Qui hoạch thiết kế hệ thống cung cấp điện có xét đến khả năng tham gia của nguồn điện phân tán và giá điện

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Vũ Văn Thắng

QUI HOẠCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN
CÓ XÉT ĐẾN KHẢ NĂNG THAM GIA CỦA NGUỒN ĐIỆN
PHÂN TÁN VÀ GIÁ ĐIỆN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội - 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Vũ Văn Thắng

QUI HOẠCH THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN
CÓ XÉT ĐẾN KHẢ NĂNG THAM GIA CỦA NGUỒN ĐIỆN
PHÂN TÁN VÀ GIÁ ĐIỆN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 62520202

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS. TS Đặng Quốc Thống
2. TS. Bạch Quốc Khánh

Hà Nội - 2015


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong
bất kỳ cơng trình nào khác.
TẬP THỂ HƯỚNG DẪN

Người hướng dẫn
khoa học 1

Người hướng dẫn
khoa học 2

PGS.TS Đặng Quốc Thống

TS. Bạch Quốc Khánh

Tác giả luận án

Vũ Văn Thắng

i


LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu của mình, tơi đã nhận được nhiều ý
kiến đóng góp, động viên từ các thầy cô giáo, các bạn đồng nghiệp và người thân
trong gia đình.
Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn tới PGS.TS Đặng Quốc Thống và
TS. Bạch Quốc Khánh đã tận tình hướng dẫn, ln hỗ trợ và khích lệ trong suốt
bốn năm qua để tơi có thể hồn thành được luận án của mình.
Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới GS.TSKH Trần Đình Long, GS.TS
Lã Văn Út, PGS.TS Trần Bách, PGS.TS Nguyễn Lân Tráng, TS Đinh Quang
Huy, TS Đỗ Xuân Khôi cùng các thầy cô giáo trong bộ môn Hệ thống điện Viện Điện - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã cho tơi những ý kiến q báu
trong suốt q trình học tập và nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Kỹ thuật Công
nghiệp cùng các đồng nghiệp ở bộ môn Hệ thống điện - Khoa Điện - Trường Đại
học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện về thời gian và có những ý kiến đóng
góp bổ sung cho luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách khoa Hà
Nội, Viện đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo những
điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tơi hồn thành nội dung nghiên cứu.
Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới cha mẹ tôi, vợ tôi và
những người thân trong gia đình đã ln động viên, khích lệ cho tơi động lực để
có thể hồn thành được luận án này.
Tác giả luận án

Vũ Văn Thắng

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN..................................................................................................... ii

MỤC LỤC ......................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT......................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................. ix
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... xi
1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................... xi
2. Mục đích nghiên cứu .............................................................................. xii
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................... xii
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn............................................................... xiii
5. Nội dung nghiên cứu.............................................................................. xiii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ QUI HOẠCH HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN 1
1.1 Giới thiệu ................................................................................................ 1
1.2 HTCCĐ Việt Nam và một số vấn đề về qui hoạch................................ 1
1.2.1 Hiện trạng HTCCĐ Việt Nam.......................................................... 1
1.2.2 Những tồn tại và vấn đề qui hoạch HTCCĐ..................................... 2
1.3 Nguồn điện phân tán .............................................................................. 3
1.3.1 Tổng quan về nguồn điện phân tán................................................... 3
1.3.2 Công nghệ và đặc điểm của nguồn điện phân tán ............................. 3
1.3.2.1
1.3.2.2
1.3.2.3
1.3.2.4

Thủy điện nhỏ ................................................................................4
Điện gió.........................................................................................4
Điện mặt trời .................................................................................5
Tuabin khí và máy phát diesel........................................................6

1.4 Bài toán qui hoạch phát triển HTCCĐ ................................................. 6
1.4.1 Tổng quan bài toán qui hoạch HTCCĐ ............................................ 6

1.4.1.1 Mục tiêu.........................................................................................6
1.4.1.2 Những bước cơ bản của bài toán qui hoạch HTCCĐ .....................6
1.4.1.3 Một số bài toán qui hoạch HTCCĐ................................................6

1.4.2 Phân tích và lựa chọn phương pháp qui hoạch HTCCĐ ................... 8
1.4.2.1 Qui hoạch theo tiêu chuẩn .............................................................8
1.4.2.2 Qui hoạch tốn học........................................................................8
1.4.2.3 Phân tích và lựa chọn phương pháp qui hoạch ..............................9

1.4.3 Bài toán qui hoạch toán học tổng qt.............................................. 9
1.4.3.1 Mơ hình tốn .................................................................................9
1.4.3.2 Phân loại bài toán qui hoạch ....................................................... 10

1.4.4 Những thay đổi gần đây trong qui hoạch HTCCĐ.......................... 11
iii


1.4.4.1 Sự tham gia của các nguồn điện phân tán.................................... 11
1.4.4.2 Yếu tố giá điện............................................................................. 12

1.4.5 Các chỉ tiêu kinh tế đánh giá phương án đầu tư .............................. 12
1.5 Qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của các DG........ 15
1.5.1 Mơ hình bài tốn qui hoạch HTCCĐ.............................................. 15
1.5.2 Phương pháp, thuật toán giải bài toán qui hoạch HTCCĐ .............. 18
1.6 Đánh giá và lựa chọn công cụ tính tốn .............................................. 19
1.6.1 Giới thiệu chương trình GAMS...................................................... 19
1.6.2 Thuật tốn và solver MINOS trong chương trình GAMS ............... 21
1.6.3 Những yêu cầu khi lập bài toán qui hoạch HTCCĐ trong GAMS .. 25
1.7 Nhận xét và đề xuất những vấn đề cần nghiên cứu ............................ 26
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TỐN

QUI HOẠCH HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN................................................. 28
2.1 Đặt vấn đề ............................................................................................. 28
2.2 Phân tích một số đặc điểm của bài tốn qui hoạch HTCCĐ hiện nay30
2.2.1 Lựa chọn mơ hình qui hoạch HTCCĐ............................................ 30
2.2.2 Những đặc điểm cần nghiên cứu bổ sung ....................................... 32
2.2.2.1 Ràng buộc nâng cấp và hàm chi phí nâng cấp đường dây, TBA ... 32
2.2.2.2 Mơ hình cân bằng công suất nút AC ............................................ 33
2.2.2.3 Sử dụng ĐTPT điển hình trong tính tốn chi phí .......................... 34

2.3 Xây dựng mơ hình tốn qui hoạch HTCCĐ........................................ 35
2.3.1 Sơ đồ khối và qui trình tính tốn qui hoạch HTCCĐ...................... 35
2.3.2 Xây dựng mơ hình cơ sở (MCSD) ................................................. 39
2.3.2.1 Hàm mục tiêu của mơ hình cơ sở ................................................. 39
2.3.2.2 Các ràng buộc của mơ hình cơ sở ................................................ 46
2.3.2.3 Phân tích và nhận dạng mơ hình cơ sở......................................... 50

2.3.3 Xây dựng mơ hình hiệu chỉnh (MHCD) ......................................... 50
2.3.3.1 Hàm mục tiêu của mơ hình hiệu chỉnh ......................................... 50
2.3.3.2 Các ràng buộc của mơ hình hiệu chỉnh ........................................ 51
2.3.3.3 Phân tích và nhận dạng mơ hình hiệu chỉnh................................. 51

2.3.4 Đánh giá mơ hình đề xuất .............................................................. 53
2.4 Tính tốn áp dụng ................................................................................ 53
2.4.1 Đặt vấn đề...................................................................................... 53
2.4.2 Sơ đồ khối và mơ hình tính tốn .................................................... 53
2.4.3 Xây dựng chương trình tính tốn ................................................... 54
2.4.3.1 Lập modul nhập thơng số đầu vào và mơ tả bài tốn.................... 54
2.4.3.2 Sử dụng solver giải bài tốn tìm nghiệm tối ưu ............................ 56
2.4.3.3 Lập modul hiển thị kết quả........................................................... 56

iv


2.4.4 Ví dụ 1........................................................................................... 56
2.4.4.1 Lập mơ hình và tính tốn bước cơ sở ........................................... 57
2.4.4.2 Lập mơ hình và tính tốn bước hiệu chỉnh ................................... 61
2.4.4.3 Đánh giá hiệu quả của mơ hình đề xuất ....................................... 64

