Giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy lƣới điện phân phối bằng máy phát phân tán

Nội dung text: Giảm tổn thất công suất và nâng cao độ tin cậy lƣới điện phân phối bằng máy phát phân tán

1. GIẢM TỔN THẤT CƠNG SUẤT VÀ NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY LƢỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI BẰNG MÁY PHÁT PHÂN TÁN LOSS REDUCTION AND ADVANCED RELIABILITY OF DISTRIBUTION NETWORK BY DISTRIBUTION GENERATOR Học viên cao học: Nguyễn Đức Duy – Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM. Dƣới sự hƣớng dẫn khoa học: TS Trƣơng Việt Anh. TĨM TẮT: Trong vài năm gần đây, 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 giảm tổn thất cơng suất trên hệ thống. DG được xem như một giải pháp để giải quyết vấn đề tăng trưởng của phụ tải và giới hạn cơng suất truyền tải. Trong cơng tác vận hành DG, việc xác định tối ưu vị trí và dung lượng của DG đem lại nhiều lợi ích về kinh tế cũng như cải thiện về kỹ thuật [10]. Bài báo đề cập việc xây dựng phương pháp xác định vị trí và dung lượng DG nhằm cực tiểu chi phí vận hành của hệ thống lưới phân phối. Giải thuật gen được sử dụng cho việc xác định vị trí và dung lượng DG nhằm cực tiểu hàm tổng chi phí vận hành bao gồm: chi phí mua điện từ hệ thống và DG, chi phí do tổn thất cơng suất tác dụng và chi phí bồi thường do ngừng cung cấp điện. Giải thuật đề xuất được kiểm chứng bằng PSS/ADEPT là phù hợp với một số kết quả nghiên cứu trước đây và sau đĩ được thử nghiệm trên lưới 48 nút của TP. Cà Mau nhằm kiểm chứng tính hiệu quả của thuật tốn. ABSTRACT: In recent years, with the development of new energy sources, Distributed Generation (DG) has been more connected to the electrical distribution system.The DG connected to the distribution grid will help improve reliability and reduce power loss in the system. DG is seen as a solution to solve the problem of load growth and the limited transmission capacity. In the operation DG, the determination of the optimal location and size of DG brings many economic benefits as well as technical improvements [10]. The thesis on constructing the methods of location and DG capacity to minimize the operating costs of the distribution system. Genetic algorithm is used to determine the location and capacity of DG function to minimize the total operating costs including the cost of purchasing power from the system and from the DG, the cost of effective power loss and the compensation cost for stopping power supply. The proposed algorithm verified by software PSS/ADEPT is consistent with some previous research results and then it was tested on a 48 nodes system in of Ca Mau City to verify the effectiveness of the algorithm. I ĐẶT VẤN ĐỀ Điện năng ngày càng giữ một vai trị quan trọng việc đảm bảo sự ổn định và phát triển kinh tế xã hội, an ninh chính trị của mỗi quốc gia. Nếu xét về mặt kinh tế, điện năng được cung