Luận án nghiên cứu điều khiển, vận hành tối ưu hệ thống điện phân phối có sự tham gia của các nguồn năng lượng gió, năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ận Lu Đặng Thành Trung án tiế NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN, VẬN HÀNH TỐI ƯU n HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ SỰ THAM GIA CỦA CÁC sĩ ới m NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ, NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ất nh LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Đặng Thành Trung Lu ận NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN, VẬN HÀNH TỐI ƯU án HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ SỰ THAM GIA CỦA CÁC n tiế NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ, NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI sĩ ới m LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 952 02 16 ất nh Xác nhận Học viện Khoa học Công nghệ Người hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên) Hà Nội - 2022 Người hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên) MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ KÝ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG 10 DANH MỤC HÌNH VẼ 12 MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu, phạm vi, đối tượng phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cấu trúc luận án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN PHÂN PHỐI CÓ SỰ THAM GIA CỦA NGUỒN NĂNG LƯỢNG GIÓ, NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Lu 1.1 Đặc điểm hệ thống điện toán điều khiển vận hành tối ưu hệ thống điện ận 1.2 Tình hình nghiên cứu nước điều khiển, vận hành tối ưu hệ thống điện có tham gia nguồn lượng gió, lượng mặt trời 11 1.2.1 Các nghiên cứu nước 11 án 1.2.2 Nghiên cứu nước điều khiển, vận hành tối ưu hệ thống điện có tham gia nguồn lượng gió, lượng mặt trời 13 tiế n 1.3 Nhận định tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài đề xuất mục tiêu nghiên cứu luận án 16 sĩ 1.4 Kết luận chương 20 m CHƯƠNG 2: TÍNH TỔNG CƠNG SUẤT LỚN NHẤT CỦA NGUỒN ĐIỆN GIÓ, ĐIỆN MẶT TRỜI PHÁT LÊN LƯỚI ĐIỆN 21 ới 2.1 Đặt vấn đề 21 nh 2.2 Nghiên cứu thuật tốn cực trị có ràng buộc 23 2.2.1 Thuật toán di truyền (GA) 24 ất 2.2.2 Thuật toán bầy đàn (PSO) 28 2.3 Tính tổng cơng suất lớn nguồn điện gió, điện mặt trời phát lên pha lưới điện hạ áp 31 2.3.1 Đặt vấn đề 31 2.3.2 Tính tốn gần cho pha lưới điện hạ áp 31 2.3.3 Sử dụng thuật tốn di truyền để tính tổng cơng suất phát lớn nguồn điện gió, điện mặt trời phát lên pha lưới điện hạ áp 33 2.3.4 Tính tốn thử nghiệm cho pha lưới điện hạ áp 37 2.4 Tính tổng cơng suất lớn nguồn điện gió, điện mặt trời phát lên lưới điện pha xét đến điều khiển tối ưu hệ thống điện hệ số có lợi vị trí 40 2.4.1 Đặt vấn đề 40 2.4.2 Tính trào lưu công suất tối ưu 43 2.4.3 Tính tổng cơng suất lớn nguồn điện gió, điện mặt trời phát lên lưới