Tối ưu hóa công suất lắp đặt nguồn năng lượng tái tạo khi xét đến hiệu quả đầu tư và điều độ hệ thống điện

Bài viết Tối ưu hóa công suất lắp đặt nguồn năng lượng tái tạo khi xét đến hiệu quả đầu tư và điều độ hệ thống điện thực hiện tính toán thử nghiệm cho lưới điện chuẩn IEEE-30 nút trong đó có 6 nguồn điện truyền thống (nhiệt điện, thủy điện), 24 phụ tải và 10 nút có thể lắp đặt nguồn năng lượng tái tạo.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT LẮP ĐẶT NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO KHI XÉT ĐẾN HIỆU QUẢ ĐẦU TƯ VÀ ĐIỀU ĐỘ HỆ THỐNG ĐIỆN OPTIMIZING THE INSTALLATION POWER OF RENEWABLE ENERGY WITH CONSIDERATION OF INVESTMENT EFFICIENCY AND LOAD DISPATCH Đặng Thành Trung(1), Thái Quang Vinh(2), Trần Kỳ Phúc(3), Phùng Thị Thanh Mai(1), Phạm Thị Phương Thảo(1) (1 )Đại học Điện lực, (2) Viện Công nghệ Thông tin, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Bộ Công thương (3) Viện Năng lượng, Ngày nhận bài: 02/06/2022, Ngày chấp nhận đăng: 12/08/2022, Phản biện: TS Nguyễn Đức Tuyên Tóm tắt: Trong báo này, thuật toán di truyền thuật tốn bầy đàn sử dụng để tính tốn công suất lắp đặt tối ưu cho nguồn lượng tái tạo (năng lượng gió, lượng mặt trời) cho hệ thống điện Nghiên cứu có xét đến điều độ kinh tế hệ thống điện (tối ưu trào lưu công suất) hiệu đầu tư nguồn lượng tái tạo xét đến lợi tiềm vị trí địa lý Nghiên cứu thực tính tốn thử nghiệm cho lưới điện chuẩn IEEE-30 nút có nguồn điện truyền thống (nhiệt điện, thủy điện), 24 phụ tải 10 nút lắp đặt nguồn lượng tái tạo Kết tính tốn thấy tìm cơng suất tối ưu lắp đặt cho lưới điện đảm bảo điện áp nút dịng điện nhánh ln nằm giá trị cho phép công suất nguồn lượng tái tạo biến đổi liên tục từ 0- 100% Từ khóa: Thuật tốn di truyền, thuật tốn bầy đàn, điều độ cơng suất tối ưu, tối ưu công suất lắp đặt nguồn lượng tái tạo Abstract: In this paper, genetic algorithm and swarm algorithm are used to calculate the optimal installed capacity for renewable energy sources (wind energy, solar energy) for power system The problem is implemented in terms of optimal power flow and investment efficiency of renewable energy sources considering the advantages of potential and geographical location The problem is calculated for IEEE-30-node standard power grid, in which there are traditional power sources (thermoelectricity, hydroelectricity) and 24 loads and 10 nodes that can install renewable energy sources Calculation results show that finding the optimal installed capacity for the grid ensures that the node voltage and branch current are always within the allowable value when the renewable energy source capacity varies continuously from to 100% Keywords: Genetic Algorithm (GA); Particle Swarm Optimization (PSO), economic regulation of power system, Optimizing installed capacity of renewable energy sources Số 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Ký hiệu PGi aGi,bGi,cGi Ý nghĩa Công suất tác dụng phát nguồn điện nối vào nút thứ i Hệ số chi phí phát điện 𝑉𝑖 , 𝑉𝑖𝑠𝑒𝑡 Cơng suất tác dụng phụ tải điện nối vào nút thứ i Điện áp nút i, điện áp đặt nút i 𝑔𝑘𝑚 , 𝑏𝑘𝑚 , 𝐼𝑘𝑚 Điện dẫn dung dẫn, dịng điện nhánh k-m 𝜃𝑖 Góc pha điện áp nút i Công suất phản kháng phụ tải điện nối vào nút thứ i Công suất tác dụng, công suất