Tối ưu hóa vị trí đặt và dung lượng của tụ bù trong lưới điện sử dụng phương pháp mô phỏng học tập con người (HLO)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.04 MB, 67 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN HỆ THỐNG ĐIỆN
---------------o0o---------------
NGUYỄN HỮU CHIẾN
TỐI ƯU HĨA VỊ TRÍ ĐẶT VÀ DUNG LƯỢNG CỦA TỤ BÙ
TRONG LƯỚI ĐIỆN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
HỌC TẬP CON NGƯỜI (HLO)
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60520202
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2018
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
NGUYỄN HỮU CHIẾN
TỐI ƯU HĨA VỊ TRÍ ĐẶT VÀ DUNG LƯỢNG CỦA TỤ BÙ
TRONG LƯỚI ĐIỆN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
HỌC TẬP CON NGƯỜI (HLO)
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60520202
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2018
i
Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS.VÕ NGỌC ĐIỀU
..................................................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 :
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 :
..................................................................................................................................................
..................................................................................................................................................
(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 . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
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. ............................................................
2. ............................................................
3. ............................................................
4. ............................................................
5. ............................................................
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 ĐIỆN- ĐIỆN TỬ
ii
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: NGUYỄN HỮU CHIẾN
MSHV: 1670341
Ngày, tháng, năm sinh: 24/06/1994
Nơi sinh: Đồng Tháp
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số : 60520202
I. TÊN ĐỀ TÀI: TỐI ƯU HĨA VỊ TRÍ ĐẶT VÀ DUNG LƯỢNG CỦA TỤ BÙ
TRONG LƯỚI ĐIỆN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG HỌC TẬP CON
NGƯỜI (HLO)
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Nghiên cứu các phương pháp giải bài toán tối ưu vị trí và dung lượng tụ bù trong lưới
điện phân phối.
- Tìm hiểu về phương pháp mơ phỏng học tập con người (HLO).
- Ứng dụng phương pháp HLO để giải bài tốn tối ưu vị trí và dung lượng tụ bù (CAPO)
trong lưới điện mẫu IEEE 33 nút và 69 nút
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 01/08/2018
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/11/2018
IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS.VÕ NGỌC ĐIỀU
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)
PGS.TS.VÕ NGỌC ĐIỀU
TRƯỞNG KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ
(Họ tên và chữ ký)
iii
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tôi xin chân thành cám ơn Thầy Võ Ngọc Điều, người đã tận tình giúp đỡ,
hướng dẫn và cung cấp những tài liệu vô cùng quý giá cho tơi trong suốt q trình thực
hiện luận văn.
Xin chân thành cám ơn Quý Thầy Cô Khoa Điện – Điện Tử trường Đại học Bách
Khoa – Đại học Quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt
kiến thức trong thời gian tôi theo học tại đây.
Xin cám ơn tất cả bạn bè đã giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến gia đình đã khơng ngừng giúp đỡ và
tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt q trình học tập và thực hiện luận văn.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng tuy nhiên luận văn sẽ khó tránh những sai sót, rất mong
Q Thầy Cơ góp ý.
Xin hân thành cám ơn.
v
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS. Võ Ngọc Điều
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đề tài trình bày về phương pháp mơ phỏng học tập con người (HLO) để giải bài
toán tối ưu vị trí và dung lượng lắp đặt tụ bù (CAPO). Hàm mục tiêu được đặt ra là
cực tiểu tổn thất công suất tác dụng thông qua các hàm tổn thất công suất, hàm về độ
lệch điện áp [1] với các điều kiện ràng buộc về số lượng nút lắp đặt tụ bù và dung
lượng tụ bù, giới hạn điện áp nút. Phương pháp HLO đề xuất này đã thử nghiệm trên
hệ thông IEEE 33 nút và 69 nút để kiểm chứng và so sánh với phương pháp trí tuệ
nhân tạo khác. Qua đó thấy được HLO là một phương pháp thuận lợi và hiệu quả để
giải quyết vấn đề tối ưu hóa vị trí và dung lượng lắp đặt tụ bù trong lưới điện phân
phối.
