Đặt vấn đề
Ổn định điện áp là vấn đề quan trọng trong quy hoạch và vận hành hệ thống điện, đặc biệt trong môi trường thị trường điện cạnh tranh, nơi nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng tăng, gây áp lực lên hệ thống và có thể dẫn đến nguy cơ mất điện do điện áp không ổn định Sự mất ổn định này có thể làm tăng hoặc giảm điện áp tại một số nút trong hệ thống, dẫn đến việc sa thải phụ tải hoặc các đường dây truyền tải, gây ra mất điện lan truyền và làm một số máy phát điện mất đồng bộ Trên thế giới, đã ghi nhận nhiều vụ mất điện diện rộng do sự cố sụp đổ điện áp, và Việt Nam cũng đã trải qua sự cố tương tự, như sự cố ngày 22/05/2013 trên đường dây 500kV, ảnh hưởng đến 22 tỉnh/thành phía Nam Do đó, ổn định điện áp là vấn đề nghiêm trọng được nhiều quốc gia nghiên cứu Để duy trì ổn định điện áp, hệ thống cần đảm bảo điện áp tại tất cả các nút trong phạm vi cho phép, đặc biệt trong điều kiện vận hành không bình thường Hiện nay, Việt Nam đang thiếu nguồn điện trong khi phụ tải tăng nhanh, khiến các đường dây truyền tải hoạt động ở công suất giới hạn và có nguy cơ giảm điện áp xuống dưới mức cho phép Khi Việt Nam tiến tới vận hành thị trường điện lực, việc nghiên cứu ổn định điện áp để đảm bảo an toàn trong vận hành hệ thống điện càng trở nên quan trọng hơn.
Trước đây, ngành công nghiệp điện tử công suất chưa phát triển, việc nâng cao chất lượng điện áp trên hệ thống điện gặp nhiều hạn chế và thời gian đáp ứng chậm do phải thực hiện các thao tác cơ khí phức tạp Tuy nhiên, sự ra đời của thiết bị FACTS đã mang lại sự linh hoạt và nhanh chóng trong vận hành và điều khiển hệ thống điện FACTS, hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt, sử dụng thiết bị điện tử công suất hoạt động tự động với dòng điện và điện áp cao, cho phép điều chỉnh ổn định điện áp, góc pha và trở kháng gần như tức thời Các thiết bị như SVC, STATCOM, TCSC, SSSC và UPFC có thể được lắp đặt tại những vị trí chiến lược trong hệ thống điện, giúp cải thiện đáng kể giới hạn ổn định điện áp.
Luận văn này nghiên cứu cách nâng cao ổn định điện áp cho hệ thống điện thông qua việc sử dụng bộ bù tĩnh STATCOM, nhằm giảm thiểu tác động từ các biến động trong hệ thống điện.
Các công trình liên quan nổi bật
1.2.1 Công trình trong nước Để nâng cao chất lƣợng điện áp và ổn định điện áp cho hệ thống điện Việt Nam đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về việc ứng dụng các thiết bị bù công suất phản kháng Tuy nhiên các thiết bị bù đó chƣa đáp ứng đủ những yêu cầu về phản ứng nhanh nhạy khi hệ thống có sự thay đổi đột ngột về nhu cầu công suất phản kháng Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS đã đáp ứng đƣợc yêu cầu về độ phản ứng nhanh nhạy cũng nhƣ dung lƣợng bù tối ƣu cho hệ thống điện trong mọi chế độ làm việc Bài báo [1] nghiên cứu về những vấn đề trên nhằm đƣa ra vị trí lắp đặt các thiết bị FACTS thích hợp cho hệ thống điện Việt Nam Trong quá trình phân tích bỏ qua yếu tố kinh tế và chỉ chú trọng vào
Ba yếu tố kỹ thuật quan trọng trong nghiên cứu tính toán hệ thống điện Việt Nam vào tháng 12 năm 2010 bao gồm việc bù công suất phản kháng, tập trung vào các khu vực có mật độ tải dày đặc và khả năng gia tăng đột biến trong các chế độ làm việc khác nhau Các kết quả tính toán về trào lưu công suất hệ thống và phân tích đặc tính P-V, Q-V được thực hiện thông qua phần mềm PSS/E-30.
Bài báo này đề xuất giải pháp kỹ thuật để khắc phục sự mất ổn định và sụp đổ điện áp bằng cách áp dụng bộ điều khiển STATCOM thuộc nhóm thiết bị FACTS, giúp cải thiện độ ổn định điện áp và nâng cao khả năng truyền tải công suất Phân tích ổn định điện áp hệ thống 500 kV Việt Nam được thực hiện thông qua các công cụ đường cong PV, QV trong phần mềm PowerWorld Simulator 13, cho phép xác định các nút yếu và sự cố có thể gây ảnh hưởng lớn đến ổn định điện áp Dữ liệu từ năm 2009 và 2010 cho thấy hệ thống 500 kV vẫn đảm bảo ổn định điện áp, nhưng vẫn tồn tại một số nút yếu như Hà Tĩnh và Đà Nẵng, cùng với các sự cố như đứt 1 hoặc 2 đường dây Do đó, cần có biện pháp cần thiết để cải thiện độ dự trữ ổn định điện áp tại các nút yếu, như lắp đặt thiết bị bù STATCOM và SVC, nhằm đảm bảo vận hành hệ thống truyền tải điện ngày càng tin cậy và ổn định.
TS Ngô Đức Minh từ Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên đã kết hợp phương pháp phân tích lưới điện truyền thống với mô phỏng Matlab để nghiên cứu các hoạt động cơ bản của hệ thống điện, ứng dụng công nghệ FACTS Nghiên cứu xây dựng mô hình lưới điện kín điển hình từ sơ đồ chuẩn IEEE, phục vụ nhiều hướng nghiên cứu khác nhau Phân tích lưới giúp đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến dòng công suất, đặc biệt là điện áp nút Công nghệ FACTS với thiết bị STATCOM-PWM được ứng dụng để bù công suất phản kháng, điều chỉnh điện áp và kiểm soát dòng công suất Mô hình mô phỏng bằng Matlab-Simulink cho lưới điện kín có cấu hình nghịch lưu Multi-level đã được thực hiện, và các kết quả nghiên cứu được phân tích để đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo.
Bài báo [4] trình bày ứng dụng của thuật toán PSO trong việc xác định dung lượng và vị trí của STATCOM trong hệ thống điện, với việc xem xét điều kiện chênh lệch điện áp tại mỗi bus Kết quả từ các ví dụ minh họa cho thấy PSO có khả năng tìm ra giải pháp tối ưu cho việc xác định dung lượng và vị trí, đồng thời đánh giá các giá trị chênh lệch điện áp như nhỏ nhất, lớn nhất, trung bình và tiêu chuẩn với mức độ hội tụ cao.
Cần lưu ý đến giá trị chênh lệch điện áp tối đa, vì dung lượng của STATCOM rất nhạy cảm với yếu tố này Việc yêu cầu chặt chẽ hơn về chênh lệch điện áp sẽ dẫn đến việc tăng kích thước của STATCOM.