phản kháng máy phát nối vào nút i Các nhân tử hàm Lagrangian Các đẳng thức bất đẳng thức ràng buộc biến hàm f(x) Phần bù bất đẳng thức ràng buộc để trở thành đẳng thức Đạo hàm bậc hàm F theo X Đạo hàm bậc hàm Lagrangian theo X Ma trận đơn vị Ma trận chuyển vị ma trận 𝐻𝑋 PLi QLi PGi, QGi, 𝜆, 𝜇 h(x); g(x) Z 𝐹𝑋 𝛾 𝐿𝑋𝑋 I 𝐻𝑋𝑇 𝛼𝑖 𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑖 Hệ số có lợi vị trí Cơng suất nguồn lượng tái tạo nút i GIỚI THIỆU CHUNG Hiện nay, việc đầu tư nguồn lượng tái tạo (nhà máy điện mặt trời, nhà máy điện gió) Việt Nam phát triển mạnh chi phí đầu tư ngày giảm tiềm phát triển tốt số khu vực Tuy nhiên với đặc tính biến thiên liên tục cơng suất phát nên có nhiều nguồn lượng tái tạo kết nối với lưới gây ảnh hưởng đến công suất truyền tải đường dây điện áp nút Trong nhiều trường hợp, tải công suất truyền tải đường dây điện áp vượt khỏi giá trị cho phép mà hệ thống điện phải cắt nguồn lượng tái tạo đấu vào lưới Để tránh cắt giảm công suất phát nguồn lượng tái tạo, nghiên cứu đề xuất phương pháp tính tốn cơng suất đặt tối ưu nguồn lượng tái tạo kết nối vào lưới điện xét điều kiện nhà máy thay đổi công suất theo biến thiên thời tiết không làm công suất truyền tải đường dây điện áp nút nằm giá trị cho phép Phương pháp thực điều kiện có xét đến trình điều độ kinh tế hệ thống điện Đồng thời toán tối ưu xét đến hệ số tối ưu vị trí đầu tư nguồn lượng tái tạo mật độ lượng tái tạo, tiềm nguồn lượng, hiệu đầu tư Chẳng hạn khu vực có mật độ lượng gió, lượng mặt trời cao, khu vực thuận tiện xây dựng, có chi phí giải phóng mặt thấp, gần điểm kết nối cần ưu tiên đầu tư phát triển ta đặt hệ số vị trí hàm mục tiêu cao Cịn khu vực có thuận lợi ta đặt hệ số vị trí thấp Có nhiều nghiên cứu việc điều khiển tối ưu nguồn điện lưới điện sử dụng thuật toán di truyền, thuật toán di truyền kết hợp với logic mờ để phân bố công suất nhà máy điện nhằm tối thiểu hóa chi phí phát điện tồn nhà máy xét đến chi phí khởi động tổ máy, chi phí ngừng tổ máy ràng buộc công suất phát, thời gian khởi động thời gian ngừng tổ máy [1] Ngồi cịn có nghiên cứu vị trí đặt nguồn phân tán nguồn lượng gió, lượng mặt trời Nghiên cứu sử dụng mơ hình Monte Carlo Simulation (MCS) để tính ảnh hưởng nguồn điện gió, điện mặt trời đến độ tin cậy lưới điện Từ sử dụng thuật tốn di truyền để tính tối ưu hàm chi phí bao gồm chi phí tổn thất truyền tải, chi phí phải mua điện từ lưới từ nhà máy thủy điện, nhiệt điện tính biến thiên liên tục, bất thường nguồn lượng gió, lượng mặt trời, chi phí đầu tư vận hành nguồn lượng gió, lượng mặt trời [2] Hàm mục tiêu tính đến giá đặt mua, đặt bán trước thị trường điện cạnh tranh [3] Hàm mục tiêu tổn thất nhỏ lưới truyền tải điện [5] Ngoài việc tối ưu hóa vị trí đặt nguồn phân tán có nghiên cứu tối ưu hóa cơng suất tích trữ lượng cách sử dụng mơ hình Monte Carlo Simulation (MCS) để tính thời gian điện hệ thống gồm tua bin gió, lưu trữ điện tải Từ tính hàm mục tiêu gồm phí đầu tư lưu trữ chi phí bị nguồn điện cung cấp cho tải [7] Cũng có nghiên cứu sử dụng thuật toán di truyền mạng nơ ron nhân tạo để tính cơng suất đặt lưu trữ gồm ắc quy bánh xe tích trữ lượng để hệ thống cung cấp đủ điện cho phụ tải điều kiện Số 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) công suất tua bin gió giàn