Tối ưu hóa vị trí và công suất của DG trong lưới phân phối sử dụng hệ số độ nhạy tổn thất công suất và quy hoạch phi tuyến

Bài viết Tối ưu hóa vị trí và công suất của DG trong lưới phân phối sử dụng hệ số độ nhạy tổn thất công suất và quy hoạch phi tuyến trình bày phương pháp để xác định vị trí và công suất tối ưu của nguồn phân tán (DG) trong lưới điện phân phối với mục tiêu là tối thiểu hóa tổn thất công suất. Phương pháp tính toán gồm hai giai đoạn.

SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ VÀ CƠNG SUẤT CỦA DG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI SỬ DỤNG HỆ SỐ ĐỘ NHẠY TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ QUY HOẠCH PHI TUYẾN USING POWER LOSS SENSITIVITY FACTORS AND NON-LINEAR PROGRAMMING TO OPTIMIZE DG PLACEMENT IN POWER DISTRIBUTION SYSTEMS Nguyễn Trung Tuyên1, Phạm Năng Văn1,*, Lê Thị Minh Châu1 DOI: https://doi.org/10.57001/huih5804.2023.043 TĨM TẮT Bài báo trình bày phương pháp để xác định vị trí cơng suất tối ưu nguồn phân tán (DG) lưới điện phân phối với mục tiêu tối thiểu hóa tổn thất cơng suất Phương pháp tính tốn gồm hai giai đoạn Đầu tiên, vị trí đặt nguồn phân tán xác định dựa hệ số độ nhạy tổn thất cơng suất Sau đó, mơ hình quy hoạch phi tuyến (NLP) áp dụng để tính tốn cơng suất đặt tối ưu cho nguồn DG Các ràng buộc xem xét bao gồm hệ phương trình trào lưu công suất, giới hạn điện áp, ràng buộc công suất phát DG giới hạn dịng cơng suất nhánh Lời giải mơ hình NLP tính tốn sử dụng phần mềm MATPOWER/MATLAB Lưới điện phân phối IEEE 33 nút áp dụng để đánh giá phương pháp đề xuất Kết tính tốn cho thấy vị trí cơng suất đặt tối ưu nguồn phân tán đóng góp đáng kể vào việc giảm tổn thất cơng suất cải thiện chất lượng điện áp lưới điện phân phối Từ khóa: Lưới điện phân phối, nguồn điện phân tán (DG), hệ số độ nhạy, tổn thất công suất, quy hoạch phi tuyến (NLP) ABSTRACT This paper presents an approach to optimally determining the location and capacity of distributed generation (DG) in power distribution grids, aiming at power loss minimization This proposed approach consists of two stages First, the DG site is determined based on the power loss sensitivity factor Then, the non-linear programming (NLP) model is adopted to calculate the DG optimal capacity Constraints considered in the NLP-based formulation comprise the system of power flow equations, voltage magnitude limits, DG’s generating output bounds, and line branches’ thermal limits The NLP model was solved by deploying MATPOWER/MATLAB software The evaluation of the developed method is implemented using an IEEE distribution grid of 33 nodes The calculation results show that the optimization of DG’s location and size significantly contribute to power loss and the voltage quality enhancement of the distribution system Keywords: Distribution grids, distributed generation (DG), sensitivity factor, power loss, non-linear