ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN HỆ THỐNG ĐIỆN
--------------oOo--------------

NGUYỄN NGỌC HỊA

ÁP DỤNG THUẬT TỐN PSO CẢI TIẾN TỐI ƯU VỊ TRÍ
VÀ DUNG LƯỢNG TỤ BÙ TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN
PHỐI

CHUYÊN NGÀNH
MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH

: KỸ THUẬT ĐIỆN
: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS TS. VÕ NGỌC ĐIỀU

TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------------

NGUYỄN NGỌC HỊA

ÁP DỤNG THUẬT TỐN PSO CẢI TIẾN TỐI ƯU VỊ TRÍ
VÀ DUNG LƯỢNG TỤ BÙ TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số
: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2016


-i-

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG – TPHCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học:

PGS TS. VÕ NGỌC ĐIỀU

.......................................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày ……. tháng ……. năm ………
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn Thạc sĩ)
1. ...................................................................................
2. ...................................................................................
3. ...................................................................................
4. ...................................................................................
5. ...................................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ


-ii-

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN NGỌC HÒA.


MSHV: 7140971.

Ngày, tháng, năm sinh: 14/10/1978.

Nơi sinh: Đồng Nai.

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện.

Mã số: 60520202

I. TÊN ĐỀ TÀI:
ÁP DỤNG THUẬT TOÁN PSO CẢI TIẾN TỐI ƯU VỊ TRÍ VÀ DUNG
LƯỢNG TỤ BÙ TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Nghiên cứu các phương pháp giải bài tốn tối ưu vị trí tụ bù (CAPO) trong lưới
điện phân phối và PSO cải tiến.

-

Tìm hiểu về thuật toán PSO-CF và các sự cải tiến của thuật toán PSO.

-

Ứng dụng PSO-CF để giải bài toán tối ưu vị tụ bù (CAPO) trong lưới điện phân
phối và so sánh kết quả đạt được với các phương pháp khác.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2016.
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/06/2016.

V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS. VÕ NGỌC ĐIỀU
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2016.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

PGS TS. Võ Ngọc Điều

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

PGS TS.Võ Ngọc Điều

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
(Họ tên và chữ ký)


-iii-

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.

Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Ngọc Hòa



-iv-

LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, Xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Thầy PGS TS. VÕ NGỌC ĐIỀU,
Người đã từng bước giúp đỡ, tận tình giảng dạy, động viên, truyền đạt những kinh
nghiệm q báu giúp tơi trong q trình thực hiện luận văn này. Thầy mãi là tấm
gương sáng để tôi noi theo trên bước đường học tập và sự nghiệp của mình.
Tơi xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy Cô giáo và cán bộ trong khoa Điện-Điện
tử trường ĐH Bách Khoa TPHCM đã cho em những nền tảng kiến thức – tri thức quý
báu và giúp đỡ tôi trong những năm học tập vừa qua.
Xin cảm ơn các anh chị khóa trước đã có những cơng trình hữu ích giúp tơi
tham khảo cho luận văn này. Xin cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp nhiều
người đã giúp đỡ tôi bằng nhiều cách khác nhau để hoàn thành tốt luận văn.
Xin Cám ơn trường Đại học Bách Khoa TPHCM; Khoa Điện- Điện Tử; Phòng
Quản Lý Đào Tạo Sau Đại Học; Tập thể anh chị em lớp Kỹ thuật điện khóa 2014 đã
tạo điều kiện tốt nhất để tơi thực hiện luận văn này.
Trong q trình nghiên cứu và hồn thành luận văn, vì thời gian và trình độ có
hạn nên khơng tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của
Thầy Cơ, bạn bè và đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn.


-v-

TĨM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài trình bày về một phương pháp PSO cải tiến mới phương pháp Particle
Swarm Optimization Constriction Factor (PSO-CF) để giải bài tốn tối ưu hóa vị trí

tụ bù trong lưới điện phân phối CAPO (Capacitor Placement Optimization). PSO-CF
là tối ưu hóa bầy đàn với hệ số giới hạn được thêm vào với mục đích là tăng tính hội
tụ của bài tốn. Phương pháp PSO-CF đề xuất giải bài toán CAPO với các hàm mục
tiêu khác nhau như tối thiểu hóa tổn thất cơng suất, cải thiện điện áp cục bộ, tăng khả
năng ổn định điện áp, cực tiểu chi phí lắp đặt vận hành tụ bù. Ngồi ra, các hàm mục
tiêu cịn bị ràng buộc bởi các thuộc tính khác nhau như: giới hạn điện áp nút, giới hạn
dung lượng của tụ bù, giới hạn công suất truyền tải trên đường dây. Phương pháp đề
xuất này đã thử nghiệm trên hệ thống mạng điện chuẩn IEEE 13 nút và IEEE 33 nút
để kiểm chứng và so sánh với các phương pháp PSO cải tiến khác và các phương
pháp trí tuệ nhân tạo khác, bên cạnh đó cịn áp dụng tính tốn đối với hai lưới điện
phân phối thực tế 46 nút và 134 nút. Qua đó, thấy được phương pháp PSO-CF là một
phương pháp thuận lợi và hiệu quả để giải quyết vấn đề tối ưu hóa vị trí của tụ bù
trong lưới điện phân phối.


