Xác định vị trí, dung lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện phân phối

TÓM TẮT
Hệ thống điện phân phối thường được quy hoạch và quản lý theo một hướng
công suất từ nguồn đến phụ tải. Hiện nay, với sự phát triển của các nguồn năng
lượng mới các máy phát phân tán (DG) được kết nối nhiều hơn vào hệ thống điện
phân phối. Việc kết nối DG vào lưới điện phân phối sẽ giúp nâng cao độ tin cậy và
khả năng cung cấp điện. Tuy nhiên, nó cũng địi hỏi một cấu hình lưới hợp lý để
nâng cao hiệu quả cung cấp điện.
Luận văn này tiếp cận bài tốn xác định vị trí và công suất máy phát điện phân
tán trên lưới điện phân phối có xét đến cấu trúc vận hành lưới điện với mục tiêu
là giảm tổn thất công suất tác dụng trên hệ thống phân phối. Giải pháp xác định
vị trí và công suất máy phát điện phân tán tối ưu và xác định cấu trúc vận hành được
thực hiện riêng rẽ bằng hai giai đoạn sử dụng thuật toán di truyền. Trong đó hai giai
đoạn, giai đoạn thứ nhất sử dụng thuật tốn di truyền xác định vị trí và công suất tối
ưu của các máy phát phân tán trên lưới điện phân phối kín, giai đoạn thứ hai, giải
thuật di truyền được sử dụng để xác định cấu trúc vận hành hở tối ưu của hệ thống.

ii


ABSTRACT
Power distribution systems are usually planned and managed in the direction
of power from the source to the load. At present, with the development of new
energy sources, dispersed generators (DGs) are more connected to the distribution
system. Connecting DG to distribution grid will improve reliability and power
supply. However, it also requires a reasonable grid configuration to improve the
efficiency of power supply.
This paper addresses the problem of determining the location and capacity of
distributed generators on distribution grid considering the structure of grid operation
with the aim of reducing power loss effect on distribution network. The optimal
dispersion generator location and capacity determination and operational structure
determination were performed separately using two phases using genetic

algorithms. In which two phases, the first phase uses the genetic algorithm to
determine the optimal location and capacity of dispersed generators on the closed
distribution grid, the second stage, the genetic algorithm used to determine the
optimum operating structure of the system

iii


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân
Lời cam đoan
Lời cảm ơn

i

Tóm tắt

ii

ABSTRACT

iii

Mục lục

iv

Danh sách các chữ viết tắt

vii

Danh sách các hình

viii

Danh sách các bảng

ix

Chương 1. TỔNG QUAN .............................................................................. 1
1.1

Đặt vấn đề .................................................................................................... 1

1.2

Các nghiên cứu liên quan đã công bố .......................................................... 2

1.3

Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài......................................................................... 4

1.4

Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................... 4

1.5

Phương pháp giải quyết bài toán ................................................................. 4

1.6

Điểm mới của đề tài ..................................................................................... 4

1.7

Giá trị thực tiễn của đề tài ............................................................................ 5

1.8

Bố cục của đề tài .......................................................................................... 5

Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................. 6
2.1

Tổng quan về LĐPP và DG ................................................................ 6

iv


2.1.1. Đặc điểm của lưới điện phân phối ................................................................... 6
2.1.2. Các lý do vận hành hình tia LĐPP .................................................................... 6
2.1.3. Định nghĩa về DG ............................................................................................. 7
2.1.4. Một số công nghệ DG ....................................................................................... 8
2.1.4.1. Pin mặt trời (photovotaic – PV) ................................................................... 8

2.1.4.2. Máy Phát Turbine Gió (wind turbine – WT) ............................................... 8
2.1.4.3. Pin nhiên liệu ( Fuel Cell – FC) ................................................................... 9
2.1.4.4. Máy phát động cơ đốt trong (Internal Combustion Engines – ICE).......... 10
2.1.4.5.

Microturbine ............................................................................................. 11

2.1.4.6. Tủbine khí .................................................................................................. 11
2.1.5.

Mục đích vận hành DG .............................................................................. 12

2.1.6.

Các tác động của DG lên lưới điện phân phối ........................................... 13

2.1.7.

Lợi ích kinh tế của DG trong hệ thống điện .............................................. 13

2.1.7.1. Tác động lên giá điện ................................................................................. 14
2.1.7.2. Giảm đầu tư nâng cấp hệ thống ................................................................. 14
2.1.7.3. Sử dụng năng lượng rác thải và nhiên liệu linh hoạt ................................. 14
2.1.7.4. Nhiệt – điện kết hợp ................................................................................... 14
2.1.7.5. Độ tin cậy ................................................................................................... 15
2.1.7.6. Điện khí hóa các vùng nơng thơn xa ......................................................... 15
2.1.8.

Một số nguồn năng lượng tái tạo thích hợp với cơng nghệ DG ................ 15

2.1.8.1. Năng lượng mặt trời ................................................................................... 15
2.1.8.2. Năng lượng địa nhiệt.................................................................................. 15
2.1.8.3. Năng lượng gió .......................................................................................... 16
2.1.9.