cấp bởi các cơng ty Điện lực đến khách hàng sử dụng điện phải cĩ giá thành rẻ nhất, chất lượng điện năng phải tốt nhất. Chính vì vậy, để đảm bảo chất lượng điện năng phân phối đến các hộ tiêu thụ, độ tin cậy phải được nâng cao. Tuy nhiên chất lượng điện năng cịn phụ thuộc nhiều vào tải khách hàng sử dụng, vì vậy địi hỏi hệ thống lưới phân phối phải đáp ứng mức độ thay đổi liên tục của phụ tải, để đạt được vấn đề này thì lưới điện chúng ta phải bố trí Trang 1
2. thật hợp lý để giảm thiểu tổn thất, nâng cao chất lượng điện và đáp ứng yêu cầu nguồn cung cấp. Các lưới điện phân phối hiện nay đang trong giai đoạn cải tạo, đầu tư và phát triển mạnh mẽ. Khối lượng các đường dây tải điện, các trạm biến áp cũng như các nguồn điện kết nối vào hệ thống đang ngày càng gia tăng nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển nhanh chĩng của phụ tải. Tuy nhiên phụ thuộc quá nhiều vào các nguồn thủy điện và nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hĩa thạch ảnh hưởng nghiêm trọng đến mơi trường đang ngày càng được quan tâm. Các nguồn năng lượng thay thế sẽ là một yếu tố ưu tiên lựa chọn, hệ thống nguồn phát phân tán (Distributed Generation-DG) là thiết thực cho nhu cầu năng lượng đối với một xã hội phát triển, hiện đại nhằm bổ sung và đáp ứng nhanh chĩng nguồn điện cho phụ tải. Các nguồn phân tán này sẽ xem xét việc sản xuất dịng cơng suất thực tế theo nhu cầu trên lưới nhằm tăng giá trị điện áp của hệ thống, giảm tổn thất điện năng, tăng doanh thu cho các Cơng ty Điện lực trong khi hoạt động của các thiết bị bảo vệ trên lưới là khơng thay đổi. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng nguồn điện phân tán sẽ mang lại nhiều hiệu quả thiết thực khi tham gia hệ thống phân phối, khi sử dụng DG sẽ gĩp 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 mơi trường [7]. Nĩ cịn gĩp phần vào việc giảm áp lực đầu tư cải tạo lưới điện hiện hữu, giảm chi phí nhiên liệu, chi phí vận hành và đáp ứng tốt về khả năng dự phịng cho hệ thống. II. BÀI TỐN TỐI ƢU VỊ TRÍ DG GIẢM TỔN THẤT CƠNG SUẤT VÀ NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY. Trong phần này, phương pháp tìm ra vị trí đặt và cơng suất phát tối ưu của DG trên lưới điện phân phối được trình bày. Giải thuật di truyền (GA) là một giải thuật tự tìm kiếm được ứng dụng nhiều trong việc giải quyết các bài tốn tối ưu tổ hợp (thuận lợi của giải thuật di truyền là cĩ khả năng tránh được tối ưu cục bộ) [5] nên sẽ được sử dụng để giải quyết bài tốn. Chương trình tính tốn được thực hiện trên mơi trường phần mềm Matlab, tính tốn cho một lưới điện phân phối 22kV TP. Cà Mau cĩ 48 nút tải như hình 1, số liệu được cho ở Bảng 1. Phần tính tốn độ tin cậy được thực hiện bằng phần mềm PSS.ADEPT. Trang 2
