Phương pháp tính toán tối ưu hóa trào lưu công suất trong microgrid vận hành độc lập

Lưới Microgrid đang ngày càng được phát triển xây dựng ở nhiều nước trên thế giới để cung cấp điện cho các khu vực xa trung tâm, tận dụng được nguồn năng lượng tái tạo, đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện. Tối ưu hóa trào lưu công suất trong hệ thống điện là bài toán xác định sự phân bố tối ưu tỷ lệ công suất phát giữa các nguồn phát trong hệ thống nhằm đạt được cực tiểu hóa tổn thất công suất trong hệ thống cũng như để đạt được mục tiêu khác như cực tiểu hóa chi phí vận hành trong hệ thống. Vấn đề này thường được giải quyết bởi các hệ thống điều khiển phân tán (DSM Distribution Management Systems), DSM thực hiện các chức năng điều khiển nhằm tối ưu hóa trào lưu công suất phản kháng và công suất tác dụng, điều chỉnh điện áp, hay tái cấu trúc lưới điện…. Trong luận văn, đã giới thiệu đề xuất ứng dụng thuật toán GSO để giải quyết bài toán tối ưu hóa trào lưu công suất có xét tới các ràng buộc như tần số lưới điện, khả năng truyền tải công suất của các đường dây trong lưới điện Microgrids 3 pha cân bằng và không cân bằng. Các tính toán thử nghiệm được áp dụng trên nhiều lưới điện IEEE thử nghiệm khác nhau cho thấy sự hiệu quả của phương phápquy trình tính toán OPF và của phần mềm do đề tài xây dựng.

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - HỌ VÀ TÊN TÁC GIẢ LUẬN VĂN LÊ XUÂN NGUYÊN ÁNH C C R L T PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TỐI ƯU HĨA DU TRÀO LƯUCƠNG SUẤT TRONG MICROGRID VẬN HÀNH ĐỘC LẬP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỆN Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - HỌ VÀ TÊN TÁC GIẢ LUẬN VĂN LÊ XN NGUN ÁNH PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TỐI ƯU HĨA TRÀO LƯU CƠNG C C SUẤT TRONG MICROGRID VẬN HÀNH ĐỘC LẬP R L T DU Chuyên ngành : Kỹ điện Mã số: 8520201 : thuật LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ ĐÌNH DƯƠNG TS NGUYỄN QUANG NINH Đà Nẵng – Năm 2019 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TỐI ƯU HĨA TRÀO LƯU CƠNG SUẤT TRONG MICROGRID VẬN HÀNH ĐỘC LẬP Chương 3: Học viên: Lê Xuân Nguyên Ánh Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 Lớp: K34-Đà nẵng Trường Đại học Bách khoa- ĐHĐN Tóm tắt - Lưới Microgrid ngày phát triển xây dựng nhiều nước giới để cung cấp điện cho khu vực xa trung tâm, tận dụng nguồn lượng tái tạo, đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện Tối ưu hóa trào lưu cơng suất hệ thống điện toán xác định phân bố tối ưu tỷ lệ công suất phát nguồn phát hệ thống nhằm đạt cực tiểu hóa tổn thất cơng suất hệ thống để đạt mục tiêu khác cực tiểu hóa chi phí vận hành hệ thống Vấn đề thường giải hệ thống điều khiển phân tán (DSM- Distribution Management Systems), DSM thực chức điều khiển nhằm tối ưu hóa trào lưu công suất phản kháng công suất tác dụng, điều chỉnh điện áp, hay tái cấu trúc lưới điện… Trong luận văn, giới thiệu đề xuất ứng dụng thuật toán GSO để giải toán tối ưu hóa trào lưu cơng suất có xét tới ràng buộc tần số lưới điện, khả truyền tải công suất đường dây lưới điện Microgrids pha cân khơng cân Các tính toán thử nghiệm áp dụng nhiều lưới điện IEEE thử nghiệm khác cho thấy hiệu phương pháp/quy trình tính tốn OPF phần mềm đề tài xây dựng C C R L T DU Từ khóa - Microgrid; trào lưu cơng suất; DSM; thuật toán GSO METHOD OF THE OPTIMAL CALCULATION OF CAPACITY SWITCHING