Bài tốn xác định số lượng, dung lượng DG có xét đến việc tái cấu hình

LĐPP

.................................................................................................................... 16

Chương 3 : XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ CÔNG SUẤT NGUỒN PHÂN TÁN
TRONG QUY HOẠCH LĐPP..................................................................... 18
3.1. Giới thiệu .................................................................................................. 18
3.2. Cơ sở toán học .......................................................................................... 19

v


3.3. Hàm mục tiêu ........................................................................................... 21
3.4. Điều kiện ràng buộc ................................................................................. 22
3.4.1. Giới hạn công suất phát của các máy phát phân tán ............................. 22
3.4.2. Giới hạn dòng điện trên các nhánh và điện áp nút ................................ 22
3.5. Phương pháp tiếp cận ............................................................................... 22
3.5.1. Giải thuật di truyền................................................................................ 22
3.5.2. Mã hóa các biến trong các giai đoạn ..................................................... 23
3.5.3. Phương pháp đề nghị............................................................................. 23
3.6. Kiểm tra kỹ thuật ...................................................................................... 24
3.6.1. Lựa chọn thông số ................................................................................. 24
3.6.2. LĐPP 33nút ........................................................................................... 25

3.6.3. LĐPP 69 nút .......................................................................................... 29
Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................... 32
4.1. Kết luận .................................................................................................... 32
4.2. Hướng phát triển ...................................................................................... 32
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 33

vi


DANH DÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
- CCĐ: Cung cấp điện
- LĐPP: Lưới điện phân phối
- NCKH: Nghiên cứu khoa học
- CIGRE : Hội đồng quốc tế về các hệ thống điện lớn
- DG : Distributed generation : nguồn phân tán
- DOE : Ban năng lượng Mỹ
- EPRI : Viện nghiên cứu năng lượng Mỹ
- CIGRE : Hội đồng quốc tế về các hệ thống lơn
- FCO : Fuse cut out : Cầu chì tự rơi
- LBFCO : Load break fuse cut out : cầu chì tự rơi kết hợp cắt có tải
- ICE : Internal Combustion Engines : Máy phát động cơ đốt trong
- PV : Photovoltaic : Pin mặt trời
- WT : wind turbine : Máy Phát Turbine Gió
- FC : Fuel Cell-FC : Pin nhiên liệu
- CT : Combustion Turbine : Turbine khí
- GA : Genetic Algorithm : Thuật toán di truyền
- HSA: Harmony Search Algorithm : thuật tốn tìm kiếm hài hịa
- FWA: thuật tốn tối ưu pháo hoa
- CSA: giải thuật cuckoo search algorithm
- NST: Nhiễm sắc thể - PSM : Particle Swarm Method : Thuật toán bầy đàn

- SA : Simulated Annealing Method : Phương pháp mô phỏng luyện kim

vii


DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH

TRANG

Hình 2. 1. Lưới điện phân phối có các DG ...............................................................13
Hình 2. 2. Sơ đồ phân loại nguồn điện phân tán ......................................................17
Hình 2. 3. Photovoltaic - PV .....................................................................................19
Hình 2. 4. Wind turbine – WT...................................................................................20
Hình 2. 5. Pin nhiên liệu –FC ...................................................................................21
Hình 3. 1. LĐPP kín và hở ........................................................................................35
Hình 3. 2. Lưu đồ giải thuật đề nghị .........................................................................43
Hình 3. 3. Lưới điện 33 nút .......................................................................................45
Hình 3. 4. Đặc tính hội tụ của GA trong giai đoạn – I trên LĐPP 33 nút................50
Hình 3. 5. Đặc tính hội tụ của GA trong giai đoạn – II trên LĐPP 33 nút ...............51
Hình 3. 6. Điện áp các nút trong hai giai đoạn tính tốn ..........................................52
Hình 3. 7. Điện áp trước và sau khi tối ưu lưới điện................................................52
Hình 3. 8. LĐPP 69 nút .............................................................................................54
Hình 3. 9. Đặc tính hội tụ của GA trong giai đoạn – I trên LĐPP 69 nút .................57
Hình 3. 10. Đặc tính hội tụ của GA trong giai đoạn – II trên LĐPP 69 nút .............57

viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG

BẢNG

TRANG

Bảng 3. 1. Thông số mạng 33 nút .............................................................................45
Bảng 3. 2. Kết quả thực hiện hai giai đoạn trên LĐPP 33 nút ..................................48
Bảng 3. 3. So sánh kết quả thực hiện với các phương pháp trên LĐPP 33 nút ........53
Bảng 3. 4. Kết quả thực hiện hai giai đoạn trên LĐPP 69 nút ..................................55
Bảng 3. 5. So sánh kết quả thực hiện với các phương pháp trên LĐPP 69 nút ........56

ix


Chương 1:

TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Điện là một dạng năng lượng đặc biệt, vì năng lượng điện khơng thể dễ dàng
tích trữ với lượng lớn, nhưng nhu cầu phụ tải địi hỏi phải đáp ứng cơng suất tại mọi
thời điểm. Điều này đòi hỏi các Nhà quy hoạch năng lượng, các cơng ty sản xuất và
kinh doanh điện phải tính toán đến các giải pháp tối ưu việc truyền tải, phân bố
công suất trên hệ thống lưới điện [1-7].
Nhu cầu tiêu thụ năng lượng điện tăng một cách nhanh chóng trên tất cả mọi
lĩnh vực, từ nhu cầu thiết yếu của đời sống xã hội đến nhu cầu để phát triển kinh tế,
xã hội, khoa học công nghệ của các quốc gia, và kể cả việc để đảm bảo tốt an ninh
chính trị thì an ninh năng lượng điện cũng được đặt lên hàng đầu.
Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, các thiết bị sử dụng điện (đặc biệt là
các thiết bị cơng nghệ cao) ngày càng địi hỏi nguồn điện cung cấp phải đảm bảo về

chất lượng. Vấn đề đặt ra cho các Công ty sản xuất và kinh doanh điện là làm sao
vừa đảm bảo đáp ứng được các vấn đề nêu trên, vừa đảm bảo lợi ích kinh tế cao
nhất của nhà sản xuất, vừa đảm bảo tính cạnh tranh trong điều kiện nguồn lực tài
chính có hạn. Trong khi đó chiều dài, phụ tải của lưới điện phân phối phát triển một
cách nhanh chóng kể cả ở khu vực thành thị lẫn nông thôn, miền núi dẫn đến công
suất đỉnh chỉ xảy ra tại vài giờ trong ngày, lưới điện bị sụt áp, tổn thất truyền tải trên
đường dây tăng, chi phí sản xuất điện tăng theo [16,17].
Đã có nhiều giải pháp kỹ thuật được đưa ra, như là nâng công suất các trạm
trung gian, lắp đặt các hệ thống tụ bù, nâng tiết diện dây dẫn, lắp đặt các thiết bị
FACTS, lắp đặt công tơ 3 giá cho khách hàng nhưng cũng chỉ giải quyết được một
phần vấn đề trên. Tái cấu trúc lưới điện phân phối và tối ưu vị trí máy phát điện
phân tán là một trong những giải pháp để giải quyết vấn đề đã đặt ra, nhiều nhà
nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu và thực nghiệm với nhiều phương pháp khác

HVTH: Nguyễn Anh Xuân

1


nhau để đi đến tối ưu nhất về kết cấu lưới điện và vị trí đặt máy phát điện phân tán
trên lưới điện phân phối.
Lưới điện phân phối có đặc điểm là vận hành phức tạp, kết cấu hình tia, hình
xương cá, mạch kín nhưng thường vận hành hở, phụ tải phân bố và phát triển ít theo
quy hoạch nên việc tính tốn để xác định vị trí, dung lượng của các DG là khá phức
tạp. Vì vậy việc tìm các phương pháp, giải thuật để giải quyết vấn đề đặt ra là cần
thiết, đảm bảo sao cho bài toàn tính tốn đơn giản nhất, nhanh nhất và có kết quả tốt
nhất đối với điều kiện đã được đặt . Vấn đề đã được sự quan tâm của rất nhiều các
nhà khoa học, nhà nghiên cứu, các nghiên cứu sinh và các tổ chức.
Việc cải tạo nâng cấp đường dây hoặc lắp đặt thêm các trạm biến áp, đường
dây truyền tải và phân phối nhằm đáp ứng nhu cầu của phụ tải trong một số giờ cao

điểm làm cho chi phí vận hành tăng cao và cần phải có vốn đầu tư lớn. Các nghiên
cứu đã chỉ ra rằng nguồn điện phân tán sẽ mang lại nhiều hiệu quả khi áp dụng trên
lưới điện phân phối. Nguồn điện từ các DG sẽ góp phần giảm bớt gánh nặng cơng
suất vào giờ cao điểm, giảm tổn thất trên đường dây, cải thiện chất lượng điện năng,
nâng cao độ tin cậy và thân thiện với môi trường (đối với năng lượng tái tạo). Nó
cịn góp phần vào việc giảm áp lực đầu tư cải tạo lưới điện hiện hữu, giảm chi phí
nhiên liệu, chi phí vận hành, đáp ứng tốt về khả năng dự phịng cho hệ thống và có
thời gian ngắn trong việc đáp ứng nhu cầu cục bộ của từng vùng miền, đặc điểm
riêng của phụ tải.
Do đó, các cơng ty điện lực và các DG có sẵn hoặc lắp đặt thêm các DG để hỗ
trợ cho hệ thống điện của họ, giảm công suất điện mua từ hệ thống truyền tải, từ đó
có thể giảm giá điện, đồng thời đối phó với tình huống tăng giá đột biến trong giờ
cao điểm và trì hỗn việc xây dựng thêm đường dây mới. DG là các máy phát có
cơng suất nhỏ hơn 10MW, có giá thành rẽ, dễ vận hành và có thể xây dựng trong
một thời gian ngắn. DG có thể tận dụng các nguồn năng lượng tái tạo sẵn có thân
thiện với mơi trường như thủy năng, phong năng, quang năng... công nghệ DG rất

HVTH: Nguyễn Anh Xuân

2


đa dạng: nhiệt điện kết hợp, quang điện, tuabine gió, pin nhiên liệu, thủy điện công
suất nhỏ, máy phát động cơ đốt trong, microturbine... [8-12]
Các DG hoạt động độc lập có hiệu quả do chi phí vận hành tăng cao, công
suất phát điện lại không ổn định nên độ tin cậy cung cấp điện thấp. Mặc khác, DG
có trở kháng lớn, nên dịng ngắn mạch của nó rất nhỏ, do đó mức độ ảnh hưởng đến
lưới điện phân phối khi nó vận hành song song là rất thấp. Vì vậy, các DG thường
được kết nối trực tiếp với lưới điện phân phối trung áp/ hạ áp.
Sử dụng DG trong lưới điện phân phối sẽ mang lại một số lợi ích sau: giảm

tải trên lưới điện, giảm tổn hao công suất và chi phí vận hành trên mạng điện, cải
thiện chất lượng điện và độ tin cậy, bình ổn giá điện, cung cấp các dịch vụ hỗ trợ…
- Về phía điện lực: Giảm tải trên đường dây truyền tải; Giảm tải trên lưới phân
phối; Bình ổn giá điện; Giảm tổn hao cơng suất trên đường dây; Giảm chi phí vận
hành;
- Về phía người tiêu dùng: Cải thiện chất lượng điện; Bình đẳng trong quyền lợi;
Cải thiện độ tin cậy.
- Về mặt thương mại: Tạo một thị trường điện có tính cạnh tranh; Cung cấp các
dịch vụ khác như: công suất phản kháng, cơng suất dự phịng.
Khi lưới điện phân phối có kết nối các DG, thì khách hàng có thể kiểm soát giá
thành điện năng và chuyển đổi nguồn điện sao cho họ có lợi nhất. Do đó, các điều
độ viên phải căn cứ vào cấu trúc lưới điện, dung lượng cần truyền tải, giá điện mua
từ hệ thống và từ các DG và các yêu cầu về tác động môi trường và sinh thái... để
đưa ra các phương án thay đổi cấu trúc lưới điện ở từng thời điểm sao cho chi phí
vận hành bao gồm chi phí chuyển tải và tổn thất công suất là bé nhất, đồng thời đảm
bảo các yêu cầu về kỹ thuật. Với mục tiêu là tìm giải pháp để giảm tổn thất cơng
suất, giảm chi phí vận hành của lưới điện phân phối trong trường hợp có các DG, đề
tài sẽ đề cập đến các phương pháp có liên quan đến vấn đề “Xác định vị trí, dung

