quản lý nghẽn mạch trong hệ thống điện có tích hợp nguồn năng lượng tái tạo sử dụng thiết bị facts

TÓM TẤT LUẬN VĂN THẠC sĩHiện nay, với sự tăngtrưởng của nhu cầu phụ tải, sựthâm nhập củacác nguồn năng lượng tái tạo cùng với cơ chếthị trường điện cởi mở đã làm cho hệ thống truyền tải

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH

NGUYỄN THANH NHÂN

QUẢN LÝ NGHẼN MẠCH TRONG HỆ THÔNG ĐIỆN CÓ TÍCH HỢP NGUỒN NĂNG LƯỢNG

TÁI TẠO SỬ DỤNG THIẾT BỊ FACTS

Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Ma ngành: 8520201

LUẬN VĂN THẠC sĩ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NĂM 2024

Công trình được hoàn thành tạiTrường Đại học Công nghiệp TP Hồ Chí Minh.Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS DƯƠNG THANHLONG

Luận văn thạc sĩđược bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đạihọc Công nghiệp thành phố HồChí Minh 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 ỉuận văn thạc Sĩ)

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THÀNH PHỐ HÒ CHÍ MINH

NHIỆM VỤ LUẬN VẪN THẠC sĩ

I TÊN ĐÈ TÀI:

QUẢN LÝ NGHẼN MẠCH TRONG HỆTHỐNG ĐIỆNCÓTÍCH HỢP NGUỒNNANG LƯỢNG TÁI TẠO sử DỤNG THIẾT BỊ FACTS

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DƯNG:

- Tìm hiểu về thiết bị FACTS: TCSC

Nghiên cứu môhìnhtoán của thiết bị FACTS: TCSC

Nghiên cứu giải thuật tối ưu hóa dạy học (TLBO) để giải quyết bài toán nghẽn mạch

Nghiên cứu tích hợp TCSC và các nguồn điện phân tán để giải quyết bài toánnghẽn mạch

Nghiên cứu mô phỏng giải quyết bài toán nghẽn mạch trên hai hệ thống điện chuẩn là IEEE 30 nút và IEEE 57 nút

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18/11/2022.

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: / /2024

IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS DƯƠNG THANH LONG

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2024

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM Bộ MÔN ĐÀO TẠO

Dưong Thanh Long

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc với TS Dương Thanh Long người thầy đã trực tiếp tận tâm hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đặcbiệt là quý Thầy, Cô khoa Công Nghệ Điện Trường Đại học Công Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy truyền đạt kiến thức làm nền tảng để tôi hoàn thành luận văn này Cảm ơn các bạn học viên cùng khóa, nhóm nghiên cứu đã cùng thảo luận, góp ý cho một số nội dung liên quan trong luận văn

Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, những người

đãủng hộ, hỗ trợvà động viên tôi trong thời gian qua

TÓM TẤT LUẬN VĂN THẠC sĩ

Hiện nay, với sự tăngtrưởng của nhu cầu phụ tải, sựthâm nhập củacác nguồn năng lượng tái tạo cùng với cơ chếthị trường điện cởi mở đã làm cho hệ thống truyền tải thường xuyên phải làm việc ở trạng thái căng thẳng và đôi khi có thể dẫn đến tìnhtrạng nghẽn mạch ở một số đường dây Để giải quyết vấn đề này thì việc quản lýnghẽn mạch đã trở thành một chủ đề thu hút được nhiều sự quan tâm từ nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới Mục tiêu của bài toán quản lý nghẽn mạch là loại bỏ tìnhtrạng tắc nghẽn trên đường dây Đe thực hiện mục tiêu này thì việc tái điều độ lại công suất máy phátlàkỹ thuật đượcquan tâm tại nhiều nghiên cứu Trong đề tài này, giải thuật tối ưu hóa dạy học (TLBO) được áp dụng để giải quyết bài toán nghẽn mạch Bên cạnh kỹ thuật tái điều độ lại máy phát thì việc tích hợp TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) và các nguồn điện phân tán (DG) được thực hiện và so sánh hiệu quả trong đề tài này Ngoài ra, bài toán nghẽn mạch được thử nghiệm trênhai hệthống điện chuẩn là IEEE 30 nút và IEEE 57nút với hai trường hợp khác nhau.Kết quảtại mỗi trường hợp thu được bằng cách sử dụng thuật toán TLBO được so sánh với thuật toán tối ưu hóa bầy hạt (PSO) để chứng minh tính hiệu quảcủa thuật toán đề xuất Thông qua kết quả cho thấy việc tích hợp của DG giúp chochi phí nghẽn mạch giảm lần lượt 2,23% và 8,14% đối với hệ thống IEEE 30 nút và IEEE 57 và3,38% và 1,43% đối với trường hợp tích hợp TCSC

In the present day, with the growth of load demand, the penetration of renewableenergy sources, and the open electricity marketmechanism, the transmission systemoften has to work ina state ofstress and tension Sometimes it can lead to congestedconditions at somelines To solve this problem, congestion managementhas become

a topic that has attracted much attention from many researchers around the world The major goal of congestion management is to eliminatecongestion on thelines Toachieve this goal, re-dispatching generator poweris a technique of interest in many studies In this topic, the teaching-learning-based optimization (TLBO) algorithm is applied to solve the congestion problem Besides the generator re-dispatching technique, the integration of a TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) and adistributed generator (DG) is implemented and compared effectively in this project

In addition, the congestion problem is tested on two standard electrical systems, theIEEE 30 bus system, and the IEEE 57 bus system, in two different cases The results

in each case obtained using the TLBO algorithm are compared with the particle swarm optimization (PSO) algorithm to demonstrate the effectiveness of theproposed algorithm The results show that the integration of DG helps reduce congestion costs by 2.23% and 8.14% for the IEEE 30 bus and the IEEE 57 bus systems, respectively,and 3.38% and 1.43% in the case of TCSC integration

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây làcông trình nghiên cứu của bản thân tôi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn làtrungthực, khôngsao chép từ bất kỳ một nguồn nàovàdưới bất kỳ hình thứcnào Việc tham khảo cácnguồn tài liệu (nếucó) đãđượcthực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Học viên

Nguyễn Thanh Nhân

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC sĩ ii

ABSTRACT iii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC V DANH MỤC HÌNH ẢNH viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU X DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xi

MỞ ĐẨU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆNVÀ NGHẼN MẠCH 5

1.1 Tổng quan về hệthống điện 5

1.1.1 Giới thiệu 5

1.1.2 Nhà máyđiện 6

1.1.3 Hệ thống truyền tải 13

1.1.4 Tải tiêu thụ 15

1.2 Tổng quan vềnghẽn mạch 15

1.2.1 Giới thiệu 15

1.2.2 Tổng quan về các nghiên cứu liên quan 16

1.2.3 Tổng quan về các phương pháp sử dụng 16

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ FACTS VÀ MÁY PHÁT PHÂN TÁN 18

2.1 Giới thiệu về thiết bị FACTS 18

2.1.1 Phân loại các thiết bị FACTS 19

2.1.2 TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) 22

2.2 Máy phátphân tán (DG) 26

2.2.1 Giới thiệu 26

2.2.2 Hoạt động 27

2.2.3 Vị trí 28

2.2.4 Dung lượng 28

CHƯƠNG 3 QUẢN LÝ NGHẼN MẠCH TÍCH HỢPNGUỒN DG VÀTCSC 30

3.1 Giới thiệu 30

3.2 Ảnh hương của thị trường điện và nguồn năng lượng tái tạo đối với bài toán nghẽn mạch 31

