Tối ưu hoá công suất trong mạng lưới điện thông minh với các nguồn năng lượng tái tạo (luận văn thạc sĩ)

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH QUYỀN HUY THIÊN BẢO TỐI ƯU HỐ CÔNG SUẤT TRONG MẠNG LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH VỚI CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã ngành: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Cơng nghiệp TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Bạch Thanh Quý Luận văn thạc sĩ bảo vệ Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: - Chủ tịch Hội đồng - Phản biện - Phản biện - Ủy viên - Thư ký (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA/VIỆN………… BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Quyền Huy Thiên Bảo MSHV: 18104961 Ngày, tháng, năm sinh: 16/11/1996 Nơi sinh: TP.HCM Ngành: Kỹ thuật Điện Mã ngành: 8520201 I TÊN ĐỀ TÀI: Tối ưu hố cơng suất mạng lưới điện thông minh với nguồn lượng tái tạo NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Định nghĩa Lưới điện thông minh Việt Nam quốc gia giới Thực trạng áp dụng lưới điện thông minh Việt Nam giới Nghiên cứu sách, cơng nghệ áp dụng vào Lưới điện thông minh ưu khuyết điểm kết nối nguồn lượng tái tạo vào Lưới điện thông minh - Nghiên cứu mô bất định nguồn lượng tái tạo phương pháp sử dụng hàm mật độ xác suất - Giải toán tối ưu hoá toán cực tiểu chi phí vận hành với tham gia nhà máy điện lượng tái tạo III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: thực định số 477/QĐ-ĐHCN ngày 08/04/2021 Trường Đại Học Công Nghiệp TPHCM việc giao nhiệm vụ hướng dẫn luận văn thạc sĩ IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/10/2022 V NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Bạch Thanh Quý Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20 … NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TS Bạch Thanh Quý TRƯỞNG KHOA LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập vừa qua với giúp đỡ tận tình Quý thầy cô Khoa Điện - Điện Tử, Trường Đại học Cơng Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh giúp cho tơi tích lũy vốn kiến thức vơ q giá, bổ ích cần thiết suốt thời gian tơi học cao học Sau khoảng thời gian tìm hiểu, nghiên cứu, lên phương án tiến hành thực hồn thành luận văn: “Tối ưu hố cơng suất mạng lưới điện thông minh với nguồn lượng tái tạo” Những kết mà em có nhờ giúp đỡ, bảo tận tình Quý Thầy Cô khoa Điện – Điện tử, người thân gia đình bạn bè lớp Đặc biệt em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên hướng dẫn: Thầy TS Bạch Thanh Quý giúp đỡ, hướng dẫn bảo để hồn thành luận văn Một lần tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, Quý Thầy Cô khoa Điện – Điện Tử, người thân gia đình tất bạn bè lớp giúp đỡ thời gian qua Mặc dù cố gắng luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong góp ý Q thầy bạn bè Xin kính chúc sức khỏe chân thành cảm ơn i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Nhu cầu phát triển nguồn lượng phục vụ cho kinh tế địi hỏi có tính cấp thiết, Quy hoạch Điện VIII – Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2021-2030, trọng phát triển lớn nguồn lượng tái tạo, tập trung vào nguồn lượng mặt trời lượng gió Đây hai nguồn lượng có tiềm khai thác lớn, nhiên lại nguồn