HVTH: Nguyễn Anh Xuân

3


lượng máy phát điện phân tán trên lưới điện phân phối”. Kết quả của bài tốn sẽ
góp phần hỗ trợ cho các công ty điện lực địa phương trong công tác vận hành lưới
điện phân phối.
Luận văn này tiếp cận bài tốn xác định vị trí và cơng suất máy phát điện phân
tán trên lưới điện phân phối có xét đến cấu trúc vận hành lưới điện với mục tiêu
là giảm tổn thất công suất tác dụng trên hệ thống phân phối. Giải pháp xác định

vị trí và cơng suất máy phát điện phân tán tối ưu và xác định cấu trúc vận hành được
thực hiện riêng rẽ bằng hai giai đoạn sử dụng thuật tốn di truyền. Trong đó hai giai
đoạn, giai đoạn thứ nhất sử dụng thuật toán di truyền xác định vị trí và cơng suất tối
ưu của các máy phát phân tán trên lưới điện phân phối kín, giai đoạn thứ hai, giải
thuật di truyền được sử dụng để xác định cấu trúc vận hành hở tối ưu của hệ thống
[18].
1.2. Các nghiên cứu liên quan đã cơng bố
Đã có nhiều NCKH về bài tốn tái cấu hình LĐPP giảm tổn thất có kết nối DG
hoặc khơng có kết nối DG cố định. Phương pháp giải chủ yếu: Merlin và Back [3].
Họ giải quyết bài toán thông qua kỹ thuật heuristic rời rạc nhánh-biên. Civanlar et
al. [4] đề xuất một phương pháp trao đổi nhánh. phương pháp meta-heuristic: GA,
PSO, CSA mới đã được đề xuất để giải quyết vấn đề tối ưu hóa để có được một giải
pháp tối ưu tồn cục. Xét vị trí và dung lượng DG trên bài tốn LĐPP hình tia,
khơng xét sự biến đổi cấu hình của LĐPP. Xét cả hai vấn đề cùng lúc: tích hợp cả
hai bài tốn tái cấu hình và vị trí và dung lượng DG để nâng cao hiệu quả của mạng
lưới phân phối.
Các tác giả Trương Quang Đăng Khoa, Phan Thị Thanh Bình, Hồng Bảo Trân
trường Đại học Bách Khoa TP. HCM đã nghiên cứu đề tài “Xác định dung lượng và
vị trí của máy phát phân bố (DG) tối ưu tổn thất lưới phân phối” [6]. Nghiên cứu sử
dụng phương pháp điểm trong để xác định vị trí và dung lượng của DG nhằm tối ưu
tổn thất lưới phân phối, kết quả áp dụng trên lưới 10 nút và lưới 42 nút đạt được khá

HVTH: Nguyễn Anh Xuân

4


tốt. Kết quả tính tốn cho thấy vị trí đặt DG tối ưu là tại nút có cơng suất tải tiêu thụ
lớn nhất trong lưới phân phối. Độ giảm tổn hao trên lưới phân phối sau khi có DG
so với trước khi có DG nhiều hay ít phụ thuộc vào lượng công suất phát ra của DG.

Sự tham gia của DG vào hệ thống phân bố sẽ đạt được một số lợi ích về mặt kỹ
thuật như: giảm tổn hao đường dây, cải thiện chỉ số điện áp, nâng cao chất lượng
điện năng, tăng độ tin cậy trong việc truyền tải và phân phối,v.v...
Các tác giả Lê Kim Hùng – Đại học Đà Nẵng, Lê Thái Thanh – Điện lực Phú
n đã cơng bố nghiên cứu “Tối ưu hóa vị trí đặt và cơng suất phát của nguồn phân
tán trên mơ hình lưới điện phân phối 22kV” [7]. Bài báo mơ tả cách sử dụng giải
thuật di truyền để tìm ra vị trí đặt và cơng suất phát tối ưu của nguồn phân tán trên
mơ hình lưới điện phân phối 22kV. Tổn thất cơng suất được cực tiểu hóa trong khi
dạng điện áp đường dây được cải thiện tốt hơn.
Nghiên cứu áp dụng trên lưới điện 20 nút kết quả đạt dược như sau:
+ Tổng công suất phát của DG là 5,4 +j2,7 (MVA).
+ Vị trí kết nối: 7, 8, 17, 20, 21.
+ Tỷ lệ % giảm tổn thất là 58,46%.
+ Tỷ lệ % tăng điện áp cao nhất 3,32%
Tuy nhiên, các nghiên cứu trên chỉ tập trung giải quyết trên một lưới điện phân
phối hình tia cố định. Điều này, thực sự chưa phù hợp với bài toán thiết kế và vận
hành lưới điện phân phối vì: LĐPP phải luôn chuyển tải để đảm bảo đạt được mục
tiêu vận hành khi sự thay đổi của phụ tải.
Việc kết hợp phương pháp Newton-Raphson trong tính tốn trào lưu cơng
suất lưới điện và giải thuật di truyền giải các bài toán tối ưu tổ hợp đã cung cấp một
cách thức tìm ra các vị trí đặt và cơng suất phát tốt nhất cho một số lượng nguồn
phân tán DG cho trước trên lưới điện phân phối. Phương pháp này cho phép người
vận hành có thể nghiên cứu một mạng phân phối bất kỳ. Người vận hành có thể sử

HVTH: Nguyễn Anh Xuân

5


dụng những thơng tin về lưới điện phân phối có sẵn để lập kế hoạch cho việc kết nối