pin mặt trời biến thiên liên tục [8] giá trị cho phép nguồn lượng tái tạo biến thiên công suất Ở nghiên cứu [9] tác giả đề xuất phương pháp sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để tối ưu hóa vị trí, cơng suất nguồn phân tán cách tính ảnh hưởng có nguồn điện gió, điện mặt trời đấu vào lưới không đấu vào lưới tiêu tổn thất cơng suất, dịng ngắn mạch điện áp Hoặc nghiên cứu [6] sử dụng thuật toán bầy đàn để tìm phương án tối ưu phát triển đường dây truyền tải điện Thuật toán di truyền phù hợp để giải toán tối ưu cho nhiều mục tiêu khác với nhiều hàm ràng buộc [4] Kết tính cơng suất lắp đặt tối ưu nguồn lượng tái tạo nút lưới điện giúp ích nhiều cho quy hoạch nguồn lượng tái tạo khu vực đảm bảo cho lưới điện vận hành ổn định tận dụng tối đa tiềm nguồn lượng tái tạo Khi đặt hệ số có lợi vị trí tất nút nhau, ta xác định tổng công suất lắp đặt lớn nguồn lượng tái tạo Từ tính phân bổ quy hoạch cho nguồn lượng khác nhiệt điện, điện khí… để đảm bảo an ninh lượng giảm phát thải khí CO2 Từ tìm hiểu ta thấy có nhiều nghiên cứu tối ưu hóa cơng suất nguồn lượng tái tạo tối ưu hóa đường dây truyền tải nhiên chưa có nghiên cứu việc tối ưu hóa có xét đến việc thay đổi cơng suất nguồn điện cịn lại hệ thống nguồn nhiệt điện thủy điện tương tự điều độ vận hành thực tế hệ thống điện Đồng thời nghiên cứu chưa xét đến lợi vị trí lắp đặt nguồn lượng tái tạo Qua nghiên cứu đề xuất phương pháp tính tối ưu cơng suất nguồn lượng tái tạo với lưới điện sau:  Tính tốn tối ưu trào lưu cơng suất lưới điện (Điều độ kinh tế hệ thống điện)  Khi đấu thêm nguồn lượng tái tạo vào lưới điện Nếu công suất nguồn lượng tái tạo đấu thêm thay đổi nguồn điện truyền thống cịn lại hệ thống phải thay đổi cơng suất cho công suất truyền tải nhánh, điện áp nút nằm giá trị cho phép  Sử dụng thuật toán di truyền (GA) thuật tốn bầy đàn (PSO) tính tốn tối đa tổng cơng suất lắp đặt nguồn lượng tái tạo vào lưới xét đến hệ số tối ưu vị trí Với phương pháp trên, ta tính tốn tổng công suất tối ưu nguồn lượng tái tạo lắp đặt vào lưới điện mà đảm bảo dòng điện nhánh điện áp nút nằm Số 29 Các tính tốn trước đưa hệ số có lợi vị trí vào hàm mục tiêu nên khơng tận dụng hết tiềm nguồn lượng tái tạo đặc biệt với Việt Nam diện tích trải dài từ Bắc vào Nam Có nhiều khu vực có tiềm năng lượng tái tạo lớn Bình Thuận, Ninh Thuận, Cà Mau… tỉnh phía Bắc tiềm lượng tái tạo Và thực tế hình thành trung tâm lượng tái tạo Ninh Thuận, Bình Thuận… nên tính tốn phù hợp cho quy hoạch nguồn điện tái tạo quy hoạch lưới điện Khi tính tốn quy hoạch nâng cơng suất truyền tải lưới điện xây dựng lưới điện mới, nhờ việc tính hệ số có lợi vị trí vào hàm mục tiêu nên khu vực có tiềm lớn, dễ xây dựng ưu tiên phân bố công suất nguồn lượng tái tạo cao hơn, qua quy hoạch lưới điện tính tới để giải tỏa cơng suất phù hợp với nguồn tránh tình trạng tải lưới điện Nghiên cứu đề xuất phương pháp để tính tốn quy hoạch nguồn điện gió, điện mặt trời đứng góc nhìn từ khả truyền tải lưới điện nguồn lượng truyền thống sẵn có Ngồi nghiên cứu đề xuất phương pháp quy hoạch nguồn điện tái tạo gồm bước TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) tách biệt gồm bước điều độ tối ưu bước xác định công suất tối đa nguồn điện tái tạo Nhờ việc tách riêng thành bước nên thay đổi