Quản lý năng lượng trong lưới điện nhỏ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

PHAN VĂN HOÀNG VỸ

QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG
LƯỚI ĐIỆN NHỎ

Chuyền ngành: Kỹ thuật điện
Mã ngành: 60 52 02 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, 2018
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học :PGS.TS Phan Thị Thanh Bình


GVHD: PGS.TS. Phan Thị
Thanh Bình
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Trần Hoàng Lĩnh
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS Nguyễn Cao Cường
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày . .06..
tháng .. 01. năm . 2018..
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. TS Trần Hoàng Lĩnh
2. PGS.TS Nguyễn Cao Cường
3. PGS.TS Hồ Văn Nhật Chưomg
4. PGS.TS Vũ Phan Tú
5. TS. Phạm Đình Anh Khôi

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau
khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phan Vãn Hoàng Vỹ .....................................MSHV: 1670528..............
Ngày, tháng, năm sinh: 22/05/1993...........................................Nơi sinh: Quảng Nam...
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện.................................................. Mã số : 60520202

Phan Văn Hoàng Vỹ - 81104384

Trang 1


GVHD: PGS.TS. Phan Thị

Thanh Bình
I. TÊN ĐỀ TÀI: Quản lý năng lượng trong lưới điện nhỏ........................................
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu bài toán xây dựng chương trình, áp dụng
cho một microgrid.......................................................................................................
III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) 10/07/2017

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) 03/12/2017
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): PGS.TS Phan Thị Thanh
Bình

Tp. HCM, ngày.... thảng.. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và chữ ký)

Lời cảm ơn
Trước hết, em xin chân thành cảm ơn trường đại học Bách Khoa TP.HCM, khoa điện- điện
tử, bộ môn cung cấp điện và đặc biệt là cô Phan Thị Thanh Bình đã giúp đõ em rất nhiều
ttong quá trình thực hiện luận án này.
Trong quá trình thực hiện gặp rất nhiều khó khăn, như việc vừa công tác nước ngoài vừa
thực hiện, nhưng may mắn được sự giúp đỡ của cô Bình và một số bạn bè trong nước nên

việc thực hiện luận án có thể được hoàn thành và có được kết quả cuối cùng là luận án
hoàn chỉnh này.
Một lần nữa xin cảm ơn mọi người đã giúp đỡ em trong thòi gian qua.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 5 tháng 12 năm 2017
Phan Văn Hoàng Vỹ - 81104384

1 ITr an g


GVHD: PGS.TS. Phan Thị
Thanh Bình
Sinh viên thực hiện

Phan Văn Hoàng Vỹ

Phan Văn Hoàng Vỹ - 81104384

Trang 1


GVHD: PGS.TS. Phan Thị
Thanh Bình
TÓM TẮT NỘI DUNG
Với sự phát triển của ngành điện Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung, sự xuất hiện và
vai trò của hệ thống năng lượng nhỏ, riêng biệt càng khẳng định được vị trí và tầm quan
họng của mình.
Lưới điện nhỏ vói việc chỉ có những đặc thù cơ bản của khu vực, đồng nghĩa vói việc hệ
thống không quá nặng nề hay phức tạp giúp cho việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng
ttở nên dễ dàng hơn.

Lưới điện nhỏ có nhiều vấn đề để nghiên cứu, nhưng ương nội dung của quyển luận văn
này sẽ chỉ tập trung vào vấn đề tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng điện ưong hệ thống,
đồng nghĩa với việc giảm năng lượng tiêu thụ và nâng cao hiệu suất hoạt động.
Luận văn nêu ra được mô hình cơ bản của lưới điện nhỏ, đưa ra phương pháp dự báo cho
hệ thống turbine gió trong lưới điện nhỏ, tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng điện trong 24
giờ theo biến động của giá điện lưới, tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng điện tức thời.
Qua các vấn đề được giải quyết hên, kết quả thu được mặc dù còn một số hạn chế, nhưng
bước đầu đạt được một số yêu cầu nhất định của vấn đề đặt ra với độ phức tạp nhất định.
Vói
nếu
kết
quả
phát
đạt
triển
được
thêm,
vànhư
tiềm
hoàn
năng
toàn
của
cómạng
đề
thể
hoàn
cònrất
thiện
rất

rộng
và
đưa
lớn,
vào
thực
Việt
tiễn
Nam,
đời
đặc
sống
biệt
nhằm
ttong
phục
thời
vụ
kỳ
cho
cách
sự
phát
công
triển
nghiệp
của
ngành
4.0
như

điện
hiệnđược
phát
nay.
triển
Những
chung
đề
của
tài
cả
ngành.
vậy
mang
lại
ýtài
nghĩa
lớn
cho
sự

Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528

5 I Trang


ABSTRACT
With the development of Vietnam's power industry in particular and the world in general,
the emergence and role of the small and separate power system further affirms its position
and importance.

A small grid with only the basic features of the area, meaning that the system is not too
heavy or complicated to make research, development and application easier.
The small grid has many problems to study, but the content of this paper will focus on
optimizing the use of electrical energy in the system, which means that energy
consumption and Enhance performance.
The paper presents the basic model of small grid, giving forecasting method for wind
turbine system in small grid, optimizing the use of electric energy in 24 hours according to
the electricity price fluctuation, Optimize the use of instantaneous power.
Based on the problems solved above, the results obtained despite some limitations, but
initially reached certain requữements of the problem poses with certain complexity.
With the results achieved and the potential of the project is still very large, if developed
further, can completely improve and put into practice life in order to serve the
development of Vietnam's power industty, especially During the current industrial
revolution 4.0. Such topics bring great significance to the development of the whole
industry.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, công trình nghiên cứu này là sản phẩm của tôi. Mọi thông số, kết quả
chưa được công bố trên công trình khác. Tôi xin chịu mọi trách nhiệm về những gì tôi nói
ởttên.
Tác giả luận văn

Phan Văn Hoàng Vỹ

Mục lục

Danh mục hình ảnh
Danh mục bảng

Chương I. Tổng quan
1.1. Microgrid là gì?
Lưới điện siêu nhỏ (Microgrid - MG) là một hệ thống bao gồm các nguồn năng lượng có
công suất nhỏ và phát điện phân tán (Distributed Energy Resources - DER) như: nguồn pin
mặt ười, pin nhiên liệu, turbine gió, microturbine..v.v. Ngoài ra còn có các hệ thống đo
lường và các phụ tải. Công nghệ điều khiển cho lưới điện siêu nhỏ có thể hoạt động độc lập
hoặc tích hợp chúng vào lưới điện phân phối.

1.2. Một số hướng nghiên cứu đã thực hiện về microgrid trên
thế giới
Vì là một hướng phát triển mới và đầy ưiển vọng cho nên microgrid đang là đề tài nghiên
cứu của rất nhiều nhóm nghiên cứu từ các trường đại học đến các doanh nghiệp làm về lĩnh
vực năng lượng ưên toàn thế giới. Với ưu thế về việc sử dụng hiệu quả năng lượng, giảm
lượng khí thải từ việc tăng cường sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, nâng cao vai ưò của
ngưòi sử dụng năng lượng ưong việc quản lý và tối ưu hiệu năng dùng điện, microgrid thật
sự ưở thành xu the cho ngành điện ưong tương lai.
Là một hướng phát triển mới nên rất cần tăng cường nghiên cứu để nâng cao hiệu quả khi áp
dụng vào thực tiễn. Các hướng nghiên cứu đã thực hiện liên quan tới microgrid:
-

Cấu hình tiêu chuẩn để xây dựng một hệ thống microgrid.
Các bộ biến đổi công suất sử dụng ưong hệ thống microgrid.
Điều khiển cho các pin mặt ưòi và tuabine gió ưong hệ thống microgrid.
Giải thuật tối ưu ưào lưu công suất ưong hệ thống microgrid.
Tính toán sử dụng các loại động cơ diesel ưong hệ thống microgrid.
Hoạch định kế hoạch vận hành cho hệ thống microgrid.
Dự đoán nhu cầu tải ưong hệ thống microgrid.
Dự đoán công suất cung cấp được từ các pin mặt ười và tuabine gió ưong hệ thống.
Sa thải phụ tải ưong microgrid.

Có rất nhiều hướng nghiên cứu để phục vụ cho việc phát triển của hệ thống microgrid nhằm
phát huy các ưu điểm đồng thời khắc phục các hạn chế để nâng cao chất lượng điện năng và
hiệu suất sử dụng điện.
Các hướng nghiên cứu quan tâm đến vấn đề xây dựng hệ thống, điều khiển hệ thống, nâng
cao các công nghệ bằng các bộ biến đổi công suất, giảm hao phí trên đường dây, giảm tổn
thất qua các bộ biến đổi công suất, giảm sóng hài, ưánh hiện tượng nhiễu...
Mỗi hướng khác nhau đều có rất nhiều đề tài nhỏ liên quan, nỗ lực ttong nghiên cứu của các
đơn vị ttên thế giới rất đáng ghi nhận và cần được đầu tư hơn nữa.


1.3. Các nghiên cứu về hướng quản lý năng lượng trong
mỉcrogrỉd
Việc phát triển của microgrid hiển nhiên đòi hỏi sự phát triển về vấn đề quản lý năng lượng
Ương microgrid. Để đáp ứng nhu cầu đó các nhà khoa học đã nghiên cứu rất nhiều đề tài
liên quan đến vấn đề này.
Từ những vấn đề cơ bản như làm sao để sử dụng năng lượng hợp lý trong microgrid, cân đối
chi phí bằng việc cân nhắc sử dụng hay không sử dụng phụ tải, đánh giá việc lắp đặt pin lưu
trữ và các nguồn điện mặt trời hay điện gió ở các vị trí phù hợp trong microgrid. Bên cạnh
đó còn các vấn đề về tối ưu chi phí vận hành của microgrid, nâng cao hiệu suất sử dụng
năng lượng ừong microgrid, nâng cao chất lượng điện năng cung cấp như điện áp, tần
số .. .Mục tiêu cuối cùng là giảm chi phí vận hành nhằm giảm giá thành của điện, tránh thất
thoát trong quá trình sử dụng điện.

1.4. Ý nghĩa của hướng nghiên cứu đối với thực tiễn
Hướng nghiên cứu của luận án này nhằm mục đích hoạch định kế hoạch vận hành cho hệ
thống microgrid, vói mục tiêu là tìm ra được kế hoạch có chi phí thấp nhất để tối ưu hiệu
quả sử dụng điện của hệ thống. Nó mang ý nghĩa vô cùng quan trọng vì sẽ tiết kiệm được
chi phí nhưng vẫn đảm bảo cung cấp đủ điện cho nhu cầu sử dụng đồng thòi sử dụng tối đa
được nguồn điện từ mặt ưòi và sự linh động của hệ thống pin lưu trữ.

Luận án đưa ra bài toán dự báo tốc độ gió của khu vực, từ đó dự báo được lượng năng lượng
sản xuất ra được từ các turbine gió, khiến hệ thống dự báo tốt hơn và bám sát hơn với thực
tế.
Luận án đồng thời còn đưa ra cách giải quyết cho bài toán quản lý năng lượng khi tốc độ gió
ttong khoảng giá ưị.
Luận án còn vạch ra phản ứng của hệ thống, thay đổi kế hoạch hoạt động dựa vào sự thay
đổi nhu cầu so với thực tế, mục đích cũng là giảm tối đa chi phí vận hành của hệ thống.
Nếu hướng nghiên cứu thành công sẽ mang lại ý nghĩa rất lớn cho người trực tiếp vận hành
hệ thống microgrid. Giá thành giảm và tiết kiệm được những khoảng tiền cần thiết để nâng
cấp hay bảo trì hệ thống, hoặc đầu tư cho các hoạt động nghiên cứu để nâng cao hiệu quả
vận hành.

Chương II. Mô hình bài toán
Như đã đề cập, một mô hình microgrid cần phải có những thành phần sau:
- Hệ thống cấp nguồn từ nguồn năng lượng tái tạo: các tấm pin năng lượng mặt ttòi,
các tua bin gió.


-

Hệ thống pin lưu trữ năng lượng
Hệ thống điện từ các máy phát diesel.
Các tải tiêu thụ
Nguồn cấp điện từ lưói phân phối (có thể có hoặc không, tùy vào che độ hoạt động:
nối lưới hoặc độc lập).

Vói chế độ độc lập, mục tiêu chính của quản lý năng lượng là ổn định hệ thống với các điều
kiện về tần số và điện áp. Trong chế độ nối lưói, mục tiêu phổ biến là tối thiểu chi phí vận
hành của hệ thống, để làm được điều này ta phải đưa ra được phương án vận hành hệ thống
vói việc điều khiển mức phát điện của các máy phát diesel và mức nạp xả của các pin lưu trữ

từ đó xác định lượng điện cần mua từ lưói.
Việc quản lý năng lượng trong microgrid có thể được chia ra làm 3 cấp độ khác nhau tùy
thuộc vào các cách tiếp cận của người vận hành. Ở trong luận án này, ta quan tâm nhiều nhất
tới trào lưu công suất trong hệ thống, quyết định xem các máy phát diesel sẽ phát vào hệ
thống bao nhiêu công suất, lượng mua từ lưói phân phối và lượng nạp xả vào pin lưu trữ, từ
đó giảm thiểu chi phí vận hành phát sinh từ giá phải trả cho nhà cung cấp điện và tiền nhiên
liệu cho chạy động cơ diesel.
Chính vì quan tâm nhiều tói các điều kiện ràng buộc của hệ thống nên cần chạy bài toán ưào
lưu công suất nhằm xác định các thông số dòng và áp trong hệ thống để có thể chắc chắn
phương án hiệu chỉnh thông số điều khiển của hệ thống không vi phạm các điều kiện vận
hành làm tổn hại đến hệ thống. [1]

2.1. Bài toán trào lưu công suất
Bài toán trào lưu công suất nhằm mục đích tối ưu những mục tiêu của hệ thống dưói những
điều kiện ràng buộc khác nhau.
Những ràng buộc này có thể bao gồm cả công suất thực và công suất phản kháng ra vào
lưới, điện áp và góc pha của thanh cái; mục tiêu có thể là tối thiểu chi phí phát hoặc là tối đa
mức sử dụng của tải; những ràng buộc có thể là mức điện áp hay mức công suất, hoặc có thể
là đường dây truyền tải phải chịu nhiệt độ hay các giới hạn ổn định.
Ràng buộc ở từng phần tử ttong microgrid sẽ được nói tới trong các mục sau, giờ ta xem xét
phương pháp giải quyết bài toán trào lưu công suất về phương diện giải tích.
Gọi N là số nút ttong mạng lưói, i=l..N, i là chỉ số của mỗi nút và mỗi nút có 4 tín hiệu độc
lập sau:
-

Pj(t) - Công suất thực, đẩy trực tiếp từ nút vào lưới (dương với máy phát, âm với
tải).
Qi(t) - Công suất phản kháng, đẩy vào lưới.

-

Vi(t) - Điện áp tại nút đang xét.
8ị (t)- Góc pha của điện áp Vi.

Các phần từ cơ bản trong microgrid được liệt kê ttong bảng sau.
Phần tử

Ký hiệu

Dây truyền tải

bus / bus j

Tải

1F

Máy phát

PCC
—*—

Điểm nối với lưói phân phối

utility grid
Bảng 1 Các phần tử trong microgrid và ký hiệu [1]

Điểm PCC trong microgrid có thể xem như là nút slack trong lưới điện này. Vì thế ta luôn
đặt nó có thứ tự là 1, và đây là điểm có điệp áp và góc pha xác định, và những giá trị này

không thể điểu khiển được (do phụ thuộc vào lưới phân phối). Hệ phương trình sau biểu
diễn cho mạng lưói 3 pha đối xứng:
N

pt = Vi 2 ytí-Vj. cos(S| - Sj j=l
N

Qi = vt^ Ylt. Vj. sin(«(
j=i
/0= |7I.e“i-V,..els>|
Yịj và ớịýlà điện dẫn và góc pha. Iij là dòng trcn dây dẫn (độ lớn).
Với mạng 3 pha không đối xứng ta phải xét hệ (1) với từng pha riêng biệt rồi giải, tương đối
phức tạp hơn so với 3 pha đối xứng.[l]


Bỏi vì khi giải bài toán các thông số về công suất (P,Q), điện áp (V), dòng (I), góc pha (ổ) và
pin lưu trữ năng lượng đều phụ thuộc lẫn nhau. Ta dùng các phương pháp lặp để giải bài
toán này (ví dụ như Newton-Raphson). Từ đó ta tính toán ra các thông số dựa ttên ràng buộc
sẽ được bài tới phía sau đây.

2.2. Các ràng buộc đối với pin dự trữ năng lượng
Đây là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất tới lời giải của bài toán tối ưu đã đặt ra. Do là một ẩn số
có tính nhân quả tức là chịu ảnh hưởng của hoạt động của các giờ trước và tác động lên các
giờ sau.
Eix(t) = Dung lượng hiện thời hay trạng thái sạc của pin dự trữ.
KxOO = Vs.i Cố định
0 < E,(O < Eimax
—Pị .rated < Pi(t) < +Piirated Mức nạp hoặc xả tối đa của pin năng dự trữ
Tổn thất của bộ pin dự trữ sẽ được tính chung ừong hệ số tổn thất của toàn hệ thống. Neu
ngưòi vận hành muốn có thể thêm hệ số vào để tính toán mà không làm ảnh hưởng tới giải

thuật chung của bài toán.
Phương trình trạng thái:

EtJíít + 1) = Etx(t') + p((t)
Công thức này thể hiện mức nạp xả của pin dự trữ phụ thuộc vào mức lưu trữ hiện tại của
pin và khả năng nạp hoặc xả tối đa của pin trong một đơn vị thời gian nào đó.
Các thông số tự do cần được tính toán trong bài toán tối ưu hào lưu công suất:

Qua các điều kiện ràng buộc trên thì ta cần phải biết một số thông số để đảm bảo quá trình
điều khiển chúng ta không bị vi phạm đó là:
-

Dung lượng tối đa của pin dự trữ.
Dung lượng tối thiểu của pin dự trữ.( = 0 )
Khả năng nạp tối đa trong một giờ.
Khả năng xả tối đa trong một giờ,
Dung lượng hiện thòi của pin dự trữ.


Đây là các thông số cần khai báo đầu và được xem xét cẩn thận trong từng bước của việc
giải bài toán nhằm không vi phạm ràng buộc vận hành của hệ thống. [1] [2]

2.3. Các ràng buộc đối với máy phát diesel
Đây là nguồn phát biết trước và có thể điều khiển được trong hệ thống microgrid, việc vận
hành của nó không ảnh hưởng tới các thời điểm vận hành sau đó mà chỉ ảnh hưởng tói thời
điểm vận hành bất kỳ, nếu có sự kiện gì đó xảy ra vói hệ thống thì đây là thông số dễ thay
đổi để đảm bảo vận hành của hệ thống (cùng với nguồn điện từ lưới phân phối).
Các thông số ràng buộc:
Pi,min < Pix(t) < Ptmax
Qix(t) < Ọi,max

^jx,min — ^í(t) — ^ix,max
Các thông số cần tính toán để kiểm tra là: Vix(t), ổix(t)
Ngoài ra các máy phát diesel có những thông số của hàm chi phí riêng cho từng loại máy, đó
là:
a,p,Y
Được sử dụng để tính toán hàm chi phí cho việc vận hành máy phát diesel vói công thức: a +
jS. pix(t) + y. píx(t)2
Phần tử a có thể được thêm phần khấu hao thiết bị nếu muốn xét thêm.
Công thức trên sẽ phục vụ cho việc xác định hàm chi phí chung của việc vận hành hệ thống
và tìm lời giải tối ưu.[l][2]

2.4. Các ràng buộc với các phần tử khác trong hệ thống
-

Dây truyền tải: /íj,x(t) <

-

Tải:
o
o Ọix(t)

hj,max

o Kx,min ^i(t) ^ix,max
o Vlx (t), ổíx(t) là các thông số cần tìm.
- Điểm PCC hay slack của microgrid: đánh so 1
o ổi.xơ) = 0

o ^l,xơ) = ^ín,x
o Qix.min Qi,x(t) Ọix,max Ràng buộc máy biến thế.
o Rix,min R1,XƠ) pix,max Ràng buộc máy biến thế.
o PỊ (t), Qi (t) là các giá trị cần tính toán.
Đây là các thông số cần thiết để chạy và kiểm ưa điều kiện hoạt động của hệ thống, cụ thể ở
đây là microgrid. [ 1 ] [2]


GVHD: PGS.TS. Phan Thị
Thanh Bình

Chương III. Xây dựng giải thuật và chương trình khi
công suất đầu ra của máy phát gió là xác định
•

vấn đề đặt ra ửong quá trình vận hành microgrid tạo ra yêu cầu để giải hai bài toán khác
nhau nhưng liên hệ mật thiết với nhau nhằm mục đích nâng cao hiệu quả vận hành hệ
thống và giảm thiểu chi phí ở mức thấp nhất. Hai giai đoạn được đặt ra như sau:
- Giai đoạn 1: Các dự báo về nhu cầu năng lượng và thông số thòi tiết sẽ cho chúng
ta dự báo chung về lượng điện năng cần cung cấp cho microgrid trong 24 giờ liên
tục trong ngày. Từ đó ta sẽ đưa ra chiến lược sử dụng máy phát diesel, đăng ký
lượng điện mua từ lưói và hoạt động nạp xả pin lưu trữ ở từng giờ trong 24 giờ đó
sao cho chi phí là thấp nhất.
- Giai đoạn 2: Sau khi có được kế hoạch vận hành trong giai đoạn 1, khi vào vận
hành thực tế sẽ có những biến đổi về các thông số đã được dự báo như tải hay giómặt trời, khi đó cần hiệu chỉnh kế hoạch vận hành sao cho tối ưu hóa được chi phí
vận hành.
Vói 2 giai đoạn ưên của bài toán, mục tiêu cao nhất vẫn là giảm thiểu chi phí vận hành của
hệ thống microgrid, sử dụng năng lượng một cách hiệu quả nhất.

3.1.

Giai đoạn 1

3.1.1. Bài toán đặt ra
Cho hệ thống microgrid vói các thông số đã cho ở ưên, cùng với các đầu vào sau:
- Giá điện theo từng giờ của đom vị phân phối điện
- Mức điện chứa trong các pin lưu trữ thời điểm giờ đầu tiên của chu kỳ 24 giờ đang
xét.
- Thông tin tải yêu cầu nói chung (tải yêu cầu trừ đi phần đã được pin mặt ười và
tuabine gió cung cấp) và % tổn thất chung của hệ thống microgrid.
- Thông tin đầy đủ về hệ thống microgrid vói các thông số ràng buộc yêu cầu ở ưên.
Với các thông tin đầu vào trên, đầu ra của bài toán là thông số:
- Chiến lược vận hành của các máy phát diesel ở từng giờ ưong chu kỳ 24 giờ đang
xét.
- Chiến lược nạp xả với các pin lưu trữ ưong hệ thống để nâng cao hiệu quả sử dụng
điện trong 24 giờ.
- Chiến lược mua điện từ các đom vị phân phối điện ưong 24 giờ.

Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528

15 I Trang


GVHD: PGS.TS. Phan Thị
Thanh Bình
- Giả sử của bài toán: Khi xem xét mô hình cho N thời điểm phía trước này, các chi phí
bảo trì và vận hành đươc bỏ qua. Vì các phưorng án phát khác nhau này được coi
có chung chi phí bảo trì và vận hành cho cùng N thời điểm. Ngay cả khi đưa vào thì
nó cũng được coi là hằng và không ảnh hưởng tới lới giải (vì ẩn là p thay đổi theo
giờ) và thuật toán cũng không thay đổi.

Các thông số đầu ra ttên phải đảm bảo điều kiện là:
Lượng điện cung cấp từ các nguồn từ lưới phân phối, các máy phát diesel và pin
lưu trữ phải bằng vói nhu cầu tải của cả hệ thống (đã bao gồm cả tổn thất)
24 / n
m
\
Preload(l + loss} =

I Pij + Eij + p j j

j-1 '1=1

d

i=l

/

Với:
o vế ttái là nhu cầu tải của hệ thống.
o Pi là công suất phát của máy phát diesel thứ i. 0 < Pị < pimax o n là số lượng
máy phát diesel ttong hệ thống.
o Eị là lượng nạp hoặc xả của pin lưu trữ thứ I trong 1 giờ, Eị recharge <
Ei Eịcharge
o m là Số pin lưu trữ trong hệ thống.
o Pứ là lượng điện mua từ lưới phân phối
o j là chỉ thời điểm giờ thứ j ừong chu kỳ 24 giờ
- Chi phí để cung cấp lượng điện năng trên phải là thấp nhất, tức là hàm chi phí:

Đạt giá trị nhỏ nhất, với:

o Cpi j là chi phí của việc chạy máy phát diesel vói công suất Pi j ở giờ thứ j
Cpi,j =

+ 0i* Pi,j +Yi* p?j

Ở đây, chi phí có thể chỉ xét nhiên liệu để vận hành máy phát, tuy nhiên nếu như muốn xét
cả chi phí đầu tư và khấu hao thiết bị, có thể tính toán bằng cách sau:
Gọi A là giá Irị đầu tư của máy phát, máy có tuổi thọ (thời gian khấu hao là ye năm) vậy
có thể tính khấu hao trong 1 giờ của máy phát là:
A
ye * 365 * 24
Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528

16 I T r a n g


GVHD: PGS.TS. Phan Thị
Thanh Bình
Neu như ngưòi thực hiện bài toán muốn tính toán luôn cả phần khấu hao thiết bị vào thì có
thể thêm vào đại lượng này, giống như otị nhưng đó là chi phí khi chạy không tải, còn c' là
chi phí không hoạt động vẫn khấu hao.
o Cpă j là chi phí mua điện từ lưới phân phối ở giờ thứ j
CPdj = Pdj * pricej
với: pricej là giá của điện mua từ lưới phân phối ở thời điểm j

3.1.2.

Giải thuật giải quyết bài toán

Nhận thấy rằng đây là bài toán tìm lời giải tối ưu cho một mục tiêu nhất định, ta cần tìm

một giải thuật thích hợp để tìm ra lòi giải nhanh chóng và hiệu quả nhất.
Có rất nhiều giải thuật được sử dụng để giải bài toán tối ưu, tiêu biểu như:
-

Genetic algorithm:
PSO (Particle Swarm Optimization):
Neural Networks
Bee Algorithm
Fữefly Algorithm ...

Mỗi giải thuật đều có những thế mạnh nhất định trong việc tìm kiếm lòi giải tối ưu, qua
quá trình tìm hiểu thì quyết định cuối cùng sử dụng giải thuật PSO để tìm kiếm lòi giải tối
ưu.

3.1.3.

Giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO)

3.1.3.1. Nguồn gốc ỷ tưởng của giải thuật
Nguồn gốc ý tưởng lấy cảm hứng từ các hành vi quần thể và phưomg hướng di chuyển để
tìm kiếm thức ăn của các loài như côn trùng, chim hay cá.
Đe dễ hình dung ý tưởng giải thuật, ta xét một đàn chim đang đi tìm thức ăn. Mỗi cá thể
trong đàn sẽ di chuyển một cách ngẫu nhiên nhưng có những thông tin vẫn luôn được mỗi
cá thể nhớ trong quá trình di chuyển:
-

Khoảng cách hiện tại của cá thể đó tới chỗ có thức ăn.
Vị trí tốt nhất (gần nhất) mà cá thể đó từng đạt được.
Ví trí tốt nhất (gần nhất) mà đàn đã từng đạt được.

ưên,
Bằng
cách
các
cá
di
thể
chuyển
ttong
bất
quần
kỳ
nhưng
thể
sẽ
chịu
dần
ảnh
vềthức
vị
trí
tốt
thông
nhất
tin
(nếutốt
mói
không
hom
có

để
vị
đưa
trí
cả
nào
đàn
tốt
tiến
hom)
tới
hoặc
vị tiến
trí
là hưởng
tìm
có
racủa
được
ăncác
mà
các
cả
vị
đàn
trí
đang
muốn
hướng
tói.

3.1.3.2. Khái niệm
- Sử dụng một số lượng cá thể nhất định để cho di chuyển ttong vùng không gian xác
định của bài toán nhằm tìm ra được lời giải tốt nhất.

Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528

17 I Trang


-

-

GVHD: PGS.TS. Phan Thị
Thanh Bình
Mỗi cá thể trong đàn tìm cách hiệu chỉnh đường bay của mình phụ thuộc vào kinh
nghiệm của chính cá thể đó và của cả đàn.
Thu thập các cá thể di chuyển => thay đổi lòi giải.
Vùng tìm kiếm - Vùng với các lời giải có thể xảy ra.
Các cá thể sẽ di chuyển vào khu vực có khả năng cao để tìm được giá trị tối ưu toàn
cục.
Mỗi cá thể sẽ lưu những thông số sau:
o Lòi giải tốt nhất của chính cá thể đó, pbest (personal best).
o Lòi giải tốt nhất của toàn bộ các the gbest (global best).
Mỗi cá thể hiệu chỉnh tốc độ di chuyển của mình phụ thuộc vào kinh nghiệm di
chuyển của mình và của cả đàn.
Mỗi cá thể sẽ hiệu chỉnh vị trí của mình phụ thuộc vào:
o Vị trí hiện thời của cá thể đó.
o Tốc độ hiện thời của cá thể đó.

o Khoảng cách của vị trí hiện tại với pbest.
o Khoảng cách của vị trí hiện tại với gbest.

3.1.3.3. Tham sổ
Các tham số cơ bản của giải thuật PSO:
-

N: dân số của đàn.
Pj: Vị trí của cá thể thứ ittong vùng tìm kiếm.
f: Hàm mục tiêu.
Vị. tốc độ của cá thể thứ i.
gbest: giá trị tốt nhất của cả đàn.
pbestị: giá trị tốt nhất của cá thể thứ i

Các công thức để cho từng cá thể cập nhật vị trí của mình
Vị = Vị + Cỵ * rand * (pbest — Pi) + c2* rand * (gbest — Pi)
Pi = Pi + Vị
Với:
-

rand: là hàm random giá trị từ 0-1
q: trọng số của thông tin của cá thể đó
c2: trọng số của thông tin của cả đàn [6]

Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528

18 I T r a n g


GVHD: PGS.TS. Phan Thị

Thanh Bình
Thông số Cl và c2 là thông số cân bằng giữa mức độ ảnh hưởng của kinh nghiệm tự có của
cá thể đố và kỉnh nghỉệm của cả đàn để đi đến lời giải tối ưu. Ảnh hưởng của cá thông số
này sẽ được bàn kĩ hơn ở mục sau.
3.1.3.4.

Giải thuật

Hình 1 Lưu đồ giải thuật [3]

Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528

19 I Trang


GVHD: PGS.TS. Phan Thị
Thanh Bình
Bước 1:
- Khởi tạo quần thể vói N cá thể, các cá thể có giá trị hàm mục tiêu khác nhau tùy
thuộc vào vị trí của chúng.
- Khởi tạo các hệ số gia tốc cl, c2.
Bước 2:
- Khởi tạo các cá thể và vận tốc bất kỳ của chúng.
Bước 3:
- Tính toán hàm mục tiêu.
Bước 4:
- Tính các giá trị pbest và gbest của đàn
Bước 5:
- Cập nhật vị trí, vận tốc, pbest và gbest của các cá thể và cả đàn
Bước 6:

- Xét tiêu chuẩn hội tụ, nếu thỏa thì kết thúc chưomg trình, không thì trở lại với bước
2
Bảng 2 Giải thuật với mã giả

Một số ý chính tóm gọn trong giải thuật là:
- Tạo dân số và tính toán giá trị của từng cá thể theo hàm mục tiêu.
- Neu giá trị hàm mục tiêu thời điểm hiện tại tốt hom giá trị pbest thì cập nhật giá trị
pbest mới.
- Xác định xem có giá trị nào tốt hom gbest không, nếu có thì cập nhật gbest mới.
3.1.3.5. Điều kiện dừng của giải thuật
Đối với giải thuật tối ưu bầy đàn này ta có 2 điều kiện để dừng giải thuật lại:
- Số vòng lặp tối đa (nhằm giới hạn thòi gian chạy của chưomg trình, tránh trường
hợp không có vùng hội tụ thích hợp với bầy đàn đang xét).
- Khi tất cả các cá thể trong đàn đều có 1 vị trí xác định, lúc đó pbest = gbest = từng
hàm mục tiêu của các cá thể, hàm tốc độ về 0. Lúc này đàn đã hội tụ nên có thể
dùng chưomg trình để lấy ra lòi giải tốt nhất.
Điều kiện thứ 2 được rút ra từ hàm vận tốc của từng cá thể của đàn
Vị = Vị + q * rand * (pbest — Pi) + c2* rand * (c/best — Pi)
3.1.3.6. Đặc trưng của giải thuật
- Ưu điểm:
o Không bị ảnh hưởng quá nhiều khi thay đổi độ lớn của bài toán
o Dễ dàng thực hiện
o Dễ dàng thực hiện cho các xử lý đồng thòi
Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528

25 I T r a n g


GVHD: PGS.TS. Phan Thị
Thanh Bình

o Nguồn mở, miễn phí
o Rất ít tham số cho giải thuật
o Rất hiệu quả cho giải thuật tìm kiếm toàn cục
- Nhược điểm:
o Xu hướng là hội tụ nhanh về điểm tối ưu ở giữa, nếu không kiểm soát tốt rất
dễ để vụt mất điểm tối ưu ở vị trí khác.
o Hội tụ chậm khi tìm kiếm ở khu vực địa phưomg (yếu về khả năng tìm kiếm
địa phưomg).

3.1.4.

PSO vói bài toán đặt ra ở giai đoạn 1

Vói giải thuật PSO đã được đề cập ở ttên, ta sẽ xây dựng mô hình phù hựp để có thể giải
được vấn đề đặt ra ở giai đoạn 1.
Đầu tiên ta sẽ xác định định dạng của cá thể sẽ được sử dụng để tìm ra lời giải tối ưu cho
bài toán. Ta cần 1 cá thể biểu diễn được:
-

Nạp xả của pin lưu trữ ttong hệ thống.
Lượng điện năng sản xuất từ từng máy phát diesel.
Lượng điện năng mua từ lưới phân phối.

Và tất cả đều trong chu kỳ 24 giờ. ứng với mỗi giờ tổng: (XỊL1 Pi,j + 5X1 Ei,j + sẽ bằng
vói lại lượng điện cần của cả hệ thống (đã bao gồm từ pin mặt trời, tuabine gió và tổn thất
hệ thống).
Và hàm mục tiêu (hàm chi phí) của mỗi phần tử có dạng:

o Cpị j là chi phí của việc chạy máy phát diesel vói công suất Pị j ở giờ thứ j
Cpt,j = ai + Pi* Pư +Yi* PỊJ

o Cpd j là chi phí mua điện từ lưới phân phối ở giờ thứ j
CPd.i = Pdj * pricej
vời: pricej là giá của điện mua từ lưói phân phối ở thời điểm j
Mục tiêu là tìm được cá thể sao cho hàm chi phí là thấp nhất (hàm chi phí biểu diễn cho
chi phí vận hành của hệ thống trong 24 giờ).

Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528

21 I T r a n g


GVHD: PGS.TS. Phan Thị
Thanh Bình
Dạng của cá thể là ma trận 24xk với k = sồ pin l\ru trữ + sô mảy phát diesel + 1. Cột cuối
cùng là dành cho điện mua từ lưới phân phối.
Khi đã xây dựng được mô hình của bài toán cần xét, ta sẽ xây dựng giải thuật riêng để áp
dụng ý tưởng của giải thuật PSO vào mô hình đã xây dựng để tìm ra lời giải của bài toán

Hình 2 Lưu đầ giải thuật của chương trình áp dụng PSO để giải bài toán đạt ra ở giai đoạn 1

đặt ra ở giai đoạn 1.

Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528

22 I T r a n g


Bước 1:
- Khai báo các thông số liên quan đen hệ thống
- Khởi tạo số cá thể N, các thành phần gia tốc cl,c2

- Khởi tạo dân số cho bầy đàn.
- Khởi tạo tốc độ cho các cá thể của đàn.
- Hiệu chỉnh các chỉ số của từng cá thể để cho các chỉ số đó không vi phạm các ràng
buộc của hệ thống.
- Tính toán hàm chi phí cho từng cá thể và gán pbest, tìm ra gbest của đàn.
- condition = 0
Bước 2:
- Neu thỏa 1 trong 2 điều kiện dùng của chương trình thì dùng chương trình. 2 điều
kiện bao gồm:
o Đạt được số vòng lặp tối đa của chương trình (quy định bởi ngưòi chạy
chương trình)
o Các phần tử bằng nhau và vận tốc của các phần tử về 0.
Bước 3:
- Tính toán vận tốc mói cho từng cá thể.
- Cập nhật vị trí mói của các cá thể.
- Hiệu chỉnh các chỉ số để cho chắc chắn không có cá thể nào vi phạm các ràng
buộc vận hành của hệ thống.
- Tính toán hàm chi phí cho từng cá thể, so sánh vói pbest và gbest, cập nhật nếu
thỏa điều kiện
Bước 4:
- condition = condition + 1
- Trở về bước 2 để thực hiện tiếp tục chương trình.
Bảng 3 Các bước của giải thuật áp dụng PSO để giải bài toán đặt ra ở giai đoạn 1

3.2.

Giai đoạn 2

3.2.1. Bài toán đặt ra
Sau khi kết thúc giai đoạn 1 với việc đưa ra dự báo đối với phụ tải và các nguồn điện tái

tạo từ đó lập ra được ke hoạch chạy máy phát diesel, nạp xả của các pin dự trữ và lượng
điện mua từ đơn vị cung cấp điện, vấn đề đặt ra là khi vào vận hành thực tế thì sẽ phát sinh
các vấn đề sau:
- Nhu cầu về phụ tải thay đổi so với kế hoạch đã được định sẵn.
- Thòi tiết có những thay đổi nhất định làm cho dự đoán về mức cung cấp điện từ pin
mặt trời và tuabine gió thay đổi theo.


-

Giá điện có biến động so vói dự báo do các vấn đề phát sinh từ cung và cầu năng
lượng trong toàn bộ hệ thống điện phân phối.

Vói việc xảy ra các tính huống trên, 2 sự kiện đầu tiên sẽ làm cho nhu cầu phụ tải cung
cấp sẽ có sự thay đổi so vói hoạch định (hoặc tăng hoặc giảm). Trong phạm vi luận án này
ta sẽ quan tâm chính tói việc thay đổi kế hoạch vận hành để đáp ứng được sự biến động
của sự thay đổi về nhu cầu phụ tải đã trừ đi năng lượng gió và mặt ttời.
Riêng vói việc giá điện biến động cần có cách tiếp cận khác để giải quyết vấn đề tối ưu chi
phí.

3.2.2.

Đưa ra hướng giải quyết cho bài toán

Với bài toán đặt ra ở giai đoạn 2, nhu cầu phụ tải thay đổi làm chúng ta phải thay đổi kế
hoạch vận hành để đáp ứng được nhu cầu đó.
Đối với máy phát diesel hay điện mua từ lưói phân phối thì việc thay đổi kế hoạch ở thời
điểm này hoàn toàn độc lập vói các thời điểm sau. Nhưng đối với pin lưu trữ thì thay đổi
kế hoạch nạp xả ở thời điểm này sẽ làm ảnh hưởng đến trạng thái của pin thời điểm sau, sẽ
ảnh hưởng tới việc nạp xả ở thời điểm sau của quá trình vận hành và làm lệch quỹ đạo của

toàn bộ bài toán giai đoạn 1.
Ta sẽ thay đổi cả 3 thông số từ máy phát diesel, pin dự trữ và điện mua từ lưói phân phối.
Có 2 hướng tiếp cận với việc đánh giá chi phí đối vói việc thay đổi kế hoạch:
-

-

Lựa chọn kế hoạch vận hành nào có chi phí thấp nhất. Hướng tiếp cận này có vẻ ổn
nhưng riêng đối vói pin dự trữ, ta không thể đánh giá một cách chính xác mức chi
phí cho nó vì lượng điện chứa trong pin được tích trữ từ những giờ trước với các
mức giá khác nhau. Neu đánh giá không chính xác thì việc dùng hàm chi phí này
để đánh giá là vô nghĩa và kết quả sẽ không đạt được như mong muốn.
Hướng tiếp cận còn lại là sẽ quan tâm tới lượng điện năng thay đổi ở từng thành
phần và lựa chọn trọng số cho từng thành phần hợp lý nhất.

Trong luận án này, ta sẽ sử dụng hướng tiếp cận thứ 2 để giải quyết bài toán.
Riêng với hướng tiếp cận thứ 1, để thực hiện được cần phải có một bài nghiên cứu chuyên
sâu về việc đánh giá và tính toán chi phi với pin lưu trữ dựa trên giá thành mua điện và chi
phí vận hành của các máy phát diesel ttong hệ thống. Ta sẽ phải quan tâm tói việc chi phí
đó sẽ được tính toán dựa trên ảnh hưởng của bao nhiêu giờ phía trước là mang lại hiệu quả
dự đoán cao nhất, tìm ra được công thức tính toán phù hợp để đánh giá ảnh hưởng của
việc thay đổi kế hoạch nạp xả cho các thời điểm sau của quá trình vận hành.


Trở lại với hướng tiếp cận thứ 2, mục tiêu của chúng ta là tìm phương án vận hành mới
sao cho hàm chi phí sau là nhỏ nhất. Hàm chi phí thứ 1:
>

X/n

delta± —
i=l

Hàm chi phí thứ 2:

Vv J ... ( í - J , V „ ... ( í p

p

E

E

i) ,

Với:
- n: là số lượng máy phát diesel trong hệ thống microgrid.
- p/, Pi: lần lượt là công suất cho từng máy phát vận hành thực tế và dự kiến.
- dị. là ttọng số của hàm lệch từng máy phát diesel.
- m: là số lượng pin dự trữ ừong hệ thống microgrid
- E[, Et: lần lượt là kế hoạch nạp xả vận hành thực tế và dự kiến.
- Si'. là ttọng số của hàm lệch từng pin dự trữ ttong hệ thống
■ p'd> ?d- lần lượt là lượng mua điện thực tế và dự kiến từ lưòi phân phối. p: là trọng
số của hàm lệch điện mua từ lưói.
Và thỏa điều kiện sau:
= £(p; - p() + £(p; PJ

+ (Pi -

n

delta_power —
7^1

Í=1

Với delta_pơwer là mức chênh lệch giữa nhu cầu phụ tải vận hành thực và nhu cầu phụ tải
dự kiến.
Ta cần tìm các thông số của mỗi thành phần và trọng số phù hợp để có được lời giải tốt
nhất.