vi
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS. Võ Ngọc Điều
ABSTRACT
This topic presents a new method Human Learning Optimization (HLO) for solving
Capacitor Placement Optimization (CAPO) problem. The proposed HLO method has
been implemented for the CAPO problem with objective is minimizing the power loss
and improving voltage profile with bus voltage limited and capacitor placement
position, reactive power limited. This thesis has been tested on the IEEE 33-bus and
IEEE 69-bus and the obtained results are compared to other method to see that HLO is
an advantageous method and effective to solve the problem of optimizing the location
of the capacitor in the power distribution system.
vii
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong
luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm
ơn và thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)
NGUYỄN HỮU CHIẾN
iv
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS. Võ Ngọc Điều
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Sơ đồ thuật tốn DE
Hình 2.2: Sơ đồ thuật tốn ACO
Hình 2.3: Sơ đồ thuật tốn ABC
Hình 2.4: Sơ đồ thuật tốn PSO
Hình 3.1: Sơ đồ thuật tốn HLO
Hình 4.1: Sơ đồ mạng điện IEEE-33 nút
Hình 4.2. Điện áp tại các nút trước và sau khi lắp tụ bù của mạng IEEE 33 nút với số
nút lắp tụ bù cho phép tối đa bằng số nút tải
Hình 4.3: Sự hội tụ của hàm cực tiểu mạng IEEE-33 nút với số nút lắp tụ bù cho phép
tối đa bằng số nút tải
Hình 4.4. Điện áp tại các nút trước và sau khi lắp tụ bù của mạng IEEE 33 nút với số
nút lắp đặt tụ giới hạn bằng 8
Hình 4.5: Sự hội tụ của hàm cực tiểu mạng IEEE-33 nút với số nút lắp đặt tụ giới hạn
bằng 8
Hình 4.6: Sơ đồ mạng điện IEEE-69 nút
Hình 4.7. Điện áp tại các nút trước và sau khi lắp tụ bù cho mạng IEEE 69 nút khi số
nút lắp tụ giới hạn là 3
Hình 4.8: Sự hội tụ của hàm cực tiểu mạng IEEE-69 nút khi số nút lắp tụ giới hạn là 3
viii
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS. Võ Ngọc Điều
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1: Kết quả mô phỏng mạng IEEE-33 nút với số nút lắp tụ bù cho phép tối đa
bằng số nút tải
Bảng 4.2: Tóm tắt kết quả mơ phỏng mạng IEEE-33 nút với số nút lắp tụ bù cho phép
tối đa bằng số nút tải
Bảng 4.3: Kết quả so sánh phương pháp HLO và phương pháp DE cho mạng IEEE-33
nút với số nút lắp tụ bù cho phép tối đa bằng số nút tải
Bảng 4.4: Kết quả mô phỏng mạng IEEE-33 nút tại các nút lắp đặt tụ bù khi số nút lắp
tụ giới hạn là 8
Bảng 4.5: Kết quả so sánh phương pháp HLO và phương pháp ABC cho mạng IEEE33 nút khi số nút lắp tụ giới hạn là 8
Bảng 4.6: Kết quả mô phỏng mạng IEEE-69 nút tại các nút lắp đặt tụ bù khi số nút lắp
tụ giới hạn là 3
Bảng 4.7: Kết quả so sánh phương pháp HLO và các phương pháp ABC, PSO cho
mạng IEEE-69 nút với số nút lắp tụ bù giới hạn bằng 3
ix
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS. Võ Ngọc Điều
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
x HLO
Human learning optimization
x CAPO
Capacitor Placement Optimization
x DE
Differential Evolution.
x ACO
Ant Colony Optimization.