Nhóm tác giả nhận định rằng kết quả này rất hứa hẹn cho các mạng lưới điện cỡ trung Trong các hệ thống điện lớn và cực lớn, thuật toán PSO mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các phương pháp khác, nhờ vào khả năng đề xuất giải pháp tối ưu với ít công sức tính toán hơn.
Trong tương lai, các ứng dụng có thể được chia thành hai hướng chính Thứ nhất, thuật toán sẽ được thử nghiệm trong các hệ thống lớn hơn để đánh giá hiệu suất trong các điều kiện thực tế Thứ hai, việc xác định dung lượng và vị trí của STATCOM, các thiết bị FACTS và sự kết hợp giữa chúng sẽ được nghiên cứu kỹ lưỡng Bên cạnh đó, các tiêu chí tối ưu hóa khác như tối thiểu hóa tổn thất và đảm bảo ổn định cũng sẽ được xem xét.
Nghiên cứu ở Ấn Độ cho thấy nhu cầu phát triển nhanh của năng lượng điện gặp khó khăn trong việc mở rộng hệ thống truyền tải, dẫn đến chất lượng điện năng không đạt yêu cầu và độ tin cậy cung cấp điện thấp Do đó, cần thiết phải có các bộ điều khiển dòng điện mới để tăng dung lượng truyền dẫn và kiểm soát năng lượng trong các hành lang tải Gần đây, các bộ điều khiển linh hoạt hệ thống (FACTS) đã nhanh chóng được áp dụng để cải thiện tình hình này Việc nghiên cứu các ứng dụng thực tế của FACTS là quan trọng để xác định lợi ích và vị trí tối ưu của thiết bị trong hệ thống điện Tác giả đã xây dựng mô hình toàn diện cho STATCOM nhằm nghiên cứu dòng chảy năng lượng, thử nghiệm hiệu quả mô hình với hệ thống nghiên cứu 3 bus và mở rộng phân tích cho hệ thống IEEE 30 bus, sử dụng MATLAB cho lập trình nghiên cứu.
Phân tích dòng tải của hệ thống 30 bus IEEE 3 bằng phương pháp Newton-Raphson đã thành công trong việc xác định vị trí tối ưu cho thiết bị bù Việc xem xét yếu tố nhạy điện áp giúp cải thiện điện áp và giảm tổn thất hệ thống Thiết bị bù không chỉ tăng biên độ điện áp ổn định mà còn nâng cao khả năng truyền tải của đường dây Các kết quả mô phỏng với STATCOM cho thấy hiệu quả tích cực.
Nhóm tác giả K Samrajyam, R B R Prakash từ Khoa EEE, Đại học KL, Ấn Độ, đã nghiên cứu tối ưu vị trí của bù đồng bộ tĩnh (STATCOM) nhằm giảm dao động điện áp tại các bus khác nhau Hệ thống nghiên cứu sử dụng mô hình 12 bus với điện áp thấp gần hai nông trại gió lớn thực tế STATCOM, một thiết bị FACTS tiềm năng, được phân tích để giải quyết các vấn đề chất lượng điện năng Bài báo trình bày việc xác định vị trí tối ưu của STATCOM thông qua MATLAB/SIMULINK, cho thấy rằng vị trí tối ưu thay đổi tùy theo vị trí của STATCOM tại các bus khác nhau và mức độ lỗi tại các địa điểm cũng được xem xét Cuối cùng, nghiên cứu khẳng định khả năng của STATCOM trong việc ngăn chặn dao động điện áp và kiểm tra hiệu suất của thiết bị này.
Vị trí tối ưu của STATCOM được xác định bằng MATLAB, nhằm nghiên cứu tác động của STATCOM đối với việc tích hợp một trang trại gió lớn vào hệ thống điện vòng yếu Bài viết mô tả các vấn đề cụ thể và giải pháp cho hệ thống trang trại gió, bao gồm việc phát triển mô hình cho hệ thống, WF và STATCOM Nghiên cứu cho thấy rằng việc giảm thiểu số lượng tua-bin gió và các vấn đề về chất lượng điện năng liên quan đến MSC và TC có thể đạt được hiệu quả Các kết quả mô phỏng động cho thấy STATCOM có khả năng đàn áp dao động điện áp, hoạt động hiệu quả trong thời gian dài và thích ứng với biến động điện áp mà không phụ thuộc vào hệ thống ổn định điều chỉnh điện áp Việc lắp đặt hệ thống STATCOM 10-MVAr được kết luận là hiệu quả cho việc tích hợp các WF vào hệ thống điện vòng yếu, với những quan sát tại các địa điểm khác nhau có hoặc không có STATCOM.
Các vấn đề nghiên cứu của đề tài
1.3.1 Tính cấp thiết của đề tài
Sự mở rộng của hệ thống điện hiện nay yêu cầu đảm bảo ổn định điện áp cao Để giải quyết vấn đề này, việc bù công suất phản kháng đã trở nên dễ dàng nhờ vào sự phát triển của thiết bị bù Tuy nhiên, việc xác định nhanh chóng và chính xác vị trí của thiết bị bù vẫn còn hạn chế Do đó, bài viết này trình bày ứng dụng thuật toán PSO để xác định vị trí và dung lượng của một STATCOM trong hệ thống điện, đồng thời xem xét điều kiện chênh lệch điện áp tại mỗi bus với mức độ hội tụ cao.
Các phương pháp truyền thống trước đây chỉ được sử dụng để xác định vị trí và dung lượng của các thiết bị FACTS trong hệ thống điện nhỏ Tuy nhiên, việc bố trí chính xác các thiết bị này trong mạng lưới điện lớn hơn cần những phương pháp hiện đại và hiệu quả hơn.
Gần đây, thuật toán bầy đàn PSO đã được áp dụng để tối ưu hóa trong kỹ thuật điện, cho thấy hiệu quả vượt trội so với các phương pháp truyền thống Nghiên cứu này trình bày cách sử dụng PSO để tìm ra bố trí tối ưu cho bộ bù đồng bộ tĩnh STATCOM trong hệ thống điện, mang lại kết quả hứa hẹn cho các mạng lưới điện lớn Đặc biệt, trong các hệ thống điện quy mô lớn, PSO có thể cung cấp giải pháp tốt hơn với ít công sức tính toán hơn so với các phương pháp khác.
1.3.3 Tính thực tiễn của đề tài
Các ứng dụng thực tế có thể được phân chia thành hai hướng chính Thứ nhất, thuật toán có thể được thử nghiệm trong các hệ thống lớn hơn để đánh giá hiệu suất khi áp dụng vào các hệ thống điện gần với thực tế Thứ hai, việc xác định vị trí và dung lượng không chỉ cho một STATCOM mà còn cho các thiết bị FACTS khác, cũng như sự kết hợp giữa chúng, có thể được nghiên cứu ứng dụng Bên cạnh đó, các tiêu chí tối ưu hóa khác như tối thiểu hóa tổn thất và cải thiện độ ổn định cũng cần được xem xét.
