Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện: Quản lý năng lượng trong lưới điện nhỏ

Từ những van dé cơ bản như làm sao dé sử dụng năng lượng hợp lý trong microgrid, cânđối chi phí băng việc cân nhắc sử dung hay không sử dụng phụ tải, đánh giá việc lắp đặtpin lưu trữ và

ĐẠI HỌC BACH KHOA

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỪ

Chuyén ngành; KY thuật điệnMã ngành: 60 52 02 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHÍ MINH, 2018

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠITRUONG ĐẠI HỌC BACH KHOA —DHQG -HCMCán bộ hướng dẫn khoa học :PGS.TS Phan Thị Thanh Bình

(Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi và chữ ký)

Cán bộ cham nhận xét 1 : TS Trần Hoàng Lĩnh

(Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS Nguyễn Cao Cường

(Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi và chữ ký)Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai học Bách Khoa, DHQG Tp HCMngày 06 tháng 01 năm 2018

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:(Ghi rõ ho, tên, học hàm, hoc vi của Hội đồng cham bảo vệ luận văn thạc sĩ)1 TS Trần Hoang Linh

2 PGS.TS Nguyễn Cao Cường3 PGS.TS Hỗ Văn Nhật Chương

4 PGS.TS Vũ Phan Tu5 TS Phạm Dinh Anh Khôi

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyênngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆTTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Phan Văn Hoàng Vỹ MSHV:1670528 Ngày, tháng, năm sinh: 22/05/1993 - 555 << ++++++sssssss Nơi sinh: Quảng Nam

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện - +55 ++<<<<<<<ss+2 Mã số : 60520202

I TÊN DE TÀI: Quản lý năng lượng trong lưới điện nhỏ 5-52 2 5sx++EeEzxsxeeee

H NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu bài toán xây dựng chương trình, áp dụng

Ill NGÀY GIAO NHIỆM VU : (Ghi theo trong QD giao dé tai) 10/07/2017IV NGAY HOAN THANH NHIEM VU: (Ghi theo trong QD giao dé tai) 03/12/2017V CAN BO HƯỚNG DAN (Ghi rõ học ham, học vi, ho, tên): PGS.TS Phan Thị Thanh

Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528 2|

> se“ Na

Loi cảm on

Trước hết, em xin chân thành cảm on trường đại học Bách Khoa TP.HCM, khoa điện tử, bộ môn cung cấp điện và đặc biệt là cô Phan Thị Thanh Bình đã giúp đỡ em rấtnhiều trong quá trình thực hiện luận án này

điện-Trong quá trình thực hiện gặp rất nhiều khó khan, như việc vừa công tác nước ngoài vừathực hiện, nhưng may man được sự giúp đỡ của cô Bình và một số bạn bè trong nước nênviệc thực hiện luận án có thể được hoàn thành và có được kết quả cuối cùng là luận án

hoàn chỉnh này.Một lân nữa xin cảm ơn mọi người đã giúp đỡ em trong thời gian qua.

Tp Hồ Chi Minh, ngày 5 tháng 12 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Phan Văn Hoang Vy

TOM TAT NOI DUNG

Với sự phát triên của ngành điện Việt Nam nói riêng và thé giới nói chung, su xuât hiệnvà vai tro của hệ thông năng lượng nhỏ, riêng biệt càng khang định được vi tri và tamquan trọng của mình.

Lưới điện nhỏ với việc chỉ có những đặc thu cơ bản của khu vực, đồng nghĩa với việc hệthống không quá nặng nẻ hay phức tạp giúp cho việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụngtrở nên dễ dàng hơn

Lưới điện nhỏ có nhiêu van đê dé nghiên cứu, nhưng trong nội dung của quyên luận vănnày sẽ chỉ tập trung vào van đê tôi ưu hóa việc sử dụng năng lượng điện trong hệ thông,đông nghĩa với việc giảm năng lượng tiêu thụ và nâng cao hiệu suât hoạt động.

Luận văn nêu ra được mô hình cơ bản của lưới điện nhỏ, đưa ra phương pháp dự báo cho

hệ thống turbine gió trong lưới điện nhỏ, tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng điện trong24 giờ theo biến động của giá điện lưới, tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng điện tức thời

Qua các van dé được giải quyết trên, kêt quả thu được mặc dù còn một sô hạn chê, nhưng

bước đầu đạt được một số yêu cầu nhất định của van đề đặt ra với độ phức tạp nhất định

Với kết quả đạt được và tiềm năng của đề tài còn rất rộng lớn, nếu được phát triển thêm,

hoàn toàn có thể hoàn thiện và đưa vào thực tiễn đời sống nhằm phục vụ cho sự phát triển

của ngành điện Việt Nam, đặc biệt trong thời kỳ cách mạng công nghiệp 4.0 như hiện

nay Những đề tài như vậy mang lại ý nghĩa rất lớn cho sự phát triển chung của cả ngảnh

Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528 3|

ABSTRACTWith the development of Vietnam's power industry in particular and the world in general,the emergence and role of the small and separate power system further affirms itsposition and importance.

A small grid with only the basic features of the area, meaning that the system is not tooheavy or complicated to make research, development and application easier.

The small grid has many problems to study, but the content of this paper will focus onoptimizing the use of electrical energy in the system, which means that energyconsumption and Enhance performance.

The paper presents the basic model of small grid, giving forecasting method for windturbine system in small grid, optimizing the use of electric energy in 24 hours accordingto the electricity price fluctuation, Optimize the use of instantaneous power.

Based on the problems solved above, the results obtained despite some limitations, butinitially reached certain requirements of the problem poses with certain complexity.With the results achieved and the potential of the project is still very large, if developedfurther, can completely improve and put into practice life in order to serve the

development of Vietnam's power industry, especially During the current industrialrevolution 4.0 Such topics bring great significance to the development of the wholeindustry.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, công trình nghiên cứu này là sản phâm của tôi Mọi thông sô, kêt quảchưa được công bô trên công trình khác Tôi xin chịu mọi trách nhiệm về những gi tôi nóiở trên.

Tác giả luận văn

Phan Văn Hoàng Vỹ

Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528 5 |

Chương I Tổng quan - G3 E119 915 E1 1 11 11 1111111115111 rkrkrki 13

LL Microgrid 1a Qi? oo n3 13

1.2 Một số hướng nghiên cứu đã thực hiện về microgrid trên thé giới 131.3 Cac nghiên cứu về hướng quản lý năng lượng trong microgrid s 141.4 Ý nghĩa của hướng nghiên cứu đối với thực tiỄn + << sssx+x+x+x+xeeeeseee 14

Chương II Mô hình bài ftoán -GG 111 003011111115993111 101111111 111111 100055551 ke 15

2.1 Bài toán trào lưu công SUAt wes sseseeescsesecececscscscsssssvscevevecsesesecececscasasasavavavens 152.2 Các ràng buộc đối với pin du trữ năng lượng - eeesesesesececscscesssesevevens 172.3 Các ràng buộc đối với máy phat diesel -¿- - - s+s+E+EsEeEEkEkckekekekekeeeeeeeree 182.4 Các ràng buộc với các phan tử khác trong hệ thống ¿2s s+s+s+x+x+esxse 18Chương III Xây dựng giải thuật và chương trình khi công suất đầu ra của máy phát gió

là xác định _ -Lcc SH ng ve 203.1 Giai đOạn Ì -cccc cớ 203.1.1 Bài toán đặt ra - Lc-c G11 ng ve 20

3.1.2 Giải thuật giải quyết bài toán - - «kg ng ng rreg 223.1.3 Giải thuật tối ưu bay dan (PSO) ch 1H11 1E rrrreekg 22

3.1.4 PSO với bài toán đặt ra ở giai đoạn Ï 55555553 S+SS+SSSSSSSSss2 263.2 Gai GOAN 2 Q9 283.2.1 Bài toán đặt ra - Lc-c G11 ng ve 28

3.2.2 Đưa ra hướng giải quyết cho bai toán «+ + sex skekeeekeeeeeree 293.2.3 Cac ràng buộc của hệ thống khi vận hành << << << << <2 313.2.4 Các vẫn đề liên quan đến ham mục tiêu của bài toán - sec: 313.2.5 Bai toán trào lưu công suất trong matlab va ứng dụng trong bài toán đặt ra