x ABC
Artificial Bee Colony
x CS
Cuckoo Search.
x PSO
Particle Swarm Optimization.
x PSO-TVIW
Particle Swarm Optimization- Time Varying Inertial
Weight.
x PSO-TVAC
Particle Swarm Optimization - Time Varying Acceleration
Coefficients.
x Ploss
Power loss.
x IEEE
Institute of Electrical And Electronics Engineers.
x CSPK
Công suất phản kháng
x
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS. Võ Ngọc Điều
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................................... iv
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................................... v
TÓM TẮT LUẬN VĂN .......................................................................................................................... vi
ABSTRACT ...........................................................................................................................................vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................................... viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..........................................................................................................x
Chương 1 .................................................................................................................................................1
GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................................................................................1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ...............................................................................................................................1
1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI......................................................................................................................1
1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ..............................................................................1
1.4. NỘI DUNG LUẬN VĂN .............................................................................................................2
Chương 2 .................................................................................................................................................3
TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI, BÀI TOÁN CAPO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
ĐƯỢC ÁP DỤNG GIẢI BÀI TOÁN CAPO...........................................................................................3
2.1.
GIỚI THIỆU VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI .........................................................................3
2.2.
SỰ TIÊU THỤ VÀ CÁC NGUỒN PHÁT CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRONG LƯỚI
ĐIỆN PHÂN PHỐI ..............................................................................................................................3
2.2.1. Sự tiêu thụ công suất phản kháng .......................................................................................3
2.2.2. Nguồn phát công suất phản kháng trên lưới điện ..............................................................4
2.3.
BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN LƯỚI ĐIỆN .......................................................7
2.3.1. Các phương thức bù công suất phản kháng vào lưới điện ................................................7
2.3.2. Các kiểu bù công suất phản kháng thường sử dụng..........................................................8
2.3.3. Các tiêu chí bù cơng suất phản kháng trên lưới điện phân phối. .....................................8
2.3.4. Nhận xét .................................................................................................................................8
xi
Luận văn thạc sĩ
2.4.
CBHD: PGS.TS. Võ Ngọc Điều
GIỚI THIỆU BÀI TOÁN CAPO (CAPACITOR PLACEMENT OPTIMIZATION) ...........9
2.4.1. Phương pháp DE (Differential Evolution) [2] ....................................................................9
2.4.2. Phương pháp ACO (Ant Colony Optimization) [3] .........................................................11
2.4.3. Phương pháp ABC (Artificial Bee Colony) [4] .................................................................13
2.4.4. Phương pháp CS (Cuckoo Search) [5] ..............................................................................20
2.4.5. Phương pháp PSO (Particle Swarm Optimization) [9] ...................................................22
Dạng Constriction PSO .....................................................................................................26
PSO – TVIW .....................................................................................................................26
Kỹ thuật TVAC .................................................................................................................27
MPSO – TVAC .................................................................................................................28
2.4.6. Phương pháp HLO (Human learning Optimization) [10] ..............................................29
Chương 3 ...............................................................................................................................................30
XÂY DỰNG BÀI TOÁN CAPO VÀ ỨNG DỤNG THUẬN TOÁN HLO ĐỂ GIẢI BÀI TOÁN CAPO
................................................................................................................................................................30
3.1.
BÀI TOÁN CAPO CẦN GIẢI QUYẾT ..............................................................................30
3.2.
ÁP DỤNG THUẬT TOÁN HLO VÀO BÀI TỐN CAPO: ...............................................31
Chương 4 ...............................................................................................................................................36
KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ........................................................................................................................36
4.1.
HỆ THỐNG ĐIỆN CHUẨN IEEE 33 NÚT: .......................................................................36
4.1.1. Cấu trúc ...............................................................................................................................36
4.1.2. Kết quả mô phỏng ...............................................................................................................37
4.2.
