Luận án tiến sĩ về mở rộng nguồn điện phân tán - Tôn Ngọc Triều

Luận án đề xuất ba bài toán mới và một bài toán áp dụng, được thiết kế để giải quyết các vấn đề quan trọng trong LĐPP Việt Nam. Các bài toán này tập trung vào việc xác định vị trí và công suất tối ưu của DG và ESS. Điều này giúp tối đa hóa lợi ích mà các nguồn này mang lại cho lưới điện, bao gồm cải thiện độ tin cậy và giảm chi phí vận hành. Luận án cũng đề xuất các phương pháp tái cấu hình lưới điện phân phối (DNR) hiệu quả. Mục tiêu là đảm bảo hệ thống vận hành linh hoạt và hiệu quả dưới các điều kiện tải và phát điện khác nhau, đặc biệt là sự biến động của năng lượng tái tạo. Từ đó, nghiên cứu hướng tới việc xây dựng một lưới điện thông minh, có khả năng tự động thích ứng và phục hồi cao, đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của xã hội.

Hiệu quả hoạt động của lưới điện phân phối là một yếu tố then chốt, ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí vận hành và chất lượng cung cấp điện. Luận án tập trung vào việc nâng cao hiệu quả này thông qua việc giảm thiểu tổn thất công suất của hệ thống, một mục tiêu kinh tế và kỹ thuật quan trọng. Ngoài ra, nghiên cứu còn hướng đến cải thiện chất lượng điện áp tại các nút tải, đảm bảo nguồn điện ổn định cho người tiêu dùng và các ngành công nghiệp. Khả năng cung cấp điện cũng được tăng cường, đặc biệt trong các khu vực xa trung tâm hoặc có nhu cầu cao. Việc tích hợp thông minh các nguồn DG và ESS giúp hệ thống phản ứng nhanh nhạy với mọi biến động tải, từ đó giảm thiểu sự cố và thời gian mất điện. Điều này dẫn đến một lưới điện vận hành ổn định, đáng tin cậy hơn, mang lại lợi ích kinh tế đáng kể cho các đơn vị vận hành lưới điện và người tiêu dùng.

Việc xác định vị trí và công suất tối ưu cho các nguồn điện phân tán là một thách thức lớn trong quy hoạch hệ thống điện. Việc đặt DG ở những vị trí không phù hợp có thể dẫn đến nhiều vấn đề nghiêm trọng như tăng tổn thất công suất, biến động điện áp không mong muốn vượt quá giới hạn cho phép, và thậm chí làm giảm độ ổn định của toàn bộ hệ thống. Luận án đã phát triển một khuôn khổ tối ưu mạnh mẽ để giải quyết vấn đề này. Khuôn khổ này giúp tìm ra các vị trí lý tưởng để lắp đặt DG, dựa trên các tiêu chí kỹ thuật và kinh tế. Đồng thời, công suất phát điện của mỗi DG cũng được tối ưu hóa một cách cẩn thận. Điều này đảm bảo rằng mỗi nguồn DG không chỉ đóng góp hiệu quả nhất vào hệ thống mà còn giúp cải thiện đáng kể các thông số kỹ thuật của lưới điện, chẳng hạn như hồ sơ điện áp và dòng công suất, đồng thời tối đa hóa lợi nhuận đầu tư.

Tái cấu hình lưới điện phân phối (DNR) là một chiến lược vận hành linh hoạt và hiệu quả, liên quan đến việc thay đổi trạng thái đóng/mở của các thiết bị đóng cắt trên lưới để thay đổi cấu trúc mạng lưới một cách động. Khi được kết hợp một cách thông minh với việc lắp đặt nguồn điện phân tán (DG), DNR có thể mang lại những lợi ích to lớn. Nó giúp giảm đáng kể tổn thất công suất toàn hệ thống bằng cách tối ưu hóa đường đi của dòng điện. Đồng thời, DNR cũng cải thiện phân phối tải giữa các nhánh, giúp tránh quá tải cho một số phần của lưới và tăng cường khả năng mang tải tổng thể. Luận án xem xét DNR như một phần không thể thiếu và đồng thời của quá trình tối ưu hóa DG. Sự tích hợp này cho phép hệ thống tìm ra cấu hình mạng lưới tối ưu nhất cho từng kịch bản vận hành, tận dụng tối đa lợi thế của cả DG và khả năng điều chỉnh cấu trúc lưới để đạt hiệu quả cao nhất.

