Tiến Sĩ Qui hoạch thiết kế hệ thống cung cấp điện có xét đến khả năng tham gia của nguồn điện phân tán và gi

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2015
MỞ ĐẦU
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN .ii
MỤC LỤC .iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .vii
DANH MỤC CÁC BẢNG .viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .ix
MỞ ĐẦU .xi
1. Tính cấp thiết của đề tài xi
2. Mục đích nghiên cứu xii
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu xii
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .xiii
5. Nội dung nghiên cứu xiii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ QUI HOẠCH HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN1
1.1 Giới thiệu 1
1.2 HTCCĐ Việt Nam và một số vấn đề về qui hoạch 1
1.2.1 Hiện trạng HTCCĐ Việt Nam 1
1.2.2 Những tồn tại và vấn đề qui hoạch HTCCĐ .2
1.3 Nguồn điện phân tán 3
1.3.1 Tổng quan về nguồn điện phân tán .3
1.3.2 Công nghệ và đặc điểm của nguồn điện phân tán .3
1.3.2.1 Thủy điện nhỏ 4
1.3.2.2 Điện gió .4
1.3.2.3 Điện mặt trời .5
1.3.2.4 Tuabin khí và máy phát diesel 6
1.4 Bài toán qui hoạch phát triển HTCCĐ .6
1.4.1 Tổng quan bài toán qui hoạch HTCCĐ 6
1.4.1.1 Mục tiêu .6
1.4.1.2 Những bước cơ bản của bài toán qui hoạch HTCCĐ .6
1.4.1.3 Một số bài toán qui hoạch HTCCĐ 6
1.4.2 Phân tích và lựa chọn phương pháp qui hoạch HTCCĐ .8
1.4.2.1 Qui hoạch theo tiêu chuẩn .8
1.4.2.2 Qui hoạch toán học 8
1.4.2.3 Phân tích và lựa chọn phương pháp qui hoạch 9
1.4.3 Bài toán qui hoạch toán học tổng quát 9
1.4.3.1 Mô hình toán .9
1.4.3.2 Phân loại bài toán qui hoạch .10
1.4.4 Những thay đổi gần đây trong qui hoạch HTCCĐ 11 1.4.4.1 Sự tham gia của các nguồn điện phân tán 11
1.4.4.2 Yếu tố giá điện .12
1.4.5 Các chỉ tiêu kinh tế đánh giá phương án đầu tư 12
1.5 Qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của các DG 15
1.5.1 Mô hình bài toán qui hoạch HTCCĐ 15
1.5.2 Phương pháp, thuật toán giải bài toán qui hoạch HTCCĐ 18
1.6 Đánh giá và lựa chọn công cụ tính toán 19
1.6.1 Giới thiệu chương trình GAMS 19
1.6.2 Thuật toán và solver MINOS trong chương trình GAMS .21
1.6.3 Những yêu cầu khi lập bài toán qui hoạch HTCCĐ trong GAMS 25
1.7 Nhận xét và đề xuất những vấn đề cần nghiên cứu 26
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN
QUI HOẠCH HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN .28
2.1 Đặt vấn đề .28
2.2 Phân tích một số đặc điểm của bài toán qui hoạch HTCCĐ hiện nay30
2.2.1 Lựa chọn mô hình qui hoạch HTCCĐ 30
2.2.2 Những đặc điểm cần nghiên cứu bổ sung .32
2.2.2.1 Ràng buộc nâng cấp và hàm chi phí nâng cấp đường dây, TBA .32
2.2.2.2 Mô hình cân bằng công suất nút AC 33
2.2.2.3 Sử dụng ĐTPT điển hình trong tính toán chi phí 34
2.3 Xây dựng mô hình toán qui hoạch HTCCĐ 35
2.3.1 Sơ đồ khối và qui trình tính toán qui hoạch HTCCĐ 35
2.3.2 Xây dựng mô hình cơ sở (MCSD) .39
2.3.2.1 Hàm mục tiêu của mô hình cơ sở .39