HỆ THỐNG ĐIỆN CHUẨN IEEE 69 NÚT: .........................................................................46
4.2.1. Cấu trúc ...............................................................................................................................46
4.2.2. Kết quả mô phỏng với số lượng nút lắp tụ bù cho phép tối đa bằng 3: .........................46
Chương 5 ...............................................................................................................................................50
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ......................................................................50
5.1.
KẾT LUẬN ..........................................................................................................................50
5.2.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ................................................................................50
xii
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS. Võ Ngọc Điều
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................................51
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG....................................................................................................................53
xiii
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS. Võ Ngọc Điều
Chương 1
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong quá trình sản xuất, truyền tải và phân phối điện năng thì tỷ lệ tổn thất hiện
nay vẫn rất lớn do phải truyền một lượng lớn công suất phản kháng lớn (CSPK)
từ nguồn đến tải, trong đó phần lớn tổn thất điện năng xảy ra trong lưới điện
phân phối do nhiều nguyên nhân như đường dây phức tạp nhiều mối nối, phát
tuyến; do tải tiêu thụ CSPK như động cơ không đồng bộ, đèn huỳnh quang và
các thiết bị dân dụng khác; do tổn hao trong máy biến áp phân phối, ...
Để giải quyết vấn đề tổn hao do truyền CSPK trong lưới điện, phương pháp bù
CSPK được áp dụng và phổ biến nhất vẫn là lắp đặt bù CSPK bằng tụ bù. Tuy
nhiên, hiện nay hiệu quả bù CSPK bằng tụ bù vẫn chưa cao do được chọn theo
cơng thức tính tốn đơn giản mà chưa được tính tốn tối ưu.
1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Để giảm tổn hao công suất lưới điện phân phối, luận văn này đặt vấn đề nghiên
cứu bù tối ưu dung lượng và vị trí lắp đặt tụ bù tối ưu cos(φ) trong mạng điện
với hàm mục tiêu cực tiểu tổn thất công suất và độ lệch điện áp, có xét đến các
yếu tố điều kiện ràng buộc về dung lượng tụ bù tối đa, giới hạn điện áp và số
lượng vị trí cho phép lắp đặt tụ bù.
1.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
1.3.1.
Đối tượng nghiên cứu
Nội dung luận văn nghiên cứu tính tốn xác định vị trí, dung lượng bù cho một
lưới điện, cụ thể là lưới điện mẫu IEEE 33 nút và 69 nút.
1.3.2.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu lý thuyết các vấn đề kỹ thuật liên quan đến lắp đặt tụ bù tối ưu cho
lưới điện, áp dụng tính tốn bù tối ưu cho lưới điện mẫu IEEE 33 nút và IEEE
69 nút sử dụng phương pháp mô phỏng học tập con người (HLO)
1
HVTH: Nguyễn Hữu Chiến
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS. Võ Ngọc Điều
1.4. NỘI DUNG LUẬN VĂN
Chương 1: Giới thiệu chung.
Chương 2: Tổng quan về lưới điện phân phối, bài toán CAPO và các phương pháp
được áp dụng giải bài toán CAPO.
Chương 3: Xây dựng bài toán capo và ứng dụng thuận toán HLO để giải bài tốn
CAPO.
Chương 4: Kết quả mơ phỏng.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài.
2
HVTH: Nguyễn Hữu Chiến
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS. Võ Ngọc Điều
Chương 2
TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI, BÀI TOÁN CAPO VÀ CÁC
PHƯƠNG PHÁP ĐƯỢC ÁP DỤNG GIẢI BÀI TOÁN CAPO
2.1.
GIỚI THIỆU VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Trong hệ thống điện gồm 4 thành phần cấu thành: máy phát điện, lưới điện
truyền tải, lưới điện phân phối và phụ tải, trong đó lưới điện phân phối là phức
tạp nhất nhận nhiệm vụ truyền năng lượng từ lưới truyền tải đến phụ tải tiêu thụ.
Lưới điện phân phối là lưới điện gồm các phần tử từ các trạm trung gian địa
phương đến các trạm phụ tải (trạm phân phối), được chia thành lưới phân phối
trung áp (6-35kV) và phân phối hạ áp (220-380V).
Đặc điểm lưới điện phân phối hiện nay có thành phần tổn hao công suất rất lớn
do phải truyền một lượng lớn công suất đến các phụ tải tiêu thụ như động cơ
không đồng bộ, đèn huỳnh quang, … do các phần tử này tiêu thụ một lượng
CSPK khá lớn.
Để giảm tổn hao CSPK thì phương pháp bù cơng suất phản tối ưu được đặt ra và
phổ biến nhất vẫn là lắp đặt tụ bù CSPK.
2.2.
SỰ TIÊU THỤ VÀ CÁC NGUỒN PHÁT CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG
TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
2.2.1.
Sự tiêu thụ công suất phản kháng
Trong lưới điện phân phối, CSPK được tiêu thụ ở: Động cơ không đồng bộ, máy
biến áp, kháng điện trên đường dây tải điện và ở các phần tử, thiết bị có liên
quan đến từ trường. Yêu cầu về CSPK chỉ có thể giảm đến mức tối thiểu chứ
khơng thể triệt tiêu được vì nó cần thiết để tạo ra từ trường:
x Động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ là thiết bị tiêu thụ CSPK chính trong lưới điện,
chiếm khoảng 60 – 65%;
CSPK của động cơ không đồng bộ gồm hai thành phần:
3
HVTH: Nguyễn Hữu Chiến
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS. Võ Ngọc Điều
Một phần nhỏ CSPK được sử dụng để sinh ra từ trường tản trong mạch
điện sơ cấp
Phần lớn CSPK còn lại dùng để sinh ra từ trường khe hở
x Máy biến áp
MBA tiêu thụ khoảng 22 đến 25% nhu cầu CSPK tổng của lưới điện, nhỏ
hơn nhu cầu của các động cơ không đồng bộ do CSPK dùng để từ hóa lõi
thép máy biến áp khơng lớn so với động cơ khơng đồng bộ, vì khơng có khe
hở khơng khí. Nhưng do số thiết bị và tổng dung lượng lớn, nên nhu cầu
tổng CSPK của MBA cũng rất đáng kể.
CSPK tiêu thụ bởi MBA gồm hai thành phần:
CSPK được dùng để từ hóa lõi thép
CSPK tản từ máy biến áp
x Đèn huỳnh quang
Thông thường các đèn huỳnh quang vận hành có một chấn lưu để hạn chế
dòng điện. Tùy theo điện cảm của chấn lưu, hệ số công suất chưa được hiệu
chỉnh cosφ của chấn lưu nằm trong khoảng 0,3 đến 0,5.
Các đèn huỳnh quang hiện đại có bộ khởi động điện từ, hệ số công suất
chưa được hiểu chỉnh cosφ thường gần bằng 1. Do vậy không cần hiệu
chỉnh hệ số công suất của thiết bị này. Tuy nhiên, khi các thiết bị điện tử này
khởi động thì sinh ra các sóng hài.
2.2.2.
Nguồn phát công suất phản kháng trên lưới điện
Khả năng phát CSPK của Nhà máy điện là rất hạn chế, do hệ số sơng suất nhà
máy phải đảm bảo ≥0,8. Vì lý do kinh tế người ta không phát CSPK từ nhà máy
điện đến phụ tải, các máy phát chỉ đảm đương một phần nhu cầu phụ tải, phần
còn lại do các thiết bị bù phụ trách (máy bù đồng bộ, tụ điện)
Các nguồn phát CSPK chính trong lưới điện:
4
HVTH: Nguyễn Hữu Chiến
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS. Võ Ngọc Điều
x Máy bù đồng bộ
Máy bù đồng bộ là loại máy điện đồng bộ chạy không tải dùng để phát hoặc
tiêu thụ CSPK. Máy bù đồng bộ là phương pháp cổ điển 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.