xét đến điều khiển công suất tối ưu nguồn điện truyền thống lưới điện pha 51 2.4.4 Tính tổng cơng suất lớn nguồn điện gió, điện mặt trời phát lên lưới điện xét đến tiềm lợi lắp đặt 55 2.4.5 Tính tốn thử nghiệm cho lưới điện pha 60 2.5 Kết luận chương 78 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU PHỤ TẢI ĐIỆN 79 3.1 Đặt vấn đề 79 3.2 Sử dụng mạng nơ ron nhân tạo cho toán dự báo 85 3.2.1 Nghiên cứu mạng nơ ron nhân tạo sử dụng cho dự báo 85 3.2.2 Sử dụng mạng nơ ron truyền thẳng nhiều lớp thuật toán LevenbergMarquardt để đào tạo mạng nơ ron truyền thẳng 87 3.2.3 Dự báo công suất phát giàn pin mặt trời, tua bin gió 91 3.2.4 Dự báo công suất tiêu thụ phụ tải điện, giá điện 95 Lu 3.3 Điều khiển tối ưu phụ tải điện 96 ận 3.3.1 Xây dựng mơ hình điều khiển tối ưu phụ tải điện 96 3.3.2 Xây dựng toán điều khiển tối ưu 98 án 3.3.3 Sử dụng thuật toán di truyền điều khiển tối ưu phụ tải điện 99 tiế 3.4 Tích hợp sạc xe điện giàn pin mặt trời nối lưới để cung cấp điện cho phụ tải 102 3.4.1 Đề xuất sơ đồ nguyên lý điều kiện cấp điện cho phụ tải 102 n sĩ 3.4.2 Đánh giá hiệu mơ hình tích hợp trạm sạc xe điện giàn pin mặt trời nối lưới 105 m 3.4.3 Điều khiển phân bố nguồn cấp cho sạc xe điện 108 ới 3.5 Tính tốn cho lưới điện 110 3.5.1 Áp dụng cho toán dự báo 110 nh 3.5.2 Điều khiển tối ưu phụ tải điện 116 ất 3.5.3 Tích hợp sạc xe điện giàn pin mặt trời nối lưới để cung cấp điện cho phụ tải 122 3.5 Kết luận chương 125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 126 Đánh giá kết nghiên cứu 126 Hướng phát triển nghiên cứu 127 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 127 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 129 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 138 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ KÝ VIẾT TẮT 𝑃 Công suất tác dụng nguồn điện thứ i 𝑄 Công suất phản kháng nguồn điện thứ i 𝑐 ,𝑏 ,𝑎 Hệ số bậc 2, bậc 1, bậc tính giá phát điện theo công suất tác dụng nguồn điện Plk Công suất tác dụng chạy nhánh l-k Qlk Công suất phản kháng chạy nhánh l-k Vk Biên độ điện áp nút k hệ đơn vị tương đối k Góc pha điện áp nút k 𝑉 Điện áp cho phép lớn nhỏ nút i hệ đơn vị tương ,𝑉 ận Lu đối Điện áp đặt nút i gkm Điện dẫn đường dây k-m hệ đơn vị tương đối bkm Dung dẫn đường dây k-m hệ đơn vị tương đối I km , I km max Dòng điện dòng điện cho phép lớn chạy từ k-m án 𝑉 tiế Tổng dẫn nút Dòng điện nhánh Cg, Cf, Ct h(x) Ma trận kết nối nhánh Các đẳng thức ràng buộc g(x) fX , F(X) Các bất đẳng thức ràng buộc Đạo hàm bậc hàm f theo biến X n Ybus, Yf, Yt Ibus, If, It sĩ ới m nh Đạo hàm bậc hàm f theo biến X L Hàm Lagrangian 𝐿 ,𝐿 Đạo hàm bậc bậc hàm Lagrangian theo biến X HX; HXX; GX; GXX Đạo hàm bậc bậc hàm H(X), G(X) theo biến X ất fXX e 𝛼 ;𝛼 Ma trận đơn vị 𝜉 Hằng số tỷ lệ tính hệ số bước nhảy ,  Nhân tử Lagrangian   Hệ số tỷ lệ cho giá trị hàm tham số nhiễu Tham số cho bất đẳng