3.3 Bài toán nghẽn mạch 31

3.4 Bài toán nghẽn mạchvới sự tích hợp của nguồn DG 35

3.5 Bài toán nghẽn mạchvới sự tích hợp của TCSC 36

CHƯƠNG 4 GIẢI THUẬT TỐI Ưu HÓA DẠY HỌC 39

4.1 Giới thiệu về giải thuật TLBO 39

4.1.1 Tổng quan về TLBO 39

4.1.2 Khởi tạo quần thể ban đầu 40

4.1.3 Giai đoạn người dạy 41

4.1.4 Giai đoạn người học 41

4.1.5 Lưu đồ giải thuật 42

4.2 ứng dụng giải thuật TLBO để giảibàitoán nghẽn mạch 43

4.2.1 Các thông số đầu vào 43

4.2.2 Các bướcthực hiện khi ápdụng thuật toán TLBO để giải bài toán nghẽn mạch có tích hợp DG và TCSC 44

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 48

5.1 Hệ thống IEEE 30 nút 48

5.1.1 Kịch bản 1 50

5.1.2 Kịch bản 2 52

5.1.3 Kịch bản 3 55

5.2 Hệ thống IEEE 57 nút 57

5.2.1 Kịch bản 1 59

5.2.2 Kịch bản 2 61

5.2.3 Kịch bản 3 63

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐÈ TÀI 66

6.1 Kết Luận 66

6.2 Hướng pháttriển đề tài 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

PHỤLỤC 71

DANH MỤC HỈNH ẢNH

Hình 1.1 Các thành phần của hệthống điện 5

Hình 2.1 Mô hìnhcấu tạo của TCSC 23

Hình 2.2 Mô hình đường dâytruyền tải có tích hợp TCSC 25

Hình 3.1 Các phương pháp giải quyết nghẽn mạch 32

Hình 4.1 Mô hình phân bố điểm của mộtnhóm người học 39

Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật của thuật toán TLBO 42

Hình 5.1 Sơ đồ hệthống IEEE 30 nút 49

Hình 5.2Dòngcông suất trước và sau khi tái điều động máy phátở hệthống IEEE 30 nút 50

Hình 5.3 Đường cong hội tụ của cácphương pháp được sử dụng ở kịch bản 1 tại hệ thống IEEE 30 bus 51

Hình 5.4 Kết quả sau 30 lần chạy thử ở kịch bản thứ 1 tại hệthống IEEE 30 bus

52

Hình 5.5 Đường cong hội tụ của cácphương pháp được sử dụng ở kịch bản 2 hệ thống IEEE 30 bus 54

Hình 5.6 Kết quả sau 30 lần chạy thử ở kịch bản thứ 2 tại hệthống IEEE 30 bus

54

Hình 5.7 Hệ thống IEEE 30 nút khi lắp đặtTCSC 55

Hình 5.8 Đường cong hội tụ của các phương pháp được sử dụng ở kịch bản 3 hệ thống IEEE 30 bus 57

Hình 5.9 Kết quảsau 30 lần chạy thử ở kịch bản thứ 3 tại hệthống IEEE 30 bus

57

Hình 5.10 Sơ đồ hệthống IEEE 57 bus 58

Hình 5.11 Dòngcông suấttrước vàsau khi tái điều động máy phátở hệthống IEEE 57 nút 59

Hình 5.12 Đường cong hội tụ của các phương pháp được sử dụng ở kịch bản 1 hệ thống IEEE 57 bus 60

Hình 5.13 Kết quả sau 30 lần chạy thử ở kịch bản thứ 1 tại hệthống IEEE 57 bus

61

Hình 5.14 Đường cong hội tụ của các phương pháp được sửdụng ở kịch bản 2 hệ

thống IEEE 57 bus 62Hình 5.15 Kết quả sau 30 lần chạy thử ở kịch bản thứ 2 tại hệthống IEEE 57 bus

63Hình 5.16 Hệ thống IEEE 57 nút sau khi lắp đặt TCSC 63Hình 5.17 Đường cong hội tụ của các phương pháp được sử dụng ở kịch bản 3 hệ

thống IEEE 57 bus 65Hình 5.18 Kết quả sau 30 lần chạy thử ở kịch bản thứ 3 tại hệ thống IEEE 57 bus

65

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 5.1 Thông số điều khiển của các phương pháp được sử dụng 48Bảng 5.2 Kết quả của thu ở hệthống IEEE 30 nút tại kịch bản 1 bằng cách sử dụng

các giảithuật đượclựachọn 51

Bảng 5.3 Kết quả của thu ởhệthống IEEE 30 nút tại kịch bản 2 bằng cách sử dụng

cácgiải thuật đượclựachọn 53

Bảng 5.4 Kết quả của thu ở hệthống IEEE 30 nút tại kịch bản 3 bằng cách sử dụng

cácgiải thuật đượclựachọn 56

Bảng 5.5 Kết quả của thu ở hệthống IEEE 57 nút tại kịch bản 1 bằng cách sử dụng

các giảithuật đượclựachọn 60

Bảng 5.6 Kết quả của thu ở hệthống IEEE 57 nút tại kịch bản 2 bằng cách sử dụng

cácgiải thuật đượclựa chọn 62

Bảng 5.7 Kết quả của thu ở hệthống IEEE 57 nút tại kịch bản 3 bằng cách sử dụng

cácgiải thuật đượclựachọn 64

DANH MỤC Từ VIẾT TẮT

ABC Artificial Bee Colony

BSO Brain storm optimization algorithm

COP28 Conference ofthe Parties

FACTS FlexibleAlternating Current Transmission System

IMRFO Manta Ray Foraging Optimization

LMP Locational marginal price

Moth (LA-MM) Lion Algorithm with Moth-based Mutation

OPF Optimal power flow

SELO Socio evolution & learning optimization algorithm

TCR Thyristor Controlled Reactor

TCSC Thyristorcontrolled series capacitor

TLBO Teaching-learning-based optimization

TSR Thyristor SwitchedReactor

UNFCCC UnitedNations Framework Convention on ClimateChange

MỞ ĐẨU

1 Đặt vấn đề

Trongnhững năm trở lại đây, việc thay thế các nguồn năng lượngtruyền thống bằng những nguồn năng lượng tái tạo đang được các quốc gia trên thế giới đặc biệt quantâm So với các nguồn năng lượng truyền thống thì những lợi ích mànăng lượng tái tạo có thể mang lại là: năng lượng tái tạo là những nguồn năng lượng bền vững, cógiáthành rẻ và thân thiện với môi trường Để hòa vào xu thế trên,thì năng lượng tái tạo cũng được coi là định hướng phát triển củangành năng lượng trong tương lai ởViệt Nam nhằm thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống Định hướng này được thể hiện rõ thông qua quyết định của chính phủ về quy hoạch điện VIII: “Phê duyệt Quy hoạch pháttriển điện lực quốcgia thời kỳ 2021-2030, tầm nhìnđến năm 2050” Với định hướng phát triển này, nhiều thách thức mới sẽ xuất hiệntrongviệc quy hoạch và vận hành hệthống điện

Hiện nay, thị trường điện đã được chính phủ phê duyệt để áp dụng và phát triển ở ViệtNam Tuynhiên, thịtrường điện vẫn đang ởbước thử nghiệm vàthí điểm nhưngsau quá trình đó thì một thị trường điện cạnh tranh hoàn hảo sẽ được xây dựng Vớimột thị trường điện cạnh tranh, người sử dụng điện năng sẽ có quyền lựa chọn nhà cung cấp điện và mua điện từ những nhà máy có giá bán điện thấp theo nhu cầu sửdụngvàsản xuất của mìnhtừ đó làm giatăng phúclợi xã hội Bêncạnh những lợi íchtrên, thị trường điện cũng manglại không ít nhữngtháchthức cho người vận hành hệthống điện (ISO)trong việc đảm bảo an ninh hệ thống điện

Vói co chếthị trường cởi mở thì các nguồn năng lượng giá rẻ như các nguồn năng lượng tái tạo sẽ được ưu tiên điều động Với cớ chếnày, đôi khi người vận hành bắtbuộc phải điều khiển công suất vượt quágiới hạn nhiệt của đường dây truyền tải đểđáp ứng nhu cầu phụ tải tăng lên đột ngột và nằm ngoài kế hoạch Neu sự gia tăng này không được kiểm soát tốt thì một số đường dây có thể trở nên quátải và tạo ra hiện tượng nghẽn mạch Quá tải là hiện tượng không mong muốn đối vói hệ thống

truyền tải có thể dẫn đến các vấn đề sau: gây hỏng, cháy trên đường dây, mất điện cụcbộ hoặc gây rã lưới toàn cục tùy thuộc vào mức độ quá tải, làm gián đoạn cungcấp điện gây ra những tổn thất về kinh tế Việc pháttriển một thị trường điện hoàn hảolàđể làm giatăng phúclợi xã hôi Tuy nhiên, hiện tượngnghẽn mạch đã làm ảnhhưởng đến mục tiêu đó nên việc nghiên cứu để nâng cao khả năng tuyền tải và giảipháp để xử lý vấn đề nghẽn mạch mà vẫn duy trì phân bố công suất và đảm bảo độtin cậy cungcấp điện không gây ảnh hưởng đến người sử dụng năng lượngtrở thành mộtvấn đề quan trọng và cấp thiết đối với các nhà vận hànhhệthống điện.