lượng có dao động phát mạnh phụ thuộc biến động thời tiết Để ổn định hệ thống truyền tải việc quản lý tốt nguồn lượng tái tạo phối hợp nhịp nhàng nguồn phát với nguồn phát sẳn có hệ thống cần đến mạng lưới điện thông minh Luận văn đề xuất sử dụng mơ hình mạng lưới điện thơng minh có nguồn lượng tái tạo để tiến hành mô biến động nguồn phát theo tải có dao động khơng kiểm sốt nguồn lượng tái tạo với mục tiêu ổn định hệ thống truyền tải thông qua ứng dụng thuật tốn phân bố cơng suất tối ưu ii ABSTRACT The large development energy souces is an urgent requirement for the national economy, therefore the renewable enegy sources is more attention to enhanced the energy sources in the National Power Plan VIII, that is a national electricity development planning for period 2021-2030, and mainly focusing on solar and wind nergy sources Both energy sources are great potential to exploit, but they are also strong fluctuations because of dependent on the weather To stabilize transmission system, the management and smooth coordination between new generators and existing ones in a smart power grid is essential The smart grid model with some renewable sources is proposed to used in this report, where the fluctuations of generation under load is simulation and the optimal power flow algorithms is application with the goal is transmission power system stabilizing iii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo yêu cầu Học viên Quyền Huy Thiên Bảo iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii ABSTRACT iii LỜI CAM ĐOAN iv MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH ẢNH viii DANH MỤC BẢNG BIỂU x DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xi MỞ ĐẦU .1 Đặt vấn đề .1 Mục tiêu nghiên cứu .2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu .3 Ý nghĩa thực tiễn đề tài Kế hoạch thực đề tài .4 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU .5 1.1 Định nghĩa lưới điện thông minh 1.1.1 Quan điểm lưới điện thông minh quốc gia, tổ chức 1.1.2 Kết luận 1.2 Những công nghệ áp dụng lưới điện thông minh .9 1.3 Các vấn đề Lưới điện thông minh Việt Nam 13 1.3.1 Các chiến lược 13 1.3.2 Các thách thức .13 1.3.3 Giải pháp phát triển Lưới điện thông minh Việt Nam .14 1.3.4 Các ứng dụng lưới điện thông minh vào hệ thống điện Việt Nam .16 1.3.5 Giải pháp lưới điện thơng minh có tham gia thành phần lượng tái tạo 17 CHƯƠNG BÀI TỐN TỐI ƯU CƠNG SUẤT CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO TRONG LƯỚI ĐIỆN THÔNG MINH .21 v 2.1 Các khái niệm xác suất thống kê 21 2.1.1 Biến ngẫu nhiên 21 2.1.2 Các phân phối xác suất biến ngẫu nhiên 21 2.1.3 Các tham số đặc trưng biến ngẫu nhiên 22 2.2 Mơ hình hố tính chất bất định nguồn lượng tái tạo .25 2.2.1 Tổng quát 25 2.2.2 Phương pháp xác suất 26 2.3 Bài toán OPFSGRS .28 2.3.1 Hàm mục tiêu 28 2.3.2 Thực biểu diễn yếu tố bất định lượng gió mặt trời 33 2.4 Hàm mật độ xác suất thành phần lượng gió .35 2.4.1 Phương pháp sử dụng số liệu thu thập công suất phát 35 2.4.2 Phương pháp sử dụng hàm mật độ xác suất vận tốc gió 37 2.5 Hàm mật độ xác suất thành phần lượng mặt trời 45 2.5.1 Phương pháp sử dụng số liệu thu thập công suất phát 45 2.5.2 Phương pháp sử dụng hàm mật độ xác suất xạ mặt trời 47 2.6 Các ràng buộc