2.3.2.2 Các ràng buộc của mô hình cơ sở 46
2.3.2.3 Phân tích và nhận dạng mô hình cơ sở .50
2.3.3 Xây dựng mô hình hiệu chỉnh (MHCD) .50
2.3.3.1 Hàm mục tiêu của mô hình hiệu chỉnh .50
2.3.3.2 Các ràng buộc của mô hình hiệu chỉnh 51
2.3.3.3 Phân tích và nhận dạng mô hình hiệu chỉnh .51
2.3.4 Đánh giá mô hình đề xuất 53
2.4 Tính toán áp dụng 53
2.4.1 Đặt vấn đề 53
2.4.2 Sơ đồ khối và mô hình tính toán 53
2.4.3 Xây dựng chương trình tính toán .54
2.4.3.1 Lập modul nhập thông số đầu vào và mô tả bài toán 54
2.4.3.2 Sử dụng solver giải bài toán tìm nghiệm tối ưu 56
2.4.3.3 Lập modul hiển thị kết quả .56 2.4.4 Ví dụ 1 .56
2.4.4.1 Lập mô hình và tính toán bước cơ sở .57
2.4.4.2 Lập mô hình và tính toán bước hiệu chỉnh .61
2.4.4.3 Đánh giá hiệu quả của mô hình đề xuất .64
2.5 Nhận xét và kết luận chương 2 65
CHƯƠNG 3. QUI HOẠCH HỆ THỐNG CUNG CẤP ĐIỆN XÉT ĐẾN KHẢ
NĂNG THAM GIA CỦA CÁC LOẠI NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN 67
3.1 Đặt vấn đề .67
3.2 Sơ đồ khối và qui trình tính toán qui hoạch HTCCĐ khi xét đến đặc
điểm công nghệ của DG .68
3.3 Qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của TBK hoặc máy
phát diesel .68
3.3.1 Xây dựng mô hình toán qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng
tham gia của TBK hoặc máy phát diesel 68
3.3.1.1 Xây dựng mô hình cơ sở .68
3.3.1.2 Xây dựng mô hình hiệu chỉnh .74
3.3.2 Lập chương trình giải bài toán qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả
năng tham gia của TBK, máy phát diesel .76
3.3.3 Ví dụ 2 .76
3.3.3.1 Sơ đồ và thông số của HTCCĐ 76
3.3.3.2 Khai báo biến và dữ liệu đầu vào .77
3.3.3.3 Kết quả tính toán .78
3.3.4 Nhận xét 82
3.4 Qui hoạch HTCCĐ khi xét khả năng tham gia của TĐN .83
3.4.1 Xây dựng mô hình toán qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng
tham gia của TĐN 84
3.4.1.1 Xây dựng mô hình cơ sở .84
3.4.1.2 Xây dựng mô hình hiệu chỉnh .87
3.4.2 Lập chương trình tính toán qui hoạch HTCCĐ khi xét khả năng tham
gia của TĐN 88
3.4.3 Ví dụ 3 .88
3.4.3.1 Sơ đồ và thông số của HTCCĐ 88
3.4.3.2 Khai báo biến và dữ liệu đầu vào .89
3.4.3.3 Kết quả tính toán .89
3.4.4 Nhận xét 91
3.5 Qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng tham gia của nhiều loại DG
.92
3.5.1 Xây dựng mô hình toán qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng
tham gia của nhiều loại DG 93
3.5.1.1 Xây dựng mô hình cơ sở .93 3.5.1.2 Xây dựng mô hình hiệu chỉnh .96
3.5.2 Lập chương trình tính toán qui hoạch HTCCĐ khi xét đến khả năng
tham gia của nhiều loại DG 98
3.5.3 Ví dụ 4 .98
3.5.3.1 Sơ đồ và thông số HTCCĐ .98
3.5.3.2 Khai báo biến và dữ liệu đầu vào .99
3.5.3.3 Kết quả tính toán .99
3.5.4 Nhận xét 102
3.6 Nhận xét và kết luận chương 3 103
CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN ÁP DỤNG CHO QUI HOẠCH HỆ THỐNG CUNG
CẤP ĐIỆN VIỆT NAM 105
4.1 Đặt vấn đề .105
4.2 Những giả thiết và thông số tính toán .105
4.2.1 Những giả thiết chung 105
4.2.2 Suất chi phí của DG theo công nghệ 106
4.2.3 Suất chi phí đầu tư đường dây và TBA 107
4.2.4 Đặc tính giá bán điện .107
4.3 Tính toán qui hoạch HTCCĐ trong khu vực 1 .108
4.3.1 Sơ đồ và thông số tính toán của hệ thống .108
4.3.2 Kết quả tính toán và thảo luận 110
4.4 Tính toán qui hoạch HTCCĐ trong khu vực 2 .114
4.4.1 Sơ đồ HTCCĐ và thông số tính toán 114
4.4.2 Kết quả tính toán và thảo luận 116
4.5 Những đánh giá và kết luận chương 4 .120
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .121
1. Những nội dung cơ bản của luận án 121
2. Những đóng góp của luận án 122
3. Hướng nghiên cứu tiếp theo .123
TÀI LIỆU THAM KHẢO .124
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .134
PHỤ LỤC .135
MỞ ĐẦU
Qui hoạch HTCCĐ là vấn đề phức tạp với nhiều mục tiêu khác nhau như
đảm bảo hiệu quả kinh tế, cung cấp năng lượng tin cậy và không tác động xấu
đến môi trường. Ngoài ra, nhiều yếu tố mang tính ngẫu nhiên và không chắc
chắn, số lượng biến rất lớn cũng làm tăng tính phức tạp của bài toán.
Cùng với quá trình phát triển của ngành điện, nhiều mô hình và phương
pháp qui hoạch HTCCĐ đã được phát triển và ứng dụng thành công trong thực
tiễn với kết quả và giải pháp phù hợp. Tuy vậy, các mô hình và phương pháp này
có thể được cải thiện, nâng cao hiệu quả khi sử dụng những giải pháp hoàn thiện
hơn nên các nghiên cứu vẫn tiếp tục được thực hiện bởi nhiều nhà khoa học trên



thế giới. Trong những năm gần đây, quá trình tái cơ cấu TTĐ theo xu hướng
cạnh tranh và công nghệ DG phát triển rất nhanh. Nhiều công cụ với khả năng
tính toán mạnh, nhiều phương pháp và thuật toán mới đã được phát triển. Do đó,
cần nghiên cứu các mô hình và phương pháp qui hoạch mới, hoàn thiện hơn
nhằm nâng cao tính chính xác và đáp ứng được yêu cầu thực tiễn.
1. Tính cấp thiết của đề tài
Tốc độ tăng trưởng phụ tải điện nước ta khá cao trong hơn thập kỷ qua.
Trong giai đoạn (1999ư2010) tốc độ tăng trưởng đạt 13,84% [34], dự báo trong
giai đoạn (2010ư2015) đạt (14,1ư16,0)% và đạt khoảng (11,3ư11,6)% trong giai
đoạn (2016ư2020) tương ứng sản lượng năm 2020 đạt khoảng (330ư362)tỷ kWh
[44]. HTCCĐ còn nhiều bất cập như nhiều cấp điện áp chồng chéo, thiết bị lạc
hậu, chất lượng điện năng và độ tin cậy CCĐ kém [42][44]. Do đó, qui hoạch
HTCCĐ cần phải được quan tâm thỏa đáng mới đáp ứng yêu cầu hiện nay.
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện và đưa ra những giải pháp như xây
dựng lộ trình qui hoạch dài hạn, thống nhất cho từng khu vực và từng miền. Đầu
tư nâng cấp đường dây và TBA, từng bước nâng cấp và thay thế các hệ thống cũ,
thiết bị lạc hậu, bổ sung các thiết bị mới và giảm bán kính cấp điện nhằm nâng
cao chất lượng điện và độ tin cậy CCĐ [3][23][42]. Tuy vậy, thực hiện các giải
pháp trên đòi hỏi lượng vốn đầu tư lớn, thời gian thực hiện dài nên qui hoạch
HTCCĐ nước ta trong thời gian tới cần những giải pháp hiệu quả và đột phá.
Trong thập kỷ tới, phụ tải của HTĐ Việt Nam vẫn tăng khá cao, các nguồn
năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường và làm thay
đổi hệ sinh thái [44]. Nghiên cứu phát triển và ứng dụng các công nghệ phát điện
mới có khả năng tái tạo, không gây ô nhiễm môi trường trong qui hoạch HTĐ nói
chung và qui hoạch HTCCĐ là yêu cầu cấp thiết hiện nay. Hơn nữa, TTĐ đã
được xây dựng thành công tại nhiều quốc gia trên thế giới trong những năm gần
đây và đang từng bước được ứng dụng để tái cơ cấu ngành điện Việt Nam theo
xu hướng cạnh tranh [10][11][33][36]. Công nghệ phát điện đã phát triển rất nhanh với nhiều nguồn năng lượng mới và tái tạo được thương mại hóa thành
công, có thể cạnh tranh với các nguồn năng lượng truyền thống [88][101][106]
[111][112][128][131][138][146][148][154]. Khi DG tham gia trong HTCCĐ sẽ
dẫn đến những thay đổi trong bài toán qui hoạch và cải tạo. Những thay đổi này
làm tăng tính phức tạp của bài toán nhưng cũng mở ra những cơ hội để nâng cao
hiệu quả kinh tế và cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật của HTCCĐ [66][74][76].
Bài toán qui hoạch HTCCĐ đã được nghiên cứu và phát triển từ rất sớm với
nhiều phương pháp và mô hình qui hoạch được đề xuất. Nâng cấp thiết bị của hệ
thống (đường dây, TBA), bổ sung các đường dây mới và mở rộng sơ đồ hay bổ
sung thiết bị bù là bài toán qui hoạch cải tạo HTCCĐ đã được nhiều tác giả
nghiên cứu và đề xuất các mô hình tính toán [68][79][104][137][139]. Ứng dụng
DG trong HTCCĐ và đặc tính giá điện thay đổi theo thời gian phụ thuộc vào cơ
cấu tải rất được quan tâm gần đây. Do đó, nhiều mô hình qui hoạch HTCCĐ xét
đến khả năng tham gia DG đã được nghiên cứu và giới thiệu [50][60][70][71]
[122][124]. Những nghiên cứu này đã xét đến nhiều khía cạnh của bài toán qui
hoạch HTCCĐ khi tổng hợp DG. Tuy vậy, công suất của các DG thường thay đổi
phụ thuộc vào nguồn năng lượng sơ cấp, giá điện của các nguồn cung cấp cũng
thay đổi theo thời gian và vị trí kết nối trong HTĐ thì chưa được đề cập đầy đủ.
Từ phân tích trên, hướng nghiên cứu chính của luận án là bài toán qui
hoạch HTCCĐ có xét đến khả năng tham gia của DG với đặc tính công suất phát
theo từng công nghệ, tổng hợp đặc tính giá điện và ĐTPT.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án là xây dựng cơ sở lý thuyết và phát triển
các phương pháp tính toán KT-KT nhằm giải quyết một số khía cạnh của bài toán
qui hoạch HTCCĐ khi xét đến các DG. Luận án sẽ tập trung nghiên cứu các mô
hình qui hoạch HTCCĐ có xét đến khả năng tham gia của DG với đặc tính công
suất phát thay đổi phụ thuộc nguồn năng lượng sơ cấp. Mô hình sẽ tổng hợp đặc
tính của giá bán điện và ĐTPT nhằm nâng cao tính chính xác của kết quả tính
toán. Trên cơ sở đó, xây dựng các chương trình tính toán và áp dụng cho bài toán
qui hoạch HTCCĐ Việt Nam.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là các HTCCĐ trung áp, thuộc phạm vi
quản lý và vận hành cấp địa phương (các điện lực quận, huyện, thành phố, nhà
máy xí nghiệp ) hay CTPP.
Trong điều kiện HTCCĐ có các DG, luận án sẽ tập trung nghiên cứu phát
triển lý thuyết và các phương pháp tính toán KT-KT của bài toán qui hoạch