¬ = 33

3.2.6 — Giải thuật giải quyết bài toán với giải thuật PSO và sự kiểm tra bang tràolưu CONG SuUẤT - - - - k1 11 1111915151 111 1 1 1 1 1111111111111 111111111 HH Hán greg 38Chương IV Bai toán quản lý năng lượng khi các thông số đầu vào bất định Al4.1 Bài toán tiỀn Xử ly ccc cccccccccccecsssssscscscscsesesecscscscscscssevsvsvsvsvsesesesececscacacasavavavans 41

4.1.1 Bài toán đặt ra - Lc-c G11 ng ve 414.1.2 Giải quyết bài toán - ch S111 E191 TS TT net 414.1.3 Sơ đồ giải thuật ThS 1E E11 TT He greg 43Chương V Áp dụng G- ScSShchv 1S 111151 111 HH g1 TT ưyg 445.1 Mô hình một hệ thống cụ thé dé áp dụng các giải thuật đã đưa ra ở chương III và

445.2 Chương trình matlab cho bai toán giai đoạn 1 (chương THI) - - 455.2.1 Chương trình matlab hiện thực hóa giải thuật được đưa ra 45

5.2.2 _ Kết quả và nhận XÉ k1 1111111511111 xxx crekrki 555.2.3 _ Các yếu tô ảnh hưởng tới kết qua của chương trình cần chú ý 58

5.3 Chương trình matlab cho bai toán giai đoạn 2 (chương TTI) - 58

5.3.1 Chương trình matlab hiện thực hóa giải thuật đưa ra - 585.3.2 _ Kết quả và nhận XÉT k1 111111151111 xxx rkekrkg 685.4 Chương trình matlab và kết quả khi áp dụng bài toán tiền xử lý (chương IV) 73

5.4.2 _ Chương trình chính giải quyết bài toán tiền xử lý - ¿5 65scssxss2 745.4.3 — KẾt quả Ă LH HH TT HT TT TT TT g1 Hi 755.4.4 Kết quả của giai đoạn 1 khi áp dụng bài toán tiền xử lý: 795.4.5 — Kết quả chạy giai đoạn 2 khi áp dụng bài toán tiền xử lý 80Chương VI Kết luận và hướng phat triển của dé tai ccccccccceccssssseeesesesesescscsseees 84

Tài liệu tham Khao - - E22 266113330 11111133030 11111190 ng vết S6Phụ TỤC - c1 111 ng ng EEt 88

Phan Van Hoang Vỹ - 1670528 9 |

Danh mục hình ảnh

Hình 1 Lưu đồ giải thuật [3 ] - - + + s33 E13 SE SE Tc cv ng grgrerrrree 24Hình 2 Lưu đồ giải thuật của chương trình áp dụng PSO để giải bài toán đặt ra ở giai

đOạñ Ì Lcc G11 xe 27Hình 3 Hình minh hoa cho lập luận ở trén 5-5 5 2222223223231 11s z 32

Hình 4 Lưu đồ giải thuật của chương trình dùng giải thuật PSO dé giải quyết bài toán giai

Hình 5 Sơ đồ giải thuật bài toán tiền xử lý + + 5s SE+E+E‡ESEEEEEEEEEEEEEEEEEEererkrkrkrree 43Hình 6 Mô hình microgrid dé nghị [ Ï ] - ¿s66 E#E£E+E#E£EEEEEEE£E£EeEeEeEeEeeeeererereree 45Hình 7 Biểu đồ phụ tải đăng ký với đơn vị cung cấp điện - + 2 s+x+xszsrererxreee 56Hình 8 tốc độ gió dự đoán ¿- - + Sex E9 9E SE 15113 111111511 1111111111111 11x11 76Hình 9 công suất ứng với tốc độ gió dự đoán - + 5s +x+k+E+ESEEEEEEEESEEEErkrkrkrkerereee 76Hình 10 Tốc độ gió thực tẾ -¿- - se StSE E991 1 1151151111111 1111111111111 111111 77Hình 11 Công suất thực tẾ từ turbine gi6 ool esccesesesesecscesecsesssscacetsessseasetseseseaeens 77Hình 12 Chênh lệch giữa công suất thực và công suất dự báo - - s+s+ssesesese 78Hình 13 Biểu đồ phụ tải đăng ký với đơn vị cung cấp điện ¿c6 cscxsxsxsxeeeeseee 80

Danh mục bảng

Bang 1 Các phan tử trong microgrid và ký hiệu [ [] - «<< + s5s+x+k+E+E£E+Eseseeeeeseee 16

Bảng 2 Giải thuật VỚI mã Ø1ả G0000 00 0212121111111 101 1111 1111111100010 511 11kg và 25

Bang 3 Các bước của giải thuật áp dung PSO để giải bài toán đặt ra ở giai đoạn l 28Bang 4 Loại mã số, thông tin cần biết trước của các nút . -< + + s+x+x+x+x+xeeseseee 35

Bang 6 Bang linedÌafa - - -cG c1 1000001111119 1 1111111 1111110000 30 11 1k k0 0 32 36

Bảng 7 Các bước của giải thuật áp dung PSO để giải bài toán đặt ra ở giai đoạn 2 39Bảng 8 Khai báo tham số của giải thuật PSO trong file parameter.m -.- 5 +: 45Bang 9 Các thông số của hệ thống microgrid khai báo trong file parameter.m 47Bảng 10 Khởi tạo dân số cho bay đàn trong file SĨ pre run pso.m -s: 47Bảng 11 Khởi tạo vận tốc cho từng cá thé trong file SĨ pre run pso.m 48Bảng 12 Hiệu chỉnh các giá trị trong từng cá thé trong file S1 pre_run.m 49Bảng 13 Tính toán hàm chi phí cho từng cá thé và gan các giá trị pbest và gbest trong file

SL Pre ác na 50

Bảng 14 Chạy các bước đầu tiên để khởi tạo các phần tử cần thiết cho chương trình chạy

Q1Al thudt 89001117177 50Bang 15 Vòng lặp thực hiện giải thuật PSO trong file SĨ run pso.m 53Bảng 16 Nội dung file SĨ psO_ reSUÏ{.m GGG S22 22222 2133113913111 111 111111 11g v2 54

Bảng 17 Kết quả của chương trình đưa ra phương án vận hành có chi phí thấp nhất 55

Bang 18 Nội dung file S2 InIf.m (000101010101 1111111111111199933 11111111 ng ng vờ 59Bảng 19 Nội dung file S2 cOniSfrA1ITIfS.IM -G G55 2222222213313 1 1111111111118 x.2 59Bảng 20 Nội dung file S2 load 1nÍO.m c c5 3222223113113 x2 60Bảng 21 Nội dung file S2 OPF InfO.m cGGG S2 20030111111199331 11111111111 ng ng v2 61Bảng 22 Nội dung file Š2_ getdatam ccccccssssssssssceeeceeeeecceeeeeeseesssssaaeeeeeeeeeeeeees 61Bang 23 Nội dung file Š2_ adjust 0 cc ccccceeesssesssssnceeeeeeeeeeeceeeeeeseeesssaeeeeeeeeeeeeeees 62Bang 24 Nội dung file S2 OPF and check.m - <1 eeeeeeeeesssssss 63Bảng 25 Nội dung file S2_LFYBUS.m GG G50 E2222311111139993311 1111111111111 ng 322 64Bảng 26 Nội dung file Š2_ check.ím - << << 5c 11 11111113111111119993331 11111111 ng ng v2 65Bảng 27 Nội dung file SŠ2_ checkOUf.m -cc 5111222211111 1111999331 111111111111 111g 332 65Bảng 28 Nội dung file S2 run DSO.IN -cG G5 0 1333331111111199331 1111111111 1t ng v2 68Bảng 29 Trường hợp 1 hàm mục tiÊU Ì - 5 5522222223111 1111 EEEEeeeeesessss 69Bang 30 Trường hợp 2 hàm mục tieu Ì 5555522222333 11 1 EEEEEssesssssss 69Bảng 31 Trường hợp 3 hàm mục tiÊU Ì 55 5522223311111 1111 EEEEEsseessssss 70Bang 32 Trường hợp 4 hàm mục tieu Ì 5555522222 3333111111111 1 EEESsseesessss 70Bang 33 Trường hợp 5 hàm mục tieu Ì 5555 2223233331111 11 1 EEEEseeesssssss 70Bang 34 Trường hop 1 hàm mục tIÊU 2 - 5-5 2222232323333 11 1 EEEEESSEssersss 71Phan Van Hoang Vỹ - 1670528 11 |