Nếu ta tăng dịng điện kích từ ikt lên (q kích thích, dịng điện của máy bù
đồng bộ sẽ vượt trước điện áp trên cực của nó một góc 900) thì máy phát ra
CSPK Qb phát lên mạng điện. Ngược lại, nếu ta giảm dịng kích từ ikt (kích
thích non, E < U, dịng điện chậm sau điện áp 900) thì máy bù sẽ biến thành
phụ tải tiêu thụ CSPK. Vậy máy bù đồng bộ có thể tiêu thụ hoặc phát ra
CSPK.
x Tụ điện tĩnh
Tụ điện tĩnh là một đơn vị hoặc một dãy đơn vị tụ nối với nhau 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 cấp
CSPK trực tiếp cấp cho tải 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
(2.1)
Trong đó:
U có đơn vị là kV
f tần số có đơn vị là Hz
5
HVTH: Nguyễn Hữu Chiến
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS. Võ Ngọc Điều
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 giảm điện áp xuống mức an
toàn cho người vận hành, thường áp dụng theo tiêu chuẩn quốc tế là nhỏ hơn
50V/5phút hoặc xuống dưới mức 75V/10 phút.
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. Và 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 cơng 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 <0,2W/kVAr đối với hầu hết
các nhà cung cấp tụ bù trung thế.
Tụ điện vận hành đơn giản, độ tin cậy cao hơn máy bù đồng bộ do máy
điện đồng bộ có những bộ phận quay, chổi than, ... dễ bị sự cố lúc vận
hành.
Trong lúc vận hành nếu một tụ trong giàn bị sự cố sẽ dễ dàng thay thế
đơn vị tụ đó trong khi nếu máy bù đồng bộ hỏng sẽ mất toàn bộ dung
lượng bù, ảnh hưởng sẽ rất lớn.
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.
Chi phí mỗi kVAr của tụ điện rẻ hơn so với máy bù đồng bộ. Tổn thất
công suất tác dụng trong tụ điện bé (tiêu chuẩn thiết kế các hãng lớn hiện
nay <0,2W/kVAr) trong khi máy điện đồng bộ có tổn hao công suất thực
lớn hơn nhiều (vào khoảng 1,33-3,2)% công suất định mức.
6
HVTH: Nguyễn Hữu Chiến
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS. Võ Ngọc Điều
Song 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 CSPK tỷ lệ bình phương với
điện áp:
2
Q = I XC
U2
ZCU 2
1/ZC
(2.2)
Tụ điện có cấu tạo kém chắc chắn vì vậy dễ bị phá hỏng khi xảy ra ngắn
mạch
Khi điện áp tăng quá 1,1Un 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 nên hiện
nay các nhà sản xuất tụ bù đều tích hợp điện trở xả bên trong.
Bù bằng tụ điện sẽ khó khăn trong việc tự động điều chỉnh dung lượng
bù một cách liên tục (bù nhuyễn).
2.3.
BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG TRÊN LƯỚI ĐIỆN
2.3.1.
Các phương thức bù công suất phản kháng vào lưới điện
Bù tự nhiên: Nâng cao cosφ tự nhiên có nghĩa là tìm các biện pháp để tải tiêu
thụ điện giảm bớt được lượng CSPK mà chúng cần có ở nguồn cung cấp như:
Thay đổi và cải tiến công nghệ để các thiết bị điện làm việc ở chế độ hợp lý
nhất.
Thay thế động cơ làm việc non tải bằng những động cơ có cơng suất nhỏ
hơn.
Hạn chế động cơ chạy không tải.
Thay máy biến áp làm việc non tải bằng biến áp có dung lượng nhỏ hơn.