3. Hình 1: Lưới điện phân phối 22kV 48 nút. Mục tiêu của việc tính tốn là tìm ra vị trí đặt và cơng suất phát tối ưu của nguồn phân tán để cực tiểu tổng tổn thất cơng suất tác dụng trên đường dây giảm chi phí vận hành và nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, đồng thời thỏa mãn các điều kiện ràng buộc cân bằng và một số các ràng buộc khơng cân bằng như: - Cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng đầu ra của DG nằm trong giới hạn cơng suất khả phát, Smax = 5 + j5 (MVA). - Số nguồn phát là 1 nguồn. - Điện áp giới hạn cho phép là + 5%. * Những giả thiết được xem xét khi giải bài tốn: - Lưới điện phân phối được cho là hệ thống 3 pha đối xứng. - Tất cả phụ tải khơng tăng đột biến và chỉ biến thiên trong khoảng thời gian rời rạc. - Các nguồn phát DG được điều khiển phát với hệ số cơng suất khơng đổi. - Các thiết bị bảo vệ của lưới xem như là linh hoạt và đáp ứng khi kết nối nguồn DG. 2.1. Hàm mục tiêu của bài tốn [10]: Hàm mục tiêu của bài tốn bao gồm các thành phần: chi phí mua điện từ hệ thống và DG, chi phí do tổn thất cơng suất tác dụng và chi phí bồi thường do ngừng cung cấp điện. v min(COper Cint Closs) (1) Trong đĩ: (COper ) chi phí năng lượng được cung cấp từ các nguồn; (Cint ) chi phí gián đoạn do mất nguồn cung cấp; (Closs) chi phí do tổn thất năng lượng. 2.1.1. Chi phí năng lƣợng đƣợc cung cấp từ các nguồn COper: Trang 3
4. COper CbuyTT CbuyDG (2) NL Nsub Sub Sub Sub Sub CbuyTT Tiy (PC siy .Psiy QCsiy .Qsiy ) (3) i 1 s 1 NL NLin DG DG DG DG CbuyDG Tiy (PCliy .Pliy QCliy .Qliy ) (4) i 1 l 1 CbuyTT Chi phí mua điện từ các hệ thống cung cấp. CbuyDG Chi phí mua điện từ các hệ thống máy phát phân tán. NL Số chu kỳ của biểu đồ phụ tải. NLin Số lượng các tuyến trong hệ thống phân phối. Nsub Số lượng trạm biến áp. Sub Sub Psiy ,Qsiy Cơng suất tác dụng và phản kháng được cung cấp bởi các trạm biến áp s trong giai đoạn thứ i của đồ thị phụ tải, và năm thứ y của chu kỳ kế hoạch. Sub Sub PCsiy ,QCsiy Chi phí cơng suất tác dụng và phản kháng được cung cấp bởi các trạm biến áp s trong giai đoạn thứ i của đồ thị phụ tải, và năm thứ y của chu kỳ kế hoạch. DG DG Pliy ,Qliy Cơng suất thực và phản kháng được cung cấp bởi hệ thống máy phát phân tán kết nối tại đường dây l, trong giai đoạn thứ i của đồ thị phụ tải, và năm thứ y của chu kỳ kế hoạch. DG DG PCliy ,QCliy Chi phí cơng suất thực và phản kháng được cung cấp bởi hệ thống máy phát phân tán kết nối tại đường dây l, trong giai đoạn thứ i của đồ thị phụ tải, và năm thứ y của chu kỳ kế hoạch. Tiy Tổng các giai đoạn thứ i của đồ thị phụ tải của năm thứ y của chu kỳ kế hoạch. 2.1.2. Tổng chi phí gián đoạn ƣớc tính Cint: NLin CInt CBT x Ll l .Poi (5) l 1 Ll Chiều dài đường dây l. CBT chi phí bồi thường (đồng/kWh). Γ Tần suất cắt điện (giờ). Poi Cơng suất nhánh i tại thời điểm khảo sát. λl Giá trị chỉ số trung bình cho sự cố vĩnh cửu (lần/km). NLin Số lượng các tuyến trong hệ thống phân phối. 2.1.3. Tổng chi phí tổn thất năng lƣợng Closs: Trang 4
