Luận văn thạc sĩ nghiên cứu vận hành tối ưu lưới điện phân phối khi sử dụng các nguồn điện phân tán và ứng dụng tại mạng điện thành phố cẩm phả​

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP MAI VIỆT DŨNG NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH TỐI ƯU LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI KHI SỬ DỤNG CÁC NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN VÀ ỨNG DỤNG TẠI MẠNG ĐIỆN TP CẨM PHẢ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan vấn đề trình bày luận văn nghiên cứu riêng cá nhân tôi, hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Minh Ý có tham khảo số tài liệu Các số liệu kết nghiên cứu nêu luận văn trung thực chưa công bố luận văn khác Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm có sử dụng lại kết người khác Thái Nguyên, Ngàytháng năm 2016 Học viên Mai Việt Dũng ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn hướng dẫn nhiệt tình TS Nguyễn Minh Ý, giảng viên Bộ môn Hệ thống điện, Trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên - Người chịu trách nhiệm hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Từ đáy lịng mình, tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy cô tham gia giảng dạy khóa học chuyên ngành Kỹ thuật điện, tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành khóa học Tơi xin gửi lời cảm ơn tới cán hành khoa Điện Phòng Đào tạo Sau đại học giúp đỡ chúng tơi q trình học tập trường Lời cuối cùng, chân thành cảm ơn động viên gia đình, bạn bè, đồng nghiệp người tạo điều kiện nhiều cho suốt chặng đường học tập qua Thái Nguyên, Ngàytháng năm 2016 Học viên Mai Việt Dũng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC BẢNG viii DANH MỤC HÌNH VẼ ix MỞ ĐẦU 1 Mục đích nghiên cứu lý chọn đề tài Đối tượng nghiên cứu lý chọn đề tài Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn đề tài Phương pháp nghiên cứu .3 Chương TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TP CẨM PHẢ VÀ NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN 1.1 Tổng quan lưới điện phân phối 1.1.1 Định nghĩa Lưới điện phân phối 1.1.2 Phân loại Lưới điện phân phối .4 1.1.3 Vai trò Lưới điện phân phối 1.2 Tổng quan lưới điện phân phối TP Cẩm Phả .5 1.2.1 Tổng quan TP Cẩm Phả 1.2.3 Nguồn điện cấp cho Cẩm Phả 1.2.4 Kết luận 1.3 Tổng quan nguồn điện phân tán (DG) 1.3.1 Định nghĩa nguồn điện phân tán 1.3.2 Đặc điểm công nghệ nguồn phát điện phân tán .8 1.3.3 Mạng điện Microgid 1.3.4 Một số loại nguồn phát điện phân tán 11 1.3.5 Xu hướng phát triển nguồn phân tán Việt Nam 28 1.3.6 Kết luận 31 iv Chương TỐI ƯU HÓA VẬN HÀNH TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN .33 2.1 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu loại nguồn phát 33 2.1.1 Nguồn phát thủy điện 33 2.1.2 Nhà máy nhiệt điện 34 2.1.3 Đặc tính tiêu hao nhiên liệu 35 2.2 Tối ưu hóa vận hành truyền thống 36 2.3 Thị trường điện giá bán điện 37 2.3.1 Thị trường điện 37 2.3.2 Hiện trạng giá điện 42 2.4 Tối ưu hóa vận hành lưới điện thị trường điện 44 2.5 Mơ tả tốn nghiên cứu 45 2.6 Phương pháp giải toán tối ưu phối hợp tổ máy phát điện thị trường điện 49 2.7 Kết luận 52 Chương THUẬT TOÁN UNIT DECOMMITTMENT TRONG VẬN HÀNH TỐI ƯU CÁC TỔ MÁY PHÁT ĐIỆN 54 3.1 Đặt toán 54 3.1.1 Mô hình tốn 55 3.1.2 Tính tốn lợi nhuận thị trường điện cạnh tranh 57 3.2 Giải bái toán 61 3.3 Thuật toán Unit Decommittment 65 3.3.1 Tính tốn cơng suất dựa vào suất tăng công suất tổ máy .65 3.3.2 Tính tốn cơng suất dựa vào hàm chi phí tổ máy 69 3.3.3 Sơ đồ khối mơ tả thuật tốn 72 3.4 Kết luận 73 Chương ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TRONG BÀI TỐN MINH HOẠ 74 4.1 Bài tốn minh họa 74 4.1.1 Trường hợp thứ 76 4.1.2 Trường hợp thứ (TH2) 82 4.1.3 Trường hợp thứ (TH3) 88 v 4.2 Kết luận 93 Chương KẾT LUẬN 94 5.1 Kết luận 94 5.2 Kiến nghị 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 PHỤ LỤC 98 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT CCĐ: Cung cấp điện CG: Nguồn phát điện trung tâm CN: Phụ tải công nghiệp DG: Nguồn điện phân tán ĐD: Đường dây ĐMT: Điện mặt trời LL: Tổng tổn thất công suất tác dụng đường dây lưới điện LPP: Lưới điện phân phối NLSK: Năng lượng sinh khối NLSK: Năng lượng sinh khối PCC: Điểm kết nối chung PQ: Nút phụ tải PV: Nút nguồn phát SH: Phụ tải sinh hoạt TĐ: Thủy Điện TĐN: Thuỷ điện nhỏ TM 1: Tổ máy nguồn phân tán số TM 2: Tổ máy nguồn phân tán số TM 3: Tổ máy nguồn phân tán số TM 4: Tổ máy nguồn phân tán số TM 5: Tổ máy nguồn phân tán số VI: Đại lượng đặc trưng cho chất lượng điện áp xuất tuyến VP: Hệ số cải thiện chất lượng điện áp lưới điện vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Dải công suất tương ứng công nghệ DG .9 Bảng 1.2 Cường độ xạ trung bình tháng số khu vực phía Bắc 29 Bảng 1.3 Tổng xạ mặt trời Móng Cái 29 Bảng 1.4 Kế hoạch phát triển nguồn điện sử dụng lượng tái tạo 31 giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến năm 2030 31 Phụ lục A: Thông số tổ máy phát điện 98 Phụ lục B: Thông số phụ tải 98 Phụ lục C: Thông số giá điện 99 Phục lục D: Công suất phát tổ máy sau tối ưu thuật toán .101 Phụ lục E: Mã lệnh thuật toán .104 viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ phân loại nguồn phần tán .8 Hình 1.2 Công nghệ điều khiển nối cho lưới điện siêu nhỏ Singapore 10 Hình 1.3 Cơng nghệ điều khiển nối cho lưới điện siêu nhỏ Hoa Kỳ 10 Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện mặt trời 11 Hình 1.5 Hệ thống điện mặt trời lớn Việt Nam (tại TP Hồ Chí Minh) .12 Hình 1.6 Hình ảnh nhà máy điện gió 13 Hình 1.7 Nguyên lý cấu tạo tổ hợp tua-bin - máy phát điện gió 14 Hình 1.8 Nhà máy điện nhiệt kết hợp 17 Hình 1.9 Nhà máy điện nhiệt kết hợp công suất lớn 18 Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý máy phát điện tua-bin khí 19 Hình 1.11 Sơ đồ cấu tạo nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu 20 Hình 1.12 Cơng trình xây dựng nhà máy thủy điện nhỏ 21 Hình 1.13 Nhà máy điện thủy triều kiểu đập cửa sông Rance (Pháp) 23 Hình 1.14 Hệ thống máy phát tua-bin thủy triều 23 Hình 1.15 Mơ hình phát điện sử dụng khí Biogass 25 Hình 1.16 Nhà máy điện sử dụng dạng lượng sinh khối .25 Hình 1.17 Nguyên lý sản xuất điện từ lượng địa nhiệt .27 Hình 1.18 Nhà máy địa nhiệt điện 27 Hình 1.19 Dự báo công suất nguồn phân tán Việt Nam đến năm 2030 30 Hình 2.1 Sơ đồ thị trường phát điện cạnh tranh 40 Hình 2.2 Sơ đồ thị trường bán bn điện cạnh tranh 40 Hình 2.3 Thị trường bán lẻ điện cạnh tranh 41 Hình 2.4 Biểu đồ giá điện 43 Hình 2.5 Lợi nhuận chi phí 47 Hình 2.6 Đường cong nhiên liệu đầu vào- cơng suất phát 48 Hình 3.1 Phối hợp tổ máy phát điện sở thị trường điện 56 Hình 3.2 Quan hệ Công suất Giá điện 58 Hình 3.3 Hình 3.4 Sơ đồ trạng thái tổ máy với Tj = 3(h) Tị = 4(h) .61 Đồ thị giá điện 65 up ix down Hình 3.5 Cơng suất phát theo giá điện λ 66 Hình 3.6 Cơng suất phát theo khả thực tế máy phát 67 Hình 3.7 Cơng suất phát thực tế máy phát 68 Hình 3.8 Quan hệ cơng suất lợi nhuận thực tế khả máy phát .69 Hình 3.9 Quan hệ giá điện cơng suất 70 Hình 3.10 Quan hệ công suất lợi nhuận 71 Hình 3.11 Quan hệ công suất lợi nhuận thực tế khả máy phát .72 Hình 4.1 Sơ đồ ngun lý vị trí đặt nguồn điện 75 Hình 4.2 Đồ thị giá điện ngày 76 Hình 4.3 Đồ thị công suất tải ngày 77 Hình 4.4 Đồ thị cơng suất phát chưa tối ưu hóa 78 Hình 4.5 Đồ thị cơng suất phát tối ưu 79 Hình 4.6 Đồ thị chi phí vận hành tổ máy 80 Hình 4.7 Doanh thu 24h 81 Hình 4.8 Giá điện 24h cho TH2 82 Hình 4.9 Đồ thị cơng suất tải cho TH2 83 Hình 4.10 Đồ thị cơng suất phát chưa tối ưu cho TH2 84 Hình 4.11 Cơng suất phát tổ máy sau tối ưu cho TH2 85 Hình 4.12 Chi phí vận hành tổ máy TH2 86 Hình 4.13 Doanh thu 24h tổ máy 87 Hình 4.14 Giá điện 24h TH3 88 Hình 4.15 Cơng suất tải 24h TH3 89 Hình 4.16 Công suất phát chưa tối ưu TH3 90 Hình 4.17 Cơng suất phát tổ máy sau tối ưu TH3 91 Hình 4.18 Chi phí tổ máy TH3 92 Hình 4.19 Doanh thu ngày TH3 93 x - Chi phí tổ máy đạt trình vận hành - Lợi nhuận tổ máy đạt trình vận hành - Tổng lợi nhuận hệ thống vận hành theo kế hoạch tính tốn - Từ kết ta đưa phương pháp vận hành tổ máy có nguồn phân tán ngày cho đạt lợi nhuận cao tổ máy - Ngoài tốn cịn đưa tới thị trường điện tương lại thị trường cạnh tranh giá điện cạnh tranh 5.2 Kiến nghị - Luận văn đưa đưa giá điện tham khảo trường điện Mỹ chưa tham khảo giá điện Việt Nam biểu giả điện Việt Nam có mức, nêu tiến tới thị trường điện cạnh tranh giá điện có biểu giá 24h - Luận văn chưa xét tới ảnh hưởng điện áp, ảnh hưởng tổn thất, ảnh hưởng vị trí nguồn phân tán kết cấu lưới điện vận hành nguồn phân tán Cần có nghiên cứu sâu ảnh hưởng nguồn phân tán tới chế độ vận hành lưới điện - Chưa xét tới việc ảnh hưởng nguồn phân tán tới độ tin cậy cung cấp điện lưới điện Đây hướng nghiên cứu tương lai - Luận văn nghiên cứu vận hành nguồn phân tán có khả điều khiển (là nguồn phân tán có tiêu thụ nhiên liệu) mà chưa xét đến nguồn lượng tái tạo phụ thuộc vào điều kiện tư nhiên 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]Trần Bách (2008), Lưới điện Hệ thống điện, tập 1, 2, 3, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2]Trần Bách (1999), Tối ưu hoá chế độ Hệ thống điện, Khoa Đại học Tại chức - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Hà Nội [3] Bộ Công thương (2011), Tiêu chuẩn kỹ thuật điện Việt Nam 2011, Nhà xuất Lao động [4]Bộ Công thương (2015), Thông tư số 39/2015/TT-BCT ngày 18 tháng 11 năm 2015 Bộ Công thương “Quy định Hệ thống điện phân phối”, Hà Nội [5]Nguyễn Văn Đạm (2005), Mạng lưới điện 1, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [6]Lê Kim Hùng, Lê Thái Thanh, Tối ưu hố vị trí đặt cơng suất nguồn phân tán mơ hình lưới phân phối 22kV, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng 2008 [7]Nguyễn Công Hiền, Nguyễn Mạch Hoạch (2007), Hệ thống cung cấp điện xí nghiệp công nghiệp nhà cao tầng, NXB KHKT, Hà Nội [8] Nguyễn Xuân Phú (1998), Cung cấp điện, NXB KHKT, Hà Nội [9]Nguyễn Quang Khải, Những vấn đề phát triển lượng sinh khối Việt Nam, Báo cáo Hội thảo phát triển lượng bền vững Việt Nam [10] Đặng Đình Thống, Lê Danh Liên, Cơ sở lượng tái tạo, Đại học Bách khoa Hà Nội, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2006 [11] Viện Năng lượng, Quy hoạch phát triển điện lực Quốc Gia giao đoạn 2006 - 2015, có xét triển vọng đến năm 2025 [12] Allen J Wood, Bruce F Wollenberg, “Power Generation, Operation and Control”, John Wiley and Sons, New York, New York, 1984 [13] Ioannis G Damousis, Anastasios G Bakirtzis, Petros S Dokopoulos, “A Solution to the Unit-Commitment Problem Using Integer-Coded Genetic Algorithm”, IEEE Transactions on Power Systems, Vol 19, No 2, May 2004 [14] Sayeed Salam, “Unit Commitment Solution Methods”, WorldAcademyaA of Science, Engineering and Technology 35 2007 96 [15] Farid Benhamida, E N Abdallah and A H Rashed, “Thermal Unit Commitment Solution Using an ImprovedLagrangian Relaxation”, Department of Electrical Engineering, Alexandria University [16] Weerakorn Ongsakul, Nit Petcharaks, “Unit Commitment by Enhanced Adaptive Lagrangian Relaxation”, IEEE Transactions on Power Systems, Vol 19, No 1, February 2004 [17] T Senjyu, A.Y Saber, T Miyagi, K Shimabukuro, N Urasaki and T.Funabashi, “Fast Technique for Unit Commitment by Genetic Algorithm Based on Unit Clustering”, IEE Proc.-Gener Transm Distrib., Vol 152, No.5, September 2005 [18] V.N Dieu and W Ongsakul, “Improved Merit Order and Augmented Lagrange Hopfield Network for Unit Commitment”, IET Gener Transm Distrib., 2007, 1, (4), pp 548-556 [19] Joao Catalao, Silvio Mariano, Victor Mendes, Luís Ferreira, “Unit Commitment with Environmental Considerations: A Practical Approach”, Session 18, Paper 3, Page 1, 15th PSCC, Liege, 22-26 August 2005 [20] Calvin Jin San Chan, “Development of Profit Maximisation Unit Commitment Program”, MSc Thesis, The University of Manchester Institute of Science and Technology, 2000 [21] C K Pang, H C Chen “Optimal Short-Term Thermal Unit Commitment”, IEEE Transactions on Apparatus and Power Systems, Vol PAS-95, No.4, pp.1336-1346, Jul./Aug 1976 [22] Chen, H Wong, K.P Wang, X Chung, C.Y ”A Coevolutionary Approach to Modeling Oligopolistic Electricity Markets” In Proceedings of 2005 IEEE Power Engineering Society General Meeting, pp.230 - 236 Vol [23] Phan Thanh Tú, “Luận văn thạc sĩ”, Trường Đại học SPKT Thành phố Hồ Chí Minh 97 PHỤ LỤC Phụ lục A: Thông số tổ máy phát điện Tổ máy Khả phát tổ máy Thời gian bật tắt Hằng số chi phí Chi phí khởi động Tổn thất Phụ lục B: Thông số phụ tải Thời gian (h) 10 11 12 Phụ lục C: Thông số giá điện Trường hợp thứ nhất: Thời gian (h) 10 11 12 Trường hợp thứ hai: Thời gian (h) 10 11 12 Trường hợp thứ ba: Thời gian (h) 10 11 12 100 Phục lục D: Công suất phát tổ máy sau tối ưu thuật toán Trường hợp thứ nhất: Thời gian (h) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 101 Trường hợp thứ hai: Thời gian (h) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 102 Trường hợp thứ ba: Thời gian (h) 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 103 Phụ lục E: Mã lệnh thuật toán % - Unit decommittment -N_stage = length(Price); N_g = length(P_min) - 1; t= [1:N_stage]; for k = 1:N_stage for i = 1:N_g u(k,i) = 1; end; end; for k = 1:N_stage Miu(k) = Price(k) / (1 - lf(N_g+1)); for i = 1:N_g P(k,i) = (Miu(k) * (1 - lf(i)) - b(i)) / (2 * a(i)); if P(k,i) > P_max(i) P(k,i) = P_max(i); elseif P(k,i) < P_min(i) P(k,i) = P_min(i); end; end; P(k,N_g+1) = (P_load(k) + P(k, 1:N_g) * (lf(1:N_g))'- sum(P(k, 1:N_g))) / (1 - lf(N_g+1)); end; for k = 1:N_stage for i = 1:N_g C_fuel(k,i) = FuelCost(P(k,i), a(i), b(i), c(i)); end; P(k,N_g+1) = (P_load(k) + P(k, 1:N_g) * (lf(1:N_g))'- sum(P(k, 1:N_g))) / (1 - lf(N_g+1)); C_feeder(k) = Price(k) * P(k,N_g+1); C_unit(k) = sum(C_fuel(k,:)) + C_feeder(k); end; C_unit_total = sum(C_unit); 104 for k = 1:N_stage for i = 1:N_g miu(k,i) = (P(k,i) * * a(i) + b(i)) / (1 - lf(i)); end; end; miu_de = miu; u_de = u; P_de = P; for i = 1:N_g for k = 1:N_stage if miu_de(k,i) > Miu(k) count = 1; cont = 1; for j = k+1:N_stage if miu_de(j,i) > Miu(j) && cont == count = count + 1; else cont = 0; end; end; time_off = max(t_off(i), count); T_off = min(N_stage, k+time_off-1); C_save = 0; for j = k:T_off C_save = C_save + FuelCost(P_de(j,i), a(i), b(i), c(i)) P_de(j,i) * (1 - lf(i)) * Miu(j); end; C_save = C_save - Cst(i); if C_save >= for j = k:T_off u_de(j,i) = 0; P_de(j,i) = 0; miu_de(j,i) = Miu(j); end; end; time_off = 0; end; 105 end; end; for k = 1:N_stage P_de(k,N_g+1) = (P_load(k) + P_de(k, 1:N_g) * (lf(1:N_g))'- sum(P_de(k, 1:N_g))) / (1 - lf(N_g+1)); end; for i = 1:N_g u_pre(i) = 1; end; for k = 1:N_stage for i = 1:N_g if u_de(k,i) == C_fuel_de(k,i) = FuelCost(P_de(k,i), a(i), b(i), c(i)); if u_pre(i) == C_fuel_de(k,i) = C_fuel_de(k,i) + Cst(i); end; else C_fuel_de(k,i) = 0; end; u_pre(i) = u_de(k,i); end; C_feeder_de(k) = Price(k) * P_de(k,N_g+1); C_deunit(k) = sum(C_fuel_de(k,:)) + C_feeder_de(k); end; C_deunit_total = sum(C_deunit); 106 ... sử dụng nguồn điện phân tán ứng dụng mạng điện Thành Phố Cẩm Phả” luận văn mong muốn đóng góp phần nhỏ tìm tịi nghiên cứu vào việc vận hành tối ưu hóa nguồn phân tán Đối tượng nghiên cứu lý chọn... hoạch vận hành nguồn phân tán 24h ngày - Đánh giá hiệu kinh tế vận hành tối ưu hóa nguồn phân tán lưới điện phân phôi Chương TỔNG QUAN VỀ LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI TP CẨM PHẢ VÀ NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN 1.1... phân phối thành phố; + Lưới phân phối nơng thơn; + Lưới phân phối xí nghiệp - Theo thiết bị dẫn điện: + Lưới phân phối không; + Lưới phân phối cáp ngầm - Theo cấu trúc hình dáng: + Lưới phân phối