DG nhằm đạt mục tiêu giảm tổn thất, cải thiện dạng điện áp như mong muốn.
Ngồi ra, nhóm tác giả César Augusto Peñuela Meneses, Member, IEEE, and
José
Roberto Sanches Mantovani, Member, IEEE đã công bố nghiên cứu “Improving the
Grid Operation and Reliability Cost of Distribution Systems With Dispersed
Generation” nghiên cứu sử dụng giải thuật tìm kiếm Taboo để giải quyết bài tốn đa
mục tiêu nhằm nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi có kết nối DG vào hệ thống.
Nghiên cứu đưa ra một phương pháp giải quyết tối ưu hàm mục tiêu gồm các chi
phí hoạt động của lưới, chi phí hệ thống bảo vệ, chi phí gián đoạn do ngừng cung
cấp điện, chi phí tổn thất cơng suất.
Mơ hình tốn học đề xuất được thử nghiệm trên hệ thống 135 bus trong đó
bao gồm một hệ thống phân phối thực tế 13,8 kV ở Sao Paulo, Brazil. Kết quả mô
phỏng của một hệ thống qua kiểm tra thực tế cho thấy mơ hình đề xuất có thể xác
định các tác động liên quan đến độ tin cậy của hệ thống, hệ thống bảo vệ, và hiệu
quả hoạt động của mạng, tất cả chỉ trong một chương trình. Thơng qua các phương
pháp thực hiện, lợi thế đạt được là khả năng quan sát điện áp và tần số của hệ thống
khi có kết nối DG. Người ta thấy rằng thực hiện kết nối DG như thế này, dẫn đến
chi phí hoạt động và chi phí độ tin cậy sẽ tốt hơn, bởi vì họ sử dụng các mức giá
khác nhau được cung cấp bởi các nguồn phát trên diện rộng. Nó cũng có thể phục
vụ nhu cầu phụ tải tăng lên một cách đột biến. Tuy nhiên, thiết kế này có thể dẫn
đến một hệ thống bảo vệ đắt tiền, cũng như làm giảm tỷ suất lợi nhuận trong việc
phối hợp các thiết bị bảo vệ.
Từ những nghiên cứu đã công bố nêu trên, trong khuôn khổ luận văn này chủ
yếu tập trung vào vấn đề giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy lưới phân
phối khi có kết nối DG sử dụng giải thuật di truyền, các vấn đề liên quan đến cải
thiện điện áp và cải thiện vận hành lưới thông qua việc thay đổi các thiết bị bảo vệ
trên hệ thống sẽ không được xem xét [18].

HVTH: Nguyễn Anh Xuân

6


1.3. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu việc: Giảm tổn thất công suất và nâng cao
độ tin cậy hệ thống điện lưới điện phân phối.
- Nghiên cứu việc giảm tổn thất cơng suất trên lưới phân phối khi có kết nối
DG vào lưới điện phân phối.
- Xây dựng hàm đa mục tiêu sử dụng giải thuật Gen (GA) để giải bài tốn tìm
vị trí và dung lượng thích hợp để kết nối DG nhằm giảm tổn thất công suất.
- Áp dụng giải thuật vào lưới điện phân phối mẫu.
1.4. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào bài tốn giảm tổn thất cơng suất và
nâng cao độ tin cậy cung cấp điện khi kết nối DG nhằm cực tiểu chi phí vận hành.
1.5. Phương pháp giải quyết bài tốn
- Áp dụng các phương pháp giải tích mạng điện xây dựng hàm đa mục tiêu
cực tiểu tổn thất cơng suất khi có DG.
- Sử dụng giải thuật di truyền giải bài tốn đa mục tiêu khi có DG.
1.6. Điểm mới của đề tài
- Xây dựng hàm đa mục tiêu giải quyết vấn đề giảm tổn thất công suất và nâng
cao độ tin cậy cung cấp điện khi có kết nối DG.
- Áp dụng giải thuật di truyền tìm vị trí và dung lượng tối ưu khi kết nối DG
trên lưới điện phân phối.
1.7. Giá trị thực tiễn của đề tài
- Cung cấp một giải thuật tìm vị trí tối ưu lắp đặt DG giảm tổn thất trên lưới.

HVTH: Nguyễn Anh Xuân

7

- Góp phần vào các nghiên cứu liên quan đến DG trong lưới điện phân phối.
- Làm tài liệu tham khảo cho các công tác nghiên cứu và vận hành lưới điện
khi có kết nối DG.
1.8. Bố cục
Đề tài dự kiến gồm 5 chương
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Phương pháp tiếp cận
Chương 4: Kết luận và hướng phát triển
Tài liệu tham khảo

HVTH: Nguyễn Anh Xuân

8


Chương 2:
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Đặc điểm của lưới điện phân phối
Cấu trúc hệ thống điện truyền thống có dạng dọc, mạng phân phối sẽ nhận
điện từ lưới truyền tải hoặc truyền tải phụ sau đó cung cấp đến hộ tiêu thụ điện.
Mạng phân phối có cấu trúc hình tia hoặc dạng mạch vòng nhưng vận hành trong
trạng thái hở. Dịng cơng suất trong trường hợp này đổ về từ hệ thống thông qua
mạng phân phối cung cấp cho phụ tải. Vì vậy, việc truyền tải điện năng từ nhà máy
điện đến hộ tiêu thụ sẽ sinh ra tổn hao trên lưới truyền tải và mạng phân phối
(khoảng 10 - 15% tổng công suất của hệ thống). Với cấu trúc mới của lưới phân
phối hiện nay, do có sự tham gia của các nguồn điện phân tán (distributed
generation - DG), dịng cơng suất khơng chỉ đổ về từ hệ thống truyền tải mà cịn
lưu thơng giữa các phần của mạng phân phối với nhau, thậm chí đổ ngược về lưới

truyền tải. Cấu trúc này được gọi là cấu trúc ngang [18].
Với cấu trúc ngang có sự tham gia của các DG, lưới điện phân phối thực
hiện tốt hơn nhiệm vụ cung cấp năng lượng điện đến hộ tiêu thụ đảm bảo chất
lượng điện năng, độ tin cậy cung cấp điện và một số yêu cầu an toàn trong giới
hạn cho phép. Đồng thời mang lại nhiều lợi ích khác như: giảm tải trên lưới điện,
cải thiện điện áp, giảm tổn thất công suất và điện năng, hỗ trợ lưới điện [5-9].
Vì lý do kỹ thuật, các đường dây phân phối điện luôn được vận hành hở trong
mọi trường hợp, mặc dù được thiết kế theo kiểu mạch vòng để tăng độ tin cậy cung
cấp điện. Nhờ cấu trúc vận hành hở mà hệ thống relay bảo vệ chỉ cần sử dụng lọai
relay quá dòng. Để tái cung cấp điện cho khách hàng sau sự cố, hầu hết các tuyến
dây đều có các mạch vịng liên kết với các đường dây kế cận đựơc cung cấp từ
một trạm biến áp trung gian khác hay chính từ trạm biến áp có đường dây bị sự cố.

HVTH: Nguyễn Anh Xuân

9


Việc khôi phục lưới điện được thực hiện thông qua các thao tác đóng/cắt các cặp
khóa điện nằm trên các mạch vịng, do đó trên lưới phân phối có rất nhiều khóa điện
[17].
2.2. Các lý do vận hành hình tia lưới điện phân phối
Khi lưới điện được vận hành hở, tổn thất năng lượng và chất lượng điện năng
luôn kém hơn một lưới điện được vận hành kín. Khi có sự cố, thời gian tái lập việc
cung cấp điện của lưới điện vận hành hở sẽ lâu hơn do cần có thời gian chuyển
tải qua các tuyến dây khác.
Tuy nhiên, do tính chất khác nhau cơ bản giữa lưới phân phối và truyền tải là:
- Số lượng phần tử như lộ ra, nhánh rẽ, thiết bị bù, phụ tải của lưới phân
phối nhiều hơn lưới điện truyền tải từ 5-7 lần.
- Có rất nhiều khách hàng tiêu thụ điện năng với công suất nhỏ và nằm trên

diện rộng, nên khi có sự cố, mức độ thiệt hại do gián đọan cung cấp điện ở lưới
điện phân phối gây ra cũng ít hơn so với sự cố của lưới điện truyền tải.
Vì vậy lưới điện phân phối vận hành tia mặc dù có cấu trúc mạch vịng do các
ngun nhân sau:
- Tổng trở của lưới điện phân phối vận hành hở lớn hơn nhiều so với vận hành
vịng kín nên dịng ngắn mạch bé khi có sự cố. Vì vậy chỉ cần chọn các thiết bị
đóng cắt có dịng ngắn mạch chịu đựng và dòng ngắn mạch bé, nên mức đầu tư
giảm đáng kể.
- Trong vận hành hở, các relay bảo vệ lộ ra chỉ cần dùng các lọai relay đơn
giản, rẻ tiền như relay q dịng, thấp áp…mà khơng nhất thiết phải trang bị các
lọai relay phức tạp như relay định hướng, bảo vệ khỏang cách, so lệch… nên việc
phối hợp bảo vệ relay trở nên dễ dàng hơn và mức đầu tư cũng giảm xuống.

HVTH: Nguyễn Anh Xuân

10


- Chỉ cần dùng các cầu chì tự rơi (FCO: Fuse cut out) hay cầu chì tự rơi kết
hợp cắt có tải (LBFCO: Load break fuse cut out) để bảo vệ các nhánh rẽ hình tia
trên cùng một đọan trục và phối hợp với recloser để tránh sự cố thóang qua.
- Do vận hành hở, nên khi có sự cố, không bị lan tràn qua các phụ tải khác.
- Do được vận hành hở, nên việc điều khiển điện áp trên từng tuyến dây dễ
dàng hơn và giảm được phạm vi mất điện trong thời gian giải trừ sự cố.
- Nếu chỉ xem xét giá xây dựng mới lưới điện phân phối, thì phương án kinh tế
là lưới điện hình tia.
2.3. Tổng quan về nguồn điện phân tán (DG - Distributed Generation)
Khái niệm nguồn điện phân tán đã được nêu nhiều trong các quá trình nghiên
cứu về DG. Tuy nhiên các tác giả chưa đưa ra được định nghĩa chung cho khái niệm
này. Hiện nay trên thế giới cũng chưa có định nghĩa thống nhất về nguồn điện phân

tán. Một số quốc gia định nghĩa nguồn điện phân tán là nguồn điện theo các thông
số cơ bản như: “nguồn điện phân tán là nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo,
không điều khiển tập trung...”; hoặc một số khác căn cứ theo cấp điện áp mà nguồn
điện đó đấu nối vào: “nguồn điện phân tán là nguồn điện đấu nối vào lưới điện cung
cấp điện trực tiếp cho phụ tải khách hàng”.
Các tổ chức quốc tế cũng đưa ra những định nghĩa khác nhau về nguồn điện
phân tán, chủ yếu xoay quanh về đề kích cỡ và chủng loại. Các định nghĩa đó như
sau:
-

Ban Năng Lượng Mỹ (DOE): DG là các máy phát có cơng suất từ vài kW

đến vài chục MW. Bao gồm: máy phát điện Biomass, turbine khí, pin mặt trời, pin
nhiên liệu, turbine gió, microturbine, máy phát động cơ đốt trong và các cơng nghệ
tích trữ năng lượng.
-

Viện Nghiên Cứu Năng Lượng Điện Mỹ (EPRI): DG là các máy phát có

HVTH: Nguyễn Anh Xuân

11


công suất từ vài kW đến 50 MW và các thiết bị tích trữ năng lượng đặt gần phụ tải,
mạng phân phối hoặc truyền tải phụ dưới dạng những nguồn năng lượng phân tán.
-

Viện Nghiên Cứu Gas Mỹ: các máy phát có cơng suất từ 25 kW đến 25

MW được gọi là DG.
-

Thụy Điển xem các máy phát có cơng suất dưới 1500 kW là DG.