-vi-

ABSTRACT

This topic presents a new method improved PSO (PSO-CF) for solving Capacitor
Placement Optimization (CAPO) problem. PSO-CF is optimized swarm with limited
coefficient is added for the purpose of increasing the convergence of the problem..
The proposed PSO-CF has been implemented for the CAPO problem with different
objectives such as minimizing the real power losses, improving the voltage
profile and minimizing the cost of operate and maintainance capacitor. At the same
time, the objects are properly handle various contraints for bus voltage limits,
capacitor storage limits and limited transmission capacity on the line. This thesis has
been tested on the IEEE 13-bus and IEEE 33-bus and the obtained results are
compared to those from other improved PSO variants and other meta-heuristic
methods, besides applying calculations for two electricity distribution networks 46bus and 134-bus. Thereby, see that PSO method is an advantageous method and

effective to solve the problem of optimizing the location of the capacitor in the power
distribution system.


-vii-

MỤC LỤC
Trang

TÓM TẮT LUẬN VĂN ---------------------------------------------------------------------- v
ABSTRACT ----------------------------------------------------------------------------------- vi
MỤC LỤC ------------------------------------------------------------------------------------ vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ----------------------------------------------------------- x
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ------------------------------------------------------------ xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ------------------------------------------------------- xii
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG ------------------------------------------------------- 1
1.1 Lý do chọn đề tài -------------------------------------------------------------------------- 1
1.2 Mục tiêu nghiên cứu ---------------------------------------------------------------------- 1
1.3 Phạm vi nghiên cứu ----------------------------------------------------------------------- 2
1.4 Nội dung của đề tài ----------------------------------------------------------------------- 2
CHƯƠNG 2 ------------------------------------------------------------------------------------ 3
TỔNG QUAN VỀ BÙ CỐNG SUẤT PHẢN KHÁNG ---------------------------------- 3
1. Khái niệm về công suất phản kháng ----------------------------------------------------- 3
1.1 Công suất phản kháng của điện cảm---------------------------------------------------- 3
1.2 Công suất phản kháng của điện dung--------------------------------------------------- 4
1.3 Sự tiêu thụ công suất phản kháng ------------------------------------------------------- 7
1.4 Động cơ không đồng bộ ------------------------------------------------------------------ 7
1.5 Máy biến áp -------------------------------------------------------------------------------- 7
1.6 Đèn huỳnh quang -------------------------------------------------------------------------- 8
2. Các nguồn phát công suất phản kháng trên lưới điện ---------------------------------- 8

2.1 Máy bù đồng bộ --------------------------------------------------------------------------- 9
2.2 Đường dây tải điện ------------------------------------------------------------------------ 9
2.3 Tụ điện tĩnh -------------------------------------------------------------------------------- 9
2.4 Động cơ không đồng bộ rơto dây quấn được đồng bộ hóa ------------------------ 11
3. Ưu nhược điểm của các nguồn phát CSPK ------------------------------------------- 11


-viii-

3.1 Ưu điểm của tụ điện so với máy bù đồng bộ ---------------------------------------- 11
3.2 Nhược điểm của tụ điện so với máy bù đồng bộ ------------------------------------ 12
4. Ý nghĩa của việc bù công suất phản kháng trong lưới điện phân phối ------------ 13
CHƯƠNG 3 ---------------------------------------------------------------------------------- 17
TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN CAPO VÀ
THUẬT TOÁN PSO CẢI TIẾN ----------------------------------------------------------- 17
3.1 Bài toán CAPO -------------------------------------------------------------------------- 17
3.2 Tổng quan về một số phương pháp đã được áp dụng.------------------------------ 17
3.2.1 Phương pháp GA (Genetic Algorithm) -------------------------------------------- 18
3.2.2 Phương pháp ACO (Ant Colony Optimal) ---------------------------------------- 22
3.2.3 Giải thuật bầy đàn PSO (Particle Swarm Optimization) ------------------------ 27
3.2.3.1 Biểu thức cơ bản của thuật toán PSO -------------------------------------------- 28
3.2.4 Một số dạng cải tiến của thuật toán PSO ------------------------------------------ 36
3.2.4.1 Dạng Constriction PSO (PSO Constriction Factor ) --------------------------- 36
3.2.4.2 Dạng PSO-TVIW (PSO with Time-Varying Inertia Weight) ---------------- 38
3.2.4.3 Dạng PSO-TVAC (PSO With Time-Varying Acceleration Coefficients). - 39
3.2.5 Thuật toán PSO cải tiến PGPSO (Pseudo-gradient PSO) ----------------------- 40
3.2.5.1 Khái niệm của Pseudo – Gradient ------------------------------------------------ 40
3.2.5.2 Thuật toán PSO cải tiến PGPSO-CF --------------------------------------------- 42
CHƯƠNG 4 ---------------------------------------------------------------------------------- 44
XÂY DỰNG BÀI TOÁN CAPO VÀ ỨNG DỤNG THUẬT TỐN PSO-CF ĐỂ

GIẢI BÀI TỐN CAPO ------------------------------------------------------------------- 44
4.1 Bài tốn CAPO cần giải quyết--------------------------------------------------------- 44
4.2 Áp dụng thuật toán PSO vào bài toán CAPO --------------------------------------- 46
4.3 Áp dụng thuật toán PSO-CF vào bài toán ------------------------------------------- 47
CHƯƠNG 5 ---------------------------------------------------------------------------------- 52
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG -------------------------------------------------------------------- 52
5.1 Mạng IEEE 13 nút ---------------------------------------------------------------------- 52
5.1.1 Cấu trúc -------------------------------------------------------------------------------- 52
5.1.2 Kết quả mô phỏng -------------------------------------------------------------------- 54
5.1.3 Kết luận -------------------------------------------------------------------------------- 56


-ix-

5.2 Mạng IEEE 33 nút ---------------------------------------------------------------------- 56
5.2.1 Cấu trúc -------------------------------------------------------------------------------- 56
5.2.2 Kết quả mô phỏng -------------------------------------------------------------------- 58
5.2.3 Kết luận -------------------------------------------------------------------------------- 60
5.3 Áp dụng thực tế -------------------------------------------------------------------------- 60
5.3.1 Giới thiệu về phát tuyến 473 Sông Nhạn ------------------------------------------ 60
5.3.2 Cấu trúc -------------------------------------------------------------------------------- 61
5.3.3 Kết quả mô phỏng -------------------------------------------------------------------- 64
5.3.4 Kết luận -------------------------------------------------------------------------------- 66
5.4 So sánh phương pháp PSO và các phương pháp khác.----------------------------- 66
5.4.1 So sánh phương pháp PSO với phương pháp PSS/ADEPT của mạng 134 nút
Xuân Tây. ------------------------------------------------------------------------------------- 66
5.4.1.1 Giới thiệu về phát tuyến 473 Xuân Tây ----------------------------------------- 66
5.4.1.2 Cấu trúc lưới điện Xn Tây ------------------------------------------------------ 66
5.4.1.3 Kết quả tính tốn -------------------------------------------------------------------- 77
5.4.1.4 So sánh kết quả tính tốn của PSO với PSS/ADEPT -------------------------- 78

5.4.1.5 Kết luận ------------------------------------------------------------------------------ 79
5.4.2 So sánh phương pháp PSO với các phương pháp khác ------------------------- 79
CHƯƠNG 6 ---------------------------------------------------------------------------------- 81
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ------------------------------------------------------------- 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ------------------------------------------------------------------ 83
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ---------------------------------------------------------------- 86


-x-

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 5.1: Thông số cơ bản của các phương pháp ------------------------------------ 52
Bảng 5.2: Thông số các nhánh của mạng IEEE 13 nút ------------------------------ 53
Bảng 5.3: Thông số các nút của mạng IEEE 13 nút ---------------------------------- 53
Bảng 5.4: Kết quả mô phỏng mạng IEEE 13 nút ------------------------------------- 54
Bảng 5.5: Kết quả so sánh phương pháp PSO-CF cho mạng 13 nút với các
phương pháp PSO khác trên máy tính cùng cấu hình cùng với 30 vịng lặp ------ 55
Bảng 5.6: Thông số các nhánh của mạng IEEE 33 nút ------------------------------ 56
Bảng 5.7: Thông số các nút của mạng IEEE 33 nút ---------------------------------- 57
Bảng 5.8: Kết quả mô phỏng mạng IEEE 33 nút ------------------------------------- 59
Bảng 5.9: Kết quả so sánh phương pháp PSO-CF cho mạng 33 nút với các
phương pháp PSO khác trên máy tính cùng cấu hình cùng với 30 vịng lặp ------ 60
Bảng 5.10: Thơng số các nhánh của phát tuyến 473 Sông Nhạn. ------------------ 61
Bảng 5.11: Thông số các nút của phát tuyến 473 Sông Nhạn. ---------------------- 62
Bảng 5.12: Kết quả tính tốn với mạng SƠNG NHẠN 46 nút --------------------- 64
Bảng 5.13: Kết quả so sánh phương pháp PSO-CF cho mạng 46 nút Sông Nhạn
với các phương pháp PSO khác trên cùng máy tính với 150 vịng lặp ------------ 65
Bảng 5.14: Thơng số các nhánh của phát tuyến 473 Xuân Tây. -------------------- 67
Bảng 5.15: Thông số các nút của phát tuyến 473 Xuân Tây. ----------------------- 70
Bảng 5.16: Kết quả tính tốn với mạng XN TÂY 134 nút ---------------------- 77

Bảng 5.17: Kết quả so sánh phương pháp PSO với phương pháp PSS/ADEPT của
mạng 134 nút XUÂN TÂY -------------------------------------------------------------- 78
Bảng 5.18: So sánh phương pháp PSO với SFLA [19] ------------------------------ 79
Bảng 5.19: So sánh phương pháp PSO với PGSA [20] ------------------------------ 79
Bảng 5.20: So sánh phương pháp PSO với Cuckoo Search [21] ------------------- 80


-xi-

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Mạch điện với tải có tính điện cảm -------------------------------------------- 3
Hình 2.2: Quan hệ giữa P và Q ở mạch tải có tính điện cảm --------------------------- 4
Hình 2.3: Mạch điện với tải có tính điện dung -------------------------------------------- 5
Hình 2.4: Quan hệ giữa P và Q ở mạch tải có tính điện dung -------------------------- 6
Hình 2.5: Sự giảm CSPK của mạch điện nhờ có Qc -------------------------------------6
Hình 2.6: Lưới điện khi chưa đặt thiết bị bù -------------------------------------------- 13
Hình 2.7: Lưới điện sau khi đã đặt tụ bù ------------------------------------------------- 15
Hình 3.1: Khái niêm về sự thay đổi tìm kiếm của PSO -------------------------------- 29
Hình 3.2: Khơng gian tìm kiếm của thuật tốn bầy đàn ------------------------------- 31
Hình 4.1: Sơ đồ giải thuật thuật toán PSO-CF cho bài toán CAPO ------------------ 51
Hình 5.1: Sơ đồ hệ thống mạng điện IEEE 13 nút ------------------------------------- 54
Hình 5.2: Điện áp tại các nút trước và sau khi gắn thêm tụ bù ----------------------- 55
Hình 5.3: Sơ đồ hệ thống mạng điện IEEE 33 nút ------------------------------------- 58
Hình 5.4: Điện áp tại các nút trước và sau khi gắn thêm tụ bù ----------------------- 59
Hình 5.5: Sơ đồ hệ thống mạng 46 nút phát tuyến 473 Sông Nhạn------------------ 64
Hình 5.6: Điện áp tại các nút trước và sau khi gắn thêm tụ bù ----------------------- 65
Hình 5.7: Sơ đồ hệ thống mạng 46 nút phát tuyến 473 Xuân Tây ------------------- 76
Hình 5.8: Điện áp tại các nút trước và sau khi gắn thêm tụ bù ----------------------- 78



-xii-

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

GA

Genetic Algorithm.

HPSO – TVAC

Self-Organizing Hierarchical Particle Swarm Optimizer with

Time – Varying Acceleration Coefficients.
IEEE

Institute of Electrical And Electronics Engineers.

IPSO

Improved Particle Swarm Optimization.

PGPSO

Pseudo - Gradient Particle Swarm Optimazation.

Ploss

Power loss.


PSO

Particle Swarm Optimization.

PSO- CF

Particle Swarm Optimization with constriction factor.

PSO-TVIW

PSO with Time-Varying Inertia Weight.

PSO-TVAC

PSO With Time-Varying Acceleration Coefficients.

CSPK

Công suất phản kháng.

CAPO

Capacitor Placement Optimization.

FACTS

Flexible AC Transmission Systems.

ACO


Ant Colony Optimal

SFLA

Shuffled frog leaping algorithm

PGSA

Plant Growth Simulation Algorithm


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS TS. VÕ NGỌC ĐIỀU

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Lý do chọn đề tài
Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu sử dụng năng lượng trong đời sống
xã hội, kinh tế ngày càng phát triển. Trong đó điện năng giữ một vai trị cực kỳ quan
trọng trong việc giải quyết nhu cầu sử dụng hằng ngày của người dân và trong việc
phát triển kinh tế - xã hội của đất nước. Việc đáp ứng kịp thời về chất lượng, số lượng,
liên tục và ổn định của hệ thống điện là tiêu chí hàng đầu của mỗi quốc gia.
Trong hệ thống điện, cùng với sự lớn mạnh của hệ thống phát điện và hệ thống
truyền tải, hệ thống phân phối ngày càng phát triển mạnh mẽ. Lưới điện phân phối
liên tục phát triển theo không gian và thời gian, ngoài việc đáp ứng nhu cầu công suất
tác dụng cho phụ tải, cần chú trọng đáp ứng nhu cầu về công suất phản kháng. Việc
bù công suất phản kháng cho phép nâng cao chất lượng điện năng cũng như hiệu quả
về mặt kinh tế của lưới điện phân phối.
Bài tốn tối ưu hóa vị trí tụ bù trong hệ thống điện phân phối là bài toán đã
được nghiên cứu rộng rãi, tuy nhiên sự hạn chế của các nghiên cứu trước đây giả định