Trongnhiều năm trở lại đây, đãcónhiều nghiên cứu được thực hiện đểgiải quyếtbàitoán nghẽn mạch trong hệ thống điện Một trong những nghiên cứu đó là xem xét việctái phân bố lại công suất máy phát để giải quyết hiện tượng quátải trên đườngdây Trên thựctế, côngsuất phát tạicác máy phátđã được lên lịch từ trước, nên người điều hành hệthốngmuốn tái phân bố lại công suất tại các máy phát thì họ sẽ phải đốimặt với việc phát sinh thêm chi phí phải trả cho các công ty phát điện (GENCOs).Việc xác định lịch trình và dung lượng điều động lại của các máy phát sao cho chi phí phát sinh này là tối thiểu đã đặt ranhiều tháchthức cho những nhà vận hành hệthống điện

Nguồn điện phân tán (DG) là những nguồn điện có quy mô nhỏ và được đặt gần hoặctại các phụ tải tiêu thụ Mặc dù, hiệu quả kinhtế mànguồn điện DG mang lại khôngcaoso với các nguồn điện tập trung nhưngnhữngnguồn điện này có ý nghĩa đặcbiệtquan trọng trong việc dự phòng vì tính chất không phụ thuộc nhiều vào đường dâytải điện của nó Việt Nam là một trong những quốc gia có tiềm năng caotrong việc pháttriển các nguồn năng lượng tái tạo điển hình lànăng lượng gió và mặt trời Do

đó, việc pháttriển mô hình năng lượng tái tạo quy mônhỏ dưới dạng các máy phát

DG đối với lưới điện ở Việt Nam là hoàn toàn khả thi Ngoài ra, những nguồn điện này có ý nghĩa quan trọng trong việc dự phòng và cùng vói đó là giá mua điện đốivói các nguồn năng lượng tái tạo trong tưong lai có xu hướng giảm Nên việc quyđộng các nguồn DG để giải quyết bài toán nghẽn mạch thay vì các nguồn điện tập trungcó thể là mộtgiải pháp khả thi

Thiết bị FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) là những thiết

bị điện tử công suấtđượclắp đặt trên hệ thống điện với các chức năng chính là: điều khiển điện áp truyền tải, phân bốdòng công suất, giảm tổn thất và đặc biệtlà khả năng nâng cao khảnăng truyền tải của hệ thống hiện hữu Do đó, bên cạnh việc tái điều động lại công suất tại các máy phátthì việc lắp đặt thiết bị FACTS cũng có thể được xem như mộtgiải pháp phù hợp để giải quyếtbài toán nghẽn mạch

Thông qua những phân tích trên thì đề tài nghiên cứu “Quản lý nghẽn mạch trong hệthống điện có tích hợpnguồn nănglượngtái tạo sửdụng thiết bị FACTS” là một nhu cầu phù hợp và cấp thiết đối tình hình pháttriển kinh tếvà ngành điện tại Việt Nam

Đề tài trên đề ra ba kịch bản khác nhau để giải quyếtbài toán nghẽn mạch và so sánh chi phí phát sinh ứng với từng kịch bản Từ đó, giúp cho người vận hành cóthể lựachọn và đưa ranhiều phưong án để giải quyết bài toán nghẽn mạch một cách tối ưu

vàvận hànhhệthống một cách hiệu quả hon

2 Mục tiêu nghiên cứu

2.1 Mục tiêu tổng quát

Tối ưu chi phí xử lý nghẽn mạch trong hệ thống điện xem xét đến sự tích hợp củaTCSC (Thyristor controlled series capacitor) vànguồn DG

2.2 Mục tiêu cụ thễ

Tìm hiểu và giải quyếtbài toán nghẽn mạch

Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động củanguồn DG và thiết bị FACTS.Tìm hiểu và ứng dụng phần mềm MATPOWER

Áp dụng các thuật toán tối ưu để giải quyết bài toán nghẽn mạch

ứng dụng môhình điện chuẩn IEEE 30 nút và 57 nút trong việc giải bàitoánnghẽn mạch

Tối ưu dung lượng của TCSC và nguồn DG để giảm thiểu chi phíxử lý nghẽnmạch trong hệthống điện

So sánh và phân tích các kịch bản khác nhau để xử lý hiệu quả bài toán nghẽnmạch

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Thiếtbị FACTS đượclắp đặtnối tiếpcụ thể là TCSC

Nguồn điện phân tán (Distributed Generators - DG)

Giải thuật tối ưu hóadạy học (Teaching Learning Based Optimization

Cơ sởlý thuyết, các công trình đã nghiên cứu

Toán học, lý thuyếtthuậttoán, mô hình hóa đối tượng

Kết quả môphỏng, đưa ra đánh giá nhận xét và kết luận

4.2 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp phân tích liệt kê

Mô hình hóa mô phỏng, phân tích vàđánh giá kiểm chứng

Tổnghợp đánh giá

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Đồ tài cóthể ứng dụng trong các mô hình điện thực tế ở Việt Nam

Làm tài liệu tham khảo chocông tác giảng dạy và nghiên cứu về hệ thống điện

Đe tài xem xét các ràngbuộc của hệthống một cách đầy đủ nên việc ứng dụng

đểxử lý vấn đề nghẽn mạch ở một lưới điện thựctế là hoàn toàn khả thi

CHƯƠNG 1 TÔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ NGHẼN MẠCH

1.1 Tổng quan về hệ thống điện

1.1.1 Giới thiệu

Đốivới mọi quốc gia trên thế giói,khoa học kỹthuật được coi như một bàn đạpvữngchắc để phát triểnnền kinh tế Tuy nhiên, để phát triển khoa học kỹthuậtthiviệc phát triển một nên côngnghiệp công nghệ cao luônlà một yếu tố then chốt Để một nềncôngnghiệp phát triển ổn định vàbềnvữngthi năng lượngluôn là một yêu cầu quan trọng và không thểthiếu Đối với nguồn năng lượng hiện nay thì điện là một trong những nguồn năng lượng luôn đóng vaitrồ chủ chốt Truyền tải điện năng từ noi sản xuất đến địa điểm tiêu thụ là một quá trinh phức tạp đồi hỏi sự làm việc nhịp nhàngcủa nhiều thành phần khác nhau bao gồm: các nhà máy điện, trạm biến áp, các hệ thống đường dâytruyền tải điện, cácthiếtthị bảo vệ và tải tiêu thụ Các thành phần này liên kết chặt chẽ vói nhau và tạo thành một hệ thống bền vững được gọi là hệ thống điện (HTD) như trong Hình 1.1

Hình 1.1 Các thành phần của hệ thốngđiện

Tùy thuộc vào từngtính chất của cácloại hình côngnghiệp khácnhau mà cỏ nhữngyêu cầu đặc thù riêng về chất lượng và độ ổn định của điện năng Không chỉ đối với

nền công nghiệp, màđiện năng còn đóng vai trò quantrọng đối với đời sống của conngười Hiện nay, với sự giatăng khôngngừngcủa dân sốvà bên cạnh đó là nhu cầu

sử dụng năng lượng ngày càng cao trong các lĩnh vực như: giải trí, học tập và sức khỏe Do đó, việc đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện luôn là một yêu cầu tiên quyếtđược đặt ra cho cả người vận hành và lên kế hoạch cung cấp điện Ngoài ra, với bốicảnh thế giới đang phải đối mặt vói sựnóng lên toàn cầu và nguyên nhân chính đó là các nguồn khí thải CO2 Theo hội nghị các bên lần thứ 28 (Conference of the Parties

- COP28), mứctăngnhiệt hiện nay đang có nguy co vượt qua khỏi mục tiêu giói hạn ban đầu là l,5°c Việc sử dụng các nguồn năng lượng hóa thạch để phát điện đã góp phần không nhỏvào việcgia tăng mứcnhiệtchungnày Vì vậy, tìm kiếm và thay thế các nguồn nănglượng hóathạch truyền thốngbằng những nguồn nănglượng sạch và bền vững đang là mục tiêu chung củacả thế giới nói chung và chính phủ Việt Nam nói riêng

1 ĩ 2 Nhà máy điện

Nhiệm vụ và chức năng chính của nhà máy điện là chuyển đổi những nguồn năng lượng khác thành năng lượng điện Tùy thuộc vào loại năng lượng mà nhà máychuyển đổi màta có thể chia thành các loại nhà máy điện khác nhau điển hìnhnhư:Nhà máy nhiệt điện: chức năngchính của nhà máy nhiệtđiện là chuyển đổi nhiệt năng thành điện năngthông quaquá trình đốt nhiên liệu để tạo ra mộtlượng lớn hơinước từ quá trình đun sôi nước Lượng hơi nước này làm quay một tua bin hơi nước

và tua bin này làm một máy phát điện hoạt động Lượng hơi nước sau khi hoàn thành nhiệm vụ được ngưng tụ trong bình ngưng và được đưatrở lại nơi nó được đun sôi, quá trình này được gọi là chu trình Rankine Nhà máy nhiệtđiện đang là một trongnhững loại nhà máy giữ vai trò lớn tại các nước đang phát triển, trong đó có Việt Nam Tuy nhiên, nguồn năng lượng được sử dụng để đốtở các nhà máy nhiệt điện là năng lượng hóathạchnên một lượng lớn CO2 sẽ được tạo ra Nên việc sử dụng loại hình nhà máy phát điện này đang bị hạn chế ở một số quốc gia

