Các phương pháp tái cấu hình lưới điện phân phối giảm tổn thất công suất...82.2.1.. Vì vậy, việc tìm ra các biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối là rất cần thiết để
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Giới hạn đề tài
Lưới điện phân phối có vai trò rất quan trọng trong cả hệ thống điện ở nước ta. Tuy nhiên, tổn thất năng lượng trên lưới điện phân phối khoảng 7-8% trong khi trên lưới điện truyền tải là 2-3% Vì vậy, việc tìm ra các biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối là rất cần thiết để vừa nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện vừa mang lại lợi ích về kinh tế.[1]
Hiện nay, có nhiều biện pháp để giảm tổn thất trong quá trình phân phối điện năng như: bù công suất phản kháng, nâng cao điện áp vận hành lưới điện phân phối, hoặc tăng tiết diện dây dẫn Tuy các biện pháp này đều mang tính khả thi về kỹ thuật nhưng lại tốn nhiều chi phí đầu tư và lắp đặt thiết bị ban đầu Trong khi đó, biện pháp tái cấu hình lưới điện thông qua cách đóng/mở các cặp khoá điện có sẵn trên lưới điện cũng có thể giảm đáng kể tổn thất điện năng mà không cần nhiều chi phí để cải tạo lưới điện Vì vậy, nhóm chọn nghiên cứu về phương pháp tái cấu hình lưới điện phân phối để giảm tổn thất năng lượng cho lưới điện.
TÁI CẤU HÌNH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Giới thiệu
2.1.1 Các bài toán tái cấu hình LĐPP ở góc độ vận hành
Các bài toán vận hành LĐPP mô tả các hàm mục tiêu tái cấu hình lưới điện:
- Bài toán 1: Xác định cấu hình lưới điện theo đồ thị phụ tải trong 1 thời đoạn để chi phí vận hành bé nhất.
- Bài toán 2: Xác định cấu hình lưới điện không thay đổi trong thời đoạn khảo sát để tổn thất năng lượng bé nhất.
- Bài toán 3: Xác định cấu hình lưới điện tại 1 thời điểm để tổn thất công suất bé nhất.
- Bài toán 4: Tái cấu hình lưới điện cân bằng tải (giữa các đường dây, máy biến thế nguồn ở các trạm biến áp) để nâng cao khả năng tải của lưới điện.
- Bài toán 5: Khôi phục lưới điện sau sự cố hay cắt điện sửa chữa.
Các phương pháp tái cấu hình lưới điện phân phối giảm tổn thất công suất
- Bài toán 7: Xác định cấu hình lưới điện để đảm bảo mục tiêu giảm lượng năng lượng do việc ngừng cung cấp điện hay nâng cao độ tin cậy cung cấp điện. Các bài toán xác định cấu trúc vận hành của một LĐPP cực tiểu tổn thất năng lượng hay cực tiểu chi phí vận hành thoả mãn các điều kiện kỷ thuật vận hành luôn là bài toán quan trọng và kinh điển trong vận hành hệ thống điện Bảng 1.1 trình bày phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cấu hình theo đặc điểm LĐPP.
Bảng 2.1 Phạm vi ứng dụng của các bài toán tái cấu hình lưới điện[1]
2.2 Các phương pháp tái cấu hình lưới điện phân phối giảm tổn thất công suất
Có rất nhiều phương pháp tái cấu hình lưới giảm ∆P nhưng theo [1, 2, 4] chỉ có giải thuật heuristic kết hợp giải thuật tối ưu và giải thuật thuần heuristic mới thực sự mang hiệu quả cao vì dễ tìm được cấu trúc lưới tối ưu Trong các giải thuật này, có thể chia hai nhóm chính, giải thuật của Merlin & Back - kỹ thuật vòng cắt đại diện cho phương pháp heuristic kết hợp giải thuật tối ưu và giải thuật của Civanlar - kỹ thuật đổi nhánh đại diện cho phương pháp thuần heuristic Ngoài ra còn một số phương pháp khác nhưng không hiệu quả.