Bù nhân tạo: Phương pháp này được thực hiện bằng cách đặt các thiết bị bù
CSPK ở các điểm thiếu CSPK. Các thiết bị bù CSPK bao gồm máy điện đồng bộ
hoặc tụ điện và với ưu nhược điểm như phân tích ở trên thì hiện nay hầu hết
CSPK trên lưới được bù bằng tụ điện.
7
HVTH: Nguyễn Hữu Chiến
Luận văn thạc sĩ
2.3.2.
CBHD: PGS.TS. Võ Ngọc Điều
Các kiểu bù công suất phản kháng thường sử dụng
Bù cố định: Bố trí bù gồm một hoặc nhiều tụ bù tạo nên lượng bù không đổi.
Ưu điểm: đơn giản và giá thành không cao.
Nhược điểm: khi tải dao động có khả năng dẫn đến việc bù thừa hoặc thiếu.
Vì vậy, phương pháp này áp dụng đối với những tải ít thay đổi hoặc kết hợp
với 1 hệ thống bù ứng động.
Bù điều khiển tự động (bù ứng động): Sử dụng các bộ tụ bù tự động hay còn
gọi là tủ điện tụ bù tự động, có khả năng thay đổi dung lượng tụ bù để đảm bảo
hệ số công suất đạt được giá trị mong muốn.
Ưu điểm: không gây ra hiện tượng bù thừa và đảm bảo được hệ số cơng suất
mong muốn.
Nhược điểm: chi phí lớn hơn so với bù tĩnh. --> Vì vậy, phương pháp này áp
dụng tại các vị trí mà cơng suất tác dụng và CSPK thay đổi trong phạm vi
rộng.
2.3.3.
Các tiêu chí bù cơng suất phản kháng trên lưới điện phân phối.
Nâng cao hệ số cosφ đường dây
Đảm bảo mức điện áp cho phép
Giảm tổn thất công suất
Chi phí đầu tư hợp lý
2.3.4.
Nhận xét
CSPK là một phần không thể thiếu của các thiết bị trong hệ thống điện (máy biến
áp, động cơ điện,…), thành phần này gây nên tổn thất điện năng, tổn thất điện áp,
làm tăng cơng suất truyền tải dẫn đến tăng chi phí xây lắp đặt, xây mới các nhà máy
điện…, Vì vậy cần phải có những biện pháp để giảm lượng tổn thất công suất
truyền tải trên lưới điện càng thấp càng tốt và một trong những biện pháp đơn giản,
hiệu quả nhất đó là bù CSPK.
8
HVTH: Nguyễn Hữu Chiến
Luận văn thạc sĩ
2.4.
CBHD: PGS.TS. Võ Ngọc Điều
GIỚI THIỆU BÀI TOÁN CAPO (CAPACITOR PLACEMENT
OPTIMIZATION)
Các điện lực và khách hàng hiện nay ngày càng chú trọng đến chất lượng điện
năng (độ lệch điện áp, dòng điện hoặc tần số) và chi phí vận hành lâu dài.
Trong q trình sản xuất, truyền tải và tiêu thụ điện năng, ngoài đảm bảo cơng
suất cấp đủ đến nhu cầu phụ tải thì cịn phải quan tâm đến vấn đề tổn thất cơng
suất gây lãng phí trong q trình này cũng như gây ảnh hưởng đến vận hành ổn
định hệ thống.
Việc bù suất phản kháng như thế nào là hợp lý nhằm ổn định điện áp trong vận
hành và giảm thiểu tổn thất điện năng, đem lại hiệu quả kinh tế cao là bài tốn
được đặt ra giải quyết và địi hỏi phải có một thuật tốn xác định vị trí, dung
lượng cho các phần tử tụ bù tối ưu trong hệ thống điện.
Từ nhu cầu trên, bài toán lắp đặt tụ bù tối ưu (CAPO) được đặt ra.