Nhà máy thủy điện: nhà máy thủy điện có chức năng chuyển đổi năng lượng từnước thành điện năng Một lượng lớn nước được tích tụ lại ở các đập nước và tạo thành thế năng Quá trình tạo ra điện dựa trên lực của lượng nước được xả ra làm quay tua tin nước và làm máy phát điện hoạt động Thủy điện là nguồn năng lượngtái tạo có hiệu suất cao nên được ưu tiên pháttriển ởmột số nước có mạng lưới sôngngòi chằng chịt điển hình là Trung Quốc và Việt Nam Vì là năng lượng tái tạo nên thủy điện không sử dụng năng lượng hóa thạch từ đó hạn chế lượng khí CO2 thải ra bầu khí quyển Ngoài ra, vì nguồn nguyên liệu chủ yếu là nướcnên thủy điện thường khôngphải chịu cảnhtăng giá của nhiên liệu hóathạch như các nhà máy nhiệt điện Hon nữa, tuổi thọ của các nhà máy thủy điện khá cao điển hình là một số nhà máythủy điệntrên thếgiói đanghoạt động đã được xây dựng cách đây từ50 đến 100 năm.Mặc dù lànguồn năng lượng tái tạo và có hiệu suất cao nhưngthủy điện cũng manglại một số ảnh hưởng đến môi trường Việc tích tụ nước ở thượng nguồn một thờigian dài có thể làm ảnh hưởng tói dòng chảy ở hạ nguồn hay phát sinh một số vấn đề

vềtưới tiêu hay tìnhtrạng thiếu nước ở hạnguồn Ngoài ra, là sự ảnh hưởng đến cácloại cáđiển hình là cá hồi nên việcxây dựng các nhà máy thủy điện có thể dẫn đến

sựmất cân bằng sinh thái Honnữa, các hiện tượng thờitiết cực đoan như hạn hán cóthể ảnh hưởng xấu đến công suất phát của các nhà máythủy điện

Nhà máy điện gió: điện gió là một nguồn năng lượng tái tạo nhằm chuyển đổinăng lượng gió thànhnăng lượng điện Đối với Việt Nam thì điện gió làmột nguồn nănglượng mới được phát triển cùng với sự pháttriển nănglượng tái tạo của thếgiới.Trước viễn cảnh các nguồn năng lượng khác nhưthủy điện thì sắpcạn kiệt khả năng khaithác còn nhiệt điện thì đangbị hạn chế bởi sựảnh hưởng đến môi trường của nó Nên năng lượng gió đang nổi lên như mộtnguồn năng lượng bền vữngvà thân thiện vói môi trường được chính phủ Việt Nam ưu tiên phát triển trong tương lai Với chínhsách ưu đãi, nhiều cánh đồng điện gió đã được pháttriển ở Việt Nam nhằm thay thế

và giảm bớt sự ảnh hưởng của các nhà máy nhiệt điện tới nền năng lượng Tuy mớipháttriển ở Việt Nam nhưng năng lượng gió đã được ứng dụng khánhiều ở các nước phương Tây Từxa xưa, năng lượng gió đã đượcứng dụng để di chuyển như thuyền

buồm hay kinh khí cầu, hay sử dụng để tạo ra cơ học như các cối xoay gió Từ sau cuộc khủng hoảng dầu khí năm 1962 thì việc nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng thay thế khác trong đó có tua bin gió, từ đó ý tưởng về phát điện bằng năng lượng gió đã được hình thành Cho đến hiện nay trên thế giới đã có nhiều nước đãđưa điện gió vào sản xuất và sử dụng điển hình là các nước châu âu như Ý, Pháp, Đức và Anh Vì tính chất đặc thù của năng lượng gió làphụ thuộc lớn vào điều kiện

tự nhiên nên đây là rào cảng lớn nhất về việc phát triển năng lượng gió tại một số quốcgia Tuy nhiên, Việt Namlại không phải làmột trong số đó Vớilợi thếvề đường

bờ biển dài 3000km với nhiều hải đảo nên tìm năng phát triển điện gió ở Việt Nam

có thể được ước tính khoảng 512GW Song song với những lợi ích thì năng lượnggió cũng mang lại không ích nhữngtác động xấu đến môi trường Tiếngồn từ các tuabin gió có thể gây ảnh hưởng đến các loài cá nhạy cảm như cá vôi hay cá heo Haygần đây có một số nghiên cứu đã chỉ ra sự ảnh hưởng củatua bin gió đến sự di trúcủa chim

Nhà máy điện mặt trời: điện mặt trời được biết đến với sự biến đổi năng lượng từ ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện Những tấm pin quang điện (PV) đóng vai trò quan trọngtrong quá trình chuyển đổi năng lượng Các tế bào quang điện chuyểnđổi ánh sáng thành dòng điện nhờ vào hiệu ứng quang điện Ban đầu điện mặt trờiđược ứng dụng để làm nguồn điện cho các ứng dụng vừa và nhỏ như các hệ thốngđiện mặt trời áp mái để cung cấp điện cho hộtiêu dùng nhằm chia sẽ gánh nặng vớiđường dây truyền tải Tương tự với điện gió thì năng lượngmặt trời ở Việt Nam cũng

là một nền năng lượng mới và đang phát triển Tại Việt Nam, tiềm năng phát triển điện mặt trời làrất lớn bởi cường độ bức xạ dao động từ 897 - 2108 kWh/m2/năm và với công suất ước tính khoảng 360.000GW Do đó, nhà nước đã đưa ranhiều chínhsách quan trọng để khuyến khích pháttriểnnăng lượng mặt trờicùng với năng lượnggió lànhững nguồn năng lượng thay thế bền vững Trên thế giới nhà máy điện mặt trời đầutiên được pháttriển vào những năm 1980, nhưng có công suất khai thác chưa cao bởi chi phí đầu tư còn khá cao Tuy nhiên, kể từ đó, với sự phát triển của khoa học thì sản lượng điện đã tăng cao theo cấp số nhân tăng gắp đôi sau ba năm Nhiều

công trình điện mặt trời với quymô hàngtriệu GW được xây dựng trên khắpthế giới Năm 2015 tổng sản lượng điện mặt trời chiếm 1% sản lượng điện trên thế giới vàcon

số này tiếp tục tăng lên 4,5% trong vòng 7 năm sau Tưongtự như năng lượng gió,năng lượng mặt trời đã được đưa vào sản xuất và sử dụng ở một số quốc gia như: Đức, TrungQuốc, Mỹ, Bêncạnh những tiềm năng và lợiích thì điện mặt trời cungmanglại không ích ảnh hưởng đến môi trườngnhư: việc xây dựng các nhà máy điện mặt trời tập trung chiếm diện tích khá lớn so với các loại hình khác cùng công suất, việc tái chế tấm pin quang điện đang là một vấn đề đang gằy tranh cãi đối với nhiều nhà khoa học

Nhà máy điện hạt nhân: Nhà máy điện hạtnhằn biến đổi nhiệtnăngtừ một phản ứng hạt nhân được kiểm soát thành điện năng Năng lượng hạt nhân là một nguồn năng lượng lâu đời và được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1948 tại Hoa Kỳ Từ đónhiều nước châu âu đã tiếp tục xây dựng và đưa năng lượng hạt nhân vào sản xuất điện năng Hiện nay, Mỹ đang là quốc gia đứng đầu về mức sử dụng năng lượng hạt nhân với 836,63 triệu KWt.h/năm Tiếp theo là Pháp vói 439,74 Triệu KW.h/năm,Nhật với 263,83 Triệu KW.h/năm Điện hạtnhân là mộtnguồn năng lượng ổn định vói khảnăng chạy nền tốt Tuy nhiên, sau sự cố tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima

I vào 2011 đãtạo ra một hệ quả nghiêm trọng về môi trường mà mãi đến năm 2023 mới được xử lý hoàn thiện Do đó, việc sử dụng nguồn năng lượng này trong phát điện đãgây nên nhiều cuộc tranh cãi không hồi kết giữa các quốc gia trên thế giới Riêng đối với Việt Nam từ sau sự kiện năm 2011 thì nhànước ta không còn khuyến khích việc sử dụng nguồn nănglượng này nữa vì sự ảnh hưởng của nó tới môitrường

và sức khỏe của con người và bên cạnh đó để vận hành một hệ thống điện hạt nhân thì đồi hỏi một đội ngũ phải có chuyên môn cao

Các nhà máy điện khác: bên cạnh những nhà máy điện đã liệt kê ỏ trên thì cácnước trên thế giới còn có những mô hình nhà máy phát điện khác nhau điển hình là:nhà máy điện địa nhiệt điển hình lànhà máy The Geysers (Mỹ), nhà máy điện sinh khối điển hình là nhà máy Drax ởAnh, nhàmáy điện than bùn như nhà máy Shatura

ở Nga, nhà máy điện dầu điển hình là nhà máy Shoaiba (Ả Rập Saudi), nhà máyđiện phiếndầu như nhà máy Eesti (Estonia),

Với bối cảnh nóng lên toàn cầu và cạn kiệt của nguồn tài nguyên như hiện nay, cácnước trên thế giói đang đẩy mạnh quá trình chuyển đổi năng lượng từ những nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống sang sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo bền vững Theo những nguồn thống kê,nếu vớitốc độ khai thác như hiệntạithìtrữ lượngdầu khí của thế giói chỉ còn đủ dùng trong 53 năm nữa, với khí đốt tự nhiên thì con

số đó là 55 năm và đối với than đá thì là 113 năm Còn với nước tathì nhữngcon số trên lần lượtlà34 năm, 63 năm và4 năm Ngoài ra, các loại khí thải từ những nguồn năng lượng này đem lại những ảnh hưởng xấu đối vói sức khỏe của con người và là nguyên nhân chính của quá trình nóng lên toàn cầu Đứng trước tình hình này, cácnước trên thế giới đã đặt ra “Công ước khung của Liên Hợp Quốc về Biến đổi Khí hậu” (United Nations Framework Convention on Climate Change - UNFCCC) vàonăm 1992 với mục tiêu "ổn định các nồng độ khí nhà kính trong khí quyển ỏ mức cóthể ngăn ngừađược sự can thiệp nguy hiểm của con người đối với hệ thống khí hậu"vói sự tham giacủa 195 quốc gia và vùng lãnh thổ tính đến năm 2011 Đối với Việt Nam, thủ tướng chính phủ đã cam kết đạt mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050(NetZero) tại hội nghị COP26 Cam kết này đã làm thay đổi định hướng quy hoạchcủa ngành điện nói chungvà vềnguồn điện nói riêng Sự thay đổi này được thể hiệnthông qua toàn văn về quy hoạch điện VIII của chính phủ Theo quy hoạch này, cơcấu nguồn điện được trình bày như sau:

Tầm nhìn đến 2030:

Tổng công suất cácnhà máy điệnphụcvụnhu cầu trongnước là 150.489 MW(không bao gồm xuất khẩu, điện mặt trời mái nhà hiện hữu, năng lượng tái tạo để sản xuất năng lượng mới), trong đó:

+ Điện giótrên bờ là 21.880 MW (chiếm 14,5%tổng công suất các nhà máy điện);+ Điện gió ngoài khơi là 6.000 MW (chiếm 4,0%), trường hợp công nghệ tiến triển nhanh, giá điện vàchi phí truyền tải hợp lý thì pháttriển quy môcao hơn;

+ Điện mặt trời là 12.836 MW (chiếm 8,5%, không bao gồm điện mặt trời mái nhà hiện hữu), gồm các nguồn điệnmặttrời tậptrung là 10.236 MW, nguồn điện mặttrời

tự sản, tự tiêu khoảng 2.600 MW Đặc biệt nguồn điện mặt trời tự sản, tự tiêu được

ưu tiên pháttriển khônggiới hạn công suất;

+ Điện sinh khối, điện sản xuất từ rảc là 2.270 MW (chiếm 1,5%), trường hợp đủnguồn nguyên liệu, hiệu quả sử dụng đất cao, có yêu cầu xử lý môi trường, hạ tầng lưới điện cho phép, giáđiện và chi phí truyềntải hợp lý thì pháttriển quy mô lớn hon;+ Thủy điện là 29.346 MW (chiếm 19,5%), có thể phát triển cao hon nếu điều kiệnkinhtế kỹ thuật cho phép;

+ Thủy điện tích năng là 2.400 MW (chiếm 1,6%);

+Pin lưu trữ là 300 MW (chiếm 0,2%);

+ Điện đồng phát, sử dụng nhiệt dư, khí lò cao, các sản phẩm phụ của dây chuyềncông nghệ trong các cơ sởcông nghiệp là 2.700 MW (chiếm 1,8%), quy mô có thểtăngthêm phù hợp với khảnăng của các cơ sở công nghiệp;

+Nhiệt điện than là 30.127 MW (chiếm 20,0%)

+ Nhiệt điện khí trongnước là 14.930 MW (chiếm 9,9%);

+Nhiệt điện LNG là 22.400 MW (chiếm 14,9%);

+ Nguồn điện linh hoạtlà300 MW (chiếm 0,2%);

+ Nhập khẩu điện là 5.000 MW (chiếm 3,3%), có thể lên đến 8.000 MW Với cácnguồn điện than đang gặpkhó khăn trong việc triển khai sẽ cập nhật quá trình xử lý

để thay thếbằng các nguồn điện LNG hoặc năng lượng tái tạo

Tầm nhìn đến 2050:

Tổng công suất các nhà máy điện là 490.529 - 573.129 MW (không bao gồm xuất khẩu, năng lượng tái tạo để sản xuấtnăng lượng mới), trong đó:

+ Điện gió trên bờ khoảng 60.050 - 77.050 MW (chiếm 12,2 - 13,4%);

+ Điện gió ngoài khơi khoảng 70.000 - 91.500 MW (chiếm 14,3 - 16%);

+ Điện mặttrời khoảng 168.594 - 189.294 MW (chiếm 33,0 - 34,4%);

+ Điện sinh khối, điện sản xuấttừ rác là 6.015 MW (chiếm 1,0 - 1,2%);

+ Thủy điện là36.016 MW (chiếm 6,3 - 7,3%);

+ Nguồn điện lưu trữ là30.650 - 45.550 MW (chiếm 6,2 - 7,9%);

+ Điện đồng phát, sử dụng nhiệt dư, khí lò cao, các sản phẩm phụ của dây chuyềncông nghệtrong các cơ sở công nghiệp là 4.500 MW (chiếm 0,8 - 0,9%);

+ Nhiệt điện than là 0 MW(0%), không còn sử dụng than để phát điện;

+ Nhiệt điện sử dụng sinh khối và amoniac khoảng 25.632 - 32.432 MW (chiếm 4,5

+ Nguồn điện linh hoạt khoảng 30.900 - 46.200 MW (chiếm 6,3 - 8,1%);

+ Nhập khẩu điện là 11.042 MW (chiếm 1,9 - 2,3%)

Thông qua nội dung quy hoạch trên cho thấy tính quyết liệt của chính phủ ta trong việc hạn chếkhí thải trong lĩnhvưc năng lượng Theo quy hoạch trên, đến năm 2050

thì Việt Nam không còn sư dụng nhiệt điện than nữa mà chuyển sang những nguồn năng lượng tái tạo điển hình là điện mặt trời và điện gió.