Bang 35 Trường hợp 2 hàm mục tiu 2 c5 5 5222222223313 111 111.2 71Bang 36 Trường hợp 3 hàm mục tIÊU 2 c5 55 E22 222222313399311 1111111 1E 72Bảng 37 bảng LUT (lookup table) của wind turbine << << << + sseeeeeeeeesssssss 74

Bang 38 chương trình chính giải quyết bài toán tiền xử lý 5c 56x sx+eseseseseee 75Bảng 39 Kết quả của chương trình đưa ra phương án vận hành có chi phí thấp nhất 79

Bang 40 Trường hop 1 hàm H~HỤC ti@u Ï Ă.Ă 00000001 9111111 1k kvrrrre 81Bang 41 Trường hop 2 hàm muc ti@u Ï Ă 010010001191 311111 1k kkrrrrre 81Bang 42 Trường hop 3 hàm muc ti@u ] ciccccccccccccccssssccccccecccceeeseessssssnaceeeeeeeeeesesessssssssaaeeeees 81Bang 43 Trường hop 4 hàm muc ti@u Ï ĂĂ 001000 S1 19111111 1k rre 82Bang 44 Trường hop 5 hàm muc ti@u Ï Ă 0001000111 5111111 rrre 82Bang 45 Trường hop 1 hàm mục tIÊU 2 c5 55 222 2232323333551111 11111 1E 83Bang 46 Trường hợp 2 hàm mục tIÊU 2.0 ccccecsssssssssceeeeeeceeeseeseessssessssaeeeeeeeeeeeeees 83Bang 47 Trường hợp 3 hàm mục tIÊU 2 c5 55 2222 232223333991111 11111111 83

Chương I Tổng quan1.1 Microgrid là gi?

Lưới điện siêu nhỏ (Microgrid - MG) là một hệ thống bao gồm các nguồn năng lượng cócông suất nhỏ va phát điện phân tán (Distributed Energy Resources — DER) như: nguồnpin mặt trời, pin nhiên liệu, turbine gid, microturbine v.v Ngoài ra còn có các hệ thốngđo lường và các phụ tải Công nghệ điều khiến cho lưới điện siêu nhỏ có thể hoạt độngđộc lập hoặc tích hợp chúng vào lưới điện phân phối

1.2 Một số hướng nghiên cứu đã thực hiện về microgrid trên

thé giới

Vì là một hướng phát triển mới và đây triển vọng cho nên microgrid dang là dé tài nghiêncứu của rất nhiều nhóm nghiên cứu từ các trường đại học đến các doanh nghiệp làm vềlĩnh vực năng lượng trên toàn thế giới Với ưu thế về việc sử dụng hiệu quả năng lượng,giảm lượng khí thải từ việc tăng cường sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, nâng caovai trò của người sử dụng năng lượng trong việc quản lý và tối ưu hiệu năng dùng điện,microgrid thật sự trở thành xu thé cho ngành điện trong tương lai

Là một hướng phat trién mới nên rat cần tăng cường nghiên cứu đề nâng cao hiệu quả khiap dụng vào thực tiên Các hướng nghiên cứu đã thực hiện liên quan tới microgrid:

- _ Cấu hình tiêu chuẩn để xây dựng một hệ thông microgrid.- Cac bộ bién đối công suất sử dung trong hệ thống microgrid.- _ Điều khiến cho các pin mặt trời và tuabine gió trong hệ thống microgrid.- _ Giải thuật tối ưu trào lưu công suất trong hệ thống microgrid

- Tinh toán sử dụng các loại động co diesel trong hệ thông microgrid.- _ Hoạch định kế hoạch vận hành cho hệ thống microgrid

- Du đoán nhu cau tải trong hệ thống microgrid.- Du đoán công suất cung cấp được từ các pin mặt trời và tuabine gió trong hệ

thống

- Sa thải phụ tải trong microgrid.

Có rat nhiều hướng nghiên cứu dé phục vu cho việc phát triển của hệ thống microgridnham phát huy các ưu điểm đồng thời khắc phục các hạn chế dé nâng cao chất lượng điệnnăng và hiệu suất sử dụng điện

Các hướng nghiên cứu quan tâm dén vân dé xây dựng hệ thông, điêu khiên hệ thong,nâng cao các công nghệ băng các bộ biên đôi công suat, giảm hao phí trên đường dây,giảm tôn thât qua các bộ biên đôi công suât, giảm sóng hài, tránh hiện tượng nhiều

Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528 13 |

Môi hướng khác nhau đều có rat nhiêu đê tai nhỏ liên quan, nô lực trong nghiên cứu củacác đơn vi trên thê giới rat đáng ghi nhận và cân được dau tu hơn nữa.

1.3 Các nghiên cứu vê hướng quản lý năng lượng trong

microgrid

Việc phát triển của microgrid hiển nhiên đòi hỏi sự phát triển về van dé quản lý nănglượng trong microgrid Đề đáp ứng nhu cầu đó các nhà khoa học đã nghiên cứu rất nhiềudé tài liên quan đến van dé này

Từ những van dé cơ bản như làm sao dé sử dụng năng lượng hợp lý trong microgrid, cânđối chi phí băng việc cân nhắc sử dung hay không sử dụng phụ tải, đánh giá việc lắp đặtpin lưu trữ và các nguén điện mặt trời hay điện gió ở các vị trí phù hợp trong microgrid.Bên cạnh đó còn các van đề về tối ưu chỉ phí vận hành của microgrid, nâng cao hiệu suấtsử dụng năng lượng trong microgrid, nâng cao chất lượng điện năng cung cấp như điệnáp, tần số Mục tiêu cuối cùng là giảm chi phí vận hành nhằm giảm giá thành của điện,tránh thất thoát trong quá trình sử dụng điện

1.4 Y nghĩa của hướng nghiên cứu đối với thực tiễn

Hướng nghiên cứu của luận án này nhằm mục đích hoạch định kế hoạch vận hành cho hệthống microgrid, với mục tiêu là tìm ra được kế hoạch có chi phí thấp nhất để tối ưu hiệuquả sử dụng điện của hệ thống Nó mang ý nghĩa vô cùng quan trọng vì sẽ tiết kiệm đượcchi phí nhưng vẫn đảm bảo cung cấp đủ điện cho nhu cau sử dụng đồng thời sử dụng tốiđa được nguồn điện từ mặt trời và sự linh động của hệ thống pin lưu trữ

Luận án đưa ra bài toán dự báo tốc độ gid của khu vực, từ đó dự báo được lượng nănglượng sản xuất ra được từ các turbine 210, khién hé thong dự báo tốt hon va bám sát honvới thực tế

Luận án đồng thời còn đưa ra cách giải quyết cho bai toán quản ly năng lượng khi tốc độ

gió trong khoảng giá trỊ.

Luận án còn vạch ra phản ứng của hệ thống, thay đôi kế hoạch hoạt động dựa vào sự thay

đôi nhu câu so với thực tê, mục đích cũng là giảm tôi đa chi phí vận hành của hệ thông.

Nếu hướng nghiên cứu thành công sẽ mang lại ý nghĩa rất lớn cho người trực tiếp vậnhành hệ thống microgrid Giá thành giảm và tiết kiệm được những khoảng tiền cần thiếtđể nâng cấp hay bảo trì hệ thống, hoặc đầu tư cho các hoạt động nghiên cứu để nâng cao

hiệu quả vận hành.

Chương II Mo hình bài toán

Như đã dé cập, một mô hình microgrid cần phải có những thành phan sau:- _ Hệ thống cấp nguồn từ nguồn năng lượng tái tao: các tam pin năng lượng mặt trời,

các tua bin gid.

- _ Hệ thống pin lưu trữ năng lượng- _ Hệ thống điện từ các máy phat diesel

- Cac tải tiêu thụ

- Nguôn cấp điện từ lưới phân phối (có thé có hoặc không, tùy vào chế độ hoạtđộng: nối lưới hoặc độc lập)

Với chế độ độc lập, mục tiêu chính của quản lý năng lượng là ôn định hệ thống VỚI Cácđiều kiện về tần số và điện áp Trong chế độ nối lưới, mục tiêu phố biến là tối thiểu chiphí vận hành của hệ thống, để làm được điều này ta phải đưa ra được phương án vậnhành hệ thống với việc điều khiến mức phát điện của các máy phát diesel và mức nạp xảcủa các pin lưu trữ từ đó xác định lượng điện cần mua từ lưới

Việc quan lý năng lượng trong microgrid có thé được chia ra làm 3 cấp độ khác nhau tùythuộc vao các cách tiếp cận của người vận hành Ở trong luận án này, ta quan tâm nhiềunhất tới trào lưu công suất trong hệ thống, quyết định xem các máy phát diesel sẽ phátvào hệ thống bao nhiêu công suất, lượng mua từ lưới phân phối và lượng nạp xả vào pinlưu trữ, từ đó giảm thiểu chi phí vận hành phát sinh từ giá phải trả cho nhà cung cấp điệnvà tiền nhiên liệu cho chạy động cơ diesel

Chính vì quan tâm nhiều tới các điều kiện ràng buộc của hệ thống nên cần chạy bài toántrào lưu công suất nhằm xác định các thông số dòng va áp trong hệ thống để có thé chắcchắn phương án hiệu chỉnh thông số điều khiển của hệ thống không vi phạm các điềukiện vận hành làm tốn hại đến hệ thống [1]

2.1 Bài toán trào lưu công suất

Bài toán trào lưu công suất nhằm mục đích tối ưu những mục tiêu của hệ thống dướinhững điều kiện ràng buộc khác nhau

Những ràng buộc nảy có thể bao gồm cả công suất thực và công suất phản kháng ra vàolưới, điện áp và góc pha của thanh cái; mục tiêu có thể là tối thiểu chi phí phát hoặc là tốiđa mức sử dung của tai; những ràng buộc có thé là mức điện áp hay mức công suất, hoặccó thé là đường dây truyền tải phải chịu nhiệt độ hay các giới hạn 6n định

Rang buộc ở từng phan tử trong microgrid sẽ được nói tới trong các mục sau, giờ ta xemxét phương pháp giải quyết bài toán trào lưu công suất về phương diện giải tích

Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528 15 |

Goi N là sô nút trong mạng lưới, i=1 N, 1 là chi sô của môi nút và môi nút có 4 tín hiệuđộc lập sau:

- P(t) — Công suất thực, day trực tiếp từ nút vào lưới (dương với máy phát, âm với

tải).

Q,(t) — Công suất phan kháng, day vao lưới

V,() — Điện ap tai nút đang xét.

6;(t)- Góc pha của điện áp Vị.Các phan từ cơ bản trong microgrid được liệt kê trong bang sau

utilitygridBang 1 Các phan tử trong microgrid và ky hiệu [1]Điểm PCC trong microgrid có thé xem như là nút slack trong lưới điện này Vi thé taluôn đặt nó có thứ tự là 1, và đây là điểm có điệp áp và góc pha xác định, và những giá trịnày không thé điều khiến được (do phụ thuộc vào lưới phân phối) Hệ phương trình saubiểu diễn cho mạng lưới 3 pha đối xứng:

Y,; và Ø;;là điện dẫn và góc pha ï;; là dòng trên dây dẫn (độ lớn).Với mạng 3 pha không đối xứng ta phải xét hệ (1) với từng pha riêng biệt rồi giải, tươngđối phức tap hơn so với 3 pha đối xứng.[1]

Bởi vì khi giải bài toán các thông số về công suất (P,Q), điện áp (V), dòng (I), góc pha(ổ) và pin lưu trữ năng lượng đều phụ thuộc lẫn nhau Ta dùng các phương pháp lặp đểgiải bài toán này (ví dụ như Newton-Raphson) Từ đó ta tính toán ra các thông số dựa

trên ràng buộc sẽ được bài tới phía sau đây.

2.2 Các ràng buộc đối với pin dự trữ năng lượng

Đây là yếu t6 ảnh hưởng nhiều nhất tới lời giải của bài toán tối ưu đã đặt ra Do là một ânsố có tính nhân quả tức là chịu ảnh hưởng của hoạt động của các giờ trước và tác động

lên các giờ sau.

E,,.(t) = Dung lượng hiện thời hay trạng thái sạc của pin dự trữ.Vix(t) = Vs; Có định

0< EC) S Ei max

—Piratea S Pi(t) < +Pirateq Mức nap hoặc xả tối đa của pin năng dự trữ

Tổn thất của bộ pin dự trữ sẽ được tính chung trong hệ số tôn thất của toàn hệ thống Nếu

người vận hành muốn có thể thêm hệ số vào để tính toán mà không làm ảnh hưởng tới

giải thuật chung của bài toán.Phương trình trạng thái:

- Dung lượng tối đa của pin dự trữ.- Dung lượng tối thiểu của pin dự trữ.( = 0)- Kha năng nạp tối đa trong một giờ.

- Kha năng xả tối đa trong một gid,

- Dung lượng hiện thời của pin dự trữ.Đây là các thông sô cân khai báo đầu và được xem xét cân thận trong từng bước của việc

giải bài toán nhằm không vi phạm ràng buộc vận hành của hệ thông.[1][2]

2.3 Cac ràng buộc đối với máy phát diesel

Đây là nguồn phát biết trước và có thé điều khiến được trong hệ thống microgrid, việcvận hành của nó không ảnh hưởng tới các thời điểm vận hành sau đó ma chỉ ảnh hưởngtới thời điểm vận hành bat kỳ, nếu có sự kiện gì đó xảy ra với hệ thống thì đây là thông sốdé thay đôi dé đảm bảo vận hành của hệ thống (cùng với nguén điện từ lưới phân phối).Các thông số ràng buộc:

Pimin S Pix(t) S Pị maxQix(O) S Qi max

Vixmin S Vi(t) S Ứix max

Cac thông số cần tính toán dé kiểm tra là: V;,,(t), 5;,(t)Ngoài ra các máy phát diesel có những thông số của hàm chỉ phí riêng cho từng loại máy,

đó là:

a, B,YĐược sử dung dé tính toán ham chi phí cho việc vận hành máy phat diesel với công thức:

a+ P,„() + y.P„()ˆ

Phan tử ø có thé được thêm phan khấu hao thiết bị néu muốn xét thêm

Công thức trên sẽ phục vụ cho việc xác định hàm chi phí chung của việc vận hành hệthông và tìm lời giải tôi uu.[1][2]

2.4 Các ràng buộc với các phan tử khác trong hệ thông

- Day truyền tai: J, 7xŒ) < Tij max

- Tai:

o P,x()oO Qix(t)

O Vix,min = V,(t) < Vix,max

o V,,(t), 6;,(t) là các thông số cần tìm.- - Điểm PCC hay slack của microgrid: đánh số 1

o 6,,(t) =0

Vi x(t) = Vinx

Q1x,min < Qy,x(t) < 1>,max Rang budc may bien the.

Pixymin S Py x(t) < Pix max Rang buộc máy biến thé.P,(t), Q,(t) là các giá trị cần tính toán

Chương III Xây dựng øiải thuật và chương trìnhkhi công suất đầu ra của máy phát gió là xác

định

Vấn đề đặt ra trong quá trình vận hành microgrid tạo ra yêu câu dé giải hai bài toán khácnhau nhưng liên hệ mật thiết với nhau nhằm mục đích nâng cao hiệu quả vận hành hệthống và giảm thiểu chi phí ở mức thấp nhất Hai giai đoạn được đặt ra như sau:

- - Giai đoạn 1: Các dự báo về nhu cầu năng lượng và thông số thời tiết sẽ cho chúngta dự báo chung về lượng điện năng cần cung cấp cho microgrid trong 24 giờ liêntục trong ngày Từ đó ta sẽ đưa ra chiến lược sử dụng máy phát diesel, đăng ký

lượng điện mua từ lưới và hoạt động nạp xa pin lưu trữ ở từng giờ trong 24 giờ đó

sao cho chỉ phí là thấp nhất.- Giai đoạn 2: Sau khi có được kế hoạch vận hành trong giai đoạn 1, khi vào vận

hành thực tế sẽ có những biến đối về các thông số đã được dự báo như tải hay mặt trời, khi đó cần hiệu chỉnh kế hoạch vận hành sao cho tối ưu hóa được chỉ phí

gió-vận hành.Với 2 giai đoạn trên của bài toán, mục tiêu cao nhat van là giảm thiêu chi phí vận hànhcủa hệ thông microgrid, sử dụng năng lượng một cách hiệu quả nhat.

3.1 Giai đoạn 1

3.1.1 Bài toán đặt raCho hệ thống microgrid với các thông số đã cho ở trên, cùng với các đầu vào sau:

- _ Giá điện theo từng giờ của đơn vi phân phối điện- Mitre điện chứa trong các pin lưu trữ thời điểm giờ đầu tiên của chu kỳ 24 giờ đang

- _ Chiến lược nạp xả với các pin lưu trữ trong hệ thống dé nâng cao hiệu qua sử dung

điện trong 24 giờ.

- _ Chiến lược mua điện từ các đơn vị phân phối điện trong 24 giờ

- Gia sử của bài toán: Khi xem xét mô hình cho N thời điểm phía trước này, các chi

phí bảo trì và vận hành đươc bỏ qua Vì các phương án phát khác nhau này được

coi có chung chỉ phí bảo trì và vận hành cho cùng N thời điểm Ngay cả khi đưavào thì nó cũng được coi là hằng và không ảnh hưởng tới lới giải (vi an là P thayđối theo giờ) và thuật toán cũng không thay đồi

Cac thông sô dau ra trên phải đảm bảo điều kiện là:

- Luong điện cung cấp từ các nguồn từ lưới phân phối, các máy phat diesel và pinlưu trữ phải bang với nhu cau tải của cả hệ thống (đã bao gồm cả ton that)

©_ È¡ là lượng nạp hoặc xả của pin lưu trữ thu I trong 1 giờ, Ei recharge S

hị = Ei chargeon là số pin lưu trữ trong hệ thống.o P, là lượng điện mua từ lưới phân phốio ƒ là chỉ thời điểm giờ thứ j trong chu ky 24 giờ- Chi phí để cung cấp lượng điện năng trên phải là thấp nhất, tức là hàm chi phí:

24 n

Cost = » ( Cpij + cba)

j=1 \i=1

Dat gia tri nho nhat, voi:

o Cp; ; là chi phí của việc chạy may phat diesel với công suat P,; ở giờ thứ j

Cpịj = đi + Bị * Pig + yị * Đổ,

Ở day, chi phí có thé chỉ xét nhiên liệu dé vận hành máy phát, tuy nhiên nếu như muốnxét ca chi phí đầu tư và khấu hao thiết bị, có thé tính toán bang cach sau:

Goi A là giá trị dau tư của máy phat, máy có tuôi tho (thời gian khấu hao là ye năm) vaycó thé tính khấu hao trong 1 giờ của máy phat là:

Nếu như người thực hiện bài toán muốn tính toán luôn cả phần khấu hao thiết bị vào thìcó thé thêm vào đại lượng nay, giỗng như a; nhưng đó là chi phí khi chạy không tải, còn c’là chi phí không hoạt động vẫn khấu hao.

©_ CØạ,; là chi phí mua điện từ lưới phan phối ở giờ thứ j

CĐa,j = Paj * price;

voi: price; là giá của điện mua từ lưới phan phối ở thời điểm j

3.1.2 Giải thuật giải quyết bài toán

một giải thuật thích hợp để tìm ra lời giải nhanh chóng và hiệu quả nhất.Có rất nhiều giải thuật được sử dụng để giải bài toán tối ưu, tiêu biểu như:

- Genetic algorithm:- PSO (Particle Swarm Optimization):- Neural Networks

- Bee Algorithm- Firefly Algorithm

“7° ,Ae

quá trình tìm hiểu thì quyết định cuối cùng sử dung giải thuật PSO dé tìm kiếm lời giảitối ưu

3.1.3 Giải thuật toi ưu bay đàn (PSO)

3.1.3.1 Nguồn gốc ý tưởng của giải thuậtNguồn gốc ý tưởng lay cảm hứng từ các hành vi quan thé và phương hướng di chuyên détìm kiém thức ăn của các loài như côn tring, chim hay cá

Đề dễ hình dung ý tưởng giải thuật, ta xét một đàn chim đang đi tìm thức ăn Mỗi cá thểtrong đàn sẽ di chuyển một cách ngẫu nhiên nhưng có những thông tin vẫn luôn đượcmỗi cá thé nhớ trong quá trình di chuyển:

- _ Khoảng cách hiện tại của cá thé đó tới chỗ có thức ăn.- Vi trí tốt nhất (gần nhất) mà cá thé đó từng đạt được.- Vi trí tốt nhất (gần nhất) mà đàn đã từng dat được.Bang cách di chuyển bất kỳ nhưng chịu anh hưởng của các thông tin trên, các cá thétrong quân thé sẽ dan tiến về vị tri tốt nhất (nêu không có vị trí nào tốt hơn) hoặc là tìm rađược các vị trí mới tốt hơn dé đưa cả đàn tiến tới vị trí có thức ăn mà cả đàn đang muốn

hướng tới.

toàn cục.

- Mica thé sẽ lưu những thông số sau:

o Lời giải tốt nhất của chính cá thé đó, pbest (personal best).o Lời giải tốt nhất của toàn bộ các thé gbest (global best).- Mỗi cá thể hiệu chỉnh tốc độ di chuyển của mình phụ thuộc vào kinh nghiệm di

chuyển của mình và của cả dan.- - Mỗi cá thé sẽ hiệu chỉnh vị trí của mình phụ thuộc vao:

o Vị trí hiện thời của cá thé đó.o Tốc độ hiện thời của cá thé đó

o Khoảng cách của vi trí hiện tại với pbest.o Khoảng cách của vi trí hiện tại với gbest.

3.1.3.3 Tham sốCác tham số cơ bản của giải thuật PSO:

N: dan so của dan.

- p;: Vị trí của cá thé thứ i trong vùng tìm kiếm

- f: Hàm mục tiêu.

- v;: tốc độ của cá thé thứ i.- gbest: giá trị tốt nhất của ca đàn.- pbest;: giá trị tốt nhất của cá thé thứ iCác công thức dé cho từng cá thé cập nhật vị trí của mình

Uị =v, +c, * rand * (pbest — p;) + cp x rand * (gbest — p,)

Di = Di + Vj

Với :- rand: là hàm random giá tri từ 0-1- C,: trọng sô của thông tin của ca thê đó- Cy: trọng sô của thông tin của cả dan [6]Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528 23 |

Thông sô c, và c¿ là thông sô can băng giữa mức độ ảnh hưởng của kinh nghiệm tự cócủa cá thê đó và kinh nghiệm của cả đàn đê đi đên lời giải tôi ưu Anh hưởng của cáthông sô này sẽ được bàn kĩ hơn ở mục sau.

3.1.3.4 Giải thuật

Thởi tac:

- Kích thước quan thể N-Trong số quan tính w- Hệ số gia tốc cie2

>|_khởi tạo các cá thể với vi trí

Chwa

Tiêu chuẩn hội tu

Hình 1 Luu đồ giải thuật [3]

Bước I:

- Khoi tạo quan thé với N cá thé, các cá thé có giá trị hàm mục tiêu khác nhau tùy

thuộc vào vi trí của chúng.

- _ Khởi tạo các hệ số gia tốc cl, c2

Bước 2:

- - Khởi tạo các cá thé va vận tốc bat kỳ của chúng

Bước 3:- Tinh toán hàm mục tiêu.Bước 4:

- Tinh các gia tri pbest va gbest của đànBước 5:

- Cap nhật vi trí, vận tốc, pbest và gbest của các cá thể và cả đàn

Bước 6:

- Xét tiêu chuẩn hội tụ, nếu thỏa thì kết thúc chương trình, không thi trở lại với

bước 2

Bang 2 Giải thuật với mã giả

Một sô ý chính tóm gọn trong giải thuật là:

- Tao dân số va tính toán giá trị của từng cá thé theo ham mục tiêu.- Néu giá trị hàm mục tiêu thời điểm hiện tại tốt hơn giá trị pbest thì cập nhật giá tri

Điều kiện thứ 2 được rút ra từ hàm vận tốc của từng cá thể của đàn

Vv; = Vv; +c, * rand * (pbest — p¡) + cz * rand * (gbest — p;)

3.1.3.6 Dac trưng cua giải thuật

- Ưu điểm:

o Không bị ảnh hưởng quá nhiều khi thay đối độ lớn của bài toáno_ Dễ dàng thực hiện

o Dễ dàng thực hiện cho các xử lý đồng thời

Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528 25 |

o Nguồn mở, miễn phío_ Rất ít tham số cho giải thuậto Rat hiéu qua cho giai thuat tim kiém toan cuc- Nhuoc điểm:

o Xu hướng là hội tu nhanh về điểm tối ưu ở giữa, nếu không kiểm soát tốtrat dé để vụt mat điểm tối ưu ở vị trí khác

o Hội tụ chậm khi tìm kiếm ở khu vực địa phương (yếu về khả năng tìm kiếm

địa phương).

3.1.4 PSO với bài toán đặt ra ở giai đoạn 1Với giải thuật PSO đã được đề cập ở trên, ta sẽ xây dựng mô hình phù hợp dé có thé giảiđược vấn đề đặt ra ở giai đoạn 1

bài toán Ta cần 1 cá thé biểu diễn được:- Nap xả của pin lưu trữ trong hệ thống.- Luong điện năng sản xuất từ từng máy phat diesel.- Luong điện năng mua từ lưới phân phối

Và tất cả đều trong chu kỳ 24 giờ Ứng với mỗi giờ tong: (or, Pi + Lind Bij + Pa, i) sébang với lại lượng điện cần của cả hệ thống (đã bao gồm từ pin mặt trời, tuabine gió vaton thất hệ thống)

Và hàm mục tiêu (hàm chi phí) của mỗi phan tử có dạng:

o Cpqj; là chi phí mua điện từ lưới phan phối ở giờ thứ j

CĐa,j = Paj * price;

voi: price; là giá của điện mua từ lưới phan phối ở thời điểm jMục tiêu là tìm được cá thé sao cho ham chi phí là thấp nhất (hàm chi phí biểu diễn chochi phí vận hành của hệ thống trong 24 gid)

Dạng của cá thể là ma trận 24xk với k = số pín lưu trữ + số máy phát diesel + 1 Cộtcuối cùng là dành cho điện mua từ lưới phân phối.

Khi đã xây dựng được mô hình của bài toán cần xét, ta sẽ xây dựng giải thuật riêng để ápdụng ý tưởng của giải thuật PSO vào mô hình đã xây dựng để tìm ra lời giải của bài toán

Bắt đầu

Khai báo các thông số liên quan đến hệ thốngKhởi tạo số cá thể N, các thành phần gia tốc c1,c2Khởi tạo dân số cho bầy đàn.

Khởi tạo tốc độ cho các cá thể của đàn.Hiệu chỉnh các chỉ số của từng cá thể để cho các chỉ số đókhông vi phạm các ràng buộc của hệ thống.

Tính toán hàm chỉ phí cho từng cá thể và gán pbest, tìm ragbest của đàn.

condition <stop_condition

Điều kiện hội

Tính toán hàm chi phí cho từng cá thể, so sánh vớipbest và gbest, cập nhật nếu thỏa điều kiện

Bước 1:

- Khai báo các thông số liên quan đến hệ thông- - Khởi tạo số cá thé N, các thành phần gia tốc cl,c2- - Khởi tạo dân số cho bay dan

- Khdi tạo tốc độ cho các cá thé của dan.- Hiéu chỉnh các chỉ số của từng cá thé dé cho các chỉ số đó không vi phạm các

ràng buộc của hệ thống

- Tinh toán hàm chi phí cho từng cá thé va gan pbest, tìm ra gbest của dan

- condition = 0Bước 2:

- Néu thỏa 1 trong 2 điều kiện dừng của chương trình thi dừng chương trình 2điều kiện bao gồm:

o_ Đạt được số vòng lặp tối đa của chương trình (quy định bởi người chạy

buộc vận hành của hệ thống

- Tinh toán hàm chi phí cho từng cá thể, so sánh với pbest và gbest, cập nhật nếuthỏa điều kiện

Bước 4:- condition = condition + 1

- Tro về bước 2 dé thực hiện tiếp tục chương trình

Bang 3 Các bước của giải thuật áp dung PSO đề giải bài toán dat ra ở giai đoạn 1

3.2 Giai đoạn 2

3.2.1 Bài toán đặt raSau khi kết thúc giai đoạn 1 với việc đưa ra dự báo đối với phụ tải và các nguồn điện táitạo từ đó lập ra được kế hoạch chạy máy phát diesel, nạp xả của các pin dự trữ và lượngđiện mua từ đơn vi cung cấp điện Vẫn đề đặt ra là khi vào vận hành thực tế thì sẽ phátsinh các van dé sau:

- Nhu cầu về phụ tai thay đối so với kế hoạch đã được định san.- - Thời tiết có những thay đổi nhất định làm cho dự đoán về mức cung cấp điện từ

pin mặt trời và tuabine gió thay đối theo

- Gid điện có biến động so với dự báo do các van dé phat sinh từ cung va cau nanglượng trong toàn bộ hệ thống điện phân phối.

Với việc xảy ra các tính huống trên, 2 sự kiện đầu tiên sẽ làm cho nhu cầu phụ tải cungcấp sẽ có sự thay đổi so với hoạch định (hoặc tăng hoặc giảm) Trong phạm vi luận ánnày ta sẽ quan tâm chính tới việc thay đôi kế hoạch vận hành dé đáp ứng được sự biếnđộng của sự thay đối về nhu cầu phụ tải đã trừ đi năng lượng gió và mặt trời

Riêng với việc giá điện biến động cần có cách tiếp cận khác dé giải quyết van dé tối ưu

chi phí.

3.2.2 Đưa ra hướng giải quyết cho bài toán

Với bài toán đặt ra ở giai đoạn 2, nhu cầu phụ tải thay đối làm chúng ta phải thay đối kếhoạch vận hành dé đáp ứng được nhu cau đó

Đối với máy phat diesel hay điện mua từ lưới phân phối thì việc thay đối kế hoạch ở thờiđiểm này hoàn toàn độc lập với các thời điểm sau Nhưng đối với pin lưu trữ thì thay đốikế hoạch nạp xả ở thời điểm này sẽ làm ảnh hưởng đến trạng thái của pin thời điểm sau,sẽ ảnh hưởng tới việc nạp xả ở thời điểm sau của quá trình vận hành và làm lệch quỹ đạo

của toàn bộ bài toán giai đoạn 1.

Ta sẽ thay đổi cả 3 thông số từ máy phat diesel, pin dự trữ và điện mua từ lưới phân phối.Có 2 hướng tiếp cận với việc đánh giá chi phí đối với việc thay đối kế hoạch:

- Lua chọn kế hoạch vận hành nao có chi phí thấp nhất Hướng tiếp cận này có vẻôn nhưng riêng đối với pin dự trữ, ta không thé đánh giá một cách chính xác mức

chi phí cho nó vì lượng điện chứa trong pin được tích trữ từ những giờ trước với

các mức giá khác nhau Nếu đánh giá không chính xác thì việc dùng hàm chỉ phínày để đánh giá là vô nghĩa và kết quả sẽ không đạt được như mong muốn

- _ Hướng tiếp cận còn lại là sẽ quan tâm tới lượng điện năng thay đối ở từng thànhphân và lựa chọn trọng số cho từng thành phần hợp lý nhất

Trong luận án nay, ta sé sử dụng hướng tiếp cận thứ 2 dé giải quyết bài toán.Riêng với hướng tiếp cận thứ 1, để thực hiện được cần phải có một bài nghiên cứuchuyên sâu về việc đánh giá và tính toán chỉ phi với pin lưu trữ dựa trên giá thành muađiện và chi phí vận hành của các máy phát diesel trong hệ thong Ta sẽ phải quan tâm tới

việc chi phí đó sẽ được tính toán dựa trên ảnh hưởng của bao nhiêu giờ phía trước là

mang lại hiệu quả dự đoán cao nhất, tìm ra được công thức tính toán phù hợp dé đánh giáảnh hưởng của việc thay đối kế hoạch nạp xả cho các thời điểm sau của quá trình vận

hành.

Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528 29 |

Trở lại với hướng tiếp cận thứ 2, mục tiêu của chúng ta là tìm phương án vận hành mớisao cho hàm chi phí sau là nhỏ nhất Hàm chi phí thứ 1:

n m1

- 1n: là số lượng pin dự trữ trong hệ thống microgrid- _ E7, E¿: lần lượt là kế hoạch nạp xả vận hành thực tế và dự kiến.- s;: là trọng số của hàm lệch từng pin dự trữ trong hệ thống- P,P: lần lượt là lượng mua điện thực tế và dự kiến từ lười phân phối

p: là trọng sô cua hàm lệch điện mua từ lưới.

Và thỏa điều kiện sau:

phương án sau:

- - Giải bang phương án giải tích: tìm giá trị nhỏ nhất của một hàm đa biến với điều

kiện ràng buộc.

- Su dụng giải thuật PSO đã đề cập tới ở trên để tìm ra được gia tri tối ưu.Với phương án giải tích thì ta không thể kiểm tra các ràng buộc của hệ thống trong quátrình giải, khi ra được kết quả cuối cùng thì mới có thé kiếm tra được và nếu không thỏacác điều kiện ràng buộc đó thì xem như phương án vận hành không thé thực thi được.Việc sử dụng giải thuật PSO thì có thể kiểm tra trong quá trình chạy, và có thể chắc chắnkết quả cuối cùng luôn thỏa các ràng buộc của hệ thống khi vận hành

Phương án giải tích cho kết quả nhanh hơn tuy nhiên không hiệu quả bang giải thuật PSOvề độ tin cậy Trong luận án, cả hai phương án đều được thực hiện nhưng chỉ quan tâmđến phương án PSO, phương án giải tích chi mang tính tham khảo (xem thêm ở PL-3)

3.2.3 Các ràng buộc của hệ thông khi vận hànhCác ràng buộc liên quan tới hệ thống microgrid đã được nói tới ở phần đầu của luận án,giờ ta chỉ nói tới một số ràng buộc cần quan tâm ở mọi hệ thống điện:

- - Điện áp: ở các nút tải của hệ thống, điện áp không được chênh lệch một mức nào

đó so với điện áp định mức Mức này tùy vào quy định để đảm bảo thiết bị được

vận hành một cách bình thường.

- Dong: trên đường dây truyền tải, dòng không được vượt quá dòng chịu đựng của

đây (vì đây là hoạt động lâu dài)

Các thông số này sẽ được tính toán và kiểm tra khi thực hiện bài toán trào lưu công suấtvới hệ thống (sẽ được nói tới ở phần sau)

3.2.4 Các vẫn đề liên quan đến hàm mục tiêu của bài toán

3.2.4.1 Hàm mục tiêu thir 1

Có một câu hỏi đặt ra trong quá trình giải quyết bài toán là liệu rang nếu 1 trong cácthành phan chiếm một tỷ trọng lớn trong ham chi phí, thì hàm chi phí đạt nhỏ nhất bị chỉphối bởi thành phần này hay không?

Dé trả lời cho câu hỏi này ta sẽ xét lại bai toán ta cần giải quyết dưới dạng đơn giản hon:tim giá trị nhỏ nhất của một hàm tổng các bình phương với điều kiện rang buộc là tổngcác phan tử băng một hang sé

Đề có thể giải quyết một cách từng minh, ta mô hình hóa thành bài toán 3 biến như sau:

Cho a, b, c thực dương sao cho:

a+b+c=bpPhan Văn Hoàng Vỹ - 1670528 31 |

Tìm giá trị nhỏ nhất của:

S=a’*+b*+c?

Di nhiên là độ lớn của 3 giá tri a, b, c khác nhau để trả lời cho câu hỏi trên Vì nếu a, b, c

không có giới hạn thì biểu thức S sẽ đạt nhỏ nhất khi: a= b =c = P Đây là kết quả của

bat đăng thức Cauchy không quá xa lạ với chúng ta.Giờ ta xét b, e không có giới hạn về giá tri, còn a < am < p/3

Ta có:

S =a? +=(b + €)? (Bat đẳng thức Cauchy với b, c)$>a?+=( — a)? Biểu thức về phải đạt nhỏ nhất khi a = 2 > p không thé xảy ra

do a < am < p/3 <p.

Lúc này khoảng của a là năm ở nhánh bên trái của một parabol hệ số dương (parabol có

điểm cực tiểu), do đó để biểu thức a2 + - (p — a)2 đạt nhỏ nhất thi a đạt lớn nhất trong

khoảng giới han cua mình, tức là a = am.

Hình 3 Hình minh họa cho lập luận ở trên

Tương tự với trường hợp 2 biến a, b có giới han, ta thấy rang dù biến c có thé rất lớn sovới biến a, b Tuy nhiên điểm cực tiểu sẽ được quyết định bởi vùng giới han của bién nhỏhơn, biến nhỏ hơn đạt lớn nhất dé biểu thức có giá trị nhỏ nhất, từ đó mới có được giá trịcủa biến còn lại

Kết luận: điểm cực tiểu của biểu thức ham chi phi không phụ thuộc vào vi tri cực tiểu củabiến có giá trị lớn hơn ma được quyết định bởi các biển có giá trị nhỏ hơn Và van đề longại do câu hỏi đặt ra không ảnh hưởng tới kết quả bài toán.

Van dé cần quan tâm còn lại của hàm mục tiêu là việc chọn ra trọng số phù hợp cho từngthành phần sao cho mang lại hiệu quả tốt nhất Van dé này phụ thuộc khá nhiều vào quyếtđịnh của người quản lý, vận hành cho hệ thống microgrid, việc xem trọng giữ yếu tố dựbáo nao hon sẽ quyết định là trọng số nào nhỏ nhất trong ham mục tiêu đó (Trọng sốcàng nhỏ thì tý lệ thay đôi do biến động vẻ phụ tải càng thấp)

3.2.4.2 Hàm mục tiêu thir 2Với hàm mục tiêu có dạng

Giá trị nhỏ nhất của hàm mục tiêu sẽ được bàn ở phần áp dụng giải thuật khi đã có kếtquả cụ thé

3.2.5 Bài toán trào lưu công suất trong matlab và ứng dụng trong bài

toán đặt ra

3.2.5.1 Giới thiệu bộ chương trình cua matlab:

Nhiều chương trình được triển khai cho phép giải phân bố công suất của mạng điện thựctế Ứng với mỗi phương pháp sẽ là một bộ chương trình bao gồm 4 chương trình Bộchương trình này gồm 1 chương trình chính tính phân bố công suất tương ứng với

phương pháp được chọn, | chương trình thực hiện trước đó là Ifybus.m va 2 chươngtrình theo sau là busout.m và lineflow.m Các chương trình Ifybus.m, busout.m và

lineflow.m được thiết kế để tương thích với các chương trình chính tính phân bố côngsuất khác nhau

Các chương trình chính ứng với các phương pháp tính phân bố công suất:

Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528 33 |

— Phương pháp lặp Gauss — Seidel : chương trình Ifgauss.m.— Phương pháp lap Newton — Raphson : chương trình Ifnewton.m.— Phương pháp phán lập nhanh : chương trình decouple.m.

3.2.3.2 Quy trình tinh toán:Quy trình tính toán khi sử dụng các bộ chương trình ứng với mỗi phương pháp là tương

tự nhau Giả sử phương pháp tính lặp được dùng là Newton — Raphson Quy trình chuẩn

toán Hai giá trị thường được chọn trước là:

Công suất biểu kiến cơ bản.Điện áp cơ bản ở các cấp điện áp có xuất hiện trong mạng điện.Hai thông số còn lại thường là hệ quả tính toán từ 2 giá trị trên.Thông số quy ước của chương trình:

Các biến sau đây cần phải được định nghĩa:Công suất cơ bản của mạng điện (tương tự như phan trên) basemva

Độ chính xác vê sai sô công suât accuracy Biên accuracy càng nhỏ thì độ chính xáctrong việc tính toán công suât cảng cao, nhưng lại đông nghĩa sô lân lặp sẽ càng lớn.

Hệ số tăng tốc accel giúp đây nhanh tốc độ hội tụ của phép lặp Thường chọn accel=1.6Số lần lặp tối đa maxiter là số lần tinh lặp lớn nhất cho phép của phép lặp khi tính côngsuất Nếu việc tính toán đến số lần lặp tối đa mà không thể hội tụ, chương trình sẽ báo lỗi

Bước 2: Phán loại nut và mã so nut.Phân loại các nút dựa trên đặc điêm của chúng như đã nêu trong phan 2 Quy định mã sôứng với loại nút và các thông tin can biết trước của các nut được cho trong bảng 4.

¬ Mã Thông tin cần biết trước

Loại nút k

SO

` Điện áp.Nut cân băn 1

s Góc pha.

Điện áp.

Nút có điều chỉnh điện ,

Cong suat tac dung MW cua may phat.

Nit P—U) Gidi hạn min max của công suât phan khang

ut P — `

MVar yêu câu.

¬ Phụ tải được nhập là sỐ dương MW và MVar.

Nut tai

0 Giả thiết điện áp ban đầu là 1 đối với trị số điện

áp và 0° đối với góc pha

Bang 4 Loại mã so, thông tin can biét trước của các Húi.

(Nut P — Q)

Nếu không có máy phát hay phụ tải ở một nút nào đó thì coi nút đó như nút phụ tải với

P=Q=0.Bước 3: Tinh toán các dit liệu nut va đường day.

Từ đữ liệu của các tải va DG đấu nối vào các nút, mã số và loại nút ta lập ra mảng dữ liệubusdata Mang dữ liệu nút busdata gồm có 11 cột, bố trí theo trình tự như bảng 5:

M Tải Máy phátXE U |ợ Qn:

l (MW)| (MVar) (MW)| (MVar) (MVar) (MVar) 4

| 2 |3 4 15 6 7 8 9 10 II

Bang 5 Bang busdata

Trong đó, thông tin cua các cột lần lượt là:Cột 1: số thứ tự nút

Cột 2: mã số nút (biểu thị nút cân bang, nút điều chỉnh hay nút tải).Cột 3: điện áp nút tính trong hệ đơn vị tương đối

Cot 4: góc pha điện áp (tính theo độ).

Cột 5 và 6: công suất MW và MVar của phụ tải.Cột 7 đến 10: công suất MW, MVar, MVar min, MVar max của máy phát.Cột 11: công suất kháng MVar của tụ bù ngang

Do công nghệ phát điện khác nhau nên có thể chia các nút có chứa DG thành 2 loại khi

nhập dữ liệu:

Nút chứa DG giao tiếp biến tân:

Do các biên tân noi lưới có khả năng bám theo sự thay đôi vê điện áp, góc pha, tân sôtrong mạng điện đê giữ không đôi công suat P, Q nên các nút có chứa các DG này đượcquy ước là nút tải, nút P — Ợ.

Mã so nút: 0

Cột số 5 của bảng busdata sẽ có giá trị là :

Cột 5 = Pg các DG đấu vao nút đó `” Pp các tai đấu vao nút đóCột số 6 của bảng busdata sẽ có giá trị là :

Cột6= » Q6 các DG đấu ào nút đó — » Qn các tải đấu ào nút đó

Nút chứa DG quay:

Các DG quay là các máy phát quay kiểu truyền thống: máy phát nhiệt điện, máy phátthuỷ điện, các máy phát đồng bộ Các máy phát này hoà đồng bộ trực tiếp vào lưới.Trong một mạng điện, các máy phát quay thường đóng vai trò là máy phát điều hoà côngsuất cho lưới điện Do đó các nút có chứa các DG quay được quy ước là nút có điều chỉnh

điện ap, nút P — U.

Mã số nút: 2Các cột 9 và 10 là 2 giá trị min, max của công suất phản kháng của các máy phát quay.Các giá trị này phụ thuộc vào đặc tính của máy phát và được nhà sản xuất đính kèm trong

bảng lý lịch của máy.

Mang dữ liệu đường dây linedata gồm có 6 cột, bố trí theo trình tự như bang 16

Trong đó, thông tin của các cột lần lượt là:Cột 1 và 2: số thứ tự nút ở hai đầu đường dây.Cột 3 đến cột 5: bao gồm điện trở, cảm kháng và một nửa dung dẫn của đường dây trong

đơn vi tương đôi trên công suât cơ bản S,„„ đã cho.

Cét 6: đầu phân áp được chỉnh định Đối với đường dây nhập số 1 vao cột này Nếu máy

Nút đầu Nút cuối R x 1/2B Nac MBA

(pu) (pu) (pu)

1 2 3 4 5 6

Bang 6 Bang linedata

biến áp không có dau phân áp thì nhập vào cột này số 0, tức đầu phân áp chuẩn

Bước 4: Chạy bộ chương trình và in ra kết quả.Sau khi quy định và tính toán các thông số cần thiết trong 3 bước trên, ta tiến hành nhập

các dữ liệu này vào matlab.Lân lượt khai báo các biên điêu kiện basemva, accuracy, accel, maxiter.

Khai báo ma trận busdata có kích thước n x 11 với n là số nút của mạng điện dang cầnphân tích Các thành phan của ma trận busdata chính là dữ liệu của bảng busdata (bang7.3.2) vừa thiết lập trong bước 3

Khai báo ma trận linedata có kích thước n x 6 với n là số nút của mạng điện đang cầnphân tích Các thành phần của ma trận linedata chính là dữ liệu của bảng linedata (bảng7.3.3) vừa thiết lập trong bước 3

Chạy chương trình lfybus.m bang lệnh gọi “lfybus” để thành lập ma trận tong dẫn thanhcái Ygus Chương trình được viết dé xử lý với cả các đường dây song song

Do phương pháp lặp để tính phân bố công suất được chọn là Newton — Raphson nên

chương trình chính được chọn là lfnewton.m Thi hành chương trình thông qua lệnh“Ifnewton”.

In ra các kết quả cân thiết nhờ 2 chương trình busout.m va lineflow.m thông qua 2 lệnh

“busout” và “lineflow”:

Chương trình busout.m cho phép nhận được kết qua các nút đầu ra dưới dạng bảng cáckết quả nút đầu ra bao gồm giá trị và góc pha điện áp, công suất tác dụng và phản khángcủa phụ tải và máy phát; giá trị công suất tụ bù

Chương trình lineflow.m là chương trình được thiết kế dé hiển thị kết quả tính toán giáitích mạng điện dưới dạng bảng Kết quả thể hiện trong bảng bao gồm dòng công suất tácdụng va phản kháng, tổn thất công suất tác dụng và phản kháng trên các đoạn dây, tính

trong hệ đơn vi có tên, tương ứng la MW va MVar.

3.2.5.3 Ứng dụng của chương trình trào lưu công suất trong việc giải bài toánSau khi thực hiện bài toán trào lưu công suất đối với các thông số vận hành của từng cáthể, ta có thể có được các thông số về dòng trên từng dây và áp trên từng nút sau đó sosánh với các ràng buộc của hệ thống khi vận hành

Việc sử dung bai toán trào lưu công suất giúp chúng ta có thé chắc chắn được rangphương án vận hành hiệu chỉnh có thé áp dụng được trong hệ thống microgrid đang xét

Phan Văn Hoàng Vỹ - 1670528 37 |

3.2.6 Giải thuật giải quyết bài toán với giải thuật PSO và sự kiểm tra

bằng trào lưu công suất

Các bước thực hiện với giải thuật PSO ở giai đoạn 2 không khác gì so với giai đoạn I nên

ta sẽ không dé cap lai Phan khac biét duy nhất là có sự bồ sung bước kiểm tra bang OPFva cau trúc cho timg ca thé, ham chi phí có khác biệt so với bài toán giai đoạn 1, cu thể

Khai báo các thông số liên quan đến hệ thốngKhởi tạo số cá thể N, các thành phần gia tốc c1,c2Khởi tạo dân số cho bầy đàn.

Khởi tạo tốc độ cho các cá thể của đàn.Hiệu chỉnh các chỉ số của từng cá thể để cho các chỉ số đókhông vi phạm các ràng buộc của hệ thống.

Tính toán hàm chỉ phí cho từng cá thể và gán pbest, tìm ragbest của đàn.

condition < Điều kiện hội

stop_condition tu thứ 2 ?

true

falsenhu sau:

Tính toán vận tốc mới cho từng cá thé.Cập nhật vị trí mới của các cá thể.

Hiệu chỉnh các chỉ số để cho chắc chắn không có cá

thể nào vi phạm các ràng buộc vận hành của hệ

Bước 1:

- Khai báo các thông số liên quan đến hệ thông- - Khởi tạo số cá thé N, các thành phần gia tốc cl,c2- - Khởi tạo dân số cho bay dan

- Khdi tạo tốc độ cho các cá thé của dan.- Hiéu chỉnh các chỉ số của từng cá thé dé cho các chỉ số đó không vi phạm các

ràng buộc của hệ thống

- Tinh toán hàm chi phí cho từng cá thé va gan pbest, tìm ra gbest của dan

- condition = 0Bước 2:

- Néu thỏa 1 trong 2 điều kiện dừng của chương trình thi dừng chương trình 2điều kiện bao gồm:

o_ Đạt được số vòng lặp tối đa của chương trình (quy định bởi người chạy

- condition = condition + 1

- Tro về bước 2 dé thực hiện tiếp tục chương trình

Bảng 7 Các bước của giải thuật áp dụng PSO đề giải bài toán đặt ra ở giai đoạn 2Trong chương trình dành cho giai đoạn 2 thì các cá thể chỉ là phương án vận hành thaythế cho phương án vận hành đã hoạch định sẵn tại thời điểm đang xét, như vậy mỗi cá théchỉ là một vector với (m+n+1) phan tử Ta cần tim ra phương án vận hành sao cho hàmchỉ phí nhỏ nhất :

n m

delta, =) dis (PP)? +) 5 * (Ef — Bị)? +p + (Py — Py)?

ii i=1

Hoac :Phan Van Hoang Vỹ - 1670528 39 |