thức, có giá trị xấp xỉ Z Ma trận bù cho bất đẳng thức để trở thành đẳng thức Hệ số bước nhảy Skm , Skm max Công suất truyền tải công suất truyền tải lớn đường dây từ k-m Pmax PV WT Công suất phátlớn nguồn lượng mặt trời lượng gió ận Lu Phụ tải không điều khiển Phụ tải điều khiển PV WT Nguồn điện giàn pin mặt trời nối với lưới điện Nguồn điện tua bin gió nối với lưới điện 𝛼 Hệ số có lợi vị trí đặt nguồn i X Véc tơ đầu vào mạng nơ ron W p Véc tơ trọng số Số lượng cặp mẫu (X,O) sử dụng cho đào tạo t Số lượng đầu mạng dj,m Giá trị đầu thứ j tương ứng mạng ứng với cặp mẫu thứ m tập số liệu mẫu oj,m Giá trị đầu thứ j mạng tính tốn với giá trị đầu vào ứng với cặp mẫu thứ m tập số liệu mẫu trọng số mạng án UC C J n tiế wk+1, wk Giá trị trọng số trước sau cập nhật Ma trận Jacobian đạo hàm hàm mục tiêu E theo giá trị trọng sĩ số mạng Ma trận đơn vị Hệ số kết hợp, dương  S ; S S LUC ; S LC Sai lệch trình lan truyền ngược qua nơ ron j ất k Sai lệch trình lan truyền ngược nơ ron khác nằm lớp nh  j, j ới  j ,k m I Chỉ số nơ-ron lớp thứ nhất, từ đến s Cơng suất phức tồn phần tổn thất cơng suất phức tồn phần đường dây Công suất phức tải (không điều khiển được- LUC điều khiển LC) S PV Công suất phức phát giàn pin mặt trời S WT Công suất phức phát tua bin gió Z, R, X Tổng trở, Điện trở, Điện kháng đường dây r0, x0 l Điện trở điện kháng đơn vị đường dây Chiều dài đường dây U, Umax, Điện áp, Điện áp lớn nhất, Điện áp nhỏ nút, Tổn thất điện áp Umin, ΔU đường dây I, Imax P, Q Cường độ dòng điện, Cường độ dòng điện lớn đường dây Công suất tác dụng, Công suất phản kháng PRGR(t) PRPV(t) Giá mua điện từ lưới điểm t nửa Giá bán điện từ giàn pin mặt trời lên lưới điểm t nửa PRWT(t) Giá bán điện từ tua bin gió lên lưới điểm t nửa Cơng suất phụ tải điện nút thứ i không điều khiển điều PiLUC(t), PiLC(t) khiển điểm t (số liệu dự báo 30 phút/1 lần) Với phụ tải điện điều khiển thời điểm phụ tải đóng PLCi(t) = PLCmax; cịn thời điểm phụ tải điện khơng đóng PLCi(t)=0 Công suất phát giàn pin nút thứ i điểm t (số liệu dự PiPV(t) báo 30 phút/1 lần) ận Lu Công suất phát tua bin gió nút thứ i điểm t (số liệu dự báo 30 phút/1 lần) C I, Imax Hằng số hàm f lớn Cường độ dòng điện, Cường độ dòng điện lớn đường dây dayfo dayfo-1 Ngày dự báo Ngày trước ngày dự báo án PiWT(t) n tiế sĩ ới m ất nh DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Sơ đồ lưới điện điển hình Hình 2: Biểu đồ phát triển điện mặt trời điện gió giới theo số liệu quan lượng quốc tế (IEA) Hình 3: Biểu đồ công suất đặt nguồn điện mặt trời điện gió Việt Nam theo số liệu trung tâm điều độ quốc gia (A0) Hình 4: Sơ đồ kết nối nguồn điện mặt trời, điện gió vào lưới điện hạ áp trung áp Hình 5: Sơ đồ lưới điện hạ áp để xác định tổng công suất lớn nguồn điện gió, điện mặt trời phát lên pha lưới 18 Hình 6: Sơ đồ kết nối giải tỏa, trao đổi công suất lưới điện nhỏ đường dây chiều (DC) xoay