5. NLin CC.Ploss p lossi (6) l1 CP Chi phí tổn hao cơng suất (đồng/kWh). Plossi Tổn thất cơng suất tác dụng trên nhánh i. 2.2 Áp dụng giải thuật di truyền: Để giải bài tốn này giải thuật di truyền được thực hiện qua các bước sau: a- Khởi tạo quần thể Tạo ngẫu nhiên một quần thể gồm nhiều cá thể, số lượng cá thể phải được chọn đủ lớn để bảo đảm tính đa dạng. Mỗi cá thể gồm n bit, trong đĩ n là tổng số nút của hệ thống trừ đi nút cân bằng. Chuỗi nhiễm sắc thể bao gồm các phần tử 0 và 1. Phần tử 0 tương ứng với cơng suất DG = 0, phần tử 1 tương ứng với cơng suất DG = Pmax. b- Tính giá trị hàm mục tiêu Từ mỗi cá thể, trả giá trị từ chuỗi nhiễm sắc thể về giá trị thực (0 hoặc Pmax), gán giá trị vào tập dữ liệu busdata của lưới, thực hiện tính tốn phân bố cơng suất bằng phương pháp Newton Raphson để tìm cơng suất của các nút trên lưới và nút cân bằng. Tính giá trị hàm mục tiêu theo cơng thức (1) cĩ xét đến các ràng buộc của bài tốn. Nếu bị vi phạm hàm mục tiêu sẽ bị loại ra khỏi tập nghiệm. c- Thực hiện quá trình di truyền - Đánh giá độ phù hợp của cá thể: ở đây ta sử dụng phương pháp xác định độ phù hợp theo thứ tự giá trị hàm mục tiêu. Hàm mục tiêu nhận vào là tham biến và trả về một số thực. Tùy theo giá trị của số thực này mà ta biết độ tốt của lời giải đĩ (chẳng hạn bài tốn cực đại giá trị thì giá trị trả ra càng lớn càng tốt và ngược lại, với bài tốn cực tiểu giá trị thì giá trị trả ra càng nhỏ càng tốt. - Chọn lọc cá thể: đây là quá trình chọn lọc quần thể mới mà các cá thể được sao chép tương ứng với độ phù hợp của chúng. Mỗi cá thể trong quần thể được ấn định một độ phù hợp khác nhau. Trong nội dung luận văn này phương pháp chọn lọc tự nhiên được sử dụng. - Lai tạo: đây là đặc trưng quan trọng trong giải thuật di truyền bởi vì nĩ làm tăng nhanh quá trình tìm kiếm trong sự phát triển của dân số và đưa đến việc kết hợp hiệu quả của các phần nhiễm sắc thể khác nhau để hình thành nên hai cá thể mới. Cĩ nhiều cách để thực hiện việc lai tạo và hầu hết các phương pháp xác định đều dựa vào độ phù hợp của cá thể cha. Ở đây ta sử dụng phương pháp lai một điểm (single poin crossover). - Đột biến: Đột biến là hiện tượng cá thể con mang một số tính trạng khơng cĩ trong mã di truyền của cha mẹ. Mặc dù các tốn tử chọn lọc cá thể và lai tạo tạo ra nhiều cá thể mới nhưng chúng khơng đưa ra được bất kỳ thơng tin mới nào ở mức độ các bit. Tốn tử đột biến Trang 5
6. được dùng làm nguồn tạo ra các bit mới và được áp dụng với xác suất thấp vì nĩ là tốn tử tìm kiếm ngẫu nhiên. Trong quá trình đột biến, một bit ngẫu nhiên trong cá thể được thay đổi (từ “0” thành “1” hoặc ngược lại). d- Xác định giá trị hàm mục tiêu sau đột biến Xác định giá trị hàm mục tiêu của cấu hình mới đồng thời xét các ràng buộc như phần b. Truy xuất các giá trị Ploss và PHT, chèn các cá thể mới vào quần thể gốc. Tăng vịng lặp của quá trình. Xác định giá trị min trong tập các giá trị và chuỗi nhiễm sắc thể tương ứng. e- Trả kết quả về giá trị thực Từ chuỗi nhiễm sắc thể tương ứng đã