-

Trong thị trường điện nước Anh và xứ Wales: một nhà máy điện có

dung lượng nhỏ hơn 100 MW không được gọi là nguồn điện tập trung. Như vậy,
DG được xem là các máy phát có cơng suất nhỏ hơn 100 MW.
-

Ở New Zealand: các bộ máy phát có cơng suất nhỏ hơn 5 MW thường

được xem là DG.
-

Ở Úc: máy phát dưới 30 MW gọi là DG.

-

Theo Hội Đồng Quốc Tế về các Hệ Thống Điện lớn (CIGRE): các nguồn

điện không phải là nguồn trung tâm, được đặt gần phụ tải và nối vào mạng điện
phân phối, có cơng suất nhỏ hơn 100 MW gọi là DG.

HVTH: Nguyễn Anh Xuân

12

Hình 2. 1. Lưới điện phân phối có các DG
Trong cấu trúc của thị trường điện truyền thống, một công ty độc quyền kiểm
sốt tồn bộ nắm tồn bộ chuỗi cung ứng từ sản xuất, truyền tải đến phân phối. Để
chuyển đổi thành thị trường điện cạnh tranh, thì sẽ phải tái cơ cấu lại để nhiều đơn
vị khác nhau cùng tham gia phân chia và sở hữu. Sự cạnh tranh giữa các công ty
phát điện hoạt động trong thị trường điện làm gia tăng rủi ro cho chính họ và các
đơn vị khác trong ngành công nghiệp điện, bởi vậy nên việc quản lý rủi ro đã trở
thành một khía cạnh quan trọng của ngành kinh doanh điện.
Mơ hình phát điện phân tán: Hướng đi phù hợp với ngành Điện Việt Nam:
Mơ hình phát điện phân tán (distributed generation - DG) là mơ hình phát điện quy
mơ nhỏ, nằm gần hoặc ngay tại điểm tiêu thụ điện năng. Mặc dù mơ hình có hiệu
quả kinh tế khơng cao so với mơ hình phát điện tập trung, nhưng lại có tính dự

HVTH: Nguyễn Anh Xuân

13


phòng và độ tin cậy lớn trong cung ứng điện do không phụ thuộc quá nhiều vào hệ
thống lưới điện truyền tải và phân phối.
Các nhà máy điện luôn là một phần không tách rời của hệ thống điện. Xét về
mặt kinh tế, công suất các nhà máy điện càng lớn, hiệu quả kinh tế càng cao. Tuy
nhiên, do phụ thuộc vào nguồn cung cấp nguyên liệu sơ cấp, nên các nhà máy điện
thường nằm xa phụ tải, xa các khu dân cư. Hệ thống lưới điện truyền tải và phân
phối sẽ đảm nhận nhiệm vụ đưa điện từ các nhà máy này tới các hộ tiêu thụ. Đây là
mô hình phát điện tập trung dạng truyền thống, được sử dụng trong điều kiện chi
phí vận chuyển nhiên liệu và chi phí xây dựng các nhà máy điện gần trung tâm phụ
tải vượt xa chi phí xây dựng lưới truyền tải và phân phối điện [18].

Do kết cấu hạ tầng lưới điện của Việt Nam được xây dựng từ lâu, đã xuống
cấp và quá tải nên việc xây dựng các nhà máy phát điện tập trung luôn đi kèm với
việc xây dựng mở rộng lưới điện, địi hỏi chi phí đầu tư cao và thời gian dài. Các sự
cố trong hệ thống điện phần lớn bắt nguồn từ lưới điện truyền tải và phân phối, đặc
biệt là ngắn mạch trên đường dây hay quá tải trạm biến áp. Thêm vào đó, với sự
phát triển của cơng nghệ hiện đại, chi phí sản xuất máy phát điện đã giảm nhiều,
hiệu suất sử dụng đã được cải thiện rõ rệt. Do đó, lưới điện đã trở thành yếu tố chủ
yếu trong cơ cấu chi phí năng lượng điện và các vấn đề liên quan đến chất lượng
điện năng.
Do nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, hàng năm, ngành Điện Việt
Nam còn phải đối mặt với thiên tai, bão lũ gây nhiều sự cố trên lưới điện nói chung
và đặc biệt là lưới điện truyền tải nói riêng. Bên cạnh đó, yêu cầu đảm bảo độ tin
cậy cung cấp điện và chất lượng điện năng của khách hàng ngày càng cao, địi hỏi
ngành Điện phải có những bước đi phù hợp trong xây dựng hệ thống nguồn và lưới
điện.
Các vấn đề nêu trên là cơ sở nghiên cứu ứng dụng mô hình phát điện phân
tán (distributed generation - DG). Đây là mơ hình phát điện quy mơ nhỏ, nằm gần
hoặc ngay tại điểm tiêu thụ điện năng. Mặc dù mơ hình có hiệu quả kinh tế khơng

HVTH: Nguyễn Anh Xn

14


cao so với mơ hình phát điện tập trung, nhưng lại có tính dự phịng và độ tin cậy lớn
trong cung ứng điện do không phụ thuộc quá nhiều vào hệ thống lưới điện truyền tải
và phân phối.
Bên cạnh đó, mơ hình này mang lại khả năng sử dụng năng lượng độc lập cho
khách hàng vì họ có thể điều hành máy phát điện phục vụ chính mình. Việc phát
triển các máy phát điện cơng suất nhỏ khơng có gì mới, máy phát điện diesel là một

ví dụ điển hình của mơ hình phát điện phân tán. Tuy nhiên, cơng nghệ phát điện
cơng suất nhỏ trước đây có chi phí cao và hiệu suất thấp. Với công nghệ hiện đại,
ngày nay người ta có thể lắp đặt các máy phát điện cơng suất khoảng vài chục MW
có hiệu suất cao ngay gần nơi tiêu thụ điện với chi phí thấp hơn nhiều. Điều này
khơng chỉ giảm chi phí truyền tải mà còn làm giảm sự cố mất điện trên diện rộng và
giảm những thiệt hại kinh tế kèm theo.
Đối phó với nguy cơ biến đổi khí hậu, thiên tai và khủng bố, nhiều nước trên
thế giới đã bắt đầu nghiên cứu xây dựng phương án "Quy hoạch thích ứng," bao
gồm các mơ hình phát điện phân tán địa phương, đảm bảo cung cấp điện liên tục
cho các phụ tải đặc biệt quan trọng như đồn cảnh sát, cứu hoả và các bệnh viện. Mơ
hình phát điện phân tán có thể được sử dụng ở những vùng sâu, vùng xa, hải đảo, ở
những nơi mà việc đưa điện lưới đến là q khó khăn, phức tạp và chi phí q lớn.
Các nguồn năng lượng dùng cho phát điện phân tán có nhiều dạng như mơ hình
Đồng phát nhiệt điện, pin nhiên liệu, các xe ô tô chạy điện, các dạng năng lượng tái
tạo như, năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng từ rác thải,… Hiện nay,
các tuabin gió và tấm pin năng lượng mặt trời đang được sử dụng khá phổ biến trên
thế giới. Mơ hình phát điện phân tán còn là cách tiếp cận phát triển năng lượng tái
tạo mà không gây quá tải cho lưới điện. Đây cũng là một trong những giải pháp mà
các nước trên thế giới sử dụng với mục tiêu giảm phát thải khí nhà kính. Ơxtrâylia,
CHLB Đức có mục tiêu sử dụng 80% năng lượng tái tạo để sản xuất điện vào năm
2050, Canada và New Zealand đưa ra con số 90% cho mục tiêu này vào năm 2025.

HVTH: Nguyễn Anh Xuân

15


Một trong những khó khăn lớn nhất trong việc phát triển mơ hình phát điện phân
tán là suất đầu tư cao. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, chi phí của công nghệ
phát điện sử dụng năng lượng tái tạo đang có xu hướng giảm dần. Theo Bloomberg,

chi phí bình quân quy dẫn (levelized cost) của năng lượng gió trên đất liền tính đến
năm 2012 đã giảm 30%, cịn chi phí của các tấm pin năng lượng mặt trời giảm
khoảng 80% trong cùng một khoảng thời gian (xem đồ thị).
Khi chi phí sử dụng năng lượng tái tạo và chi phí phát điện phân tán tiếp tục
giảm, khả năng dự trữ năng lượng ngày càng tốt hơn khắc phục yếu điểm về tính
khơng liên tục của các nguồn năng lượng tái tạo thì phát điện phân tán sẽ là xu thế
được lựa chọn trong tương lai.
Đối với Việt Nam, hệ thống lưới điện hiện tại đang chịu nhiều áp lực trong
truyền tải và phân phối: Lưới điện ln trong tình trạng quá tải, tổn thất điện còn
cao, chất lượng điện năng và độ tin cậy chưa đảm bảo,… tạo ra một áp lực rất lớn
cho Chính phủ, cho Tập đồn Điện lực Việt Nam (EVN) trong việc xây dựng hệ
thống lưới điện mới, cải tạo hệ thống điện cũ để có thể đáp ứng nhu cầu phụ tải
ngày càng gia tăng [16, 17].
Bên cạnh đó, nhiệm vụ đưa điện về cung cấp cho khu vực vùng sâu, vùng xa,
vùng nông thôn và hải đảo đang là một thách thức rất lớn đối với Việt Nam khi mà
suất đầu tư xây dựng hệ thống truyền tải điện rất cao.
Theo kết quả khảo sát và đánh giá, hiện nay Việt Nam là một trong những nước
có nhiều tiềm năng về phát triển các nguồn điện phân tán sử dụng năng lượng tái
tạo. Báo cáo đánh giá tiềm năng gió và mặt trời do tổ chức AWS Truewind (Mỹ)
thực hiện cho thấy, Việt Nam có 128.000 km2 tương đương với 8% diện tích lãnh
thổ đạt tốc độ gió là trên 7 m/s, ước tính, tổng cơng suất tiềm năng về điện gió trên
tồn lãnh thổ Việt Nam khoảng 110.000 MW. Tổng bức xạ năng lượng mặt trời
trung bình trên lãnh thổ Việt Nam nằm trong khoảng 1346,8 - 2153,5 kWh/m2/năm,
với số giờ nắng trung bình năm là 1600 - 2720 h/năm.

HVTH: Nguyễn Anh Xuân

16

Như vậy Việt Nam có đầy đủ các điều kiện cần thiết ứng dụng mơ hình phát
điện phân tán và đây là một lựa chọn hợp lý và khả thi. Phát triển tốt mơ hình điện
phân tán sẽ giúp hệ thống điện của Việt Nam nâng cao độ tin cậy và khả năng cung
cấp điện đến tất cả các vùng miền, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia
và đảm bảo phát triển bền vững.
Các loại nguồn phân tán sử dụng nhiều cơng nghệ khác nhau, trong đó công
nghệ sử dụng máy phát truyền thống như động cơ đốt trong, tua-bin khí… và các
cơng nghệ mới , thân thiện môi trường, đang được phát triển như pin nhiên liệu,
pin mặt trời, tua-bin gió... Mỗi loại nguồn phân tán đều có những ưu điểm, hạn chế
về đặc tính kĩ thuật và tính kinh tế. Sự lựa chọn cơng nghệ là nhân tố chính để
quyết định về cơng suất và vị trí lắp đặt của nguồn phân tán. Dưới đây là phân loại
một số nguồn điện phân tán chính hiện có.

Hình 2. 2. Sơ đồ phân loại nguồn điện phân tán

HVTH: Nguyễn Anh Xuân

17