toán 55 2.6.1 Các phương trình ràng buộc 55 2.6.2 Các bất phương trình ràng buộc 55 CHƯƠNG GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU CÔNG SUẤT VỚI CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO .57 3.1 Bài toán tối ưu phi tuyến .57 3.2 Giải thuật tối ưu hoá bầy đàn - PSO .57 3.3 Khái quát phương pháp giải 62 3.4 Xây dựng hàm phân phối tạo số liệu ngẫu nghiên cho yếu tố bất định thành phần lượng tái tạo .62 3.5 Mơ hình hồi quy phi tuyến cơng cụ Curve Fitting .65 3.5.1 Hồi quy tuyến tính hồi quy phi tuyến 65 3.5.2 Sử dụng công cụ Curve Fitting để tạo số liệu 66 3.6 Chi tiết bước thực toán OPFSGRS 70 CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG .71 vi 4.1 Mô hệ thống điện mẫu IEEE 71 4.1.1 Hệ thống điện 30 nút .71 4.2 Kết mô 77 4.3 Đánh giá 81 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82 Kết luận 82 Hướng phát triển đề tài 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 PHỤ LỤC 89 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN .105 vii Phụ lục 91 92 93 94 Phụ lục 95 Phụ lục 96 Phụ lục Các dòng tiền dự án điện gió phân chia thành hai giai đoạn chính: giai đoạn đầu tư vận hành Giai đoạn đầu tư thực trước giai đoạn phát triển, thường khoảng từ đến năm trước NMĐG bắt đàu sản xuất Để đơn giản, giai đoạn phát triển xem xét phần giai đoạn đầu tư thời gian có dịng tiền phát sinh hiểu khoản đầu tư Giai đoạn vận hành, dòng tiền tương lai xác định từ doanh thu dự án, thức OPEX (chi phí vận hành) COC (chi phí vốn) suốt dự án Các định nghĩa công thức Dịng tiền tương lai, REV(doanh thu), OPEX(chi phí vận hành), DS(dịch vụ cơng nợ), ECF(dịng tiền vốn cổ phần), PV(Giá trị tại), M(Biên dự án),… thể tài liệu Ta xét đến giai đoạn vận hành NMĐG, nên yếu tố định đến Giai đoạn đầu tư không xét đến Giai đoạn vận hành ngày trang trại gió vận hành thương mại hay gọi ngày vận hành thương mại (COD) Sau COD dự án bắt đầu tạo khoản doanh thu (dòng tiền vào) có từ việc bán điện theo mức giá quy định hợp đồng mua bán điện (PPA) với đơn vị bao tiêu, nhiên có chi ohí vận hành phát sinh giai đoạn Để toán cho tất dịch vụ hàng hoá cung cấp, giai đoạn vận hành kéo dài từ năm kết thúc vòng đời hoạt động kinh tế tuabin (thơng thường từ 20-25 năm) Trong giai đoạn này, dịng tiền vào có từ doanh thu (Rev) liên tục tạo từ việc bán điện (AEF) theo mức giá quy định Khoản doanh thu phụ thuộc vào giá mua bán điện lượng điện sản xuất (Q) hàng năm Doanh thu toạ (Rev) tính cách nhân giá (P) với lượng điện bán (Q) theo cơng thức: Rev = P*Q Các chi phí vận hành (OPEX) toán từ khoản doanh thu tạo để trì hoạt động dự án Nhu công thức kinh nghiệm, OPEX thường ước 97 tính vào khoảng từ 1/6 đến 1/3 doanh thu dự án phụ thuộc vào quốc gia, dự án, vị trí, cơng nghệ, thời gian hệ số khác Tại quốc gia có chi phí vốn cao (COC), OPEX có xu hướng thấp để bù đắp COC Dòng tiền lại (doanh thu trừ OPEX) gọi dòng tiền tự cho doanh nghiệp (FCF = DS+ECF), phần phân chia định kỳ vào dịch vụ nợ (DS) dòng tiền vốn cổ phần (ECF) Mối quan hệ doanh thu, OPEX, DS ECF thể qua công thức Rev-(OPEX+DS+ECF)=0 Qua hình ta hiểu cách đơn giản dịng tiền NMĐG khơng có chi phí vận hành, mà cịn có chi phí khác, chi phí lớn chi phí vận hành (OPEX) Cũng tài liệu [57], OPEX dao động khoảng 15%-35% tổng