programming (NLP) Khoa Điện, Trường Điện - Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội Email: van.phamnang@hust.edu.vn Ngày nhận bài: 25/10/2022 Ngày nhận sửa sau phản biện: 06/02/2023 Ngày chấp nhận đăng: 15/3/2023 * Website: https://jst-haui.vn GIỚI THIỆU Mức độ thâm nhập ngày tăng nguồn điện phân tán (DG) có tác động tích cực đến đặc tính vận hành lưới điện phân phối, khả làm giảm tổn thất công suất đường dây truyền tải, cải thiện độ ổn định điện áp, nâng cao độ tin cậy giảm phát thải chất nhiễm Chính lợi ích mà nguồn DG đem lại, thâm nhập DG vào lưới phân phối trở nên phổ biến Hiệu DG phụ thuộc nhiều vào việc lựa chọn cách kỹ lưỡng vị trí cơng suất đặt cho DG Khi lựa chọn vị trí công suất đặt tối ưu làm tối đa lợi ích nguồn DG sử dụng tránh số vấn đề gia tăng tổn thất cơng suất, ổn định điện áp Vì thế, toán liên quan đến tối ưu lựa chọn vị trí cơng suất đặt cho DG trở thành chủ đề quan tâm nghiên cứu, số kỹ thuật để giải toán đưa nghiên cứu Các tác giả báo [1] kết hợp độ nhạy điện áp (VSI) độ nhạy tổn thất (LSI) thành độ nhạy tổn thất điện áp (LVSI) để xây dựng danh sách thứ tự ưu tiên đặt DG dựa số LVSI Phương pháp MMFO xác định vị trí cơng suất đặt tối ưu cho DG nhằm tăng tốc độ hội tụ khả tìm nghiệm phương pháp MFO trình bày báo [2] Bài báo [3] [4] đề xuất mơ hình MISOCP dựa mơ hình quy hoạch nón bậc hai (SOCP) để tối ưu đồng thời vị trí cơng suất đặt cho DG Phương pháp HHO-PSO đề xuất báo [5] nhằm tối ưu vị trí cơng suất đặt cho nguồn lượng tái tạo lưới phân phối dựa cải tiến thuật toán tối ưu Harris Hawks (HHO) sử dụng mơ hình tối ưu bầy đàn để đưa hàm đa mục tiêu giảm tổn thất công suất, cải thiện điện áp, độ ổn định hệ thống giảm chi phí vận hành Thứ tự ưu tiên đặt DG xác định số VSI xây dựng dựa vào tổn thất điện áp đường dây phân tích độ ổn định điện áp trình bày báo [6] Kỹ thuật I-DBEA dựa kết hợp toán biến Vol 59 - No 2A (March 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 75 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 nguyên phi tuyến, không lồi trình bày báo [7] nhằm giảm tổn thất công suất, độ lệch điện áp nâng cao độ ổn định điện áp Hệ số phân bố công suất (GLDFs) sử dụng báo [8] để phân tích dịng cơng suất chi phí truyền tải có thêm DG hệ thống điện sử dụng phương pháp MW-Mile nhằm tối đa lợi nhuận cho nhà đầu tư, giảm chi phí đầu tư vận hành thị trường điện Trong thực tế, lưới phân phối có cấu hình khác với số lượng lớn nút Ngồi ra, mức tải thời điểm không giống vị trí nút cịn chịu ràng buộc mặt địa lý Điều đồng nghĩa với số lượng lớn nút kết nối thêm nguồn DG, làm cho lựa chọn tối ưu vị trí đặt trở nên phức tạp tốn nhiều thời gian Giải pháp tốt cho vấn đề lựa chọn số nút phù hợp để kết nối nguồn DG, tiết kiệm thời gian nghiên cứu Một phương pháp đề xuất báo dựa hệ số độ nhạy tổn thất nhằm đưa danh sách thứ tự ưu tiên (BLI) xác định vị trí kết nối nguồn DG Mục đích báo dựa vào hệ số độ nhạy tổn thất công suất để xây dựng danh sách thứ tự ưu tiên vị trí đặt DG lưới phân phối Sau đó, mơ hình quy hoạch phi tuyến (NLP) với mục tiêu tối thiểu tổng tổn thất công suất hệ thống giải phần mềm MATPOWER/MATLAB để xác định công suất đặt tối ưu cho DG Đóng góp báo áp dụng mơ hình tốn quy hoạch phi tuyến (NLP) vào việc xác định công suất đặt DG cho tổng tốn thất công suất hệ thống nhỏ Mơ hình tốn NLP phần mềm MATPOWER/MATLAB có mục đích xác định cơng suất phát tổ máy để tối thiểu hóa chi phí sản xuất tồn hệ thống Để áp dụng tốn NLP cho hàm mục tiêu tối thiểu tổn thất công suất lưới phân phối, hàm chi phí sản xuất tổ máy mô tả lại Tổn thất công suất tính hiệu cơng suất phát cơng suất tải, công suất phát tối thiểu giá trị tải số, tổn thất công suất nhỏ Do đó, lời giải tốn NLP cơng suất đặt tối ưu cho DG với hàm mục tiêu cực tiểu tổn thất công suất lưới điện Cấu trúc báo gồm năm phần: Phần giới thiệu nội dung nghiên cứu; Phần trình bày phương pháp xác định vị trí để đặt DG dựa vào hệ số độ nhạy tổn thất cơng suất; Phần trình bày cơng thức mơ hình NLP dùng cho mục đích xác định công suất đặt tối ưu cho DG; Kết tính tốn sử dụng phương pháp đề xuất báo cho lưới phân phối IEEE 33 nút thể phần 4; Các kết luận trình bày phần THỨ TỰ ƯU TIÊN ĐẶT DG Sự thay đổi dịng cơng suất bơm vào nút làm thay đổi tổng tổn thất cơng suất tồn hệ thống (PL) Theo khái niệm này, thứ tự ưu tiên đặt DG xếp dựa số BLI tính [9] Chỉ số BLI cho nút tính theo cơng thức: P P BLIk  ωk L  1 ωk  L Pk Qk với ωk trọng số xác định theo tỉ số điện trở điện kháng đường dây ωk  Rik Xik Rik Xik   (2) Hệ số độ nhạy tổn thất cơng suất mơ tả theo phương trình tốn học tính dựa PL Pk PL Qk , chúng đạo hàm riêng tổn thất công suất tác dụng theo công suất tác dụng công suất phản kháng bơm vào nút k Hệ số độ nhạy tổn thất cơng suất tính [10]:  PL Pk  1  PL θ  P Q   J P U k  L  L  (3) J ma trận Jacobian định nghĩa sau:  P  θ J  Q  θ  P2k   θ2  :   :  k  Pn  θ2     Qk   θ2   :  :  k  Qn  θ  P  U U   Q  U U  P2k θn P2k U2  U2 : : : :  Pnk θn Pnk U2  U2         k k Q θn Q U2  U2 : : : : Qkn θn Qkn U2  U2     P2k Un   Un   :  :   k Pn Un   Un     Qkn  Un   Un   :   :  k Qn  Un  Un  (4) P P đạo hàm riêng độ lệch , θ U cơng suất tác dụng nút tính tốn cho trước theo góc pha Q Q (θ) mơ-đun điện áp (U); đạo θ U hàm riêng độ lệch công suất phản kháng nút tính tốn cho trước theo góc pha mơ-đun điện áp Với Sau số BLI nút tính tốn, thứ tự ưu tiên đặt DG xác định theo danh sách tăng dần giá trị BLI Điều có nghĩa giá trị BLI nút âm phù hợp để đặt DG vào vị trí nút MƠ HÌNH QUY HOẠCH PHI TUYẾN (1) 76 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 2A (3/2023) Hàm mục tiêu tốn NLP mơ tả [10]: NG NG i1 i1 minF   fi PGi   ai  biPGi  ciPGi2  (5) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Các ràng buộc toán NLP bao gồm giới hạn công suất phát tổ máy, giới hạn điện áp cân công