cấu trúc lưới điện thêm lưới chiều, thêm dự trữ lượng cần thay đổi bước điều độ tối ưu giữ nguyên bước xác định công suất tối đa mà không cần phải thay đổi lại tồn thuật tốn Nghiên cứu lập trình chạy thử nghiệm lưới điện chuẩn IEEE 30 nút |𝐼𝑘𝑚 | ≤ 𝐼𝑘𝑚𝑚𝑎𝑥 (8) Để giải tốn tối thiểu hóa chi phí gồm ràng buộc ta sử dụng phương pháp hàm chắn (PDIP) Hàm chi phí f(x) với ràng buộc: ℎ(𝑥) = { 𝑔(𝑥) ≤ 𝑥𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝑥 ≤ 𝑥𝑚𝑎𝑥 (9) Để giải toán này, ta lập hàm Lagrangian 𝐿(𝑥, 𝜆, 𝜇, 𝜎) = 𝜎 𝑓(𝑥) + 𝜆𝑇 ℎ(𝑥) + 𝜇𝑇 𝑔(𝑥) (10) Và hàm Lagrangian điều chỉnh sau MƠ HÌNH ĐIỀU ĐỘ KINH TẾ HỆ THỐNG ĐIỆN Hàm mục tiêu toán điều độ kinh tế hệ thống điện tối thiểu chi phí phát điện nhà máy điện lưới điện sau: ∑𝑛𝑖=1(𝑐𝐺𝑖 𝑃𝐺𝑖 + 𝑏𝐺𝑖 𝑃𝐺𝑖 + 𝑎𝐺𝑖 ) (1) Hiện quy định ngành điện cho phép nguồn lượng tái tạo điện mặt trời, điện gió ln ưu tiên phát điện lên lưới điện áp nút dòng điện nhánh nằm giá trị cho phép nên hàm mục tiêu toán tối ưu trào lưu công suất xét đến tổng chi phí nhà máy nhiệt điện thủy điện hệ thống Hàm ràng buộc h(x) gồm hàm cân công suất tác dụng công suất phản kháng nút cân điện áp đặt nút 𝑁 𝑃𝐿𝑘 − 𝑃𝐺𝑘 + 𝑉𝑘 ∑𝑚=1 𝑉𝑚 [𝑔𝑘𝑚 cos(𝜃𝑘 − 𝜃𝑚 ) + 𝑏𝑘𝑚 sin⁡(𝜃𝑘 − 𝜃𝑚 )⁡] = (2) 𝑛 𝑖 𝑚𝑖𝑛[𝑓(𝑋) − 𝛾 ∑𝑚=1 ln⁡(𝑍𝑚 )] 𝑚𝑖𝑛𝑓(𝑋) 𝐻(𝑋) = (11) {𝐻(𝑋) = → { 𝐺(𝑋) + 𝑍 = 𝐺(𝑋) ≤ 𝑍>0 Tham số 𝛾 có giá trị xấp xỉ 0, ta có hàm Lagrangian sau: 𝐿𝛾 (𝑋, 𝑍, 𝜆, 𝜇) = 𝑓(𝑋) + 𝜆𝑇 𝐻(𝑋) + 𝜇 𝑇 (𝐺(𝑋) + 𝑛𝑖 𝑍) − 𝛾 ∑𝑚=1 ln⁡(𝑍𝑚 ) (12) Theo điều kiện Karush-Kuhn-Tucker (KKT) hàm Lagrangian đạt giá trị cực tiểu { Sử dụng bước lặp Newton để giải hệ phương trình (13) 𝑁 (4) Các bất đẳng thức ràng buộc g(x) gồm giới hạn công suất tác dụng, công suất phản kháng tổ máy, điện áp nút dòng điện truyền tải đường dây truyền tải điện 𝑃𝐺𝑖𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝑃𝐺𝑖 ≤ 𝑃𝐺𝑖𝑚𝑎𝑥 (5) 𝑄𝐺𝑖𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝑄𝐺𝑖 ≤ 𝑄𝐺𝑖𝑚𝑎𝑥 (6) 𝑉𝑖𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝑉𝑖 ≤ 𝑉𝑖𝑚𝑎𝑥 (7) (13) Trong F đạo hàm bậc hàm Lagrangian theo biến 𝑄𝐿𝑘 − 𝑄𝐺𝑘 + 𝑉𝑘 ∑𝑚=1 𝑉𝑚 [𝑔𝑘𝑚 sin(𝜃𝑘 − 𝜃𝑚 ) + 𝑏𝑘𝑚 cos⁡(𝜃𝑘 − 𝜃𝑚 )⁡] = (3) 𝑉𝑖 − 𝑉𝑖𝑠𝑒𝑡 = 𝐹(𝑋, 𝑍, 𝜆, 𝜇) = 𝑍>0 𝜇>0 𝛾 𝐿𝑋𝑋 ⁡⁡ 𝐻𝑋 [ 𝐺𝑋 ∆𝑋 ∆𝑍 [𝐹𝑋 ⁡⁡⁡𝐹𝑍 ⁡⁡⁡𝐹𝜆 ⁡⁡⁡𝐹𝜇 ] [ ∆𝜆 ] = −𝐹(𝑋, 𝑍, 𝜆, 𝜇) → ∆𝜇 𝛾𝑇 𝑇 𝑇 𝐻𝑋 𝐺𝑋 ∆𝑋 𝐿𝑋 [𝜇] [𝑍] ∆𝑍 = [𝜇] 𝑍 − 𝛾 𝑒 (14) [ ∆𝜆 ] 𝐻(𝑋) 0 𝐼 0 ] ∆𝜇 [ 𝐺(𝑋) + 𝑍 ] Khai triển hàng phương trình (14) ta có [𝜇] ∆𝑍 + [𝑍] ∆𝜇 = −[𝜇] 𝑍 + 𝛾 𝑒 → [𝑍] ∆𝜇 = −[𝜇] 𝑍 + 𝛾 𝑒 − [𝜇] ∆𝑍 Số 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) → ∆𝜇 = −𝜇 + [𝑍]−1 (𝛾 𝑒 − [𝜇] ∆𝑍) (15) Khai triển hàng phương trình (14) ta có 𝐺𝑋 ∆𝑋 + ∆𝑍 = −𝐺(𝑋) − 𝑍 → ∆𝑍 = −𝐺(𝑋) − 𝑍 − 𝐺𝑋 ∆𝑋 (16) Thay ∆𝑍, ∆𝜇 (16), (15) khai triển rút gọn hàng phương trình (14) ta có 𝛾 𝐿𝑋𝑋 ∆𝑋 + 𝐻𝑋𝑇 ∆𝜆 + 𝐺𝑋𝑇 ∆𝜇 = −𝐿𝛾𝑋 𝑇 𝑇 𝛾 → (𝐿𝑋𝑋 + 𝐻𝑋𝑇 [𝑍]−1 𝜇 𝐻𝑋 ) ∆𝑋 + 𝐺𝑋𝑇 ∆𝜆 = 𝐿𝛾𝑋 − 𝐻𝑋𝑇 [𝑍]−1 (𝛾 𝑒 − [𝜇] 𝐻(𝑋)) Đặt giá trị M, N sau 𝛾 𝑀 = 𝐿𝑋𝑋 + 𝐺𝑋𝑇 [𝑍]−1 [𝜇] 𝐺𝑋 𝑇 𝑁 = 𝐿𝛾𝑋 + 𝐺𝑋𝑇 [𝑍]−1 (𝛾 𝑒 + [𝜇] 𝐻(𝑋)) → 𝑁 = 𝑓𝑋𝑋 + 𝐻𝑋𝑋 (𝜆) + 𝐺𝑋𝑋 (𝜆) + + [𝜇] 𝐺(𝑋)) (17) 𝐺𝑋𝑇 [𝑍]−1 (𝛾 𝑒 Ta hệ phương trình [ 𝑀 𝐻𝑋 −𝑁 𝐻𝑋𝑇 ∆𝑋 ].