Bài toán CAPO xác định vị trí và dung lượng tụ bù thường được giải bằng
phương pháp mơ hình hóa bài tốn về dạng toán học rồi sử dụng các thuật toán
toán học tìm ra lời giải tối ưu dựa trên các ràng buộc có trước. Một bài tốn gồm
các biến, hàm mục tiêu và các ràng buộc.
Hàm mục tiêu là hàm của các biến. Hàm mục tiêu để tối ưu bài tốn xác định vị
trí và dung lượng tụ bù trong lưới điện bao gồm: tổn thất công suất và độ lệch
điện áp nút tải [1].
Ràng buộc: giới hạn điện áp hiệu dụng, công suất bù tối đa, số lượng nút cho
phép lắp đặt tụ bù.
Các phương pháp trí tuệ nhân tạo thường sử dụng trong bài tốn tối ưu vị trí và
dung lượng tụ bù trong lưới điện phân phối như trình bày ở các mục sau:
2.4.1.
Phương pháp DE (Differential Evolution) [2]
DE là một thuật toán tiến hóa được đề xuất bởi Storn and Price vào năm 1997.
Phương pháp DE cho thấy hiệu quả trong việc giải quyết bài tốn tối ưu khơng
tuyến tính với nhiều điều kiện ràng buộc. DE có ưu điểm hơn các phương pháp
9
HVTH: Nguyễn Hữu Chiến
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS. Võ Ngọc Điều
tiến hóa khác đó là cấu trúc đơn giản, gọn, ít thơng số điều khiển và điểm hội tụ
cao.
Hàm mục tiêu CAPO là cực tiểu tổn hao công suất và độ lệch điện áp.
Hàm mục tiêu là tổng 2 hàm tổn hao công suất tác dụng và độ lệch điện áp
trung bình:
F ( x, u )
>
@
1 n
Gij Vi 2 V j2 2ViV j cos(G i G j ) + σୀଵȁܸ כെ ܸ ȁ
¦
2 i, j
(2.3)
Trong đó:
Gij: là điện dẫn đường dây i-j
Vi, Vj: là điện áp tại nút i, j
δi, δj: là góc lệch của điện áp hai nút i, j
Vi*: là điện áp định mức lại nút i
Vi: là điện áp thực đơn vị tại nút i
Với các điều kiện ràng buộc là các đẳng thức:
Điện áp tại nút tải:
Vti ,min d Vti d Vti ,max ; i 1,..., n
Giới hạn công suất tụ bù ngang:
Qci ,min d Qci d Qci ,max ; i 1,..., Nc
Giới hạn số lượng nút tải cho phép lắp đặt tụ bù.
10
HVTH: Nguyễn Hữu Chiến
Luận văn thạc sĩ
CBHD: PGS.TS. Võ Ngọc Điều
Sơ đồ thuật tốn DE giải bài tốn CAPO:
Bắt đầu
Cài đặt thơng số
Khởi tạo quần thể riêng biệt
Ước lượng quần thể riêng biệt
Thực hiện phép tính đột biến
Tăng số lần đếm
Thực hiện phép tính giao nhau
Thực hiện phép tính chọn lựa
Sai
Tiêu chuẩn
dừng
Đúng
Dừng
Hình 2.1: Sơ đồ thuật toán DE
2.4.2.
Phương pháp ACO (Ant Colony Optimization) [3]
Một trong những phương pháp tiến hóa dựa trên trí thơng minh nhân tạo được
giới thiệu gần đây là phương pháp ACO được đề xuất bởi Marco Dorigo năm
1992. ACO đưa ra cách tiếp cận mới mạnh mẽ và hiệu quả hơn cho những bài
tốn tối ưu hóa phức tạp, thuật toán này tiêu biểu cho việc sử dụng mơ hình xác
suất để tìm lời giải tối ưu. Phương pháp này dựa trên cách cư xử của đàn kiến đi
tìm thức ăn. Trong khi tìm thức ăn các cá thể kiến tự động khởi tạo xung quanh
11
HVTH: Nguyễn Hữu Chiến