suất Pi  PGi  PDi (6) Qi  Q Gi  QDi Gi max Gi P  PGi  P (7) ; i  1,2, ,NG (8) max Qmin Gi  QGi  QGi ; i  1,2, ,NG i max i U  Ui  U NG Gi   PDi  PL (11) i 1 đó, Fi chi phí vận hành tổ máy ($/h); NG số tổ máy; PGi công suất phát tổ máy; ai, bi, ci hệ số đặc trưng cho đặc tính tiêu hao nhiên liệu tổ máy; PDi, QDi công suất tác dụng công suất phản kháng tải nút i; PGimin ,PGimax giới hạn giới hạn công suất phát tổ máy i; QGi công suất phản max kháng tổ máy; Qmin Gi ,Q Gi giới hạn giới hạn công suất phản kháng tổ máy i; Ui điện áp nút , Umim i; Umax giới hạn giới hạn điện áp i i nút i; ND số nút tải (nút PQ); PL tổng tổn thất công suất lưới điện Công suất truyền tải từ nút i đến nút k đường dây ik tính sau: Pik  U2i y ik cos  δik   UU i k y ik cos  θi  θk  δ ik  (12)  Ui2 y iksh cos  δiksh  Qik  Ui2 y ik sin δik   UU i k y ik sin  θ i  θk  δik  (13)  Ui2 y iksh sin  δiksh  đó:  y ik  y ik δik tổng dẫn dọc nhánh ik;  y iksh  y ikshδiksh tổng dẫn ngang nhánh ik;  U i  Ui θi điện áp nút i Mơ hình tối ưu NLP giải sử dụng phương pháp hàm Lagrange mô tả Hàm Lagrange: NG  NG  C T   fi PGi   λ  PGi  P PG2 ,PG3 , ,PGNG  PD  i1  i1    Lấy đạo hàm bậc Lagrange theo λ PGi: C T NG   PGi  P PG2 , PG3 , , PGNG  PD  λ i 1   C T dC1  λ 0 PG1 dPG1  P  C T dCi PGi    λ  1   0; PGi dPGi  PGi  Website: https://jst-haui.vn (14) (15) (16) i  2, 3, , NG (17) dCi  PGi  (18) λ dPGi  P   1   PGi  Hệ số phạt Li máy phát thứ i định nghĩa sau: L1 = 1; L i  (10) ND P i 1 (9) Từ (15)-(17), ta có:  ; P 1 PGi i  2, 3, , NG (19) Do đó, điều kiện phân bố tối ưu có xét tổn thất cơng suất: dCNG dC3 dC dC2 L1  L2  L3    LNG λ (20) dPG1 dPG2 dPG3 dPNG với λ suất tăng chi phí hệ thống ($/h) Từ phương trình (11), tổn thất cơng suất hệ thống tính sau: NG ND PL   PGi   PDi i 1 (21) i 1 Để hàm mục tiêu (5) cực tiểu tổng tổn thất công suất lưới điện theo(21), ta cần cho hệ số ai, bi, ci tất tổ máy 0, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong báo này, hệ thống lưới phân phối IEEE 33 nút [11] áp dụng để đánh giá hiệu phương pháp đề xuất Giả thiết hệ thống ban đầu khơng có nguồn DG tất tải tăng lên 200% để quan sát ảnh hưởng vị trí cơng suất đặt đến tổn thất công suất điện áp nút hệ thống Hệ số công suất tất nguồn DG giả định không đổi có giá trị 0,95 Giới hạn điện áp nút cho phép khoảng từ 0,95pu đến 1,05pu Phân tích trào lưu cơng suất ban đầu giải mơ hình tối ưu NLP để xác định công suất đặt tối ưu thực phần mềm MATPOWER/MATLAB R2019a [12] máy tính 3,00GHz Ryzen với 16GB RAM Kết tính tốn số ưu tiên đặt DG (BLI) thể bảng Năm vị trí kết chọn làm vị trí ưu tiên để đặt DG Từ kết bảng 1, năm vị trí thuận lợi để đặt DG vị trí nút 18, 17, 16, 33 nút 32 Để đánh giá ảnh hưởng vị trí số lượng DG đến tổn thất công suất công suất đặt DG, kịch đặt DG khác xét đến sau:  Kịch 1: Tổng số vị trí đặt DG 1;  Kịch 2: Tổng số vị trí đặt DG 2;  Kịch 3: Tổng số vị trí đặt DG Bảng Thứ tự ưu tiên vị trí đặt DG Nút BLI 18 -0,2886 17 -0,2862 Nút 13 30 BLI -0,2593 -0,2565 Nút 27 BLI -0,1817 -0,1728 Nút 23 BLI -0,0735 -0,0585 Vol 59 - No 2A (March 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 77 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 16 -0,2786 33 -0,2765 32 -0,2756 15 -0,2730 31 -0,2722 14 -0,2675 29 12 11 10 28 -0,2407 -0,2358 -0,2295 -0,2259 -0,2115 -0,2042 26 25 24 P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 -0,1632 -0,1627 -0,1553 -0,0982 -0,0834 -0,0749 22 21 20 19 -0,0495 -0,0191 -0,0179 -0,0166 -0,0093 -0,0082 kịch phù hợp tính kinh tế cho lưới phân phối IEEE 33 nút Hình mơ tả điện áp nút lưới phân phối ứng với kịch khác nhau, thể tăng đáng kể điện áp nhỏ lưới (từ 0,871pu khơng có DG đến 1,009pu đặt DG) Khi chưa có DG: Tổn thất cơng suất tồn hệ thống 0,851MW, giá trị điện áp nút nhỏ 0,871pu nút 18, vi phạm giới hạn điện áp cho phép (nhỏ 0,95pu) Kịch 1: Đặt DG vào năm vị trí đặt thuận lợi Với kịch đặt DG, vị trí đặt tối ưu nút 32 với cơng suất đặt 3,09MW; tổng tổn thất công suất 0,364MW; giá trị điện áp nút nhỏ 0,932pu nút 18, vi phạm giới hạn điện áp cho phép (nhỏ 0,95pu) Kịch 2: Đặt DG vào hai năm vị trí đặt thuận lợi Vị trí đặt tối ưu cho kịch nút 16 32 Công suất đặt tối ưu kịch 1,62MW nút 16 2,42MW nút 32 Tổng tổn thất công suất cho trường hợp 0,201MW giá trị điện áp nhỏ nút 25 với giá trị 1,009pu Kịch 3: Đặt DG vào ba năm vị trí đặt thuận lợi Vị trí đặt tối ưu cho kịch nút 16, 18 nút 32 Công suất đặt nút ứng với nút 18, 16, 32 1,34MW; 0,28MW 2,42MW Tổng tổn thất công suất trường hợp 0,20MW giá trị điện áp nhỏ 1,009pu nút 25 Bảng Ảnh hưởng số lượng DG Kịch Khơng có DG Cơng Tổng Độ giảm Điện áp Tổn thất suất đặt công suất tổn thất nút nhỏ công suất Nút DG đặt DG công suất (MW) (MW) (MW) (%) (p.u) 32 16 32 16 18 32 3,09 1,62 2,42 1,34 0,28 2,42 0,851 0,871 3,09 0,364 57,23 0,932 4,04 0,201 76,38 1,009 4,04 0,200 76,50 1,009 Từ kết bảng 2, tổn thất cơng suất tác dụng giảm tăng số lượng công suất DG Cụ thể, đặt DG (kịch 1) tổn thất công suất giảm 0,487 MW; độ giảm tương ứng 57,23% so với khơng có DG Khi đặt DG (kịch 2) tổn thất cơng suất giảm 0,650MW; độ giảm tương ứng 76,38% so với không đặt DG Tuy nhiên, với kịch (đặt DG) giảm tổn thất cơng suất khơng đáng kể so với kịch Vì vậy, đặt DG Hình Phân bố điện áp lưới phân phối với kịch khác KẾT LUẬN Bài báo đề xuất phương pháp xây dựng danh sách thứ tự ưu tiên đặt DG dựa độ nhạy tổn thất cơng suất, phương pháp tính tốn cơng suất đặt DG tối ưu theo mơ hình quy hoạch phi tuyến (NLP) nhằm tối thiểu hóa tổn thất cơng suất lưới phân phối Khi áp dụng phương pháp đề xuất cho lưới phân phối IEEE 33 nút, kết tính tốn cho thấy việc lựa chọn vị trí cơng suất đặt DG hợp lý có ảnh hưởng tích cực đến đặc tính vận hành hệ thống Đối với lưới phân phối 33 nút này, đặt tối ưu hai DG góp phần làm giảm tổng tổn thất công suất 76% giá trị điện áp nút nhỏ tăng từ 0,871pu lên 1,009pu so với không đặt DG TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] K B J Anuradha, U Jayatunga, H Y R Perera, 2019 Voltage-Loss Sensitivity Based Approach for Optimal DG Placement in Distribution Networks Conference on Industrial and Information Systems (ICIIS) 553–558 [2] E E Elattar, S K Elsayed, 2020 Optimal Location and Sizing of Distributed Generators Based on Renewable Energy Sources Using Modified Moth Flame Optimization Technique IEEE Access Vol 8, pp 109625–109638 [3] Shanghai University of Electric Power, et al., 2018 Optimal siting and sizing of distributed renewable energy in an active distribution network CSEE J Power Energy Syst Vol 4, no 3, pp 380–387 [4] W Gil-González, A Garces, O D Montoya, J C Hernández, 2021 A Mixed-Integer Convex Model for the Optimal Placement and Sizing of Distributed Generators in Power Distribution Networks Appl Sci., 11, 627, 15p [5] M R Elkadeem, M Abd Elaziz, Z Ullah, S Wang, S W Sharshir, 2019 Optimal Planning of Renewable Energy-Integrated Distribution System Considering Uncertainties IEEE Access vol 7, pp 164887–164907, [6] A Patwa, T Thakur, S C Gupta, 2020 Voltage stability index based optimal sizing and placement of DG 2020 IEEE Students Conference on Engineering & Systems (SCES) 78 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 59 - Số 2A (3/2023) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 [7] A Ali, M U Keerio, J A Laghari, 2021 Optimal Site and Size of Distributed Generation Allocation in Radial Distribution Network Using Multiobjective Optimization J Mod Power Syst Clean Energy Vol 9, no 2, pp 404– 415 [8] A Avar, M K Sheikh-El-Eslami, 2021 Optimal DG placement in power markets from DG Owners’ perspective considering the impact of transmission costs Electr Power Syst Res Vol 196, p 107218 [9] J Radosavljevi, M Jevti, 2007 Optimal location and sizing of distributed generators in radial distribution networks using genetic algorithm Proc 28th Conf JUKO CIGRE Vrnjacka Banja Serbia [10] J Zhu, 2015 Optimization of power system operation, Second edition Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons Inc [11] S H Dolatabadi, M Ghorbanian, P Siano, N D Hatziargyriou, 2021 An Enhanced IEEE 33 Bus Benchmark Test System for Distribution System Studies IEEE Trans Power Syst Vol 36, no 3, pp 2565–2572 [12] R D Zimmerman, C E Murillo-Sanchez, R J Thomas, 2011 MATPOWER: Steady-State Operations, Planning, and Analysis Tools for Power Systems Research and Education IEEE Trans Power Syst Vol 26, no 1, pp 12– 19 AUTHORS INFORMATION Nguyen Trung Tuyen, Pham Nang Van, Le Thi Minh Chau Department of Electrical Engineering, School of Electrical and Electronic Engineering, Hanoi University of Science and Technology Website: https://jst-haui.vn Vol 59 - No 2A (March 2023) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 79