2.5 Nhận xét và kết luận chương 2 ............................................................ 65
CHƯƠNG 3. QUI HOẠCH HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN XÉT ĐẾN KHẢ
NĂNG THAM GIA CỦA CÁC LOẠI NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN ................ 67
3.1 Đặt vấn đề ............................................................................................. 67
3.2 Sơ đồ khối và qui trình tính tốn qui hoạch HTCCĐ khi xét đến đặc
điểm cơng nghệ của DG ....................................................................... 68
3.3 Qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của TBK hoặc máy
phát diesel ............................................................................................. 68
3.3.1 Xây dựng mơ hình tốn qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng
tham gia của TBK hoặc máy phát diesel .......................................... 68
3.3.1.1 Xây dựng mơ hình cơ sở............................................................... 68
3.3.1.2 Xây dựng mơ hình hiệu chỉnh....................................................... 74

3.3.2 Lập chương trình giải bài tốn qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả
năng tham gia của TBK, máy phát diesel ......................................... 76
3.3.3 Ví dụ 2........................................................................................... 76
3.3.3.1 Sơ đồ và thơng số của HTCCĐ .................................................... 76
3.3.3.2 Khai báo biến và dữ liệu đầu vào................................................. 77
3.3.3.3 Kết quả tính tốn ......................................................................... 78

3.3.4 Nhận xét ........................................................................................ 82
3.4 Qui hoạch HTCCĐ khi xét khả năng tham gia của TĐN................... 83

3.4.1 Xây dựng mơ hình tốn qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng
tham gia của TĐN............................................................................ 84
3.4.1.1 Xây dựng mơ hình cơ sở............................................................... 84
3.4.1.2 Xây dựng mơ hình hiệu chỉnh....................................................... 87

3.4.2 Lập chương trình tính tốn qui hoạch HTCCĐ khi xét khả năng tham
gia của TĐN .................................................................................... 88
3.4.3 Ví dụ 3........................................................................................... 88
3.4.3.1 Sơ đồ và thơng số của HTCCĐ .................................................... 88
3.4.3.2 Khai báo biến và dữ liệu đầu vào................................................. 89
3.4.3.3 Kết quả tính tốn ......................................................................... 89

3.4.4 Nhận xét ........................................................................................ 91
3.5 Qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của nhiều loại DG
............................................................................................................... 92
3.5.1 Xây dựng mơ hình tốn qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng
tham gia của nhiều loại DG.............................................................. 93
3.5.1.1 Xây dựng mơ hình cơ sở............................................................... 93

v


3.5.1.2 Xây dựng mơ hình hiệu chỉnh....................................................... 96

3.5.2 Lập chương trình tính tốn qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng
tham gia của nhiều loại DG.............................................................. 98
3.5.3 Ví dụ 4........................................................................................... 98
3.5.3.1 Sơ đồ và thông số HTCCĐ........................................................... 98
3.5.3.2 Khai báo biến và dữ liệu đầu vào................................................. 99
3.5.3.3 Kết quả tính toán ......................................................................... 99

3.5.4 Nhận xét ...................................................................................... 102
3.6 Nhận xét và kết luận chương 3 .......................................................... 103
CHƯƠNG 4. TÍNH TỐN ÁP DỤNG CHO QUI HOẠCH HỆ THỐNG CUNG
CẤP ĐIỆN VIỆT NAM .................................................................................. 105
4.1 Đặt vấn đề ........................................................................................... 105
4.2 Những giả thiết và thơng số tính tốn ............................................... 105
4.2.1 Những giả thiết chung.................................................................. 105
4.2.2 Suất chi phí của DG theo cơng nghệ ............................................ 106
4.2.3 Suất chi phí đầu tư đường dây và TBA ........................................ 107
4.2.4 Đặc tính giá bán điện ................................................................... 107
4.3 Tính tốn qui hoạch HTCCĐ trong khu vực 1 ................................. 108
4.3.1 Sơ đồ và thơng số tính tốn của hệ thống ..................................... 108
4.3.2 Kết quả tính tốn và thảo luận...................................................... 110
4.4 Tính tốn qui hoạch HTCCĐ trong khu vực 2 ................................. 114
4.4.1 Sơ đồ HTCCĐ và thơng số tính tốn............................................ 114
4.4.2 Kết quả tính tốn và thảo luận...................................................... 116
4.5 Những đánh giá và kết luận chương 4............................................... 120
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................... 121
1. Những nội dung cơ bản của luận án .................................................... 121
2. Những đóng góp của luận án................................................................ 122
3. Hướng nghiên cứu tiếp theo ................................................................. 123
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 124
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN............. 134
PHỤ LỤC ....................................................................................................... 135

vi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CCĐ
CF
CSPK
CSTD
CTPP
DG
ĐTPT
GAMS
HTCCĐ
HTĐ
KT-KT
LNP
LP
MBA
MCSD
MHCD
MINLP
MIP
PMT
TBA
TBK
TĐN
TTĐ

Cung cấp điện
Hệ số sử dụng DG (Capacity Factor)
Công suất phản kháng
Công suất tác dụng
Công ty phân phối
Nguồn điện phân tán (Distributed Generator)

Đồ thị phụ tải
Chương trình The General Algebraic Modeling System
Hệ thống cung cấp điện
Hệ thống điện
Kinh tế kỹ thuật
Qui hoạch phi tuyến (Nonlinear Programming)
Qui hoạch tuyến tính (Linear Programming)
Máy biến áp
Mơ hình cơ sở xét đến khả năng tham gia của DG
Mơ hình hiệu chỉnh xét đến khả năng tham gia của DG
Qui hoạch phi tuyến nguyên thực hỗn hợp (Mixed Integer Nonlinear
Programming)
Qui hoạch nguyên (Mixed Integer Programming)
Nguồn pin mặt trời (PV)
Trạm biến áp
Tuabin khí
Thủy điện nhỏ
Thị trường điện

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Những thay đổi trong mô hình bài tốn qui hoạch HTCCĐ................ 16
Bảng 1.2 Modul các thuật toán giải trong GAMS.............................................. 20
Bảng 2.1 Khai báo biến và tham số của HTCCĐ trong MCSD.......................... 49
Bảng 2.2 Khai báo biến và tham số của HTCCĐ trong MHCD ......................... 52
Bảng 2.3 Thông số đường dây của HTCCĐ 4 nút ............................................. 56
Bảng 2.4 Thông số nâng cấp của đường dây ..................................................... 61
Bảng 2.5 Thông số nâng cấp của TBA nguồn ................................................... 61

Bảng 2.6 Kết quả qui hoạch HTCCĐ 4 nút ....................................................... 63
Bảng 2.7 Một số chỉ tiêu KT-KT khi qui hoạch HTCCĐ 4 nút.......................... 63
Bảng 2.8 So sánh một số chỉ tiêu KT-KT khi tính theo Pmax và t....................... 64
Bảng 3.1 Khai báo biến và tham số của MCSD khi xét đến khả năng tham gia của
TBK hoặc máy phát diesel................................................................. 73
Bảng 3.2 Khai báo biến và tham số của MHCD khi xét đến khả năng tham gia
của TBK hoặc máy phát diesel........................................................... 75
Bảng 3.3 Phụ tải của HTCCĐ 7 nút .................................................................. 76
Bảng 3.4 Thông số đường dây của HTCCĐ 7 nút ............................................. 76
Bảng 3.5 Khai báo mảng dữ liệu và tham số của HTCCĐ 7 nút ........................ 77
Bảng 3.6 Khai báo tham số của máy phát diesel................................................ 77
Bảng 3.7 Khai báo giới hạn của biến và tham số của mơ hình ........................... 78
Bảng 3.8 Khai báo biến của chương trình.......................................................... 78
Bảng 3.9 Tổng dẫn nhánh đơn vị năm cơ sở...................................................... 78
Bảng 3.10 Lộ trình đầu tư, nâng cấp thiết bị của HTCCĐ khi xét khả năng tham
gia của máy phát diesel...................................................................... 79
Bảng 3.11 Quyết định nâng cấp đường dây và TBA.......................................... 79
Bảng 3.12 Công suất lớn nhất cần đáp ứng của thiết bị trong HTCCĐ 7 nút ..... 79
Bảng 3.13 Một số chỉ tiêu KT-KT khi qui hoạch HTCCĐ 7 nút....................... 80
Bảng 3.14 So sánh chỉ tiêu KT-KT của HTCCĐ trong hai bước tính ................ 81
Bảng 3.15 Khai báo biến và tham số của MCSD khi xét đến khả năng tham gia
của TĐN............................................................................................ 86
Bảng 3.16 Khai báo biến và tham số của MHCD khi xét đến khả năng tham gia
của TĐN............................................................................................ 88
Bảng 3.17 Tham số của TĐN............................................................................ 89
viii