Hàm mục tiêu chính và quan trọng nhất của bài toán tối ưu được đề xuất là cực tiểu hóa tổn thất công suất của hệ thống. Tổn thất công suất không chỉ là một vấn đề kỹ thuật mà còn là một yếu tố kinh tế quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí vận hành của các công ty điện lực và giá thành điện năng cho người tiêu dùng. Việc giảm tổn thất công suất đồng nghĩa với việc tiết kiệm năng lượng đáng kể, giảm lượng khí thải carbon và tối ưu hóa hiệu suất chung của toàn bộ lưới điện, góp phần vào mục tiêu phát triển bền vững. Bài toán mới chứng minh khả năng giảm tổn thất hiệu quả thông qua việc bố trí DG hợp lý và tái cấu hình lưới thông minh. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu quả kinh tế mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường và sử dụng tài nguyên năng lượng một cách hiệu quả hơn, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia.

Giai đoạn đầu tiên của phương pháp tối ưu là tập trung vào việc lắp đặt tối ưu các nguồn điện phân tán trong lưới điện phân phối kín. Đây là một giai đoạn thiết kế dài hạn, nơi các quyết định chiến lược về vị trí và công suất của DG được đưa ra. Trong giai đoạn này, hệ thống điện được xem xét trong trạng thái lý tưởng ban đầu, với mục tiêu chính là xác định cấu hình DG tối ưu để cực tiểu hóa tổn thất công suất mà không cần thay đổi cấu trúc lưới hiện tại. Các yếu tố như chi phí đầu tư ban đầu, khả năng kết nối kỹ thuật, và tác động ban đầu đến chất lượng điện áp được cân nhắc kỹ lưỡng. Giai đoạn này đặt nền tảng vững chắc cho hiệu suất tổng thể của hệ thống điện khi tích hợp các nguồn năng lượng mới, tối ưu hóa các yếu tố nền tảng trước khi đi vào vận hành thực tế.

Giai đoạn thứ hai là tối ưu hóa trạng thái khóa mở để lưới điện vận hành hở. Giai đoạn này thuộc về vận hành ngắn hạn, tập trung vào việc điều chỉnh linh hoạt cấu trúc lưới điện để thích ứng với các điều kiện tải và phát điện thay đổi theo thời gian thực. Sau khi DG đã được lắp đặt (theo kết quả của giai đoạn I), giai đoạn này sẽ tìm kiếm các cài đặt tối ưu cho các thiết bị đóng cắt. Việc này nhằm mục đích giảm thiểu tổn thất công suất và cải thiện hồ sơ điện áp trong từng khoảng thời gian vận hành cụ thể. Sự kết hợp giữa vị trí DG cố định và khả năng tái cấu hình lưới động mang lại sự linh hoạt tối đa cho nhà điều hành, giúp duy trì hiệu suất cao nhất của lưới điện dưới mọi kịch bản vận hành. Điều này đặc biệt quan trọng để đáp ứng nhanh chóng với sự biến động của nguồn năng lượng tái tạo.

Phương pháp hai giai đoạn được đề xuất mang lại ưu điểm vượt trội là khả năng tìm kiếm lời giải tối ưu toàn cục cho bài toán phức tạp. Điều này là do việc tách biệt các biến thiết kế dài hạn (như vị trí và công suất của DG) và các biến vận hành ngắn hạn (như cấu hình lưới điện) giúp giảm đáng kể độ phức tạp của bài toán ở mỗi giai đoạn. Thay vì phải giải quyết một bài toán với số lượng biến rất lớn cùng một lúc, thuật toán chỉ cần xử lý một tập hợp nhỏ hơn các biến trong từng bước riêng biệt. Điều này không chỉ tăng tốc độ tìm kiếm lời giải mà còn cải thiện đáng kể chất lượng của lời giải tối ưu tìm được, đảm bảo nó là lời giải tốt nhất có thể. Phương pháp này đảm bảo sự phù hợp giữa kế hoạch phát triển dài hạn của lưới điện và các chiến lược vận hành hàng ngày, mang lại hiệu quả bền vững và ổn định cho hệ thống điện.

Để giải quyết bài toán tối ưu đa chiều này, luận án đã sử dụng ba thuật toán metaheuristic nổi bật. Runner Root Algorithm (RRA) là một thuật toán mới được phát triển, thể hiện khả năng tìm kiếm tối ưu mạnh mẽ với tốc độ hội tụ nhanh. Coyote Algorithm (COA) là một thuật toán lấy cảm hứng từ hành vi xã hội của loài chó sói, đã chứng minh hiệu quả trong nhiều bài toán tối ưu phức tạp nhờ khả năng cân bằng giữa thăm dò và khai thác. Genetic Algorithm (GA) là một thuật toán tiến hóa cổ điển, được công nhận rộng rãi về khả năng tìm kiếm lời giải gần tối ưu trong không gian tìm kiếm rộng lớn. Mỗi thuật toán này được triển khai và thử nghiệm độc lập, và tất cả đều cho thấy khả năng vượt trội trong việc xác định vị trí và công suất tối ưu của DG, đồng thời xem xét DNR, giảm thiểu tổn thất công suất một cách hiệu quả.

Hiệu suất của bài toán đề nghị thông qua phương pháp hai giai đoạn đã được so sánh kỹ lưỡng với các phương pháp tối ưu DG khác đã được công bố rộng rãi trong tài liệu khoa học. Cụ thể, nó được đối chiếu với bài toán tối ưu đồng thời vị trí, công suất và tái cấu hình lưới điện phân phối (DNR), cũng như bài toán tối ưu vị trí trước rồi tối ưu công suất và DNR (VT-CS và DNR). Các kết quả so sánh định lượng rõ ràng cho thấy phương pháp hai giai đoạn của luận án mang lại lời giải tối ưu toàn cục tốt hơn đáng kể, đặc biệt là về mặt giảm tổn thất công suất hệ thống. Điều này khẳng định tính ưu việt và hiệu quả vượt trội của cách tiếp cận mới, cung cấp một giải pháp đáng tin cậy hơn cho việc lập kế hoạch và vận hành tối ưu lưới điện phân phối trong bối cảnh tích hợp năng lượng tái tạo ngày càng tăng.

Để chứng minh tính khả thi, độ tin cậy và ưu việt của giải pháp đề xuất, bài toán đã được kiểm chứng một cách nghiêm ngặt trên các hệ thống lưới điện tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu. Hai lưới điện mẫu được sử dụng là lưới điện phân phối 33 nút và lưới điện phân phối 69 nút. Đây là các hệ thống thử nghiệm phổ biến trong cộng đồng nghiên cứu hệ thống điện, cho phép so sánh khách quan và đánh giá hiệu suất của thuật toán với các công trình khác. Kết quả kiểm chứng trên các lưới điện này đã khẳng định rõ ràng tính hiệu quả của bài toán, chứng minh khả năng giảm tổn thất công suất một cách đáng kể, cải thiện chất lượng điện áp và nâng cao độ tin cậy của hệ thống. Điều này xác nhận khả năng ứng dụng thực tế và mang lại giá trị thiết thực của phương pháp vào việc cải thiện các lưới điện phân phối hiện có.