Mục tiêu và nhiệm nghiên cứu
- Nâng cao ổn định điện áp trong hệ thống điện sử dụng bộ bù đồng bộ bù tĩnh STATCOM
- Phân tích và điều khiển ổn định điện áp
- Tìm hiều về bộ bù đồng bộ tĩnh STATCOM
- Ứng dụng STATCOM để nâng cao độ ổn định động của hệ thống điện
- Tìm hiểu về thuật toán bầy đàn PSO
- Ứng dụng thuật toán bầy đàn để tính toán tìm vị trí tối ƣu cho STATCOM trong hệ 9 bus.
Phạm vi nghiên cứu của luận văn
• Ứng dụng cho các mô hình hay lưới điện tương tự
• Ứng dụng cho lưới điện IEEE mẫu
• Làm tài liệu tham khảo cho các học viên cao học trong môn học FACTS và trong quá trình làm đề tài liên quan đến STATCOM.
Phương pháp nghiên cứu của luận văn
Tham khảo mô hình trên lưới điện chuẩn IEEE 9 bus, tác giả dùng phần mềm Matlab để xây dựng và mô phỏng các thông số của hệ thống.
Điểm mới của luận vănF
Bài viết này sẽ giới thiệu ứng dụng của thuật toán tối ưu hóa đàn chim (PSO) để xác định cách bố trí tối ưu cho bộ bù đồng bộ tĩnh STATCOM trong hệ thống điện 9 bus IEEE.
Bố cục của luận văn
Bố cục luận văn gồm có 5 chương như sau:
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 3: PHÂN TÍCH VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN
Chương 4: TỐI ƯU VỊ TRÍ CHO STATCOM TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN DÙNG THUẬT TOÁN PSO
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Tổng quan về STATCOM
STATCOM (Static Synchronous Compensator) là một thiết bị chuyển đổi nguồn áp (VSC - Voltage Source Converter) dùng để điều chỉnh điện áp trong lưới điện xoay chiều ba pha Thiết bị này có khả năng điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng, thường được sử dụng trong cấu hình bù công suất phản kháng STATCOM hoạt động dựa trên ba chức năng chính: bộ chuyển đổi tĩnh không có thành phần quay, thiết bị đồng bộ giống như máy đồng bộ lý tưởng, và khả năng cung cấp bù công suất phản kháng Công nghệ STATCOM sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất để tạo ra điện áp đầu ra Vc từ nguồn điện áp một chiều, kết nối với hệ thống điện thông qua điện kháng đệm Xc.
Bằng cách điều chỉnh điện áp Vc của STATCOM sao cho cùng pha với điện áp hệ thống Vs nhưng có biên độ lớn hơn, STATCOM có thể cung cấp dòng điện và công suất phản kháng vào hệ thống, từ đó nâng cao điện áp Ngược lại, khi điều khiển điện áp Vc thấp hơn điện áp hệ thống, hiệu ứng sẽ khác.
Dòng điện và dòng công suất từ lưới điện vào STATCOM giúp hạn chế quá điện áp trên lưới Điện áp xoay chiều được tạo ra từ nguồn điện áp một chiều thông qua các bộ biến đổi công suất điện tử nhanh Trong khi Thyristor trong SVC chỉ có khả năng điều khiển dẫn dòng mà không thể khóa dòng, STATCOM sử dụng các công tắc hai chế độ như thyristor cắt (GTO) và transistor lưỡng cực cách điện (IGBT) để điều khiển cả dẫn dòng và cắt mạch Dạng sóng đầu ra từ bộ biến đổi điện áp thường là sóng vuông, nhưng STATCOM có khả năng tạo ra dạng sóng hình sin mong muốn và tối ưu bằng cách tổng hợp sóng hình sin qua các bậc, sử dụng kỹ thuật nhân xung để giảm sóng hài trong điện áp xoay chiều Việc tăng số bậc giúp giảm thành phần sóng hài, làm cho điện áp tạo ra gần giống với sóng hình sin tần số cơ bản hơn.
STATCOM hoạt động tương tự như tụ bù đồng bộ nhưng có thời gian phản ứng nhanh và hiệu quả hơn Nó cung cấp bù công suất phản kháng để cải thiện chất lượng điện năng trong hệ thống điện, bao gồm điện áp và tần số của lưới điện công nghiệp khi có biến động và nguy cơ mất ổn định Một hệ thống STATCOM hoàn chỉnh bao gồm nguồn điện áp DC, bộ biến đổi nguồn điện áp (VSC) và máy biến áp kết nối với lưới điện.
Hình 2 1: Mạch điện tương đương của STATCOM a) Mạch tương đương một pha b) Mạch tương đương ba pha
Cấu trúc và nguyên lý hoạt động cơ bản của STATCOM
2.2.1 Cấu trúc cơ bản của STATCOM
STATCOM là thiết bị chuyển đổi điện áp, chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều để bù công suất phản kháng cho hệ thống điện Cấu trúc cơ bản của STATCOM bao gồm một bộ biến đổi nguồn điện áp ba pha (VSC) kết nối với phía thứ cấp của máy biến áp ghép và nguồn điện áp DC.
Hình 2 2: Cấu trúc cơ bản của STATCOM 2.2.2 Nguyên lý hoạt động của STATCOM
Việc thay đổi CSPK được thực hiện thông qua bộ VSC kết nối với máy biến áp, sử dụng các linh kiện điện tử công suất như GTO, IGBT hoặc IGCT để điều chế điện áp xoay chiều ba pha V2 từ nguồn một chiều lấy từ tụ điện Nguyên lý hoạt động của STATCOM được minh họa trong hình 2.3, thể hiện công suất tác dụng và phản kháng truyền giữa điện áp hệ thống V1 và điện áp do VSC tạo ra V2.
Hình 2 3:Nguyên lý hoạt động cơ bản STATCOM
STATCOM là thiết bị bù ngang có khả năng điều chỉnh điện áp tại vị trí lắp đặt đến giá trị cài đặt (V ref) Thiết bị này hoạt động bằng cách điều chỉnh biên độ và góc pha của điện áp giữa STATCOM và hệ thống điện, giúp cải thiện ổn định điện áp trong mạng lưới điện.
Trong chế độ hoạt động ổn định điện áp phát ra bởi STATCOM V 2 là cùng pha với
V 1 (δ = 0), do đó chỉ có công suất phản kháng truyền tải Bằng cách điều khiển điện áp
Khi VSC tạo ra điện áp V2 có biên độ lớn hơn điện áp V1 của hệ thống, dòng phản kháng (Iq) sẽ chạy từ STATCOM vào hệ thống, hoạt động như một điện dung để cung cấp công suất phản kháng, từ đó nâng cao điện áp hệ thống Ngược lại, nếu điện áp V2 thấp hơn V1, dòng phản kháng Iq sẽ chạy từ hệ thống vào STATCOM.
I q hoạt động như một điện cảm, tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ thống để hạn chế quá điện áp trên lưới điện Khi điện áp V2 do VSC tạo ra bằng với điện áp hệ thống V1, sẽ không có sự trao đổi công suất phản kháng Hình 2.4 minh họa sơ đồ nguyên lý trao đổi công suất phản kháng và công suất tác dụng giữa bộ bù và lưới điện.
Hình 2 4: Nguyên lý bù của bộ bù tích cực
Ta có công suất phản kháng và công suất tác dụng trao đổi giữa hai nguồn V 1 (lưới) và
V 2 và θ 2 : Điện áp tạo ra bởi VSC và góc lệch pha
X L : Điện kháng kết nối giữa lưới và bộ bù
Trong chế độ hoạt động chỉ bù công suất phản kháng thì δ = 0 do đó từ (2.1) ta có:
Từ (2.2) ta thấy Q tỉ lệ với hai điện áp (V 1 – V 2 )
- Khi V 1 = V 2 thì Q = 0 bộ bù không phát ra hay hấp thụ CSPK
Khi V1 lớn hơn V2, có sự tồn tại của thành phần điện áp V12, tương ứng với dòng cảm kháng IL chậm hơn V1 và V2 một góc 90 độ Lúc này, lưới điện sẽ truyền công suất phản kháng vào bộ bù, trong đó STATCOM sẽ hấp thụ công suất phản kháng.
Hình 2 5: Trạng thái hấp thụ công suất phản kháng của bộ bù
Khi V 1 < V 2 thì Q < 0 tồn tại thành phần điện áp V 12 tương ứng dòng điện dung IC vượt trước V 1 ,V 2 một góc bằng 90 0 bộ bù phát công suất phản kháng lên lưới điện
Hình 2 6: Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù
Khi điều chỉnh biên độ điện áp đầu ra của bộ bù trong khi giữ góc lệch δ = 0, ta có khả năng kiểm soát dòng công suất phản kháng giữa lưới và bộ bù Điều này mang lại nhiều ưu điểm trong việc tối ưu hóa hiệu suất hệ thống điện.
STATCOM thì tương tự như của một tụ bù đồng bộ nhưng thời gian phản ứng cực kỳ nhanh chóng và hiệu quả
STATCOM cung cấp bù công suất phản kháng, giúp cải thiện chất lượng điện năng cho hệ thống điện công nghiệp Thiết bị này điều chỉnh điện áp và tần số, đảm bảo hệ thống lưới điện hoạt động ổn định ngay cả khi có biến động và giảm nguy cơ mất ổn định.
Thuật toán PSO
Thuật toán Tối ƣu Bầy Đàn (PSO) là một phương pháp tối ưu hóa dựa trên trí tuệ bầy đàn, giúp tìm kiếm giải pháp cho các bài toán tối ưu hóa trong không gian tìm kiếm PSO thuộc nhóm các thuật toán tiến hóa quần thể, tương tự như giải thuật di truyền (GA), nhưng điểm khác biệt là PSO chú trọng vào sự tương tác giữa các cá thể trong quần thể để khám phá không gian tìm kiếm hiệu quả hơn Thuật toán này được mô hình hóa từ hành vi của đàn chim khi tìm kiếm thức ăn và được giới thiệu lần đầu vào năm 1995 tại một hội nghị IEEE bởi James Kennedy và Russell C Eberhart.
Hình 2 7 : Quá trình bay của đàn chim
Hình 2 8: Quá trình tìm thức ăn của đàn kiến
Thuật toán PSO (Particle Swarm Optimization) có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực tối ưu hóa Để hiểu rõ về thuật toán này, ta có thể xem ví dụ về quá trình tìm kiếm thức ăn của một đàn chim trong không gian ba chiều Ban đầu, đàn chim bay theo hướng ngẫu nhiên, nhưng sau một thời gian, một số cá thể bắt đầu tìm thấy thức ăn và gửi tín hiệu cho những cá thể lân cận Tín hiệu này nhanh chóng lan truyền, giúp các cá thể điều chỉnh hướng bay và tốc độ về nơi có nhiều thức ăn nhất Cơ chế này cho phép cả đàn chim sử dụng trí tuệ tập thể để nhanh chóng xác định vị trí thức ăn trong không gian rộng lớn Mô hình hóa quá trình này trong sinh hoạt tự nhiên dẫn đến sự phát triển của thuật toán PSO, thuộc nhóm thuật toán phỏng sinh học (bioinspired algorithms), thường thấy trong các lĩnh vực khoa học khác.
Bài toán tối ưu hàm F trong không gian n chiều yêu cầu xác định điểm tọa độ n chiều, nơi hàm F đóng vai trò là hàm mục tiêu với giá trị thực Mục tiêu chính là tìm kiếm điểm cực tiểu của hàm F trong một miền xác định cụ thể.
Bài toán tìm thức ăn có thể được liên hệ với bài toán tìm cực tiểu của hàm F Cụ thể, số lượng thức ăn tại một vị trí tỉ lệ nghịch với giá trị của hàm F tại vị trí đó, tức là giá trị hàm F càng nhỏ thì số lượng thức ăn càng lớn Do đó, việc xác định vùng chứa nhiều thức ăn nhất tương tự như việc tìm kiếm các điểm cực tiểu của hàm F trong không gian tìm kiếm.
2.3.2 Biểu thức cơ bản của thuật toán PSO
Phương pháp tối ưu hóa bầy đàn (PSO) bắt đầu bằng một tập hợp ngẫu nhiên các cá thể trong không gian tìm kiếm, tương tự như các phương pháp tối ưu hóa dựa trên mô hình dân cư khác như GA Tuy nhiên, khác với các phương pháp tiến hóa khác, PSO không có sự kết nối giữa các phần tử di truyền trong quá trình tìm kiếm, mà dựa vào hành vi xã hội của các cá thể trong nhóm Kết quả tối ưu toàn cục được đạt được thông qua việc điều chỉnh quỹ đạo của các cá thể, dẫn đến vị trí tốt nhất và phần tử tối ưu nhất trong nhóm sau mỗi bước tính toán PSO trở nên phổ biến nhờ vào tính đơn giản và khả năng hội tụ nhanh chóng để đạt được kết quả tốt.
Trong thuật toán PSO, quỹ đạo của mỗi cá thể trong không gian tìm kiếm được điều chỉnh thông qua việc thay đổi vận tốc, dựa vào kinh nghiệm bay của chính cá thể đó và của các cá thể khác Vị trí và vận tốc của cá thể thứ i trong không gian đa chiều được biểu diễn bằng vector.
Thông qua việc định nghĩa hàm, chúng ta xác định giá trị tối ưu tại thời điểm t là Gbest = (p 11 ;p 12 ; ;p n ) Tiếp theo, vận tốc mới và vị trí mới của các cá thể được tính toán dựa trên hai công thức sau:
V id k 1 v id k c 1.rand1 pbest id k x id k c 2.rand2 gbest id k x i k d (2.4)
X id k 1 X id k V i d k 1 (2.5) Trong đó c 1 ; c 2 là những hằng số gia tốc
17 rand 1 và rand 2 là dạng tạo số ngẫu nhiên trong đoạn [0;1] (2 hàm này có mối liên hệ đồng dạng với nhau)
Trong công thức (2.4), phần đầu tiên đại diện cho vận tốc trƣóc đó, giúp cá thể tiếp tục tìm kiếm trong không gian Thành phần thứ hai, gọi là thành phần Cognitive, thể hiện khả năng suy tính của cá thể, hướng dẫn chúng đến vị trí tối ưu Thành phần thứ ba, thành phần xã hội, phản ánh hiệu ứng hợp tác trong quá trình tìm kiếm giải pháp tối ưu toàn cục, kéo các cá thể về phía giá trị tối ưu Các cá thể ban đầu được khởi tạo ở vị trí ngẫu nhiên với vận tốc ngẫu nhiên, và sự phù hợp của chúng được đánh giá qua hàm mục tiêu Vận tốc của từng cá thể được tính toán và vị trí được cập nhật theo công thức (2.5) Nếu cá thể tìm ra vị trí tối ưu hơn trước, vị trí đó sẽ được lưu vào bộ nhớ Cuối cùng, vận tốc lớn nhất (V max) cho mỗi module của vector vận tốc được định nghĩa để kiểm soát phạm vi tìm kiếm của các cá thể theo yêu cầu của người dùng.
Ổn định điện áp trong hệ thống điện
Hệ thống điện được phân loại ổn định dựa trên các chỉ tiêu như ổn định góc rotor, điện áp và tần số Quá trình phân loại ổn định trong hệ thống điện bao gồm các khía cạnh như ổn định điện áp khi mất cân bằng nhỏ, ổn định hệ thống điện, ổn định tần số, ổn định góc rotor, ổn định điện áp, ổn định khi dao động nhỏ và ổn định quá độ.
Ngắn hạn Ổn định điện áp khi mất cân bằng lớn
Ổn định điện áp là khả năng của hệ thống điện duy trì điện áp ổn định tại tất cả các thanh cái sau khi bị tác động bởi nhiễu loạn từ điều kiện vận hành trước đó Khả năng này phụ thuộc vào việc cân bằng giữa nhu cầu phụ tải và khả năng cung cấp điện Ổn định điện áp được chia thành hai dạng: ổn định điện áp tĩnh và ổn định điện áp động Phân tích ổn định điện áp tĩnh liên quan đến giải các phương trình đại số, do đó có ít phép tính hơn so với nghiên cứu ổn định điện áp động.
Mất ổn định điện áp trong hệ thống điện thường biểu hiện qua sự tăng hoặc giảm điện áp tại các thanh cái, dẫn đến hệ thống bảo vệ relay cắt điện cho một số phụ tải hoặc đường dây truyền tải, có thể gây ra mất ổn định đồng bộ cho các máy phát điện Luận văn này tập trung vào việc ổn định điện áp và mô phỏng sự ổn định này khi sử dụng thiết bị điều khiển FACTS (STATCOM) thông qua phần mềm Matlab/Simulink Ổn định điện áp được phân thành bốn loại: ổn định điện áp nhiễu loạn lớn, ổn định điện áp nhiễu loạn bé, ổn định điện áp ngắn hạn và ổn định điện áp dài hạn Ổn định điện áp nhiễu loạn lớn đề cập đến khả năng duy trì ổn định ngay sau các sự cố lớn trong khoảng thời gian từ vài giây đến 10 phút Ổn định điện áp nhiễu loạn bé liên quan đến khả năng duy trì ổn định khi có dao động nhỏ trong hệ thống phụ tải, ảnh hưởng bởi đặc tính phụ tải và điều khiển Ổn định điện áp ngắn hạn liên quan đến các thành phần phụ tải thay đổi nhanh như mô-tơ cảm ứng và thiết bị điện tử, trong khi ổn định điện áp dài hạn liên quan đến các thiết bị hoạt động chậm hơn như máy biến áp điều nấc Thiếu công suất phản kháng là một nguyên nhân chính dẫn đến mất ổn định điện áp, và cải thiện khả năng điều khiển công suất phản kháng là biện pháp quan trọng để ngăn chặn tình trạng này Đặc tính P-V cho thấy mối quan hệ nghịch giữa điện áp tại thanh cái đầu cuối và công suất truyền tải.
Không có bù Điểm giới hạn
Hệ số phụ tải (LF) [p.u]
Hình 3 2: Các đường cong P-V không có bù, có bù song song
Khi công suất truyền tải tăng, điện áp tại đầu nhận cuối sẽ giảm, và khi đạt đến điểm giới hạn công suất phản kháng, việc gia tăng công suất tác dụng sẽ làm giảm nhanh chóng biên độ điện áp Trước khi đạt đến giới hạn, độ sụt áp lớn dẫn đến tổn thất công suất phản kháng nghiêm trọng Để bảo vệ hệ thống khỏi sự cố sụp đổ điện áp, cần giảm công suất phản kháng của phụ tải hoặc cung cấp hỗ trợ công suất phản kháng kịp thời Các thiết bị FACTS có khả năng cung cấp công suất phản kháng theo yêu cầu, giúp tăng cường ổn định điện áp trong hệ thống.
Các giới hạn ổn định trong hệ thống điện
Hệ thống điện cần có các giới hạn truyền tải công suất để đảm bảo hoạt động tin cậy, bao gồm giới hạn nhiệt, giới hạn điện áp và giới hạn ổn định Những giới hạn này ảnh hưởng đến khả năng phát và truyền tải công suất tác dụng cũng như công suất phản kháng trong hệ thống.
Các thiết bị điện của điện lực và khách hàng được thiết kế để hoạt động ở công suất và điện áp định mức Sự lệch áp kéo dài so với mức điện áp này có thể gây hại cho đặc tính làm việc của thiết bị, thậm chí dẫn đến hư hỏng Dòng điện trong hệ thống truyền tải có thể gây sụt áp lớn không mong muốn, và điện áp rơi là nguyên nhân chính gây tổn thất công suất phản kháng Tổn thất này xảy ra ngay khi có dòng điện chạy trong hệ thống Nếu công suất từ các máy phát điện không đủ cung cấp cho nhu cầu, điện áp sẽ bị giảm.
Giới hạn chấp nhận cho điện áp định mức là +6%, tùy thuộc vào tiêu chuẩn của từng cấp điện áp và quốc gia Để ngăn ngừa tình trạng điện áp giảm, hệ thống thường cần hỗ trợ công suất phản kháng Tổng công suất phản kháng cần thiết thường được xác định dựa trên giới hạn truyền tải công suất Nếu hệ thống không đủ dự trữ công suất phản kháng, công suất tác dụng truyền tải sẽ bị hạn chế, dẫn đến hiệu suất không đạt yêu cầu.