Bảng 3.18 Khai báo biến của mơ hình khi xét khả năng tham gia của TĐN ...... 89
Bảng 3.19 Quyết định đầu tư TĐN.................................................................... 90

Bảng 3.20 Lộ trình qui hoạch HTCCĐ 7 nút khi xét khả năng tham gia của TĐN
.......................................................................................................... 90
Bảng 3.21 So sánh chỉ tiêu KT-KT của HTCCĐ khi có TĐN............................ 90
Bảng 3.22 Khai báo biến và tham số của MCSD khi xét đến khả năng tham gia
của nhiều loại DG.............................................................................. 96
Bảng 3.23 Khai báo biến và tham số của MHCD khi xét đến khả năng tham gia
của nhiều loại DG.............................................................................. 97
Bảng 3.24 Giới hạn công suất của các DG trong HTCCĐ 7 nút ........................ 98
Bảng 3.25 Suất chi phí đầu tư và vận hành của các DG..................................... 99
Bảng 3.26 Khai báo biến của bài toán qui hoạch HTCCĐ 7 nút ........................ 99
Bảng 3.27 Kết quả lựa chọn công suất DG và TBA nguồn trong bước cơ sở... 100
Bảng 3.28 Lộ trình đầu tư, nâng cấp thiết bị của HTCCĐ khi xét khả năng đầu tư
nhiều DG ......................................................................................... 100
Bảng 3.29 So sánh chỉ tiêu KT-KT của HTCCĐ khi có nhiều loại DG............ 100
Bảng 4.1 Suất chi phí xây dựng, vận hành và nhiên liệu của các DG............... 107
Bảng 4.2 Suất chi phí đầu tư, nâng cấp TBA và đường dây............................. 107
Bảng 4.3 Tuổi thọ của các thiết bị điện ........................................................... 107
Bảng 4.4 Lộ trình nâng cấp đường dây, TBA và đầu tư TĐN của HTCCĐ Ba Bể
........................................................................................................ 110
Bảng 4.5 Lộ trình nâng cấp thiết bị HTCCĐ Ba Bể khi không xét khả năng tham
gia của TĐN .................................................................................... 111
Bảng 4.6 So sánh một số chỉ tiêu KT-KT của HTCCĐ Ba Bể ......................... 112
Bảng 4.7 Thơng số và lộ trình nâng cấp tối ưu đường dây và TBA lộ 478, TBA
Thịnh Đán ....................................................................................... 116
Bảng 4.8 Một số chỉ tiêu KT-KT của lộ 478, TBA Thịnh Đán ........................ 117
Bảng 4.9 So sánh quyết định đầu tư trong các bước tính lộ 478, TBA Thịnh Đán
........................................................................................................ 119
Bảng 4.10 So sánh chỉ tiêu KT-KT trong các bước tính lộ 478, TBA Thịnh Đán
........................................................................................................ 119

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Sơ đồ các bước qui hoạch HTCCĐ...................................................... 7
Hình 1.2 Sơ đồ khối của solver MINOS giải bài toán phi tuyến ....................... 25
ix


Hình 2.1 Mơ hình hai bước qui hoạch HTCCĐ................................................ 31
Hình 2.2 Sơ đồ khối tính tốn qui hoạch HTCCĐ ............................................ 36
Hình 2.3 Sơ đồ HTCCĐ 4 nút.......................................................................... 56
Hình 2.4 Đồ thị phụ tải ngày điển hình giả thiết............................................... 57
Hình 2.5 Đặc tính giá bán điện......................................................................... 57
Hình 2.6 Tổn thất cơng suất lớn nhất của HTCCĐ 4 nút .................................. 64
Hình 2.7 Tổn thất điện áp lớn nhất của HTCCĐ 4 nút...................................... 64
Hình 2.8 So sánh tổn thất điện năng................................................................. 65
Hình 3.1 Sơ đồ HTCCĐ 7 nút.......................................................................... 76
Hình 3.2 Tổn thất cơng suất lớn nhất của HTCCĐ 7 nút .................................. 80
Hình 3.3 Phân tích độ nhậy theo suất chi phí nhiên liệu của máy phát diesel.... 81
Hình 3.4 Sơ đồ và thơng số HTCCĐ hình tia 7 nút .......................................... 88
Hình 3.5 Đặc tính cơng suất phát của TĐN ...................................................... 89
Hình 3.6 So sánh tổn thất công suất lớn nhất khi đầu tư TĐN .......................... 91
Hình 3.7 So sánh điện áp nhỏ nhất tại nút 4 khi đầu tư TĐN............................ 91
Hình 3.8 Đặc tính cơng suất phát của PMT (PV).............................................. 98
Hình 3.9 So sánh tổn thất công suất lớn nhất khi đầu tư nhiều DG................. 101
Hình 3.10 So sánh tổn thất điện áp lớn nhất khi đầu tư nhiều DG .................. 101
Hình 3.11 Phân tích độ nhậy theo suất chi phí đầu tư của PMT...................... 102
Hình 4.1 Sơ đồ HTCCĐ huyện Ba Bể, tỉnh Bắc Kạn ..................................... 109
Hình 4.2 Đồ thị phụ tải ngày điển hình của HTCCĐ Bắc Kạn [7] .................. 110
Hình 4.3 So sánh tổn thất công suất trong HTCCĐ Ba Bể.............................. 112
Hình 4.4 So sánh tổn thất điện năng của HTCCĐ Ba Bể................................ 113
Hình 4.5 So sánh điện năng nhận từ HTĐ của HTCCĐ Ba Bể ....................... 113

Hình 4.6 So sánh điện áp nút nhỏ nhất của HTCCĐ Ba Bể ............................ 113
Hình 4.7 Sơ đồ lộ 478, TBA 110kV Thịnh Đán ............................................. 115
Hình 4.8 Đồ thị phụ tải ngày điển hình của HTCCĐ Thái Ngun................. 116
Hình 4.9 Tổn thất cơng suất lớn nhất của lộ 478, TBA Thịnh Đán ................. 117
Hình 4.10 So sánh tổn thất điện năng của lộ 478, TBA Thịnh Đán................. 118
Hình 4.11 Điện áp nút nhỏ nhất của lộ 478, TBA Thịnh Đán ......................... 118
Hình 4.12 Độ nhậy của phương án đầu tư lộ 478, TBA Thịnh Đán ................ 118

x


MỞ ĐẦU
Qui hoạch HTCCĐ là vấn đề phức tạp với nhiều mục tiêu khác nhau như
đảm bảo hiệu quả kinh tế, cung cấp năng lượng tin cậy và không tác động xấu
đến mơi trường. Ngồi ra, nhiều yếu tố mang tính ngẫu nhiên và khơng chắc
chắn, số lượng biến rất lớn cũng làm tăng tính phức tạp của bài tốn.
Cùng với q trình phát triển của ngành điện, nhiều mơ hình và phương
pháp qui hoạch HTCCĐ đã được phát triển và ứng dụng thành công trong thực
tiễn với kết quả và giải pháp phù hợp. Tuy vậy, các mơ hình và phương pháp này
có thể được cải thiện, nâng cao hiệu quả khi sử dụng những giải pháp hoàn thiện
hơn nên các nghiên cứu vẫn tiếp tục được thực hiện bởi nhiều nhà khoa học trên
thế giới. Trong những năm gần đây, quá trình tái cơ cấu TTĐ theo xu hướng
cạnh tranh và công nghệ DG phát triển rất nhanh. Nhiều cơng cụ với khả năng
tính tốn mạnh, nhiều phương pháp và thuật toán mới đã được phát triển. Do đó,
cần nghiên cứu các mơ hình và phương pháp qui hoạch mới, hồn thiện hơn
nhằm nâng cao tính chính xác và đáp ứng được yêu cầu thực tiễn.

1. Tính cấp thiết của đề tài
Tốc độ tăng trưởng phụ tải điện nước ta khá cao trong hơn thập kỷ qua.
Trong giai đoạn (1999÷2010) tốc độ tăng trưởng đạt 13,84% [34], dự báo trong

giai đoạn (2010÷2015) đạt (14,1÷16,0)% và đạt khoảng (11,3÷11,6)% trong giai
đoạn (2016÷2020) tương ứng sản lượng năm 2020 đạt khoảng (330÷362)tỷ kWh
[44]. HTCCĐ cịn nhiều bất cập như nhiều cấp điện áp chồng chéo, thiết bị lạc
hậu, chất lượng điện năng và độ tin cậy CCĐ kém [42][44]. Do đó, qui hoạch
HTCCĐ cần phải được quan tâm thỏa đáng mới đáp ứng yêu cầu hiện nay.
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện và đưa ra những giải pháp như xây
dựng lộ trình qui hoạch dài hạn, thống nhất cho từng khu vực và từng miền. Đầu
tư nâng cấp đường dây và TBA, từng bước nâng cấp và thay thế các hệ thống cũ,
thiết bị lạc hậu, bổ sung các thiết bị mới và giảm bán kính cấp điện nhằm nâng
cao chất lượng điện và độ tin cậy CCĐ [3][23][42]. Tuy vậy, thực hiện các giải
pháp trên đòi hỏi lượng vốn đầu tư lớn, thời gian thực hiện dài nên qui hoạch
HTCCĐ nước ta trong thời gian tới cần những giải pháp hiệu quả và đột phá.
Trong thập kỷ tới, phụ tải của HTĐ Việt Nam vẫn tăng khá cao, các nguồn
năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường và làm thay
đổi hệ sinh thái [44]. Nghiên cứu phát triển và ứng dụng các công nghệ phát điện
mới có khả năng tái tạo, khơng gây ô nhiễm môi trường trong qui hoạch HTĐ nói
chung và qui hoạch HTCCĐ là yêu cầu cấp thiết hiện nay. Hơn nữa, TTĐ đã
được xây dựng thành công tại nhiều quốc gia trên thế giới trong những năm gần
đây và đang từng bước được ứng dụng để tái cơ cấu ngành điện Việt Nam theo
xu hướng cạnh tranh [10][11][33][36]. Công nghệ phát điện đã phát triển rất
xi


nhanh với nhiều nguồn năng lượng mới và tái tạo được thương mại hóa thành
cơng, có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng truyền thống [88][101][106]
[111][112][128][131][138][146][148][154]. Khi DG tham gia trong HTCCĐ sẽ
dẫn đến những thay đổi trong bài toán qui hoạch và cải tạo. Những thay đổi này
làm tăng tính phức tạp của bài tốn nhưng cũng mở ra những cơ hội để nâng cao
hiệu quả kinh tế và cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật của HTCCĐ [66][74][76].
Bài toán qui hoạch HTCCĐ đã được nghiên cứu và phát triển từ rất sớm với

nhiều phương pháp và mô hình qui hoạch được đề xuất. Nâng cấp thiết bị của hệ
thống (đường dây, TBA), bổ sung các đường dây mới và mở rộng sơ đồ hay bổ
sung thiết bị bù là bài toán qui hoạch cải tạo HTCCĐ đã được nhiều tác giả
nghiên cứu và đề xuất các mô hình tính tốn [68][79][104][137][139]. Ứng dụng
DG trong HTCCĐ và đặc tính giá điện thay đổi theo thời gian phụ thuộc vào cơ
cấu tải rất được quan tâm gần đây. Do đó, nhiều mơ hình qui hoạch HTCCĐ xét
đến khả năng tham gia DG đã được nghiên cứu và giới thiệu [50][60][70][71]
[122][124]. Những nghiên cứu này đã xét đến nhiều khía cạnh của bài toán qui
hoạch HTCCĐ khi tổng hợp DG. Tuy vậy, công suất của các DG thường thay đổi
phụ thuộc vào nguồn năng lượng sơ cấp, giá điện của các nguồn cung cấp cũng
thay đổi theo thời gian và vị trí kết nối trong HTĐ thì chưa được đề cập đầy đủ.
Từ phân tích trên, hướng nghiên cứu chính của luận án là bài tốn qui
hoạch HTCCĐ có xét đến khả năng tham gia của DG với đặc tính cơng suất phát
theo từng cơng nghệ, tổng hợp đặc tính giá điện và ĐTPT.

2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án là xây dựng cơ sở lý thuyết và phát triển
các phương pháp tính tốn KT-KT nhằm giải quyết một số khía cạnh của bài tốn
qui hoạch HTCCĐ khi xét đến các DG. Luận án sẽ tập trung nghiên cứu các mơ
hình qui hoạch HTCCĐ có xét đến khả năng tham gia của DG với đặc tính công
suất phát thay đổi phụ thuộc nguồn năng lượng sơ cấp. Mơ hình sẽ tổng hợp đặc
tính của giá bán điện và ĐTPT nhằm nâng cao tính chính xác của kết quả tính
tốn. Trên cơ sở đó, xây dựng các chương trình tính tốn và áp dụng cho bài tốn
qui hoạch HTCCĐ Việt Nam.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là các HTCCĐ trung áp, thuộc phạm vi
quản lý và vận hành cấp địa phương (các điện lực quận, huyện, thành phố, nhà
máy xí nghiệp…) hay CTPP.
Trong điều kiện HTCCĐ có các DG, luận án sẽ tập trung nghiên cứu phát

triển lý thuyết và các phương pháp tính tốn KT-KT của bài tốn qui hoạch

xii


HTCCĐ. Từ đó, xây dựng được mơ hình và chương trình tính tốn qui hoạch
HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của DG.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Bài toán qui hoạch HTCCĐ xét đến các DG ngày nay là vấn đề khoa học
hiện đại đang được nhiều nhà khoa học trên thế giới cũng như tại Việt Nam quan
tâm nghiên cứu. Luận án nghiên cứu xây dựng mơ hình tính tốn qui hoạch
HTCCĐ xét đến các DG với đặc trưng cơng nghệ qua đặc tính cơng suất phát,
tổng hợp ĐTPT và đặc tính giá điện. Biến nhị phân được sử dụng để biểu diễn
đặc tính chi phí phi tuyến có thành phần cố định của đường dây và TBA nguồn
phù hợp hơn với đặc tính chi phí thực tế đồng thời biểu diễn các ràng buộc nâng
cấp thiết bị từ dạng logic về các bất phương trình trong mơ hình tốn.
Chương trình tính tốn theo mơ hình đề xuất được lập trong chương trình
GAMS cho phép xét được đồng thời nhiều giải pháp trong bài toán qui hoạch
HTCCĐ cũng như đánh giá được rõ ràng hơn hiệu quả của từng giải pháp qua
các chỉ tiêu KT-KT của hệ thống.
Quá trình tái cơ cấu ngành điện nước ta đã được từng bước thực hiện, DG
đã được ứng dụng và có tiềm năng phát triển lớn. Các mơ hình đề xuất trong luận
án đã được tính tốn kiểm tra trên các HTCCĐ thực tế cho nhiều khu vực với đặc
điểm sử dụng DG điển hình bằng chương trình lập trong GAMS. Kết quả cho
thấy mơ hình và chương trình tính tốn phù hợp với những HTCCĐ thực tiễn. Do
đó, có thể được ứng dụng trong qui hoạch HTCCĐ Việt Nam.

5. Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của luận án gồm có phần mở đầu, phần kết luận và 4

chương. Tổng quan về HTCCĐ Việt Nam, những vấn đề tồn tại cần giải quyết và
cơ sở lý thuyết bài tốn qui hoạch HTCCĐ được trình bày trong chương 1.
Chương này sẽ tổng hợp và đánh giá các mơ hình, các thành phần của bài tốn
qui hoạch HTCCĐ. Phân tích những tác động của giá bán điện và DG làm thay
đổi hàm mục tiêu, các ràng buộc và mơ hình hóa các thành phần của bài tốn. Từ
đó, định hướng những vấn đề nghiên cứu của luận án.
Chương 2 trình bày những nghiên cứu trước đây về bài toán qui hoạch
HTCCĐ từ đó đề xuất mơ hình tốn hai bước qui hoạch HTCCĐ khi xét đến đặc
tính giá điện, ĐTPT ngày điển hình và DG. Mơ hình sử dụng hàm mục tiêu cực
tiểu chi phí vịng đời của phương án đầu tư với các ràng buộc đảm bảo yêu cầu
kỹ thuật. Trong bước cơ sở, mơ hình xác định tiết diện nâng cấp đường dây và
công suất bổ sung của TBA nguồn với biến lựa chọn sử dụng biến thực đồng thời
với thông số đầu tư tối ưu của DG. Kết quả tính tốn được lựa chọn lại theo
thơng số tiêu chuẩn của thiết bị, tổng trở của hệ thống được cập nhật theo thông
xiii


số đã nâng cấp và sử dụng làm thông số đầu vào của bước hiệu chỉnh. Mơ hình
hiệu chỉnh xác định lại thông số đầu tư tối ưu của DG cùng các chỉ tiêu kinh tế,
thông số chế độ của HTCCĐ theo thông số của thiết bị tiêu chuẩn nên cho kết
quả chính xác và gần với giá trị tối ưu hơn. Chương trình tính tốn được lập
trong GAMS và tính tốn minh họa trong những ví dụ đơn giản.
Chương 3 phát triển mơ hình qui hoạch hai bước đã đề xuất trong chương 2,
xây dựng mơ hình và chương trình tính tốn qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả
năng tham gia của từng loại DG theo công nghệ sử dụng năng lượng sơ cấp
(TBK hoặc máy phát diesel, TĐN, PMT…) hay xét đồng thời nhiều công nghệ
DG với đặc tính cơng suất phát, ĐTPT và đặc tính giá điện được tổng hợp trong
mơ hình. Hàm mục tiêu cực tiểu chi phí vịng đời, ràng buộc cân bằng cơng suất
nút AC và các ràng buộc kỹ thuật được sử dụng với biến lựa chọn là biến thực.
Những mơ hình đề xuất được tính tốn minh họa trong những ví dụ đơn giản

bằng chương trình lập trong GAMS. Kết quả cho thấy, thời gian tính tốn nhỏ và
kết quả tính tốn phù hợp.
Chương 4 sử dụng những chương trình đã lập tính tốn áp dụng trong bài
tốn qui hoạch cải tạo HTCCĐ thực tế tại Việt Nam. Những HTCCĐ trong các
khu vực có tiềm năng điển hình của các DG được lựa chọn để tính tốn kiểm tra.
Từ những nội dung nghiên cứu trên, kết cấu của luận án bao gồm:
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan về qui hoạch HTCCĐ
Chương 2. Xây dựng mơ hình và phương pháp giải bài tốn qui hoạch
HTCCĐ
Chương 3. Qui hoạch HTCCĐ xét đến khả năng tham gia của các loại
nguồn điện phân tán
Chương 4. Tính tốn áp dụng cho qui hoạch HTCCĐ Việt Nam
Kết luận và kiến nghị

xiv


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ QUI HOẠCH HỆ THỐNG CUNG
CẤP ĐIỆN
1

Chương 1, Equation Chapter 1 Section 1

1.1 Giới thiệu
Qui hoạch HTCCĐ là vấn đề không mới và đã được thực hiện ngay từ khi
hình thành và phát triển ngành cơng nghiệp điện lực. Tuy nhiên, sự phát triển của
các công cụ tính tốn, mơ phỏng bằng máy tính cũng như những thay đổi về môi
trường công nghiệp điện lực, sự phát triển của công nghệ DG gần đây đã dẫn tới
những thay đổi lớn trong công tác qui hoạch, thiết kế và vận hành HTCCĐ.

Tiến bộ về công nghệ chế tạo gần đây đã nâng cao hiệu suất, giảm chi phí
của các DG và trở thành nguồn thay thế khả thi cho các nguồn năng lượng truyền
thống. Quá trình tái cơ cấu TTĐ đã thúc đẩy phát triển và ứng dụng các DG đồng
thời khách hàng được lựa chọn nhà cung cấp dẫn đến giá bán điện và trào lưu
công suất thay đổi [115]. Vì vậy, bài tốn qui hoạch HTCCĐ cần xác định lộ
trình nâng cấp thiết bị của HTCCĐ đồng thời vấn đề lựa chọn công nghệ, vị trí,
cơng suất và thời gian đầu tư DG thay cho mua điện hoàn toàn từ HTĐ cần được
quan tâm nghiên cứu.
Phần tiếp theo sẽ nghiên cứu, thảo luận những vấn đề về qui hoạch HTCCĐ
nói chung và bài tốn qui hoạch HTCCĐ Việt Nam. Những thay đổi của bài toán
qui hoạch HTCCĐ khi xét đến DG. Từ đó, xác định những vấn đề cần nghiên
cứu, giải quyết.

1.2 HTCCĐ Việt Nam và một số vấn đề về qui hoạch
1.2.1 Hiện trạng HTCCĐ Việt Nam
HTCCĐ trung áp tại Việt Nam do hoàn cảnh lịch sử có những đặc điểm
riêng biệt như tồn tại nhiều cấp điện áp và mang tính đặc trưng theo miền và
vùng khá rõ nét. Miền Bắc sử dụng các cấp điện áp (6, 10, 22, 35)kV, miền
Trung sử dụng cấp điện áp (6, 10, 15, 22, 35)kV và miền Nam chỉ sử dụng cấp
điện áp (15, 22, 35)kV[42][44][23]. Năm 2007, tổng khối lượng lưới phân phối
có chiều dài 139.897,0km với cấu trúc ở khu vực thành phố, thị xã, khu đô thị và
khu công nghiệp theo sơ đồ mạch vòng vận hành hở, các khu vực còn lại thường
sử dụng sơ đồ hình tia.
Lưới phân phối khu vực miền Bắc không đồng nhất và được thể hiện theo
từng khu vực. Khu vực miền núi có mật độ phụ tải nhỏ, bán kính cấp điện lớn với
lưới 35kV là chủ yếu và chiếm tỷ trọng (70÷80)%. Các chỉ tiêu KT-KT không
đảm bảo do sử dụng nhiều loại dây dẫn, thiết bị chắp vá và xuống cấp. Tại khu
vực nông thơn và đồng bằng HTCCĐ đã được hình thành từ rất sớm, cấp điện áp
35kV chiếm (10÷20)%, (6, 10)kV chiếm (50÷60)%. Những năm gần đây, do phụ
tải tăng nhanh, các TBA trung gian 35/(6, 10)kV bị quá tải nên lưới điện 35kV

1


trở thành cấp phân phối và lưới 22kV từng bước được xây dựng thay thế lưới
điện (6, 10)kV, chiếm khoảng (20÷40)%. Phần lớn các TBA trung gian 35/(6,
10)kV đều đã xuống cấp và đầy tải. Chất lượng điện năng không đảm bảo và an
toàn CCĐ kém do đường dây cũ, tiết diện nhỏ, hệ số mang tải cao, bán kính cấp
điện lớn. Khu vực đô thị đã được đầu tư nâng cấp cải tạo thành lưới điện 22kV
với tỷ trọng khoảng (40÷60)%. Do đó, chất lượng điện đã được cải thiện, tổn thất
điện áp và tổn thất điện năng giảm.
Tại miền Nam, HTCCĐ sử dụng chủ yếu cấp điện áp 22kV và 15kV, tỷ
trọng lưới điện 22kV theo khối lượng đường dây chiếm 81,9%. Lưới điện 15kV
hầu hết được thiết kế theo tiêu chuẩn 22kV do đó việc nâng cấp thành 22kV rất
thuận lợi. Đường dây 22kV được tính tốn dự phòng lớn nên chất lượng của
HTCCĐ các tỉnh miền Nam về cơ bản có chất lượng tốt hơn khu vực miền Bắc.
HTCCĐ khu vực miền Trung mang đặc điểm của cả miền Bắc và miền
Nam với cấp điện áp (15, 22)kV chiếm tỷ trọng khá lớn khoảng (80÷90)%.
HTCCĐ khu vực miền Trung chủ yếu phát triển trong thời gian gần đây (sau năm
1994) và lưới (6, 10, 15)kV được thiết kế theo tiêu chuẩn 22kV. Do đó, việc cải
tạo nâng cấp tương đối thuận lợi.

