Tính toán vị trí và dung lượng bù tối ưu trong lưới điện trung áp xét đến tính ngẫu nhiên của phụ tải - Trường Đại Học Quốc Tế Hồng Bàng

Hàm mục tiêu cực tiểu tổn thất điện năng trong khoảng thời gian xét được đề xuất với các ràng buộc đảm bảo yêu cầu vận hành của LĐPP như giới hạn điện điện áp nút, giới hạn công suất t[r]

ISSN: 1859-2171 TNU Journal of Science and Technology 195(02): 55 - 60

TÍNH TỐN VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG BÙ TỐI ƯU TRONG LƯỚI ĐIỆN TRUNG ÁP XÉT ĐẾN TÍNH NGẪU NHIÊN CỦA PHỤ TẢI

Vũ Văn Thắng*1, Nguyễn Văn Viên2, Triệu Đức Tụng2

1Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên,

2Công ty Điện lực Bắc Kạn

TÓM TẮT

Nghiên cứu giới thiệu phương pháp tính tốn vị trí dung lượng bù tối ưu tụ điện xét đến tính ngẫu nhiên phụ tải thông số tiêu chuẩn thiết bị bù lưới điện phân phối (LĐPP) Hàm mục tiêu cực tiểu tổn thất điện khoảng thời gian xét đề xuất với ràng buộc đảm bảo yêu cầu vận hành LĐPP giới hạn điện điện áp nút, giới hạn công suất truyền tải đường dây ràng buộc cân cơng suất nút Chương trình tính tốn lập ngơn ngữ lập trình the general algebraic modeling system (GAMS) tính tốn kiểm tra LĐPP qui mơ lớn Kết tính tốn so sánh với phương pháp tính tốn bù theo tải xác định để đánh giá hiệu mơ hình đề xuất

Từ khóa: Tối ưu, Tụ điện, Tổn thất điện năng, Tải ngẫu nhiên, LĐPP, GAMS

Ngày nhận bài: 10/01/2019; Ngày hoàn thiện: 26/02/2019; Ngày duyệt đăng: 28/02/2019 OPTIMAL ALLOCATION AND SIZING OF CAPACITORS IN DISTRIBUTION

SYSTEM CONSIDERING STOCHASTIC LOADS

Vu Van Thang*1, Nguyen Van Vien2, Trieu Duc Tung2

1

University of Technology (TNUT) – TNU, 2

Power Company Bac Kan

ABSTRACT

In this research, a model selecting optimal allocation and sizing of capacitors in medium voltage distribution system is proposed which considers the stochastic loads and the standard capacities being discrete values of capacitors The model includes objective function that is electrical energy loss minimizing during calculation period and constrains to guarantee operation of distribution system as bus power balance contrains, bus voltage limit, and capacity limit of feeders.The calculation is programmed by GAMS programming language and tested on large scale medium voltage distribution system The calculation rerults by proposed model are compared with methods which utilize fix loads to evaluate effect of proposed method

Keyword: Optimization, Capacitor, Electrical energy loss, Stochastic load, Distribution system, GAMS Received: 10/01/2019; Revised: 26/02/2019; Approved: 28/02/2019

Vũ Văn Thắng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 55 - 60 GIỚI THIỆU

Tổn thất công suất, tổn thất điện tổn thất điện áp LĐPP thường lớn điện áp vận hành nhỏ, tổng trở đường dây lớn, mật độ phụ tải cao thiết bị điều chỉnh điện áp Vì vậy, việc nghiên cứu giải pháp giảm tổn thất, nâng cao hiệu LĐPP thực từ sớm Trong đó, bù cơng suất phản kháng (CSPK) tụ điện giải pháp sử dụng phổ biến chi phí đầu tư rẻ, suất tiêu hao điện nhỏ, không bị hạn chế vị trí lắp đặt đồng thời giảm tổn thất trì hỗn nâng cấp hệ thống [1]

Nhiều công nghệ chế tạo tụ điện với tuổi thọ ngày cao, tổn thất nhỏ chi phí ngày rẻ giới thiệu nghiên cứu sử dụng LĐPP nhằm nâng cao hiệu kinh tế cải thiện tổn thất nâng cao điện áp lưới [2] [3] Tụ điện vận hành với cơng suất cố định, chi phí đầu tư rẻ hiệu bù thấp không đáp ứng tất trạng thái vận hành, đặc biệt phụ tải thay đổi lớn Khắc phục nhược điểm trên, bù CSPK vận hành với công suất thay đổi giới thiệu Bù có cấp sử dụng lưới điện hạ áp chi phí cho thiết bị đóng cắt nhỏ Bù vơ cấp (Static VAR Compensator - SVC) có hiệu bù lớn đáp ứng trạng thái vận hành lưới nhiên chi phí đầu tư SVC lớn nên khó cạnh tranh thực tiễn Vì vậy, LĐPP trung áp thường sử dụng thiết bị bù có cơng suất cố định