Giới hạn nhiệt trong hệ thống điện phụ thuộc vào khả năng chịu nhiệt của thiết bị Khi công suất truyền tải và biên độ dòng điện tăng, nguy cơ hư hỏng do quá nhiệt cũng gia tăng Ví dụ, trong các nhà máy điện, việc vận hành thiết bị ở mức tối đa liên tục có thể dẫn đến hư hỏng cuộn dây stator hoặc rotor của máy phát điện Cả công suất tác dụng và phản kháng đều ảnh hưởng đến biên độ dòng điện Hệ thống điện, bao gồm đường dây truyền tải, cũng phải tuân thủ các giới hạn nhiệt để tránh hư hỏng Việc vận hành quá tải các đường dây trên không có thể làm giảm khả năng dẫn điện do cấu trúc kim loại bị phá vỡ Các thiết bị này cần được hạn chế dòng điện để đảm bảo an toàn khi mang tải Quá tải liên tục sẽ làm giảm tuổi thọ thiết bị do giảm cách điện, mặc dù hầu hết các thiết bị có thể chịu quá tải nhất định Điều quan trọng là xác định mức độ và thời gian quá tải cho phép.
3.2.3 Giới hạn ổn định Ổn định hệ thống điện là khả năng của hệ thống để duy trì trạng thái vận hành cân bằng trong những điều kiện vận hành bình thường và trở lại trạng thái cân bằng sau khi chịu tác động của các nhiễu loạn Mất ổn định trong hệ thống điện được thể hiện dưới nhiều dạng khác nhau phụ thuộc vào cấu trúc hệ thống và chế độ vận hành Thông thường, ổn định là việc duy trì tất cả các máy phát đồng bộ trong hệ thống điện làm việc đồng bộ với nhau Xem xét giới hạn ổn định của hệ thống gồm 2 nguồn và hai đường dây song song với nhau nhƣ hình 3.3a
St t Đường công suất trước khi sự cố
Công suất tác dụng truyền tải giữa hai thanh cái phụ thuộc vào góc δ, theo các phương trình (3.1) và (3.2) Khi xảy ra sự cố trên đường dây 1-2, máy cắt 1 và máy cắt 2 sẽ ngắt kết nối, cô lập điểm ngắn mạch Hệ thống điện ổn định tại góc δ0 sẽ gặp sự cố, khiến công suất giảm đột ngột do tổng trở tăng lên Tại thời điểm này, hệ thống bảo vệ rơle sẽ nhanh chóng cắt sự cố Tại điểm 3, công suất điện P vượt quá công suất cơ PM của tua-bin, dẫn đến việc máy phát hãm tốc cho đến điểm 4, rồi trở về điểm 5, thiết lập trạng thái ổn định mới với góc δss Nếu máy phát không hãm tốc tại điểm 4 và tiếp tục trượt dài, sẽ dẫn đến mất ổn định đồng bộ.
Giới hạn ổn định của hệ thống điện được xác định khi diện tích Stt nhỏ hơn diện tích hãm tốc S ht Phân tích góc ổn định công suất hệ thống điện tập trung vào đặc tính động, liên quan đến sự thay đổi của dòng công suất, điện áp, góc và tần số khi hệ thống chịu tác động từ các nhiễu loạn Ổn định góc công suất được chia thành hai loại: ổn định quá độ và ổn định giao động bé Ổn định quá độ là khả năng duy trì sự đồng bộ của hệ thống khi gặp phải nhiễu loạn lớn, được xác định qua khả năng phản ứng của hệ thống.
Hình 3 5: Đường cong công suất-góc
Hệ thống được coi là ổn định quá độ nếu có khả năng vượt qua nhiễu loạn lớn và trở lại trạng thái ổn định Ngược lại, hệ thống không ổn định khi không thể phục hồi Khi xảy ra nhiễu loạn lớn, giá trị góc của hệ thống sẽ tăng lên đến đỉnh và sau đó giảm, cho thấy sự ổn định quá độ Sự ổn định này phụ thuộc vào trạng thái vận hành ban đầu và độ lớn của nhiễu loạn Hình 3.4 minh họa sự khác biệt giữa hệ thống ổn định quá độ và không ổn định sau khi xảy ra nhiễu loạn lớn.
Nhiều hệ thống điện cần giới hạn công suất truyền tải để đảm bảo ổn định quá độ, đặc biệt là những hệ thống có đường dây dài và nhà máy xa Để phân tích giới hạn quá độ, người ta nghiên cứu sự thay đổi góc rotor của các máy phát điện đồng bộ kết nối với hệ thống sau khi bị tác động bởi nhiễu loạn lớn Kỹ thuật này thường sử dụng phần mềm máy tính tích hợp để đánh giá ổn định quá độ của hệ thống Bên cạnh đó, ổn định dao động bé, hay còn gọi là ổn định nhiễu loạn, đề cập đến khả năng của hệ thống điện phục hồi ổn định sau khi chịu tác động từ các nhiễu loạn nhỏ, là một đặc tính quan trọng trong việc đảm bảo sự an toàn và hiệu quả của hệ thống.
Hình 3 6: Sự thay đổi góc của hệ thống ổn định quá độ (a) và hệ thống mất ổn định (b)
Nhiễu loạn trong hệ thống điện có thể ảnh hưởng đến biên độ và độ dài của điện áp, tần số, góc và dòng công suất, thường do nhiều sự kiện khác nhau gây ra Khi hệ thống kích từ của máy phát gặp sự cố, các nhiễu loạn này có thể trở nên phức tạp và nghiêm trọng, dẫn đến tình trạng mất ổn định của toàn bộ hệ thống.
Dao động mất ổn định có thể khởi phát từ biên độ dao động công suất nhỏ, tuy không gây hại ngay lập tức Tuy nhiên, nếu không được kiểm soát, dao động này có thể gia tăng đến mức gây ra sự tách rời trong hệ thống Các đường dây truyền tải và máy phát điện có nguy cơ bị cắt đứt do những dao động này Thời gian tồn tại của dao động mất ổn định có thể kéo dài hàng giờ hoặc chỉ diễn ra trong vài giây sau khi có sự nhiễu loạn lớn.
Hệ thống có khả năng phục hồi từ những nhiễu loạn lớn, nhưng cũng có thể trải qua giai đoạn dao động lớn, dẫn đến tình trạng mất ổn định Hình 4.5 minh họa sự chuyển biến của hệ thống qua các giai đoạn: dao động nhỏ ổn định, dao động ổn định và cuối cùng là dao động mất ổn định.
Hệ thống ổn định dao động được phân loại thành ba dạng: dao động bé, ổn định và mất ổn định Giới hạn nhiệt là yếu tố quan trọng nhất đối với các đường dây truyền tải dài đến 100 dặm, trong khi giới hạn điện áp cao hơn giới hạn ổn định cho các đường dây có chiều dài từ 100 đến 300 dặm Đối với các đường dây dài hơn 300 dặm, giới hạn biến đổi ổn định động là thấp nhất Việc nâng cao công suất truyền tải giúp di chuyển các giới hạn khác của hệ thống điện về phía giới hạn nhiệt.
