được phân loại như sau:
<b>Bảng 1.1. Một số mơ hình khai thác nguồn PV </b>
Trong trường hợp này, nguồn PV được ghép trực tiếp với tải tiệu thụ mà không
</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">mạng điện độc lập với lưới điện
lượng mặt trời thông qua pin quang điện PV thường kết hợp giữa bộ biến đổi với kho điện như ác quy, siêu tụ， pin nhiên liệu (fuel cell) để cân bằng công suất giữa xa lưới điện như hải đảo, các khu vực địa lý đặc biệt xa xôi hẻo lánh.
Nguồn PV kết nối lưới điện
Trong hệ nguồn pin mặt trời nối lưới, điện năng một chiều từ dàn pin mặt trời được biến đổi thành dòng điện xoay chiều thông qua bộ biến đổi DC/DC và DC/AC. và được hoà vào mạng lưới điện công nghiệp. Công nghệ này được sử dụng phổ điện phân phối nhằm tăng công suát nguồn và độ tin cậy
<b>1.2.3. Cơng nghệ tích trữ điện năng </b>
Nhiều công nghệ tích trữ năng lượng đã được giới thiệu trong đó BESS (battery energy storage systems) có nhiều ưu điểm như mật độ năng lượng và hiệu suất cao, có thể làm việc ở chế độ ngắn hạn hay dài hạn do sử dụng trực tiếp điện năng nên đã được ứng dụng rộng rãi trong lưới điện phân phối [19]. Hình 1.7 cho thấy mơ hình BESS kết hợp cùng PV kết nối lưới điện. Trong đó, cấu trúc điển hình của BESS bao gồm ắc quy tích trữ, bộ chuyển đổi và hệ thống điều khiển . Ắc quy có chức năng lưu trữ và giải phóng năng lượng. Tùy thuộc vào từng loại ác quy mà công suất, dung lượng và đặc tính phóng nạp khác nhau. Bộ chuyển đổi có chức năng biến đổi điện năng một chiều của ắc quy kết nối với lưới điện xoay chiều. PCS là bộ chuyển đổi kết nối lưới của BESS có thể truyền năng lượng theo hai chiều tùy thuộc và nhu cầu của lưới điện.
</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22"><i><b>Hình 1.7 Mơ hình kết hợp của BESS và PV </b></i>
Hiệu suất của BESS phụ thuộc chủ yếu vào hiệu suất phóng nạp của Ác quy. Hiệu suất phóng nạp lại phụ thuộc và cơng nghệ hóa học làm ra chúng. Mỗi cơng nghệ hóa học được sử dụng để tích trữ điện năng của BESS có những đặc điểm riêng và hiệu quả kinh tế kỹ thuật khác nhau. Ví dụ về các công nghệ pin như vậy bao gồm [20, 21] pin axit chì, pin lưu huỳnh natri, pin lithium-ion và pin niken, mỗi loại đều có những đặc điểm và hiệu quả kinh tế cụ thể.
<i>- Lead Acid Batteries (PbA): Được giới thiệu vào đầu những năm 1860 [22], </i>
đây là một trong những loại pin được phát triển đầu tiên trên thế giới và được sử dụng rộng rãi trong thé kỷ 19. Hiện nay, pin lead ccid là công nghệ được sử dụng phổ viến do chi phí đầu tư , bảo dưỡng thấp và hệ số tự phóng nhỏ.Tuy nhiên nó có tuổi thọ thấp và gây ô nhiễm môi trường là những hạn chế của chúng[23, 24].
- Sodium Sulfur Batteries (NaS): Công nghệ pin sodium sulphur là một chủ đề nghiên cứu thú vị do có nhiều ưu điểm như: mật độ năng lượng cao, chi phí đầu tư và vận hành thấp, không gây ô nhiễm môi trường, chu kỳ tuổi thọ kéo dài. Hơn nữa, NaS có khả năng phóng gấp 5 lần cơng suất định mực trong một vài phút nhằm đáp ứng các biến động điện năng tạm thời; do đó loại pin này ứng dụng phổ biến vào các hệ thống lớn nhằm đảm bảo ổn định chất lượng điện năng
NaS có khả năng phóng/nạp sâu và cơng suất cao tuy nhiên đây là công nghệ pin có nhiệt độ làm việc cao, do đó có một số lo ngại về sự an toàn trong vận hành của chúng [25, 26]
</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23"><i>- Vanadium Redox Flow Batteries (VRB): </i>
VRB được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1970 [27]. Đây là dạng pin có thể chế tạo với công suất lớn, tuổi thọ cao và không phụ thuộc vào độ sâu xả (DOD) [26]. Một trong những tính năng của VRB BESS là cơng suất có thể được điều chỉnh theo mức mong muốn và định mức cơng suất có thể được thay đổi để phù hợp điều chỉnh điện áp hoặc quản lý năng lượng [28]. Tuy nhiên, mật độ năng lượng và chi phí đầu tư sản xuất cao là những rào cản trong hạn chế ứng dụng [29]
<i>- Lithium-ion Batteries (Li-ion): </i>
Nghiên cứu về pin Li-ion được bắt đầu từ năm 1960 [30], khi đó, chúng được sử dụng trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng ở quy mô nhỏ. Gần đây, loại pin này đã được nghiên cứu phát triển mạnh mẽ, có khả năng chế tạo với công suất lớn, đặc biệt trong ngành công nghiệp ô tô. Ưu điểm của Li-ion có thể kể đến như hiệu suất và tuổi thọ cao, thời gian đáp ứng nhanh. Tuy nhiên do các yêu cầu đặc biệt trong chế tạo và cách nhiệt khiến chi phí sản xuất cao hơn nhiều so với các loại pin khác.