1 ỉ 3 Hệ th ong truyền tải

Nhiệm vụ chính của hệ thống truyền tải là vận chuyển năng lượng từ nhà máy điện đếntải tiêu thụ Tùy thuộc vào cấp điện áp truyền tải mà người ta phân chia hệthốngtruyền tải thành ba mức khác nhau baogồm:

Điện siêu cao áp: đây là những đường dây truyền tải với mức điện áp lớn hon 220kV Trước đây, khi ba hệ thống truyền tải Bắc - Trung-Nam chưa được liên kếtvới nhau thì tính trạng thiếu điện thường xuyên xảy ra do chưa có một đường dâyhuyết mạch để vận chuyển những nguồn năng lượng dư thừa các nhà máy thủy điện

ở miền Bắc vào để cung cấp cho miền Nam Để giải quyết vấn đề này thì công trình đường dây 500kV Bắc-Nam mạch 1 với chiều dài 1.487 km được triển khai để vận chuyển nguồn năng lượngtừ Bắc vào Nam nhằm mục đích đảm bảo độ tin cậy cungcấpđiện và pháttriển kinhtế,xã hội Đườngdây truyền tải nói chung không chỉ cóýnghĩa quantrọngđối với Việt Nam mà còn mang ý nghĩa quan trọng đối với mọi quốc gia trên thế giới Đường dâynày được coi như là “xương sống” của cảnền điện lực với nhiệm vụ vận chuyển và đảm bảo độ tin cậycung cấp điện cho từng vùng

Điện cao áp: điện cao áp được biết đến với mức điệnáp từtrên 35kV đến220kV Đây làhệ thống dây dẫn được sử dụng để vận và phân phối chuyển năng lượng giữacác tỉnh hay từ các nhà máy điện đến các phụ tải trong vùng Ngoài ra, đối với khu vực có đặt hoặc gần nhà máy phát điện thì những đường dây này có nhiệm vụ vận chuyển năng lượng từ những nhà máy này đến các tải tiêu thụ xung quanh Mô hìnhnày được sử dụng điển hình ởkhu vực trung bộ ví dụ như: đườngdây 220kV Vinh - Đồng Hói lấy điện từnhà máy HòaBình Hay đường dây 66kVtừ nhà máy ĐaNhimcấp cho Cam Ranh, Khánh Hòa

Điện trung áp: điện trung áp được biết đến với cấp điện áp từ IkV đến 35kV.Tương tự như điện cao áp, điện trung áp được sử dụng để vận chuyển và phân phối

Điện hạ áp: đây là nhữngđường dây tải điện có mức điện ápthấp nhấttừ IkV trởxuống và thường xuyên được sử dụng ở nhữnghộ tiêu thụ.

Tương tự như với nguồn điện, khi định hướng phát triển các nguồn năng lượng tái tạo thì công tác lên kế hoạch xây mớinhững đường dây làmộtnhiệm vụ khó khăn vì tính chấttậptrung và phụthuộc của nguồn nănglượng tái tạo điển hình lànguồn năng lượng gió Do đó, việc lên kế hoạch sao cho vừa đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật vừađảm bảo mục tiêu tối thiểu chi phí đầu tư đang là câu hỏi khó đối với nhiều nhà lên

kế hoạch và nghiên cứu ở cả Việt Nam và thế giới, vấn đề này cũng được nêu ra trong quy hoạch điện VIII với nội dung như sau:

- Pháttriển một hệ thống truyền tải điện theo hướng đồng bộ với tiến độ các nguồn điện,nhu cầu pháttriển phụ tải của cácđịa phương, sửdụng công nghệ hiện đại, đảm bảo tiêu chuẩn quốc tế, sẵn sàng kếtnối khu vực Pháttriển lưới điệnthông minh đểtích hợp các nguồn năng lượng tái tạo ở quy mô lớn, đáp ứng yêu cầu vận hành hệthống điện an toàn, ổn định và kinhtế

- Phát triển lưới điện truyền tải 500 kv và220 kv với mục tiêu bảo đảm khả năng giải tỏa côngsuất các nhà máy điện,nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, giảm tổn thấtđiện năng, đáp ứng tiêu chí N-l đối với vùng phụ tải quan trọngvà N-2 đối với vùng phụ tải đặc biệt quan trọng Phát triển lưới điện truyền tải điện có dự phòng lâu dài,tăng cường sử dụng cột nhiều mạch, nhiều cấp điện áp đi chung để giảm diện tíchchiếm đất Khuyến khích xây dựngcác trạm biến áp truyền tải kết hợp cung cấp điện cho phụ tải lằn cận

- Lưới điện truyền tải 500 kvgiữ vaitrò xương sống trong liên kết các hệthống điện vùngmiền và trao đổi điệnnăng với các nước trongkhu vực Giới hạn truyền tải liên miềnở mức hợp lý,giảmtruyền tải điện đi xa, hạn chế tối đa xây dựng mới các đường dây truyền tải liên miền trước năm 2030

- Xây dựng lưới điện 220 kvbảo đảm độ tin cậy, các trạm biến áp trong khu vực cómật độphụ tải cao thiết kế theo sơ đồ đảm bảovận hànhlinh hoạt.Xây dựng các trạm

biến áp 220 kvđủ điều kiện vận hành tự động không người trực Đẩy mạnh xây dựng các trạm biến áp GIS, trạm biến áp 220/22 kv, trạm ngầm tại các trung tâm phụ tải.

- Nghiên cứu ứng dụng hệ thống Back-to-Back, thiết bị truyền tải điện linh hoạt đểnâng cao khả năng truyền tải, giảm thiểu diện tích chiếm đất Tổ chứcnghiên cứucông nghệ truyền tải điện xoay chiều và một chiều điện áp trên 500 kv

1.1.4 Tải tiêu thụ

Tải tiêu thụ là thành phần cuối cùng của hệ thống điện đóng vai trò là những noi chuyển hóa năng lượng điện thành những năng lượng khác nhằm đáp ứng nhu cầucủa con người Tùy thuộc vào tính chất củatải mà đồi hỏi nguồn năng lượng phảiđược cung cấp một cách liền mạch và đảm bảo ví dụ như những phụ tải quan trọng như bệnh viện hay quân đội Bên cạnh đó thì một số ngành công nghiệp điển hìnhnhư sản xuấtvi mạch đồi hỏi điện năng cungcấpphải có chấtlượng cao

1.2 Tỗng quan về nghẽn mạch

1.2.1 Giới thiệu

Nghẽn mạch là hiện tượng xảy ra khi dòng điện, điện áp vượt quá giới hạn ổn định của hệ thống điện Những nguyên nhân gây ra hiện tượng nghẽn mạch có thể đượcliệt kê như sau: các tổ máy phát điện xảy rasự cố và buộc phải dừng hoạt động, sự

cố đứt dâyxảy ra trên hệthống truyền tải, sự giatăng độtxuấtvà khôngmong muốncủa phụ tải Sự gia tăng củaphụ tải đã tạo ra gánh nặng cho hệ thống truyền tải và nguyên nhân của hiệntượng trên là co chế bãi bỏ quy định trên thị trườngđiện Trong

hệthống điện, vị trí nghẽn mạch thường được xác định bằng cách sử dụng giải phápđiều độ tối ưu (OPF) Thông thường, các ràng buộc về kỹ thuật cũng đượcxem xéttrong bài toán OPF Tuy nhiên, vói việc bãi bỏ co chế thị trường thì các hộtiêu thụ

sẽ ưu tiên mua điện tại các nhà máy có giá bán rẻ Vì có nhiều trường hợp mua bán điện như vậy nên quá tải đường dây là đều có thể xảy ra về mặt kỹ thuật, thì việc quá tải trên đường dây là đều không mong muốn vì những hậu quả của nó manglại nên việc quản lý và xử lý bài toán nghẽn mạch trở thànhmộttrong những côngviệc quan trọng đối với những nhà điều hành hệthống điện

1.2.2 Tổng quan về các nghiên cừu liên quan

Từ trước đến nay, đã có nhiều nghiên cứuđược thực hiện đểgiải quyết bài toán nghẽnmạch Trong trích dẫn [1], việc giải quyết bài toán nghẽn mạch co bản được trình bày Tại đây, tác giả đã giới thiệu cách xử lý nghẽn mạch bằng cáchtái điều độnglại công suất tại các máy phát Việc ảnh hưởng của bài toán nghẽn mạch đối với thị trường điện được trình bày trong [2-5] Trong trích dẫn [2], việcxác định vị trí nghẽn mạch được tiếnhành dựa trên chỉ số độ nhạy Hệ số này được tính toán dựatrên lượngthay đổicủa dòng côngsuất thực trên đường dây và máy phát Mộttrọng số được xây dựng dựa trên giá biên địa phưong (LMP) dùng đểxác định vịtrí tối ưu lắp đặt nguồn năng lượng tái tạo (RES) được trình bày trong [3] Việc xác định vị trí tối ưu lắp đặt của nguồn DG được giới thiệu trong [4] nhằm mục đích giải quyết bài toán nghẽn mạch Trong trích dẫn [5] vị trí nguồn DG được xem xét lắp đặt dựatrên LMP vóimục đích tối đa lợinhuận xã hội trong khi vẫn giải quyết được bài toán nghẽn mạch.Tối ưu hóa vị trí lắp đặt TCSC đểxử lýbài toán nghẽn mạch nhằm đạt được hiệu quảcao nhất trong bài toán OPF được giói thiệu trong [6] ứng dụng thiết bị FACTS và nguồn DG đểxử lýnghẽn mạchnhầm đạt được mục tiêu tối đalợi nhuận xã hội đượctrình bày trong [7, 8], Nhìn chung từ những nghiên cứu trên, các nghiêncứu về nghẽn mạchcó thể được chia thànhnhững cách tiếp cận chínhsau: (1) xử lý bài toán nghẽn mạch đểthỏa mãn các ràngbuộc về kỹ thuật, (2) ảnh hưởngcủa bài toán nghẽn mạch đối vói thị trường điện Tuy nhiên, đa phần các nghiên cứu trên đều bỏ qua các ràng buộc về công suất phản kháng để đon giản hóa quá trình tính toán Nhưng với việc

bỏ qua ràngbuộc trênthì một số vấn đề cóthể phátsinh trên hệthốngthựcnhư: dòngcông suất tối đa trên các nhánh và giới hạn của các nguồn công suất phản kháng cóthể bị vi phạm