Cơ sơ kiến thức trong điều khiển hệ thống điện
Trước khi nghiên cứu cơ sở điều khiển hệ thống điện và các giới hạn ổn định, cần thảo luận về các chỉ số ảnh hưởng đến trào lưu công suất tác dụng và phản kháng Việc chuyển tải công suất giữa hai thanh cái phụ thuộc vào các thông số quan trọng sau đây.
Điện áp thanh cái đầu nhận và đầu phát
Góc công suất giữa hai thanh cái
Tổng trở nối tiếp của đường dây truyền tải giữa hai thanh cái
Hệ thống đơn giản hình tia được mô tả trong Hình 3.9, trong đó đường dây truyền tải giữa thanh cái nhận và phát được mô hình hóa bằng mô hình tương đương Để đơn giản hóa tính toán, điện trở của đường dây được bỏ qua Các phương trình mô tả công suất chuyển tải tại thanh cái phát và thanh cái nhận được trình bày dưới dạng cụ thể.
Công suất tác dụng tại đầu phát:
Phụ tải đường dây (MW)
Chiều dài đường dây (dặm)
Hình 3 8: Giới hạn vận hành của đường dây theo các mức điện áp
Công suất tác dụng tại đầu nhận:
P X (3.2) Công suất phản kháng tại đầu phát:
Công suất phản kháng tại đầu nhận:
P S +jQ S jX P R+ jQ R jX C jX C
Hình 3 9: Mô hình đơn giản hệ thống hình tia hai thanh cái
Công suất tác dụng chuyển tải được xác định bởi điện áp đầu nhận và đầu phát, trở kháng nối tiếp của đường dây, cùng với góc lệch pha giữa hai điện áp Trong các hệ thống điện, góc công suất khác biệt giữa hai thanh cái thường nhỏ hơn 20 độ, do đó phương trình chuyển tải công suất có thể được rút gọn.
Trong ngắn hạn, công suất tác dụng giữa hai thanh cái trong hệ thống điện phụ thuộc vào góc lệch pha giữa chúng Công suất tại đầu phát và đầu nhận là bằng nhau, trong khi tổn thất công suất trong hệ thống được coi là không đáng kể.
Phương trình chuyển tải công suất phản kháng phức tạp hơn so với phương trình chuyển tải công suất tác dụng Để đơn giản hóa, chúng ta sẽ bỏ qua tác động của công suất điện dung đường dây Do đó, phương trình công suất phản kháng sẽ được trình bày một cách đơn giản hơn.
Trong phương trình (3.6) và (3.7), công suất phản kháng chuyển tải giữa hai điểm được xác định bởi biên độ điện áp ở hai thanh cái, điện kháng nối tiếp của đường dây và góc công suất giữa hai điểm Trong chế độ làm việc bình thường, góc công suất giữa hai thanh cái nối với nhau thường nhỏ, do đó phương trình công suất phản kháng chuyển tải có thể được đơn giản hóa.
Công suất phản kháng truyền tải giữa hai điểm được xác định bởi biên độ điện áp tại hai thanh cái và điện kháng của đường dây, theo các phương trình (3.8) và (3.9) Trong trạng thái tĩnh, công suất phản kháng sẽ chảy từ thanh cái có điện áp cao đến thanh cái có điện áp thấp.
Công suất tác dụng luôn di chuyển từ khu vực có góc cao sang khu vực có góc thấp, trong khi công suất phản kháng thường phân bố từ nơi có điện áp cao đến nơi có điện áp thấp.
Hệ thống lưới điện nghiên cứu
Sơ đồ hệ thống điện 3 máy 9 bus của IEEE gồm các thành phần sau:
Hình 4 1: Hệ thống khảo sát 3 máy phát 9 nút
Trong một hệ thống điện, các thành phần phân bổ và sử dụng được thể hiện qua các tải phụ tại bus kết nối Để duy trì độ ổn định, điện áp lý tưởng cần giữ trong khoảng ±5% nhằm ngăn ngừa sụp đổ điện áp khi quá tải Nếu tải điện tăng, điện áp tại bus có thể giảm xuống dưới 0.95 p.u, do đó cần hỗ trợ điện áp bổ sung Nghiên cứu này sử dụng STATCOM (tụ bù tĩnh) để cung cấp điện áp hỗ trợ, với vị trí và kích thước tối ưu được xác định thông qua thuật toán PSO Hệ thống sẽ được mô phỏng bằng phần mềm MATLAB.
Hàm mục tiêu
Hàm mục tiêu J được thể hiện qua biểu thức 4.1, là tổng trọng số của các số liệu chênh lệch điện áp và dung lượng của STATCOM Để đảm bảo tính so sánh giữa hai thuật ngữ trong hàm mục tiêu, dung lượng của STATCOM sẽ được tính toán thông qua phương pháp thử và sai Trong đó, độ lệch điện áp được tính bằng p.u và dung lượng của STATCOM được tính bằng MVAR.
J: giá trị hàm mục tiêu
V i : gía trị của điện áp tại bus i tính theo p.u
V i – 1: giá trị chênh lệch điện áp i tính theo p.u
: Tổng số liệu chênh lệch điện áp
: Dung lƣợng của STATCOM tính theo MVAR
Hệ thống điện đa máy bao gồm 3 máy phát điện, với điện áp của mỗi bus được kiểm soát bởi máy phát tương ứng Do đó, các bus này sẽ không được xem xét trong quá trình tìm kiếm, để lại 6 vị trí khả thi cho STATCOM.
Áp dụng thuật toán bầy đàn PSO
Việc áp dụng thuật toán PSO sẽ được trình bày trong phần dưới và sẽ được minh họa bởi lưu đồ
Khởi tạo vận tốc, pbest, gbest, số phần tử và lần lặp tối đa
Với mỗi phần tử, khởi tạo kích thước và số vị trí bus của STATCOM
Nếu số lần lặp < Số lần lặp tối đa
Tất cả các phần tử đã đƣợc kiểm tra ?
Chạy phân bố công suất và tính toán hàm mục tiêu
Tính và lưu kết quả pbest cho mỗi phần tử
Tính và lưu giá trị gbest cho tất cả các phần tử
Cập nhật vận tốc và vị trí phần tử
Kiểm tra tính khả thi Dời phần tử đến vị trí khả thi trong khu vực tìm kiếm
Hình 4 2: Lưu đồ ứng dụng PSO 4.3.1 Định nghĩa phần tử
Phần tử đƣợc định nghĩa là một vec-tơ có chƣa số vị trí của STATCOM bus và có dung lƣợng của nó đƣợc biểu thị nhƣ biểu thức 4.2
: Số vị trí của STATCOM bus số
: Dung lƣợng của STATCOM tính theo MVAR
Hàm thích nghi PSO đƣợc dùng để đánh giá hiệu suất của mỗi phần tử ứng với hàm mục tiêu trình bày ở công thức (4.1)
4.3.3 Các tham số của PSO
Mức độ hiệu quả của PSO phụ thuộc vào việc lựa chọn các tham số phù hợp Để tìm ra bộ tham số tối ưu, cần áp dụng chiến lược đánh giá các kết quả khác nhau cho từng tham số cụ thể và xác định ảnh hưởng của chúng đến hiệu quả của PSO Các giá trị khác nhau cho các tham số PSO sẽ được trình bày trong phần phụ lục, trong khi việc đánh giá hiệu quả sẽ được thể hiện trong phần kết quả.
