Ứng dụng lý thuyết tập mờ giải quyết bài toán tối ưu hóa bù công suất phản kháng trong lưới phân phối

Vì vậy việc nghiên cứu tổng thể về lưới phân phối hiện nay là rất cần thiết, trong đó nghiên cứu việc bù công suất phản kháng để giảm tổn thất công suất, giảm tổn thất điện năng

Lời cảm ơn

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Phan Đăng Khải- người thầy đã hướng dẫn tôi tận tình, chu đáo và động viên, khích lệ tôi trong quá trình làm làm luận văn Được làm việc với thầy là một vinh dựcho tôi- Thầy đã truyền cho tôi những kinh nghiệm làm việc quý báu.Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo và cán bộ Khoa Điện- Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong những năm học tập vừa qua

Tôi xin cảm ơn Ban Lãnh đạo và các đồng nghiệp của tôi ở Công ty

Cổ phần Tư vấn và Dịch vụ Kỹ thuật điện đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi.Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè- những người luôn động viên tôi trong hai năm học tập và trong thời gian làm luận văn

Lời cảm ơn I Lời cam đoan II Mục lục III Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt V Danh mục các bảng biểu VI Danh mục các hình vẽ và đồ thị VII

Mở đầu 1

Chương I: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT DỰ BÁO NHU CẦU ĐIỆN NĂNG

I.1 Các khái niệm cơ bản

I.2 ý nghĩa và tầm quan trọng của công tác dự báo nhu cầu điện năng

I.3 Cơ sở của lý thuyết của dự báo nhu cầu điện năng Chương II: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ DỰ BÁO NHU CẦU ĐIỆN NĂNG

II.1 Các phương pháp phân tích nhu cầu năng lượng

II.1.1 Phân tích quá trình cân bằng năng lượng theo thời gian

II.1.2 Phân tích các mối quan hệ giữa tiêu thụ năng lượng và các hoạt động kinh tế

II.1.3 Phân tích kinh tế- kỹ thuật

II.2 Các phương pháp dự báo nhu cầu điện năng Error! Bookmark not defined II.2.1 Phương pháp trực tiếp

II.2.2 Phương pháp chuyên gia

II.2.3 Phương pháp ngoại suy theo chuỗi thời gian

II.2.4 Phương pháp san bằng hàm số mũ

II.2.5 Phương pháp đàn hồi kinh tế

II.2.6 Phương pháp cường độ

II.2.7 Phương pháp hồi quy tương quan

II.2.8 Phương pháp MEDEE-S

Chương III: VÀI NÉT VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ- XÃ HỘI VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG ĐIỆN NĂNG CỦA TỈNH THÁI BÌNH

III.1.1 Điều kiện tự nhiên

III.1.2 Điều kiện kinh tế- xã hội

III.1.2.1 Dân số và phân bố dân cư

III.1.2.2 Cơ cấu các ngành kinh tế, hiện trạng một số ngành kinh tế chủ yếu của tỉnh Thái Bình

III.1.2.3 Qui hoạch phát triển kinh tế xã hội của tỉnh Thái Bình giai đoạn 2008-2020

III.2 Tình hình sử dụng điện năng của tỉnh Thái Bình

IV.1 Cơ sở dữ liệu phục vụ công tác dự báo

IV.1.1 Cơ sở dữ liệu chuyên ngành điện lực

IV.1.2 Cơ sở dữ liệu chuyên ngành kinh tế - xã hội

IV.1.3 Cơ sở dữ liệu ngành năng lượng

IV.2 Lựa chọn phương pháp dự báo nhu cầu điện năng tỉnh Thái Bình IV.3 Tính toán dự báo nhu cầu điện năng cho tỉnh Thái Bình từ 2008 đến 2020

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

ViÕt t¾t TiÕng Anh TiÕng ViÖt

Néi dung b¶ng Trang

Nội dung hình vẽ/đồ thị Trang

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Trong thực tế vận hành hệ thống điện, tổn thất điện năng và tổn thấtđiện áp là một điều không thể tránh khỏi Tuy nhiên, để kiểm soát và duy trìcác tổn thất này ở mức tối thiểu, trong giới hạn cho phép nhằm mang lạinhững lợi ích tối đa thì cần phải có sự đầu tư đồng bộ từ cơ sở vật chất, thiết

bị đến quá trình quy hoạch, tính toán thiết kế và vận hành hệ thống điện Vấn

đề giảm tổn thất và nâng cao chất lượng điện năng đã và đang được quan tâmbởi vì chúng là những vấn đề mang tính sống còn đối với ngành Điện Đặcbiệt, nó trở nên quan trọng hơn từ khi nước ta ra nhập WTO và nền kinh tếchịu ảnh hưởng trực tiếp từ các tác động của nền kinh tế thế giới

Theo các thống kê của ngành Điện, tổn thất điện năng chủ yếu ở lướiphân phối, chiếm khoảng ( 6575 )% tổng tổn thất trong hệ thống điện Đểgiảm bớt tổn thất trong lưới phân phối và đảm bảo điện áp lưới trong phạm vicho phép, người ta thường sử dụng các giải pháp kỹ thuật như: cải tạo lưới,thay thế dây dẫn, nâng điện áp, bù công suất phản kháng, v v Trong cácgiải pháp đó, bù công suất phản kháng là một giải pháp với nhiều ưu điểmvượt trội như đơn giản, rẻ tiền, khả thi và hiệu quả cao

Tuy nhiên trong thực tế, vấn đề bù công suất phản kháng trong lướiphân phối lại chưa được quan tâm đúng mức, chưa có những tính toán và đầu

tư thỏa đáng nên hiệu quả mang lại chưa được như mong muốn Lưới phânphối với đặc điểm quy mô rộng lớn và rất phức tạp của các đường dây vàtrạm, phụ tải đa dạng, mang tính ngẫu nhiên cao, biến đổi theo thời gian,v v nên các phương pháp tính toán thông thường gặp nhiều khó khăn để

đưa ra những quy hoạch chính xác cho sự vận hành kinh tế lưới phân phối nóichung và tính toán bù công suất phản kháng nhằm giảm tổn thất và nâng cao

chất lượng điện năng nói riêng Đề tài “ Ứng dụng lý thuyết tập mờ giải quyết bài toán tối ưu hóa bù công suất phản kháng trong lưới phân phối”

ra đời hứa hẹn khả năng mang lại những đóng góp hữu ích cho việc quyhoach, tính toán thiết kế nhằm vận hành lưới phân phối một cách kinh tế nhấtvới lượng giảm chi phí vận hành lớn nhất và chất lượng điện năng cao nhất

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu phương pháp tính toán sử dụng tụ điện tĩnh bù công suấtphản kháng trong lưới phân phối nhằm giảm thiểu tổn thất công suất tác dụng,tổn thất điện năng và tổn thất điện áp trên lưới

3 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:

Xây dựng và giải quyết bài toán tối ưu hóa vị trí và dung lượng của tụđiện bù trong lưới phân phối trên cơ sở ứng dụng lý thuyết tập mờ nhằm mụctiêu cực tiểu hóa chi phí hàng năm với điều kiện điện áp các nút phụ tải nằmtrong phạm vi cho phép

Nghiên cứu sử dụng các công cụ trong phần mềm MATLAB:

- SimPowerSystems để mô phỏng và tính chế độ xác lập của lưới điện,

- FIS Editor để tính toán các biến mờ.

4 Bố cục luận văn:

Tên đề tài: “ Ứng dụng lý thuyết tập mờ giải quyết bài toán tối ưu

hóa bù công suất phản kháng trong lưới phân phối”

Mở đầu

Chương I: Tổng quan về bù công suất phản kháng và các phương pháp

giải bài toán tối ưu hóa bù công suất phản kháng trong lưới phân phối

Chương II: Lý thuyết tập mờ và phạm vi ứng dụng trong tính toán vàđiều khiển hệ thống điện.

Chương III: Ứng dụng lý thuyết tập mờ giải quyết bài toán tối ưu hóa

bù công suất phản kháng trong lưới phân phối

Chương IV: Giải quyết bài toán thực tế: Tối ưu hóa bù công suất phản

kháng trong lưới phân phối Hà Nội

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA BÙ CÔNG SUẤT

PHẢN KHÁNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI.

Chương I đề cập đến một số vấn đề:

- Khái quát một số bài toán tối ưu hóa bù công suất phản khángtrong lưới phân phối

1.1 Lưới phân phối

1.1 Vai trò của lưới phân phối

Lưới phân phối thực hiện nhiệm vụ phân phối điện cho một địaphương (thành phố, quận, huyện …v v), có bán kính cung cấp điện nhỏ( thường dưới 50 km)

Lưới phân phối nhận điện từ các trạm phân phối khu vực, gồm:

kV; 110/6 kV

- Lưới điện có các cấp điện áp 35/22 kV; 35/10 kV; 35/6 kV

Phương thức cung cấp điện của lưới phân phối thường có hai dạng:Phân phối theo một cấp điện áp trung áp và phân phối theo hai cấp điện áptrung áp

1.1.1 Phân phối theo một cấp điện áp trung áp (hình 1.1)

- Trạm nguồn có thể là trạm tăng áp của các nhà máy địaphương hoặc trạm phân phối khu vực có các dạng CA/TA(110/35-22-10-6 kV)

sau đó điện năng được phân phối tới các hộ phụ tải qua mạngđiện hạ áp, có dạng TA/HA (35-22-10-6/0.4 kV)

1.1.2 Phân phối theo hai cấp điện áp trung áp (hình 1.2)

Mạng trung áp

(Trạm nguồn) Trạm phân phối (Hộ phụ tải)Mạng hạ áp

Mạng trung áp Mạng hạ áp

Hình 1.1 Phân phối theo một cấp điện áp trung áp

Mạng phân phối 1 và phân phối 2

Hình 1.2 Phân phối theo hai cấp điện áp trung áp

- Trạm nguồn là trạm tăng áp của các nhà máy điện địa phươnghoặc trạm phân phối khu vực, thường có các dạng CA/TA(110/35 kV) hoặc TA1/TA2 (35/22-10-6 kV).

- Trạm phân phối trung gian có dạng TA1/TA2 (35/22-10-6kV)

Kết cấu lưới phân phối có ảnh hưởng rất lớn tới các chỉ tiêu kinh tế kỹthuật của toàn hệ thống điện như:

- Độ tin cậy cung cấp điện

- Độ dao động điện áp tại các hộ phụ tải

- Tổn thất điện năng: ở lưới phân phối thường có tổn thất điệnnăng gấp 3 tới 4 lần ở lưới truyền tải

- Chi phí đầu tư xây dựng: chi phí đầu tư xây dựng ở lưới phânphối thường từ 1.5 tới 2.5 lần so với lưới truyền tải

ở lưới phân phối thường lớn hơn nhiều lần ở lưới truyền tải

do kết cấu lưới phân phối rất phức tạp

1.2 Đặc điểm chung của lưới phân phối

Lưới phân phối có một số đặc điểm chung như sau:

- Phụ tải của lưới phân phối đa dạng và phức tạp

bình thường của lưới phân phối là vận hành hở

dụng cấu trúc mạch vòng nhưng thường vận hành ở chế độ

hở Trong mạch vòng các đường dây thường được liên kết vớinhau bằng dao cách ly, hoặc máy cắt điện Các thiết bị nàyvận hành ở vị trí mở Khi cần sửa chữa hoặc sự cố thì việccung cấp điện không bị gián đoạn lâu dài nhờ việc chuyển đổiphương thức cung cấp điện.

hơn Tuy nhiên mạch vòng lại tồn tại nhiều vấn đề phức tạp

về bảo vệ rơle và hiệu quả khai thác mạch vòng kín so vớimạch hình tia thấp hơn với cùng lượng vốn đầu tư

thiết bị có công nghệ cao và các thiết bị tự động, việc giảmbán kính cung cấp điện – tăng tiết diện dẫn và bù công suấtphản kháng nên chất lượng điện năng trong mạng hình tia đãđược cải thiện đáng kể Kết quả của các công trình nghiêncứu và thống kê từ thực tế vận hành cho thấy rằng hiện naylưới phân phối hình tia vẫn còn được sử dụng phổ biến

1.3 Đặc điểm của lưới phân phối Việt Nam hiện nay

Do lịch sử phát triển, lưới phân phối Việt Nam hiện nay còn tồn tại rấtnhiều cấp điện áp phân phối như 35, 22, 10, 6 kV làm cho kết cấu lưới rấtphức tạp Phương thức cấp điện hỗn hợp cả hai mô hình một cấp điện áp vàhai cấp điện áp trung áp cũng góp phần tăng thêm độ phức tạp của lưới phânphối Ngoài ra quy hoạch và phát triển lưới điện chưa có được mô hình tổngthể và sự thống nhất Do vậy chất lượng cung cấp điện còn thấp: Độ sụt áp vàcác loại tổn thất lớn, sự cố xảy ra nhiều

Các thiết bị điện, phụ tải điện vận hành trên lưới chưa được quy địnhchặt chẽ về các chỉ tiêu kỹ thuật ( các thông số kỹ thuật, hiệu suất, hệ số công

suất, chế độ làm việc, sóng hài, các chương trình quản lý, …v v ) để đảmbảo chất lượng lưới.

Các đường dây thường có khoảng cách lớn, mang tải lớn vượt quá khảnăng tải của cấp điện áp đang sử dụng

Những đặc điểm nêu trên dẫn tới chất lượng cung cấp điện chưa cao,chất lượng điện năng không đảm bảo: Độ sụt áp lớn, sóng hài cao, tổn thấtlớn, sự cố xảy ra nhiều

Vì vậy việc nghiên cứu tổng thể về lưới phân phối hiện nay là rất cầnthiết, trong đó nghiên cứu việc bù công suất phản kháng để giảm tổn thất côngsuất, giảm tổn thất điện năng, cải thiện điện áp, hệ số công suất, hạn chế cácdao động điện áp lớn và các nhiễu loạn trên lưới điện nhằm cải thiện chấtlượng cung cấp điện và tăng hiệu quả kinh tế, từ đó đưa ra những quy hoạchphát triển chi tiết, tổng thể để đảm bảo và đáp ứng tốt tốc độ tăng trưởng kinh

tế là công việc đang được ngành điện quan tâm

1.2 Công suất phản kháng

1 Khái niệm công suất phản kháng

1.1.1 Công suất phản kháng của điện cảm

Trong mạch điện có tải là điện trở và điện cảm (hình 1.3) được cung cấp bởi điện áp u = U m sint, dòng điện i chậm pha sau so với điện áp u góc 

Trong đó:

i a = I m cos.sint

i r = - I m sin.cost = I m sin.sin(t - /2)

Có thể coi dòng điện i là tổng của hai thành phần:

+ i a có biên độ I m cos cùng pha với điện áp u, được hiểu là thành phần

tác dụng của dòng điện

+ i r có biên độ I m sin chậm pha với điện áp u góc /2, được hiểu là

thành phần phản kháng của dòng điện

Công suất tương ứng với thành phần i a :

P = UIcos gọi là công suất tác dụng, đặc trưng cho cường độ của quá

trình tiêu tán năng lượng

Công suất tương ứng với thành phần i r :



sin

.I U

điện cảm, đặc trưng cho cường độ của quá trình dao động năng lượng giữanguồn với từ trường của điện cảm

Biểu diễn quan hệ P và Q L (hình 1.4):

1.2.2.2 Công suất phản kháng của điện dung

 cos

.I U

QL 

Trong mạch điện có tải là điện trở và điện dung (hình 1.5) được cung cấp bởi điện áp u = U m sint, dòng điện i vượt trước so với điện áp u góc 

Có thể coi dòng điện i là tổng của hai thành phần:

+ i a có biên độ I m cos cùng pha với điện áp u, được hiểu là thành phần

tác dụng của dòng điện

+ i r có biên độ I m sin vượt trước so với điện áp u góc /2, được hiểu là

thành phần phản kháng của dòng điện

Công suất tương ứng với thành phần i a :

P = U.I.cos gọi là công suất tác dụng, đặc trưng cho cường độ của

quá trình tiêu tán năng lượng

 cos

U

QC 

Công suất tương ứng với thành phần i r :

 sin

.I

U

Q C  , (với   0 nên Q C  0) gọi là công suất phản kháng của

tụ điện, đặc trưng cho cường độ của quá trình dao động năng lượng giữanguồn và điện trường của tụ điện

Biểu diễn quan hệ P và Q C (hình 1.6):

Trong mạch điện gồm có cả điện cảm và điện dung, công suất phảnkháng điện dung ngược dấu với công suất phản kháng điện cảm, có tác dụng

giảm bớt công suất phản kháng của mạch điện (Hình 1.7):

từ trường của điện cảm

- Năng lượng điện từ là năng lượng phản kháng dương

- Năng lượng tĩnh điện là năng lượng phản kháng âm

Hình 1.7 Sự giảm CSPK của mạch điện nhờ có Q C

P

2 Các nguồn phát công suất phản kháng

1.1 Máy điện đồng bộ

Trong hệ thống điện, các nguồn công suất phản kháng gồm có: Máyđiện đồng bộ (máy phát điện, máy bù, động cơ đồng bộ), tụ điện tĩnh và cácđường dây tải điện (đường dây có điện áp cao hoặc cáp điện)

Khả năng phát công suất phản kháng của nhà máy điện rất hạn chế docosđm của máy phát thường không được thấp hơn 0.8 Vì lý do kinh tế người

ta hạn chế sử dụng các máy bù đồng bộ và động cơ điện đồng bộ Chúng chỉ

sử dụng trong những trường hợp đặc biệt, không thể thay thế Các máy điệnđồng bộ nói chung chỉ đáp ứng được một phần nhu cầu công suất phản khángcủa phụ tải (chủ yếu tập trung ở phía lưới truyền tải), phần còn lại do các tụđiện tĩnh đảm trách Các tụ điện tĩnh dùng làm nguồn phát công suất phảnkháng có thể được sử dụng ở cả phía lưới truyền tải và lưới phân phối

1.2 Đường dây tải điện

Trong hệ thống điện có thể kể đến một nguồn công suất phản khángnữa đó là các đường dây, nhất là các đường dây siêu cao áp Tuy nhiên, vớilưới phân phối, lưới có điện áp thấp, công suất phản kháng phát ra có sốlượng đáng kể ở các đường cáp có chiều dài lớn

1.3 Tụ điện tĩnh

Trong khuôn khổ của đề tài, tác giả chỉ tập trung đề cập đến nguồncông suất phản kháng trong lưới phân phối được sinh ra từ các tụ điện tĩnhcùng các ưu nhược điểm của nó

Ưu điểm:

- Chi phí tính theo một đơn vị công suất phản kháng (kVAr) ở tụ điện rẻ

hơn máy bù đồng bộ, ưu điểm này càng rõ nét khi lượng công suất phảnkháng phải cung cấp càng lớn

- Tổn thất công suất tác dụng trong tụ điện rất nhỏ, chỉ 2  4 W/kVAr;

trong khi đó máy điện đồng bộ tương đối lớn, khoảng 10  15 W/kVAr tuỳ

theo công suất định mức của máy

- Tụ điện vận hành đơn giản, độ tin cậy cao hơn máy bù đồng bộ

- Tụ điện lắp đặt đơn giản, có thể phân ra nhiều cụm để lắp rải trên lướiphân phối, hiệu quả là cải thiện tốt hơn đường cong phân bổ điện áp Khôngcần người trông nom, vận hành Việc bảo dưỡng sửa chữa đơn giản

Tuy nhiên, với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật điều khiển, côngnghệ chế tạo vật liệu bán dẫn cùng các thiết bị điều khiển, điện tử công suất,người ta đã chế tạo ra các thiết bị bù tĩnh có khả năng khắc phục các nhượcđiểm của tụ điện nhưng giá thành còn khá cao nên chưa được sử dụng phổbiến, đặc biệt ở lưới phân phối

- Để điều chỉnh trơn dung lượng bù người ta dùng bù công suất phản

kháng có điều khiển SVC (Static Var Compensator).

- Để có thể phát hay nhận công suất phản kháng người ta dùng SVC gồm tổ hợp TCR và TSC.

- Để bảo vệ quá áp và kết hợp điều chỉnh tụ bù theo điện áp, người talắp đặt các bộ điều khiển để đóng cắt tụ theo điện áp

1.3 Nhu cầu công suất phản kháng ở một số phụ tải điện

Các phụ tải điện có nhu cầu lớn về công suất phản kháng gồm có: động

cơ không đồng bộ, máy biến áp, trên đường dây tải điện và mọi nơi có từtrường Công suất phản kháng đóng vai trò tạo ra từ trường, yếu tố trung giancần thiết trong quá trình chuyển hoá biến đổi điện năng

Nhu cầu công suất phản kháng của từng phụ tải điện trong tổng nhu cầucông suất phản kháng của hệ thống có thể được phân chia một cách gần đúngtheo tỉ lệ:

- Động cơ không đồng bộ sử dụng từ 60 đến 65% tổng công suất phảnkháng của hệ thống

- Máy biến áp sử dụng từ 22 đến 25% tổng công suất phản kháng của

trường khe hở Từ thông móc vòng từ mạch stato sang mạchrôto qua môi trường khe hở không khí có từ trở lớn nên cần

dòng điện từ hóa lớn dẫn đến nhu cầu công suất phản khánglớn.

mạch sơ cấp Từ trường tản không đóng vai trò gì trong quátrình chuyển hóa năng lượng

Công suất phản kháng tiêu thụ bởi máy biến áp gồm hai thành phần:

thuộc vào tải

- Công suất phản kháng tạo ra từ trường tản, phụ thuộc vào tải

1.3 Đèn huỳnh quang

Đa số các đèn huỳnh quang vận hành cần có một chấn lưu điện từ đểtạo điện áp mồi ban đầu cho đèn và hạn chế dòng điện trong quá trình đèn làmviệc bình thường Với cấu tạo là cuộn dây – lõi thép, chấn lưu điện từ cần sửdụng một lượng công suất phản kháng để từ hóa lõi thép, tạo ra từ trường biếnthiên Tuỳ theo điện cảm của chấn lưu, hệ số công suất chưa được hiệu chỉnhcủa chấn lưu vào khoảng 0,5

1.4 Bù công suất phản kháng cho phụ tải

1.1 Bù công suất phản kháng

Các phụ tải dân dụng và công nghiệp phần lớn là có tính cảm kháng,điện áp vượt trước dòng điện Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện cànglớn thì hệ số công suất cos  của lưới điện càng nhỏ

Bù công suất phản kháng có mục tiêu là giảm bớt góc lệch pha giữadòng điện và điện áp Với cùng một công suất tác dụng cung cấp cho phụ tải,khi hệ số công suấtcos  càng thấp dẫn đến công suất phản kháng truyền tảitrên đường dây để cung cấp cho phụ tải càng lớn, tạo ra tổn thất công suất tácdụng và tổn thất năng lượng càng cao

Bù công suất phản kháng có nghĩa là sử dụng các thiết bị có khả năngphát công suất phản kháng đặt ở phía tải để đáp ứng trực tiếp nhu cầu côngsuất phản kháng của phụ tải

Trong lưới phân phối chủ yếu sử dụng tụ điện tĩnh mắc song song vớicác phụ tải sử dụng công suất phản kháng (còn được gọi là các tụ bù ngang).Công suất phản kháng phát ra từ các tụ điện tĩnh này sẽ cung cấp trực tiếp chocác phụ tải, tránh phải truyền tải đi xa, gây ra nhiều tổn thất trong quá trìnhtruyền tải

Xét mạng điện với phụ tải P  jQ (Hình 1.8)

Tổn thất công suất tác dụng (P) và công suất phản kháng (Q) trênđường dây với tổng trở R  jX được xác định một cách gần đúng:

X U

Q P Q

R U

Q P P

2

2 2 2

2 2

Sử dụng tụ điện tĩnh đặt ở phía tải, lượng công suất phản kháng do tụđiện phát ra la là Qbù thì công suất phản kháng cần truyền tải trên đường dâychỉ còn là (Q-Qbù) (Hình 1.9)

Tương tự, tổn thất công suất tác dụng và công suất phản kháng trênđường dây sau khi đặt tụ bù đã được xác định:

X U

Q Q P Q

R U

Q Q P P

2

2 2

2

2 2

) (

) (

Q Q ( R P

 và tổn thất điện áp U đã giảm đi so với khi chưa có tụ bù

1.2 Các lợi ích khi thực hiện bù công suất phản kháng:

- Giảm được công suất tác dụng yêu cầu ở chế độ max (côngsuất đỉnh) của hệ thống điện, do giảm được tổn thất công suấttác dụng trong quá trình truyền tải Vì vậy, dự trữ công suấttác dụng giảm đi và độ tin cậy của hệ thống điện tăng lên.

trung áp do giảm lượng công suất phản kháng phải truyền tải.Hiệu quả mang lại cho ngành Điện rất lớn, đó khả năng trìhoãn việc cải tạo lưới, nâng dung lượng máy biến áp, tăng tiếtdiện dây dẫn dẫn đến giảm nhẹ áp lực về vốn đầu tư

- Cải thiện chất lượng điện áp cung cấp cho các phụ tải

- Cải thiện hệ số công suất

1.5 Khái quát một số bài toán tối ưu hóa bù công suất phản kháng trong

lưới phân phối

1.1 Bài toán xác định vị trí tụ bù trong lưới phân phối sử dụng thuật toán mờ

Trong những năm gần đây đã có nhiều công trình nghiên cứu xác định

vị trí tối ưu tụ bù trong lưới phân phối sử dụng thuật toán mờ (gọi tắt làphương pháp mờ) Tiêu biểu cho phương pháp sử dụng thuật toán mờ là cáccông trình nghiên cứu của Hong-Chan Chin, Whei-Min Lin [9] và M.M.A.Salama, A.Y Chikhani [10]

Chin và Lin đã mô hình hóa bài toán với:

C j

C j loss

K

Với:

P

K - giá của một đơn vị công suất tổn thất (USD/kW/năm)

k , , 2 ,

loss R V V y

đường dây nối giữa nút i và nút i+1

1

1 y

i V

V  - giá trị hiệu dụng của điện áp giữa hai nút i+1 và nút i,

được xác định từ mạch điện ở chế độ xác lập

1 i 1

min V V

Với:

m , , 2

K E

K

S  E  LOSS  P  LOSS  C

LOSS

P

tự như P LOSS trong phương pháp của Chin và Lin

K - giá của 1 đơn vị dung lượng bù

Ràng buộc: giống như phương pháp của Chin và Lin

max i

min V V

Trình tự thực hiện bài toán ở 2 phương pháp đều có những điểm chung

cơ bản:

điện áp các nút và tổn thất công suất tác dụng của lưới

- Xác định các hàm thuộc cho các biến vào và biến ra

- Xác định các nút thích hợp để lắp đặt tụ bù và sắp xếp theo độthích hợp giảm dần

- Xác định dung lượng bù tối ưu tại các nút thích hợp theo tiêu

chí tối thiểu hóa hàm chi phí (1.5) hoặc tối đa hóa hàm tiết

kiệm (1.7)

- Lắp đặt dung lượng bù tối ưu tại các vị trí thích hợp và tínhtoán chế độ xác lập để đảm bảo điện áp các nút lưới không viphạm ràng buộc điện áp

Điểm khác nhau cơ bản của hai phương pháp trên là cách lựa chọn cáctập mờ của các biến vào và biến ra, các hàm thuộc của chúng, cùng với các ưu

nhược điểm của từng phương pháp (sẽ được tác giả phân tính kỹ ở mục

3.4.2.2 sau khi đã đề cập tới lý thuyết tập mờ).

Ưu điểm của phương pháp sử dụng thuật toán mờ:

- Không yêu cầu cao các thủ tục tối ưu hóa phức tạp

hoặc không thể định lượng hoặc biến đổi không theo quy luật.Nhược điểm của phương pháp sử dụng thuật toán mờ:

- Có thể xảy ra khả năng lời giải bị “bẫy” tại các cực trị địaphương

hóa bù công suất phản kháng tổng quát, cần phải sử dụng cácgiả thiết đơn giản hóa như: Tải 3 pha đối xứng, tải không đổitheo thời gian, hệ số công suất tải không đổi, bỏ qua sóng hàibậc cao của dòng điện, v v

1.2 Bài toán xác định vị trí của tụ bù trong lưới phân phối sử dụng phương pháp tìm kiếm thực nghiệm

Phương pháp giải quyết bài toán xác định vị trí của tụ bù trong lướiphân phối sử dụng phương pháp tìm kiếm thực nghiệm được M Chis,M.M.A Salama và S Jayaram đưa ra [8] Lưu đồ thuật toán được đưa ra

(hình 1.10).

Những điểm khác biệt nổi bật của phương pháp này so với các phương

pháp sử dụng thuật toán mờ là ở hàm mục tiêu và phương pháp xác định nút

i C Ci Ci E

P LP K LE K ( Q ) Q K

K , K E, K C - tương ứng là các hệ số quy đổi lượng giảm tổn thất

công suất, lượng giảm năng lượng tổn thất và dung lượng bù ra tiền mặt

LP, LE - tương ứng là lượng giảm tổn thất công suất và lượng giảm

năng lượng tổn thất

Hàm mục tiêu S được xác định trong điều kiện tải thay đổi theo các

khoảng thời gian trong ngày:

00 24 00 16 : T

00 16 00 08 : T

00 08 00 00 : T 3 2 1







Trong mỗi khoảng thời gian trên, hệ số tải được coi là không đổi Với

nút bất kỳ k, hệ số tải sẽ là F LD ( k , 1 ), F LD ( k , 2 ) và F LD ( k , 3 ) tương ứng với

các khoảng thời gian T 1, T 2, T 3 Hàm mục tiêu khi thực hiện bù nút k được

xác định:

ck ) ck C

A bus

LD rm

A bus n

1 m

LD rm

A bus n

1 m

LD rm

A bus ck

E

A bus

2 ck n

1 m

ck rm

A bus P

k

Q Q ( K ) k , k ( R

m , k ( R )

2 , m ( F I ).

m , k ( R )

1 , m ( F I ).

m , k ( R I

m , k ( R

Phương pháp xác định nút thích hợp để đặt tụ bù:

Tổn thất công suất tác dụng gây ra bởi thành phần phản kháng của dòngđiện tải được xác định:

) k , k ( R I I I ).

m , k ( R 2

bus

2 ck n

1

A bus

n - số lượng nút của toàn bộ lưới.

Nút mà tại đó, thành phần phản kháng của dòng điện tải có ảnh hưởnglớn nhất tới tổn thất công suất tác dụng của lưới, tức là nút có k

sử dụng thuật toán mờ Tuy nhiên, vẫn cần thiết phải sử dụng một số giả thiếtđơn giản hóa như tải 3 pha đối xứng, hệ số tải không thay đổi, bỏ qua cácsóng hài bậc cao trong các khoảng thời gian tính toán Phương pháp tỏ ra

thích hợp với các tính toán để điều khiển trực tuyến bù công suất phản khángcho lưới phân phối Tuy nhiên mô hình điều khiển trực tuyến dung lượng bù ởlưới phân phối chưa thích hợp với lưới phân phối ở Việt Nam hiện nay.

1.3 Bài toán xác định ví trí tụ bù tối ưu trong lưới phân phối sử dụng thuật toán di truyền – mờ

Bài toán xác định vị trí tụ bù tối ưu trong lưới phân phối sử dụng thuậttoán di truyền – mờ được nêu bởi M Damodar Reddy và V.C Veera Reddy[13] có một số điểm tương tự về hàm mục tiêu, ràng buộc và phương pháp

Bắt đầu

Xác định nút có thành phần I r gây ra tổn thất CS lớn

nhất

Tiết kiệm giảm

Vi phạm ràng buộc điện áp

kÕ tiÕp

xác định các nút thích hợp để đặt tụ bù so với bài toán của Chin và Lin đã

được đề cập tới ở mục 1.5.1.

Hàm mục tiêu:

C C E E

min V V

Phương pháp xác định các nút thích hợp để đặt tụ bù:

Sử dụng thuật toán mờ để xác định các nút thích hợp đặt tụ bù như Chin

và Lin nhưng Reddy lại sử dụng các biến vào: chỉ số tổn thất công suất tác

dụng (PLI) và điện áp nút; biến ra chỉ số thích hợp đặt tụ bù (CSI)với các hàm

thuộc có dạng hình tam giác và hình thang chuẩn kiểu Mamdani

Điểm khác cơ bản so với Chin và Lin là phương pháp xác định dunglượng bù tối ưu tại các nút thích hợp đã lựa chọn sử dụng thuật toán di truyền,

được khái quát bởi lưu đồ thuật toán (hình 1.11 )

1.4 Nhận xột:

Tham khảo cỏc bài toỏn tối ưu húa đó nờu trờn, tỏc giả nhận thấyphương phỏp giải quyết bài toỏn tối ưu húa bự cụng suất phản khỏng sử dụngphương phỏp mờ tỏ ra phự hợp hơn cả, do thủ tục tớnh toỏn đơn giản, khả thi,

dễ dàng trong sử dụng, thời gian tớnh toỏn nhanh nhanh chúng, kết quả đỏngtin cậy, đặc biệt cú thể dễ dàng thực hiện với sự hỗ trợ của mỏy tớnh cỏ nhõn

và rất phự hợp với mụ hỡnh tớnh toỏn quy hoạch, thiết kế và vận hành lướiphõn phối của Việt Nam núi chung và Hà nội núi riờng

Khởi tạo giỏ trị ban đầu

Thay thế thế hệ cũ bằng thế hệ mới

Hội tụ?

Dừng

Đúng Sai

Hình 1.11 L u đồ thuật toán di truyền

Kết hợp Sinh sản

điều khiển hệ thống điện

2.1 Những vấn đề cơ bản về lý thuyết tập mờ:

1.1 Tập hợp kinh điển.

1.1.1 Khái niệm

Khái niệm về tập hợp được hình thành trên nền tảng logic và được

G.Cantor định nghĩa như là một sự xếp đặt chung lại các vật, các đối tượng có

cùng chung một tính chất, được gọi là phần tử của tập hợp đó Theo ý nghĩa

logic của khái niệm tập hợp, một vật hoặc một đối tượng bất kỳ chỉ có thể có

hai khả năng:

- Hoặc không là phần tử của tập hợp đang xét.

Cho một tập hợp A, Trong đó:

- Phần tử x thuộc tập hợp A được ký hiệu là x  A

- Phần tử x không thuộc tập hợp A được ký hiệu là: x  A

Một tập hợp không có một phần tử nào được gọi là tập rỗng Tập rỗngđược ký hiệu bằng 

1.1.2 Cách biểu diễn tập hợp

- Liệt kê các phần tử của tập hợp: Cách biểu diễn này dễ thực

hiện với những tập hợp đơn giản, ví dụ:

A 1 = {1, 2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19}, hoặc

A 2 = {cây, đường, nhà, ô tô, xe máy}

Cách này thường gặp khó khăn khi biểu diễn các tập hợp cónhiều phần tử (hoặc vô số các phần tử)

- Biểu diễn thông qua tính chất tổng quát của các phần tử:

Phần tử x  A khi và chỉ khi nó thoả mãn tính chất tổng quát này, ví

tử của B thì tập A được gọi là tập con của B và ký hiệu bằng A  B Ngoài ra nếu như còn được biết thêm rằng trong B có ít nhất một phần tử không thuộc A thì A được gọi là tập con thực của B và ký hiệu bằng A  B.

Hai tập hợp A và B cùng đồng thời thoả mãn A  B và A  B thì được nói là chúng bằng nhau và ký hiệu A = B Với hai tập hợp

bằng nhau, mọi phần tử của tập này cũng là phần tử của tập kia vàngược lại.

- Cho một tập hợp A ánh xạ  A được gọi là hàm thuộc của tập A

A  R và được định nghĩa:

Như vậy A (x) chỉ nhận hai giá trị hoặc bằng 1 hoặc bằng 0:

Giá trị 1 và 0 của A (x) tương ứng là các giá trị đúng và giá trị sai

Một tập X luôn có:  X (x) = 1, với mọi x được gọi là không gian nền (tập nền).

Một tập A có dạng: A = {x X x thoả mãn một số tính chất

nào đó} thì được nói là có tập nền X, hay được định nghĩa trên tập

nền X

Ví dụ tập A = {x R 1 < x < 5} có tập nền là tập số thực R Theo khái niệm tập nền thì hàm thuộc  A của tập A có nền X

sẽ được hiểu là ánh xạ A : X  {0,1} từ X vào tập {0, 1} gồm hai

phần tử 0 và 1

Người ta đã chứng minh được A  B khi và chỉ khi:

A (x)   B (x), tức là A  B   A (x)   B (x).

hợp, giao, hiệu và phép bù có các tính chất sau:

Hiệu của hai tập hợp: Hiệu của hai tập hợp A, B có cùng một

không gian nền X cũng là một tập hợp, có ký hiệu A\B, được định nghĩa trên tập nền X, gồm các phần tử của A mà không thuộc B.

Hàm thuộc A\B (x) của hiệu A\B nhận giá trị đúng ( A\B (x) = 1) khi

xA ( A (x) = 1) và xB ( B (x) = 0) Với các trường hợp khác nó

nhận giá trị sai, hay (A\B (x) = 0) Do vậy:

A\B (x) =  A (x) -  A (x) B (x) (2.2)

Giao của hai tập hợp: Giao (hay còn gọi là phép hội các hàm

thuộc) của hai tập hợp A, B có cùng một không gian nền X cũng là

một tập hợp, có ký hiệu AB, được định nghĩa trên tập nền X, gồm các phần tử vừa thuộc A và vừa thuộc B Hàm thuộc  AB (x) của tập

AB nhận giá trị đúng ( AB (x) = 1) khi xA ( A (x) = 1) và xB

Bù của một tập hợp: Bù của một tập hợp A có không gian nền

X, ký hiệu bằng A C , là một tập hợp gồm các phần tử của X không thuộc A Phép bù là một phép toán trên tập hợp có giá trị đúng (

1 ) (x 

C

A

 )nếu xA và sai (A C(x)  0)nếu xA Do đó:

) ( 1 )

1.2 Tập mờ

Hàm thuộc A (x) định nghĩa trên tập A (Hình 2.1), trong khái niệm tập

hợp kinh điển chỉ nhận hai giá trị A (x) = 1 (nếu xA) hoặc  A (x) = 0 (nếu

xA)

Trong lý thuyết tập hợp kinh điển, hàm thuộc hoàn toàn tương đương

với định nghĩa một tập hợp Từ định nghĩa về một tập hợp A bất kỳ ta có thể

xác định được hàm thuộc A (x) cho tập đó và ngược lại từ hàm thuộc  A (x)

của tập A cũng hoàn toàn suy ra được định nghĩa cho A.

Khác với tập kinh điển A, từ định nghĩa của tập mờ B (Hình 2.2)không

suy ra được hàm phụ thuộc B (x) của chúng Hơn thế nữa hàm thuộc  B (x) ở

đây lại giữ một vai trò “làm rõ định nghĩa” cho tập mờ B đó Do đó nó phải

được nêu lên như là một điều kiện trong định nghĩa về tập mờ

Với tập mờ B, hàm thuộc  B (x) không còn là hàm hai giá trị như đối với



x m



x m

1

Hình 2.2 Tập mờ

Hoặc có thể viết:

0   B (x)  1

1.1.1 Định nghĩa tập mờ Tập mờ F xác định trên tập kinh điển X là một tập mà mỗi phần tử của

- Tính trực tiếp nếu F (x) cho trước dưới dạng công thức

- Tra bảng (nếu F (x) cho dưới dạng bảng.

1.1.2 Độ cao, miền xác định và miền tin cậy của tập mờ

Thường gặp các hàm thuộc đều có độ cao bằng 1, có nghĩa là các tập

mờ đó đều có ít nhất một phần tử với độ phụ thuộc bằng 1 Trong thực tếkhông phải tập mờ nào cũng có phần tử có độ phụ thuộc bằng 1, tương ứngvới điều đó thì không phải mọi hàm thuộc đều có độ cao là 1

- Độ cao của một tập mờ F (định nghĩa trên tập nền X) là giá trị

)

(x sup

X x





giá trị chặn trên của hàm F (x)

- Miền xác định của tập mờ F (định nghĩa trên nền X), được ký

hiệu bởi S là tập con của M thoả mãn

S = supp  F (x) = {xX  F (x) > 0} (2.9)

Ký hiệu supp  F (x) là tập con trong X chứa các phần tử x mà

tại đó hàm F (x) có giá trị dương.

- Miền tin cậy của tập mờ F (định nghĩa trên nền X), được ký

hiệu bởi T, là tập con của M thoả mãn

1.3 Các phép toán trên tập mờ

Những phép toán cơ bản trên tập mờ gồm có phép hợp, phép giao và

phép bù Do trong định nghĩa về tập mờ hàm thuộc giữ vai trò như một thành

phần cấu thành tập mờ, chúng được sử dụng như những tiền đề để xây dựngphép hợp trên tập mờ Các phép toán trên tập mờ cũng được định nghĩa thông

qua các hàm thuộc, được xây dựng tương tự như các hàm thuộc của các phép

hợp, phép giao và phép bù như tập kinh điển Xây dựng những phép toán trên

tập mờ chính là việc xác định các hàm thuộc cho các phép hợp (tuyển) AB,

giao AB, bù (phủ định) A C … từ những tập mờ A, B.

Dù không giống những tập hợp kinh điển, hàm thuộc của các tập mờ hợp

AB, giao AB, bù A C được định nghĩa cùng với tập mờ, song sẽ không mâuthuẫn với các phép toán tương tự của tập hợp kinh điển nếu như chúng thoảmãn những tính chất tổng quát được phát hiểu như “tiền đề” của lý thuyết tập

hợp kinh điển Đó là các “tiền đề” cho phép hợp AB, giao AB, bù A C như

đã trình bày ở 2.1.1.

1.1.1 Phép hợp hai tập mờ