1.2.3 Tong quan về các phương pháp sử dụng

ỉ 2.3 ỉ Quản lý nghẽn mạch sử dụng kỹ thuật điều động lại máy phát

Kỹthuật tái điều độ lại công suất máy phát cũng như sử dụng OPF được coi là phưong pháp truyền thống và có hiệu quả cao trong việc giải quyết bài toán nghẽn mạch.Trong [9] một cách tiếp cận để giải quyếtbài toán nghẽn mạch dựa vào kết quảcủa

bài toán OPF và xem xét việc tái điều độ lại công suất máy phát sử dụng thuậttoántốiưu hóa Satin bowerbird(SBO) Tại một nghiên cứu liên quan khác, mộtthuậttoánlai giữathuật toán tối ưu hóasưtử và thuật toán tốiưu hóatìm kiếmMoth (LA-MM)được sử dụng để tối ưu hóa chi phí điều động lại các máy phát được đề xuất trong[10] Tại [11] giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) được đề xuất để giải quyếtbài toánnghẽn mạch với mục tiêutối thiểu chi phí điều động máy phátsử dụng chỉ sốđộnhạy.Giải thuật Firefly được ứng dụng để giải bài toán xử lý nghẽn mạch tạicác hành lang truyền tải trong nghiên cứu [12] Tương tự, các giải thuật tối ưu hóa sói sám (GWO)

và đàn ong nhân tạo (ABC) được trình bày lần lượttrong [13, 14] đểgiải quyết bàitoán nghẽn mạch Từ những nghiên cứu trên, các thuật toán tối ưu là những phươngpháp được sử dụng rộng rãi để giải quyết bài toán nghẽn mạch bằng kỹ thuật điều độnglại máy phát

7.2.3.2 Quản lý nghẽn mạch xem xét đến thị trường điện

Cơ chế thị trường cạnh tranh đãthúc đẩy sự pháttriển của cácphương pháp tốiưu vì mụcđíchđạt được hiệu quả cao trong việcgiải quyết các bài toán của thị trường điện Nhìn chung, các phương pháp đã được sử dụng để giải quyếtcác bài toán nàythì cóthể được chiarathành hai cách tiếpcậncơbản: phương pháp truyền thống và phươngpháp meta-heuristic Các phương pháp truyền thống có thể liệt kê như sau: phươngpháp lập trình phi tuyến tính [15], phương pháp lập trìnhbậc hai [16], phương pháplập trình số nguyên hỗn hợp [17], Đối với các phương pháp này, thì kết quả đầu ra của nó phụ thuộc rất nhiều vào kết quả ban đầu nên kết quả nhận đượccó thể bị kẹt

ở giá trị địa phương Mặt khác, các thuật toán meta-heuristic có phạm vi tìm kiếm rộng hơn nên các phương pháp này được ưu tiên sử dụng Trong các nghiên cứu [18-20] lần lượt các phương pháp thụ phấn cho hoa (FPA), tìm kiếm cuckoo(CSA), tìm kiếm đàn quạ (CSA) được ứngdụng để xử lý bài toán nghẽn mạch

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ FACTS VÀ MẢY PHÁT PHẰN TẢN

2.1 Giói thiệu về thiết bị FACTS

Hiện nay, dòng điện xoaychiều đã và đang được sử dụng trong hệthống điện ở Việt Nam Điện xoay chiều là hệ thống phức tạp có cấu tạo bao gồm các máy phát đồng

bộ, máy biến áp, các đường dây truyền tải, cácthiết bị bù công suất phản khángvà tải tiêu thụ Tùy thuộc vào chức năng và vị trí của từng thành phần trên mà hệthốngđiện xoay chiều đượcchiarathành ba khâukhácnhau: nguồn, hệthống truyềntải và tải tiêu thụ

Mộthệthống điệnhoạt động ổn địnhlà một hệ thống phải thỏa mãn cácyêu cầusau:Các máy phát điện phải làm việc trongchế độ đồng bộ

Điện áp làm việc tại các nút phải nằm trong giới hạn cho phép

Độ sai sốcủa tần số phải nằm trong giói hạn chophép

Các phụ tải phải được đảmbảo cung cấp điện

Các đườngdây phải làm việc ởtrạng thái bình thường và không bị quá tải

Dòngcông suất truyền tảicủa trên các đường dây phụ thuộc vào tổng trởcủađường dây, điện áp và góc lệch pha Do đó, hiệu suất truyền tải củađường dây có thể đượccải thiện đáng kểthông qua việc tăng điện kháng Việc tăng điện kháng có thể đượcxem xét thông qua hai hình thức chính: bù ngang (mắc song song) và bù dọc (mắc nối tiếp) vào đường dây và điều khiển điện áp dọc theo chiều dài củađường dây.Ngoài ra, để nâng cao chất lượng điện áp cho hệ thống điện thì đã có một số côngtrình nghiên cứu sử dụng thiết bị bù công suất phản kháng Tuy nhiên, các thiết bịnày vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu phảnứng nhanh khi có sự cố độtngột xảy ratrên

hệ thống Thiết bị truyền tải xoay chiều linh hoạt (Flexible AC Tranmission System

- FACTS) là những thiết bị đã đáp ứng yêu cầu về phản ứng nhanh nhạy cũng nhưdung lượng bù tối ưu cho hệ thống điện trong mọi chế độ của hệ thống Thiết bị

FACTS có chức năng chính là để giatăng khảnăng truyền tải của đường dây Theo định nghĩa của IEEE, FACTS là: “Hệ thống sử dụng các thiết bị điệntử công suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hay nhiều thông số của hệ thống đườngdây truyền tải, qua đó nâng cao khả năng điều khiển và khả năng truyền tải công suất” Qua đó, tầm quan trọng của thiết bị FACTS tronghệthống điện đượckhẳng định đốivới kỹ thuật và kinh tế.

Với bối cảnh công nghiệp hóanhư hiện nay, việc tiêu thụ điện năng tại một thời điểm

có thể khác nhau nên trên hệ thống điện sẻ xuất hiện trường hợp một số đường dây

bị quá tải và một số khác bị non tải Với tình hình đó, hệthốngtruyền tải luôn bị đặt vào tình trạng báo động cao vềvậtlý cũng như quá tải trênđường dây, các hiện tượng dao động về tần số cũng như điện áp Vói mục tiêu khắc phục nhữngnhược điểmtrên và tăng cường khảnăngtruyền tảitrên hệthống điện thìthiết bị FACTS đãđược

sử dụng tại một số nước trên thế giới Tác dụng chính của các thiết bị này là điều khiểncác thông số trên hệ thống truyền tải như: điện áp, trở kháng, góc pha Các lợiíchmà thiết bị FACTS manglại chocác nhà cung cấp điện cóthể liệt kênhư sau:Tăng cường khảnăngtruyền tải của hệthống điện hiện hữu

Tăng cường độ tin cậy cung cấp điện

Tăng độ ổn định của hệ thống

Tăng cường chất lượng điện năng cho các ngành công nghiệp đặc thù yêu cầuchất lượng điện cao

Giảm thiểu tổn thất trên đường dây

Giảm thiểu sựảnh hưởng tói môi trường

21 ỉ Phân loại các thiết bị FACTS

Thiết bị FACTS có thể được kết nối vói hệ thống điện theo kiểu bù dọc, bù ngang,hoặc kết hợp cả hai hình thức trên Thông qua đó thiết bị FACTS có thể được phân

ra thànhbốn loại khác nhau: thiết bị điều khiểnnối tiếp, thiết bị điều khiển song song, thiết bị điều khiển kếthợpnối tiếp - song song, thiết bị điều khiển nối tiếp - nối tiếp.