<b>1.3. Tối ưu công suất phản kháng trong hệ thống điện 1.3.1. Công suất phản kháng trong hệ thống điện a/ Khái niệm CSPK </b>
Ngày nay, mọi người đều rất quen thuộc với khái niệm Công suất phản kháng (CSPK). Chúng ta quen sử dụng khái niệm mà không để ý đến những mâu thuẫn liên quan đến CSPK. Hầu như trong các giáo trình, khái niệm CSTD và CSPK được giới thiệu là sản phẩm của dòng điện và điện áp tức thời trong mạch điện. Trong đó, CSTD phụ thuộc vào hàm cos và CSPK phụ thuộc vào hàm sin.
Công suất phản kháng đặc trưng cho q trình tích và phóng năng lượng giữa nguồn và tải. CSPK liên quan đến q trình từ hóa lõi thép máy biến áp, động cơ, gây biến đổi từ thông để tạo ra sức điện động phía thứ cấp. CSPK đặc trưng cho khâu tổn thất từ tản. CSPK hết sức cần thiết trong việc duy trì điện áp, truyển tải lượng CSTD thông qua các đường dây. Khi lượng CSPK trong hệ thống điện bị
</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">thiếu hụt, chất lượng điện áp bị giảm xuống và không thể truyền tải CSTD đến các phụ tải thông qua đường dây truyền tải.
CSPK không sinh ra cơng, q trình trao đổi CSPK giữa máy điện và phụ tải là quá trình dao động: trong một chu kì của dịng điện, CSPK đổi chiều 4 lần, giá trị trung bình của CSPK trong ½ chu kì dịng điện bằng khơng.
<b>b/ Nguồn cấp cơng suất phản kháng </b>
<i><b>- Máy phát điện: khả năng phát CSPK của các máy phát điện là rất hạn chế do </b></i>
<small>cos</small><i><sub>dm</sub></i>của các máy phát từ 0.8 – 0.85 và cao hơn nữa. Cũng vì lý do kinh tế người ta không chế tạo các máy phát có khả năng phát nhiều CSPK cho phụ tải. Phần CSPK này tuy nhỏ nhưng lại là phần rất quan trọng, có thể đáp ứng tức thời các biến đổi nhanh CSPK của phụ tải trong chế độ làm việc bình thường cũng như sự cố. Phần còn lại sẽ do các thiết bị bù cung cấp cho phụ tải.
<i><b>- Các đường dây cao áp, siêu cao áp, đường dây cáp: Các đường dây này </b></i>
cung cấp lượng CSPK phát sinh dọc đường dây. Trong chế độ max nó làm nhẹ đi khá nhiều vấn đề thiếu CSPK. Nhưng trong chế độ non tải nó lại gây ra thừa CSPK đến mức có thể gây quá áp ở cuối đường dây và cần phải can thiệp bằng cách đặt các kháng điện.
<i><b>- Tụ điện tĩnh: Tụ điện tĩnh là một đơn vị hoặc một dãy đơn vị tụ nối với nhau </b></i>
và nối song song với phụ tải theo sơ đồ hình sao hoặc tam giác, với mục đích sản xuất ra CSPK cung cấp trực tiếp cho phụ tải, điều này làm giảm CSPK phải truyền tải trên đường dây. Tụ bù tĩnh cũng thường được chế tạo không đổi (nhằm giảm giá thành). Khi cần điều chỉnh điện áp có thể dùng tụ điện bù tĩnh đóng cắt được theo cấp, đó là biện pháp kinh tế nhất cho việc sản xuất ra CSPK.
Tụ điện tĩnh cũng như máy bù đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích CSPK trực tiếp cấp cho hộ tiêu thụ, giảm được lượng CSPK truyền tải trong mạng, do đó giảm được tổn thất điện áp.
CSPK do tụ điện phát ra được tính theo biểu thức sau:
QC = U2.2πf.C.10-9 kVAr (1.1) Trong đó: U có đơn vị là kV
</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">f tần số có đơn vị là Hz
C là điện dung có đơn vị là μF
Khi sử dụng tụ điện cần chú ý phải đảm bảo an toàn vận hành, cụ thể khi cắt tụ ra khỏi lưới phải có điện trở phóng điện để dập điện áp.
Các tụ điện bù tĩnh được dùng rộng rãi để hiệu chỉnh hệ số công suất trong các hệ thống phân phối điện như: hệ thống phân phối điện công nghiệp, thành phố, khu đông dân cư và nông thôn. Một số các tụ bù tĩnh cũng được đặt ở các trạm truyền tải.
Tụ điện là loại thiết bị điện tĩnh, làm việc với dòng điện vượt trước điện áp. Do đó có thể sinh ra công suất phản khánh Q cung cấp cho mạng.
Tụ điện tĩnh có những ưu điểm sau:
- Suất tổn thất công suất tác dụng bé, khoảng (0,003 – 0,005) kW/kVAr. - Khơng có phần quay nên lắp ráp bảo quản dễ dàng.
- Tụ điện tĩnh được chế tạo thành từng đơn vị nhỏ, vì thế có thể tùy theo sự phát triển của phụ tải trong quá trình sản xuất mà điều chỉnh dung lượng cho phù hợp.
Tụ điện tĩnh cũng có một số nhược điểm sau:
- Nhược điểm chủ yếu của chúng là cung cấp được ít CSPK khi có rối loạn hoặc thiếu điện, bởi vì dung lượng của cơng suất phản kháng tỷ lệ bình phương với
- Khi điện áp tăng quá 1,1U<sub>n</sub> thì tụ điện dễ bị chọc thủng.
- Khi đóng tụ điện vào mạng có dịng điện xung, cịn khi cắt tụ khỏi mạng, nếu khơng có thiết bị phóng điện thì sẽ có điện áp dư trên tụ.
- Bù bằng tụ điện sẽ khó khăn trong việc tự động điều chỉnh dung lương bù một cách liên tục.
</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26"><i><b>- Máy bù đồng bộ: Máy bù đồng bộ là loại máy điện đồng bộ chạy không tải </b></i>
dùng để phát hoặc tiêu thụ CSPK. Máy bù đồng bộ là phương pháp cổ truyền để điều chỉnh liên tục CSPK. Các máy bù đồng bộ thường được dùng trong hệ thống truyền tải, chẳng hạn ở đầu vào các đường dây tải điện dài, trong các trạm biến áp quan trọng và trong các trạm biến đổi dòng điện một chiều cao áp.
<i>Nếu ta tăng dịng điện kích từ i</i><sub>kt</sub> lên (quá kích thích, dịng điện của máy bù đồng bộ sẽ vượt trước điện áp trên cực của nó một góc 90<small>0</small>
) thì máy phát ra CSPK Qb phát lên mạng điện. Ngược lại, nếu ta giảm dịng kích từ ikt (kích thích non, E < U, dòng điện chậm sau điện áp 90<small>0</small>) thì máy bù sẽ biến thành phụ tải tiêu thụ CSPK. Vậy máy bù đồng bộ có thể tiêu thụ hoặc phát ra CSPK.
Các máy bù đồng bộ ngày nay thường được trang bị hệ thống kích thích từ nhanh có bộ kích từ chỉnh lưu. Có nhiều phương pháp khởi động khác nhau, một phương pháp hay dùng là khởi động đảo chiều.
<i><b>- Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn được đồng bộ hóa: </b></i>
Khi cho dịng điện một chiều vào dây quấn Roto của động cơ khơng đồng bộ thì động cơ đó sẽ làm việc như động cơ đồng bộ, có thể điều chỉnh dịng kích từ để nó phát ra CSPK cung cấp cho mạng. Nhược điểm của loại này là suất tổn thất công suất tác dụng lớn, khoảng (0,02 – 0,08) kW/kVAr; khả năng q tải kém. Vì vậy nó chỉ được phép làm việc với 75% cơng suất định mức. Vì các nhược điểm trên, cho nên nó chỉ được dùng khi khơng có sẵn các loại thiết bị bù khác.
<i><b>- Thiết bị điều khiển Thyristor (SVC) </b></i>
SVC (Static Var Compensator) là thiết bị bù ngang dùng để tiêu thụ CSPK có thể điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, nó được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản:
- Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tùy theo chế độ vận hành).
- Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như Thyristor, các cửa đóng mở GTO (Gate Turn Off)...
</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">SVC được cấu tạo từ ba phần tử chính gồm:
+ Kháng điều chỉnh bằng thyristor – TCR (thyristor Controlled Reactor): có chức năng điều chỉnh liên tục CSPK tiêu thụ.
+ Kháng đóng mở bằng thyristor – TSR (Thyristor Switched Reactor): có chức năng tiêu thụ CSPK, đóng cắt nhanh bằng Thyristor.
+ Bộ tụ đóng mở bằng thyristor – TSC (Thyristor Switched Capacitor): Có chức năng phát CSPK, đóng cắt nhanh bằng Thyristor
- Để điều chỉnh trơn tụ điện người ta dùng tụ bù CSPK có điều khiển SVC - Để phát hay nhận CSPK người ta dùng SVC gồm tổ hợp TCR và TSC
- Để bảo vệ quá áp và kết hợp điều chỉnh tụ theo điện áp người ta lắp đặt các bộ điều khiển để đóng cắt tụ theo điện áp.
Các thiết bị bù điều chỉnh có hiệu quả rất cao, đảm bảo ổn định được điện áp và nâng cao tính ổn định cho hệ thống điện. Đối với các đường dây siêu cao áp các thiết bị bù có điều khiển đơi khi là thiết bị không thể thiếu được. Chúng làm nhiệm vụ chống quá điện áp, giảm dao động công suất và nâng cao tính ổn định tĩnh và động. Nhược điểm của các thiết bị bù có điều khiển là giá thành cao. Để lựa chọn và lắp đặt các thiết bị này cần phải phân tích tính tốn tỷ mỷ và so sánh các phương án trên cơ sở các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật. Các thiết bị bù tĩnh được điều khiển bằng thyristor là loại thiết bị bù ngang tĩnh (phân biệt với máy bù quay). CSPK được tiêu thụ hoặc phát ra bởi các thiết bị này có thể thay đổi được bằng việc đóng mở các thyristor. SVC có được mọi ưu điểm mà các thiết bị tụ khác không làm được, tuy nhiên việc sử dụng SVC cịn hạn chế vì lý do giá thành vô cùng cao.
<b>1.3.2. Cân bằng công suất phản kháng trong hệ thống điện </b>
</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">Khi phụ tải biến đổi làm cho <small>•</small>
<small></small> biến đối và điện áp trên nút tải và toàn hệ thống sẽ thay đổi. Trong đó, thành phần dọc trục <small></small><i><small>U</small></i>làm biến đổi modul điện áp, còn thành phần <i><small>U</small></i>làm biến đổi góc pha của điện áp.
Đối với lưới hệ thống cấp điện áp 220 – 500 kV, R<<X do đó gần đúng có thể coi
<sub>. Ta thấy thành phần </sub><small></small><i><small>U</small></i> <sub>hoàn toàn phụ </sub>
thuộc vào CSPK, cịn sự biến đổi của cơng suất tác dụng chỉ làm thay đổi góc pha của điện áp. Như vậy, để điều chỉnh điện áp cần điều chỉnh dòng CSPK trong hệ thống điện.
Đối với lưới điện cao thế, trung và hạ thế, R khá lớn, do đó thành phần CSTD cũng có ảnh hưởng đến điện áp vì CSTD được cấp cho tải đển sản sinh năng lượng, chỉ có thể cung cấp từ các nhà máy điện. Cịn CSPK khơng sinh cơng, chỉ là dịng công suất gây ra từ trường dao động trên lưới điện, rất cần thiết nhưng hồn tồn có thể cấp tại chính vị trí của phụ tải. Do đó, trong các lưới này vẫn điều chỉnh điện áp
<i>Với Q<sub>F</sub> là công suất phát của nguồn; Q<sub>yc</sub> CSPK yêu cầu đối với nguồn điện; Q<sub>pt: </sub>CSPK phụ tải; </i><i>Q</i>: tổn thất CSPK trên lưới điện. Cân bằng CSPK là cân bằng điện từ giữa CSPK của các máy phát điện do dịng kích từ gây ra và CSPK do yêu cầu của từ trường trong các thiết bị dùng điện và các máy biến áp… Trong HTĐ phải bù thêm một lượng CSPK nhất định để đảm bảo cân bằng CSPK, lượng công suất này phải điều chỉnh được để có thể thích ứng với các chế độ vận hành khác nhau của HTĐ. CSPK của các nhà máy điện, trạm bù (bằng tụ điện, máy bù đồng bộ …) phải thừa so với yêu cầu của phụ tải ở chế độ max để dự phòng cho sự cố. CSPK được xem là cân bằng nếu điện áp nằm trong giới hạn cho phép: nếu điện áp thấp hơn giá trị cho phép tối thiểu thì có nghĩa là HTĐ thiếu CSPK, nếu điện áp cao hơn giá trị cho phép tối đa thì HTĐ thừa CSPK.
</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">Cân bằng CSPK thể hiện qua điện áp, điện áp ở mỗi nơi trong HTĐ có thể khác nhau. Do đó cân bằng CSPK có tính chất cục bộ, khu vực, chỗ này thừa chỗ khác có thể thiếu. Do đó điều chỉnh cân bằng CSPK cũng tức là điều chỉnh điện áp phải được thực hiện ở nhiều vị trí khác nhau. Vì thế cân bằng CSPK phải được đảm bảo cho toàn hệ thống điện trên cơ sở đảm bảo cho từng nút i hoặc khu vực i của HTĐ.
Như vậy: “ Điều chỉnh điện áp và điều chỉnh cân bằng CSPK là đồng nhất với nhau. Khi điện áp tại một điểm nào đó của HTĐ nằm trong phạm vi cho phép nghĩa là CSPK của nguồn đủ đáp ứng yêu cầu của phụ tải tại điểm đó. Nếu điện áp cao nghĩa là thừa CSPK, còn khi điện áp thấp thì là thiếu CSPK.
CSPK thường thiếu trong chế độ max cần phải có thêm nguồn, cịn trong chế độ phụ tải min thì lại có nguy cơ thừa do điện dung của đường dây và cáp gây ra cần phải có thiết bị tiêu thụ”
<b>1.3.3. Thực trạng nghiên cứu tối ưu hóa CSPK trong LĐPP </b>
Mục đích chính của tối ưu hóa cơng suất phản kháng trong hệ thống điện là để cải thiện hiệu suất hoạt động của nó. Một trong những vấn đề phổ biến trong hệ thống điện là sự phân bố không đều của công suất phản kháng. Tối ưu hóa cơng suất phản kháng trong hệ thống điện địi hỏi việc lựa chọn giá trị cơng suất phản kháng tối ưu để tối đa hóa hiệu suất của hệ thống điện. Việc tối ưu hóa này có thể giúp giảm tổn thất điện năng và tăng hiệu suất hệ thống điện, do đó giúp tiết kiệm chi phí vận hành và bảo trì hệ thống điện.
Tối ưu hóa cơng suất phản kháng truyền thống thường thực hiện bằng cách thay đổi dịng cơng suất phản kháng thơng qua việc sử dụng các thiết bị điều chỉnh công suất phản kháng như sử dụng tụ điện, cuộn cảm... Các thiết bị này được sử dụng để điều chỉnh giá trị công suất phản kháng và tạo ra một mơ hình đáp ứng cơng suất phản kháng cho hệ thống điện. Các phương pháp tối ưu hóa cơng suất phản kháng truyền thống có thể bao gồm:
</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30"><i><b>Tối ưu hóa tại một thời điểm cụ thể: Sử dụng các giải thuật tối ưu hóa để tìm </b></i>
ra giá trị cơng suất phản kháng tối ưu tại một thời điểm cụ thể, dựa trên dữ liệu đầu vào như tải hệ thống điện, động cơ, áp suất, nhiệt độ, độ ẩm và các thông số khác.
<i><b>Tối ưu hóa trên tồn bộ hệ thống: Sử dụng các giải thuật tối ưu hóa để tìm ra </b></i>
các giá trị công suất phản kháng tối ưu cho toàn bộ hệ thống điện, dựa trên dữ liệu đầu vào như đường dây điện, tải, các thiết bị, giá cả điện và các thông số khác.
<i><b>Tối ưu hóa động: Sử dụng các giải thuật tối ưu hóa động để điều chỉnh giá trị </b></i>
công suất phản kháng theo thời gian để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống điện. Các phương pháp tối ưu hóa cơng suất phản kháng truyền thống này thường được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống điện trong các ứng dụng công nghiệp và thương mại.
Trong những năm gần đây, việc nhân loại theo đuổi năng lượng tái tạo và mở cửa thị trường điện đang thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng với quy mô lớn của nguồn điện phân tán [31]. Với sự thâm nhập ngày càng tăng của DG trong mạng lưới phân phối, việc lập kế hoạch, vận hành và bảo vệ mạng lưới phân phối truyền thống đang đối mặt với những thay đổi lớn [1], các chuyên gia trong và ngoài nước đã tiến hành nhiều nghiên cứu trong vấn đề tối ưu hóa cơng suất phản kháng. Tài liệu [32] đề xuất một phương pháp tối ưu hóa cơng suất phản kháng phân tán trong lưới điện phân phối. Phương pháp này dựa trên việc tối ưu hóa hàm mục tiêu bao gồm giảm tổn thất điện năng và giữ cho mức điện áp tại các nút trong lưới điện ở mức đủ ổn định; [33] đã đề xuất một phương pháp tối ưu hóa hệ thống công suất phản kháng phân tán trong lưới điện phân phối dựa trên thuật toán di truyền. Phương pháp này giúp giảm thiểu tổn thất điện năng, duy trì mức điện áp ổn định và tăng hiệu suất hoạt động của hệ thống; [34] Công bố này đề xuất một phương pháp tối ưu hóa công suất phản kháng phân tán trong hệ thống lưới điện phân phối đa nguồn. Phương pháp này dựa trên việc sử dụng giải thuật tối ưu hóa để điều chỉnh cơng suất phản kháng của các nguồn phân tán để đạt được mục tiêu giảm tổn thất điện năng và tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống; [35] đề xuất một phương pháp tối ưu hóa hệ thống công suất phản kháng phân tán trong lưới điện phân phối
</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">bằng cách sử dụng phương pháp lập trình tuyến tính. Phương pháp này giúp giảm tổn thất điện năng và duy trì mức điện áp ổn định tại các nút trong lưới điện. Các công bố trên đều nhấn mạnh sự quan trọng của tối ưu hóa cơng suất phản kháng trong lưới điện phân phối với mục tiêu giảm thiểu tổn thất điện năng, tối ưu hóa mức điện áp và tăng hiệu suất hoạt động của hệ thống. Các phương pháp tối ưu hóa được đề xuất trong các cơng bố này cũng đa dạng, từ sử dụng phương pháp lập trình tuyến tính đến thuật tốn di truyền và học tăng cường. Các phương pháp này đều có thể được áp dụng để tối ưu hóa hệ thống công suất phản kháng phân tán trong lưới điện phân phối, tuy nhiên, mỗi phương pháp lại có những ưu điểm và hạn chế riêng. Ví dụ, phương pháp lập trình tuyến tính đơn giản và dễ triển khai, nhưng có thể khơng hiệu quả đối với các mơ hình phức tạp và không thể xử lý các ràng buộc phi tuyến. Trong khi đó, thuật toán di truyền và học tăng cường có thể xử lý các mơ hình phức tạp và ràng buộc phi tuyến tính, nhưng lại địi hỏi thời gian tính tốn và tài ngun tính tốn lớn hơn.
Tuy nhiên, các công bố trên đã chứng minh rằng tối ưu hóa cơng suất phản kháng phân tán trong lưới điện phân phối là một vấn đề quan trọng và có thể giúp tăng hiệu quả hoạt động và giảm chi phí vận hành của hệ thống điện. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp tối ưu hóa sẽ giúp cải thiện hiệu quả hoạt động của các hệ thống điện phân phối trong tương lai.
Tóm lại, do ảnh hưởng của sự dao động và gián đoạn của DG, việc tối ưu hóa công suất phản kháng của hệ thống phân phối có sự tham gia của DG khơng giống như tối ưu hóa cơng suất phản kháng truyền thống, khơng chỉ các yêu cầu vận hành của mạng phân phối ban đầu và bù công suất phản kháng cơ bản phải được xem xét Cấu hình và đặc điểm vận hành của thiết bị cũng phải tính đến các yêu cầu kết nối lưới và đặc điểm đầu ra của DG kết nối lưới.
<b>1.4. Công cụ tính tốn [36] </b>
<b>1.4.1. Ngơn ngữ lập trình bậc cao GAMS </b>
Trong thời gian gần đây, ngơn ngữ lập trình GAMS cho phép lập các bài toán tối ưu được phát triển và có những ứng dụng rộng rãi trong bài tốn tối ưu
</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">nói chung và trong qui hoạch HTĐ. GAMS có khả năng giải quyết tốt các bài toán tối ưu trong HTĐ bằng các thuật toán giải được xây dựng sẵn trong chương trình (solver). Do đó, nghiên cứu này sử dụng GAMS lập chương trình tính tốn Chương trình được xây dựng sẽ mang tính linh hoạt, đáp ứng yêu cầu người dùng hơn là những chương trình ứng dụng có sẵn.
<i><b>a/ Các tính năng của GAMS </b></i>
GAMS được phát triển để giải quyết vấn đề tối ưu toán học lớn và có thể giải quyết được nhiều bài toán tối ưu như :
Bài toán qui hoạch tuyến tính - LP (Linear Programming) Bài tốn qui hoạch phi tuyến - NLP (Nonlinear Programming)
Bài toán qui hoạch phi tuyến rời rạc - DNLP (Nonlinear Programming with Discontinuous derivatives)
Bài toán qui hoạch nguyên thực hỗn hợp - MIP (Mixed Integer Programming), RMIP (Relaxed Mixed Integer Programming)
Bài toán qui hoạch phi tuyến nguyên thực hỗn hợp - MINLP (Mixed Integer Nonlinear Programming), RMINLP (Relaxed Mixed Integer Nonlinear Programming)…
Cần phải nhấn mạnh rằng, GAMS không phải là một chương trình ứng dụng sẵn trong HTĐ như PowerWorld, Etap, PSS/E, PSS/Adept… mà là một công cụ, một ngôn ngữ máy, để xây dựng các chương trình tính tốn dựa trên sự hiểu biết đầy đủ về HTĐ.
Qua quá trình phát triển, GAMS đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và rất thành công trong lĩnh vực tính tốn qui hoạch, tối ưu HTĐ. GAMS là chương trình cho phép lập các bài tốn tối ưu với những mơ hình lớn và phức tạp. Mơ hình được trình bày ngắn gọn và đơn giản, cho phép sử dụng những liên hệ đại số và miêu tả mơ hình độc lập với giải thuật tính tốn. Hơn nữa, GAMS cung cấp một số thuật toán giải bài toán tối ưu qua các solver được xây dựng sẵn như trong bảng 1.2.
</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33"><b>Bảng 1.2. Modul các thuật toán giải trong GAMS TT Loại bài toán Thuật toán giải (Solvers) </b>
1 LP <sup>MINOS, ZOOM, MPSX, SCICONIC, OSL, XA, </sup> CPLEX, SNOPT, BDMLP
RMIP <sup>BDMLP, CPLEX, CPLEXPAR, OSL, XA, ZOOM </sup>
RMINLP <sup>DICOPT, SBB, MINOS, BONMIN </sup>
GAMS đã được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực tính tốn qui hoạch và tối ưu HTĐ với một số bài toán nổi bật như:
Qui hoạch nguồn và lưới điện
Lựa chọn vị trí và cơng suất tối ưu của tụ điện, DG, hệ thống tích trữ năng lượng và thiết bị FACTS
Vận hành tối ưu các nhà máy điện Vận hành tối ưu HTĐ…
<i><b>b/ Cấu trúc chương trình </b></i>
Cấu trúc chương trình lập trong GAMS gồm những thành phần cơ bản sau: Set (khai báo kích thước các mảng số liệu)
Scalar, parameter, table (khai báo và nhập số liệu) Variables (khai báo biến)
Equations (khai báo và xây dựng các phương trình tốn như hàm mục tiêu, ràng buộc, giới hạn…)
Model và Solver (xây dựng bài toán và gọi thuật toán giải) Output (in kết quả)
</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">Mọi bài tốn tối ưu đều có thể lập trên GAMS bằng những thành phần cơ bản trên. Phần nhập số liệu đầu vào có thể thực hiện đơn giản dưới dạng gán trực tiếp, dạng vector hoặc dưới dạng bảng. Giống như các ngơn ngữ lập trình khác, GAMS có thể sử dụng các lệnh chuẩn như IF-THEN, WHILE, LOOP…
Phần linh hoạt nhất trong GAMS là phần xây dựng bài toán MODEL với một MODEL bao gồm hàm mục tiêu và các phương trình ràng buộc. Người sử dụng có thể lập nhiều MODEL bằng cách thay đổi số phương trình ràng buộc và hàm mục tiêu mà không phải thay đổi cấu trúc chương trình. Tính năng này rất hữu dụng khi cần giải quyết một vấn đề với nhiều ràng buộc khác nhau.
<b> c/ Thuật tốn và solver BONMIN trong chương trình GAMS </b>
GAMS cung cấp một ngơn ngữ, mơi trường lập trình và các solver có tính năng, giải thuật sẵn cho phép thực hiện các thuật tốn để tìm kết quả tối ưu với những mơ hình bài tốn mở được thiết lập bởi người lập trình (sử dụng).