Nhiều mơ hình tính tốn vị trí dung lượng bù tụ điện giới thiệu Phổ biến mơ hình dựa vào cơng suất tác dụng (CSTD) nâng cao hệ số công suất cos cực tiểu chi phí chế độ phụ tải cực đại [1] [3] Các mơ hình khơng xét đến ràng buộc vận hành lưới nên khơng đảm bảo cho LĐPP làm việc Hàm mục tiêu cực tiểu chi phí tổn thất đầu tư tụ điện giới thiệu nghiên cứu [4]-[6] Tuy vậy, tổn thất LĐPP có giá trị lớn yêu cầu độ lệch điện áp cao nên

hàm mục tiêu cực tiểu tổn thất công suất tổn thất điện sử dụng rộng rãi nghiên cứu [7] [8] Các ràng buộc độ lệch điện áp nút, giới hạn công suất đường dây công suất bù chế độ phụ tải cực đại đề xuất để đảm bảo yêu cầu vận hành lưới Tuy nhiên, thay đổi phụ tải không xem xét nghiên cứu đồng thời công suất tụ bù giả thiết liên tục chúng giá trị rời rạc theo tiêu chuẩn thực tế

Vì vậy, nghiên cứu đề xuất mơ hình tính tốn vị trí dung lượng bù tối ưu LĐPP trung áp, sử dụng tụ bù tĩnh với hàm mục tiêu cực tiểu tổn thất điện thời gian tính tốn Các ràng buộc đảm bảo giới hạn vận hành lưới tổng hợp mô hình với cơng suất rời rạc tụ bù thay đổi tải theo mơ hình xác suất Phần báo giới thiệu mô hình ngẫu nhiên phụ tải mơ hình tốn, kết tính tốn kết luận

MƠ HÌNH XÁC SUẤT CỦA PHỤ TẢI Phụ tải điện ln thay đổi theo thời gian mang tính ngẫu nhiên Vì vậy, việc tính tốn tốn hệ thống điện nói chung LĐPP nói riêng theo thơng số tải không đổi gặp sai số lớn Trong nghiên cứu gần đây, nhiều mơ hình biểu diễn thay đổi phụ tải theo mơ hình xác suất giới thiệu rằng, xác suất phụ tải thường phân bố theo hàm mật độ xác suất chuẩn [9] [10] biểu diễn biểu thức (1)

2

2

( | , )

1 ( )

( ) exp

2

P X x

x f x

 

  



  

   

 

(1)

Trong đó:  giá trị trung bình đại lượng ngẫu nhiên x,  độ lệch chuẩn 2 phương sai

MƠ HÌNH TỐI ƯU

Vũ Văn Thắng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 55 - 60 mơ hình sử dụng phổ biến

nay, mơ hình 1, với mơ hình đề xuất, mơ hình Chi tiết mơ hình tốn trình bày

Mơ hình (MH1)

Như giới thiệu [1], phương pháp phổ biến sử dụng thực tế để tính tốn dung lượng bù xác định theo cơng suất không đổi hệ số công suất cos chế độ cực đại biểu thức (2)

max(tan tan 2)

b

Q P    (2)

Trong đó: Qb dung lượng bù; Pmax công suất tác dụng chế độ cực đại; tan , tan1 2 hệ số công suất trước sau bù

Mục tiêu phương pháp nâng cao hệ số công suất cos từ giảm tổn thất cơng suất tổn thất điện áp Tuy nhiên, phương pháp không đảm bảo độ lệch điện áp phụ tải khơng xác định xác vị trí bù LĐPP Ngoài ra, ảnh hưởng thay đổi phụ tải tính ngẫu nhiên tăng trưởng theo thời gian không xem xét nên hiệu thiết bị bù giảm

Mơ hình (MH2)

Trong mơ hình này, ảnh hưởng tải ngẫu nhiên xét đến biểu diễn công suất tải xác suất tương ứng trạng thái xem xét Hàm mục tiêu cực tiểu tổng tổn thất điện thời gian tính tốn T bao gồm tổn thất đường dây Af t. thân tụ bù Ac t. năm t trình bày biểu thức (3)

1

( )

T

f t c t

t

A A A



     (3)

Tổn thất điện đường dây LĐPP xét đến tải ngẫu nhiên năm t xác định theo biểu thức (4) với xác suất tải trạng thái k kvà Nk số trạng thái tính tốn

1

,

1

2

, , , , , , , , , ,

8760

1

2 cos( )

k

N

f t t k k

k

N N

t k ij

i j

i t k j t k i t k j t k j k i k

A P

P G

U U U U



 



 

  

 

    

 

 (4)

Trong đó: Pt k, tổn thất cơng suất trạng thái k; Ui, t,k, i t k, , modul góc pha điện

áp nút i trạng thái; Gij điện dẫn đường dây ij N tổng số nút LĐPP Tổn thất điện thân tụ điện xác định theo hệ số tổn thất phụ thuộc vào công suất tụ biểu thức sau [1] [11]

,

1

8760

c

N

c t b i t c

i

A Q k



   (5)

Trong đó: Qb i t , công suất bù nút i, năm t;

c

k hệ số tổn thất công suất thân tụ Nc số nút lựa chọn bù

Thơng số chế độ LĐPP tính tốn ràng buộc cân công suất nút AC trạng thái tính tốn k biểu thức (6)

, , , , ,

, , , , , , , ,

1

, , , , ,

, , , , , , , ,

1

.cos( )

.sin( )

S

i t k c b i t i t k N

ij i t k j t k ij j t k i t k j

S

i t k b i t i t k N

ij i t k j t k ij j t k i t k j

P k Q P

Y U U

Q Q Q

Y U U

  

  





  

 

  

  

 

(6)

Trong đó: , ,S i t k

P S, ,

i t k

Q công suất nhận từ nguồn; Yij, ij modul góc lệch tổng dẫn nhánh Ui t k, , , i t k, , modul góc pha điện áp nút; Pi,t,kvà Qi,t,klà công suất

phụ tải i, xác định theo biểu thức (7) với hệ số tải trạng thái k kk Pi t, Qi t, công

suất tải năm t với hệ số phát triển năm kpt

, , , , , ,

, , , ,

;

(1 ); (1 )

i t k i t k i t k i t k

i t i t pt i t i t pt

P P k Q Q k

P P  k Q Q  k

 

    (7)

Công suất tụ bù giá trị rời rạc, tiêu chuẩn hóa để giảm chi phí sản xuất Do đó, nghiên cứu đề xuất ràng buộc lựa chọn công suất bù theo giá trị rời rạc với biến nhị phân j i t, , , tải lựa chọn đầu tư lần để giảm chi phí lắp đặt với ràng buộc biểu thức (8) Trong đó, *

c j

Q

Vũ Văn Thắng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 55 - 60

*

, , , , ,

1

;

j

N T

b i t j i t c j j i t

j t

Q  Q 

 

   (8)

Để đảm bảo vận hành an tồn LĐPP, tránh q tải, cơng suất truyền tải đường dây

, ij t

S cần thỏa mãn điều kiện giới hạn đường dây biểu thức (9) với công suất giới hạn đường dây ij *

, ij t

S

*

, ,

ij t ij t

S S (9)

Ngoài ra, điện áp phụ tải thay đổi lớn theo chế độ làm việc lưới giá trị phụ tải Vì vậy, độ lệch điện áp tất nút giới hạn biểu thức (10) với điện áp nút nguồn giả thiết số

min , , max

, , tan

i t k L

i t k S

U U U i N

U cons t i N

  

  (10)

Trong đó: Ui t k, , điện áp nút trạng thái tính tốn; Umin,Umax giới hạn điện áp;

,

S L

N N tổng số nút nguồn nút tải Các mơ hình tính tốn lập chương trình tính tốn ngơn ngữ lập trình GAMS [12] tính tốn áp dụng LĐPP qui mơ lớn

Hình 1. Sơ đồ LĐPP TÍNH TỐN ÁP DỤNG

Những giả thiết tham số thiết bị

Mơ hình chương trình tính tốn kiểm tra sơ đồ LĐPP 33 nút, điện áp 22 kV hình Phụ tải cực đại thông số lưới điện PL1 PL2

Giả thiết, xác suất tải tuân theo hàm phân bố chuẩn hình Từ đồ thị phân bố xác suất cho thấy, số lượng trạng thái lớn việc lựa chọn số trạng thái tính tốn quan trọng Số lượng trạng thái nhỏ gây sai số lớn ngược lại số trạng thái lớn làm tăng khối lượng tính tốn Do đó, để đảm bảo tính xác khối lượng tính tốn nghiên cứu lựa chọn số lượng trạng thái 15, tương ứng với hệ số tải thay đổi từ 0,3 đến với bước tăng 0,05

Hình Phân bố xác suất tải

Công suất tiêu chuẩn tụ bù bao gồm 150, 225, 300, 400, 450, 500, 600, 750, 900, 1200, 1500, 1800 kVAR với kc = 0,15 W/kVAR [1]

[11] Điện áp U1 = 1,1 pu, Umin = 0,9 pu, Umax

= 1,1 pu Hệ số phát triển tải kpt = 3%

thời gian tính tốn năm

Kết tính tốn

Tính tốn trường hợp, trường hợp không bù (TH0), trường hợp bù theo MH1 (TH1)và trường hợp bù theo MH2 (TH2) xác định thông số bù LĐPP bảng Trong TH1, tổng công suất bù 8000 kVAR khơng xác định vị trí bù với giả thiết đặt nút 18 33 nút 4000 kVAR tổn thất điện giảm 0,33% Tương tự, TH2 lựa chọn vị trí bù tối ưu nút 18 năm nút 33 năm thứ với công suất nút 1800 kVAR Tổn thất điện 2,92% tương ứng giảm tới 1,02% so với TH0

So sánh cho thấy, xét đến thay đổi tải theo mơ hình đề xuất tổn thất giảm

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Hệ số tải

Xá

c

su

ất

TBA 01

02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18

26 27 28 29 30 31 32 33 23 24 25 19

Vũ Văn Thắng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 55 - 60 0,74% so với TH1 công suất

bù cần đầu tư giảm 4400 kVAR tương ứng 55% Kết có TH2 xét đến thay đổi tải giảm tượng bù khoảng thời gian thấp điểm Hơn nữa, mơ hình cho phép lựa chọn công suất thiết bị bù giá trị rời rạc theo thông số nhà sản xuất

Bảng So sánh thông số bù TT Chỉ tiêu TH0 TH1 TH2

1

Công suất bù

, b i t

Q (nút i, năm t), kVAR

- 8000 1800 (18, 1) 1800 (33, 2) Tổn thất điện năng, % 3,99 3,66 2,92 So sánh tổn thất

TH1 với TH0, % 0,33

4 So sánh tổn thất

TH2 với TH0, % 1,02

Điện áp lớn nhỏ thực bù trường hợp đảm bảo yêu cầu với giá trị nhỏ 0,92 pu nút 18, năm thứ điện áp lớn 1.1pu trình bày hình Điện áp hỗ trợ lớn nút 18 21% từ 0,83 pu TH0 lên 1,05 pu TH1

Hình Điện áp nút cực đại cực tiểu Hình trình bày điện áp nút 18, nút xa nguồn lựa chọn bù, năm thứ với 14 trạng thái phụ tải cho thấy, điện áp nút cải thiện trạng thái đảm bảo giới hạn cho phép Điện áp nâng cao từ 6,4% đến 21% TH1 từ 6,4% đến 8,6% TH2

Hình Điện áp nút 18, năm thứ trạng thái vận hành k

Kết tính tốn kiểm tra cho thấy, mơ hình chương trình tính tốn phù hợp với LĐPP qui mơ lớn thực tiễn Khi xét đến tính ngẫu nhiên phụ tải, tổn thất điện giảm đồng thời điện áp nút đảm bảo độ lệch cho phép công suất bù cần đầu tư giảm dẫn đến chi phí đầu tư giảm Vì vậy, hiệu bù nâng cao Hơn nữa, vị trí cơng suất bù lựa chọn với thông số tiêu chuẩn thiết bị tăng khả ứng dụng thực tiễn

KẾT LUẬN

Mơ hình tính tốn vị trí, dung lượng bù tối ưu đề xuất nghiên cứu cho phép xét đến tính ngẫu nhiên phụ tải công suất tiêu chuẩn tụ bù Công suất bù lựa chọn đồng thời với vị trí lắp đặt, tổn thất điện cực tiểu thời gian tính tốn xác định đồng thời đảm bảo giới hạn điện áp nút cơng suất truyền tải đường dây Tính tốn kiểm tra chương trình tính tốn lập ngơn ngữ lập trình GAMS cho thấy, phương pháp đề xuất phù hợp với LĐPP lớn thực tiễn, tiêu kỹ thuật nâng cao Tuy nhiên, chi phí đầu tư tụ bù chưa xem xét nghiên cứu cần phải bổ sung tiêu để nâng cao hiệu kinh tế phương án bù

0.6 0.7 0.8 0.9 1.1 1.2

14 13 12 11 10

Trạng thái tính tốn (k)

Đ

iệ

n

á

p

, p

u

0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1

H

ệ

s

ố

tả

i

kk TH0 TH1 TH2

0.8 0.85 0.9 0.95 1.05 1.1 1.15

1 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33

Nút

Đ

iệ

n

á

p

n

ú

t,

p

u

Vũ Văn Thắng Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 195(02): 55 - 60 PL1. Thông số tải

Nút tải

Pi.0,

kW

Qi.0,

kVAr Nút

tải

Pi.0,

kW

Qi.0,

kVAr

2 240 192 17 432 384

3 348 288 18 588 528

4 384 300 19 228 168

5 192 156 20 348 264

6 432 372 21 228 168

7 360 360 22 468 408

8 360 360 23 468 420

9 192 144 24 504 420

10 264 192 25 264 240

11 174 132 26 792 630

12 192 162 27 672 630

13 552 522 28 432 372

14 264 216 29 504 444

15 672 552 30 360 240

16 312 240 31 660 564

Tổng 12,810 10,040

PL2. Thông số đường dây Nút

ij

* ,

ij t

S ,

MVA Rij,

 Xij,

 Nút ij

* ,

ij t

S ,

MVA Rij,

 Xij,

 1,2 26 0,15 0,38 17,18 2,37 1,67 2,3 26 0,31 0,75 2,19 1,78 1,25 3,4 26 0,08 0,19 19,20 1,18 0,84 4,5 26 0,23 0,57 20,21 1,48 1,05 5,6 26 0,69 1,70 21,22 1,18 0,84 6,7 10 1,89 1,84 3,23 1,60 1,13 7,8 10 0,46 0,45 23,24 1,18 0,84 8,9 10 0,63 0,61 24,25 1,48 1,05 9,10 10 0,50 0,49 6,26 10 1,18 1,14 10,11 10 0,84 0,82 26,27 10 1,39 1,35 11,12 10 1,26 1,22 27,28 10 1,47 1,43 12,13 1,07 0,75 28,29 10 1,89 1,84 13,14 0,83 0,59 29,30 1,18 0,84 14,15 1,12 0,79 30,31 2,07 1,46 15,16 1,84 1,30 31,32 2,37 1,67 16,17 0,95 0,67 32,33 2,13 1,50

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Nguyễn Xuân Phú, Nguyễn Công Hiền, Nguyễn Bội Khuê (2003), Cung cấp điện, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội

2 M Jayalakshmi, K Balasubramanian (2008), Simple Capacitors to Supercapacitors-An Overview, International Journal of Electrochemical Science, Vol

3 Trần Vinh Tịnh, T V Chương (2008), Bù tối ưu công suất phản kháng LPP, Tạp chí KH&CN Đại học Đà Nẵng, số

4 M,Dixit, P,Kundu, H, R,Jariwala (2016), Optimal Allocation and Sizing of Shunt Capacitor in Distribution System for Power Loss Minimization, 2016SCEECS, India

5 A A A El-Ela, A M Kinawy, M.T Mouwafi, R A El-Sehiemy (2015), Optimal sitting and sizing of capacitors for voltage enhancement of distribution systems, 2015UPEC, UK

6 A.A Eajal, M.E.El-Hawary (2010), Optimal capacitor placement and sizing in distorted radial distribution systems part III: Numerical results, ICHQP2010, Italy

7 K R Devabalaji, A M Imranb, T Yuvaraj, K Ravi (2015), Power Loss Minimization in Radial Distribution System, Energy Procedia 79 (2015), pp 917-923

8 N Rugthaicharoencheep, S Nedphograw, W Wanaratwijit (2011), Distribution system operation for power loss minimization and improved voltage profile with distributed generation and capacitor placements, 2011DRPT, China

9 Y M Atwa, E F El-Saadany, M M A Salama, and R Seethapathy (2010), Optimal Renewable Resources Mix for Distribution systems Energy Loss Minimization, IEEE Tran, on Power Sytems, Vol 25, No.1

10 S Pazouki, M Haghifamb, A Moser (2014), Uncertainty modeling in optimal operation of energy hub in presence of wind, storage and demand response, Electrical Power and Energy Systems, 61 11 Solutions for power factor correction at medium voltage, CIRCUTOR S.A (2013)

2016SCEECS, A A A El-Ela, A M Kinawy, M .T Mouwafi, R A El-Sehiemy , 2015UPEC, A.A Eajal, M.E.El-Hawary ICHQP2010, N Rugthaicharoencheep, S Nedphograw, W Wanaratwijit 2011DRPT,