1.2.2 Những tồn tại và vấn đề qui hoạch HTCCĐ
Từ những phân tích trên cho thấy, HTCCĐ Việt Nam còn tồn tại nhiều bất
cập theo từng khu vực và theo từng miền như nhiều cấp điện áp, khơng đồng bộ
gây khó khăn trong xây dựng và vận hành. Mật độ phụ tải tăng cao trong thời
gian gần đây dẫn đến một số cấp điện áp khơng cịn phù hợp do tổn thất cơng
suất và điện năng lớn. Ngoài ra, HTCCĐ được xây dựng và nâng cấp không theo
qui hoạch dài hạn, nhiều đường dây cũ, xuống cấp nên HTCCĐ chắp vá, lạc hậu.
Chất lượng điện năng và độ tin cậy CCĐ trong nhiều khu vực không đảm bảo.
Trong thời gian gần đây, bên cạnh các giải pháp qui hoạch cải tạo truyền

thống như nâng cấp đường dây và TBA, một giải pháp mới được khuyến khích
sử dụng là đầu tư DG trong một số điều kiện có thể cạnh tranh với các giải pháp
truyền thống. Hơn nữa, một số vấn đề như việc tái cơ cấu ngành điện theo mơ
hình TTĐ cạnh tranh và sự phát triển nhanh các cơng cụ tính tốn qui hoạch
khiến bài toán qui hoạch ứng dụng cho HTCCĐ trung áp ở Việt Nam cần xem
xét thêm một số vấn đề sau:
- Khả năng tham gia của DG với các dạng nguồn năng lượng sơ cấp khác
nhau trong qui hoạch HTCCĐ nhằm sử dụng được các nguồn năng lượng
mới và tái tạo đồng thời nâng cao hiệu quả của HTCCĐ
- Đưa các yếu tố liên quan đến TTĐ vào mơ hình qui hoạch HTCCĐ như giá
điện, ĐTPT…

2


1.3 Nguồn điện phân tán
1.3.1 Tổng quan về nguồn điện phân tán
Nguồn điện phân tán là nguồn điện được kết nối trực tiếp với HTCCĐ hoặc
cung cấp trực tiếp cho khách hàng [82][114][144], thường sử dụng công nghệ
mới như điện mặt trời, TĐN, điện gió, điện địa nhiệt, máy phát diesel, TBK, pin
nhiên liệu hay nhà máy điện-nhiệt kết hợp... DG có cơng suất nhỏ thường được
chế tạo theo dạng modul nên thời gian và không gian xây dựng nhỏ, có thể dễ
dàng bổ sung trong HTCCĐ.
DG là nguồn phát được lắp đặt gần nơi tiêu thụ nên loại trừ được những chi
phí truyền tải và phân phối, tăng cường linh hoạt và độ tin cậy của HTCCĐ, giảm
tổn thất công suất và tổn thất điện năng, cải thiện độ lệch điện áp nút và giảm ô
nhiễm môi trường [41][116][144]. Tuy nhiên, DG thường làm tăng tính phức tạp
trong đo lường, bảo vệ và vận hành hệ thống đồng thời vốn đầu tư thường lớn
theo từng công nghệ nên những nguồn này chưa được sử dụng rộng rãi.
Những năm đầu của thế kỷ XXI, công nghệ DG phát triển rất nhanh với chỉ

tiêu KT-KT ngày càng nâng cao đồng thời vấn đề ô nhiễm môi trường cũng được
quan tâm. Do đó, DG đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu và từng bước được
ứng dụng thành công tại nhiều nước trên thế giới [114]. Năm 2008 tổng công
suất đặt của PMT đạt 13,1GW với tốc độ phát triển trong giai đoạn (1998¸2008)
đạt 54% [88][146][147][148][153]. Tương tự, điện gió cũng được tập trung phát
triển rất mạnh tại Châu Âu và Bắc Mỹ với tốc độ phát triển đạt 21,4% trong giai
đoạn (1998÷2008), tổng cơng suất đặt năm 2008 là 121,19GW, dự báo đến năm
2020 đạt tới 1500,0GW [112][154][155]. Ngoài ra, TĐN và các DG sử dụng
năng lượng hóa thạch như máy phát TBK, máy phát diesel, pin nhiên liệu cũng
được nghiên cứu và phát triển rất mạnh mẽ [12][13][143].
DG cũng được sử dụng và có vai trị ngày càng quan trọng trong HTCCĐ
Việt Nam. Năm 2010 công suất của các nguồn này đạt 3,5% và dự báo đến năm
2020 đạt 4,5% tương ứng 3375,0MW[44]. Hiện nay, nhiều dự án sử dụng DG
đang được triển khai trong phạm vi cả nước [5][6][8][16][35][46][95].
Vì vậy, nghiên cứu ứng dụng DG trong qui hoạch HTCCĐ cần được đặc
biệt quan tâm với mục tiêu tăng cường sử dụng các nguồn năng lượng sạch và
nâng cao hiệu quả trong qui hoạch, vận hành HTCCĐ góp phần xây dựng và phát
triển hệ thống năng lượng bền vững.

1.3.2 Công nghệ và đặc điểm của nguồn điện phân tán
Nhiều công nghệ DG đã được phát triển và thương mại thành công trong
những năm gần đây với chỉ tiêu KT-KT ngày càng cải thiện như giới thiệu trong
các nghiên cứu [19][20][21][82][98][114][143][144].
3


1.3.2.1 Thủy điện nhỏ
TĐN sử dụng năng lượng của dòng chảy đã được phát triển và ứng dụng rất
rộng rãi do khơng tạo khí thải gây ơ nhiễm mơi trường, không sử dụng hồ chứa
nên không gây ngập lụt, không làm thay đổi hệ sinh thái… Tuy nhiên, vị trí của

chúng chỉ hạn chế ở những nơi có dịng chảy nên hiệu quả đối với HTCCĐ bị
hạn chế trong trường hợp khoảng cách truyền tải đến phụ tải xa.
Công suất của TĐN phụ thuộc vào chiều cao cột nước H và lưu lượng nước
qua tuabin Q theo biểu thức (1.1) với hiệu suất của hệ tuabin - máy phát h.
P = 9.81h Q H
(1.1)
Lưu lượng nước của dòng chảy là hàm của thời gian theo chu kỳ năm và
biến thiên khá lớn, lưu lượng nước mùa lũ có thể gấp 20 lần mùa cạn [22]. Xét
trong chu ngắn (một ngày đêm) thì lưu lượng nước hầu như khơng thay đổi [19].
Tuy nhiên, TĐN kiểu đường dẫn có hồ chứa với dung tích nhỏ nên khả năng điều
tiết yếu, cơng suất phát trong thời gian mùa mưa thường không thay đổi và bằng
công suất định mức. Trong những tháng mùa khô, nhà máy tập trung phát vào
giờ cao điểm để tận dụng giá bán cao. Do đó, đặc tính cơng suất phát của TĐN
cũng có thể là hàm của thời gian trong ngày và mùa trong năm.
1.3.2.2 Điện gió
Nhà máy điện gió biến đổi động năng của dịng khơng khí thành điện năng
nên không tiêu tốn nhiên liệu, không gây ô nhiễm mơi trường, có thể đặt gần nơi
tiêu thụ. Do đó, tránh được chi phí cho việc xây dựng đường dây tải điện, có thể
đặt ở những địa điểm và vị trí khác nhau với những giải pháp linh hoạt. Tuy
nhiên, gió là dạng năng lượng mang tính bất định cao nên khi đầu tư vào lĩnh vực
này cần có các số liệu thống kê đầy đủ, tin cậy đồng thời chi phí xây dựng nhà
máy điện gió là khá cao, địi hỏi vốn đầu tư lớn.
Cơng suất của máy phát điện gió khi vận tốc của gió v qua diện tích nhận
năng lượng của cánh tuabin S phụ thuộc vào mật độ khơng khí r và hàm bậc 3
của tốc độ gió như biểu thức (1.2) [13][53][76][138].
P=

1
r .S .v 3
2

(1.2)

Tốc độ gió thường khơng ổn định và thay đổi theo không gian và thời gian
nên công suất của máy phát gió cũng khơng ổn định, điều này gây khó khăn
trong vận hành HTĐ. Trong giai đoạn qui hoạch, công suất của máy phát điện
gió có thể tính tốn theo mơ hình tuyến tính được đề xuất trong [61][155] với các
hệ số được giả thiết là các hằng số không phụ thuộc tốc độ gió nên độ tin cậy
khơng cao. Gần đây, mơ hình phi tuyến bậc 2 được ứng dụng rộng rãi trong tính
tốn cơng suất phát của tuabin gió như biểu thức (1.3) [53][64][65][66][106].

4


ì0
ï
2
ï P (a + a .v + a2 .v )
Pv = í R 0 1
ï PR
ï0
ỵ

v £ vmin
vmin £ v £ vR
vR £ v £ vm ax

(1.3)

vmax £ v

Trong đó: Pv là cơng suất phát của tuabin gió phụ thuộc tốc độ gió; PR là
cơng suất định mức của tuabin gió; v là tốc độ gió qua tuabin; vmin là tốc độ gió
nhỏ nhất mà tuabin khơng thể làm việc, thường khoảng (3÷5)m/s; vR là tốc độ
gió định mức của tuabin, thường khoảng (11÷15)m/s; vmax là tốc độ gió giới hạn
của tuabin để đảm bảo an toàn về độ bền cơ, thường khoảng (18÷25)m/s; a0, a1
và a2 là các hệ số phụ thuộc vào tốc độ gió giới hạn hay đặc tính của tuabin gió
được xác định theo biểu thức (1.4).
a0 =
a1 =
a2 =

1

( vmin - vR )

2

1

( vmin - vR )

2

1

( vmin - vR )

2

évmin (vmin + vR ) - 4(vmin .vR ). ( (vmin + vR ) / 2vR )3 ù
ë
û
é 4(vmin .vR ). ( (vmin + vR ) / 2vR )3 - (3vmin + vR ) ù
ë
û

(1.4)

é 2 - 4 ( (vmin + vR ) / 2vR )3 ù
ë
û

Tuy nhiên, tốc độ gió phân bố theo hàm xác suất nên việc tính tốn qui
hoạch HTĐ nói chung và HTCCĐ nói riêng có máy phát điện gió tham gia cịn
gặp nhiều khó khăn.
1.3.2.3 Điện mặt trời
Năng lượng của tia bức xạ mặt trời có thể được chuyển đổi thành điện năng
theo phương thức nhà máy điện mặt trời hay trực tiếp qua PMT. PMT không làm
ô nhiễm môi trường, có thể thiết lập ngay tại khu dân cư nên khả năng ứng dụng
cao. Tuy vậy, chi phí xây dựng lớn là một rào cản nên cần có những chính sách
hỗ trợ phát triển nguồn năng lượng này trong tương lai.
Công suất phát của PMT phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời và có thể
xác định bởi nhiều mơ hình khác nhau [153]. Mơ hình vật lý có xét đến tính chất
vật lý của PMT nên cho kết quả tin cậy nhưng tính tốn rất phức tạp thường được
sử dụng cho kiểm tra tính năng của pin. Mơ hình tốn học có thể xác định được
trực tiếp cơng suất phát với khả năng tính tốn nhanh, đơn giản nên thích hợp cho
tính tốn qui hoạch hoặc vận hành PMT. Công suất của PMT phụ thuộc trực tiếp
vào bức xạ mặt trời được xác định như biểu thức (1.5) [153][131].
PDC = h AC .h å .Gå .S PV

(1.5)
Trong đó: GS là tổng xạ trên mặt phẳng quan sát có diện tích SPV như phụ
lục PL3; hAC là hiệu suất của bộ biến đổi DC/AC; hS là hiệu suất của các phần tử

5


DC trong hệ thống được xác định bởi ảnh hưởng của bụi làm giảm hiệu suất của
pin, nhiệt độ của môi trường và các dây nối…
Bức xạ mặt trời biến thiên theo thời gian và không gian, tại một vị trí xây
dựng cố định PMT có thể bỏ qua ảnh hưởng của không gian nên công suất phát
của PMT cũng là một hàm theo thời gian.
1.3.2.4 Tuabin khí và máy phát diesel
TBK và máy phát diesel vẫn sử dụng nhiên liệu hóa thạch nhưng với cơng
nghệ mới đã nâng cao được hiệu suất, giảm giá thành và giảm được nồng độ khí
thải. Ngồi ra, nguồn này được chế tạo dưới dạng modul, kích thước nhỏ, thời
gian xây dựng ngắn rất thuận lợi trong qui hoạch HTCCĐ đồng thời khơng chịu
tính bất định tự nhiên của nguồn năng lượng sơ cấp nên đặc tính cơng suất phát
khơng bị ràng buộc mà có thể đáp ứng theo u cầu của phụ tải.
Ngồi ra, một số công nghệ cũng được quan tâm phát triển trong thời gian
gần đây như điện địa nhiệt, nhiên liệu sinh khối, pin nhiên liệu và máy phát điện nhiệt kết hợp sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch…

1.4 Bài toán qui hoạch phát triển HTCCĐ
1.4.1 Tổng quan bài toán qui hoạch HTCCĐ
1.4.1.1 Mục tiêu
Mục tiêu của bài toán qui hoạch HTCCĐ là xác định lộ trình nâng cấp thiết
bị (đường dây và TBA), bổ sung nguồn cung cấp hay thiết bị bù nhằm đáp ứng
yêu cầu phụ tải trong tương lai đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế và các chỉ
tiêu kỹ thuật của hệ thống [54][55][57][77][90][150].
Hàm mục tiêu thường xác định qua các chỉ tiêu như cực tiểu chi phí đầu tư

xây dựng mới hoặc nâng cấp thiết bị, cực tiểu chi phí bảo dưỡng và vận hành hay
tổn thất công suất và tổn thất điện năng của HTCCĐ. Ngồi ra, một số trường
hợp cịn bổ sung thêm chỉ tiêu nâng cao chất lượng điện năng, độ tin cậy CCĐ và
giảm thiểu tác động của môi trường…
1.4.1.2 Những bước cơ bản của bài toán qui hoạch HTCCĐ
Nhìn chung, việc giải các bài tốn qui hoạch HTCCĐ có thể là một q
trình phức tạp với nhiều nội dung cần nghiên cứu giải quyết. Các tác giả trong
[77][150] đề xuất các bước tính tốn qui hoạch nói chung và qui hoạch cải tạo
HTCCĐ nói riêng như hình 1.1.
1.4.1.3 Một số bài toán qui hoạch HTCCĐ
Các HTCCĐ thường đã được hình thành và phát triển trong thời gian dài
với sơ đồ và cấu trúc nhất định. Do đó, bài toán qui hoạch HTCCĐ thường là bài
toán mở rộng và nâng cấp hệ thống đã có nhằm đáp ứng sự phát triển của phụ tải
6


đồng thời nâng cao hiệu quả của hệ thống (nâng cao độ tin cậy CCĐ, giảm chi
phí vận hành và bảo dưỡng...). Gần đây, cùng với quá trình hình thành và phát
triển TTĐ, xu hướng khuyến khích phát triển DG trong HTCCĐ đang rất được
quan tâm. Do đó, q trình cải tạo HTCCĐ thường nghiên cứu ứng dụng một số
bài toán sau đây [23][77][84][118][150].
Nghiên cứu phương án cải tạo

Cần xác định rõ vấn đề của hệ thống, phạm vi ứng dụng
và những giới hạn của chúng

Xây dựng hàm mục tiêu

Cần xác định mục tiêu cần đạt được là gì? Tối ưu chỉ
tiêu nào?

Xác định các giải pháp

Cần đánh giá tất cả các lựa chọn và giải pháp thay thế
trong cùng điều kiện

Đánh giá các giải pháp

Cần xác định những giải pháp thay thế có sẵn và khả thi

Lựa chọn giải pháp tốt nhất

Cần lựa chọn được giải pháp tốt nhất đáp ứng những
mục tiêu liên quan đến vấn đề cần giải quyết

Hình 1.1 Sơ đồ các bước qui hoạch HTCCĐ

a) Bài toán nâng cấp thiết bị của hệ thống
Cấu trúc của một số HTCCĐ thường đã phát triển ổn định và khó thay đổi
do hạn chế về khơng gian xây dựng đặc biệt trong các khu công nghiệp hay đô
thị. Phụ tải phát triển trong tương lai sẽ gây quá tải các đường dây và TBA, điện
áp tại các phụ tải xa nguồn có thể khơng đảm bảo [78][79][137][139]. Trong
trường hợp này, phương án nâng cấp đường dây và TBA của hệ thống sẽ được
xem xét để đáp ứng yêu cầu của phụ tải.
Bài toán xác định thời gian và công suất của các đường dây, TBA cần đầu
tư nâng cấp trong giai đoạn tính tốn. Điều kiện nâng cấp thường sử dụng giới
hạn phát nhiệt của đường dây và khả năng tải của TBA. Hàm mục tiêu thường là
cực tiểu tổn thất cơng suất hay cực tiểu chi phí của HTCCĐ.
b) Bài toán bổ sung nguồn điện phân tán
DG được ứng dụng ngày càng nhiều trong các HTCCĐ và có tác động tích

cực tới chỉ tiêu KT-KT của hệ thống [144][69][97][99]. Qui hoạch HTCCĐ có
xét đến khả năng tham gia của các DG là bài toán rất được quan tâm nghiên cứu
gần đây, trong đó vị trí, loại cơng nghệ, thời gian và công suất đầu tư DG là các
ẩn số cần được xác định.
c) Bài toán bổ sung thiết bị bù
Thiết bị bù CSPK thường được bổ sung khi hệ thống đảm bảo truyền tải
công suất nhưng chất lượng điện áp tại các phụ tải kém. Bài toán thường đặt ra
7


vấn đề lựa chọn vị trí và dung lượng tối ưu của thiết bị bù CSPK lắp đặt thêm
nhằm đạt được yêu cầu về điện áp đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế của
HTCCĐ. Vấn đề cần giải quyết là lựa chọn vị trí, dung lượng bù tối ưu khi ĐTPT
thay đổi theo thời gian trong ngày và mùa trong năm [40].
d) Bài toán mở rộng sơ đồ hệ thống
Bài toán mở rộng sơ đồ của hệ thống thường được xem xét khi qui hoạch
HTCCĐ [137][139]. Những đường dây mới được xây dựng để cung cấp cho
những phụ tải mới hoặc liên kết với TBA, nguồn cung cấp mới nhằm đáp ứng
yêu cầu phụ tải trong tương lai. Bài tốn thường xác định trước một số phương
án có thể mở rộng sơ đồ hệ thống. Từ đó, xác định thời gian và thông số của thiết
bị, đánh giá các chỉ tiêu KT-KT và chọn phương án tối ưu.
Luận án sẽ chủ yếu đi sâu nghiên cứu các bài toán a, b và c nhằm đánh giá
hiệu quả và khả năng ứng dụng DG trong qui hoạch các HTCCĐ tại Việt Nam.

1.4.2 Phân tích và lựa chọn phương pháp qui hoạch HTCCĐ
Nhìn chung, việc qui hoạch các HTCCĐ thường được thực hiện theo hai
hướng là qui hoạch theo tiêu chuẩn và qui hoạch toán học [23][24][25].
1.4.2.1 Qui hoạch theo tiêu chuẩn
Phương pháp qui hoạch theo tiêu chuẩn được đặc trưng bởi việc mở rộng
HTCCĐ hiện trạng theo từng bước với phương hướng phát triển của HTĐ dài

hạn theo định hướng chung đã được lựa chọn bởi các phân tích trực quan, có
quan hệ chặt chẽ với suy nghĩ của các chuyên gia. Do đó, so sánh đánh giá các
phương án theo các chỉ tiêu mang tính tổng hợp, phương án lựa chọn khả thi
trong thực tế. Tuy nhiên, do số lượng phương án đưa ra so sánh hạn chế, không
xét đến tác động của các biến quyết định nên có thể bỏ sót phương án và khơng
đảm bảo một lời giải tối ưu tồn cục.
1.4.2.2 Qui hoạch tốn học
Qui hoạch tốn học là phương pháp mơ hình hóa bài tốn qui hoạch HTĐ
về dạng toán học rồi dùng các thuật tốn tối ưu để tìm lời giải thỏa mãn tất cả các
ràng buộc. Mơ hình tối ưu tốn học của bài toán qui hoạch HTĐ gồm các biến,
các ràng buộc và một hàm mục tiêu.
Nhiều phương pháp đã được nghiên cứu để giải các bài toán qui hoạch
HTĐ. Bài toán qui hoạch tuyến tính có thể giải bằng thuật tốn đơn hình, thuật
tốn nhánh-cận… Bài tốn qui hoạch phi tuyến có thể được giải bằng các phương
pháp lặp (tuyến tính hóa, gradient), phương pháp Lagrange, tìm kiếm Tabu,
phương pháp Newton và Quasi-Newton…

8


Phương pháp qui hoạch toán học xét đến tác động lẫn nhau giữa các biến
quyết định (biến lựa chọn), biến trạng thái đồng thời có thể xét đến tất cả các
phương án có thể của hệ thống nên cho lời giải tối ưu và đảm bảo độ chính xác
cao. Tuy nhiên, do số lượng biến và các ràng buộc của hệ thống rất lớn nên rất
khó để giải quyết những bài tốn có qui mơ lớn. Khó khăn trên được khắc phục
khi đơn giản hóa các ràng buộc thực tiễn dẫn đến một lời giải tối ưu toán chưa
chắc là một phương án tối ưu trong thực tế.
Ngoài ra, áp dụng qui hoạch tốn học trong qui hoạch HTCCĐ cịn gặp khó
khăn khi khó biểu diễn mỗi quan hệ giữa tổng trở đường dây và MBA với biến
tiết diện của đường dây hay cơng suất MBA lựa chọn. Do đó, thường giả thiết

tổng trở của hệ thống không đổi và bằng thơng số năm cơ sở khi tính tốn các
biến lựa chọn. Thông số chế độ của hệ thống được tính tốn lại khi các biến lựa
chọn đã được xác định, điều này có thể gây sai số.
1.4.2.3 Phân tích và lựa chọn phương pháp qui hoạch
Trong những năm gần đây, tốc độ tính tốn của máy tính ngày càng được
nâng cao dần khắc phục được nhược điểm của phương pháp qui hoạch tốn học,
cho phép giảm thời gian tính tốn và có thể đưa thêm ngày càng nhiều tham số
sát với điều kiện thực tiễn.
Tuy vậy, phương pháp qui hoạch tốn học hiện vẫn chưa thể thay thế hồn
tồn phương pháp qui hoạch theo tiêu chuẩn mà thường sử dụng kết hợp cả hai
phương pháp. Trước hết, bằng phương pháp qui hoạch theo tiêu chuẩn, một số
phương án không khả thi sẽ được loại bớt theo điều kiện thực tiễn (chẳng hạn
hình dạng sơ đồ HTCCĐ). Sau đó, phương pháp qui hoạch tốn học sẽ được áp
dụng để tính toán và lựa chọn phương án tối ưu.
Hiện nay, HTCCĐ đã được xây dựng và cung cấp điện cho hầu hết các phụ
tải. Sơ đồ của lưới trung áp phụ thuộc nhiều vào điều kiện địa hình thực tế. Do
đó, qui hoạch HTCCĐ thường là bài toán nâng cấp thiết bị và xây dựng mới một
số đường dây hay TBA với sơ đồ đã xác định.
Từ phân tích trên, luận án nghiên cứu ứng dụng phương pháp qui hoạch
toán học trong bài toán qui hoạch HTCCĐ với sơ đồ cấu trúc trong giai đoạn qui
hoạch đã được xác định trước. Bài tốn qui hoạch tốn học được trình bày chi tiết
sau đây.

1.4.3 Bài toán qui hoạch toán học tổng quát
1.4.3.1 Mơ hình tốn
Bài tốn qui hoạch tốn học đã được đề xuất bởi Kantorovich từ năm 1939
và được ứng dụng trong nhiều ngành kinh tế quốc dân với mơ hình tổng quát
được phát biểu như sau [24][25]:
9