2.2.1 Kết hợp heuristics và tối ưu hóa
Việc kết hợp giữa giải thuật heuristics và tối ưu hoá tái cấu hình LĐPP cực tiểu ∆P tiêu tốn nhiều thời gian tính toán nhưng lại có khả năng xác định được cấu hình lưới điện đạt cực tiểu toàn cục và không phụ thuộc vào cấu trúc lưới ban đầu khi khảo sát hết số tổ hợp khoá điện có thể thay đổi trạng thái Cụ thể là S.K.Goswami, V.Glamocanin, Merlin và Back, Shirmohammadi, T.P.Wagner,
2.2.2 Các giải thuật thuần túy dựa trên heuristics – Giải thuật Civanlar
Bản chất phi tuyến rời rạc của bài toán tái cấu hình LĐPP đã tạo tiền đề cho các nỗ lực nghiên cứu theo hướng sử dụng kỹ thuật chỉ thuần túy dựa trên giải thuật heuristics Các giải thuật này có cùng đặc điểm là sử dụng các công thức thực nghiệm để đánh giá mức độ giảm tổn thất liên quan đến thao tác đóng cắt và giới thiệu một số qui luật nhằm giảm số lượng xem xét các khóa điện Các qui tắc heuristics dựa trên giả định rằng việc giảm tải trên thiết bị và nguồn phát đồng nghĩa với giảm tổn thất Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu theo hướng này nhưng chưa tìm được giải thuật tỏ ra thực sự khả thi.
Khác với giải thuật của Civanlar [2] dựa trên heuristics để tái cấu hình LĐPP, lưu đồ mô tả giải thuật được trình bày tại hình 2.3 Giải thuật của Civanlar được đánh giá cao nhờ:
- Xác định được hai qui luật để giảm số lượng khóa điện cần xem xét. + Nguyên tắc chọn khóa đóng: việc giảm tổn thất chỉ có thể đạt được nếu như có sự chênh lệch đáng kể về điện áp tại khoá đang mở.
+ Nguyên tắc chọn khóa mở: việc giảm tổn thất chỉ đạt được khi thực hiện chuyển tải ở phía có độ sụt áp lớn sang phía có sụt áp bé hơn.
- Xây dựng được hàm số mô tả mức giảm tổn thất công suất tác dụng khi có sự thay đổi trạng thái của một cặp khóa điện trong quá trình tái cấu hình.
Trong đó: D: Tập các nút tải được dự kiến chuyển tải
Ii: Dòng điện tiêu thụ của nút thứ i
EM: Tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút M
EN: Tổn thất điện áp do thành phần điện trở gây ra tại nút N
Rloop: Tổng các điện trở trên vòng kín khi đóng khoá điện đang mở.
Biểu thức (1 - 1) được rút ra từ phân tích mô hình tải phân bố tập trung Biểu thức này tỏ ra chính xác khi ứng dụng cho các lưới mẫu nhỏ nhưng chưa được kiểm chứng ở lưới điện lớn.
Hình 2.3 Lưu đồ giải thuật của Civanlar và các cộng sự
Kỹ thuật đổi nhánh thể hiện ở quá trình thay thế 01 khóa mở bằng và 01 khoá đóng trong cùng một vòng để giảm tổn thất công suất Vòng được chọn để đổi nhánh là vòng có cặp khoá đóng/mở có mức giảm tổn thất công suất lớn nhất Quá trình được lặp lại cho đến khi không thể giảm được tổn thất nữa Giải thuật Civanlar có những ưu điểm sau:
- Nhanh chóng xác định phương án tái cấu hình có mức tổn thất nhỏ hơn bằng cách giảm số liên kết đóng cắt nhờ qui tắc heuristics và sử dụng công thức thực nghiệm để xác định mức độ giảm tổn thất tương đối.
- Việc xác định dòng tải tương đối chính xác.
Tuy nhiên, giải thuật cũng còn nhiều nhược điểm cần khắc phục:
- Mỗi bước tính toán chỉ xem xét 01 cặp khóa điện trong 01 vòng.
- Chỉ đáp ứng được nhu cầu giảm tổn thất, chứ chưa giải quyết được bài toán cực tiểu hóa hàm mục tiêu.
- Việc tái cấu hình hệ thống phụ thuộc vào cấu trúc xuất phát ban đầu. 2.2.3 Giải thuật heuristic vòng kín cho LĐPP có tụ bù và máy phát điện phân tán (DG)
LĐPP thường được thiết kế dạng kín, nhưng thực tế được yêu cầu vận hành hình tia để giảm dòng ngắn mạch và vận hành đơn giản Khi xuất hiện nguồn điện phân tán (Distribution Generator – DG) kết nối vào LĐPP, phân bố dòng điện trên các nhánh đường dây sẽ thay đổi và ảnh hưởng đến cấu hình tối ưu của LĐPP, điều đó đặt ra nhiệm vụ là: cần phải tìm cấu hình tối ưu mới (tái cấu hình LĐPP có nguồn DG) Cấu hình mới này được đặt ra với nhiều mục tiêu: cải thiện chất lượng điện áp các nút trên LĐPP, giảm tổn thất công suất, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, chống quá tải đường dây Ở đây tập trung xem xét giảm tổn thất công suất dựa trên cơ sở 2 giải thuật:
- Thuật toán của A.Merlin & Back [3] (kỹ thuật vòng cắt) đại diện cho phương pháp heuristic kết hợp với các kỹ thuật tối ưu;
- Thuật toán của Civanlar [2] (kỹ thuật đổi nhánh) đại diện cho phương pháp thuần heuristic.