doanh thu, chi phí dịch vụ vốn cao khoảng từ đến lần (65% đến 85%) Cần phân biệt chi phí vận hành (OPEX) Chi phí lượng quy dẫn (LCOE) TLCOE định nghĩa sở cách tiếp cận t, LCOE tính tốn giá trị tất chi phí, bao gồm chi phí nhiên liệu, carbon chi phí tháo dỡ liên quan đến việc lắp đặt tài sản sẩn xuất tuabin gió, chi phí đầu tư, chi phí vận hành, chi phí vốn (trả gốc lãi vay),… Sau đó, tổng chi phí thời điểm 98 chia cho tổng lượng dản xuất suốt thời gian hoạt động LCOE xem giá trung bình đơn vị lượng sản xuất (thường kWh MWh) toàn thời gian hoạt động tài sản Chi phí LCOE phải thấp giá lượng trung bình bán để tạo lợi nhuận cho dự án LCOE hồn tồn dựa chi phí, khơng tính đến doanh thu khơng thể khả sinh lời dự án ngoại trừ mức lợi nhuận biên hay lợi nhuận mục tiêu dự án xem xét khoản chi phí “chi phí đầu tư dự án” “chi phí vận hành (OPEX) Nguồn tham khảo từ tài liệu sau: Aurélien Agut, Trần Trương Hân, Vũ Chi Mai, Peter Cattelaens , “Sổ tay hướng dẫn Đầu tư Điện gió Việt Nam.”, “MOIT/GIZ Dự án Hỗ trợ Mở rộng Quy mơ Điện gió Việt Nam “, 2016 Ilka Buss, Nguyễn Anh Tuấn, Christian Schaefer , “Hướng dẫn đầu tư hệ thống điện mặt trời mái nhà Việt Nam - Hướng dẫn kỹ thuật hành cho dự án thương mại công nghiệp”, “Dự án thí điểm điện mặt trời áp mái – theo Chương trình develoPPP.de Bộ Hợp tác kinh tế Phát triển CHLB Đức (BMZ)” , 2020 Felix Hulsch, Alexander Boensch, Albrecht Tiedemann, Gloria Gabriel “Tài liêu Đào tạo Tài Điện Gió.”, “MOIT/GIZ Dự án Hỗ trợ Mở rộng Quy mơ Điện Gió Việt Nam.”, 2018 99 Phụ lục Thông số lưới điện mẫu IEEE 30-bus  Thông số nút 100  Thông số đường dây 101  Hệ số chi phí nút máy phát  Dịng cơng suất đường dây (mỗi cột hàng tương ứng nút) Lập trình Matlab tính tốn hàm chi phí chặn chặn thành phần điện gió V_w_i=input('Nhap van toc gio: ') V_w_r=input('Nhap van toc gió rated: ') V_c_in=input('Nhap van toc v cut in cua turbine: ') V_c_out=input('Nhap van toc v cut out cua turbine: ') P_w_r=input('Nhap cong suat rated cua nang luong gio (MW): ') 102 %Duong cong P-v p1=-3.136e-06 p2=0.0002587 p3=-0.00756 p4=0.08845 p5=-0.2889 p6=0.2932 p7=0.05211 P_i=p1*(V_w_i^6)+p2*(V_w_i^5)+p3*(V_w_i^4)+p4*(V_w_i^3)+p5*(V_w_i^2)+p6*V _w_i+p7 c=4.78631 %scale parameter cua ham PDF %Dinh nghia cac bien P_wx=sym('P_wx','real') P_wx=sym('P_wx','positive') syms P_wx PDF_WE qu qo %Ham mat xác suat NL gio PDF_WE = (P_wx/(c^2))*exp(-((P_wx^2)/(2*(c^2)))) %Ham chi phi chan duoi K_ue_w = qu =(P_wx-P_i)*PDF_WE C_ue_w_i = K_ue_w*(int(qu,P_i,P_w_r)) round(C_ue_w_i) %Ham chi phi chan tren K_oe_w = 10 qo =(P_i-P_wx)*PDF_WE C_oe_w_i = K_oe_w*(int(qo,0,P_i)) round(C_oe_w_i) Lập trình Matlab tính tốn hàm chi phí chặn chặn thành phần điện mặt trời Ri=input('Nhap buc xa nang luong mat troi Ri: ') Rc=input('Nhap buc xa nang luong mat troi Rc: ') Rstd=input('Nhap buc xa nang luong mat troi Rstd: ') P_pv_r=input('Nhap cong suat rate NLMT (MW): ') c = 273.625 %scale parameter cua ham PDF buc xa mat troi %Duong cong buc xa - NLMT p1=5.882e-08 p2=-9.966e-05 p3=0.08422 p4=0.2471 P_pv_i = p1*(Ri^3)+p2*(Ri^2)+p3*Ri+p4 %Ham PDF nang luong mat troi R=sym('R','real') 103 R=sym('R','positive') P_pv=sym('P_pv','positive') s=sym('s','positive') syms R PDF_PV Qu Qo P_pv s s=(P_pv*Rstd)/P_pv_r if Ri