[ ] = [ ] −𝐻(𝑋) ∆𝜆 Hình Sơ đồ thuật tốn tính trào lưu cơng suất tối ưu (18) Với giá trị đặt ban đầu, thuật toán hàm chắn cho toán tối ưu trào lưu cơng suất tiến hành tính tốn theo bước sau: + Bước 1: Tính ∆𝑋 , ∆𝜆 từ hệ phương trình (18) + Bước 2: Tính ∆𝑍 từ phương trình (16) + Bước 3: Tính ∆𝜇 từ phương trình (15) Lưu đồ thuật tốn tốn tính tối ưu trào lưu công suất sử dụng phương pháp hàm chắn cho lưới điện sau: XÂY DỰNG VÀ GIẢI BÀI TỐN TỐI ƯU HĨA CƠNG SUẤT LẮP ĐẶT 3.1 Bài tốn tối ưu hóa cơng suất lắp đặt Hàm mục tiêu tốn tổng cơng suất đặt nguồn lượng tái tạo nút (PPVWTi) lớn xét đến hệ số có lợi vị trí (𝛼𝑖 ) 𝑓 = ∑𝑁 𝑖=1 𝛼𝑖 𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑖 (19) Bài tốn có xét đến điều độ kinh tế lưới điện trình bày mục (2) Để thực toán này, ta tiến hành sau: + Bước 1: Xác định vị trí nút đặt nguồn lượng tái tạo hệ số vị trí nút Giả sử nguồn lượng tái tạo khơng phát điện Tính tốn điều độ công suất tối ưu lưới điện + Bước 2: Tăng dần cơng suất lắp đặt nguồn lượng tái tạo nút Tính điều độ tối ưu kinh tế nguồn lượng tái tạo phát 100% công suất Điều kiện đảm bảo toán điều độ kinh tế hội tụ Số 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) + Bước 3: Sử dụng thuật toán di truyền thuật tốn bầy đàn để tìm cơng suất tối ưu nguồn lượng tái tạo nút cho hàm mục tiêu lớn đạt giá trị tối ưu miền tìm kiếm Để sử dụng thuật tốn bầy đàn cho tốn tìm công suất lắp đặt tối ưu nguồn lượng tái tạo, ta thực bước sau : 3.2 Sử dụng thuật tốn di truyền (GA) để tính tối ưu công suất đặt nguồn điện tái tạo i) Tạo quần thể khơng gian tìm kiếm ban đầu (0) gồm p phần tử [𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑖 ]𝑗 Trong phần tử Thuật tốn di truyền (GA) sử dụng phù hợp toán tối ưu dựa ngơn ngữ lập trình máy tính Đây thuật tốn tìm kiếm cực trị hàm gồm nhiều biến để lựa chọn phương án tốt đồng thời vượt qua cực trị địa phương nhờ trình chọn lọc, lai ghép đột biến tương tự chế chọn lọc, lai ghép, đột biến ngành di truyền học tập hợp công suất nguồn lượng tái tạo nút: Sơ đồ thuật toán di truyền cho toán tối ưu công suất đặt nguồn lượng tái tạo vào lưới điện sau: (0) 𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑖 = 𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑚𝑖𝑛 + 𝑅𝑎𝑛𝑑(0,1) (𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑚𝑎𝑥 − 𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑚𝑖𝑛 ) (20) Vận tốc ban đầu cá thể 𝑉𝑖 𝑉𝑖 (0) (0) cho (0) = 𝑅𝑎𝑛𝑑(0,1) (𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑚𝑎𝑥 − 𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑖 ) (21) ii) (𝑘) + Tính hàm mục tiêu cá thể 𝑓([𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑖 ]𝑗 ) (𝑘) + Chọn cực trị địa phương 𝑓𝑏𝑒𝑠𝑡 ([𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑖 ] ) công suất nguồn lượng tái tạo tương ứng [𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑖 ](𝑘) 𝑏𝑒𝑠𝑡 + Đồng thời, so sánh cực trị địa phương ta tìm giá trị cho cực trị toàn cục 𝑓𝑔𝑏𝑒𝑠𝑡 ([𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑖 ]) công suất nguồn lượng tái tạo tương ứng [𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑖 ]𝑏𝑒𝑠𝑡 so sánh giá trị tốt cực trị địa phương vòng lặp + Sau vịng lặp ta cập nhật vị trí cá thể theo công thức (𝑘+1) (𝑘) 𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑖 = 𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑖 + 𝑉𝑖 𝑉𝑖 (𝑘) (𝑘) (22) (𝑘) vận tốc cá thể 𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑖 (𝑘) Hình Thuật tốn di truyền cho tốn tối ưu vị trí công suất đặt nguồn lượng tái tạo nối vào lưới điện 3.3 Sử dụng thuật toán bầy đàn (PSO) để tính tối ưu vị trí cơng suất đặt nguồn điện tái tạo Thuật toán bầy đàn (PSO) thuật tốn tối ưu hóa phi tuyến ngẫu nhiên đề xuất Kenedy Eberhart vào năm 1995 Thuật tốn dựa mơ hình hóa việc đàn chim tìm kiếm thức ăn nhằm Trong vận tốc 𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑖 tính theo cơng thức sau: 𝑉𝑖 (𝑘+1) = 𝐶𝑣 𝑉𝑖 (𝑘) (𝑘) (𝑘) + 𝐶1 𝑟1 (𝑃𝑏𝑒𝑠𝑡𝑖 − 𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑖 ) + (𝑘) 𝐶2 𝑟2 (𝑃𝑔𝑏𝑒𝑠𝑡𝑖 − 𝑃𝑃𝑉𝑊𝑇𝑖 ) (23) Trong đó: r1, r2 số ngẫu nhiên nằm khoảng 0-1.Cv, C1, C2 hệ số gia tốc hỗ trợ tìm kiếm tồn cầu tìm kiếm cục Sau vòng lặp, giá trị ban đầu gần tìm đến Số 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) vị trí biến tối ưu cần tìm Vịng lặp dừng tốn hội tụ Sơ đồ thuật toán bầy đàn (PSO) cho tốn tìm cơng suất tối ưu nguồn điện tái tạo sau : Hình Sơ đồ lưới điện mẫu IEEE-30 nút Dựa vào số liệu theo tài liệu [11] nghiên cứu đặt hệ số chi phí phát điện bảng Giới hạn công suất tác dụng nhà máy điện truyền thống cho bảng sau: Bảng Thông số máy phát truyền thống lưới Hình Thuật tốn bầy đàn cho tốn tối ưu vị trí cơng suất đặt nguồn lượng tái tạo nối vào lưới điện TÍNH TỐN THỬ NGHIỆM CHO LƯỚI ĐIỆN IEEE-30 NÚT Áp dụng tính tốn cho lưới điện IEEE 30 nút với nút nguồn nhà máy thủy điện nhiệt điện, 24 nút tải kết nối với nguồn qua 42 nhánh sau: Nút Giới hạn công suất phát Pmax Pmin (MW) (MW) 80 Hệ số giá c b a 0,005 100 80 50 0,0119 37,55 117,75 22 50 0,002 10 500 27 55 35 0,0087 13,32 81 23 30 20 0,025 25,54 24,39 13 40 0,0025 300 Trong trường hợp dùng nguồn thủy điện nhiệt điện ta sử dụng máy tính có cấu hình core i76700HQ, Ram 8G, SSD 128G tính tốn tối ưu trào lưu công suất hội tụ sau 1,5s tổng chi phí phát điện hệ thống 4750,11 bảng phân bố công suất phát nhà máy sau: Bảng Công suất phát nhà máy sau điều độ kinh tế Số 29 Nút PG (MW) QG (MVAr) 37,6 2,6 50,69 25,17 22 35 29,2 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Nút PG (MW) QG (MVAr) 27 36 12,56 23 20 8,32 13 11,99 17,31 f 200 Bảng Hệ số có lợi vị trí nút lắp đặt nguồn lượng tái tạo Nút Hệ số vị trí 10 12 15 17 20 28 29 30 1,5 1,3 1,2 1,4 1,5  Sử dụng thuật tốn di truyền tìm kiếm cơng suất lắp đặt tối ưu có tính đến hệ số có lợi vị trí điều độ hệ thống điện đảm bảo cho điện áp nút, dòng điện nhánh nằm giá trị cho phép ta kết tối ưu sau: Chart Title 200 150 100 50 Hình Hàm tối ưu theo bước lặp thuật toán di truyền (GA) Với giá trị tối ưu f = 164,43 công suất lắp đặt nguồn lượng tái tạo nút sau: Bảng Hệ số có lợi vị trí nút lắp đặt nguồn lượng tái tạo Hệ số vị trí Nút Cơng suất lắp đặt nút (MW) 0,2 1,5 0,8 10 0,1 12 1,3 1,9 15 0,5 17 1,2 0,5 20 1,4 37,9 28 0,2 29 1,5 70,4 30 0,5 Sử dụng thuật tốn bầy đàn (PSO) ta tìm hàm tối ưu f = 164,645 với đồ thị hàm mục tiêu bảng phân bố công suất lắp đặt nút sau: 100 0 18 27 86 126 136 148 399 2839 5060 5313 5791 9556 Giả định nút bảng sau lắp nguồn lượng tái tạo hệ số có lợi vị trí tương ứng: Hình Hàm tối ưu theo bước lặp thuật toán bầy đàn (PSO) Bảng Hệ số có lợi vị trí nút lắp đặt nguồn lượng tái tạo Công suất lắp đặt nút (MW) 0,196 1,5 0,83 10 0,047 12 1,3 1,991 15 0,468 17 1,2 0,579 20 1,4 37,887 28 0,198 29 1,5 70,442 30 0,502 Hệ số vị trí Nút Từ bảng kết cơng suất lắp đặt nút ta thấy với nút 29, hệ số có lợi vị trí (bằng 1,5) lớn nên đặt công suất lớn 70,4 MW nút khác có hệ số có lợi vị trí nhỏ (bằng 1) nút 4, nút 10, nút 15, nút 28 nút 30 cơng suất đặt nguồn lượng tái tạo lại nhỏ từ 0,05-0,5 MW Qua ta thấy kết tính tốn đảm bảo ưu tiên cho khu vực có tiềm lớn, dễ xây dựng hỗ trợ sách nhiều mà đảm bảo cung cấp tối đa nguồn lượng tái tạo cho lưới không làm tải điện áp công suất truyền tải đường dây Vẫn sử dụng thông số lưới điện IEEE-30 nút trên, nghiên cứu tính cho trường hợp khơng xét đến hệ số có lợi vị trí tức hệ số có lợi vị trí đặt Sử dụng thuật toán di truyền thuật toán bầy đàn ta tìm hàm tối ưu tổng cơng suất lắp đặt lớn nguồn lượng tái tạo nút f= 113,4 Số 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) MW (với thuật toán di truyền) f = 113,339 MW (với thuật toán bầy đàn f 18 26 28 85 1313 2968 3089 3149 4120 4135 4809 4910 5001 120 100 80 60 40 20 Hình Hàm tối ưu theo bước lặp thuật toán di truyền (GA) khơng xét đến hệ số có lợi Bảng Hệ số có lợi vị trí nút lắp đặt nguồn lượng tái tạo sử dụng thuật tốn di truyền (GA) Cơng suất lắp đặt nút (MW) Hệ số vị trí Nút 10 12 15 17 20 28 29 30 1,3 0,5 19,1 7,5 0,1 4,5 0,3 43,2 35,9 f 120 100 80 60 40 20 30 82 134 161 179 196 216 236 252 269 314 335 358 375 392 419 Hình Hàm tối ưu theo bước lặp thuật toán bầy đàn (PSO) khơng xét đến hệ số có lợi Bảng Hệ số có lợi vị trí nút lắp đặt nguồn lượng tái tạo sử dụng thuật toán bầy đàn (PSO) Số 29 Hệ số vị trí Nút 10 12 15 17 20 28 29 30 Công suất lắp đặt nút (MW) 1,242 0,539 19,065 7,51 0,066 1,049 4,449 0,331 43,189 35,899 KẾT LUẬN Từ nghiên cứu tính tốn ta đưa số kết luận sau: + Sử dụng thuật toán di truyền (GA) thuật toán bầy đàn (PSO) ta tính cơng suất lắp đặt tối ưu nguồn lượng tái tạo xét đến hệ số vị trí Như ngồi việc tăng cơng suất lắp đặt nút vị trí thuận lợi cho lắp đặt, có hiệu đầu tư vận hành ưu tiên lắp đặt công suất lớn Chẳng hạn nút 29 có hệ số vị trí 1,5 lắp đặt cơng suất lớn + Cả thuật toán di truyền (GA) thuật toán bầy đàn (PSO) cho kết tối ưu gần giống Tuy nhiên đặc điểm chuyển giá trị công suất thành chuỗi nhị phân nên thuật toán di truyền cho kết giá trị có chữ số sau dấu phẩy khơng xác thuật tốn bầy đàn (PSO) Trong thực tế kết khơng ảnh hưởng công suất lắp đặt nguồn lượng tái tạo thường số chẵn + Khi không xét đến hệ số có lợi vị trí, tổng cơng suất lắp đặt lớn nguồn lượng tái tạo 113,4 MW xét đến hệ số có lợi tổng cơng suất lắp đặt 113 MW Như áp dụng hệ số có lợi vào tổng công suất lắp đặt nguồn lượng tái tạo không thay đổi nhiều ưu tiên khu vực có tiềm có nhiều điều kiện thuận lợi để xây dựng nguồn lượng tái tạo TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Alma Ademovic, Smajo Bisanovic, Mensur Hajro “A Genetic Algorithm Solution to the Unit Commitment Problem Based on Real-Coded Chromosomes and Fuzzy Optimization”, Melecon 2010 - 15th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference, 2010 [2] A Hadian, Haghifam “Placement of DG with Stochastic Generation”, IEEE PES T&D, 2010 [3] Pietro Lamaina, Debora Sarno, Pierluigi Siano, Alireza Zakariazadeh, Roberto Romano “A Model for Wind Turbines Placement within a Distribution Network Acquistion Market”, IEEE Transactions on Industrial Informatics, Volume 11, Issue 1, Feb 2015 [4] Mitchell Melanine “An Introduction to