chiều (AC) 19 ận Lu án Hình 2- 1: Sơ đồ thay tính điện áp, dịng điện cơng suất cho pha A 32 Hình 2- 2: Lưu đồ thuật tốn di truyền tính tổng cơng suất lớn nguồn điện gió, điện mặt trời phát lên pha lưới điện hạ áp 36 Hình 2- 3: Sơ đồ mơ hình lưới điện hạ áp 37 Hình 2- 4: Sơ đồ kết nối lưới điện hạ áp, trung áp cao áp đơn giản 40 Hình 2- 5: Lưu đồ thuật tốn tính tối ưu trào lưu cơng suất 50 Hình 2- 6: Lưu đồ thuật tốn di truyền tính tổng cơng suất lớn nguồn điện gió, điện mặt trời phát lên lưới điện 52 Hình 2- 7: Lưu đồ thuật tốn di truyền tính tổng cơng suất lớn nguồn điện gió, điện mặt trời phát lên lưới điện xét đến hệ số có lợi vị trí 56 Hình 2- 8: Lưu đồ thuật tốn bầy đàn (PSO) tính tổng cơng suất lớn nguồn điện gió, điện mặt trời phát lên lưới điện xét đến hệ số có lợi vị trí 59 Hình 2- 9: Mô lưới điện nút 60 Hình 2- 10: Mô lưới điện 23 nút 62 Hình 2- 11: Mô lưới điện IEEE-24 nút 66 Hình 2- 12: Mơ lưới điện IEEE – 30 nút 71 Hình 2- 13: Hàm tối ưu theo bước lặp thuật toán di truyền (GA) 74 Hình 2- 14: Hàm tối ưu theo bước lặp thuật toán bầy đàn (PSO) 75 Hình 2- 15: Hàm tối ưu theo bước lặp thuật toán di truyền (GA) khơng xét đến hệ số có lợi 76 Hình 2- 16: Hàm tối ưu theo bước lặp thuật toán bầy đàn (PSO) khơng xét đến hệ số có lợi 76 n tiế sĩ ới m ất nh Hình 1: Sơ đồ kết nối truyền thông điều khiển phụ tải 80 Hình 2: Giá mua điện từ lưới điện hạ áp ngày thị trường mua bán điện cạnh tranh 80 Hình 3: Mơ hình điều khiển phụ tải lưới điện hạ áp 81 Hình 4: Mơ hình mạng nơ ron truyền thẳng lớp 87 Hình 5: Lưu đồ thuật toán đào tạo mạng nơ ron truyền thẳng sử dụng thuật toán Levenberg- Marquadt 90 Hình 6: Mơ hình sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để dự báo công suất phát giàn pin mặt trời tuabin gió 92 Hình 7: Mơ hình sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để dự báo công suất phát giàn pin mặt trời tuabin gió 92 Hình 8: Mơ hình sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để dự báo công suất phát giàn pin mặt trời tuabin gió 93 ận Lu án Hình 9: Mơ hình sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để dự báo công suất phát giàn pin mặt trời tuabin gió 94 Hình 10: Mơ hình sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để dự báo công suất tiêu thụ phụ tải điện giá mua từ lưới điện 95 Hình 11: Mơ hình sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để dự báo công suất tiêu thụ phụ tải điện giá mua từ lưới điện 96 Hình 12: Mơ hình sử dụng mạng nơ ron nhân tạo để dự báo công suất tiêu thụ phụ tải điện giá mua từ lưới điện 96 Hình 13: Lưu đồ điều khiển tối ưu phụ tải điện 98 Hình 14: Lưu đồ thuật tốn di truyền điều khiển đóng/cắt phụ tải điện 100 Hình 15: Sơ đồ nguyên lý hệ thống sạc pin cho xe điện 103 Hình 16: Sơ đồ nguyên lý hệ thống pin mặt trời kết nối lưới 103 Hình 17: Sơ đồ nguyên lý hệ thống tích hợp sạc xe điện pin mặt trời kết nối lưới 103 Hình 18: Đồ thị công suất tiêu thụ phụ tải điện ngày điển hình 106 Hình 19: Đồ thị công suất phát giàn pin mặt trời ngày điển hình 106 Hình 20: Lưu đồ thuật tốn tính độ tin cậy lưới điện tích hợp sạc xe điện giàn pin mặt trời đấu lưới 108 Hình 21: Lưu đồ thuật tốn điều khiển phân bố cơng suất phát từ trạm sạc xe điện tích hợp giàn pin mặt trời đấu lưới cấp điện cho phụ tải 110 Hình 22: Cơng suất phát giàn pin mặt trời ngày dự báo (dự báo – nét đứt; thực tế- nét liền) 112 Hình 23: Cơng suất phát tuabin gió ngày dự báo (dự báo – nét đứt; thực tế- nét liền) 114 Hình 24: Cơng suất tiêu thụ phụ tải ngày dự báo (dự báo – nét đứt; thực tế- nét liền) 115 Hình 25: Giá mua điện từ lưới ngày dự báo (dự báo – nét đứt; thực tế- nét liền) 116 Hình 26: Hàm mục tiêu sau bước lặp 118 Hình 27: Sơ đồ chi tiết khối dự báo, điều khiển phụ tải điện 121 n tiế sĩ ới m ất nh MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cùng với phát triển mạnh mẽ tỷ trọng nguồn điện mặt trời, điện gió lưới điện kèm ảnh hưởng lớn tính biến đổi nguồn điện tới lưới điện Do vấn đề điều khiển, vận hành tối ưu hệ thống điện có tham gia nguồn điện gió, điện mặt trời ngày cấp thiết Việc điều khiển vận hành tối ưu hệ thống điện làm giảm tác động biến thiên nguồn lượng gió, lượng mặt trời lên lưới điện, đảm bảo an ninh hệ thống điện, tránh cắt nguồn nhà máy điện gió, điện mặt trời, tăng hiệu kinh tế giảm tổn thất phân bố kinh tế nguồn điện làm giảm chi phí phát điện Lu ận Đồng thời với phát triển nguồn điện phụ tải có biến đổi lớn Các phụ tải ngày điều khiển đóng/ cắt từ xa qua mạng án Internet tự động điều chỉnh theo thông số đặt trước Đặc biệt với trạm sạc xe điện phụ tải lớn, có khả điều khiển có pin lưu trữ tiế lượng lớn tận dụng để cung cấp điện cho phụ tải cần Các phụ tải n đối tượng tốt để điều khiển, vận hành tối ưu lưới điện Ngoài ra, tốc độ tính tốn máy tính ngày tăng, thuật toán điều khiển sĩ m tối ưu, thuật tốn dự báo, thuật tốn tính tốn độ tin cậy ngày phát triển nên việc hỗ trợ điều khiển hệ thống điện đối tượng lớn, nhiều biến, nhiều ràng buộc ới ngày thuận lợi Do đó, vấn đề đặt cần giải pháp tổng thể để điều khiển, vận hành hệ thống điện để đảm bảo nguồn điện gió, điện mặt trời biến thiên liên tục kết nối với lưới, hệ thống điện vận hành ổn định, giảm tối đa ảnh hưởng lên điện áp ất nh nút, dòng điện nhánh mà tận dụng hết công suất phát nguồn lượng gió, lượng mặt trời nguồn lượng ảnh hưởng đến mơi trường biến đổi khí hậu áp dụng giới phù hợp với hệ thống điện Việt Nam Mục tiêu, phạm vi, đối tượng phương pháp nghiên cứu a Mục tiêu đề tài Mục tiêu đề tài nghiên cứu đề xuất kết hợp giải pháp nhằm điều khiển vận hành tối ưu hệ thống điện có tham gia nguồn điện gió, điện mặt trời nhằm đảm bảo tận dụng tối đa công suất phát nguồn điện điện áp nút, dòng điện nhánh nằm giá trị cho phép hệ thống điện ổn định Với mục tiêu trên, nhiệm vụ luận án bao gồm: