Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn điện phân tán đến giá điện tại nút trong lưới điện phân phối

Bài báo tập trung nghiên cứu mô phỏng bài toán tính giá điện tại nút trong trường hợp có nguồn điện phân tán (DG) và không có DG để xét ảnh hưởng của DG đối với giá nút. Kết quả mô phỏng cho thấy: Khi đưa DG vào mạng phân phối thì cho kết quả giá thành hiệu quả hơn và đồng thời tổn thất trong mạng điện giảm. Giá điện trong thị trường điện cạnh tranh không chỉ phụ thuộc vào không gian mà còn phụ thuộc theo thời gian; và giá điện có khả năng điều tiết phụ tải, điều chỉnh hành vi của các bên tham gia thị trường nhằm đảm bảo an ninh hệ thống.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN ĐẾN GIÁ ĐIỆN TẠI NÚT TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI A RESEARCH ON IMPACTS OF DISTRIBUTED GENERATION TO THE TARIFFS IN DISTRIBUTION NETWORKS Phạm Ngọc Hùng Trường Đại học Điện lực Tóm tắt: Bài báo tập trung nghiên cứu mô tốn tính giá điện nút trường hợp có nguồn điện phân tán (DG) khơng có DG để xét ảnh hưởng DG giá nút Kết mô cho thấy: đưa DG vào mạng phân phối cho kết giá thành hiệu đồng thời tổn thất mạng điện giảm Giá điện thị trường điện cạnh tranh không phụ thuộc vào khơng gian mà phụ thuộc theo thời gian; giá điện có khả điều tiết phụ tải, điều chỉnh hành vi bên tham gia thị trường nhằm đảm bảo an ninh hệ thống Kết mơ giúp nguồn phát DG có thêm thông tin thị trường để đưa chiến lược chào giá thành cơng Từ khóa: Nguồn điện phân tán, giá điện, nút, điểm lagrang Abstract: The article focuses on a simulation study in tariff calculation with or without distributed generation (DG) to consider the impacts of DG on tariffs The simulation results show that with DG in the distribution networks, tariffs are more efficient and simultaneously power losses are reduced in the network Tariffs in a competitive electricity market depend not only on space but also on time; and likely to regulate loads and adjust the behavior of market participants in order to ensure system security The simulation results help DG sources provide further information to offer a successful bidding strategy Keywords: Distributed generation, tariffs, node, Lagrangian point GIỚI THIỆU1 Trong thực tế vận hành, nguồn điện phân tán (Distributed generation - DG) Ngày nhận bài: 7/9/14; Ngày chấp nhận: 04/11/14; Phản biện: PGS.TS Phạm Văn Hòa SỐ - 2015 mang lại số lợi ích kinh tế, mà mang lại số lợi ích mặt kỹ thuật, chẳng hạn làm giảm tổn thất công suất, tăng độ tin cậy, tăng cơng suất dự phòng cho hệ thống… Thêm vào đó, với số máy phát DG tự điều chỉnh, TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) đưa chi phí thấp vào hệ thống không cần phải xây dựng cơng suất dự phòng cho nhiều năm, có khả nâng cao chất lượng điện đến khách hàng cách giảm thiểu thời gian ngừng cung cấp điện đến khách hàng cố điện tăng khả đáp ứng công suất cho hệ thống thiếu điện Do đó, với mạng điện có lắp đặt DG việc xây dựng chế giá nút mang lại môt hiệu kinh tế Việc nghiên cứu DG ảnh hưởng DG giá điện nút có ý nghĩa thực tiễn cao Bài báo tập trung nghiên cứu mô cho tốn tính giá nút trường hợp có DG khơng có DG để xét ảnh hưởng DG giá nút Kết mô cho thấy: đưa DG vào mạng phân phối cho tín hiệu giá hiệu đồng thời tổn thất mạng điện giảm Giá điện thị trường điện cạnh tranh không phụ thuộc vào không gian mà phụ thuộc theo thời gian; giá điện có khả điều tiết phụ tải, điều chỉnh hành vi bên tham gia thị trường nhằm đảm bảo an ninh hệ thống Kết mô giúp nguồn phát DG có thêm thơng tin thị trường để đưa chiến lược chào giá thành công PHƯƠNG PHÁP LUẬN 2.1 Giá điện nút [1] Theo ý nghĩa thị trường, giá thành sản xuất điện toàn chi phí tiền nhà máy điện bỏ trình sản xuất tiêu thụ sản phẩm điện Thơng thường giá thành tính theo yếu tố chi phí sản xuất tính theo khoản mục chi phí Mỗi nhà máy điện 10 có chi phí sản xuất điện gồm chi phí cố định chi phí biến đổi khác Dựa chi phí sản xuất điện nhà máy, người ta xây dựng kế hoạch huy động phát nhà máy điện hệ thống Giá nút phân tích theo thay đổi thành phần phù hợp với nhân tố liên quan, phát điện, khả truyền tải, giới hạn điện áp ràng buộc khác Thông tin đầy đủ cho giá nút cải tiến hiệu sử dụng lưới điện, khả phân bố cơng suất mà để thiết kế cấu trúc giá hợp lý hệ thống điện, hay để đưa tín hiệu kinh tế cho việc đầu tư phát triển nguồn lưới điện [2] Giá nút phương pháp xác định giá cung cấp cho thị trường, tính tốn cho vị trí lưới truyền tải Mỗi nút tương ứng với vị trí vật lý hệ thống truyền tải cơng suất đưa vào máy phát lấy tải Giá nút tương ứng với giá điện theo vị trí, bao gồm chi phí sản xuất điện, chi phí phân phối ràng buộc [3] Với lưới điện phân phối có n nút, đặc trưng cho nút công suất tác dụng P công suất phản kháng Q P = (p1…pn) Q = (q1…qn) pk, qk tương ứng công suất tác dụng công suất phản kháng yêu cầu nút thứ k Nếu gọi biến vận hành hệ thống điện X = (X1… Xn), phần thực phần ảo điện áp nút (độ lớn điện áp góc pha nó) tốn vận hành hệ thống điện với tải cho trước (P, Q) xem SỐ - 2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) toán tối ưu dòng cơng suất OPF (Optimal Power Flow) [4] Min f(X, P, Q) for X (1) G(X, P, Q) = (2) H(X, P, Q) ≤ (3) Trong đó: G(X) = (g1(X, P, Q)…, gn1(X,P,Q))T Và H(x) = (h1(X,P, Q)),…, hn2(X,P,Q))T có n1 n2 phương trình tương ứng f(X,P,Q): hàm mục tiêu diễn tả chi phí vận hành ngắn hạn; G(X,P,Q): đại lượng vector, ràng buộc cân (cân công suất nút); H(X,P,Q): đại lượng vector, ràng buộc không cân bằng; X: vectơ giá trị điều khiển giá trị ổn định (điện áp nút góc pha nút tải) 2.2 Hàm mục tiêu f: hàm chi phí nhiên liệu hệ thống, biến thiên theo hàm số f(X,P,Q) = fi(X,P,Q) = (ai + bipgi + cip2gi); $/h (4) fi: chi phí nhiên liệu máy phát thứ i; với: n: số tổ máy phát; i =1, 2, 3…n pgi: công suất tác dụng máy phát thứ i; ai, bi, ci: hệ số chi phí máy phát thứ i 2.3 Các ràng buộc cân Các ràng buộc cân g(x) phân bố công suất tối ưu đưa cho ràng buộc cân công suất, mà tổng công suất máy phát phải đáp ứng tồn tổng cơng suất nút tải tổn thất công suất: Pi  Pgi  Pdi n Mục tiêu để giải tốn phân bố tối ưu công suất xác định biến điều khiển biến trạng thái hệ thống mà tối ưu giá trị hàm mục tiêu Lựa chọn hàm mục tiêu hàm mục tiêu dựa phân tích thận trọng yếu tố an toàn vận hành kinh tế hệ thống Hàm mục tiêu phân bố công suất tối ưu phản ảnh chi phí liên kết với cơng suất phát hệ thống Mơ hình bình phí dùng cho hàm mục tiêu Hàm mục tiêu cho tồn hệ thống viết tổng cộng mơ hình bình phí máy phát [5] SỐ - 2015   U U G i j ij cos  ij  B ij sin  ij  (5) ij sin  ij  B ij cos  ij  (6) j 1 Q i  Q gi  Q di n   U U G i j j 1 Trong đó: i =1, 2, 3…n; ij = i - j: góc lệch pha điện áp nút Pgi, Qgi: công suất tác dụng công suất phản kháng đưa vào nút i; Pdi, Qdi: công suất tác dụng công suất phản kháng yêu cầu nút i; Gij, Bij: điện dẫn dung dẫn (i,j) thành phần ma trận tổng dẫn 11 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 2.4 Các ràng buộc không cân L(X, , , P, Q) = f(X, P, Q) Giới hạn giới hạn công suất tác dụng công suất kháng máy phát + λG(X, P, Q) + H(X, P, Q) Với λ = (λ1,… λn1)  = (1, …n1) hệ số nhân tử Lagrangian Như vậy: Pgi,min ≤ Pgi ≤ Pgi,max Qgi,min ≤ Qgi ≤ Qgi,max Giới hạn dòng cơng suất Pij đường dây ij phải thỏa mãn: Pij ≤ Pijmax Pij = -GijU2i + GijUiUjcos(i - j) + Bij UiUjsin(i - j) Giới hạn giới hạn tỉ số biến áp (t) dịch pha () máy biến áp tij,min ≤ tij ≤ tij,max λG(X, P, Q) = λigi(X, P, Q) H(X, P, Q) = ihi(X, P, Q); i = 1…n1 Ở điểm tối ưu (X, λ, ) với công suất (P,Q) giá nút công suất P,Q nút từ k=1,…,n biểu diễn sau:  p ,k  Uij,min ≤ Uij ≤ Uij,max HÀM TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG Trong báo tác giả chọn phương pháp hàm Lagrangian để giải tốn tối ưu phân bố cơng suất trước hình thành giá điện nút Nhược điểm phương pháp khối lượng tính tốn lớn Tuy nhiên với tốc độ máy tính nhược điểm bỏ qua Ưu điểm phương pháp đưa ràng buộc vào hệ phương trình cách dễ dàng, đơn giản tính tốn Hàm Lagrangian L định nghĩa là: 12  L ( X ,  ,  , P , Q ) p k f G H   p k p k p k  q ,k  ij,min ≤ ij ≤ ij,max Giới hạn giới hạn điện áp nút  (7 ) L ( X ,  ,  , P , Q ) q k f G H   q k q k q k (8 ) Trong đó: πp,k πq,k giá nút tương ứng công suất P, Q nút thứ k; πp,i - πp,j πq,i - πq,j chi phí chuyển dịch cơng suất P,Q từ nút j tới i Tóm lại: Giá cơng suất tác dụng công suất phản kháng hàm phụ thuộc vào biến số vận hành hệ thống, hệ số nhân tử Lagrangian ứng với ràng buộc cân không cân bằng, công suất tác dụng P, cơng suất phản kháng Q Vì biến số thay đổi giá nút thay đổi Trong báo tác giả sử dụng phần mềm Matlab để giải toán tối ưu cơng suất, sở xây dựng chương trình xác định giá điện nút hệ thống điện Một số hàm SỐ - 2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) viết sẵn Matlab sử dụng báo tập hợp số file Matpower giá trị: gen_bus, pg, qg, qmax, qmin, vg, mbase, gen_status, pmax, pmin, mu_pmax, mu_pmin, mu_qmax, mu_qmin, pc1, pc2, qc1max, qc2min, qc2max, ramp_agc, ramp_10, ramp_30, ramp_q, apf Một số file.M Matpower Runopf: chạy chương trình tối ưu phân bố cơng suất dựa số liệu đầu vào Ngồi kết cho biết giá trị hàm mục tiêu, thời gian thực chương trình cho biết chương trình có hội tụ hay không Makesbus: Xây dựng vector ma trận phức Sbus = makeSbus(baseMVA, bus, gen) Makeybus: xây dựng ma trận tổng dẫn nút ma trận tổng dẫn nhánh [Ybus, Yf, Yt]=make Ybus (make MVA, bus, branch) Idx_branch: Định nghĩa số ma trận nhánh Hàm “idx_branch” trả giá trị: f_bus, t_bus, br_r, br_b, rate_a, rate_b, rate_c, tap, shift, br_status Trên tảng file.M Matpower, tác giả thực chạy chương trình tính tốn giá điện nút phân tích ảnh hưởng DG giá nút mạng phân phối 23 nút Idx_bus: Định nghĩa cho số ma trận nút Hàm “idx_bus” trả giá trị:pq, pv, ref, none, bus_i, bus_type, pd, gs, bs, vm, va, base_kv, vmax, vmin, lam_p, lam_q THƠNG SỐ ĐẦU VÀO BÀI TỐN Giả sử nguồn DG có sẵn ln ln hoạt động lưới Khảo sát giá nút với thời điểm tải có DG khơng có DG Với mạng điện 23 nút hình 1, đồ thị phụ tải 24 bậc mạng 23 nút cho hình [6, 7] Idx_cost: Định nghĩa số cho ma trận chi phí Hàm “idx_cost” trả giá trị: pw_linear, polynomial, model, startup, shutdown, ncost, cost Idx_gen: Định nghĩa số cho ma trận máy phát Hàm “idx_gen” trả Bảng Dữ liệu máy phát Bus Pg Qg Qmax Qmin Vg mBase Status Pmax Pmin 0 50 1.06 100 110 5 1.06 100 Bảng Dữ liệu hàm chi phí máy phát DG Bậc đa thức Số hệ số Chi phí khởi động Chi phí tắt C2 C1 C0 0 0.185 600 0 0.1225 335 SỐ - 2015 13 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 20 19 18 Khi khơng có DG: P = 0.046MW); 17 Q = 0.08(MVAR) 10 11 12 21 22 23 Khi có DG: P = 0.012(MW); Q = 0.02(MVAR) 13 14 15 16 Hình Sơ đồ mạng điện 23 nút Nhận xét kết nhận được: Khi công suất tải nút lớn nút xa nguồn phát giá điện cực đại Khi công suất tải nút nhỏ nút gần nguồn phát giá điện đạt cực tiểu Khi đưa DG vào nút số 5, với chi phí phát DG nhỏ chi phí phát nút 1, ta thấy:  Nút nút đưa vào DG với chi phí phát thấp nên giá điện nút thấp Giá điện nút giảm so với chưa đưa DG vào nút 5;  Giá điện toàn hệ thống giảm Tổn thất công suất tác dụng cơng suất phản kháng giảm Hình Đồ thị phụ tải 24 bậc Khơng có DG Có DG Hình Đồ thị so sánh giá điện nút trường hợp khơng có DG có DG Kết tính tốn cho hình Trong đó: 14 Giá điện nút giảm thực chất giá điện nút phụ thuộc vào hàm chi phí phụ thuộc vào tổn thất Như đưa DG vào tổn thất giảm, chi phí cho tổn thất giảm dẫn đến giá điện giảm, đồng thời hàm chi phí phát DG nhỏ hàm chi phí máy phát nút nên P bơm vào nút với chi phí thấp nên giá điện nút nhỏ so với trường hợp chưa có DG Trong trường hợp đưa DG vào với chi phí phát DG cao chi phí phát máy phát nút Khi thay đổi hàm chi phí máy phát (bảng 2), kết tính tốn thành phần tổn thất nhận là: SỐ - 2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Tổn thất P = 0.012MW); Q = 0.02(MVAR) nút trường hợp có DG khơng có DG, có kết hình Nhận xét kết quả: Khi đưa DG vào nút số 5, với chi phí phát DG lớn chi phí phát nút 1, ta thấy:  Giá điện nút giảm so với chưa đưa vào bus so với trường hợp hàm chi phí phát nhỏ cao hơn;  Giá điện tồn hệ thống giảm Tổn thất công suất tác dụng công suất phản kháng giảm Giá điện nút giảm thực chất giá điện nút phụ thuộc vào hàm chi phí phụ thuộc vào tổn thất Như đưa DG vào tổn thất giảm, chi phí cho tổn thất giảm dẫn đến giá điện giảm, đồng thời hàm chi phí phát DG lớn hàm chi phí máy phát nút nên cơng suất bơm vào nút với chi phí cao chi phí tổn thất giảm nhiều so với việc chi phí phát cơng suất tăng DG nên giá điện nút giảm so với trường hợp chưa có DG Như vậy, giá điện nút phụ thuộc vào hàm chi phí phát tổn thất Khi DG phát công suất tác dụng P, việc giảm chi phí giảm tổn thất gắn thêm DG lớn so với việc tăng chi phí DG phát cơng suất P giá nút giảm so với trường hợp có DG, tổn thất giảm Tính tốn tương tự với khoảng thời gian từ 1h-24h, ta có đồ thị so sánh giá điện mạng 23 SỐ - 2015 Khơng có DG Có DG Hình Biểu đồ so sánh giá điện mạng 23 nút khoảng thời gian từ 1-24 trường hợp có DG khơng có DG Ngồi ta thấy giá điện nút khơng thay đổi theo khơng gian, mà thay đổi theo thời gian, phụ tải thay đổi giá điện nút thay đổi Khi tham gia thị trường điện, việc dự báo giá điện phụ tải xác góp phần quan trọng việc xây dựng chiến lược chào giá thành cơng Để tối ưu hóa lợi nhuận, nhà máy cần chào giá cao vào thời điểm tăng tải thiếu nguồn Từ hình ta thấy, nguồn phát DG chào giá cao vào thời điểm 9h, 16h, 21h để tăng lợi nhuận KẾT LUẬN Nghiên cứu ảnh hưởng DG giá điện nút có ý nghĩa thực tiễn cao Bài báo đã sử dụng phần mềm Matpower lập trình mơ cho tốn tính giá nút trường hợp có DG khơng có DG để xét ảnh hưởng 15 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) DG giá nút Kết mô cho thấy đưa DG vào mạng phân phối cho tín hiệu giá hiệu đồng thời tổn thất mạng điện giảm Giá điện thị trường điện cạnh tranh không phụ thuộc vào khơng gian mà phụ thuộc theo thời gian; giá điện có khả điều tiết phụ tải, điều chỉnh hành vi bên tham gia thị trường nhằm đảm bảo an ninh hệ thống điện Kết mơ giúp nguồn phát DG có thêm thơng tin thị trường để đưa chiến lược chào giá thành công TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Drew Phillips; Nodal Pricing Basics; Market Evolution Program [2] Vignolo, M and Zeballos; R Economic Operation of Power Systems Proceedings Latin America IEEE T &D 2002, N 19, 127, 2002 [3] P M Sotkiewicz, J M Vignolo Nodal Prices for Distribution Networks:Efficient Pricing for Efficiency DG Enhancing, Letters to IEEE Transactions on Power Systems, Vol 21, N 2, May 2006, pp 1013-1014 [4] P M Sotkiewicz, J M Vignolo Allocation of Fixed Costs in Distribution Networks with Distributed Generation, IEEE Transactions on Power Systems, Vol 21, N 2, May 2006, pp 639-652 [5] Luonan Chen, Hideiki Components of Nodal Prices for Electric Power Systems Trans Power Syst., vol 17,no.1, 2002 [6] M L Baughman, S N Siddiqi, and J W Zarnikau Advanced pricing in electrical systems Part I: Theory, IEEE Trans Power Syst., vol 12, no 1, pp 489–495, Feb 1997 [7] Martin L Baughman, Shams N Siddiqi Real Time Pricing of Reactive Power: Theory and Case Study Results, IEEE Trans Power Syst., Vo1.6, No.1, February 1991 Giới thiệu tác giả: Tác giả Phạm Ngọc Hùng sinh năm 1976 Hải Dương, tốt nghiệp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội nhận Thạc sĩ Kỹ thuật điện năm 2006 Tác giả giảng viên, giảng dạy Bộ môn Nhà máy điện Trạm biến áp - Khoa Hệ thống điện - Trường Đại học Điện lực Các lĩnh vực nghiên cứu tác giả: nhà máy điện, trình độ lượng 16 SỐ - 2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) SỐ - 2015 ... DG giá điện nút có ý nghĩa thực tiễn cao Bài báo tập trung nghiên cứu mơ cho tốn tính giá nút trường hợp có DG khơng có DG để xét ảnh hưởng DG giá nút Kết mô cho thấy: đưa DG vào mạng phân phối. .. giả thực chạy chương trình tính tốn giá điện nút phân tích ảnh hưởng DG giá nút mạng phân phối 23 nút Idx_bus: Định nghĩa cho số ma trận nút Hàm “idx_bus” trả giá trị:pq, pv, ref, none, bus_i,... nút lớn nút xa nguồn phát giá điện cực đại Khi cơng suất tải nút nhỏ nút gần nguồn phát giá điện đạt cực tiểu Khi đưa DG vào nút số 5, với chi phí phát DG nhỏ chi phí phát nút 1, ta thấy:  Nút