Genetic Algorithms”, MIT Press, 1999 [5] B Neelakanteshwar Rao, A R Abhyankar, Nilanjan Senroy “Optimal Placement of Distributed Generator using Monte Carlo Simulation”, Eighteenth National Power Systems Conference (NPSC), 2014 [6] Chandrakant Rathore, Ranjit Roy “Impact of Distributed Generation in Transmission Network Expansion Planning Problem”, 3rd International Conference on Electric Power and Energy Conversion Systems, 2013 23rd International DAAAM Symposium, Volume 23, No.1 Giới thiệu tác giả: Tác giả ThS Đặng Thành Trung tốt nghiệp đại học nhận Thạc sĩ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào năm 2006 2008 Hiện tác giả công tác Trường Đại học Điện lực Hướng nghiên cứu chính: Tính tốn tối ưu hệ thống điện, tích hợp lượng tái tạo vào lưới điện, dự báo công suất phát nguồn lượng tái tạo, công suất phụ tải, tính độ tin cậy hệ thống điện Tác giả PGS.TS Thái Quang Vinh tốt nghiệp Tiến Sỹ Liên Bang Nga Hiện tác giả nghiên cứu viên chính, ngun viện trưởng viện Cơng nghệ thơng tin, Viện Khoa học Việt Nam Hướng nghiên cứu chính: Điều khiển tối ưu, điều khiển hệ thống lớn… Tác giả TSKH Trần Kỳ Phúc tốt nghiệp Tiến Sỹ Ukraina Hiện tác giả viện trưởng Viện lượng, Bộ cơng thương Hướng nghiên cứu chính: Tính độ tin cậy hệ thống điện, tính tốn tối ưu hệ thống điện… [7] Robert S Weissbach, Remus E Teodorescu, James R Sonnenmeier “Comparison of Time-Based Probability Methods for Estimation Energy Storage Requirements for an Off-Grid Residence”, IEEE Energy 2030 Conference, 2008 Tác giả ThS Phùng Thị Thanh Mai tốt nghiệp đại học nhận Thạc sĩ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Hiện tác giả công tác Trường Đại học Điện lực [8] Shiqiong Zhou, Longyun Kang, Guifang Guo, Yanning Zhang, Jianbo Cao, Binggang Cao “The Application of Combinatorial Optimization by Genetic Algorithm and Neural Network”, 3rd IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, 2008 Tác giả ThS Phạm Thị Phương Thảo tốt nghiệp đại học nhận Thạc sĩ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Hiện tác giả công tác Trường Đại học Điện lực [9] M M Elnashar, R El Shatshat, M M A Salama “Optimum Planning of Large Distributed Resources in a Mesh Connected System Based of Artificial Neural Networks”, IEEE Power & Energy Society General Meeting, 2009 Hướng nghiên cứu chính: Ổn định hệ thống điện, lượng tái tạo Hướng nghiên cứu chính: Tính tốn ngắn mạch hệ thống điện, lượng tái tạo [10] Hadi Saadat “Power System Analysis” Psa Publishing LLC, 2011 [11] Zivic Djurovic, Milacic, Krsulja “A simplified model of quadratic cost function for thermal generator” Annals of DAAAM for 2012 & Proceedings of the 10 Số 29 ... tổng công suất lắp đặt nguồn lượng tái tạo vào lưới xét đến hệ số tối ưu vị trí Với phương pháp trên, ta tính tốn tổng cơng suất tối ưu nguồn lượng tái tạo lắp đặt vào lưới điện mà đảm bảo dòng điện. .. điện sau:  Tính tốn tối ưu trào lưu cơng suất lưới điện (Điều độ kinh tế hệ thống điện)  Khi đấu thêm nguồn lượng tái tạo vào lưới điện Nếu công suất nguồn lượng tái tạo đấu thêm thay đổi nguồn. .. trí nút đặt nguồn lượng tái tạo hệ số vị trí nút Giả sử nguồn lượng tái tạo khơng phát điện Tính tốn điều độ cơng suất tối ưu lưới điện + Bước 2: Tăng dần cơng suất lắp đặt nguồn lượng tái tạo nút