BONMIN là solver được tích hợp trong ngn ngữ lập trình GAMS để giải các bài toán qui hoạch phi tuyến nguyên thực hỗn hợp (mixed-integer nonlinear programming - MINLP). Vì vậy, nó có khả năng tìm nghiệm tối ưu đối với những bài tốn phi tuyến qui mơ lớn với các biến nguyên thực hỗn hợp và tỏ ra phù hợp với bài toán tối ưu lớn trong HTĐ. Thuật toán nhánh cận (branch-and-bound) được sử dụng làm cơ sở để giải một bài toán qui hoạch phi tuyến liên tục ở mỗi nút của cây tìm kiếm và phân nhánh trong các biến nguyên.
<b>1.4.2. Giới thiệu chung về phần mềm PSS/ADEPT </b>
PSS/ADET được viết tắt Power System Simulator / Avancer Distribution Enginering Productivity tool là công cụ mô phỏng lưới điện phân phối được thiết kế cho các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật những người làm công tác thiết kế, vận hành lưới điện phân phối Phần mềm PSS/ADEPT 5.0 là công cụ hiệu quả giúp cho các đơn vị Điện lực phân tích và tính tốn lưới điện trên địa bàn quản lý. Qúa trình áp dụng phần mềm cho thấy, phần mềm sử dụng rất tốt cho các qui trình phân tích lưới điện phân phối.Chương đầu của giáo trình tập trung giới thiệu hai chủ đề chính đó là lưới điện phân phối và mơ hình thể hiện các phần tử của lưới điện phân phối trong
</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">phần mềm. Phần kiến thức về lưới phân phối đã trở nên rất quen thuộc với các Điện lực khu vực thuộc các Công ty Điện lực, do vậy được trình bày ngắn gọn. Phần mơ hình hố các phần tử lưới điện được trình bày chi tiết. Khối kiến thức này rất quan trọng, giúp chúng ta bước đầu tìm hiểu về quá trình mơ hình hố về lưới điện trên máy tính. Đảm bảo tính chính xác về mặt tốn học trong q trình mơ phỏng khơng chỉ trên máy tính mà cịn thể hiện đầy đủ các tính chất về điện học của mơ hìn phần tử lưới điện được mơ phỏng. Mơ hình hóa và mơ phỏng bằng máy tính đang là một kỹ thuật được áp dụng cho tất cả các ngành khoa học kỹ thuật và kinh tế. Nếu trước kia việc thiết lập một mơ hình, triển khai các dự tốn, tính tốn thống kê và trình bày số liệu, địi hỏi có kiến thức về tốn ứng dụng nhiều, giải các phương trình vi phân, tính các tính tích phân, các phương pháp thống kê thì hiện nay với sự giúp đỡ của máy tính và nhất là các ngơn ngữ lập trình bậc cao (như Matlab, Mapple…), các kiến thức tốn này đã tích hợp hồn tồn trong các hàm và lệnh của các ngôn ngữ, tạo điều kiện cho người dùng tiếp cận trực tiếp và tập trung vào vấn đề mình nghiên cứu mà không phải dành quá nhiều thời gian cho kỹ thuật lập trình hay cơng cụ tốn lý thuyết. Hiện nay có hai phương pháp mơ phỏng để mơ hình hóa các phần tử trong kỹ thuật mơ hình hóa bằng máy tính. Đó là mơ phỏng qua mơ hình tính tốn và qua mơ hình đồ họa trực quan. Về phương pháp mơ phỏng qua mơ hình tính toán chỉ cho phép người dùng thiết kế thành những sơ đồ đơn tuyến, thường dùng trong các phần mềm kỹ thuật, đòi hỏi người sử dụng có những hiểu biết cơ bản về lĩnh vực họ đang nghiên cứu. Đối với mô phỏng qua mơ hình đồ họa trực quan thì ngược lại, phần lớn các phần mềm đi theo hướng này tập trung vào tính phổ biến, dễ sử dụng cho người dùng. Tuy nhiên, cả hai phương pháp đều có đặc điểm chung là người dùng chỉ cần tập trung sâu vào các nội dung kỹ thuật và thuật toán giải bài toán. Điều này làm cho nhiều người khơng có chun mơn sâu về cơng nghệ thơng tin có thể giải quyết những vấn đề của chun mơn mình bằng máy tính. Phần mềm PSS/ADEPT sử dụng phương pháp mơ phỏng qua mơ hình tính tốn. Các phần tử trên lưới điện được mô hình chỉ những người làm việc trong ngành mới sử dụng đuợc. Người sử dụng chỉ cần hiểu sâu về vấn đề kỹ thuật và các
</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">thuật toán về tính tốn phân bố công suất, ngắn mạch, bù cơng suất v.v..Và đó là thế mạnh của các phương pháp mô phỏng thông qua các mơ hình bằng máy tính.
<b>a/ Chức năng của PSS/Adept. </b>
PSS/ADEPT (The Power System Simulator/Advanced Distribution Engineering Productivity Tool) là cơng cụ phân tích lưới điện phân phối.
PSS/ADEPT giúp phân tích và tính tốn lưới điện. Tính tốn và hiển thị các thơng số về dịng (I), cơng suất (P, Q) của từng tuyến dây (đường trục và nhánh rẽ), đáng giá tình trạng mang tải của tuyến dây thông qua chức năng phân bố cơng suất (Load Flow Analysis). Tính tốn xác định vị trí bù tối ưu (CAPO, tối ưu hóa việc đặt tụ bù). Tính các thơng số SAIFI, SAIDI, CAIFI, CAIDI đánh giá độ tin cậy của tuyến dây thông qua chức năng DRA. Tính tốn dịng ngắn mạch thơng qua chức năng Fault, Fault All. Chọn điểm dừng lưới tối ưu (TOPO): chương trình cho ta biết điểm dừng lưới ít bị tổn thất cơng suất nhất trên tuyến dây đó. Khởi động động cơ (Motor Starting): chương trình tính tốn phân tích các q trình xảy ra, ảnh hưởng như thế nào đến tuyến dây, khi có động cơ (đồng bộ hay khơng đồng bộ) với công suất lớn, khi khởi động trong tuyến dây. Phân tích sóng hài (Harmonics). Phối hợp các thiết bị bảo vệ (Protection Coordination). Hỗ trợ cho công tác thiết kế, phát triển lưới điện bằng cách sử dụng kết quả tính tốn của chương trình tại mọi thời điểm. Dự đoán được quá tải các phần tử trên lưới điện.
<i><b>Chức năng chính của PSS/Adept </b></i>
o Phân bố công suất.
o Tính tốn ngắn mạch tại 01 điểm hay nhiều điểm. o Phân tích khởi động động cơ.
o Tính tốn xác định vị trí bù tối ưu (ứng động hay cố định). o Tính tốn phân tích sóng hài.
o Phối hợp các thiết bị bảo vệ.
o Tính tốn xác định điểm dừng tối ưu. o Phân tích đánh gia độ tin cậy
<i><b>Các chức năng ứng dụng trong việc thiết kế . </b></i>
</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">PSS/ADEPT cung cấp đầy đủ các công cụ ( Tools) cho chúng ta trong việc thiết kế và phân tích một luới điện cụ thể. Với PSS/ADEPT, chúng ta có thể:
a) Vẽ sơ đồ và cập nhật lưới điện trong giao diện đồ họa. b) Việc phân tích mạch điện sử dụng nhiều loại nguồn. c) Hiển thị kết quả tính tốn ngay trên sơ đồ lưới điện
d) Xuất kết quả dưới dạng report sau khi phân tích và tính tốn e) Nhập thơng số và cập nhật dễ dàng thông qua data sheet của mỗi thiết bị trên sơ đồ
<i><b>b/ Các bước thực hiện </b></i>
<b>Thiết lập thông số mạng lưới </b>
Program, network settings
<b>Tạo sơ đồ </b>
Creating diagrams
<b>BÁO CÁO </b>
Chu trình triển khai phần mềm PSS/ADEPT theo ba bước căn bản.
<i><b>Bước 1: Thiết lập thông số mạng lưới </b></i>
Trong bước này, ta thực hiện các khai báo các thơng số lưới điện cần tính tốn để mô phỏng trong PSS/ADEPT gồm các nội dung:
o Xác định thư viện dây dẫn.
o Xác định thơng số thuộc tính của lưới điện. o Xác định hằng số kinh tế của lưới điện. *. Xác định thư viện dây dẫn như (hình: 1.8)
</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38"><i><b>Hình 1.8. Xác định thư viện dây dẫn </b></i>
*. Xác định thơng số thuộc tính của lưới điện
Bước này, nhằm khai báo cho phần mềm PSS/ADEPT thiết lập ngay từ đầu các thuộc tính của lưới điện như: Điện áp qui ước là điện áp pha hay điện áp dây và trị số, tần số, công suất biểu kiến cơ bản… Sau đây ta mở tập tin lưới điện trung thế 1 Điện lực theo (Hình: 1.9)
<i><b>Hình 1.9. Thiết đặt thơng số thuộc tính của lưới điện </b></i>
*. Xác định hằng số kinh tế của lưới điện (Hình: 1.10)
</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39"><i><b>Hình 1.10. Thiết lập hằng số kinh tế của lưới điện Bước 2: Tạo sơ đồ. </b></i>
Vẽ sơ đồ lưới điện cần tính tốn vào chương trình PSS/ADEPT. Cập nhật số liệu đầu vào cho sơ đồ lưới điện: Từ số liệu quản lý kỹ thuật của Điện lực chúng ta lần lượt nhập vào các giá trị thuộc tính của các phần tử như (Hình 1.11).
</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40"><i><b>Hình 1.11. Cài đặt thơng số tính tốn Bước 3 : Chạy các chức năng tính tốn. </b></i>
Có 8 phân hệ tính tốn trong phần mềm PSS/ADEPT 5.0. Trước khi thực hiện giải các bài toán ta cần thiết lập các tuỳ chọn bằng cách mở hộp thoại option như (Hình 112).
<i><b>Hình 1.12. Thiết lập các tuỳ chọn tính tốn Bước 4: Báo cáo (Report). </b></i>
Sau khi chạy xong một trong các chức năng tính tốn trên, bạn có thể xem kết quả tính tốn phân tích của phần mềm tại 3 vị trí như sau:
o Xem hiển thị kết quả phân tích ngay trên sơ đồ o Xem kết quả tính tốn trên của số progress view o Xem kết quả tính tốn chi tiết từ phần report .
</div>