Khi lựa chọn giữa số lượng phần tử và số lần lặp của bầy đàn, cần cân nhắc kỹ lưỡng Mỗi giá trị thích nghi phải được đánh giá qua giải pháp phân bố công suất tại mỗi lần lặp, do đó số lượng phần tử không nên quá lớn để tránh tăng cao công sức tính toán Các bầy gồm 5 và 10 phần tử được xem là kích thước mật độ hợp lý để đạt hiệu quả tối ưu.
Dựa trên các kết quả trước đó, khối lượng quán tính sẽ giảm theo tỷ lệ tuyến tính nhằm cải thiện sự hội tụ của bầy đàn Mục tiêu là giảm khối lượng quán tính từ giá trị ban đầu 0.9 xuống còn 0.1 qua nhiều bước đều nhau trong tổng số lần lặp tối đa, như được thể hiện trong công thức (4.2).
(4.2) Trong đó: w i : Khối lƣợng quán tính tại lần lặp i iter: số lần lặp max_iter: tổng số lần lặp tối đa c Hằng số gia tốc
Một bộ ba giá trị của các hằng số gia tốc cá nhân c={1.5, 2, 2.5} sẽ được đánh giá để nghiên cứu hiệu ứng của việc coi trọng giá trị tốt nhất của cá thể so với giá trị tốt nhất của bầy đàn.
Giá trị cho hằng số gia tốc cộng đồng đƣợc định nghĩa là : c 2 = 4-c 1 d Số lần lặp
Số lần lặp khác nhau {10, 15, 20, 30, 50} đƣợc xem xét nhằm đánh giá tác động của tham số này với hiệu quả của PSO e Giá trị vận tốc tối đa
Trong trường hợp này, mỗi phần tử thành phần cần được xác định giá trị vận tốc tối đa Dựa trên các kết quả trước đó, giá trị 6 được xem là vận tốc tối đa cho các số lân cận Đối với dung lượng của STATCOM, các giá trị vận tốc tối đa sẽ được xem xét gồm {25, 50, 75}.
Bảng 4 1: Trình bày tổng kết về các giá trị đƣợc thử nghiệm ở mỗi tham số
Tham số Giá trị thử nghiệm
Khối lƣợng, quán tính Khối lƣợng quán tính giảm tuyến tính
Gia tốc tối đa cho STATCOM tại bus 6
Gia tốc tối đa cho dung lƣợng STATCOM {25, 50, 75 }
Trong trường hợp áp dụng PSO, vị trí của các phần tử được xác định bởi số nguyên, bao gồm vị trí bus và dung lượng STATCOM Do đó, chuyển động của các phần tử sẽ được làm tròn đến số nguyên gần nhất Cần lưu ý rằng không được phép chọn vị trí là bus máy phát điện Nếu kết quả tính toán bao hàm một bus máy phát điện, phần tử ở vị trí đó sẽ được chuyển đến vị trí bus gần nhất không có máy phát điện.
Kết quả mô phỏng
4.4.1 Điều chỉnh các thông số PSO tối ƣu
Để xác định bộ tham số tối ưu cho PSO trong số các lựa chọn đã đề cập trước đó, mỗi bộ tham số sẽ được thử nghiệm tối ưu hóa 50 lần Giá trị tốt nhất cuối cùng của mỗi hàm thích nghi sẽ được chọn từ các tổ hợp Từ những giá trị này, các chỉ số thống kê như giá trị chênh lệch nhỏ nhất, lớn nhất, trung bình và tiêu chuẩn (tính theo %) sẽ được tính toán để đánh giá hiệu suất của PSO.
Bảng 4 2: Thông số PSO tối ƣu
Hằng số gia tốc cá thể 2.5
Hằng số gia tốc tập thể 1.5
Gia tốc tối đa cho STATCOM tại bus 6 Gia tốc tối đa cho dung lƣợng STATCOM 50
4.4.2 Kết quả chạy phân bố công suất
Sau khi cài đặt các thông số tối ƣu cho thuật toán PSO Sau 50 lần lặp ta thấy điện áp các bus tải đạt 0.97 trong khoảng cho phép 5%
Hình 4 3: Điện áp các bus tải sau 50 lần lặp
Tốc độ rotor của máy phát 1, 2 và 3 khi sự cố tăng đột ngột công suất cơ của máy phát
1 lên 20% Ta thấy tốc độ rotor của các máy phát 1, 2 và 3 từ khoảng thời gian 1s đến 3s dao động giảm dần sau 3s tốc độ rotor đã dần ổn định
Hình 4 4: Tốc độ rotor của máy phát 1
Hình 4 5: Tốc độ rotor của máy phát 2
Hình 4 6: Tốc độ rotor của máy phát 3
Công suất tác dụng của máy phát 1, 2 và 3 khi sự cố tăng đột ngột công suất cơ của máy phát 1 lên 20% ổn định sau khoảng thời gian 3s
Hình 4 7: Công suất tác dụng của máy phát 1
Hình 4 8: Công suất tác dụng của máy phát 2
Khi xảy ra sự cố, công suất cơ của máy phát 1 tăng đột ngột lên 20%, điện áp tại máy phát 1, 2 và 3 đã dần ổn định sau khoảng 3 giây, nằm trong khoảng điện áp cho phép ±5%.
Hình 4 10: Điện áp tại máy phát 1
Hình 4 11: Điện áp tại máy phát 2
Hình 4 12: Điện áp tại máy phát 3 Điện áp tại các tải khi sự cố tăng đột ngột công suất cơ của máy phát 1 lên 20%.
Hình 4 13: Điện áp tại các bus tải 7
Hình 4 14: Điện áp tại các bus tải 8
Hình 4 15: Điện áp tại các bus tải 9 Điện áp các bus tải ổn định trong khoảng điện áp cho phép 5%
Bảng 4.3: Điện áp các bus trước và sau khi có STATCOM
Qua kết quả mô phỏng, khi STATCOM kết nối với bus 7, nó cung cấp 50 MVA cho hệ thống Sau 50 lần lặp với tải cố định và tăng tải 20%, tất cả điện áp trong hệ thống đều nằm trong giới hạn chênh lệch điện áp tối đa ±5%.
Điện áp của bus mà STATCOM kết nối cần được điều chỉnh để duy trì tất cả các điện áp trong khoảng giới hạn, đồng thời giảm thiểu dung lượng của STATCOM Điều này xác định vị trí và kích thước tối ưu cho thiết bị Bảng 4.3 trình bày những kết quả tối ưu về công suất phát và bù khi lắp đặt STATCOM.