tải trong hệ thống là tải tuyến tính. Luận văn này cơ bản dựa trên thuật toán PSO
(Particle Swarm Optimization) được cải tiến với một hàm Fitness được định nghĩa
mới có nhiệm vụ xác định vị trí và dung lượng tối ưu của tụ bù, với điều kiện ràng
buộc về điện áp, chi phí tụ bù, tổn thất điện năng, tổn thất cơng suất, cũng như khả
năng tương tác sóng hài (tổn thất, cộng hưởng và yếu tố biến dạng) trong sự hiện diện
của tải phi tuyến.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Trong hệ thống lưới điện phân phối tiêu chí về tăng khả năng tải cho các phần
tử mang điện, giảm tổn thất công suất, giảm chi phí đầu tư lưới điện, nâng cao chất
lượng điện năng của hệ thống.

HVTH: NGUYỄN NGỌC HÒA

TRANG 1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS TS. VÕ NGỌC ĐIỀU

Trong luận văn này đã dùng giải thuật PSO cải tiến để giải bài tốn CAPO với
hệ số giới hạn có thể cần thiết để đảm bảo độ hội tụ ổn định, nhằm giúp cho lời giải
bài toán được nhanh hơn.
1.3 Phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của đề tài là ứng dụng thuật toán PSO cải tiến để giải bài
toán tối ưu vị trí và dung lượng của tụ bù trong lưới điện phân phối. Dùng phần mềm
Matlab để giải thuật toán PSO cải tiến. Hàm mục tiêu được đặt ra trong đề tài là xác
định vị trí và kích thước tối ưu của tụ bù, với điều kiện ràng buộc về điện áp, chi phí
tụ bù, tổn thất điện năng, tổn thất công suất, cũng như khả năng tương tác sóng hài
(tổn thất, cộng hưởng và yếu tố biến dạng) trong sự hiện diện của tải phi tuyến. Với

sự cải tiến này sẽ làm cho lời giải của bài toán được tối ưu hơn và hội tụ nhanh hơn.
Điều này cho thấy tầm quan trọng của nó trong việc tìm ra một lời giải tốt nhất, tối
ưu nhất. Thuật toán được áp dụng trên mạng điện chuẩn IEEE-13 nút, IEEE-33 nút
mạng điện thực tế 46 nút, 134 nút và so sánh kết quả đạt được với các phương pháp
khác.
1.4 Nội dung của đề tài
Chương 1: Giới thiệu đề tài, lý do và mục tiêu nghiên cứu của đề tài.
Chương 2: Tổng quan về bù công suất phản kháng.
Chương 3: Tổng quan về một số phương pháp giải bài toán CAPO trong lưới điện
phân phối. Giới thiệu thuật toán PSO và thuật toán PSO cải tiến.
Chương 4: Thành lập bài toán CAPO và ứng dụng thuật toán PSO cải tiến để giải bài
tốn CAPO.
Chương 5: Kết quả mơ phỏng thuật toán PSO-CF giải bài toán CAPO với các mạng
điện IEEE 13 nút, IEEE 33 nút cho trước, mạng điện 46 nút, 134 nút thực tế và so
sánh với các phương pháp khác.
Chương 6: Đưa ra kết luận về đề tài và hướng đề nghị phát triển của đề tài.
HVTH: NGUYỄN NGỌC HÒA

TRANG 2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS TS. VÕ NGỌC ĐIỀU

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN VỀ BÙ CỐNG SUẤT PHẢN KHÁNG
1. Khái niệm về công suất phản kháng
1.1 Công suất phản kháng của điện cảm
Trong mạch điện có tải là điện trở và điện cảm (Hình 2.1):


i

u

R
L

Hình 2.1: Mạch điện với tải có tính điện cảm
Mạch điện được cung cấp bởi điện áp:

u  U m .sin t

(2.1)

Dòng điện i chậm pha so với điện áp u một góc 

i  I m .sin(t   )  I m .(sin t cos   sin .cos t )
Có thể coi:

(2.2)

i = i’ + ii’’ với

i '  I m .cos  sin t

(2.3)




i ''  I m sin  cos t  I m .sin  sin(t  )
2

(2.4)

Như vậy dòng điện i là tổng của hai thành phần:

HVTH: NGUYỄN NGỌC HÒA

TRANG 3


LUẬN VĂN THẠC SĨ
-

CBHD: PGS TS. VÕ NGỌC ĐIỀU

i’ có biên độ I m cos  cùng pha với hiệu điện thế u, là thành phần tác dụng của
dòng điện.

-

i’’ có biên độ I m sin  chậm pha với điện áp một góc  / 2 , là thành phần phản
kháng của dịng điện

Cơng suất tương ứng với hai thành phần i’ và ii’ là:
P  U .I .cos  được gọi là công suất tác dụng.
Q  U .I .sin  được gọi là công suất phản kháng

Từ cơng thức trên ta có thể viết:


P  U .I .cos   Z .I .( I .cos  )  Z .I 2 .

R
 R.I 2 được gọi là công suất tác dụng,
Z

đặc trưng cho cường độ của quá trình tiêu tán năng lượng.

QL  U .I .sin   Z .I .( I .sin  )  Z .I .

XL
 X L .I 2 , với   0 nên QL > 0 được
Z

gọi là công suất phản kháng của điện cảm, đặc trưng cho cường độ của quá trình dao
động năng lượng giữa nguồn với từ trường điện cảm.
Quan hệ giữa P và QL được biểu diễn:
P  U .I . c o s 


U

  0

S = U.I


I


Q L  U . I . s in 

Hình 2.2: Quan hệ giữa P và Q ở mạch tải có tính điện cảm
1.2 Cơng suất phản kháng của điện dung
HVTH: NGUYỄN NGỌC HÒA

TRANG 4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS TS. VÕ NGỌC ĐIỀU

i

u

R
C

Hình 2.3: Mạch điện với tải có tính điện dung
Mạch điện được cung cấp bởi điện áp:

u  U m .sin t

(2.5)

Dòng điện i nhanh pha so với điện áp u một góc 

i  I m .sin(t   )  I m .(sin t cos   sin .cos t )

Có thể coi:

(2.6)

i = i’ + ii’’ với

i '  I m .cos  sin t

(2.7)



i ''  I m sin  cos t  I m .sin  sin(t  )
2

(2.8)

Như vậy dòng điện i là tổng của hai thành phần:
-

i’ có biên độ I m cos  cùng pha với hiệu điện thế u, là thành phần tác dụng của
dịng điện.

-

i’’ có biên độ I m sin  nhanh pha với điện áp một góc  / 2 , là thành phần phản
kháng của dịng điện.

Cơng suất tương ứng với hai thành phần i’ và ii’ là:


HVTH: NGUYỄN NGỌC HÒA

TRANG 5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS TS. VÕ NGỌC ĐIỀU

P  U .I .cos   Z .I .( I .cos  )  Z .I 2 .

R
 R.I 2 được gọi là công suất tác dụng,
Z

đặc trưng cho cường độ của quá trình tiêu tán năng lượng.

QC  U .I .sin   Z .I .( I .sin  )  Z .I .

XC
 X C .I 2 ( với   0 nên QC < 0) được
Z

gọi là công suất phản kháng của tụ điện, đặc trưng cho cường độ của quá trình dao
động năng lượng giữa nguồn và điện trường của tụ điện.
Quan hệ giữa P và QC được biểu diễn:


I


S = U.I

  0

Q C  U .I . s in 


U
P  U .I . c o s 

Hình 2.4: Quan hệ giữa P và Q ở mạch tải có tính điện dung
Trong mạch điện tải gồm có cả điện cảm và điện dung, cơng suất phản kháng
điện dung ngược dấu với công suất phản kháng điện cảm, có tác dụng giảm bớt cơng
suất phản kháng của mạch điện.
Q = | QL – QC |

(2.9)

QC
C  0

P

Q

L  0

QL

Hình 2.5: Sự giảm CSPK của mạch điện nhờ có Qc


HVTH: NGUYỄN NGỌC HỊA

TRANG 6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS TS. VÕ NGỌC ĐIỀU

Năng lượng tích lũy trong điện trường của điện dung cịn gọi là năng lượng
tĩnh điện, dấu của nó ln ngược với dấu năng lượng điện từ trong từ trường của điện
cảm.
Năng lượng điện từ là năng lượng phản kháng dương, năng lượng tĩnh điện là
năng lượng phản kháng âm.
Công suất tác dụng P sinh ra cơng có ích, biến đổi thành các dạng năng lượng
khác như cơ năng, nhiệt năng, quang năng,…,vì vậy cịn gọi là năng lượng hữu cơng
P (KW).
Cơng suất phản kháng Q không sinh ra công mà chỉ chạy trong lưới điện vì
vậy cịn gọi là cơng suất vô công, tuy nhiên công suất phản kháng cần thiết để tạo từ
trường phục vụ thực hiện quá trình biến đổi năng lượng.
1.3 Sự tiêu thụ công suất phản kháng
Trên lưới điện, CSPK tiêu thụ ở: Động cơ không đồng bộ, máy biến áp, kháng
điện trên đường dây tải điện và ở các phần tử, thiết bị có liên quan đến từ trường.
u cầu về cơng suất phản kháng có thể giảm đến mức tối thiểu chứ không
thể triệt tiêu được vì nó cần thiết để tạo ra từ trường, yếu tố trung gian cần thiết trong
q trình chuyển hóa năng lượng.
1.4 Động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ là thiết bị tiêu thụ công suất phản kháng chính trong
lưới điện chiếm khoảng 60-65%. Cơng suất phản kháng của động cơ không đồng bộ

bao gồm hai thành phần:
-

Một phần nhỏ của CSPK được sử dụng để sinh ra từ trường tản trong mạch
điện sơ cấp.

-

Phần lớn CSPK còn lại dùng để sinh ra từ trường khe hở.

1.5 Máy biến áp
HVTH: NGUYỄN NGỌC HÒA

TRANG 7


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS TS. VÕ NGỌC ĐIỀU

MBA tiêu thụ khoảng 22-25% nhu cầu CSPK của tổng lưới điện, nhỏ hơn nhu
cầu của động cơ không đồng bộ do CSPK dùng để từ hóa lõi thép của máy biến áp
không lớn hơn so với động cơ không đồng bộ, vì khơng có khe hở khơng khí. Nhưng
do số thiết bị và tổng công suất lớn nên nhu cầu tiêu thụ CSPK của máy biến áp cũng
rất đáng kể. Công suất phản kháng tiêu thụ bởi máy biến áp gồm hai thành phần:
-

Cơng suất phản kháng dùng để từ hóa lõi thép.

-


Công suất phản kháng tản từ máy biến áp.

1.6 Đèn huỳnh quang
Thơng thương đèn huỳnh quang vận hành có một chấn lưu để hạn chế dòng
điện. Tùy theo điện cảm của chấn lưu, hệ số công suất chưa được hiệu chỉnh cos 
của chấn lưu nằm trong khoảng 0,3 đến 0,5.
Các đèn huỳnh quang hiện đại có bộ khởi động điện từ, hệ số công suất chưa
được hiệu chỉnh cos  thường gần bằng 1. Do vậy không cần hiệu chỉnh công suất
của thiết bị này. Tuy nhiên, khi các thiết bị này khởi động thì sinh ra các sóng hài.
2. Các nguồn phát cơng suất phản kháng trên lưới điện
Khả năng phát công suất phản kháng của nhà máy điện là rất hạn chế, do

cosn của nhà máy từ 0,8-0,9 hoặc cao hơn nữa. Vì lý do kinh tế người ta khơng chế
tạo các phát có khả năng phát nhiều CSPK cho phụ tải. Các máy phát chỉ đảm đương
một phần nhu cầu CSPK của phụ tải, phần còn lại do các thiết bị bù đảm trách (máy
bù đồng bộ, tụ điện).
Ngồi ra trong hệ thống điện nói chung, phải kể đến một nguồn phát CSPK
nữa, đó là các đường dây tải điện, đặc biệt là các đường dây cao áp và siêu cao áp.
Tuy nhiên ở đây ta chỉ xét đến lưới điện phân phối, do vậy chỉ lưu ý đến các đường
dây 22KV và các đường dây 0,4KV. Tuy nhiên nguồn phát ra công suất phản kháng
của các phần tử này không đáng kể nên nguồn phát CSPK chính trong lưới phân phối
vẫn là tụ điện, động cơ đồng bộ, máy bù đồng bộ.
HVTH: NGUYỄN NGỌC HÒA

TRANG 8


LUẬN VĂN THẠC SĨ


CBHD: PGS TS. VÕ NGỌC ĐIỀU

2.1 Máy bù đồng bộ
Máy bù đồng bộ là loại máy điện đồng bộ chạy không tải dùng để phát hoặc
tiêu thụ CSPK. Máy bù đồng bộ là phương pháp cổ truyền để điều chỉnh liên tục
CSPK. Các máy bù đồng bộ thường được dùng trong hệ thống truyền tải, trong các
trạm biến áp quan trọng và trong các trạm biến đổi dòng điện một chiều cao áp.
Nếu ta tăng dòng điện kích từ ikt lên (q kích thích, dịng điện của máy bù
đồng bộ sẽ vượt trước điện áp trên cực của nó một góc 900) thì máy phát ra CSPK Qb
phát lên mạng điện. Ngược lại, nếu ta giảm dòng điện kích từ ikt (kích thích non, Edịng điện chậm pha điện áp 900) thì máy bù sẽ biến thành tải tiêu thụ CSPK. Vậy
máy bù đồng bộ có thể tiêu thụ hoặc phát CSPK.
Các máy bù đồng bộ ngày nay thường được trang bị hệ thống kích từ nhanh
có bộ kích từ chỉnh lưu. Có nhiều phương pháp khởi động khác nhau, một phương
pháp hay dùng là khởi động đảo chiều.
2.2 Đường dây tải điện
Trong hệ thống điện có thể kể đến một nguồn phát công suất phản kháng nữa
đó là các đường dây, nhất là các đường dây siêu cao áp. Tuy nhiên, với lưới điện phân
phối, lưới có điện áp thấp, cơng suất phản kháng phát ra có số lượng đáng kể ở các
đường dây cáp có chiều dài đáng kể.
2.3 Tụ điện tĩnh
Tụ điện tĩnh là một đơn vị hay một dãy đơn vị tụ nối với nhau và nối song
song với phụ tải theo sơ đồ hình sao hoặc tam giác, với mục đích sản xuất ra CSPK
cung cấp trực tiếp cho phụ tải, điều này làm giảm CSPK phải truyền tải trên đường
dây. Tụ bù tĩnh thường được chế tạo không đổi nhằm làm giảm giá thành. Khi cần
điều chỉnh điện áp có thể dùng tụ điện bù tĩnh đóng cắt được theo cấp, đó là biện pháp
kinh tế nhất cho việc sản xuất ra CSPK.

HVTH: NGUYỄN NGỌC HÒA

TRANG 9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS TS. VÕ NGỌC ĐIỀU

Tụ điện tĩnh cũng như máy bù đồng bộ làm việc ở chế độ quá kích CSPK trực
tiếp cấp cho hộ tiêu thụ, giảm được lượng CSPK truyền tải trong mạng, do đó giảm
được tổn thất điện áp.
CSPK do tụ điện phát ra được tính theo cơng thức:

Qc  U 2 .2 f .C.109 kVA

(2.10)

Trong đó:
-

U có đơn vị là kV

-

f có đơn vị là Hz

-

C là điện dung có đơn vị là  F

Khi sử dụng tụ điện cần phải đảm bảo vận hành an toàn, cụ thể khi cắt tụ ra

khỏi lưới phải có điện trở phóng điện để dập điện áp.
Các tụ điện bù tĩnh được dùng rộng rãi để hiệu chỉnh hệ số công suất trong các
hệ thống phân phối điện như: hệ thống phân phối điện công nghiệp, thành phố, khu
đông dân cư và nông thôn. Một số tụ bù tĩnh cũng được đặt ở các trạm truyền tải.
Tụ điện là loại thiết bị điện tĩnh, làm việc với dịng điện vượt trước điện áp.
Do đó có thể sinh ra CSPK Q cung cấp cho mạng điện. Tụ điện tĩnh có những ưu
điểm sau:
 Suất tổn thất cơng suất tác dụng bé, khoảng 0,003-0,005 kW/kVAr.
 Khơng có phần quay nên cấu tạo không phức tạp, dễ lắp ráp bảo quản.
 Tụ điện tĩnh được chế tạo thành từng đơn vị nhỏ, vì thế có thể tùy thuộc
vào sự phát triển của phụ tải trong quá trình sản xuất mà điều chỉnh dung
lượng cho phù hợp.
Song tụ điện tĩnh có một số nhược điểm sau:

HVTH: NGUYỄN NGỌC HỊA

TRANG 10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS TS. VÕ NGỌC ĐIỀU

 Cung cấp ít CSPK khi có rối loạn hoặc thiếu điện, bởi vì dung lượng của
CSPK tỷ lệ bình phương với điện áp:

U2
Q  I Xc 
  CU
1 / C

2

(2.11)

 Tụ điện có cấu tạo kém chắc chắn vì vậy dể bị phá hỏng khi xảy ra ngắn
mạch.
 Khi điện áp tăng quá 1,1Un thì tụ điện dễ bị chọc thủng.
 Khi đóng tụ điện vào mạng có dịng xung điện, cịn khi cắt tụ khỏi mạng,
nếu khơng có thiết bị phóng điện sẽ có điện áp dư trên tụ.
 Bù băng tụ điện sẽ khó khăn trong việc tự động điều chỉnh dung lượng bù
một cách liên tục.
 Tụ điện được chế tạo dễ dàng ở cấp điện áp 6-10-22 kV và 0,4 kV. Thông
thường nếu dung lượng bù nhỏ hơn 5 MVAr thì người ta dùng tụ điện, còn
nếu lớn hơn sẽ dùng máy bù đồng bộ. Đối với cấp điện áp lưới truyền tải
thì người ta dùng thiết bị FACTS.
2.4 Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn được đồng bộ hóa
Khi cho dịng điện một chiều vào dây quấn Roto của động cơ khơng đồng bộ
thì động cơ đó sẽ làm việc như động cơ đồng bộ, có thể điều chỉnh dịng kích thích
để nó phát ra CSPK cung cấp cho mạng. Nhược điểm của loại này là tổn thất tác dụng
lớn, khoảng (0,02-0,08) kW/kVAr, khả năng q tải kém. Vì vậy nó chỉ làm việc với
75% cơng suất định mức.
Với các nhược điểm trên nó được sử dụng khi khơng có thiết bị bù khác.
3. Ưu nhược điểm của các nguồn phát CSPK
3.1 Ưu điểm của tụ điện so với máy bù đồng bộ

HVTH: NGUYỄN NGỌC HÒA

TRANG 11