IN MICROGRID INDEPENDENT OPERATIONS Abstract- Microgrid is increasingly being developed in many countries around the world to provide electricity to remote areas, make use of renewable energy sources, and ensure the reliability of power supply Optimizing the power flow in the power system is the problem of determining the optimal distribution of the generation rate between power sources in the system in order to minimize the loss of power in the system as well as to achieve Another goal is to minimize operating costs in the system This problem is often solved by distributed control systems (DSM), which perform control functions to optimize the flow of reactive power and active power, adjusting power voltage, or restructuring the grid In the thesis, introduced the application of GSO algorithm to solve the power optimization problem considering constraints such as grid frequency, power transmission capacity of grid lines Electric microgrids 3-phase balanced and unbalanced Test calculations applied on various IEEE test power grids show the effectiveness of OPF calculation method / procedure and the software developed by the project Key words - Microgrid; power flow; DSM; GSO algorithm LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Lê Xuân Nguyên Ánh R L T DU C C LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn TS Lê Đình Dương tận tình hướng dẫn luận văn Tơi xin cảm ơn TS.NCVC- Nguyễn Quang Ninh chủ nhiệm thực đề tài nghiên cứu “Phương pháp tính tốn tối ưu hóa trào lưu công suất Microgrid vận hành độc lập" tạo điều kiện cho tham gia thực đề tài giúp đỡ tơi q trình hồn thiện luận văn R L T DU C C MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU .1 Lý chọn đề tài .1 Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu .3 Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn .5 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN MICROGRID 1.1 Khái niệm lưới Microgrid C C 1.2 Vai trò, tác dụng, cách thức làm việc lưới Microgrid .10 R L T DU 1.3 Phân loại lưới Microgrid 12 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TỐI ƯU HĨA TRÀO LƯU CÔNG SUẤT TRONG MICROGRID .14 2.1 Mở đầu 14 2.2 Các phương pháp tính tốn tối ưu hóa trào lưu công suất Microgrids 16 2.2.1 Phương pháp Lagrange .16 2.2.2 Phương pháp nhánh dốc (The steepest descent) 16 2.2.3 Phương pháp quy tắc mờ (Fuzzy rules method) 17 2.2.4 Phương pháp Quy hoạch động (Dynamic programming method) 19 2.3 Một số công cụ, phần mềm tối ưu hóa trào lưu cơng suất hệ thống điện 20 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TỐI ƯU HĨA TRÀO LƯU CƠNG SUẤT TRONG LƯỚI ĐIỆN MICROGRIDS VẬN HÀNH ĐỘC LẬP CÓ XÉT TỚI SỰ PHỤ THUỘC CỦA CÔNG SUẤT PHỤ TẢI VÀ MÁY PHÁT VÀO ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ DỰA TRÊN THUẬT TOÁN GSO (GLOW-WORM SWARM OPTIMIZATION) .21 3.1 Mở đầu 21 3.2 Bài tốn tối ưu hóa trào lưu công suất .21 3.2.1 Xác định biến toán tối ưu hóa .22 3.2.2 Hàm mục tiêu toán 22 3.2.3 Các ràng buộc .23 3.2.4 Heuristic GSO-Based Method .24 CHƯƠNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TỐI ƯU HĨA TRÀO LƯU CƠNG SUẤT TRONG LƯỚI ĐIỆN MICROGRIDS VẬN HÀNH ĐỘC LẬP CÓ XÉT TỚI SỰ PHỤ THUỘC CỦA CÔNG SUẤT PHỤ TẢI VÀ MÁY PHÁT VÀO ĐIỆN ÁP VÀ TẦN SỐ DỰA TRÊN THUẬT TOÁN GSO TRÊN CÁC LƯỚI ĐIỆN MẪU 29 C C 4.1 Mở đầu 29 R L T DU 4.2 Tính tốn thử nghiệm lưới Microgrid pha cân 29 4.2.1 Lưới Microgrids nút ba pha cân .29 4.2.2 Ứng dụng tính tốn lưới điện Microgirds thử nghiệm IEEE 25 nút ba pha cân 33 4.3 Tính tốn thử nghiệm lưới Microgrid pha không cân 35 4.3.1 Lưới Microgrids nút ba pha không cân 35 4.3.2 Lưới Microgrids 25 nút ba pha không cân 37 4.4 Kết luận .38 PHỤ LỤC 42 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TỐI ƯU HĨA TRÀO LƯU CƠNG SUẤT TRONG MICROGRID VẬN HÀNH ĐỘC LẬP Học viên: Lê Xuân Nguyên Ánh Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201 Lớp: K34-Đà nẵng Trường Đại học Bách khoa- ĐHĐN Tóm tắt - Lưới Microgrid ngày phát triển xây dựng nhiều nước giới để cung cấp điện cho khu vực xa trung tâm, tận dụng nguồn lượng tái tạo, đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện Tối ưu hóa trào lưu cơng suất hệ thống điện toán xác định phân bố tối ưu tỷ lệ công suất phát nguồn phát hệ thống nhằm đạt cực tiểu hóa tổn thất công suất hệ thống để đạt mục tiêu khác cực tiểu hóa chi phí vận hành hệ thống Vấn đề thường giải hệ thống điều khiển phân tán (DSM- Distribution Management Systems), DSM thực chức điều khiển nhằm tối ưu hóa trào lưu cơng suất phản kháng công suất tác dụng, điều chỉnh điện áp, hay tái cấu trúc lưới điện… Trong luận văn, giới thiệu đề xuất ứng dụng thuật toán GSO để giải tốn tối ưu hóa trào lưu cơng suất có xét tới ràng buộc tần số lưới điện, khả truyền tải công suất đường dây lưới điện Microgrids pha cân khơng cân Các tính tốn thử nghiệm áp dụng nhiều lưới điện IEEE thử nghiệm khác cho thấy hiệu phương pháp/quy trình tính tốn OPF phần mềm đề tài xây dựng C C R L T DU Từ khóa - Microgrid; trào lưu cơng suất; DSM; thuật toán GSO METHOD OF THE OPTIMAL CALCULATION OF CAPACITY SWITCHING IN MICROGRID INDEPENDENT OPERATIONS Abstract- Microgrid is increasingly being developed in many countries around the world to provide electricity to remote areas, make use of renewable energy sources, and ensure the reliability of power supply Optimizing the power flow in the power system is the problem of determining the optimal distribution of the generation rate between power sources in the system in order to minimize the loss of power in the system as well as to achieve Another goal is to minimize operating costs in the system This problem is often solved by distributed control systems (DSM), which perform control functions to optimize the flow of reactive power and active power, adjusting power voltage, or restructuring the grid In the thesis, introduced the application of GSO algorithm to solve the power optimization problem considering constraints such as grid frequency, power transmission capacity of grid lines Electric microgrids 3-phase balanced and unbalanced Test calculations applied on various IEEE test power grids show the effectiveness of OPF calculation method / procedure and the software developed by the project Key words - Microgrid; power flow; DSM; GSO algorithm DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1 Giới hạn biến KGs, pu 30 Bảng 4.2 Giới hạn dòng điện truyền tải nhánh đường dây, pu 30 Bảng 4.3 Bảng Kết phương án tối ưu trường hợp áp dụng thuật toán GSO, pu 31 Bảng 4.4 Giới hạn biến KGi case 1, pu 33 Bảng 4.5 Giới hạn biến KGi PQi case 2, pu 33 Bảng 4.6 Kết tối ưu hóa trường hợp, pu 34 Bảng 4.7 Giới hạn biến KGi, pu 36 C C Bảng 4.8 Kết tối ưu hóa, pu 36 R L T DU Bảng 4.9 Giới hạn biến KGi, pu 37 Bảng 4.10 Kết tối ưu hóa, pu 38 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Mơ hình ví dụ lưới Microgrid .9 Hình 2.1 Các mức độ điều khiển phân cấp lưới Microgrid 15 Hình 3.1 Nguyên lý vận hành thuật toán GSO .25 Hình 3.2 Quy trình tính tối ưu hóa trào lưu công suất lưới điện microgrids vận hành độc lập pha cân bằng/khơng cân dựa thuật tốn GSO .28 Hình 4.1 Sơ đồ lưới điện thử nghiệm nút cân vận hành độc lập .30 Hình 4.2 So sánh dòng điện vận hành tối ưu dòng diện giới hạn nhánh đường dây trường hợp 31 C C Hình 4.3 Kết chạy mơ tính tối ưu lưới điện microgrids nút pha R L T DU cân bằng phần mềm ứng dụng thuật toán GSO-Case 32 Hình 4.4 Kết dịng điện tối ưu nhánh đường dây trường hợp 34 Hình 4.5 Kết chạy mơ tính tối ưu lưới điện microgrids 25 nút pha cân bằng phần mềm ứng dụng thuật toán GSO – case 35 Hình 4.6 Kết dịng điện tối ưu pha nhánh đường dây36 Hình 4.7 Kết chạy mơ tính tối ưu lưới điện microgrids nút pha không cân bằng phần mềm ứng dụng thuật toán GSO 37 Hình 4.8 Kết dịng điện tối ưu pha nhánh đường dây38 HDNC: TS LÊ ĐÌNH DƯƠNG - TS NGUYỄN QUANG NINH Ma trận trở kháng cho đường dây pha loại 3, ohms/mile Z3=[1.9280+1i*1.4194 0.0161+1i*0.1183 0.0161+1i*0.1183 0.0161+1i*0.1183 1.9308+1i*1.4215 0.0161+1i*0.1183 0.0161+1i*0.1183 0.0161+1i*0.1183 1.9337+1i*1.4236]; Bảng XVII KẾT QUẢ TRÀO LƯU CÔNG SUẤT PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU, PU Line from Ia, pu Ib, pu Ic, pu 0,018941 0,018939 0,020755 0,011213 0,012344 0,013633 0,035376 0,033783 0,031687 0,067656 0,069346 0,068994 0,039253 0,037773 0,037265 nl nr R L T DU C C SVTH: LÊ XUÂN NGUYÊN ÁNH Trang 50 HDNC: TS LÊ ĐÌNH DƯƠNG - TS NGUYỄN QUANG NINH Bảng XVIII KẾT QUẢ TÍNH CHẾ ĐỘ PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU, PU Pha a Nút Van(pu, rad) Pha b Tải (pu) Pha c Tải (pu) Vbn(pu, rad) Độ lớn Góc pha P Q Độ lớn 10,012 0,0000 0,0475 0,0137 10,012 -20,944 0,0297 0,9971 -0,0045 0,0400 0,0075 0,9971 -20,989 0,9936 -0,0084 0,0441 0,0104 0,9936 0,9878 -0,0074 0,0474 0,0155 0,9812 -0,0083 0,0389 0,9787 -0,0093 PLa 0,2567 Tổng Tải (pu) Độ lớn Góc pha P Q 0,0122 10,012 20,944 0,0386 0,0107 0,0503 0,0090 0,9971 20,899 0,0459 0,0096 -21,028 0,0382 0,0119 0,9936 20,860 0,0470 0,0133 0,9874 -21,001 0,0444 0,0225 0,9900 20,864 0,0445 0,0185 0,0225 0,9818 -21,023 0,0389 0,0197 0,9845 20,840 0,0390 0,0171 0,0388 0,0239 0,9795 -21,040 0,0403 0,0198 0,9826 20,821 0,0419 0,0148 QLa PLb QLb PLc QLc PLtổng QLtổng f/pu Ploss Vmin Vmax 0,0935 0,2419 0,0950 0,2570 0,2570 0,7556 0,4454 0,9897 0,0045 0,9787 10,012 SVTH: LÊ XUÂN NGUYÊN ÁNH Góc pha Vcn(pu, rad) P Q C C R L T DU Trang 51 GVHD: TS LÊ ĐÌNH DƯƠNG - TS NGUYỄN QUANG NINH KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn tập trung mô tả tốn tối ưu hóa trào lưu cơng suất lưới điện Microgrids vận hành độc lập có sử dụng nguồn phát trang bị inverter với luật điều khiển droop Phương pháp/quy trình giải tốn tối ưu hóa trào lưu cơng suất dựa thuật tốn GSO đề xuất Phương pháp giải hiệu toán OPF lưới Microgrids pha cân khơng cân có xét tới ràng buộc tần số dịng cơng suất truyền tải đường dây Các tính tốn thử nghiệm áp dụng nhiều lưới điện IEEE thử nghiệm khác cho thấy hiệu phương pháp/quy trình tính tốn OPF phần mềm C C đề tài xây dựng Tốc độ tính tốn hạn chế phần mềm luận R L T DU văn Tuy nhiên, phân tích, vấn đề dễ dàng giải thời gian tới với phát triển công nghệ thông tin SVTH: LÊ XUÂN NGUYÊN ÁNH Trang 52 GVHD: TS LÊ ĐÌNH DƯƠNG - TS NGUYỄN QUANG NINH TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nasirian, V.; Moayedi, S.; Davoudi, A.; Lewis, F.L.¸ “Distributed Cooperative Control of DC Microgrids,” IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, vol 30, issue 4, pp 2288-2303 [2] High-voltage direct current, http://en.wikipedia.org/wiki/High- voltage_direct_current [3] Kiger, Patrick, “High-Voltage DC Breakthrough Could Boost Renewable Energy,” National Geographic News, December 5, 2012, http://news.nationalgeographic.com/news/energy/2012/12/121206- C C highvoltage-dc-breakthrough/ [4] High Voltage, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/High_voltage R L T DU [5] Direct Current, Wikipedia , http://en.wikipedia.org/wiki/Direct_current [6] N Mohan, T M Undeland, W P Robbins, “Power Electronics Converters, Applications, and Design,” Third Edition, John Wiley & Sons Inc., 2003 [7] E Trinklein, G Parker, W Weaver, R Robinett, L Babe, C Ten, W Bower, S Glover, S Bubowski, “Scoping Study: Networked Microgrids,” Sandia National Laboratories Report, September 2014, SAND2014-17718 [8] J M Guerrero, J C Vásquez, J Matas, L G de Vicuña, M Castilla, “Hierarchical Control of Droop-Controlled AC and DC Microgrids—A General Approach Towards Standardization”, 2011, IEEE Trans on Industrial electronics, vol.58, issue pp.158-172 [9] Forner, D.; Erseghe, T.; Tomasin, S.; Tenti, P “On efficient use of local sources in smart grids with power quality constraints” In Proceeding of the IEEE Int Conf Smart Grid Commun., Gaithersburg, MD, USA, Oct 2010; pp 555-560 [10] Sanseverino, E.R.; Di Silvestre, M.L.; Zizzo, G.; Gallea, R.; Quang, N.N “A Self-Adapting Approach for Forecast-Less Scheduling of Electrical Energy SVTH: LÊ XUÂN NGUYÊN ÁNH Trang 53 GVHD: TS LÊ ĐÌNH DƯƠNG - TS NGUYỄN QUANG NINH Storage Systems in a Liberalized Energy Market” Energies 2013, 6, 57385759 [11] Levron, Y.; Guerrero, J.M; Beck, Y “Optimal Power Flow in Microgrids With Energy Storage,” IEEE Trans Power Syst 2013, Volume 28, pp 32263234 [12] Lam, A Y S.; Zhang, B.; Dominguez-Garcia, A.; Tse, D “Optimal distributed voltage regulation in power distribution networks” http://arxiv.org/abs/1204.5226v1 (accessed in 2012) [13] Lavaei, J.; Tse, D.; Zhang, B “Geometry of power flows in tree networks” In Proceeding of IEEE Power Energy Soc Gen Meet., San Diego, CA, USA, Jul 2012 C C R L T DU [14] M Morad, E Hany, F.Ehab, and A Yasser, “A Novel and Generalized Three-Phase Power Flow Algorithm for Islanded Microgrids Using a Newton Trust Region Method”, IEEE Transactions on Power system, Vol 28, no 1, February, 2013 [15] Krishnanand & Ghose, Glowworm Swarm Optimization (GSO), 2006 SVTH: LÊ XUÂN NGUYÊN ÁNH Trang 54 R L T DU C C R L T DU C C R L T DU C C R L T DU C C R L T DU C C R L T DU C C R L T DU C C R L T DU C C R L T DU C C R L T DU C C ... mềm, cơng cụ tối ưu hóa trào lưu cơng suất hệ thống điện Chương 3: Phương pháp tính tốn tối ưu hóa trào lưu cơng suất lưới điện Microgrids vận hành độc lập có xét tới phụ thuộc công suất phụ tải... thuật tính tốn tối ưu hóa sử dụng đề xuất trình bày phần 2.2 Các phương pháp tính tốn tối ưu hóa trào lưu công suất Microgrids 2.2.1 Phương pháp Lagrange Trong ngành tối ưu hóa, phương pháp nhân tử... + Trình bày đặc tính vận hành lưới Microgrid vận hành chế độ nối với lưới điện quốc gia vận hành độc lập ; + Trình bày phương pháp tính tốn tối ưu hóa trào lưu cơng suất Microgrids; + Giới thiệu