được xác định, các bit 0 và 1 được trả về giá trị thực. Kết quả cho biết các vị trí cĩ cơng suất DG =0 và vị trí cĩ cơng suất DG = Pmax. Đồng thời xuất kết quả giá trị hàm mục tiêu tương ứng. III KẾT QUẢ THỰC HIỆN Chi phí mua Chi phí tổn Chi phí bồi ΔP Tổng chi phí điện thất thƣờng (kW) (triệu đồng) (triệu đồng) (triệu đồng) (triệu đồng) Khi chưa 329,24 118.165,860 4.326,157 23.678,658 146.170,675 kết nối DG Cĩ kết nối 196,78 116.425,398 2.585,695 11.414,329 130.425,423 DG Tỷ lệ giảm 40,23 1,47 40,23 51,79 10,77 (%) Cơng suất 3,62 - j1,13 (MVA) Vị trí kết nối (nút) 20 DG Với cấu trúc lưới 48 nút như trên ta thấy khi chưa cĩ kết nối DG thì tổn thất cơng suất trên hệ thống là 329,24kW, sau khi cĩ kết nối DG thì tổn thất giảm xuống cịn 196,78 kW, giảm 40,23%. Số lần mất điện trung bình của lưới SAIFI giảm từ 3,81 xuống cịn 2,54 khi cĩ kết nối DG. Thời gian mất điện trung bình của lưới SAIDI giảm từ 2,51 xuống cịn 1,68 khi cĩ kết nối DG. IV. KẾT LUẬN Quá trình tính tốn tối ưu vị trí lắp đặt DG giảm một lượng tổn thất cơng suất đáng kể, điều này dẫn đến giảm lượng cơng suất truyền tải trên đường dây, hạ thấp chi phí vận hành, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Điều này cĩ ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong điều kiện hiện nay khi nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng cao trong khi khả năng cung cấp cịn hạn chế. Trang 6
7. Với việc ứng dụng chương trình vào lưới điện thực tế Cà Mau, kết quả đạt được khá tốt để tìm một vị trí tối ưu kết nối DG nhằm giảm tổn thất trên lưới và đạt được các ràng buộc ban đầu. Điều này khẳng định tính chính xác của giải thuật được sử dụng từ đĩ cĩ thể ứng dụng chương trình cho nhiều điện lực khác nhau nhằm mang lại hiệu quả kinh tế khơng chỉ riêng cho ngành Điện mà cịn cho tồn xã hội. Bảng 1. Thơng số phát tuyến 477AX Phụ tải Điện Nút Nút Điện trở Số khách kháng X đầu cuối R (  ) P (MW) Q(MVAr) hàng (  ) 1 2 0,3158 0,7580 0,0403 0,0159 49 2 3 0,2346 0,5629 0,034 0,0134 42 3 4 0,0899 0,2158 0,0628 0,0248 51 4 5 0,0258 0,0618 0,0539 0,0213 27 5 6 0,0291 0,0699 0,338 0,197 125 6 7 0,0947 0,2273 0,0516 0,0343 46 7 8 0,0530 0,1271 0,041 0,0162 22 8 9 0,0747 0,1793 0,0268 0,0105 01 9 10 0,0446 0,1071 0,048 0,019 35 10 11 0,0403 0,0968 0,0278 0,011 19 11 12 0,0477 0,1144 0,671 0,348 03 12 13 0,0162 0,0388 1,292 0,7 15 13 14 0,0589 0,1413 0,518 0,194 259 14 15 0,0386 0,0925 0,0534 0,0211 27 15 16 0,0467 0,1121 0,113 0,0449 69 16 17 0,0397 0,0952 0,2155 0,1142 156 17 18 0,0194 0,0465 0,9758 0,645 30 18 19 0,0106 0,0253 0,567 0,337 234 19 20 0,0114 0,0273 0,653 0,465 03 20 21 0,0398 0,0956 0,54 0,362 311 1 22 0,2738 0,0672 0,0394 0,0121 17 22 23 0,9032 0,2216 0,0288 0,0099 21 23 24 0,8004 0,1964 0,0405 0,02 35 24 25 0,7165 0,1758 0,0154 0,006 22 25 26 0,1395 0,0342 0,0114 0,0045 14 26 27 0,3294 0,0808 0,0404 0,0054 37 25 28 0,5193 0,1274 0,0137 0,0547 14 28 29 0,5371 0,1318 0,0171 0,0676 17 3 30 0,0354 0,0849 0,3259 0,1285 03 6 31 0,1012 0,0980 0,2 0,1041 24 13 32 0,1860 0,1305 0,0116 0,0458 12 32 33 0,0608 0,0426 0,0154 0,006 19 33 34 0,0694 0,0487 0 0 0 34 35 0,0880 0,0618 0,1386 0,0547 86 35 36 0,1228 0,0861 0 0 0 Trang 7
8. 36 37 0,0976 0,0239 0 0 0 37 38 0,3388 0,0831 0,0171 0,0676 15 38 39 0,5958 0,1462 0,0144 0,0057 15 39 40 0,7427 0,1822 0 0 0 40 41 0,1101 0,0270 0,0105 0,0041 11 40 42 0,6367 0,1562 0,0833 0,0349 69 14 43 0,0176 0,0170 0 0 0 43 44 0,0282 0,0273 0,8816 0,575 363 43 45 0,1135 0,1192 0,205 0,0861 125 43 46 0,0626 0,0439 0,1386 0,0547 68 20 47 0,1416 0,0347 0,0292 0,0115 21 47 48 0,0839 0,0206 0,0628 0,0248 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trương Việt Anh, “Hê ̣Chuyên Gia Mờ vâṇ hà nh hê ̣thớng điêṇ phân phới” , Luận án Tiến sĩ, năm 2005. [2] Thơng tư 32/2010/TT-BCT về việc quy định hệ thống điện phân phối, ngày 30 tháng 07 năm 2010 Bộ Cơng Thương. [3] Thơng tư 33/2011/TT-BCT về việc quy định nội dung, phương pháp, trình tự và thủ tục nghiên cứu phát triển phụ tải, ngày 06 tháng 9 năm 2011 Bộ cơng Thương. [4] GS.TS Lã Văn Út, TS.Nguyễn Đức Hạnh “ Đánh giá độ tin cậy cung cấp điện của lưới điện trung áp trong giai đoạn quy hoạch, thiết kế” [5] Nguyễn Minh Châu, “Tối ưu hĩa các nguồn sản xuất điện phân tán trên hệ thống điện”, Luận văn Thạc sĩ năm 2006, ĐHSPKT TPHCM. [6] Trương Quang Đăng Khoa – Phan Thị Thanh Bình – Hồng Bảo Trân, “Xác định dung lượng và vị trí của máy phát phân bố (DG) tối ưu tổn thất lưới phân phối”, tạp chí phát triển KH & CN tập 10 số 3 năm 2007. [7] Lê Kim Hùng – Lê Thái Thanh, “Tối ưu hĩa vị trí đặt và cơng suất phát của nguồn phân tán trên mơ hình lưới điện phân phối 22kV”, tạp chí KH & CN Đại học Đà Nẳng năm 2008. [8] Chỉ tiêu độ tin cậy và suất sự cố của Cơng ty Điện lực Cà Mau năm 2014, ngày 08/7/2014 của Cơng ty Điện lực Cà Mau. [9] T. Q. D. Khoa, Member, IEEE, and P. T. T. Binh, “A Hybrid Ant Colony Search Based Reconfiguration of Distribution Network for Loss Reduction”, 2006 IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exposition Latin America, Venezuela. [10] César Augusto Peđuela Meneses, Member, IEEE, and José Roberto Sanches Mantovani, Member, IEEE, “Improving the Grid Operation and Reliability Cost of Distribution Systems With Dispersed Generation”, IEEE Transactions on power systems, vol. 28, no. 3, august 2013. Trang 8
9. Họ và tên: Nguyễn Đức Duy Đơn vị: Cơng ty Điện lực Cà Mau. Điện thoại: 0963 863 963. Email: duynguyen80@gmail.com. Ý kiến của cán bộ hƣớng dẫn khoa học Học viên thực hiện TS. TRƢƠNG VIỆT ANH NGUYỄN ĐỨC DUY Trang 9
10. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CƠNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên cĩ xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa cĩ sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CĨ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.