Kết luận
Có nhiều phương pháp tái cấu hình lưới điện phân phối giảm tổn thất công suất,tuy nhiên, chỉ có những giải thuật heuristic kết hợp giải tích và giải thuật thuần heuristic mới thực sự mang hiệu quả cao khi xét đến yếu tố thời gian và độ chính xác của giải thuật Trong đó kỹ thuật đổi nhánh - giải thuật Civanlar là đơn giản, cấu hình sau chuyển tải tốt hơn cấu hình ban đầu, có thể vận dụng vào giải bài toán tối ưuLĐPP một cách hiệu quả.
ỨNG DỤNG TÁI CẤU HÌNH LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Giới thiệu về lưới điện phân phối
Hình 3.1 Mô hình lưới điện và số liệu đề bài
Lưới điện ngầm có thông số lưới như hình vẽ có 15 nút tải và 2 hệ thống pin quang điện hòa lưới Giữa 2 nút tải, các nhánh đều được bố trí các LBS (máy cắt có tải) để có khả năng chuyển tải không mất điện.
Pmax (MW) Qmax (MVar) Loại tải
Bảng 3.2 Số liệu phụ tải theo giờ t(h) 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19 19-20 20-21 21-22 22-23 23-24
3.1.4 Đồ thị phát của hệ thống NLMT
Bảng 3.3 Số liệu máy phát NLMT thoi gian 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 14-15 15-16 16-17 17-18 18-19 19-20 20-21 21-22 22-23 23-24
Với P = 800 kWp và P = 500 kWpPV1 PV2
*Mô hình lưới điện phân phối trong powerworld:
Hình 3.2 Mô hình lưới điện phân phối trên Power World
Nội dung thực hiện
3.2.1 Số hóa đồ thị các nhánh dây 2-9 và 2-6 khi mờ các khóa điện trên các nhánh 4-14, 15-13
Hình 3.3 Mô hình lưới điện khi mờ khóa 4-14, 15-13
- Sau khi thực hiện mô phỏng khi mờ các khóa điện trên các nhánh 4-14 và 15-13 với Time Step Simulation ta được bảng sau:
Bảng 3.4 Thông số các nhánh 2-9, 6-16 sau khi chạy Time Step Simulation
10/15/2021 10:00:00 AM -0.03 0.42 0.42 3.24 2.31 3.98 10/15/2021 11:00:00 AM -0.21 0.42 0.47 3.11 2.42 3.94 10/15/2021 12:00:00 PM -0.21 0.42 0.47 3.11 2.42 3.94 10/15/2021 1:00:00 PM -0.21 0.42 0.47 3.11 2.42 3.94 10/15/2021 2:00:00 PM 0.05 0.42 0.42 3.19 2.23 3.89 10/15/2021 3:00:00 PM 0.25 0.38 0.46 2.82 1.84 3.37 10/15/2021 4:00:00 PM 0.36 0.38 0.52 2.78 1.84 3.33
- Đồ thị của các nhánh 2-9 và 6-16 khi mờ các khóa điện 4-14 và 13-15:
Hình 3.4 Đồ thị của nhánh 2 - 9
Hình 3.5 Đồ thị của nhánh 6 - 16 3.2.2 Nhập số liệu vào powerworld
Số liệu P, Q sau khi tính toán để nhập vào powerworld:
Bảng 3.5 Số liệu tính toán tải P
Tải P Bus 2 Bus 3 Bus 4 Bus 5 Bus 6 Bus 7 Bus 8 Bus 9 Bus 10 Bus 11 Bus 12 Bus 13 Bus 14 Bus 15 0-1 0.06160 0.14000 0.17608 0.06160 0.19600 0.28000 0.14000 0.08680 0.05456 0.19600 0.09800 0.06160 0.14000 0.17360
Bảng 3.6 Số liệu tính toán tải Q
Tải Q Bus 2 Bus 3 Bus 4 Bus 5 Bus 6 Bus 7 Bus 8 Bus 9 Bus 10 Bus 11 Bus 12 Bus 13 Bus 14 Bus 15 0-1 0.0180 0.0286 0.2240 0.0172 0.0560 0.2272 0.0800 0.0940 0.0752 0.0400 0.0280 0.0160 0.1136 0.2444
Số liệu của hệ thống PV sau khi tính toán:
Bảng 3.7 Số liệu tính toán hệ thống PV t PV1
3.2.3 Chỉnh nấc điều áp của máy biến áp khi mở khóa điện CB5
- Sau khi chỉnh các nấp điều áp để tỷ số MBA ở hệ đơn vị tương đối là 1.0pu, ta được mô hình lưới điện như sau
Hình 3.6 Kết quả mô phỏng sau khi chỉnh nấc điều áp của MBA
- Dòng điện trên các nhánh vào thời điểm 10:00am và 1:00pm.
Bảng 3.8 Dòng điện sau chạy Time Step Simulation tại 10am và 1pm
- Điện áp tại các nút vào thời điểm 10:00am và 1:00pm.
Bảng 3.9 Điện áp nút sau chạy Time Step Simulation tại 10am và 1pm
*Tại thời điểm 10:00am, điện áp tại các nút:
Hình 3.7 Kết quả mô phỏng điện áp nút tại 10am
*Tại thời điểm 1:00pm, điện áp tại các nút:
Hình 3.8 Kết quả mô phỏng điện áp nút tại 1pm
3.2.4 Mối liên quan giữa điện áp nút và dòng công suất giữa các nút:
- Từ hình trên ta thấy được nút 7 có điện áp 0.96pU thấp hơn điện áp tại nút 6 là 0.97pU thì dòng công suất có chiều từ 6 sang 7 Tương tự, ta cũng thấy nút 1 có điện áp 0.94pU nhỏ hơn nút 7 thì dòng coog suất cũng chảy từ 7 sang 11 Vì vậy, có thể kết luận dòng công suất sẽ có chiều từ nút có điện áp cao hơn sang nút có điện áp thấp hơn.
3.2.5 Các biện pháp giảm tổn thất công suất và sụt áp lưới: a Thay đổi nấc điều áp máy biến áp để điện áp cuối lưới tăng thêm 0,02pU
Ban đầu, điện áp tại bus 5 cuối lưới là 0.92pU, ta thực hiện thay đổi nấc điều áp MBA tại bus 2 và bus 16 thành 1.02pU như hình thì điện áp tại bus 5 là 0.94pU:
Hình 3.10 Điện áp tại nút 5 sau khi chỉnh nấc điều áp của MBA b Lắp 01 tụ bù để tăng áp tại nút này tăng lên 0.02pU
Lắp tụ bù tại nhánh với công suất được tính như sau:
Vậy ta lắp 1 tù bù với dung lượng 2.4Mvar tại nút số 7 để điện áp từ 0.96pU tăng lên 0.98pU
Hình 3.11 Lắp tụ tại nút 7 Với tổng tổn thất công suất giảm 0.0852 MW
Hình 3.12 Tổng tổn thất công suất sau khi lắp tụ tại nút 7 c Lắp 01 tụ bù để tổn thất công suất trên lưới phân phối giảm nhiều nhất với dung lượng bé nhất
Ban đầu tổng tổn thất công suất của hệ thống khi chưa lắp tụ bù là 0.2705MW. Tổn thất này tương đối lớn nên để giảm tổn thất này nhóm có các đề xuất sau:
* Đề xuất 1: Lắp tụ trên nhánh 2-9
- Lắp 01 tụ bù với công suất 0.4MVar lần lượt tại nút số 9, 10, 14 trên nhánh 2-9 thì tổng tổn thất công suất trên lưới phân phối như bảng sau:
Bảng 3.10 Kết quả sau khi lắp tụ tại nhánh 2-9
Dung lượng tụ bù phát (Mvar)
- Ta thấy lắp tụ bù 0.4MVar tại bus 14 thì thu được tổng tổn thất công suất của hệ thống là nhỏ nhất 0.2679 MW.
* Đề xuất 2: Lắp tụ trên nhánh 2-6
- Lắp 01 tụ bù với công suất 0.4MVar tại nút số 10 thì tổng tổn thất công suất trên lưới phân phối như sau:
Bảng 3.11 Kết quả sau khi lắp tụ tại nhánh 2-6
Dung lượng tụ bù phát (Mvar)
- Ta thấy lắp tụ bù 2.4MVar tại bus 4 thì thu được tổng tổn thất công suất của hệ