2.1.1.1 Thiết bị điều khiển nối tiếp (Series Controller)

Đây là các thiết bị có thể làm thay đổi tổng trở của đường dây bằng tụ điện, điện kháng, hoặc biến đổi tần số nguồn bằng với tần số đường dây nhò vào các thiết bị bán dẫn vềnguyên lý, tất cả các thiết bị được điều khiển nối tiếp chỉ tiêu thụ hoặc cungcấp công suât phản kháng

Một số thiết bị bù nốitiếp điển hình:

Thyristor Controlled Series Compensator (TCSC): là một thiết bị được mắc nối tiếpvói đường dây truyền tải và có cấu tạo gồm các tụ điện được nối song song vói một cuộn cảm Những thiết bị này được điều khiển bằng cách thay đổi góc mở củathyristor

Thyristor Controlled Series Reactor (TCSR): là một thiết bị được mắc nối tiếp vớiđường dây truyền tải, có cấu tạobao gồm một điện kháng nối song song với một điện khángkhác vàđược điều khiển bằng thyristor

Thyristor Switched Series Compensator (TSSC): là thiết bị được cấu tạo gồm một bộ

tụ được đóng mỏ bằng khóathyristor

Thyristor Switched Series Reactor (TSSR): là thiết bị có cấu tạo gồm một bộ điện kháng được đóng mởbằng khóathyristor

2.1.1.2 Thiết bị điều khiển song song (Shunt Controller)

Những thiếtbị này cho phép thay đổi tổng trỏ, nguồn hoặc kết hợp cả hai Tại cácđường dây truyền tải dài thường xuyên sinh ra các điện kháng ký sinh nối tiếp dọctheo đường dây Vì vậy, khi truyền tải công suấtlớn sẽ gây ra hiện tượngsụt áp trênđường dây Đe giải quyết vấn đề này, người ta thường đặt các tụ bù dọctheo đường dây, lúc này thiết bị FACTS cótác dụng tưong tự như mộtnguồn áp Mặt khác, khi thiết bị FACTS được kết nối song song với hệ thống điện, trong trường họp này

FACTS đóng vai trò như mộtnguồn dòng Cácthiết bị FACTS bù song song có thể chia rathành hai loại: bù điện dung và bù điện cảm.

Bù điện dung: Lúc này thiết bị FACTS đóng vai trò như mộthệthốngtụ bù giúp nâng cao hệ số công suất Khi một tải có tính cảm cao được kếtnối với hệthống thì

hệ số công suất sẽ bị giảm do sự trễ pha của dòng điện Đe bù lại tính kháng này, người ta thường lắp thêm một hệ thống tụ điện song song vói tải, điều này sẽ kéodòng điện lên sóm pha hon so với điện áp và đòng thời làm hệ số công suất đượcnâng lên

Bù điện cảm: Phưong pháp này thường xuyên được sử dụng để bù trong trường hợp đườngdây không tải hoặc non tải Khi có hiện tượngkhôngtải hoặc non tải thì chỉ có một dòng điện rấtnhỏ chạy trên đường dây Trong khi đó, điện dung ký sinh trên đường dây vàđặc biệt là các đường dây có chiều dài lớn có giá trị khá cao Việcnày sẽ sinh ra hiện tượng quá áp trên đường dây (hiệu ứng Ferranti), điện áp cuối đường dây có giá trị lớn hon đầu đường dây phụ thuộc vào chiều dài của đường dây

Đe làm giảm bớt điện dung ký sinh này, người ta thường xuyên lap đặt các điện cảm song song dọc trên đường dây

Một số thiết bị bù song song điển hình:

ThyristorControlled Reactor (TCR): Một cuộn khángđược điềukhiển bằng thyristor TCR được mắc nốitiếp vói 2 thyristor ngược chiềunhau Mỗibộ thyristor điều khiểnmộtpha điện kháng đẳng trị làmộtgiátrị liên tục

Thyristor Switched Reactor (TSR): Một cuộn kháng được đóng catbang thyristorcócấu tạo tương tự nhưTCRnhưng thyristor chỉ có hai trạngthái đóng hoặc mở hoàn toàn điện kháng đẳng trị làmộtgiátrị nhảy cấp

Thyristor Switched Compensator (TSC): Một tụ điện đượcđóng catbangthyristor và điện dung đẳngtrị là một giátrị nhảy cấp

Mechanically Switched Compensator (MSC): Một tụ điện được đóng cắtbằng máycắt, MSC chỉ được dùng để bù công suất phản kháng và chỉ được đóng mở vài lần trong ngày khi hệthốngthiếucông suất phản kháng hoặc tụt áp nhiều trên đườngdây.

2.1.1.3 Thiết bị điều khiển kết hợp nổi tiếp - nổi tiếp (Combined series - series

Controllers)

Đây là sự kết hợp cácthiết bị điều khiển nối tiếp riêng rẽ nhưng có cùng cách thức điều khiển được sử dụng trong hệ thống nhiều dây dẫn hoặc có thể là thiết bị điều khiển hợp nhất Trong những thiết bị điều khiển nối tiếp, công suất phản kháng được

bù độc lập cho mỗi đường dây Tuy nhiên, công suất tác dụng giữa các đường dây được trao đổi qua các nguồn liên kết Khả năng truyền tải công suất tác dụng của thiết

bị điều khiển nối tiếp - nối tiếp hợp nhất tạo ra sự cân bằng cả dòng công suất tác dụng vàcông suất phản kháng trong các dây dẫn để tận dụng tối đa hệ thống truyềntải

2 ỉ 1.4 Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp - song song (Combined series - shunt

Controllers)

Đây là sự kết hợp các thiết bị điều khiển nối tiếp và song song riêng rẽ được điều khiển kếthợp hoặc điều khiển hợpnhất dòng năng lượng với các phần tử nốitiếp và song song

2.1.2 TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor)

2 ỉ 2 ỉ MôhìnhTCSC

Bộbù nối tiếp được điều khiển bằng Thyristor (TCSC): làmột trong số các phần tử

cơ bản củahệthốngtruyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) Nó được phát triển

từ các hệthốngtụ bù truyền thốngthông qua việc bổ sung mộtcảmkháng được điều khiển bằng thyristor Bộ cảm kháng nàyđược mắc song song với một tụ điện nối tiếpcho phép tạo ra một hệ thống bù dọc điện kháng thay đổi liên tục và nhanh chóng.Nhữngchức năng chủ yếu của TCSC có thểliệt kê như sau:

Tăng cường khảnăngtruyền tải của hệthống

Giãm thiểu khã năng dao động của công suất.

Giâm thiểu một số các cộng hưỡng đồng bộ.

Điều khiễn sự phân bố của dòng công suất trên đường dập.

TCSC bao gồm các phần tử chính là Tụ bù c, cuộn kháng Lbùnối vào mạch thyristor

và hai thyristor điều khiển scRI và SCR2 như trình bày trong Hình 2.1.

Hình 2.1 Mô hình cấu tạo cũa TCSC Các góc mỡ cũa thyristor được điềukhiễn để điều chinh điện kháng TCSCphùhọp

với hệ thống Khi các thyristor được kích thích, TCSC có thể được mô tã dưới dạng

toán học như sau:

Trong đó:

ÍLvàic: là giá trị dòng điện tức thời qua tụ điện và cuộn cãm.

is: là dòng điện tức thời của đường dây truyền tả được điều khiển.

v: là điện áp tức thòi quaTCSC.

Tổng tro’tương đưong cùa mạch LC:

23

j\l (ởC — (ởL)

Như vậy TCSCcó thể được điều khiển để làm việcở trạng thái mang tính điện kháng(g)C >1/coL) có tính dung thay đổi hoặc ởtrạng thái cảm kháng (cừC<1/coL) và tránh làm việc ở trạng thái cộng hưởng (©c =1/(0 L)

Dòng điện đi qua cuộn cảm được xácđịnh theo công thức:

Xc là điện kháng định mức của tụ cô địnhc

Điện áp tụ ở trạng thái vận hành bìnhthường tại thời điêm (ỡt = -Ị3 là:

VC1 = ~7~~(sin /3 — k cos /tan k^)

vc(t) = VC2 + ^wXc(sin <ư - sin /) p<(ữt<7ĩ- Ị3

Điện khángTCSC tưong đưong Xtcsc được tính theotỉ số của V cf vả Im'

VCF xị 2/+ sin 2/ 41^ cos2 / ktan/?-tan/

Điện khángcủaTCSC trên đơn vị Xc được biêu thị băng Xnet= Xtcsc/ Xclà:

Hình 2.2 Môhình đườngdây truyền tải cótích hợp TCSC

Sự tích hợp của TCSCkhi các bài toán trên hệ thống điện được thể hiện bằng cách hiệu chỉnh lại thông số điện kháng của đường dây Điện kháng mới của đường dây đượccho như sau: