Luận văn thạc sĩ Thiết bị, mạng và nhà máy điện: Khảo sát các chế độ làm việc của bộ UPFC trên hệ thống điện

Trong tương lai cùng với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất, các thiết bị điều khiển linh hoạt hệ thống truyền tải điện xoay chiều FACTS ngày càng được ứng dụng rộng rãi vớ

Giới thiệu

Hệ thống điện xoay chiều là một hệ thống phức tạp gồm các máy phát đồng bộ, đường dây truyền tải và các phụ tải Hay còn được chia thành ba khâu: sản xuất, truyền tải và phân phối Một hệ thống điện xoay chiều hoạt động cơ bản phải thỏa các yêu cầu là máy phát đồng bộ phải hoạt động ở chế độ đồng bộ điện áp phải vận hành ở giá trị cho phép, các phụ tải phải được cung cấp điện đầy đủ và các đường dây được vận hành ở điều kiện bình thường không quá tải

Công suất truyền tải trên các đường dây phụ thuộc vào điện kháng đường dây, điện áp và góc truyền tải giữa điểm đầu và điểm cuối của đường dây hay nói cách khác có sự giới hạn công suất trên đường dây truyền tải

Khả năng truyền tải công suất của đường dây được cải thiện đáng kể bằng việc tăng công suất phản kháng Điện áp dọc theo đường dây có thể được điều khiển bằng việc lắp cuộn kháng bù (ngang) song song, tụ điện bù (dọc) nối tiếp vào đường dây Góc truyền tải của đường dây có thể điều khiển bằng việc thay đổi góc pha Mỗi đường dây truyền tải được xem như có nhiều cuộn cảm mắc nối tiếp và nhiều tụ điện mắc song song Tổng của các giá trị cuộn cảm mắc nối tiếp dọc trên suốt chiều dài đường dây quyết định đến điện áp và công suất cực đại truyền tải của đường dây Tổng của các giá trị tụ mắc song song với đường dây thì ảnh hưởng đến điện áp dọc theo đường dây truyền tải

Do nhu cầu ngày một gia tăng của phụ tải thường đặt đường dây truyền tải cao áp vào những giới hạn vật lý của chúng như (quá nhiệt, ngắn mạch đường dây, máy phát và đường dây bị cắt ra khỏi hệ thống, bật máy cắt…) và những nhiễu trên hệ thống có thể làm mất ổn định hệ thống… Sự phục hồi trạng thái làm việc sau những nhiễu động này hoàn toàn phụ thuộc vào khả năng dự trữ của hệ thống nếu hệ thống có độ dự trữ yếu thì dễ dẫn đến mất ổn định hệ thống gây tan rã hệ thống

Nhu cầu về quản lý các hệ thống điện hiệu quả hơn đã thúc đẩy sự đổi mới công nghệ trong sản xuất và truyền tải điện năng Nhà máy điện chu trình hỗn hợp là một trong các công nghệ cho sự phát triển mới trong lĩnh vực sản xuất điện cũng như các hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) như tên gọi chung, là những thiết bị mới nhằm cải thiện các hệ thống truyền tải đó

Các thiết bị điều khiển hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (Flexible

AC Transmission System - FACTS) được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của đường dây xoay chiều cao áp Các thiết bị FACTS cung cấp những lợi ích cho việc nâng cao quản lý hệ thống truyền tải thông qua việc sử dụng tốt hơn các lưới truyền tải hiện có; tăng độ tin cậy và khả năng sẵn sàng của hệ thống truyền tải; tăng độ ổn định động và ổn định quá độ của lưới; tăng chất lượng cung cấp cho các ngành công nghiệp có yêu cầu chất lượng điện năng cao; các lợi ích về môi trường khác.

Đặt vấn đề

Qua phân tích từ những nguyên nhân ở trên ta thấy hệ thống rất dễ mất ổn định Từ đó để tăng cường độ an toàn, độ ổn định cho hệ thống đòi hỏi hệ thống lưới điện phải hoạt động linh hoạt hơn ngay cả trong những trường hợp bất ngờ và sự cố nghiêm trọng nhất Theo phương thức truyền thống thì tình trạng này thường được giải quyết theo hai cách:

Xây dựng thêm các nhà máy hay đường dây mới nhằm tăng khả năng dự trữ của đường dây lên

Nâng cấp phương tiện, thiết bị truyền tải trên đường dây nhằm tận dụng hết khả năng truyền tải của những đường dây hiện có Ở phương cách thứ nhất xây dựng mới các nhà máy hay đường dây thì ngày càng khó khăn nhiều hơn vì các lý do về tài chính, sự hạn chế về môi trường, luật pháp ngày càng khó khăn, và các yếu tố xã hội Ở phương cách thứ hai sẽ dễ dàng thực hiện hơn do cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ sẽ cho ra đời các linh kiện bán dẫn hay các linh kiện điện tử công suất cung cấp phương tiện điều khiển nhanh hơn mềm hơn các thông số của hệ thống điện, từ đó có thể điều khiển trực tiếp đến dòng công suất truyền tải trên hệ thống một cách nhanh chóng và đồng thời

Theo truyền thống, việc bù công suất phản kháng và việc điều khiển góc pha thường được thực hiện bằng việc đóng cắt khóa cơ khí các phần tử điện (cuộn dây, tụ điện, bộ chuyển đổi nấc máy biến áp…) nhằm ổn định công suất truyền tải trên hệ thống Công việc này thường mất nhiều thời gian

Kỹ thuật truyền tải điện hiện đại đã sử dụng các thiết bị bù, dịch pha được điều khiển bằng các linh kiện điện tử công suất để cung cấp nguồn năng lượng khi cần thiết để bảo đảm tính ổn định của hệ thống điện Các thiết bị này kết hợp với các bộ vi xử lý cho phép điều khiển nguồn năng lượng một cách linh hoạt, khả năng tự động hoá cao đảm bảo độ tin cậy và độ ổn định của hệ thống, trong đó hệ thống điều khiển đóng một vai trò rất quan trọng Việc thiết kế và tính toán chính xác hệ thống điều khiển sẽ bảo đảm sự làm việc tin cậy của hệ thống bù, góp phần nâng cao tính ổn định của hệ thống điện

Ngày nay, với sự phát triển của các thiết bị điện tử công suất lớn, điện áp cao, công nghệ FACTS ra đời vào cuối thập niên 1980s của viện nghiên cứu năng lượng điện EPRI (the Electric Power Research Institute) đã giúp cho quá trình điều khiển dòng công suất trên các đường dây truyền tải một cách linh hoạt và nhanh chóng

Mỹ, Canada, Brazil… là những nước tiên phong sử dụng công nghệ FACTS trong lưới điện truyền tải, các thiết bị thường được sử dụng như: SVC, TSC, TSR, TCSC, STATCOM và UPFC Trong đó, thiết bị UPFC (Unified Power Flow Controller) là thiết bị có khả năng điều khiển dòng công suất trên đường dây linh hoạt nhất, nó cho phép điều khiển dòng công suất tác dụng, công suất phản kháng, điện áp và cả góc pha

Hình 1.1 Phân bố công suất trên hệ thống điện truyền thống và hệ thống điện có thiết bị FACTS

Hai mục tiêu chính của chương trình là tăng khả năng tải của đường dây truyền tải, điều khiển dòng công suất theo định hướng đã đặt ra trước bằng việc thay đổi các khóa điều khiển cơ khí bằng các linh kiện điện tử công suất đáp ứng nhanh Ngoài ra, nó còn cho phép đường dây vận hành gần đến giới hạn nhiệt Nhờ vậy cải thiện đáng kể khả năng vận hành của hệ thống Hình 1.1 bên trên mô tả một trong các ứng dụng của các thiết bị FACTS trong việc chuyển đổi tải trong hệ thống Đề tài của luận văn sẽ trình bày về UPFC, một trong những thiết bị điều khiển hữu hiệu nhất trong dòng các sản phẩm của FACTS trong việc điều khiển tự động điện áp, công suất tác dụng, công suất phản kháng và dòng công suất trên hệ thống điện.

Nhiệm vụ và mục tiêu của luận văn

Hệ thống truyền tải truyền thống Hệ thống truyền tải với thiết bị FACTS

Quá tải Không quá tải

Dựa vào phần đặt vấn đề trên, nhiệm vụ và mục tiêu của luận văn được đặt ra là:

 Giới thiệu tổng quan về các thiết bị FACTS

 So sánh lợi ích của bộ FACTS và việc xây dựng đường dây mới

 Giới thiệu cấu tạo của thiết bị UPFC

 Xây dựng mô hình UPFC trong Matlab

 Mô phỏng các đặc tính của UPFC trong hệ thống điện

 Áp dụng UPFC vào bài toán điều khiển điện áp

Bố cục của luận văn

Từ các nhiệm vụ và mục tiêu đưa ra, nội dung của luận văn được trình bày gồm các chương sau:

Chương 2: Giới thiệu các thiết bị FACTS

Chương 3: Nguyên tắc hoạt động và các đặc tính của UPFC

Chương 4: Mô hình UPFC và giao diện

Chương 5: Khảo sát và áp dụng UPFC vào bài toán điều khiển điện áp

Chương 6: Tổng kết và hướng phát triển của đề tài

Giới thiệu thiết bị FACTS

Với sự phát triển của điện tử công suất dùng Thyristor tắt cổng (GTO – Gate Turn_off) đã cho ra đời hệ thống truyền tải xoay chiều linh hoạt mà trong đó dòng công suất được điều khiển động bởi các linh kiện điện tử công suất Hai mục tiêu chính của hệ thống các thiết bị FACTS là để tăng khả năng tải của đường dây truyền tải và điều khiển dòng công suất theo một lộ trình đã được vạch ra trước Toàn bộ hệ thống bù ngang, bù dọc, máy biến áp để điều chỉnh điện áp và góc pha đều được điều khiển bằng điện tử công suất Đặc biệt, bộ nguồn điện áp đồng bộ SVS (Synchronous Voltage Sources) điều khiển bằng bán dẫn được dùng để bù động và điều khiển theo thời gian thực dòng công suất trong hệ thống truyền tải và có khả năng đồng đều trong việc điều khiển điện áp, tổng trở, góc pha Hệ thống SVS cung cấp khả năng trao đổi trực tiếp công suất tác dụng với hệ thống xoay chiều, bên cạnh đó việc bù công suất kháng được điều khiển độc lập

Những phát minh mới nhất của các thiết bị điều khiển FACTS dựa trên nền tảng cơ bản là các bộ nguồn điện áp đồng bộ SVSs (Synchronous Voltage Sources) được giới thiệu bởi L Gyugyi cuối thập niên 1980s [5] Những bộ SVS này được xem như là những máy phát đồng bộ lý tưởng phát ra điện áp ba pha cân bằng và có thể điều khiển được điện áp và góc pha Tự nó có thể phát được cả công suất phản kháng mang tính cảm và tính dung Nếu kết hợp nó với các bộ tích trữ năng lượng như tụ điện DC, Battery… SVS có thể trao đổi công suất thực với hệ thống xoay chiều Bộ SVS có thể tạo ra bởi việc sử dụng bộ biến đổi nguồn áp VSC (Voltage Sourced Converter) Cấu trúc hoạt động cơ bản của VSCs sẽ được đề cập đến ở phần sau

Những thuận lợi cơ bản của bộ bù sử dụng SVS so với việc bù bằng đóng cắt khóa cơ khí hay bù bình thường bằng việc đóng cắt Thyristor là: Đồng bộ trong việc sử dụng các thiết bị linh kiện điện tử công suất trong việc ứng dụng điều khiển ở các bộ bù khác nhau

Cải thiện các đặc tính hoạt động và biểu diễn

Giảm được kích thước của thiết bị và công bảo trì lắp ráp và vận hành

Các thiết bị điều khiển công suất trong hệ thống các thiết bị FACTS có cấu tạo từ những linh kiện điện tử có ngắt hay không ngắt Các thiết bị điều khiển chứa linh kiện điều khiển ngắt, thường có cấu tạo của một bộ biến đổi điện áp DC – AC có khả năng trao đổi công suất tác dụng hoặc công suất phản kháng Nếu sự trao đổi công suất chỉ gồm thành phần công suất phản kháng thì công suất của mạch DC có thể giảm đến mức nhỏ nhất

Trong trường hợp điện áp hoặc dòng điện cung cấp bởi thiết bị lệch khác 90o so với dòng điện hoặc điện áp đường dây thì nguồn dự trữ công suất của mạch DC của thiết bị đó phải có định mức cao hơn Để tăng cường khả năng dự trữ năng lượng của phần mạch DC, các thiết bị có thể trang bị cho nó như bộ ắc quy (Battery), cuộc dây siêu dẫn từ (Superconducting magnet)… Một cách tổng quát, các thiết bị điều khiển dùng bộ biến đổi DC-AC có thể trang bị nguồn dự trữ năng lượng như tụ điện công suất lớn, ắc quy (Battery), cuộn dây siêu dẫn từ (Superconducting magnet) và sẽ làm tăng kích thước hệ FACTS

Việc trang bị bộ phận dự trữ năng lượng làm tăng hiệu quả điều khiển của các thiết bị FACTS vì chúng có khả năng điều khiển “bơm vào” hoặc “rút ra” công suất tác dụng cũng như công suất phản kháng từ lưới điện thay vì chỉ ảnh hưởng đến tính chất truyền công suất tác dụng trong trường hợp thiết bị không có bộ phận dự trữ năng lượng

Các thiết bị điều khiển của FACTS thường được thiết kế với kỹ thuật điều chế độ rộng xung để có thể thực hiện chức năng loại bỏ các sóng hài bậc cao, có tác dụng như một mạch lọc tích cực, đồng thời có tác dụng làm cân bằng hệ thống khi nguồn mất cân bằng

Ký hiệu một số thiết bị trong họ các sản phẩm FACTS như sau:

TCBR: Thyristor Controlled Braking Resistor

TCPST: Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer

MSSC, TSSC: Mechanically/Thyristor Switched Series Capacitor

TCSC: Thyristor Controlled Series Capacitor

SSSC: Static Synchronous Series Compensator

UPFC: Unified Power Flow Controller

HVDC: High Voltage Direct Current

TCVL: Thyristor Controlled Voltage Limiter

SCCL: Super-Conducting Current Limiter

TSBR: Thyristor Switched Braking Resistor

TCPAR: Thyristor Controlled Phase-Angle Regulator

*: Không hoàn toàn là thiết bị FACTS

Phân loại các thiết bị FACTS

Bộ SVS có thể được sử dụng để bù nối tiếp hay bù song song Nếu nó hoạt động như bộ bù nối tiếp thì được gọi là bộ bù đồng bộ nối tiếp tĩnh SSSC (Static Synchronous Series Compensator) Nếu nó hoạt động như bộ bù song song thì nó được gọi là bộ bù tĩnh đồng bộ STATCOM (Static Synchronous Compensator) hay bộ bù tụ tĩnh đồng bộ STATCON (Static Synchronous Condenser)

Một trường hợp đặc biệt trong việc sắp xếp hai bộ SVSs, là một SVS thì kết nối nối tiếp và cái còn lại thì kết nối song song với hệ thống xoay chiều thông qua liên kết chung là cực DC và được gọi là UPFC (Unified Power Flow Controller)

Nó là mô hình điều khiển đại diện cho kiểu kết nối nối tiếp – song song

Gần đây viện nghiên cứu EPRI còn cho ra mô hình điều khiển kiểu kết nối nối tiếp – nối tiếp IPFC (Interline Power Flow Controller) gồm hai hay nhiều bộ SSSCs liên kết lại vơi nhau với một liên kết DC chung IPFC cung cấp khả năng điều khiển độc lập bù công suất phản kháng nối tiếp cho mỗi đường dây cũng như là chuyển đổi công suất tác dụng giữa các đường dây này với nhau

Các thiết bị FACTS được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của các đường dây truyền tải xoay chiều cao áp Tùy vào cách liên kết giữa các bộ SVS mà ta có các dòng sản phẩm khác nhau của FACTS Nếu chia theo cách bù vào đường dây thì hệ thống FACTS thường được chia làm các loại như sau:

 Loại kết hợp song song – nối tiếp

 Loại kết hợp nối tiếp – nối tiếp

 Loại ổn định điện áp và điều khiển góc pha

1 Loại song song: Đặc trưng cho kiểu bù song song các thiết bị FACTS là SVC và STATCOM a Các máy bù t ĩnh SVC (Static Var Compensator ):

SVC là một khái niệm chung nó bao gồm các phần tử (hình 2.1):

 Cuộn kháng điều khiển bằng Thyristor (Thyristor Controlled Reactor – TCR)

 Cuộn kháng đóng cắt bằng Thyristor (Thyristor Switched Reactor – TSR)

 Hoặc kết hợp cả hai phần tử trên

Hình 2.1 Các bộ SVC thường gặp

Bộ bù SVC là một thiết kế tổng hợp các phần tử: tụ điện, cuộn kháng, biến điện thế, các thiết bị đóng cắt cùng với các thiết bị điều khiển, tất cả cùng hoạt động để trở thành một khối cung cấp nguồn bù công suất phản kháng có thể điều khiển được nhanh chóng Hệ thống bù tĩnh được áp dụng rộng rãi trong hệ thống truyền tải với nhiều mục đích khác nhau Mục đích cơ bản nhất thường được sử dụng để điều khiển điện áp tại điểm yếu nhất trong hệ thống Nó thường được lắp đặt ở điểm giữa của đường dây truyền tải liên kết giữa các vùng tải

Theo CIRGE định nghĩa SVS (Static VAR System) là một tổ hợp các bộ bù tĩnh (SVC) và các tụ bù hay cuộn kháng được đóng cắt bằng các thiết bị cơ khí Một hệ thống SVS thường bao gồm:

 Một máy biến thế dùng để liên kết giữa lưới điện cao thế và các thiết bị điện tử công suất trung thế Thường một máy biến áp riêng được sử dụng nhưng thỉnh thoảng có thể sử dụng cuộn dây thứ ba của máy biến áp tự ngẫu được sử dụng

 TCR (Thyristor – Controlled Reactor) là một phần tử của SVC, nó có khả năng điều khiển một cách liên tục dòng điện qua cuộn cảm mắc song song với lưới bằng cách điều khiển góc pha của các SCR, thường được nối vào thanh cái trung thế

 TSR (Thyristor – Switched Reactor) bao gồm một số cuộn kháng đấu song song chúng được đóng vào hay ngắt ra khỏi lưới bằng cách điều khiển các khóa SCR, thường được nối vào thanh cái trung thế

TCR-TSR TSC Fillter FC FR

 TSC (Thyristor – Switched Capacitor) là thiết bị bù công suất phản kháng điều chỉnh dạng nhảy cấp, nó có khả năng đóng cắt tụ điện song song với lưới ra khỏi hệ thống bằng cách kích đóng ngắt các SCR, thường được nối vào thanh cái trung thế

 FC (Fixed Capacitor) là loại thiết bị bù cố định bằng tụ

 FR (Fixed Reactor) là loại thiết bị bù cố định bằng điện kháng

 Các bộ lọc sóng hài (Filter)

 Các tụ hoặc cuộn kháng đóng cắt bằng thiết bị cơ khí (MSCS hay MSR), thường nối vào thanh cái cao thế

 Hệ thống điều khiển thường dùng các hàm hoặc điều chỉnh theo điện áp của đường dây

Trong số các thiết bị FACTS khác nhau, vị trí và kích thước của bộ bù tĩnh SVS được dựa trên cơ sở cải thiện biểu đồ điện áp, và thường dựa vào các thuật toán tương tự như đối các dạng bù cố định Tuy nhiên để cải thiện khả năng truyền tải và biên độ ổn định cần dựa vào phân tích mô hình động và phương pháp phân tích mô hình

Mục đích của các bộ lọc gồm hai điểm chính: lọc các sóng hài bậc cao và bù công suất phản kháng cho phụ tải Các sóng hài bậc cao xuất hiện do tính phi tuyến của phụ tải (mạch từ) hoặc do tải được cấp nguồn từ các bộ biến đổi dùng bán dẫn công suất Trong trường hợp tải thay đổi công suất phản kháng nhiều, hệ thống cần phần tử điều chỉnh công suất phản kháng Ngược lại, trong trường hợp công suất phản kháng hầu như không thay đổi, phần tử điều chỉnh công suất phản kháng có thể loại bỏ

Mạch lọc sóng hài: các phụ tải phi tuyến và cả phần tử điều chỉnh công suất phản kháng (TCR) là nguồn tạo ra các sóng hài bậc cao Trong hệ thống điện 3 pha, các thành phần bậc cao xuất hiện có ảnh hưởng nhiều chủ yếu là bậc 5,7,11 và 13 Các thành phần bội ba (triple harmonic) thường được hạn chế hoặc loại bỏ nhờ cấu trúc đấu dây của máy biến thế hoặc giải thuật điều khiển cung cấp cho các bộ biến đổi công suất Các mạch lọc cộng hưởng được điều chỉnh đến các giá trị tần số của các thành phần sóng hài bậc cao cần được khử bỏ và lúc đó mạch lọc cộng hưởng tác động như trở kháng ngắn mạch cho các sóng hài bậc cao này nên hạn chế ảnh hưởng của nó lên nguồn điện áp của lưới điện Các mạch lọc LC đối với thành phần bậc1 lại tác dụng như một tải dung kháng và do đó phát ra dòng điện bù cho lưới Độ lớn dòng điện bù này không thể điều khiển nhuyễn một cách dễ dàng được và xác định từ tổng công suất bù của các tụ Vì thế, để điều chỉnh hệ số công suất, cần phải điều chỉnh dòng bù mang tính cảm kháng qua cuộn dây trong mạch TCR Công suất cuộn kháng càng lớn, khả năng bù càng rộng

SVC là thiết bị FACTS quan trọng, được sử dụng rất nhiều nhằm cải thiện tính kinh tế của các đường dây truyền tải bằng cách giải quyết các vấn đề điện áp Nhờ độ chính xác, tính khả dụng và đáp ứng nhanh, các thiết bị SVC có thể cung cấp trạng thái ổn định và điều khiển điện áp quá độ có chất lượng cao so với kiểu bù rẽ nhánh thông thường Các thiết bị SVC cũng được sử dụng để làm giảm các dao động công suất, cải thiện độ ổn định quá độ và giảm tổn hao hệ thống nhờ tối ưu điều khiển công suất phản kháng

Các nhiệm vụ chính của bộ SVC là:

 Điều khiển công suất phản kháng

 Giới hạn quá điện áp tần số công nghiệp

Tuy nhiên với khả năng thay đổi tác động trong thời gian quá độ bằng cách thay đổi điện áp ở các nút, nên SVC còn có nhiệm vụ để cải thiện ổn định của hệ thống và damping cho các giao động của hệ thống b Máy bù đồng bộ tĩnh STATCOM (Static Compensation):

Vận hành, bảo dưỡng thiết bị FACTS

Các thiết bị này thường hoạt động tự động Chúng có thể được lắp đặt tại các trạm biến áp tự động Việc thay đổi các tham số thiết lập của các mode hoạt động có thể được thực hiện tại trạm hoặc từ xa (ví dụ từ một phòng điều khiển trạm biến áp, một trung tâm điều khiển vùng hoặc một trung tâm điều khiển quốc gia)

Bảo dưỡng các thiết bị FACTS là tối thiểu, tương tự như đối với các tụ rẽ nhánh, các bộ kháng và máy biến áp Công việc này có thể được thực hiện do các nhân viên trạm biến áp bình thường mà không yêu cầu những thủ tục đặc biệt Lượng công việc bảo dưỡng từ 150 – 200 giờ công mỗi năm và phụ thuộc vào mức độ lắp đặt và các điều kiện môi trường [9]

Những thiết bị FACTS lắp đặt đầu tiên đã đi vào hoạt động hơn 20 năm qua Đến tháng 1 năm 2000, tổng dung lượng các thiết bị FACTS được lắp đặt trên thế giới là hơn 40,000 MVAr với hàng trăm công trình Mặc dù các thiết bị FACTS chủ yếu được sử dụng trong ngành Điện, song chúng cũng được sử dụng trong các ngành sản xuất phần cứng máy tính và thép (SVC để giảm những hiện tượng điện áp nhấp nháy) cũng như cho điều khiển điện áp trong các hệ thống truyền tải ở ngành Đường sắt và các trung tâm nghiên cứu.

Chi phí đầu tư và lợi ích của FACTS

Chi phí đầu tư của các thiết bị FACTS có thể chia ra thành 2 loại: a Chi phí cho các thi ết bị chính:

Những chi phí này không chỉ phụ thuộc vào định mức lắp đặt mà còn phụ thuộc vào các yêu cầu đặc biệt như:

 Độ dự phòng của hệ thống điều khiển và bảo vệ hay thậm chí những thành phần chủ yếu như các bộ kháng, tụ điện và máy biến thế

 Các điều kiện địa chấn

 Các điều kiện môi trường (ví dụ nhiệt độ, mức độ ô nhiễm)

 Liên lạc với Hệ thống điều khiển trạm biến thế hay Trung tâm Điều khiển Vùng hoặc Quốc gia b Các chi phí v ề cơ sở hạ tầng:

Các chi phí này phụ thuộc vào vị trí lắp đặt trạm biến áp Đó là những chi phí như:

 Thu hồi đất đai, nếu trạm biến áp hiện có không có đủ diện tích

 Những thay đổi trong trạm biến áp hiện có, ví dụ nếu cần một bộ thiết bị đóng cắt HV mới

 Xây lắp một công trình cho các thiết bị trong nhà (các thiết bị điều khiển, bảo vệ, các van Thyristor, các thiết bị phụ trợ, v.v…)

 Các công việc dân dụng ở hiện trường (san ủi đất, tiêu thoát nước, xây móng, v.v)

 Kết nối hệ thống thông tin liên lạc hiện tại với các thiết bị mới được lắp đặt

Với các định mức thiết bị phổ biến, giới hạn dưới của các loại chi phí được thể hiện ở (hình 2.8) cho thấy các chi phí về thiết bị và giới hạn trên cho thấy tổng chi phí bao gồm cả chi phí cho cơ sở hạ tầng Với các định mức công suất rất thấp, các chi phí có thể cao hơn và với các định mức công suất rất cao thì các chi phí có thể thấp hơn Tổng mức đầu tư, không bao gồm thuế, có thể thay đổi theo các hệ số từ -10% đến 30%

2 Lợi ích của FACTS a L ợi ích về mặt t ài chính

Các lợi ích tài chính mà có thể dễ dàng tính toán được là:

 Mức bán hàng gia tăng nhờ dung lượng truyền tải tăng

 Những chi phí công suất truyền tải do dung lượng truyền tải tăng

 Tránh hoặc trì hoãn các khoản đầu tư vào các đường dây truyền tải cao áp mới hoặc thậm chí là các nhà máy phát điện mới

Hình 2.8 Chi phí và công suất của các thiết bị

Hình 2.9 cho thấy, mức độ bán hàng tăng thêm mỗi năm dựa vào chi phí/giá khác nhau khi dung lượng đường dây truyền tải gia tăng Hình 2.10 đưa ra mức đầu tư điển hình cho các đường dây truyền tải AC cao áp mới

Nếu qua việc sử dụng một thiết bị FACTS, dung lượng của một đường dây truyền tải đầy tải có thể tăng 50 MW (ví dụ với các đường dây 132 kV hoặc cao hơn), điều này có thể tăng mức bán hàng thêm 50 MW Giả định rằng hệ số phụ tải 100% và giá bán hàng là 0,02 US$/kWh thì doanh số bán điện tăng mỗi năm sẽ là 8,8 triệu US$

Giả định rằng chi phí đầu tư của một đường dây 400 kV dài 300 km là khoảng

45 triệu US$ Với lãi suất 10%, chi phí lãi suất hàng năm là 4,5 triệu US$ Chi phí lắp đặt một thiết bị FACTS ví dụ là 20 triệu US$ có thể được chứng minh là tiết kiệm nếu một khoản đầu tư như vậy có thể được tránh hay trì hoãn ít nhất 5 năm (5 x 4,5 = 22,5 triệu US$)

Các ví dụ trên chỉ là những tính toán sơ lược để chỉ ra những lợi ích tiết kiệm trực tiếp mà các thiết bị FACTS có thể mang lại

Còn có những lợi ích gián tiếp của việc sử dụng các thiết bị FACTS mà ta khó tính toán hơn Những lợi ích này gồm việc tránh tổn thất của các ngành sản xuất do mất điện (ví dụ ngành giấy, dệt may, ngành sản xuất chất bán dẫn, chip máy tính…) hay sự sa thải phụ tải trong các thời điểm cao điểm của phụ tải

Hình 2.9 Chi phí/giá khi công suất truyền tải tăng b L ợi ích về mặt kỹ thuật

Trong quá trình vận hành hệ thống thường tồn tại các tình trạng không bình thường có thể dẫn đến gây mất ổn định của hệ thống Bảng 2.1 sau đây cho ta thấy được một số tình trạng vận hành không bình thường của hệ thống và cách giải quyết thông thường cũng như khi lựa chọn sử dụng thiết bị FACTS

So sánh ưu điểm về mặt kỹ thuật của một số thiết bị chính của FACTS có thể được tóm tắt như bảng 2.2 sau: Điều khiển dòng công suất Điều khiển điện áp Đáp ứng tĩnh Đáp ứng động

Bảng 2.2 Ưu điểm của một số thiết bị FACTS Hình 2.10 Chi phí đầu tư cho đường dây truyền tải mới

Tình trạng Vấn đề liên quan

Cách xử lý Cách giải quyết thông thường

Sử dụng thiết bị FACTS Điện áp thấp khi tải nặng

Cung cấp thêm công suất kháng

Bù tụ song song, bù tụ nối tiếp

Cắt bớt công suất kháng

Giới hạn điện áp Điện áp cao khi tải nhẹ Thu công suất kháng Đóng tụ, bù kháng

SVC, STATCOM Thêm mới đường dây hay máy biến áp

TCSC, UPFC, TCPAR Đường dây hay máy biến áp bị quá tải

Bù trở kháng nối tiếp vào đường dây

Ngắt dòng trên đường dây song song

Giới hạn dòng điện tải

Mắc thêm trở kháng hay tụ nối tiếp

UPFC, TCSC Điều chỉnh trở kháng nối tiếp

Thêm tụ hay trở kháng nối tiếp

Chia tải đường dây song song Điều chỉnh góc pha

Thêm bộ PAR UPFC, TCPAR

Trùng lắp dòng công suất Đảo chiều dòng công suất trực tiếp Điều chỉnh góc pha

Bảng 2.2 Các trạng thái làm việc của hệ thống điện và ứng dụng của các thiết bị FACTS

Những lợi ích của việc sử dụng thiết bị FACTS trong hệ thống truyền tải điện có thể tóm tắt như sau:

 Tận dụng tốt hơn các tài sản đã có trên hệ thống truyền tải

 Điều khiển dòng công suất theo yêu cầu

 Giảm được công suất phản kháng vì vậy tăng công suất tác dụng truyền tải trên đường dây

 Giảm giao động hệ thống

 Tăng khả năng tải của đường dây gần đến giới hạn ổn định nhiệt

 Tăng đảm bảo an toàn và tin cậy cho hệ thống, giảm tổn thất trên đường dây

 Cung cấp an toàn đường dây liên kết giữa các vùng, vì vậy giảm công suất dự phòng cho cả hai phía

 Gia tăng đáp ứng động và tính ổn định của hệ thống, giảm quá tải cục bộ trên các đường dây

 Gia tăng chất lượng điện cung cấp cho các tải công nghiệp, tải có tính chất quan trọng

 Lợi ích cho môi trường

Sự phát triển tương lai của các thiết bị FACTS

Sự phát triển trong tương lai sẽ bao gồm việc phối hợp các thiết bị đã có sẳn hiện nay, ví dụ phối hợp một STATCOM với một TSC (tụ chuyển mạch bằng Thyristor) để mở rộng dãy hoạt động Ngoài ra, các hệ thống điều khiển tinh vi hơn sẽ cải thiện đáng kể tầm hoạt động của các thiết bị FACTS

Những phát triển trong công nghệ bán dẫn (ví dụ khả năng mang dòng cao hơn, các điện áp cản cao hơn) có thể làm giảm chi phí của các thiết bị FACTS và mở rộng dãy hoạt động của chúng

Cuối cùng, những phát triển trong công nghệ bán dẫn sẽ mở cửa để phát triển cho các thiết bị mới như SCCL (Bộ hạn chế dòng siêu dẫn) và SMES (Lưu điện từ siêu dẫn).

Giới thiệu UPFC

UPFC (Unified Power Flow Controller), lần đầu tiên được đề xuất bởi Laszio Gyugyi năm 1991 [3], [6], [7] nó được xem như là một trong những thiết bị tối ưu nhất trong họ các thiết bị FACTS áp dụng trên hệ thống ngày nay Chức năng cơ bản nhất của nó là có thể điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất phản kháng trên đường dây truyền tải một cách linh động, tin cậy và hoạt động kinh tế ngay cả khi hệ thống mang tải nặng Trong tất cả các thông số có ảnh hưởng đến việc truyền tải công suất tác dụng và công suất phản kháng trên đường dây như điện kháng, điện áp tại các nút hay là góc công suất truyền tải  thì đều có thể được điều khiển độc lập bằng việc đóng cắt khóa cơ khí hay những thiết bị của FACTS như là Static Var Compensator (SVC), Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC), Phase Shifter… Tuy nhiên, UPFC cho phép có thể điều khiển đồng thời hay là độc lập các thông số trên từ giá trị này sang giá trị khác ở chế độ xác lập Mặc khác UPFC có thể được sử dụng để hỗ trợ điện áp, cải thiện ổn định điện áp và giảm những giao động nhiễu ở tần số thấp Với những đặc điểm nổi bật trên, mô hình và phương thức điều khiển UPFC ngày càng được đầu tư nghiên cứu và phát triển trong những năm gần đây

Nếu xem việc UPFC hoạt động ở chế độ điều khiển tự động (Automatic Control Mode) như duy trì dòng công suất ở hai đầu phát và nhận hoặc ổn định điện áp đầu phát ở những giá trị đặt trước Khi đó có thể xem đầu nhận của UPFC như là một nút PV (nút điện áp) trong khi đó đầu phát được xem như là một nút PQ (nút tải) và có thể tính dòng công suất như [10]

Chế độ điều khiển tự động thì đơn giản và dễ tiến hành nhưng nó chỉ hoạt động nếu công suất thực, công suất kháng và điện áp tại đầu phát được điều khiển bằng mô hình Chế độ điều khiển này được đề cập đến vì nó không cần vòng lặp để tìm ra các thông số điều khiển của UPFC Chế độ điều khiển này được áp dụng trực tiếp ngay khi có các thông số tìm được từ bài toán phân bố công suất Do những thuận lợi trên nên mô hình hoạt động của UPFC ở chế độ điều khiển tự động thường được đề nghị và mô hình này được xem như là mô hình hoạt động cơ bản nhất khi được áp dụng thực tế Do đó mô hình này sẽ được khảo sát ở các chương sau Áp dụng việc giải bài toán phân bố công suất bằng phương pháp Newton – Rhapson cho hệ thống lớn khi kết nối với các thiết bị FACTS được đề cập cụ thể trong tài liệu [12] Việc áp dụng phương pháp này cho hệ thống lớn khi có kết hợp với UPFC được trình bày trong [13] Nó cho phép mô phỏng điều khiển độc lập công suất thực, công suất kháng và điện áp Thuật toán giải tương đối phức tạp và khó thực hiện Nhờ có sự liên hệ giữa bài toán phân bố công suất và ma trận Jacobian nên việc giải ít phức tạp hơn Tuy nhiên việc giải bài toán có hội tụ hay không nó còn phụ thuộc vào điều kiện lặp ban đầu của hệ thống

Khảo sát mô hình động của UPFC cơ bản nhất có thể tham khảo trong các tài liệu [10], [16], [20], [22] Mô hình này bao gồm hai nguồn áp, một mắc nối tiếp và một mắc song song với hệ thống điện và được xem như là bộ mắc nối tiếp và bộ mắc song song của UPFC Mô hình giới thiệu trong [16] bỏ qua việc điều khiển công suất động của bộ tụ DC nên kết quả mô phỏng có thể không chính xác Mô hình giới thiệu trong [10], [20], [22] bao gồm cả việc điều khiển công suất động của bộ tụ DC nên phù hợp với việc khảo sát tác động của UPFC lên hệ thống Mô hình của UPFC cơ bản là sự kết hợp của bộ STATCOM mắc song song và bộ SSSC mắc nối tiếp (hình 3.3)

Thiết kế mô hình điều khiển cơ bản nhất của UPFC là việc điều khiển dòng công suất thực, công suất kháng, điện áp đầu phát và điện áp DC Phương pháp điều khiển thường sử dụng nhất là dựa vào phương pháp điều khiển vectơ được giới thiệu bởi Schauder và Metha năm 1991 [14] Sự sắp xếp có hệ thống của phương pháp này cho phép điều khiển kép công suất thực và công suất kháng rất phù hợp với các ứng dụng của UPFC Phương pháp này được thực hiện bằng cách biến đổi hệ thống ba pha cân bằng thành hệ thống đồng bộ trực giao quay Hệ thống mới được hình thành trên cơ sở là thành phần d cùng phương với vectơ điện áp và thành phần q thì vuông góc với nó Ở hệ thống liên kết mới này thành phần dòng điện Iq tác động trực tiếp đến công suất thực P và thành phần dòng điện Id tác động trực tiếp đến công suất kháng Q

Một cách tiếp cận khác của việc điều khiển tự động dòng công suất ở bộ chỉnh lưu nối tiếp là việc chia điện áp rơi giữa đầu phát và đầu nhận thành hai thành phần, một cùng pha với điện áp đầu phát và một vuông góc với nó Trong đó thành phần cùng pha với điện áp đầu phát thì tác động mạnh mẽ đến công suất kháng Q và thành phần vuông góc với nó thì tác động mạnh mẽ đến công suất thực P [22] Bộ chỉnh lưu song song có thể điều khiển điện áp đầu phát VS và V DC thông qua việc sử dụng và điều khiển hai vòng lặp PI [21], [22]

UPFC có thể điều khiển các thông số cơ bản của hệ thống (điện áp truyền tải, tổng trở, góc pha) Quá trình điều khiển này có thể thực hiện bằng bộ bù công suất kháng mắc song song, bộ bù công suất thực mắc nối tiếp hay là bộ điều khiển góc pha thông qua các hàm mục tiêu điều khiển Điện áp được bơm thêm vào bởi các biến áp mắc nối tiếp Giá trị điện áp bơm vào này được cộng vào điện áp hệ thống từ phía mắc song song của UPFC và nó được điều khiển cả độ lớn và góc pha Dòng phản kháng thì được thu vào hay phát ra bởi bộ biến áp song song.

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của UPFC

1 Cấu tạo của bộ UPFC a Thi ết bị bán dẫn công suất cao GTO (Gate Turn -Off)

Có hai dòng sản phẩm bán dẫn biến đổi công suất đó là: bộ biến đổi nguồn áp (Voltage-Sourced Converter – VSC) được nuôi bởi nguồn áp DC chung và bộ biến đổi nguồn dòng (Current-Sourced Converter – CSC) thì có nguồn dòng DC liên kết giữa hai bên Sóng đầu ra của hai bộ cũng khác nhau; bộ VSC thì phát ra điện áp xoay chiều tại đầu ra trong khi đó bộ CSC thì cho ra dòng điện ở đầu ra Một cách tổng quát thì độ lớn và góc pha của điện áp hay dòng điện đều có thể điều khiển được Tuy nhiên về mặt vận hành và kinh tế thì bộ VSC được ưa chuộng hơn trong việc ứng dụng vào các dòng sản phẩm FACTS

Khả năng làm việc được ở dòng điện và điện áp cao là vấn đề luôn được quan tâm đối với các dòng GTO, ngày nay các GTOs công suất cao có thể làm việc được tốt ở dòng điện 6000A và điện áp 6000V [1], [2] b C ấu trúc hoạt động của bộ VSC

Bộ biến đổi ba pha VSC được cho như (hình 3.1) là dạng cấu tạo đơn giản nhất cho các bộ FACTS, mạch cầu hai tầng gồm sáu bộ khóa dẫn (valves) Mỗi bộ gồm một Gate turn off device (GTO) được mắc song song với một Diode mắc theo chiều ngược lại và một tụ điện chung DC Nguồn áp xoay chiều AC được phát từ nguồn áp DC bằng việc đóng cắt liện tục các khóa GTO Điều khiển góc đầu ra của bộ chỉnh lưu điện áp với hệ thống xoay chiều AC là điều khiển công suất tác dụng biến đổi giữa bộ chỉnh lưu và hệ thống xoay chiều Dòng công suất tác dụng từ phía DC qua phía AC (hoạt động ở chế độ nghịch lưu) nếu điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu điều khiển sớm pha hơn điện áp xoay chiều AC của hệ thống Ngược lại nếu điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu điều khiển trễ pha hơn điện áp xoay chiều AC của hệ thống thì dòng chảy công suất tác dụng sẽ từ phía AC sang phía DC (hoạt động ở chế độ chỉnh lưu) Chế độ nghịch lưu được dẫn bởi các GTOs trong khi đó chế độ chỉnh lưu được dẫn bởi các Diodes Hai linh kiện này không thể hoạt động ở cùng một thời điểm Điều khiển độ lớn điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu điện áp với hệ thống xoay chiều AC là điều khiển công suất phản kháng biến đổi giữa bộ chỉnh lưu và hệ thống AC Bộ chỉnh lưu phát công suất phản kháng cho hệ thống AC nếu điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu lớn hơn điện áp của hệ thống AC Và ngược lại nếu điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu nhỏ hơn điện áp của hệ thống AC thì bộ chỉnh lưu sẽ thu công suất phản kháng vào từ hệ thống

Khi sóng sin của kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM được áp dụng để mở hay đóng các tín hiệu của các GTOs được phát ra so với các tín hiệu đặt Vr của biên độ Ar với sóng hình răng cưa của tín hiệu sóng mang Vc biên độ Ac (hình 3.2b) Tần số sóng mang bằng tần số đóng cắt của các GTOs Xem xét trên một pha (hình 3.2a)

 Khi V r > V c GTO1 mở và GTO4 đóng

 Khi V r < V c GTO1 đóng và GTO4 mở

Tần số cơ bản của điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu là bằng với tần số tín hiệu đặt Điều khiển biên độ của tín hiệu đặt bằng cách điều khiển độ rộng của xung Tỷ số điều biên là: r c m A

 A 1 (3.1) Điện áp ra pha a với điểm N của bộ chỉnh lưu là :

V  m V (3.2) Điện áp ra pha b chậm hơn pha a một góc là 120 o Điện áp ra pha c chậm hơn pha a một góc là 240 o

Hình 3.1 Cấu tạo của bộ VSC Điện áp ra DC ở điểm N là:

Hình 3.2 Bộ biến đổi PWM

(a) c Ho ạt động của bộ tụ chung DC (li ên k ết DC chung) Điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu có thể điều khiển bằng những kỹ thuật khác nhau Trong đó kỹ thuật điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM) được áp dụng như là giải pháp giảm sóng hài tốt nhất Phương pháp này được đề cập do nó đáp ứng được số lần đóng cắt nhiều trong một chu kỳ và tổn hao ít Kết hợp với các bộ biến đổi phương pháp này còn khử được dòng điện qua tụ cung cấp ra điện áp chuẩn dạng sin Do những đặc tính đơn giản trên nên nhiều tác giả [10,19,20,22] đã chọn kỹ thuật điều chế độ rộng xung PWM áp dụng trong UPFC Theo quan điểm về năng lượng, các bộ biến đổi công suất chỉ cung cấp công suất phản kháng cho hệ thống điện, mạch phía DC của bộ biến đổi vì thế sẽ không tiêu thụ công suất Ở tần số bằng 0 (áp trên tụ DC), công suất phản kháng của nó cũng bằng không Vì thế, tụ điện không phát cũng không nhận công suất phản kháng Do đó, có thể nói rằng bộ biến đổi công suất chỉ tham gia với vai trò giao tiếp trung gian cho quá trình chuyển dịch các mạch vòng dòng điện của các pha nguồn xoay chiều mà không tham gia vào quá trình trao đổi công suất giữa chúng Trong thực tế, các bộ biến đổi công suất chịu sự tổn hao trong quá trình đóng ngắt các linh kiện bán dẫn Do đó năng lượng tổn hao này phải được bù lại từ nguồn xoay chiều, điều này có thể thực hiện được bằng cách điều khiển điện áp ra của bộ nghịch lưu trễ một góc nhỏ so với điện áp xoay chiều của hệ thống, lúc này bộ nghịch lưu nhận đủ một lượng năng lượng để bù vào lượng tổn hao đã mất và giữ cho điện áp trên nó không đổi.Việc điều chỉnh góc pha có thể dùng để điều khiển sự phát ra hay thu vào công suất phản kháng làm cho điện áp trên tụ tăng lên hay giảm xuống Tụ điện DC có vai trò tạo thành sự cân bằng công suất input và output trong qúa trình qúa độ cung cấp công suất phản kháng

Nếu bộ nghịch lưu áp được trang bị bởi nguồn điện DC hay bộ phận có khả năng dự trữ năng lượng DC, có thể khiển công suất phản kháng và công suất thực của hệ thống điện xoay chiều, nó có tác dụng như một máy phát đồng bộ bán dẫn Lúc này, khả năng của mạch bù được phát huy hiệu quả là có khả năng dập tắt được các năng lượng dao động và điều khiển năng lượng được cung cấp liên tục trong điều kiện khó khăn nhất

2 Nguyên tắc hoạt động cơ bản của UPFC a Khái quát:

UPFC bao gồm sự kết hợp của hai bộ chỉnh lưu nguồn áp đồng bộ (Synchronous Voltage-Sourced Converters – VSCs) [22], được dùng để bù động, điều khiển thời gian thực điện áp và dòng công suất trên đường dây truyền tải Cực

DC chung của hai bộ VSCs thì được kết nối với tụ chung Mô hình hoạt động ba pha cơ bản của UPFC được giới thiệu ở (Hình 3.3) Từ hình vẽ 3.3 ta thấy nếu nhánh nối tiếp bị cắt ra, nhánh song song bao gồm có tụ DC thì bộ VSC1 hoạt động tương tự với mô hình hoạt động của STATCOM Từ mô hình STATCOM này ta thấy nó chỉ có thể phát hay thu công suất kháng, dòng điện đầu ra của STATCOM thì vuông góc với điện áp

Nếu nhánh song song bị cắt ra, nhánh nối tiếp bao gồm có tụ DC thì bộ VSC2 hoạt động tương tự với mô hình hoạt động của SSSC Mô hình hoạt động của SSSC như là một nguồn áp mắc nối tiếp vào đường dây thông qua máy biến áp mắc nối tiếp, dòng điện qua SSSC cũng là dòng điện trên đường dây và nó là hàm điều khiển công suất truyền tải và điện kháng của đường dây Điện áp bơm thêm vào VSE thì vuông góc với dòng điện truyền tải trên đường dây Iline và độ lớn của nó có thể điều khiển độc lập với dòng điện truyền tải trên đường dây Do đó, hai nhánh của UPFC có thể phát hay thu công suất kháng độc lập lẫn nhau o o

Hình 3.3 Cấu tạo cơ bản của UPFC

Nếu hai VSCs hoạt động ở cùng một thời điểm, hai nhánh song song và nối tiếp của UPFC cơ bản có thể xem như là một bộ biến đổi lý tưởng ac – ac khi đó dòng công suất thực có thể chạy xuyên qua liên kết DC và giữa hai cực ac của hai bộ biến đổi Công suất thực có thể truyền theo chiều từ VSC1 tới VSC2 và ngược lại, và do đó nó có thể làm cho tăng hay giảm góc truyền tải giữa hai đầu phát V S và nhận VR

Bộ VSC 2 thường được sử dụng để bơm điện áp xoay chiều V SE có thể điều khiển được (0  V SE  V SEmax ), và góc pha  SE cũng có thể điều khiển được trong khoảng (0 o  SE  360 o ) ở tần số công nghiệp gắn nối tiếp vào đường dây Điện áp bơm thêm vào này có thể xem như là một nguồn áp đồng bộ Dòng điện truyền tải trên đường dây chạy xuyên qua nguồn áp đồng bộ này kết quả là làm thay đổi công suất thực và công suất phản kháng giữa nó và hệ thống xoay chiều

Bộ VSC1 ở nhánh song song có nhiệm vụ cơ bản là cung cấp nguồn công suất thực được yêu cầu ở bộ VSC2 thông qua liên kết chung DC Ngoài ra, bộ VSC1 cũng có thể phát hay thu công suất kháng độc lập với việc phát hay thu công suất thực và thường được dùng để điều khiển điện áp tại đầu phát V S , do đó VSC 1 có nhiệm vụ là điều khiển điện áp tại đầu vào của UPFC

Hình 3.4 Cấu tạo bên trong của UPFC

Nguồn áp tại đầu phát VSC 1 được kết nối song song với đường dây và được gọi là nguồn áp song song Nguồn áp nối nối tiếp VSC2 thì được lắp đặt giữa đầu phát và đầu nhận được gọi là nguồn áp nối tiếp UPFC đặt giữa hai bus có liên hệ với nhau xem như là bus điện áp đầu phát UPFC và bus điện áp đầu nhận UPFC (Hình 3.4) b Nguyên t ắc hoạt động:

UPFC là một thiết bị được đặt giữa hai bus được cho trước và được xem như là bus đầu phát và bus đầu nhận của UPFC UPFC bao gồm hai bộ biến đổi nguồn áp VSCs và một liên kết DC chung Trong mô hình hoạt động thường được đề cập, các bộ VSCs thường được thay thế bởi hai nguồn áp có thể điều khiển được như hình 3.4 [22] Nguồn áp tại đầu phát được kết nối song song với đường dây và được gọi là nguồn áp song song Nguồn áp nối nối tiếp thì được lắp đặt giữa đầu phát và đầu nhận được gọi là nguồn áp nối tiếp Bộ UPFC thường được đặt ở trên đường dây truyền tải điện áp cao

Các hàm điều khiển cơ bản của UPFC

Như là đã đề cập từ trước UPFC có khả năng điều khiển độc lập và đồng thời tất cả các thông số có ảnh hưởng đến dòng công suất trên hệ thống truyền tải Quá trình hoạt động của UPFC thường dựa trên nền tảng truyền thống là bù công suất kháng mắc song song, bù nối tiếp và điều chỉnh góc pha, bộ UPFC có thể thực hiện tất cả các chức năng này với nhiều mục tiêu điều khiển khác nhau bằng cách bơm thêm điện áp với độ lớn VSE và góc pha tại đầu cực điện áp VS Mô hình điều khiển một pha của UPFC được mô tả như sau:

 Terminal Voltage Regulation (Chức năng điều khiển điện áp) bơm nối tiếp vào đường dây (Hình 3.7a) độ lớn điện áp đầu phát Vs tăng lên (hay giảm xuống) phụ thuộc vào điện áp bơm thêm vào V1 (có thể cùng hay ngược pha với V s ) Tương tự như thực hiện việc chuyển đổi nấc máy biến áp

Hình 3.6 Giản đồ vectơ có kết nối UPFC

 Series Capacitor Compensation (Chức năng bù công suất phản kháng mắc nối tiếp) (Hình 3.7b) Vectơ điện áp bơm thêm vào V2 vuông góc với dòng điện truyền tải trên đường dây Độ thay đổi điện áp V x (điện áp rơi trên đường dây) phụ thuộc vào các yếu tố sau:

 Nếu V2 trễ pha 90 o so với dòng trên đường dây Iline thì V x sẽ giảm

 Nếu V2 sớm pha 90 o so với dòng trên đường dây Iline thì V x sẽ tăng

 Transmission Angle Regulaion (Chức năng điều khiển góc truyền tải) được xác định bằng cách bơm thêm điện áp V3 có góc lệch là (,) (Hình 3.7c)

 Multifunction Power Flow Control (Chức năng điều khiển tổng hợp) sử dụng chức năng này để điều khiển đồng thời điện áp tại các nút, điện kháng đường dây và góc pha truyền tải nhằm thay đổi dòng công suất trên hệ thống Điện áp và góc pha bơm vào sẽ là: (Hình 3.7d)

Với cách điều khiển này sẽ tác động vào dòng điện truyền tải Iline làm thay đổi công suất tác dụng và công suất phản kháng trên đường dây truyền tải theo yêu cầu đặt trước

Hình 3.7 Các hàm điều khiển cơ bản của UPFC (a) Điều khiển điện áp

(b) Điều khiển bù công suất kháng mắc nối tiếp

(c) Điều khiển góc truyền tải

Bộ điều khiển UPFC được thiết kế bao gồm bốn nhóm vòng lặp điều khiển riêng lẻ Trong bộ điều khiển nối tiếp mục tiêu chính của nó là điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng trên đường dây Trong bộ điều khiển song song mục tiêu chính của nó là điều khiển độ lớn điện áp tại đầu phát và điều khiển độ lớn điện áp DC Mô hình điều khiển tổng quát các khối của UPFC xem (hình 3.8)

1 Các hàm điều khiển cơ bản của khối song song:

Bộ điều khiển song song biến đổi điện áp DC và AC, được điều khiển bởi hai vòng điều khiển độc lập và là ưu điểm của UPFC vì nó có khả năng điều khiển độc lập công suất thực và công suất kháng Nguyên tắc điều khiển cơ bản là dòng công suất thực được điều khiển trực tiếp khi tác động vào góc truyền tải , trong khi đó công suất kháng được điều khiển trực tiếp bằng cách thay đổi độ lớn điện áp Độ lớn của điện áp bơm vào phía song song VSH được điều khiển bởi tỷ số điều biên m SH (0 m SH 1) (3.4) V SH ảnh hưởng đến dòng công suất phản kháng ở nhánh song song và cũng ảnh hưởng đến độ lớn điện áp đầu phát Góc lệch giữa điện áp đầu phát và điện áp bơm vào phía song song SH (3.5) tác động đên dòng công suất tác dụng trong nhánh song song Điện áp VDC được điều khiển bởi vòng lặp PI chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi sự thay đổi  SH và do đó cũng tác động vào điện áp đầu phát V S

 Khi  SH < , V SH trễ pha so với V S khi đó bộ tụ có chức năng nạp

 Khi SH > , VSH sớm pha so với VS khi đó bộ tụ có chức năng phóng Hai vòng lặp này được thiết kế trong hai khối điều khiển PI(Proportional- integral) cổ điển minh họa trong (Hình 3.9)

2 Các hàm điều khiển cơ bản của khối nối tiếp

Bên trong được sắp xếp cũng bao gồm hai vòng lặp: vòng lặp thứ nhất dùng cho việc hiệu chỉnh dòng công suất tác dụng tại đầu nhận của đường dây, vòng lặp thứ hai để điều khiển dòng công suất phản kháng Mục tiêu của những vòng lặp này là ứng với những thay đổi của hệ thống thì vòng lặp sẽ tự động hiệu chỉnh lại để cho việc điều khiển được tốt hơn Bộ điều khiển nối tiếp bao gồm cả việc hiệu chỉnh lại điện áp rơi véctơ VPQ giữa đầu phát và đầu nhận Điện áp VSE có thể được phân tích ra thành hai thành phần VSed, V Seq Các đại lượng này liên hệ với nhau như (hình 3.11)

 VSeq thành phần điện áp vuông góc với điện áp của đầu phát (nó ảnh hưởng cơ bản đến dòng công suất tác dụng trên đường dây truyền tải)

 VSed thành phần điện áp cùng pha với điện áp của đầu phát (nó là thành phần chính của dòng công suất phản kháng trên đường dây truyền tải)

Cả hai thành phần điện áp V Sed ,V Seq đều được thiết kế trong các khối điều khiển PI(Proportional-integral) cổ điển minh họa trong (hình 3.10) Các khối điều

Hình 3.9 Hàm điều khiển khối song song

Hình 3.10 Hàm điều khiển khối nối tiếp khiển này sẽ đảm bảo giảm sai số, do đó công suất tác dụng và công suất phản kháng được điều khiển tốt

Thành phần VSE và SE của điện áp bơm vào sẽ được tính như sau:

SE sed seq seq SE sed

Đặc tính của hệ thống và mô hình dòng công suất khi có UPFC

1 Đặc tính của hệ thống truyền tải:

Xét hệ thống đơn giản gồm có hai máy phát (hay hai nút điện áp xoay chiều gồm: đầu phát nút S và đầu nhận nút R) Dòng công suất trên đường dây truyền tải giữa hai nút S và R được tính toán như sau:

Trong đó điện áp đầu phát và đầu nhận là: V S  V S   S

 là dòng điện pha trên đường dây, R và X là điện trở và điện kháng của đường dây hình(3.12)

Công suất phức ở đầu phát của đường dây là: reference

Hình 3.11 Giản đồ vectơ điện áp UPFC

P s , Q s : công suất tác dụng và công suất phản kháng đầu phát

Dấu *: giá trị liên hợp phức

Dùng định luật Ohm dòng trên đường dây là:

   Lấy liên hiệp phức của (3.9) và thay (3.10) vào ta được

Tách rời phần thực và phần ảo của (3.11) ta được công suất tác dụng và công suất phản kháng tại đầu phát là:

Cuối cùng công suất tác dụng và công suất phản kháng nhận được tại đầu nhận là:

V R B + V s V R G sin(sR)  VsV R Bcos(sR) (3.14) Trong đó PR, QR: là công suất phát ra tại đầu nhận

Công suất tổn hao trên đường dây truyền tải là:

Hình 3.12 Dòng công suất trên đường dây

Do trên đường dây truyền tải X>>R Cho nên G thường được bỏ qua và B thì được thay thế bằng B= 1/X

Công suất truyền tải trên đường dây từ đầu phát đến đầu nhận là

Và góc  =  s  R được gọi là góc truyền tải

Công suất truyền tải từ đầu phát đến đầu nhận trên đường dây tính tại đầu nhận là:

Từ công thức (3.16) có thể tăng công suất tác dụng truyền tải trên đường dây bằng cách sau:

 Tăng điện áp ở một hoặc cả hai phía của đường dây VsVR(bù điện áp vào đường dây)

 Giảm điện kháng X trên đường dây (bù công suất kháng cho đường dây)

 Tăng góc truyền tải (bù góc pha)

Dòng công suất có thể chảy theo chiều ngược lại bằng cách thay đổi dấu của góc truyền tải

 Góc truyền tải mang dấu (+) công suất truyền tải truyền từ đầu phát đến đầu nhận

 Góc truyền tải mang dấu () công suất truyền tải truyền từ đầu nhận đến đầu phát

Từ đó cho thấy có bốn thông số có thể ảnh hưởng đến công suất truyền tải trên đường dây đó là V S , V R , X và  Kết hợp (3.16) và (3.17) ta có mối quan hệ sau:

Công thức trên đồng nghĩa với việc ta có một phương trình đường tròn có tâm là

Ta xét sự ảnh hưởng của góc truyền tải  đến công suất thực và ảo ở đầu nhận

X  Quan hệ P – Q trong trường hợp này được cho ở (Hình 3.13) Đối với góc truyền tải  đặc biệt P o , Q o có thể được xác định (chú ý góc truyền tải  phải nằm trong giới hạn ổn định)

Ví dụ: nếu  =/4 ( điểm A trên vòng tròn) P0A = 0.707 và Q 0A =  0.293

Sau cùng mối quan hệ giữa công suất tác dụng và công suất phản kháng trên đường dây tính từ đầu phát được cho như sau:

Dòng công suất phản kháng trung bình là:

Từ (3.20) điện áp ở cả hai đầu đường dây và điện kháng đường dây sẽ ảnh hưởng đến dòng công suất phản kháng Nếu xem điện áp hai đầu là bằng nhau thì mỗi nút sẽ phát ra một nữa lượng công suất phản kháng hấp thu được từ đường dây Dòng công suất đi từ đầu phát đến đầu nhận nếu VS>V R

2 Mô hình dòng công suất khi có lắp đặt thêm UPFC:

Mô hình dòng công suất khảo sát ở đây với UPFC hoạt động nhằm giử giá trị công suất tác dụng và công suất phản kháng tại đầu nhận và điện áp tại đầu phát là ở giá trị đặt trước đó Có thể xem UPFC tương đương như là một nút máy phát tại đầu phát (nút PV) và một nút tải (nút PQ) tại đầu nhận như (hình 3.14)

Hình 3.13 Quỹ tích P-Q của hệ thống khi không có bù Ở trạng thái xác lập, điện áp ở thanh cái liên kết DC được giử bằng hằng số ở giá trị đặt trước đó Bỏ qua tổn thất ở liên kết DC P DC và tổn hao ở bộ UPFC P losses ta có công suất thực ở bộ song song bằng với công suất thực đòi hỏi ở bộ nối tiếp

Các thông số cần tính toán như sau:

Công suất phức bơm vào đầu phát là:

(3.22) Với điện áp và dòng đã được cho như hình (3.5)

Ta có kết quả là:

SH SH Z SH SH line Z line

SH SH SH SH SH line SH SH line

Trong đó dòng trên đường dây I line

UPFC Đầu phát Đầu nhận

Hệ thống Đầu phát Đầu nhận

Hình 3.14 Hệ thống bao gồm UPFC (a) biểu đồ (b) mô hình dòng tải

(3.25) Điện áp bơm phía nối tiếp và công suất phía nối tiếp là:

Từ (3.21) và (3.24) công suất tác dụng bơm vào tại đầu phát là:

P S   P SE  Re   Z SH I SH 2  V  SH I  line *  Z SH I  SH I  line *  (3.27)

Dòng của UPFC bơm vào hệ thống là:

(3.32) Ở điều kiện làm việc cân bằng, điện áp ngõ ra của bộ biến đổi có thể xem như là không có sóng hài bậc cao Điều này có nghĩa là cấu trúc bên trong của bộ biến đổi song song và nối tiếp của UPFC có thể được mô tả như là một nguồn song song và nguồn nối tiếp liên kết với hệ thống xoay chiều thông qua các máy biến áp mắc nối tiếp và song song Từ mô hình trên ta thấy công suất thực đi vào bộ song song thì bằng với công suất thực đi ra khỏi bộ nối tiếp cộng với tổn hao ở các khóa đóng cắt và công suất tích trữ trong mạch DC

Bỏ qua các tổn hao ở máy biến áp mắc song song và ở điều kiện cân bằng công suất vào và ra của bộ song song của UPFC có thể tính như sau:

Tương tự bỏ qua các tổn hao ở máy biến áp mắc nối tiếp và ở điều kiện cân bằng, công suất trao đổi với hệ thống của bộ song song của UPFC có thể tính như sau:

 line : góc hợp bởi dòng điện truyền tải I line và trị đặt (reference)

V S S: trị hiệu dụng pha của điện áp đầu phát

V SH ( S   SH ): trị hiệu dụng pha của điện áp bộ song song của UPFC

V SE (S  SE): trị hiệu dụng pha của điện áp bộ nối tiếp của UPFC n SH : tỷ số biến áp máy biến áp mắc song song

Thực tế trong việc điều khiển UPFC một pha thường được chọn trước làm giá trị đặt, điện áp ra của bộ nối tiếp và song song của UPFC cũng đồng bộ với giá trị đặt này nên ta chọn điện áp đầu phát làm giá trị đặt

Trong đó giá trị hiệu dụng của bộ song song và nối tiếp của UPFC được tính là:

Nếu xem Rloss là tổn thất trên bộ song song và bộ nối tiếp và được đặt song song với tụ DC chung, công suất thực chuyển từ bộ song song qua bộ nối tiếp của UPFC được cho là:

DC SH SH SH SE SE S R DC

SH SE loss dV kn m V kn m V V V dt  CX   CX    R C (3.41)

Mối liên hệ giữa điện áp pha đầu ra của bộ nối tiếp với đường dây truyền tải là: V SE = n SE V SE  jXIline

3 Chế độ điều khiển tự động dòng công suất

Chế độ điều khiển tự động dòng công suất không thể thực hiện được với cách bù truyền thống Sau đây sẽ giới thiệu chế độ điều khiển tự động dòng công suất có sử dụng UPFC và khối UPFC này được đặt tại điểm bắt đầu của đường dây truyền tải nối liền hai bus S và R

Khối UPFC được xem như hai nguồn áp lý tưởng có thể điều khiển được điện áp và góc pha Bus S và bus tạm S 1 được tách ra xem như là đầu phát và nhận của UPFC (hình 3.15)

Công suất nhận được tại đầu nhận của đường dây là:

Lượng liên hiệp phức của công suất phức trên là:

Tách riêng phần thực và phần ảo của (3.43) cho ta công suất tác dụng và công suất phản kháng nhận được tại đầu nhận của đường dây là:

H3.15 Đường dây truyền tải với UPFC

Từ công thức (3.44) trên nếu VSE = 0 hệ thống hoạt động với công suất thực và công suất phản kháng là không bù như (3.16), (3.17)

Như đã đề cập từ trước điện áp nối tiếp V SE của UPFC có thể được điều khiển tại bất cứ góc truyền tải  nào

Từ (3.44) ta thấy công suất tác dụng và công suất phản kháng tại bus R của hệ thống khi có đặt UPFC vào có thể điều khiển được trong tầm sau:

Trong đó: min ( ) 0 ( ) V V R SE max

Hình 3.16 Mối quan hệ giữa P-Q cho hệ thống đơn giản có hai nút với UPFC khi các góc truyền tải là =0 o , 30 o , 60 o , 90 o

VSE=0 Vùng điều khiển của

Vùng điều khiển của UPFC khi 0

Vùng điều khiển của UPFC khi `

Vùng điều khiển của UPFC khi 

Quay một vòng tròn từ 0 đến 360 o trị hiệu dụng của VSEmax cho ta thấy được vùng công suất thực và công suất phản kháng có thể điều khiển được là bên trong vòng tròn có bán kính là V V R SE max

X và có tâm tại ( P 0 ( ),  Q 0 ( ))  Vòng tròn này được định nghĩa như sau:

Giới thiệu về simulink trong Matlab

Simulink là một phần mềm mở rộng của MATLAB (Một Toolbox của MATLAB) dùng mô hình hóa, mô phỏng và phân tích một hệ thống động Thông thường dùng để thiết kế, điều khiển, hệ thống thông tin và các ứng dụng mô phỏng khác

Simulink là một thuật ngữ mô phỏng dễ nhớ được ghép bởi hai từ Simulation và Link Simulink cho phép mô tả hệ thống tuyến tính, hệ phi tuyến, các mô hình trong miền thời gian liên tục, gián đoạn, hoặc một hệ gồm cả liên tục và cả gián đoạn Để mô hình hóa Simulink cung cấp cho bạn một giao diện đồ họa GUI (Graphical User Interface) để sử dụng và xây dựng mô hình bằng cách sử dụng thao tác nhấn và kéo chuột Simulink bao gồm những khối nguồn, tải tuyến tính, tải phi tuyến và những bộ phận kết nối Hoặc cũng có thể tạo ra những khối riêng biệt để sử dụng Mô hình đối tượng thường được mô tả với nhiều cấp Từ việc mô tả đối tượng cấp cao nhất bên ngoài bằng cách double-click vào bất cứ blocks nào ta cũng có thể theo dõi được mô hình ở một cấp độ chi tiết nhất

Sau khi xây dựng mô hình, bạn có thể chạy mô phỏng nó, bằng việc chọn lựa hoặc là từ Simulink menu hoặc là từ cửa sổ command window Sử dụng những scopes hay các khối display khác để xem tiến trình kết quả mô phỏng đang diễn ra Hơn nữa, bạn có thể thay đổi các thông số và ngay lập tức sẽ biết được kết quả Với giao diện đồ họa ta có thể xây dựng mô hình và khảo sát mô hình một cách trực quan hơn Đây là sự khác xa các phần mềm trước đó mà người sử dụng phải đưa vào các phương trình vi phân và phương trình sai phân bằng một ngôn ngữ lập trình Điểm nhấn mạnh quan trọng trong việc mô phỏng một quá trình là việc thành lập được mô hình Để sử dụng tốt chương trình này người sử dụng phải có kiến thức cơ bản về điều khiển, xây dựng mô hình toán học theo quan điểm của lý thuyết điều khiển và từ đó thành lập mô hình bài toán.

Các khối cơ bản của hệ thống

1 Khối nguồn áp 3 pha (Three-Phase voltages Source)

Khối nguồn áp 3 pha trong Matlab có ký hiệu như sau:

Khối nguồn áp 3 pha trong Matlab được mô tả như hình 4.1, khối có các thông số cơ bản như sau:

Hình 4.1 Mô tả các thông số của nguồn áp 3 pha

Khối Three-Phase Voltages tạo một nguồn áp ba pha cân bằng với trở kháng bên trong R, L cung cấp cho bộ hệ thống Nguồn áp ba pha được đấu Y với trung tính nối đất hoặc có dây trung tính Có thể nhập điện trở và điện kháng nguồn bên trong bằng cách vào hộp thoại giá trị R, L hoặc gián tiếp bằng cách nhập mức ngắn mạch cảm ứng và tỉ số X/R

 Phase- to- phase rms Voltage:Điện áp dây hiệu dụng (V rms )

 Phase angle of phase A:vGóc pha của điện áp pha A, tính bằng độ Góc pha của điện áp pha B và pha C chậm pha so với pha A mộ góc tương ứng là 120 o và 240 o

 Frequency: Tần số nguồn (Hz)

 Internal connection: Cách đấu dây của ba nguồn áp

 Specify impedance using short circuit level: nếu được chọn cho biết trở kháng ngắn mạch cảm ứng và tỉ số X/R

 Three-phase short circuit level at base voltage: Công suất ngắn mạch cảm ứng 3 pha (VA), ở giá trị cơ bản dùng để tính toán cảm kháng bên trong cuộn L Thông số này hiển thị khi Specify impedance using short circuit level được chọn

Cảm kháng bên trong cuộn L (H) được tính toán công suất ngắn mạch ba pha cảm ứng Psc (VA), áp cơ bản Vbase và tần số nguồn f theo công thức sau :

 Base Voltage: Điện áp dây cơ bản (Vrms), dùng để chỉ mức ngắn mạch ba pha Áp cơ bản thường là áp nguồn định mức Thông số này hiển thị khi Specify impedance using short circuit level được chọn

 X/R ratio: Tỷ số X/R ở tần số nguồn định mức hay yếu tố chất lượng của trở kháng nguồn bên trong Điện trở trong R (  ) của nguồn được tính từ điện kháng nguồn X (  ) ở tần số xác định và tỉ số X/R như sau:

2 Khối tải RLC mắc nối tiếp (Series RLC Load):

Khối tải RLC măc nối tiếp trong Matlab có ký hiệu như sau:

Khối tải RLC măc nối tiếp trong Matlab được mô tả như hình 4.2, khối có chức năng thực hiện một tải tuyến tính là tổ hợp các phần tử RLC nối tiếp, khối có các thông số cơ bản như sau:

 Nomimal Voltages :Điện áp định mức (Vrms)

 Nominal frequency fn :Tần số định mức (Hz)

 Active power P : Công suất tác dụng P (W)

 Inductive reactive power Q L : Công suất phản kháng (var)

 Capacitive reactive power Qc : Công suất dung kháng (var)

 Select Branch voltages: đo điện áp mỗi pha của tải 3 pha có thể là điện áp pha hay dây tùy thuộc vào các kiểu nối dây

 Select Branch currents: đo dòng điện trên mỗi pha của tải 3 pha RLC

 Select Branch voltages and currents: đo điện áp và dòng điện trên tải

Hình 4.2 Mô tả các thông số của tải RLC mắc nối tiếp

3 Khối các thông số của đường dây

Khối các thông số đường dây trong Matlab có ký hiệu như sau:

Khối các thông số của đường dây trong Matlab được mô tả như hình 4.3 Khối có các thông số chính như sau:

 Number of phases N: Số pha của đường dây

 Frequency used for RLC specifications (Hz): Tần số làm việc của đường dây, và cũng được dùng trong tính toán các giá trị điện kháng và điện cảm của đường dây

 Resistance per unit length (ohms/km): trở kháng đường dây trên đơn vị chiều dài được cho dưới dạng ma trận N*N hoặc giá trị xác định, đối với đường dây 3 pha được xác định bởi giá trị thuận và không là R1, R0

Hình 4.3 Mô tả các thông số của đường dây

 Inductance per unit length (H/km): cảm kháng đường dây trên đơn vị chiều dài được cho dưới dạng ma trận N*N hoặc giá trị xác định, đối với đường dây 3 pha được xác định bởi giá trị thuận và không là L1, L0

 Capacitance per unit length (F/km): dung kháng đường dây trên đơn vị chiều dài được cho dưới dạng ma trận N*N hoặc giá trị xác định, đối với đường dây 3 pha được xác định bởi giá trị thuận và không là C1, C0

 Line length (km): chiều dài của đường dây (km)

 Measurements: xác định giá trị đo đếm của đường dây nếu cần thiết

 Select Phase-to-ground voltages: đo điện áp đầu phát và đầu nhận của mỗi pha trên đường dây

Khối máy biến áp 3 pha trong Matlab có ký hiệu như sau:

Khối các thông số của máy biến áp 3 pha trong Matlab được mô tả như hình 4.4 Sơ đồ mô tả máy biến áp 3 pha hai cuộn dây đấu kiểu Y/Y với các thông số cơ bản sau:

 Units: đơn vị sử dụng để tính toán các thông số của máy biến áp (có thể là hệ đơn vị tương đối hoặc hệ đơn vị SI)

 Nominal power and frequency [Pn (VA), fn (Hz)]: công suất định mức của máy biến áp (VA) và tần số định mức của máy biến áp (Hz)

 Winding 1 (ABC) connection: kiểu kết nối dây bên sơ cấp (ABC) của máy biến áp

 Winding parameters [V1 Ph-Ph (Vrms), R1(pu), L1(pu)]: thông số bên cuộn dây sơ cấp 1 gồm: điện áp pha-pha hiệu dụng máy biến áp, trở kháng và cảm kháng rò

 Winding 2 (abc) connection: kiểu kết nối dây bên thứ cấp (abc) của máy biến áp

 Winding parameters [V2 Ph-Ph (Vrms), R2(pu), L2(pu)]: thông số bên cuộn dây thứ cấp 2 gồm: điện áp pha-pha hiệu dụng máy biến áp, trở kháng và cảm kháng rò

 Saturable core: nếu được chọn nghĩa là có tính thêm phần mạch từ bão hòa của máy biến áp

 Magnetization resistance Rm(pu): điện trở từ hóa máy biến áp (pu)

 Magnetization reactance Lm (pu): sẽ không xuất hiện khi chọn Saturable core, chỉ giá trị điện cảm từ hóa máy biến áp (pu)

 Saturation characteristic: thông số này chỉ xuất hiện khi ta chọn Saturable core, chỉ đặc tính bão hòa của lõi thép bão hòa

 Simulate hysteresis: lựa chọn mô hình đặc tính bão hòa bao gồm cả đường cong bão hòa của lõi thép

 Hysteresis data MAT file: thông số này chỉ xuất hiện khi ta chọn Simulate hysteresis tập tin *.mat chứa dữ liệu sử dụng trong hysteresis

 Specify initial fluxes: nếu được chọn dòng từ thông ban đầu được xác định qua các thông số [phi0A phi0B phi0C]

Hình 4.4 Mô tả các thông số của máy biến áp 3 pha hai cuộn dây

 [phi0A phi0B phi0C]: giá trị từ thông ban đầu của mỗi pha máy biến áp Thông số này xuất hiện khi ta chọn đồng thời cả Specify initial fluxes và Saturable core

 Select Winding voltages: đo đếm điện áp 3 pha tại đầu cực của máy biến áp

 Select Winding currents: đo đếm dòng điện bên trong dây quấn máy biến áp

 Select Fluxes and excitation currents (Im + IRm): đo đếm từ thông liên kết (V.s) và dòng từ hóa tổng bao gồm cả tổn hao sắt từ Rm

 Select Fluxes and magnetization currents (Im): đo đếm từ thông liên kết (V.s) và dòng từ hóa (A) không bao gồm tổn hao sắt từ Rm

 Select All measurements (V, I, Flux): đo đếm điện áp cuộn dây, dòng điện, dòng từ hóa và từ thông liên kết

Các khối cơ bản bên trong UPFC

Khối mô tả UPFC được xây dựng trong Matlab và có ký hiệu như sau:

Các thông số của UPFC là một khối bao gồm ba nhóm dữ liệu chính: khối dữ liệu công suất (power data), khối dữ liệu điều khiển bộ song song (shunt converter) và khối dữ liệu điều khiển bộ nối tiếp (series converter), các khối dữ liệu này ta sử dụng display listbox để chọn Khối điều khiển chính của UPFC hình 4.5 cho ta xác lập các chế độ hoạt động của UPFC, xác lập các thông số cơ bản ban đầu của nó

Hình 4.5 Khối điều khiển chính của UPFC

1 Khối dữ liệu công suất (Power data)

Khối dữ liệu công suất của UPFC nhằm xác lập các thông số cơ bản để UPFC hoạt động như: điện áp làm việc, công suất bộ bù song song, công suất bộ bù nối tiếp, điện áp bù max… Khối dữ liệu công suất của UPFC được mô tả như hình 4.6

 System nominal voltage and frequency [Vrms L-L, f(Hz)]: Trị hiệu dụng điện áp lắp đặt UPFC (điện áp dây) (V) và tần số hệ thống (Hz)

 Shunt converter ratings [VA]: Công suất bộ converter mắc song song (VA)

Hình 4.6 Khối dữ liệu công suất

 Shunt converter impedance [R(pu), L(pu)]: Điện trở thứ tự thuận và điện cảm của bộ converter mắc song song (pu) ở giá trị cơ bản của công suất và điện áp R và L là điện trở và điện cảm rò của máy biến áp mắc song song cộng với điện trở và điện cảm của bộ lọc nối tiếp măc bên ngoài VSC

 Shunt converter initial current [Mag Phase]: Giá trị ban đầu của dòng pha thứ tự thuận biên độ (pu), góc pha (độ) Nếu biết giá trị ban đầu của dòng điện bộ biến đổi mắc song song tương ứng với điểm hoạt động của UPFC ở trạng thái xác lập thì đặt nó Nếu không biết giá trị này chúng ta có thể đặt giá trị là [0 0] Hệ thống sẽ đạt đến trạng thái xác lập sau một thời gian ngắn quá độ

 Series converter ratings [Snom, Max Injected voltage]: Công suất của bộ biến đổi công suất mắc nối tiếp (VA) và giá trị lớn nhất của điện áp bơm vào V_conv (pu) giá trị điện áp pha

 Series converter impedance[R L]: Điện trở và điện cảm thứ tự thuận của converter (pu) R và L là tổng điện trở và điện cảm của máy biến áp mắc nối tiếp với điện trở và điện cảm của bộ lọc nối ở ngõ ra của VSC

 Series converter initial current [Mag Phase]: Giá trị ban đầu của dòng pha thứ tự thuận biên độ (pu), góc pha (độ) Nếu biết giá trị ban đầu của dòng điện bộ biến đổi mắc nối tiếp tương ứng với điểm hoạt động của UPFC ở trạng thái xác lập thì đặt nó Nếu không biết giá trị này chúng ta có thể đặt giá trị là [0 0] Hệ thống sẽ đạt đến trạng thái xác lập sau một thời gian ngắn quá độ

 DC link nominal voltage: Điện áp DC trong đơn vị có tên

 DC link total equivalent capacitance:Điện dung tổng của phần tử liên kết chung DC (farads) Khoảng thời gian chu kỳ nạp năng lượng của bộ tụ (s) là bằng năng lượng lưu trữ trong bộ tụ (J) chia cho công suất của bộ tụ (VA).Vớ dụ ở bài toỏn này khi cho C = 750àF, Vdc@ 000 V, Snom0 MVA) thì tỷ số tính được là 6.0ms tương đương với 0.36 chu kỳ ở tần số là 60Hz

2 Khối dữ liệu điều khiển song song:

Một trong các khối điều khiển các chế độ hoạt động của UPFC là khối dữ liệu điều khiển song song (Control parameters – Shunt converter) hình 4.7 Khối xác lập các chế độ hoạt động như: Voltage Regulation hay Var Regulation và các thông số cơ bản: điện áp đặt Vref

 Mode of operation: Kiểu hoạt động của bộ biến đổi công suất có thể chọn kiểu Voltage regulation hay Var control

 External control of reference voltage Vref: Nếu check tham số này thì block điện áp Vref xuất hiện ở mô hình khối UPFC, cho phép điều khiển tín hiệu ở ngoài (pu) Ngược lại giá trị này sẽ được đặt theo tham số bên dưới

 Reference voltage Vref: Tham số này không hiển thị khi tham số Mode of operation đặt ở chế độ Var Control hoặc tham số External control of reference voltage được check

 Maximum rate of change of reference voltage Vref: Tham số này không nhìn thấy được khi tham số Mode of operation đặt ở chế độ Var Control

Nó chỉ hiển thị khi External control of reference voltage được sử dụng và có đơn vị là (pu/s)

 Droop: Tham số này không nhìn thấy được khi tham số Mode of operation đặt ở chế độ Var Control, tham số này xác định đặc tính V-I có đơn vị là (pu)

Hình 4.7 Khối dữ liệu điều khiển song song

 Vac regulation gains [Kp Ki] : Tham số này không nhìn thấy được khi tham số Mode of operation đặt ở chế độ Var Control Độ lợi của điều khiển PI điện áp AC, hằng số Kp (pu của I)/(pu của V) và hằng số Ki (pu của I)/(pu của V)/song song Trong đó V là điện áp hồi tiếp sai lệch và I là ngỏ ra của điều khiển điện áp

 Reactive power setpoint Qref: Tham số này không nhìn thấy được khi tham số Mode of operation đặt ở chế độ Voltage Control, giá trị đặt Qref (pu) và khi bộ shunt converter đặt ở chế độ Var Control

 Maximum rate of change of reactive power setpoint Qref: Tham số này không nhìn thấy được khi tham số Mode of operation đặt ở chế độ Voltage control, có đơn vị là (pu/s)

Mô hình điều khiển trong Matlab

Mô hình điều khiển của UPFC trong Matlab được điều khiển thông qua hai bộ điều khiển chính đó là mô hình bộ điều khiển song song và mô hình bộ điều khiển nối tiếp Tùy theo chức năng của hàm điều khiển UPFC trong các trường hợp khác nhau mà ta có các thông số điều khiển khác nhau như:

 Điện áp đặt đầu vào V Sref

 Điện áp bộ tụ chung DC VDC

 Công suất tác dụng đặt đầu vào P ref

 Công suất phản kháng đặt đầu vào Qref

 Góc truyền tải đặt ref

1 Mô hình điều khiển bộ song song:

Từ hai thông số đặt ban đầu của hệ thống V Sref và V DCref hàm điều khiển xác định được các giá trị mSH và SH cho bộ điều khiển song song

2 Mô hình điều khiển bộ nối tiếp

Mô hình điều khiển xây dựng trong Matlab ở bộ nối tiếp bao gồm cả bộ điều khiển góc truyền tải  và mô hình điều khiển dòng công suất P, Q

Từ các giá trị ref, Pref, Qref đặt ban đầu cho ta các tín hiệu điều khiển m SE và

SE vào bộ điều khiển nối tiếp

V sed và V seq là 2 thành phần của điện áp V SE

P,Q công suất thực và kháng của đường dây

Var Control i sh-p và i sh-q là 2 thành phần p, q của dòng điện I SH

Xây dựng mô hình khảo sát

1 Giới thiệu hệ thống điện khảo sát

Khảo sát phân bố công suất hệ thống điện gồm 5 nút (hình 5.1)

Hệ thống có các thông số như sau:

Hỡnh 5.1 Heọ thoỏng ủieọn 5 nuựt

 Công suất máy biến áp

 Đường dây L1 (lộ kép), lekm, ro = 0.068 /km, xo = 1.31x10 -3 H/km

 Đường dây L2: lPkm, ro = 0.02546 /km, xo = 0.9337x10 -3 H/km

 Đường dây L3: lPkm, ro = 0.02546 /km, xo = 0.9337x10 -3 H/km

 P5 = 15000MVA (công suất hệ thống)

Trạng thái làm việc ban đầu của hệ thống có các thông số P, Q, U,  tại các nút được cho ở bảng sau:

Thông số tại nút P (MW) Q (MVAr) U (pu)  (độ)

2 Mô tả hệ thống điện bằng mô hình Matlab

Từ hệ thống điện trên ta xây dựng mô hình mô phỏng trong Matlab với sơ đồ như hình 2, các khối mô hình được lấy trong thư viện Simulink Matlab Để khảo sát sự tác động của UPFC lên hệ thống thông số các nút ta đặt UPFC ở cuối đường dây 23 ngay tại nút số 3 UPFC được đặt vào hệ thống có các thông số cơ bản như sau:

 Điện áp đặt của UPFC : U = 500KV, f = 60Hz

 Công suất bộ song song và bộ nối tiếp: 100 MVA

 Giá trị điện áp bơm thêm vào tại nút: điện áp bơm vào bình thường là 10% của điện áp pha (28.9KV)

 Điện áp trên tụ DC: V DC = 40 KV

Hệ thống hoạt động lúc ban đầu không có UPFC, sau khoảng thời gian là 5s sẽ đóng UPFC vào để khảo sát các chế độ hoạt động của nó, tổng thời gian khảo sát là 10s

3 Các đặc tính làm việc của UPFC

Trong chương này sẽ khảo sát những ích lợi của của việc lắp đặt UPFC cho việc điều khiển dòng công suất truyền tải trên hệ thống Qua đó thấy được những đặc tính nổi bật nhất của nó như là: khả năng điều khiển điện áp tại nút khi kết nối với đường dây, điều khiển dòng công suất thực và kháng tại nút đối với hệ thống Trong quá trình khảo sát ở phần nối tiếp của UPFC hai thông số điều khiển riêng biệt đó là r (V SE = r) và  ( SE =), là độ lớn và góc pha của điện áp bơm thêm vào Do đó có thể điều khiển tốt điện áp, công suất thực, công suất kháng tại vị trí có lắp đặt UPFC tại bất cứ góc truyền tải nào của hệ thống điện Điện áp VSE bù vào đường dây là điện áp pha giá trị cực đại là 0.1 pu

Ta có thể xem việc điều khiển điện áp tại một nút (U) thì cũng tương tự với việc điều khiển dòng công suất phản kháng (Q) Và việc điều khiển dòng công suất thực(P) thì cũng giống như điều khiển góc truyền tải () giữa hai nút.

Shunt 500 kV, 100 MVA Series 100 MVA ,10 % injection

Control of Power Flow using a Unified Power Flow Controller (UPFC )

899 MW 28 Mvar gocpha (do ) B1 B2 B3 B 4 B3 Vdqref

UPFC Trip Bypass PQref Vdqref m

To Workspace y Reactive (MVar) B1 B2 B3 B4 B1 Qref (pu )1 Pref (pu ) Power Plant #2 Pnom = 1200 MW A B C Power Plant #1

Hình 5.2: Sơ đồ mô phỏng hệ thống trong Matlab

Điều khiển điện áp tại nút

Khi UPFC được đặt trên đường dây thì nó sẽ có ảnh hưởng đến điện áp của cả hai đầu đường dây đó Do đó, để xem tác động của UPFC phải xem tác động của nó ở cả hai đầu đường dây Khảo sát các trường hợp với 0 o    360 o và 0  r  0.1

1 Khảo sát tác động của UPFC ở cuối đường dây (nút 3) a Xét trường hợp  = 0 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ cùng pha so với V3 , điện áp được bơm vào nút 3 trong trường hợp này là lớn nhất Thoi gian (s)

Dien ap bu vao duong day tai nut 3 khi gamma = 0; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Giá trị điện áp tại nút 3 tăng khi r tăng và đạt giá trị là lớn nhất khi r = 0.1, khi đó V3 = 1.027 (pu) độ tăng điện áp là 2.75% tương ứng với 13.75 KV so với khi không có UPFC b Xét trường hợp  = 45 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ lệch pha so với V3 một góc  = 45 o , điện áp được bơm vào nút 3 trong trường hợp này cũng tăng lên

Dien ap bu vao duong day tai nut 3 khi gamma = 45; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Giá trị điện áp tại nút 3 tăng khi r tăng và đạt giá trị là lớn nhất khi r = 0.1, khi đó V3 = 1.022 (pu) độ tăng điện áp là 2.25% tương ứng với 11.25 KV so với khi không có UPFC c Xét trường hợp  = 90 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 r = 0.1 r = 0.02 r = 0.1 r = 0.02 Điện áp bù VSE sẽ lệch pha so với V3 một góc  = 90 o , điện áp được bơm vào nút 3 trong trường hợp này tăng

Dien ap bu vao duong day tai nut 3 khi gamma = 90; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Giá trị điện áp tại nút 3 tăng khi r tăng và đạt giá trị là lớn nhất khi r = 0.1, khi đó V 3 = 1.005 (pu) độ tăng điện áp là 0.55% tương ứng với 2.75 KV so với khi không có UPFC d Xét trường hợp  = 135 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ lệch pha so với V3 một góc  = 135 o , điện áp tại nút 3 trong trường hợp này giảm

Giá trị điện áp tại nút 3 giảm khi r tăng và độ giảm là lớn nhất khi r = 0.1, khi đó V3 = 0.9831 (pu) độ giảm điện áp là -1.64% tương ứng với -8.2 KV so với khi không có UPFC

Dien ap bu vao duong day tai nut 3 khi gamma = 135; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

D ie n a p ( p u ) e Xét trường hợp  = 180 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ ngược pha so với V3 ( = 180 o ), điện áp tại nút 3 trong trường hợp này là giảm nhiều nhất

Dien ap bu vao duong day tai nut 3 khi gamma = 180; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Giá trị điện áp tại nút 3 giảm khi r tăng và độ giảm là lớn nhất khi r = 0.1, khi đó V3 = 0.9709 (pu) độ giảm điện áp là -2.86% tương ứng với -14.3 KV so với khi không có UPFC f Xét trường hợp  = 225 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ lệch pha so với V3 ( = 225 o ), điện áp tại nút 3 trong trường hợp này sẽ giảm

Dien ap bu vao duong day tai nut 3 khi gamma = 225; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Giá trị điện áp tại nút 3 giảm khi r tăng và độ giảm là lớn nhất khi r = 0.1, khi đó V3 = 0.9773 (pu) độ giảm điện áp là -2.22% tương ứng với -11.1 KV so với khi không có UPFC g Xét trường hợp  = 270 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ lệch pha so với V3 ( = 270 o ), điện áp tại nút 3 trong trường hợp này sẽ giảm không đáng kể

Dien ap bu vao duong day tai nut 3 khi gamma = 270; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Giá trị điện áp tại nút 3 giảm khi r tăng và độ giảm là lớn nhất khi r = 0.1, khi đó V3 = 0.9974 (pu) độ giảm điện áp là -0.21% tương ứng với -1.05 KV so với khi không có UPFC h Xét trường hợp  = 315 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ lệch pha so với V3 một góc  = 315 o , điện áp được bơm vào nút 3 trong trường hợp này sẽ tăng lên

Giá trị điện áp tại nút 3 tăng khi r tăng và đạt giá trị là lớn nhất khi r = 0.1, khi đó V3 = 1.018 pu độ tăng điện áp là 1.85% tương ứng với 9.25 KV so với khi không có UPFC r = 0.02 r = 0.1 r = 0.02 r = 0.1

Dien ap bu vao duong day tai nut 3 khi gamma = 315; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

D ie n a p ( p u ) i Đồ thị điện áp t ại nút 3 khi  = const Đồ thị Hình 5.3 cho ta thấy được sự phụ thuộc điện áp của nút khi giữ  const và thay đổi r từ 0 đến 0.1 Từ đồ thị này ta có những nhận xét sau:

 Khi  = 0 o (V SE cùng pha với V 3 ), điện áp bù vào đường dây trong trường hợp này sẽ đạt giá trị lớn nhất (chức năng bơm điện áp nối tiếp vào đường dây)

Gamma = const; Dien ap tai bus 3

Do lon dien ap bom vao r (pu)

Hình 5.3 Đồ thị điện áp tại nút 3 khi  = const

 Khi  0 o (V SE ngược pha với V 3 ), điện áp tại nút 3 sẽ giảm xuống đến giá trị nhỏ nhất (chức năng bù ngược pha)

 Khi  o và  '0 o điện áp tại nút hầu như không thay đổi nhiều khi tăng r

 Đặc tuyến của đường cong 45 o (/4) cũng gần giống như là đặc tuyến của đường cong 315 o (7/4) gia tăng thêm điện áp tại nút

 Tương tự như vậy các cặp đường đặc tuyến 135 o (3/4) và 225 o (5/4) cũng gần giống nhau làm giảm điện áp tại nút r = 0.1 r = 0.02 j Đồ thị điện áp tại nút 3 khi r = const Đồ thị Hình 5.4 cho ta thấy được sự phụ thuộc điện áp của nút khi giữ r const và thay đổi  từ 0 o đến 360 o Từ đồ thị này ta có những nhận xét sau:

 Khi r = 0 điện áp tại nút hầu như không thay đổi với mọi góc 

 Khi r = 0.1 điện áp bơm vào đường dây sẽ thay đổi cực đại

1.03 r = const; Dien ap tai bus 3

Hình 5.4 Đồ thị điện áp tại nút 3 khi r = const

2 Khảo sát tác động của UPFC ở đầu đường dây (nút 2) a Xét trường hợp  = 0 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ cùng pha so với V2 , điện áp tại nút 2 trong trường hợp này là nhỏ nhất

Giá trị điện áp tại nút 2 giảm khi r tăng và độ giảm là lớn nhất khi r = 0.1, khi đó V 2 = 0.9478 (pu) độ giảm điện áp là -5.15% tương ứng với -24.57 KV

Dien ap bu vao duong day tai nut 2 khi gamma = 0; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

D ie n a p ( p u ) r = 0.02 r = 0.1 b Xét trường hợp  = 45 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ lệch pha so với V2 một góc là 45 o điện áp tại nút 2 trong trường hợp này giảm

Giá trị điện áp tại nút 2 giảm khi r tăng và độ giảm là lớn nhất khi r = 0.1, khi đó V2 = 0.963 (pu) độ giảm điện áp là -3.63% tương ứng với -18.16 KV

Dien ap bu vao duong day tai nut 2 khi gamma = 45; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

D ie n a p ( p u ) c Xét trường hợp  = 90 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù V SE sẽ lệch pha so với V 2 một góc là 90 o điện áp tại nút 2 trong trường hợp này giảm rất ít

Dien ap bu vao duong day tai nut 2 khi gamma = 90; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Khảo sát điều khiển công suất thực P

1 Khảo sát công suất cung cấp cho đường dây tại nút 3: a Xét trường hợp  = 0 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ cùng pha so với V3 ( = 0 o ), điện áp được bơm nối tiếp vào đường dây UPFC bơm điện áp vào nút 3 và phát công suất kháng vào đường dây trong trường hợp này là lớn nhất.

Cong suat thuc bu vao duong day khi gamma = 0; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Thoi gian (s) C o n g s u a t th u c ( MW ) D o l o n g o c t ru y e n t a i (d o )

Khi r tăng công suất thực tại nút 3 giảm -3.06% P3 = 569 MW b Xét trường hợp  = 45 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ lệch pha so với V3 ( = 45 o ), công suất thực phát vào đường dây tại nút 3 sẽ tăng

Khi r tăng công suất thực phát vào đường dây tại nút 3 tăng 11.89 % P3 656.8 MW r = 0.02 r = 0.1

Cong suat thuc bu vao duong day khi gamma = 45; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Thoi gian (s) C o n g s u a t th u c ( M W ) D o l o n g o c t ru y e n t a i (d o ) c Xét trường hợp  = 90 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ vuông góc với V3 ( = 90 o ), điện áp được bơm nối tiếp vào đường dây UPFC bơm điện áp vào nút 3 và phát công suất thực vào đường dây trong trường hợp này là lớn nhất

Khi r tăng công suất thực phát vào đường dây tại nút 3 tăng 19.38 % P 3 700.8 MW

Cong suat thuc bu vao duong day khi gamma = 90; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Thoi gian (s) C o n g s u a t th u c ( M W ) D o l o n g o c t ru y e n t a i (d o ) d Xét trường hợp  = 135 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ lệch pha so với V3 ( = 135 o ), công suất thực tại nút 3 tăng

Cong suat thuc bu vao duong day khi gamma = 135; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Khi r tăng công suất thực phát vào đường dây tại nút 3 tăng 14.1 % P3 = 669.8

MW e Xét trường hợp  = 180 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ lệch pha so với V3 ( = 180 o ), công suất thực tại nút 3 giảm khi r tăng công suất thực phát vào đường dây tại nút 3 giảm -1.61% P3 = 577.5 MW r = 0.1 r = 0.02 r = 0.1 r = 0.02 r = 0.1 r = 0.02

Cong suat thuc bu vao duong day khi gamma = 180; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Thoi gian (s) C o n g s u a t th u c ( M W ) D o l o n g o c t ru y e n t a i (d o ) f Xét trường hợp  = 225 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ lệch pha so với V3 ( = 225 o ), công suất thực tại nút 3 giảm

Cong suat thuc bu vao duong day khi gamma = 225; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Khi r tăng công suất thực phát vào đường dây tại nút 3 giảm -17.58% P 3 483.8 MW g Xét t rường hợp  = 270 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ lệch pha so với V3 ( = 270 o ), công suất thực tại nút 3 giảm

Cong suat thuc bu vao duong day khi gamma = 270; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Khi r tăng công suất thực phát vào đường dây tại nút 3 giảm -23.67% P3 = 448

MW h Xét trường hợp  = 315 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ lệch pha so với V3 ( = 315 o ), công suất thực tại nút 3 giảm Khi r tăng công suất thực phát vào đường dây tại nút 3 giảm -17.41% P 3 484,8 MW r = 0.1 r = 0.02 r = 0.02 r = 0.1 r = 0.02 r = 0.1

Cong suat thuc bu vao duong day khi gamma = 315; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

C o n g s u a t th u c ( M W ) i Đồ thị công suất tại nút 3 khi  = const Đồ thị dòng công suất tại nút 3 khi cho  = const và r thay đổi từ 0  0.1 (hình 5.9) từ đó ta có những nhận xét sau:

Gamma = const; Cong suat tai bus 3

Do lon dien ap bom vao r (pu)

Hình 5.9 Đồ thị công suất tại nút 3 khi  = const

 Khi  = 90 o (/2), công suất thực phát vào đường dây của bộ UPFC trong trường hợp này là lớn nhất

 Khi  = 270 o (3/2) công suất trên đường dây sẽ là nhỏ nhất, bộ UPFC sẽ thu công suất vào từ hệ thống nhiều nhất

 Khi  = 0 o và khi  0 o dòng công suất điều khiển thay đổi rất ít theo r và hầu như là không đổi

 Điều khiển dòng công suất ở cả hai trường hợp  = 45 o (/4) và = 135 o (3/4) là gần như nhau khi r thay đổi, phát công suất từ bộ UPFC vào hệ thống

 Tương tự như vậy là khi  = 225 o (5/4) và  = 315 o (7/4) dòng công suất là gần như nhau, UPFC thu công suất vào từ hệ thống j Đồ thị công suất tại nút 3 khi r = const r = 0.02 r = 0.1 Đồ thị dòng công suất tại nút 3 khi cho r = const và  thay đổi từ 0 o  360 o (hình 5.9) từ đó ta có những nhận xét sau:

 Khi r = 0 dòng công suất truyền tải hầu như không thay đổi

 Dòng tải sẽ được điều khiển là cực đại khi r là cực đại

 Khi /2    3/2 dòng công suất truyền tải sẽ đồng bộ giảm với sự thay đổi của  tăng

 Ngược lại khi 3/2    2 và 0    /2 thì dòng công suất sẽ đồng bộ tăng khi  tăng

750 r = const; Cong suat tren duong day 23

Hình 5.10 Đồ thị công suất tại nút 3 khi r = const

Từ các đồ thị về dòng công suất tại nút 3 (hình 5.9, 5.10, 5.11) ta có nhận xét tổng quát về khả năng điều khiển của UPFC như sau:

 Khi  = 90 o công suất thực bơm vào hệ thống của bộ UPFC đạt giá trị là cực đại

 Khi  = 270 o bộ UPFC sẽ thu công suất vào từ hệ thống, công suất truyền tải trên đường dây sẽ là nhỏ nhất

 Khi  = 0 o và khi  0 o dòng công suất điều khiển hầu như là không đổi theo r

 Khi r = 0 dòng công suất truyền tải hầu như không thay đổi

 Dòng công suất truyền tải được điều khiển là cực đại khi r là cực đại

Goc gamma (do) Cong suat thuc tai nut 3 khi r va gamma thay doi

Do lon dien ap bom vao nut r (pu)

Hình 5.11 Đồ thị công suất tại nút 3 khi r và  thay đổi

 Khi /2    3/2 dòng công suất truyền tải sẽ đồng bộ giảm với sự thay đổi của  tăng

 Ngược lại khi 3/2    2 và 0    /2 thì dòng công suất sẽ đồng bộ tăng khi  tăng.

Khảo sát điều khiển công suất kháng Q

1 Khảo sát công suất kháng cung cấp cho đường dây tại nút 3:

Công suất kháng tại một nút có thể được điều khiển phát ra hay thu vào đối với hệ thống tùy thuộc vào biên độ điện áp bù và góc bù cần thiết Sau đây sẽ khảo sát các trường hợp khi cho góc  thay đổi 0 o    360 o và r thay đổi 0  r  0.1 a Xét trường hợp  = 0 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù V SE sẽ cùng pha so với V 3 ( = 0 o ), điện áp được bơm nối tiếp vào đường dây UPFC bơm điện áp vào nút 3 và phát công suất kháng vào đường dây trong trường hợp này là lớn nhất

Cong suat khang bu vao duong day khi gamma = 0; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Khi r tăng công suất kháng phát vào đường dây cũng tăng lên và đạt giá trị cực đại Q3 = 211.3 MVAr b Xét trường hợp  = 45 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ lệch pha so với V3 một góc  = 45 o , điện áp được bơm vào nút 3 và UPFC phát công suất kháng vào đường dây

Cong suat khang bu vao duong day khi gamma = 45; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Khi r tăng công suất kháng phát vào đường dây cũng tăng lên và đạt giá trị là

Q 3 = 157.8 MVAr c Xét trường hợp  = 90 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù V SE sẽ lệch pha so với V 3 một góc  = 90 o , điện áp được bơm vào nút 3 và UPFC phát công suất kháng vào đường dây

Cong suat khang bu vao duong day khi gamma = 90; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Khi r tăng công suất kháng phát vào đường dây cũng tăng lên và đạt giá trị là

Q 3 = 3.232 MVAr d Xét trường hợp  = 135 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ lệch pha so với V3 một góc  = 135 o , điện áp V 3 giảm và UPFC thu công suất kháng từ đường dây

Cong suat khang bu vao duong day khi gamma = 135; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Khi r tăng bộ UPFC nhận công suất kháng từ đường dây và có giá trị là

Q 3 = -171.4 MVAr e Xét trường hợp  = 180 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ ngược pha so với V3 ( = 180 o ), điện áp V3 giảm UPFC thu công suất kháng lớn nhất từ hệ thống

Cong suat khang bu vao duong day khi gamma = 180; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Khi r tăng bộ UPFC nhận công suất kháng từ đường dây và có giá trị nhận lớn nhất là Q 3 = -256.3 MVAr f Xét trường hợp  = 225 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ lệch pha so với V3 ( = 225 o ), điện áp V3 giảm UPFC thu công suất kháng từ hệ thống

Cong suat khang bu vao duong day khi gamma = 225; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

Khi r tăng bộ UPFC nhận công suất kháng từ đường dây và có giá trị nhận là

Q 3 = -192.6 MVAr g Xét trường hợp  = 270 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ lệch pha so với V3 ( = 270 o ), điện áp V3 giảm UPFC thu công suất kháng từ hệ thống Trường hợp này điện áp tại nút 3 và công suất kháng tại nút 3 hầu như không biến đổi nhiều

Khi r tăng bộ UPFC nhận công suất kháng từ đường dây và có giá trị nhận là Q3 = -24.39 MVAr r = 0.02 r = 0.1 r = 0.02 r = 0.1

Cong suat khang bu vao duong day khi gamma = 270; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

C o n g s u a t k h a n g ( M V A r) h Xét trường hợp  = 315 o , cho r thay đổi từ 0  0.1 Điện áp bù VSE sẽ lệch pha so với V3 một góc  = 315 o , điện áp được bơm vào nút 3 và UPFC phát công suất kháng vào đường dây

Khi r tăng công suất kháng phát vào đường dây cũng tăng lên và đạt giá trị là

Cong suat khang bu vao duong day khi gamma = 315; r = 0.02, 0.04, 0.06 0.08 0.1;

C o n g s u a t k h a n g ( M V A r) i Đồ thị c ông su ất kháng tại nút 3 khi  = const Đồ thị dòng công suất tại nút 3 khi cho  = const và r thay đổi từ 0  0.1 (hình 5.12) từ đó ta có những nhận xét sau:

 Khi  = 0 o công suất kháng tại nút 3 do bộ UPFC phát vào hệ thống là lớn nhất

 Khi  = 90 o (/2) và khi  = 270 o (3/2) công suất kháng phát vào đường dây của bộ UPFC trong trường hợp này là không thay đổi

 Điều khiển dòng công suất ở cả hai trường hợp  = 45 o (/4) và = 315 o (7/4) là gần như nhau khi r thay đổi, phát công suất từ bộ UPFC vào hệ thống

 Tương tự như vậy là khi  = 135 o (3/4) và  = 225 o (5/4) dòng công suất là gần như nhau, UPFC thu công suất vào từ hệ thống r = 0.02 r = 0.1 r = 0.1 r = 0.02

Gamma = const; Cong suat khang tai bus 3

Do lon dien ap bom vao (pu)

C o n g s u a t kh a n g ( M V A r) gamma = 0 gamma = 45 gamma = 90 gamma = 135 gamma = 180 gamma = 225 gamma = 270 gamma = 315

Hình 5.12 Công suất kháng tại nút 3 khi  = const j Đồ thị công suất kháng tại nút 3 khi r = const Đồ thị dòng công suất tại nút 3 khi cho r = const và  thay đổi từ 0 o  360 o (hình 5.13) từ đó ta có những nhận xét sau:

Cong suat khang tai nut 3 khi r = const

Hình 5.13 Công suất kháng tại nút 3 khi r = const

 Khi r = 0 dòng công suất kháng truyền tải hầu như không thay đổi

 Dòng công suất kháng sẽ được điều khiển là cực đại khi r là cực đại

 Khi 0     dòng công suất kháng truyền tải sẽ đồng bộ giảm với sự thay đổi của  tăng

 Ngược lại khi     2 thì dòng công suất sẽ đồng bộ tăng khi  tăng

Từ các đồ thị về dòng công suất tại nút 3 (hình 5.12, 5.13, 5.14) ta có nhận xét tổng quát về khả năng điều khiển của UPFC như sau:

 Khi  = 0 o công suất kháng bơm vào hệ thống của bộ UPFC đạt giá trị là cực đại

 Khi  = 180 o bộ UPFC sẽ thu công suất kháng vào từ hệ thống, công suất kháng tại nút 3 trong trường hợp này là nhỏ nhất

 Khi  = 90 o và khi  '0 o dòng công suất kháng tại nút 3 là không đổi theo r

 Khi r = 0 dòng công suất kháng là không đổi

 Dòng công suất kháng được điều khiển là cực đại khi r là cực đại

Goc gamma (do) Cong suat khang tai nut 3 khi r va gamma thay doi

Do lon dien ap bom vao r (pu)

Hình 5.14 Công suất kháng tại nút 3 khi r và  thay đổi

Khảo sát điều khiển độc lập P và Q

Phần tiếp theo sẽ khảo sát các đáp ứng của bộ UPFC khi giử điện áp tại đầu nhận V3 = const trong khi đó thay đổi các giá trị của công suất thực và công suất kháng theo các giá trị đặc trước

Trường hợp này sẽ khảo sát hệ thống với Q =  0.27 = const (hình 5.15a) trong khi đó thay đổi từng nấc một công suất thực P (giá trị hoạt động ban đầu của

UPFC là khi P 3 = 587MW; tại thời điểm khi t = 10s giá trị công suất thực được đặt tăng lên là P3 = 687MW; khi t s công suất thực giảm xuống là P3 = 487MW và khi t $s hệ thống trở về điều kiện hoạt động ở trạng thái ban đầu (hình 5.15c), điện áp tại nút được giử bằng const (hình 5.15b)

Cong suat khang tai nut 3 khi P thay doi

Hình 5.15a Công suất kháng tại nút 3

Từ đồ thị ta cũng có thể nhận thấy có thể điều khiển độc lập dòng công suất thực và công suất kháng bằng cách hiệu chỉnh độ lớn điện áp bơm vào và góc pha của nó (hình 5.15 d,e)

Dien ap tai nut 3 khi P thay doi va Q = const

Hình 5.15b Điện áp tại nút 3

Cong suat thuc tai nut 3

Hình 5.15c Công suất thực tại nút 3

Do thay doi cua r khi P thay doi va Q=const

Hình 5.15d Điện áp bơm thêm vào r

Goc bu gamma khi P thay doi va Q=const

Hình 5.15e Góc điện áp bơm thêm vào 

Trường hợp này sẽ khảo sát hệ thống với P = 587MW = const (hình 5.16a) trong khi đó thay đổi từng nấc một công suất thực Q (giá trị hoạt động ban đầu của UPFC là khi Q 3 = 27MVAr; tại thời điểm khi t = 10s giá trị công suất thực được đặt tăng lên là Q 3 = 73MVAr; khi t s công suất thực giảm xuống là Q 3 =  127MVAr và khi t $s hệ thống trở về điều kiện hoạt động ở trạng thái ban đầu (hình 5.16c), điện áp tại nút được giử bằng const (hình 5.16b)

Cong suat thuc tai nut 3

Hình 5.16a Công suất thực tại nút 3

Từ đồ thị ta cũng có thể nhận thấy có thể điều khiển độc lập dòng công suất thực và công suất kháng bằng cách hiệu chỉnh độ lớn điện áp bơm vào và góc pha của nó (hình 5.16 d,e)

Dien ap tai nut 3 khi Q thay doi va P = const

Hình 5.16b Điện áp tại nút 3

Cong suat khang tai nut 3 khi P = const

Hình 5.16c Công suất kháng tại nút 3

Do lon dien ap bom vao r khi Q thay doi va P = const

Hình 5.16d Điện áp bơm thêm vào r

Do thay doi goc gamma khi Q thay doi va P = const

Hình 5.16e Góc điện áp bơm thêm vào 

Điều khiển kết hợp U, P, Q

Từ những kết luận ở các phần điều khiển ta nhận thấy điều khiển r là cách tốt nhất để điều khiển dòng công suất truyền tải trên hệ thống Hình 5.17 và 5.18 sẽ mô tả cho ta thấy mối liên hệ giữa dòng công suất và điện áp tại hai đầu đường dây có đặt UPFC khi r = 0.1, qua đó ta có những nhận xét sau:

 Khả năng điều khiển điện áp V3 là maximum khi khả năng điều khiển dòng công suất thực P3 là minimum

 Điều khiển điện áp V 3 là maximum thì cũng đồng nghĩa với việc điều khiển dòng công suất kháng Q3 là maximum

Dien ap tai nut 2 va nut 3

Dien ap nut 3 Dien ap nut 2

Hình 5.17 Điện áp tại nút 2 và 3 khi r = 0.1

Cong suat thuc va cong sat khang tren duong day khi r = 0.1

Hình 5.18 Công suất thực và kháng trên đường dây khi r = 0.1

 Trong chế độ điều khiển điện áp khi  = 90 o và  = 270 o thì hầu như điện áp tại hai đầu đường dây không thay đổi, tuy nhiên trong chế độ điều khiển công suất thì đây là các trường hợp dòng công suất được tác động thay đổi nhiều nhất

 Nếu bộ UPFC hoạt động ở chế độ điều khiển dòng công suất với r thay đổi và giữ  = /2 thì khả năng điều khiển dòng công suất trên đường dây nơi có đặt UPFC là lớn nhất

 Khả năng điều khiển và đặc tính của đường cong điều khiển điện áp phụ thuộc vào hệ thống và điểm đặt của UPFC trong hệ thống

Khi giử U = const, có thể điều khiển độc lập công suất thực P và công suất kháng Q tại điểm có lắp đặt UPFC Đồ thị 3D hình 5.19 cho ta thấy mối quan hệ giữa P và Q tại nút 3 theo các giá trị của r và 

Goc gamma (do) Cong suat thuc va khang tai nut 3 khi r, gamma thay doi

Do lon dien ap bom vao nut r (pu)

Hình 5.19 Đồ thị 3D công suất thực và kháng trên đường dây

ÁP DỤNG UPFC VÀO BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP

Mô hình hệ thống điện – Không gian trạng thái

Theo [2] trạng thái của một hệ thống động như một hệ thống điện thì có thể mô tả bởi tập hợp N phương trình vi phân bậc nhất dạng phi tuyến như sau :

N :là số biến của hệ thống

Hệ phương trình trên viết lại dưới dạng ma trận như sau:

X= (x 1 ,………,x n ) T là vectơ trạng thái của hệ thống

U= (u 1 ,………,u r ) T là vectơ đầu vào (biến điều khiển )của hệ thống f= (f 1 ,………,f n ) T

Trong trường hợp đạo hàm của các biến trạng thái không là một hàm explicit thì hệ thống gọi là hệ thống autonomus Khi đó phương trình trên có thể viết đơn giản lại là

Ngòai ra , chúng ta cần phải quan tâm biến đầu ra có mối quan hệ đại số với các biến trạng thái và biến điều khiển có thể diễn tả dưới dạng :

Trong đó : y= (y 1 ,………,y m ) T là vec tơ biến đầu ra (output ) của hệ thống g= (g 1 ,………,g m ) T Đối với hệ thống máy điện đồng bộ và bộ kích từ dạng IEEE lọai 1 , các phương trình mô tả hệ thống có thể viết lại như sau ;

Các phương trình vi phân về kích từ và điều tốc : s i i dt d   

 i s i di i qi qi di qi di di

' [ ] ] doi fdi doi di di di doi qi qi

' ' ' ' qi qi qoi qi qoi di di X X

Ei Ri fdi Ei fdi E Ei fdi

Ai Ai fdi Fi Ai Fi Ai fi Ai Ai Ai Ri

Các phương trình đại số stator:

'  i i  i  si di  qi qi  di V R I X I

'  i i  i  si qi  di di  qi V R I X I

Các phương trình trong hệ thống:

Tuyến tính hóa mô hình hệ thống

Cho x 0 là vectơ trạng thái cân bằng, u0 là vectơ đầu vào tương ứng với trạng thái cân bằng với một dao động nhỏ Do x 0 , u 0 là các biến của trạng thái cân bằng nên nó thỏa mãn phương tình sau :

Cho một dao động nhỏ ở trạng thái trên

Trạng thái mới của hệ thống sẽ thoải mãn với phương trình :

Một cách tương tự ta có : r r i i i i m m i i i i i u u u g u x g x x g x y g 

 :vectơ đầu vào (vectơ điều khiển) bậc r

A = ma trận trạng thái (ma trận Jacobian) bậc nxn

B = ma trận điều khiển bậc nxr

C = ma trận đầu ra bậc mxn

D = ma trận hồi tiếp là tỉ lệ của các tín hiệu đầu vào ảnh hưởng trực tiếp đến tín hiệu đầu ra

Trong đó ma trận A là ma trận Jacobian của mô hình động hệ thống, nó quyết định tính chất động học cơ bản của hệ thống.

Ma trận Jacobian rút gọn

Phương trình điện áp – công suất hệ thống trạng thái xác lập ở dạng tuyến tính hóa được cho như sau:

 P : độ thay đổi công suất tác dụng tại nút

Q: độ thay đổi công suất phản kháng tại nút

 : độ thay đổi góc pha của điện áp nút

V: thay đổi độ lớn điện áp tại nút

J PF ma trận Jacobian của mô hình trào lưu công suất của hệ thống Ma trận này gồm 4 ma trận con J P , J PV , J Q , J QV Ở đây chúng ta sử dụng mô hình phân bố công suất truyền thống để phân tích ổn định điện áp, do đó ma trận Jacobian trong phương trình (5.1) cũng giống như ma trận Jacobian được sử dụng trong phương pháp lập Newton-Raphson để giải bài toán phân bố công suất

Các phần tử của ma trận con Jacobi được xác định như sau:

Các phương trình công suất bơm vào nút i:

Theo [2] sự ổn định điện áp của hệ thống bị ảnh hưởng bởi cả hai P và Q Tuy nhiên ở mỗi điểm làm việc chúng ta có thể giữ P không đổi và đánh giá ổn định điện áp bằng cách xem xét sự thay đổi trong quan hệ giữa Q và V Mặc dù chúng ta không xét đến sự thay đổi của P, nhưng ảnh hưởng của sự thay đổi phụ tải của hệ thống hoặc mức truyền công suất cũng được đưa vào tính toán bằng cách nghiên cứu quan hệ giữa Q và V trong các điều kiện vận hành với các mức tải công suất P khác nhau

Từ phương trình (5.1), ta giả thiết với công suất tác dụng tại các nút không đổi P  0,thì quan hệ giữa điện áp và công suất phản kháng được thể hiện như sau:

Từ công thức (5.4), (5.5) ta có :

J R là ma trận Jacobian rút gọn của hệ thống

Ma trận J R  1 là ma trận Jacobian V-Q rút gọn Để xác định ma trận J R  1 trong việc phân tích ổn định điện áp, trước tiên giải bài toán phân bố công suất theo phương pháp lặp Newton-Raphson, khi bài toán hội tụ ta tìm được ma trận Jacobian tương ứng với các điều kiện vận hành đã cho Sau đó tìm ma trận Jacobian rút gọn theo công thức (5.7) và cuối cùng tìm được ma trận

Thuật toán giải phân bố công suất theo phương pháp lặp Newton-Raphson và xác định ma trận Jacobian rút gọn J R  1 gồm các bước sau:

Giả thiết  ( j 0 ) và V j ( 0 ) ban đầu

Xét vòng lặp thứ k gồm:

1 Dùng các trị số  (k j ) và V j (k ) tính P i (k ) và Q i ( k ) theo hai phương trình công suất (5.2) và (5.3) với i=2,…,N

2 Tính các sai số P i (k ) và Q i (k ) theo công thức sau:

Kiểm tra điều kiện nếu

 là nghiệm và nhảy xuống bước 8, nếu không đạt điều kiện thì tính tiếp bước 4

3 Tính các phần tử ma trận Jacobian

7 Tính các phần tử của ma trận Jacobi và các ma trận con JP, J PV , JQ và

J QV khác với bước 4 là ở đây chúng ta tính cho cả các nút điều khiển điện áp, chỉ trừ nút cân bằng

8 Tính ma trận J R  ( J QV  J Q  J P   1 J PV ) và J R  1

Mô hình toán của bộ UPFC trong ma trận Jacobian

Mô hình dòng công suất khảo sát ở đây với UPFC hoạt động nhằm giử giá trị công suất tác dụng và công suất phản kháng tại đầu nhận và điện áp tại đầu phát là ở giá trị đặt trước đó Có thể xem UPFC tương đương như là một nút máy phát tại đầu phát (nút PV) và một nút tải (nút PQ) tại đầu nhận như hình 5.20

Thành phần đạo hàm của UPFC tại nút k là: kk k k k k Q V B

 km k cR km k cR  cR k cR k V V G B

UPFC Đầu phát Đầu nhận

Hệ thống Đầu phát Đầu nhận

Hình 5.20 Hệ thống bao gồm UPFC (a) biểu đồ (b) mô hình dòng tải

 km k cR km k cR  cR k cR cR k V V V G B

 vR k vR vR k vR  vR k vR k V V G B

 vR k vR vR k vR  vR k vR mR k V V V G B

 cos sin , kvR vR vR k V H

Thành phần đạo hàm của UPFC tại nút m là:

 mm m cR mm m cR  cR m cR m mcR P V V G B

 mm cR mm m cR  cR m cR cR m mcR P V V V G B

  cos sin , mcR cR cR m V H

Thành phần đạo hàm của bộ nối tiếp UPFC là:

 km cR k km cR k  k cR k cR V V G B

2 , mm cR cR cR cR Q V B

 mm sin cR m mm cos cR m , m cR m cR V V G B

2 , mm cR cR cR cR cR V P V G

 km cos cR k km sin cR k  , k cR k k cR V V V G B

 mm cos cR m mm sin cR m  , m cR m m cR V V V G B

Thành phần đạo hàm của bộ song song UPFC là:

 vR sin vR k vR cos vR k , k vR k vR V V G B

2 , vR vR vR vR vR Q V B

 vR cos vR k vR sin vR k  , k vR k k vR V V V G B

2 , vR vR vR vR vR vR V P V G

Bài toán khảo sát điều khiển điện áp

Khảo sát mạng điện 5 nút như hình vẽ sau:

Hình 5.21: Sơ đồ mạng điện 5 nút Nguồn G.W Stagg and A.H Alabiad, Computer

Methods in Power System Analysis © 1968 McGraw-Hill

Trong tính toán chọn Scb= 100 MVA

Các đại lượng được tính trong giá trị tương đối

Chọn nút 1 là Slack bus

Thông số đường dây được tính trong đơn vị tương đối và cho theo bảng sau:

STT Từ nút Đến nút R X G B Tap

Sơ đồ khảo sát có hai nút máy phát:

STT Nút máy phát P Q Pmax Pmin Qmax Qmin

Trong sơ đồ mạng điện có 5 nút trên thiết bị UPFC có thể được lắp tại bất kỳ nút nào để khảo sát Sau đây sẽ khảo sát việc điều khiển điện áp của thiết bị UPFC tại nút 3 trên đường dây 3 – 4 và nút 5 trên đường dây 5 – 2 của sơ đồ hệ thống

1 Trạng thái ban đầu của hệ thống điện khi chưa có UPFC

Giải bài toán phân bố công suất, kết quả ban đầu của chương trình phân bố công suất trong hệ thống điện gồm 5 nút như sau: (các hàm tính phân bố công suất tham khảo ở phần phụ lục) it = 6

Với việc giải bài toán phân bố công suất trên ta có điện áp tại nút 3 là V 3 = 0.9872 pu, tại nút 5 là V 5 = 0.9717 pu

2 Trạng thái của hệ thống điện khi có lắp bộ UPFC vào nút 3

Kết quả chương trình phân bố công suất trong hệ thống điện khi có lắp đặt bộ UPFC vào nút 3 để điều khiển điện áp

Giá trị điện áp đặt tại điểm 3: V 3 = 1.0pu it = 5

Giá trị điện áp đặt tại nút 3 đáp ứng được yêu cầu của bài toán

3 Trạng thái của hệ thống điện khi có lắp bộ UPFC vào nút 5

Kết quả chương trình phân bố công suất trong hệ thống điện khi có lắp đặt bộ UPFC vào nút 5 để điều khiển điện áp

Giá trị điện áp đặt tại điểm 5: V 5 = 1.0pu it = 5

Giá trị điện áp đặt tại nút 5 đáp ứng được yêu cầu của bài toán

Tổng kết

Việc ứng dụng các thiết bị FACTS vào trong hệ thống truyền tải điện đã mang lại những lợi ích hết sức to lớn, đặc biệt là các lợi ích về truyền tải điện năng một cách hiệu quả, tăng độ tin cậy cung cấp điện và giảm các giao động hệ thống Các thiết bị FACTS đã được thiết kế, chế tạo và lắp đặt phổ biến trên thế giới với rất nhiều chủng loại tương ứng với các thông số điều khiển trong hệ thống điện Việc lựa chọn thiết bị phụ thuộc vào mục đích điều khiển, hiện trạng liên kết lưới điện và tính toán các chi phí đầu tư xây dựng và lợi ích về kinh tế mà thiết bị FACTS mang lại

Luận văn đã xây dựng được chương trình mô phỏng cho phép khảo sát các chế độ làm việc của thiết bị UPFC kết quả chạy mô phỏng đề tài đã xây dựng được các đường đặc tính biểu thị mối quan hệ giữa các thông số r và γ của bộ UPFC với dòng công suất trên đường dây như hình 5.11 và hình 5.14

Từ các đồ thị trên hình 5.11 và hình 5.14 cho thấy khi điều chỉnh γ o thì công suất phản kháng trên đường dây gần như không thay đổi và ngược lại khi điều chỉnh γ =0 o thì công suất tác dụng gần như không thay đổi khi ta thay đổi r Như vậy khi cần điều chỉnh dòng công suất tác dụng trên đường dây thì ta cho γ o và ngược lại khi cần điều chỉnh công suất phản kháng thì điều chỉnh γ =0 o

Luận văn cũng đã xây dựng được mô hình tính toán của thiết bị UPFC như hình 5.20 với các dòng công suất bơm vào nút m và k Đây là cơ sở để đưa vào mô hình tính toán các bài toán giải tích mạng điện của các hệ thống điện có lắp đặt thiết bị UPFC trên các đường dây truyền tải

Qua khảo sát cho thấy đối với các đường dây truyền tải có lắp đặt thiết bị UPFC, chúng ta có thể điều khiển dòng công suất tác dụng, công suất phản kháng trên đường dây một cách linh hoạt, ngay cả có thể khống chế được dòng công suất chạy trên đường dây cố định khi công suất phụ tải và nguồn thay đổi.

Hướng phát triển của đề tài

Tầm nhìn cho một hệ thống truyền tải cao áp trên thế giới là nhằm để sản xuất điện năng một cách kinh tế và thân thiện môi trường, cung cấp điện năng cho những nơi cần điện, FACTS là chìa khoá để biến tầm nhìn này thành hiện thực

Trong tương lai, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử cũng như công nghệ chế tạo các Thyristor công suất lớn, các thiết bị làm linh hoạt hệ thống truyền tải điện xoay chiều FACTS ngày càng được ứng dụng rộng rãi với chi phí đầu tư giảm, đáp ứng các yêu cầu về tối ưu trong vận hành và điều khiển hệ thống truyền tải điện

Do có khả năng khống chế được dòng công suất chạy trên đường dây theo yêu cầu nên UPFC có thể được sử dụng để lắp đặt trên các đường dây liên kết giữa các hệ thống điện của vùng, quốc gia

Một trong những bài toán phân bố công suất tối ưu trên hệ thống là sử dụng các thiết bị FACTS Đặc biệt trong quá trình khảo sát các đặc tính của bộ UPFC ta thấy nó có đủ khả năng để đảm bảo cho hệ thống hoạt động ổn định Ngoài ra, còn một số vấn đề chúng ta có thể xem xét, khảo sát để bộ UPFC hoạt động với đầy đủ chức năng và áp dụng được cho thực tế hơn như:

 Sử dụng bộ UPFC làm giảm giao động cho hệ thống (damping)

 Những tác động của UPFC khi đường dây vận hành bị sự cố

 Kết hợp UPFC với các thiết bị khác của FACTS trong việc điều khiển tối ưu công suất truyền tải trên hệ thống

 Lựa chọn vị trí tối ưu để lắp đặt các thiết bị FACTS

Phụ lục các chương trình

1 Chương trình chính tính phân bố công suất ban đầu

%***- - - 1.Chuong trinh chinh clc; clear all;

Data5nut; %Read system data

TimmatranYbus(tlsend,tlrec,tlresis,tlreac,tlsuscep,tlcond,shbus,shresis,s hreac,ntl,nbb,nsh);

PPNewtonRaphson(nmax,tol,itmax,ngn,nld,nbb,bustype,genbus,loadbus,PGEN,QG EN,QMAX,QMIN,PLOAD,QLOAD,YR,YI,VM,VA);

TinhPQ(nbb,ngn,ntl,nld,genbus,loadbus,tlsend,tlrec,tlresis,tlreac,tlcond, tlsuscep,PLOAD,QLOAD,VM,VA); it %Iteration number

VA = VA*180/pi %Nodal voltage phase angle(Deg)

PQsend %Sending active and reactive powers (p.u.)

PQrec %Receiving active and reactive powers (p.u.)

% **** 2.NHAP THONG SO HE THONG *** nbb = 5 ; %nbb = number of buses

%VA = nodal voltage phase angle

%The following convention is used for the four types of buses available

%in conventional power flow studies: bustype(1) = 1 ; VM(1) = 1.06 ; VA(1) =0 ; bustype(2) = 2 ; VM(2) = 1 ; VA(2) =0 ; bustype(3) = 3 ; VM(3) = 1 ; VA(3) =0 ; bustype(4) = 3 ; VM(4) = 1 ; VA(4) =0 ; bustype(5) = 3 ; VM(5) = 1 ; VA(5) =0 ;

%bustype = 1 is slack or swing bus

%bustype = 2 is generator PV bus

%bustype = 3 is load PQ bus

%bustype = 4 is generator PQ bus

%PGEN = scheduled active power contributed by the generator

%QGEN = scheduled reactive power contributed by the generator

%QMAX = generator reactive power upper limit

%QMIN = generator reactive power lower limit ngn = 2 ; genbus(1) = 1 ; PGEN(1) = 0 ; QGEN(1) = 0 ; QMAX(1) = 5 ; QMIN(1) = -5 ; genbus(2) = 2 ; PGEN(2) = 0.4 ; QGEN(2) = 0 ; QMAX(2) = 3 ; QMIN(2) = -3 ;

%ntl = number of transmission lines

%tlsend = sending end of transmission line

%tlrec = receiving end of transmission line

%tlresis = series resistance of transmission line

%tlreac = series reactance of transmission line

%tlcond = shunt conductance of transmission line

%tlsuscep = shunt susceptance of transmission line ntl = 7 ; tlsend(1) = 1 ; tlrec(1) = 2 ; tlresis(1) = 0.02 ; tlreac(1) = 0.06 ; tlcond(1) = 0 ; tlsuscep(1) = 0.06 ; tlsend(2) = 1 ; tlrec(2) = 3 ; tlresis(2) = 0.08 ; tlreac(2) = 0.24 ; tlcond(2) = 0 ; tlsuscep(2) = 0.05 ; tlsend(3) = 2 ; tlrec(3) = 3 ; tlresis(3) = 0.06 ; tlreac(3) = 0.18 ; tlcond(3) = 0 ; tlsuscep(3) = 0.04 ; tlsend(4) = 2 ; tlrec(4) = 4 ; tlresis(4) = 0.06 ; tlreac(4) = 0.18 ; tlcond(4) = 0 ; tlsuscep(4) = 0.04 ; tlsend(5) = 2 ; tlrec(5) = 5 ; tlresis(5) = 0.04 ; tlreac(5) = 0.12 ; tlcond(5) = 0 ; tlsuscep(5) = 0.03 ; tlsend(6) = 3 ; tlrec(6) = 4 ; tlresis(6) = 0.01 ; tlreac(6) = 0.03 ; tlcond(6) = 0 ; tlsuscep(6) = 0.02 ; tlsend(7) = 4 ; tlrec(7) = 5 ; tlresis(7) = 0.08 ; tlreac(7) = 0.24 ; tlcond(7) = 0 ; tlsuscep(7) = 0.05 ;

%nsh = number of shunt elements

%shbus = shunt element bus number

%shresis = resistance of shunt element

%shreac = reactance of shunt element:

%+ve for inductive reactance and –ve for capacitive reactance nsh = 0 ; shbus(1) = 0 ; shresis(1) = 0 ; shreac(1) = 0 ;

%nld = number of load elements

%loadbus = load element bus number

%PLOAD = scheduled active power consumed at the bus

%QLOAD = scheduled reactive power consumed at the bus nld = 4 ; loadbus(1) = 2 ; PLOAD(1) = 0.2 ; QLOAD(1) = 0.1 ; loadbus(2) = 3 ; PLOAD(2) = 0.45 ; QLOAD(2) = 0.15 ; loadbus(3) = 4 ; PLOAD(3) = 0.4 ; QLOAD(3) = 0.05 ; loadbus(4) = 5 ; PLOAD(4) = 0.6 ; QLOAD(4) = 0.1 ;

%itmax = maximum number of iterations permitted before the iterative

%process is terminated – protection against infinite iterative loops

%tol = criterion tolerance to be met before the iterative solution is

%successfully brought to an end dung sai lap itmax = 100; tol = 1e-12; nmax = 2*nbb;

%End Ham thong so he thong

%*** 3.TimmatranYBus *** function [YR,YI] = TimmatranYBus(tlsend,tlrec,tlresis,tlreac,tlsuscep, tlcond,shbus,shresis,shreac,ntl,nbb,nsh);

YI=zeros(nbb,nbb); for kk = 1: ntl ii = tlsend(kk); jj = tlrec(kk); denom = tlresis(kk)^2+tlreac(kk)^2;

YR(ii,ii) = YR(ii,ii) + tlresis(kk)/denom + 0.5*tlcond(kk);

YI(ii,ii) = YI(ii,ii) - tlreac(kk)/denom + 0.5*tlsuscep(kk);

YR(ii,jj) = YR(ii,jj) - tlresis(kk)/denom;

YI(ii,jj) = YI(ii,jj) + tlreac(kk)/denom;

YR(jj,ii) = YR(jj,ii) - tlresis(kk)/denom;

YI(jj,ii) = YI(jj,ii) + tlreac(kk)/denom;

YR(jj,jj) = YR(jj,jj) + tlresis(kk)/denom + 0.5*tlcond(kk);

YI(jj,jj) = YI(jj,jj) - tlreac(kk)/denom + 0.5*tlsuscep(kk); end for kk = 1: nsh ii = shbus(kk); denom = shresis(kk)^2+shreac(kk)^2;

YR(ii,ii) = YR(ii,ii) + shresis(kk)/denom;

YI(ii,ii) = YI(ii,ii) - shreac(kk)/denom; end

%Carry out iterative solution using the Newton-Raphson method function [VM,VA,it] = PPNewtonRaphson(nmax,tol,itmax,ngn,nld,nbb,bustype, genbus,loadbus,PGEN,QGEN,QMAX,QMIN,PLOAD,QLOAD,YR,YI,VM,VA)

[PNET,QNET] = Congsuat(nbb,ngn,nld,genbus,loadbus,PGEN,QGEN,PLOAD,QLOAD); while ( it < itmax & flag==0 )

[PCAL,QCAL] = TinhCS(nbb,VM,VA,YR,YI);

% CHECK FOR POSSIBLE GENERATOR’S REACTIVE POWERS LIMITS VIOLATIONS [QNET,bustype] = LimMF(ngn,genbus,bustype,QGEN,QMAX,QMIN,QCAL,QNET, QLOAD, it, VM, nld, loadbus);

PowMis(nmax,nbb,tol,bustype,flag,PNET,QNET,PCAL,QCAL);

[JAC] = NRJ(nmax,nbb,bustype,PCAL,QCAL,VM,VA,YR,YI);

% SOLVE FOR THE STATE VARIABLES VECTOR

[VA,VM] = Updatesbien(nbb,D,VA,VM); it = it + 1; end

%*** 5.Ham Congsuat function [PNET,QNET] = Congsuat(nbb,ngn,nld,genbus,loadbus,PGEN,

QNET = zeros(1,nbb); for ii = 1: ngn

PNET(genbus(ii)) = PNET(genbus(ii)) + PGEN(ii);

QNET(genbus(ii)) = QNET(genbus(ii)) + QGEN(ii); end for ii = 1: nld

PNET(loadbus(ii)) = PNET(loadbus(ii)) - PLOAD(ii);

QNET(loadbus(ii)) = QNET(loadbus(ii)) - QLOAD(ii); end

%*** 6.Ham TinhCS *** function [PCAL,QCAL] = TinhCS(nbb,VM,VA,YR,YI)

QCAL = zeros(1,nbb); for ii = 1: nbb

PSUM = PSUM + VM(ii)*VM(jj)*(YR(ii,jj)*cos(VA(ii)-VA(jj)) +

YI(ii,jj)*sin(VA(ii)-VA(jj)));

QSUM = QSUM + VM(ii)*VM(jj)*(YR(ii,jj)*sin(VA(ii)-VA(jj)) -

YI(ii,jj)*cos(VA(ii)-VA(jj))); end

% *** 7.Ham PowMis *** function [DPQ,DP,DQ,flag] = PowMis(nmax,nbb,tol,bustype, flag,PNET,QNET,PCAL,QCAL);

DQ = QNET - QCAL; for ii = 1: nbb if (bustype(ii) == 1 )

DQ(ii) = 0; elseif (bustype(ii) == 2 )

DQ(ii) = 0; end end kk = 1; for ii = 1: nbb

DPQ(kk+1) = DQ(ii); kk = kk + 2; end for ii = 1: nbb*2 if ( abs(DPQ) < tol) flag = 1; end end

% *** 8.Ham NRJ (NewtonRaphashonJacobian) *** function [JAC] = NRJ(nmax,nbb,bustype,PCAL,QCAL,

JAC = zeros(nmax,nmax); iii = 1; for ii = 1: nbb jjj = 1; for jj = 1: nbb if ii == jj

JAC(iii,jjj) = -QCAL(ii) - VM(ii)^2*YI(ii,ii);

JAC(iii,jjj+1) = PCAL(ii) + VM(ii)^2*YR(ii,ii);

JAC(iii+1,jjj) = PCAL(ii) - VM(ii)^2*YR(ii,ii);

JAC(iii+1,jjj+1) = QCAL(ii) - VM(ii)^2*YI(ii,ii); else

JAC(iii,jjj) = VM(ii)*VM(jj)*(YR(ii,jj)*sin(VA(ii)-VA(jj))

-YI(ii,jj)*cos(VA(ii)-VA(jj)));

JAC(iii+1,jjj) = -VM(ii)*VM(jj)*(YI(ii,jj)*sin(VA(ii)

-VA(jj))+YR(ii,jj)*cos(VA(ii)-VA(jj)));

JAC(iii,jjj+1) = -JAC(iii+1,jjj);

JAC(iii+1,jjj+1) = JAC(iii,jjj); end jjj = jjj + 2; end iii = iii + 2; end for kk = 1: nbb if (bustype(kk) == 1) ii = kk*2-1; for jj = 1: 2*nbb if ii == jj

JAC(jj,ii) = 0; end end end if (bustype(kk) == 1) | (bustype(kk) == 2) ii = kk*2; for jj = 1: 2*nbb if ii == jj

JAC(jj,ii) = 0; end end end end

% *** 9.Ham Updatesbien *** function [VA,VM] = Updatesbien(nbb,D,VA,VM) iii = 1; for ii = 1: nbb

VA(ii) = VA(ii) + D(iii);

VM(ii) = VM(ii) + D(iii+1)*VM(ii); iii = iii + 2; end

% *** 10.Ham LimMF *** function [QNET,bustype] = LimMF(ngn,genbus,bustype,QGEN,

QMAX,QMIN,QCAL,QNET, QLOAD, it, VM, nld, loadbus) if it > 2 flag2 = 0; for ii = 1: ngn jj = genbus(ii); if (bustype(jj) == 2) if ( QCAL(jj) > QMAX(ii) )

QNET(genbus(ii)) = QMAX(ii); bustype(jj) = 3; flag2 = 1; elseif ( QCAL(jj) < QMIN(ii) )

QNET(genbus(ii)) = QMIN(ii); bustype(jj) = 3; flag2 = 1; end if flag2 == 1 for ii = 1:nld if loadbus(ii) == jj

QNET(loadbus(ii)) = QNET(loadbus(ii)) - QLOAD(ii); end end end end end end

% *** 11.Ham TinhPQ *** function [PQsend,PQrec,PQloss,PQbus] = TinhPQ(nbb,ngn,ntl,nld, genbus,loadbus,tlsend,tlrec,tlresis,tlreac,tlcond,tlsuscep,PLOAD, QLOAD,VM,VA);

PQrec = zeros(1,ntl); for ii = 1: ntl

Vsend = ( VM(tlsend(ii))*cos(VA(tlsend(ii))) +

VM(tlsend(ii))*sin(VA(tlsend(ii)))*i );

Vrec = ( VM(tlrec(ii))*cos(VA(tlrec(ii))) +

VM(tlrec(ii))*sin(VA(tlrec(ii)))*i ); tlimped = tlresis(ii) + tlreac(ii)*i; current =(Vsend - Vrec) / tlimped + Vsend*( tlcond(ii) + tlsuscep(ii)*i )*0.5 ;

PQsend(ii) = Vsend*conj(current); current =(Vrec - Vsend) / tlimped + Vrec*( tlcond(ii) + tlsuscep(ii)*i )*0.5 ;

PQrec(ii) = Vrec*conj(current);

PQloss(ii) = PQsend(ii) + PQrec(ii); end

PQbus = zeros(1,nbb); for ii = 1: ntl

PQbus(tlsend(ii)) = PQbus(tlsend(ii)) + PQsend(ii);

PQbus(tlrec(ii)) = PQbus(tlrec(ii)) + PQrec(ii); end for ii = 1: nld jj = loadbus(ii); for kk = 1: ngn ll = genbus(kk); if jj == ll

PQbus(jj) = PQbus(jj) + ( PLOAD(ii) + QLOAD(ii)*i ); end end end

2 Chương trình chính tính phân bố công suất khi có thêm bộ UPFC

% *** 1.UPFCdata Chuong trinh tao bus UPFC = bus6 *** nbb=6; % dinh nghia nut UPFC la nut thu 6 bustype(6)=3; VM(6)=1; VA(6)=0; % cac thong so cua nut UPFC tlsend(6)=6; tlrec(6)=4; % UPFC duoc mac tren duong day 6-4 tlresis(6)=0.01; tlreac(6)=0.03; % cai dat thong so cho duong day tlcond(6)=0; tlsuscep(6)=0.02;

UPFCsend(1)=3; UPFCrec(1)=6; % UPFC duoc dat tai nut 3

Xcr(1)=0.1; Xvr(1)=0.1; % Xcr dien khang cuon nt

Vcr(1)=0.025; Tcr(1)=-76.5/57.3; % cai dat cac thong so ban dau cuon nt VcrLo(1)=0.001; VcrHi(1)=0.6; % pham vi dieu khien cuon nt

Vvr(1)=1; Tvr(1)=0.0; % cai dat cac thong so ban dau cuon ss

VvrLo(1)=0.9; VvrHi(1)=1.1; % pham vi dieu khien cuon ss

VvrSta(1)=1; % VvrSta=1 dieu khien theo VvrTar

% VvrSta=0 dieu khien theo VvrLo va VvrHi

VvrTar(1)=1.0; % gia tri dat dien ap bo nt cua UPFC

% End Chuong trinh tao bus UPFC

YBus(tlsend,tlrec,tlresis,tlreac,tlsuscep,tlcond,shbus,shresis,shreac,ntl ,nbb,nsh);

[VM,VA,it,Vcr,Tcr,Vvr,Tvr] =

UPFCNewtonRaphson(nmax,tol,itmax,ngn,nld,nbb,bustype,genbus,loadbus,PGEN,

QGEN,QMAX,QMIN,PLOAD,QLOAD,YR,YI,VM,VA,NUPFC,UPFCsend,UPFCrec,Xcr,Xvr,Flo w,Vcr,Tcr,VcrLo,VcrHi,Vvr,Tvr,VvrLo,VvrHi,VvrTar,VvrSta);

PQflows(nbb,ngn,ntl,nld,genbus,loadbus,tlsend,tlrec,tlresis,tlreac,tlcond ,tlsuscep,PLOAD,QLOAD,VM,VA);

[UPFC_PQsend,UPFC_PQrec,PQcr,PQvr] =

UPFCpowerPQ(nbb,VA,VM,NUPFC,UPFCsend,UPFCrec,Xcr,Xvr,Vcr,Tcr,Vvr,Tvr); it

Sources=[Vcr,Tcr*180/pi,Vvr,Tvr*180/pi] %Vcr: dien ap cuon nt; Vvr: dien ap cuon ss

% *** 3.Ham UPFCNewtonRaphson *** function [VM,VA,it,Vcr,Tcr,Vvr,Tvr] =

UPFCNewtonRaphson(nmax,tol,itmax, ngn,nld, nbb,bustype,genbus,loadbus,PGEN,QGEN,QMAX,QMIN,PLOAD,

QLOAD,YR,YI,VM,VA, NUPFC,UPFCsend,UPFCrec,Xcr,Xvr,Flow,

Vcr,Tcr,VcrLo,VcrHi,Vvr,Tvr,VvrLo,VvrHi,VvrTar,VvrSta); flag = 0; it = 1;

[PNET,QNET] = NetPowers(nbb,ngn,nld,genbus,loadbus,PGEN,QGEN,

PLOAD,QLOAD); while ( it < itmax & flag==0 )

[PCAL,QCAL] = TinhCS(nbb,VM,VA,YR,YI);

[PspQsend,PspQrec,PQcr,PQvr,PCAL,QCAL] = UPFCTinhCS

(nbb,VA, VM,NUPFC,UPFCsend,UPFCrec,Xcr,Xvr,Vcr,Tcr,Vvr,Tvr,PCAL,

[DPQ,DP,DQ,flag] = PowMis(nmax,nbb,tol,bustype,flag,PNET,QNET, PCAL,QCAL);

[DPQ,flag] = UPFCPowMis(flag,tol,nbb,DPQ,VM,VA,NUPFC,Flow,

Psp,PSta,Qsp,QSta,PspQsend,PspQrec,PQcr,PQvr); if flag == 1 break end

[JAC] = NRJ(nmax,nbb,bustype,PCAL,QCAL,VM,VA,YR,

[JAC] = UPFCJ(nbb,JAC,VM,VA,NUPFC,UPFCsend,UPFCrec,Xcr,

Xvr,Flow,PSta,QSta,Vcr,Tcr,Vvr,Tvr,VvrSta);

[VA,VM] = Updatesbien(nbb,D,VA,VM);

[VM,Vcr,Tcr,Vvr,Tvr] = UPFCUpdating(nbb,VM,D,NUPFC,UPFCsend,PSta, QSta,Vcr,Tcr,Vvr,Tvr,VvrTar,VvrSta);

[Vcr,Vvr] = UPFCLim(NUPFC,Vcr,VcrLo,VcrHi,Vvr,VvrLo,VvrHi); it = it + 1; end

% *** 4.Ham UPFCTinhCS *** function [UPFC_PQsend,UPFC_PQrec,PQcr,PQvr,PCAL,QCAL] = UPFCTinhCS(nbb,VA,VM,NUPFC,UPFCsend,UPFCrec,Xcr,Xvr,Vcr,Tcr,Vvr,Tvr,PCAL, QCAL); for ii = 1 : NUPFC

Bkk = - 1/Xcr(ii)-1/Xvr(ii);

Bvr = 1/Xvr(ii); for kk = 1 : 2

A1 = VA(UPFCsend(ii))-VA(UPFCrec(ii));

A2 = VA(UPFCsend(ii))-Tcr(ii);

A3 = VA(UPFCsend(ii))-Tvr(ii);

Pkm = VM(UPFCsend(ii))*VM(UPFCrec(ii))*Bmk*sin(A1);

Qkm = - VM(UPFCsend(ii))^2*Bkk -

VM(UPFCsend(ii))*VM(UPFCrec(ii))

Pvrk = VM(UPFCsend(ii))*Vvr(ii)*Bvr*sin(A3);

Qvrk = - VM(UPFCsend(ii))*Vvr(ii)*Bvr*cos(A3); if kk == 1

Pcrk = VM(UPFCsend(ii))*Vcr(ii)*Bmk*sin(A2);

Qcrk = - VM(UPFCsend(ii))*Vcr(ii)*Bmk*cos(A2);

UPFC_PQsend(ii) = Pk + Qk*i;

PCAL(UPFCsend(ii)) = PCAL(UPFCsend(ii)) + Pk;

QCAL(UPFCsend(ii)) = QCAL(UPFCsend(ii)) + Qk;

Pcr = Vcr(ii)*VM(UPFCsend(ii))*Bmk*sin(-A2);

Qcr = - Vcr(ii)^2*Bmm - Vcr(ii)*VM(UPFCsend(ii))*Bmk*cos(- A2);

Pvr = Vvr(ii)*VM(UPFCsend(ii))*Bvr*sin(-A3);

Qvr = Vvr(ii)^2*Bvr - Vvr(ii)*VM(UPFCsend(ii))*Bvr*cos(-A3); PQvr(ii) = Pvr + Qvr*i; else

Pcrk = VM(UPFCsend(ii))*Vcr(ii)*Bkk*sin(A2);

Qcrk = - VM(UPFCsend(ii))*Vcr(ii)*Bkk*cos(A2);

UPFC_PQrec(ii) = Pcal + Qcal*i;

PCAL(UPFCsend(ii)) = PCAL(UPFCsend(ii)) + Pcal;

QCAL(UPFCsend(ii)) = QCAL(UPFCsend(ii)) + Qcal;

Pcr = Pcr + Vcr(ii)*VM(UPFCsend(ii))*Bkk*sin(-A2);

Qcr = Qcr - VM(UPFCsend(ii))*Vcr(ii)*Bkk*cos(-A2);

PQcr(ii) = Pcr + Qcr*i; end send = UPFCsend(ii);

% *** 5.Ham UPFCPowMis function [DPQ,flag] = UPFCPowMis(flag,tol,nbb,DPQ,VM,VA,

NUPFC,Flow,Psp,PSta,Qsp,QSta,UPFC_PQsend,UPFC_PQrec,PQcr,PQvr); iii = 0; for ii = 1 : NUPFC index = 2*(nbb + ii) + iii; if PSta(ii) == 1 if Flow(ii) == 1

DPQ(index-1) = Psp(ii) - real(UPFC_PQsend(ii)); else

DPQ(index-1) = - Psp(ii) - real(UPFC_PQrec(ii)); end else

DPQ(index-1) = 0; end if QSta(ii) == 1 if Flow(ii) == 1

DPQ(index) = Qsp(ii) - imag(UPFC_PQrec(ii)); else

DPQ(index) = - Qsp(ii) - imag(UPFC_PQrec(ii)); end else

DPQ(index + 1) = - real(PQcr(ii) + PQvr(ii)); iii=iii+1; end if ( abs(DPQ) < tol ) flag = 1; end

%Function to add the UPFC elements to the Jacobian matrix

%Tinh cac phan tu cua UPFC va dua vao ma tran Jacobian mo rong function [JAC] = UPFCJ(nbb,JAC,VM,VA,NUPFC,UPFCsend,

UPFCrece,Xcr,Xvr,Flow,PSta,QSta,Vcr,Tcr,Vvr,Tvr,VvrSta); iii = 0; for ii = 1 : NUPFC indexQ=2*(nbb + ii) + iii; indexP=indexQ-1; indexL=indexQ + 1; if VvrSta(ii) == 1

Bmm = - 1/Xcr(ii)-1/Xvr(ii);

Bvr = 1/Xvr(ii); for kk = 1 : 2

A1 = VA(UPFCsend(ii))-VA(UPFCrece(ii));

A2 = VA(UPFCsend(ii))-Tcr(ii);

A3 = VA(UPFCsend(ii))-Tvr(ii);

Hkm = - VM(UPFCsend(ii))*VM(UPFCrece(ii))*Bmk*cos(A1);

Nkm = VM(UPFCsend(ii))*VM(UPFCrece(ii))*Bmk*sin(A1);

% Computation of Shunt Converters Terms

Hvr = -VM(UPFCsend(ii))*Vvr(ii)*Bvr*cos(A3);

Nvr = VM(UPFCsend(ii))*Vvr(ii)*Bvr*sin(A3);

% Computation of Series Converters Terms if kk == 1

Hcr = - VM(UPFCsend(ii))*Vcr(ii)*Bmk*cos(A2);

Ncr = VM(UPFCsend(ii))*Vcr(ii)*Bmk*sin(A2); else

Hcr = - VM(UPFCsend(ii))*Vcr(ii)*Bkk*cos(A2);

Ncr = VM(UPFCsend(ii))*Vcr(ii)*Bkk*sin(A2); end if kk == 1

JAC(2*UPFCsend(ii)-1,2*UPFCsend(ii)-1) = JAC(2*UPFCsend (ii)-1, 2*UPFCsend(ii)-1) - VM(UPFCsend(ii))^2*Bmm; if VvrSta(ii) == 1

JAC(2*UPFCsend(ii)-1,2*UPFCsend(ii)) = Nvr;

JAC(2*UPFCsend(ii),2*UPFCsend(ii)) = Hvr; else

JAC(2*UPFCsend(ii)-1,2*UPFCsend(ii)) = JAC(2*UPFCsend(ii)-1,

JAC(2*UPFCsend(ii),2*UPFCsend(ii)) = JAC(2*UPFCsend (ii),2*UPFCsend(ii)) - Hkm + Hvr + 2*VM(UPFCsend(ii))^2*Bmk; end

JAC(2*UPFCsend(ii)-1,indexL) = Hvr;

JAC(2*UPFCsend(ii),indexL) = - Nvr; else

JAC(2*UPFCsend(ii)-1,2*UPFCsend(ii)-1) = JAC(2*UPFCsend (ii)-1,2*UPFCsend(ii)-1) + VM(UPFCsend(ii))^2*Bmk;

JAC(2*UPFCsend(ii),2*UPFCsend(ii)) = JAC(2*UPFCsend(ii), 2*UPFCsend(ii)) + VM(UPFCsend(ii))^2*Bmk;

JAC(2*UPFCsend(ii),indexL) = 0.0; end

JAC(2*UPFCsend(ii)-1,2*UPFCrece(ii)-1) = JAC(2*UPFCsend(ii)-1, 2*UPFCrece(ii)-1) + Hkm;

JAC(2*UPFCsend(ii),2*UPFCrece(ii)-1) = JAC(2*UPFCsend(ii), 2*UPFCrece(ii)-1) - Nkm; if VvrSta(ii) == 1 & kk == 2

JAC(2*UPFCsend(ii)-1,2*UPFCrece(ii)) = 0.0;

JAC(2*UPFCsend(ii),2*UPFCrece(ii)) = 0.0; else

JAC(2*UPFCsend(ii)-1,2*UPFCrece(ii)) = JAC(2*UPFCsend(ii)- 1,

JAC(2*UPFCsend(ii),2*UPFCrece(ii)) = JAC(2*UPFCsend(ii), 2*UPFCrece(ii)) + Hkm; end

% Computation of Active Power Controlled Jacobian’s Terms if PSta(ii) == 1 if (Flow(ii) == 1 & kk == 1) | (Flow(ii) == -1 & kk == 2) if kk == 1

JAC(indexP, 2*UPFCsend(ii)-1) = - Hkm - Hcr - Hvr; JAC(indexP, 2*UPFCsend(ii)) = - Nkm + Ncr;

JAC(indexP, 2*UPFCrece(ii)-1) = - Hkm; if VvrSta(ii) == 1

JAC(indexP, 2*UPFCrece(ii)) = 0.0; else

JAC(indexP, 2*UPFCrece(ii)) = Nkm; end

JAC(indexP, indexP) = Hcr; if QSta(ii) == 1

JAC(indexP, indexQ) = Ncr; else

JAC(indexP, indexQ) = 0.0; end else

JAC(indexP, 2*UPFCsend(ii)-1) = - Hkm - Hcr;

JAC(indexP, 2*UPFCsend(ii)) = Nkm + Ncr;

JAC(indexP, 2*UPFCrece(ii)-1) = Hkm; if VvrSta(ii) == 1

JAC(indexP, 2*UPFCrece(ii)) = 0.0; else

JAC(indexP, 2*UPFCrece(ii)) = Nkm; end

JAC(indexP, indexP) = Hcr; if QSta(ii) == 1

JAC(indexP, indexQ) = Ncr; else

JAC(indexP, indexL) = 0.0; end end

JAC(2*UPFCsend(ii)-1, indexP) = + Hcr;

JAC(2*UPFCsend(ii), indexP) = - Ncr; else

% Computation of Rective Power Controlled Jacobian’s Terms if QSta(ii) == 1 if (Flow(ii) == 1 & kk == 1) | (Flow(ii) == -1 & kk == 2) if kk == 1

JAC(indexQ, 2*UPFCsend(ii)-1) = - Nkm + Ncr;

JAC(indexQ, 2*UPFCsend(ii)) = - 2*VM(UPFCsend(ii))^2*Bmm -

JAC(indexQ, 2*UPFCrece(ii)-1) = Nkm;

JAC(indexQ, indexQ) = Hcr; if VvrSta(ii) == 1

JAC(indexQ, 2*UPFCrece(ii)) = 0.0; else

JAC(indexQ, 2*UPFCrece(ii)) = Hkm; end if PSta(ii) == 1

JAC(indexQ, indexP) = - Ncr; else

JAC(indexQ, indexP) = 0.0; end else

JAC(indexQ, 2*UPFCsend(ii)-1) = Nkm + Ncr;

JAC(indexQ, 2*UPFCsend(ii)) = - 2*VM(UPFCsend(ii))

JAC(indexQ, 2*UPFCrece(ii)-1) = - Nkm;

JAC(indexQ, indexQ) = Hcr; if VvrSta(ii) == 1

JAC(indexQ, 2*UPFCrece(ii)) = 0.0; else

JAC(indexQ, 2*UPFCrece(ii)) = Hkm; end if PSta(ii) == 1

JAC(indexQ, indexP) = - Ncr; else

JAC(indexQ, indexP) = 0.0; end end end

JAC(2*UPFCsend(ii)-1, indexQ) = Ncr;

JAC(2*UPFCsend(ii), indexQ) = Hcr; else

JAC(indexQ, indexQ) = 1.0; end temp = UPFCsend(ii);

A1 = Tcr(ii) - VA(UPFCsend(ii));

A2 = Tcr(ii) - VA(UPFCrece(ii));

A3 = Tvr(ii) - VA(UPFCsend(ii));

Hcrk = - Vcr(ii)*VM(UPFCsend(ii))*Bmk*cos(A1);

Ncrk = Vcr(ii)*VM(UPFCsend(ii))*Bmk*sin(A1);

Hcrm = Vcr(ii)*VM(UPFCrece(ii))*Bmk*cos(A2);

Ncrm = - Vcr(ii)*VM(UPFCrece(ii))*Bmk*sin(A2);

Hvrk = - Vvr(ii)*VM(UPFCsend(ii))*Bvr*cos(A3);

Nvrk = Vvr(ii)*VM(UPFCsend(ii))*Bvr*sin(A3);

JAC(indexL, 2*UPFCsend(ii)-1) = Hcrk + Hvrk; if VvrSta == 1

JAC(indexL, 2*UPFCsend(ii)) = Nvrk; else

JAC(indexL, 2*UPFCsend(ii)) = Nvrk + Ncrk; end

JAC(indexL, 2*UPFCrece(ii)-1) = Hcrm;

JAC(indexL, 2*UPFCrece(ii)) = Ncrm;

JAC(indexL, indexL) = - Hvrk; if PSta == 1

JAC(indexL, indexP) = - Hcrk - Hcrm; else

JAC(indexL, indexP) = 0.0; end if QSta == 1

JAC(indexL, indexQ) = Ncrk + Ncrm; else

JAC(indexL, indexP) = 0.0; end iii = iii + 1; end

%*** 7 Ham UPFCUpdating *** function [VM,Vcr,Tcr,Vvr,Tvr] = UPFCUpdating(nbb,VM,D,NUPFC,

UPFCsend,PSta, QSta,Vcr,Tcr,Vvr,Tvr,VvrTar,VvrSta); iii = 0; for ii = 1 : NUPFC indexQ=2*(nbb + ii) + iii; indexP=indexQ-1; indexL=indexQ + 1; if PSta(ii) == 1

Tcr(ii) = Tcr(ii) + D(indexP); end if QSta(ii) == 1

Vcr(ii) = Vcr(ii) + D(indexQ)*Vcr(ii); end if VvrSta(ii) == 1

Vvr(ii) = Vvr(ii) + D(2*UPFCsend(ii),1)*Vvr(ii);

VM(UPFCsend(ii)) = VvrTar(ii); end

Tvr(ii) = Tvr(ii) + D(indexL); iii = iii +1; end

%Function to check the voltage sources limits in the UPFC function [Vcr,Vvr] = UPFCLim(NUPFC,Vcr,VcrLo,VcrHi,Vvr,VvrLo,

% Check Magnitude Voltage Limits if abs(Vcr(ii)) < VcrLo(ii) | abs(Vcr(ii)) > VcrHi(ii) if abs(Vcr(ii)) < VcrLo(ii)

Vcr(ii) = VcrLo(ii); elseif abs(Vcr(ii)) > VcrHi(ii)

Vcr(ii) = VcrHi(ii); end end if abs(Vvr(ii)) < VvrLo(ii) | abs(Vvr(ii)) > VvrHi(ii) if abs(Vvr(ii)) < VvrLo(ii)

Vvr(ii) = VvrLo(ii); elseif abs(Vvr(ii)) > VvrHi(ii)

Vvr(ii) = VvrHi(ii); end end end

% *** 9.Ham UPFCPower *** function [UPFC_PQsend,UPFC_PQrec,PQcr,PQvr] = UPFCpower(nbb,

VA,VM, NUPFC,UPFCsend,UPFCrec,Xcr,Xvr,Vcr,Tcr,Vvr,Tvr); for ii = 1 : NUPFC

Bkk = - 1/Xcr(ii)-1/Xvr(ii);

Bvr = 1/Xvr(ii); for kk = 1 : 2

A1 = VA(UPFCsend(ii))-VA(UPFCrec(ii));

A2 = VA(UPFCsend(ii))-Tcr(ii);

A3 = VA(UPFCsend(ii))-Tvr(ii);

Pkm = VM(UPFCsend(ii))*VM(UPFCrec(ii))*Bmk*sin(A1);

Qkm = - VM(UPFCsend(ii))^2*Bkk - VM(UPFCsend(ii))

*VM(UPFCrec(ii))*Bmk*cos(A1);

Pvrk = VM(UPFCsend(ii))*Vvr(ii)*Bvr*sin(A3);

Qvrk = - VM(UPFCsend(ii))*Vvr(ii)*Bvr*cos(A3); if kk == 1

Pcrk = VM(UPFCsend(ii))*Vcr(ii)*Bmk*sin(A2);

Qcrk = - VM(UPFCsend(ii))*Vcr(ii)*Bmk*cos(A2);

UPFC_PQsend(ii) = Pk + Qk*i;

Pcr = Vcr(ii)*VM(UPFCsend(ii))*Bmk*sin(-A2);

Qcr = - Vcr(ii)^2*Bmm - Vcr(ii)*VM(UPFCsend(ii))*Bmk*cos(-A2);

Pvr = Vvr(ii)*VM(UPFCsend(ii))*Bvr*sin(-A3);

Qvr = Vvr(ii)^2*Bvr - Vvr(ii)*VM(UPFCsend(ii))*Bvr*cos(-A3);

PQvr(ii) = Pvr + Qvr*i; else

Pcrk = VM(UPFCsend(ii))*Vcr(ii)*Bkk*sin(A2);

Qcrk = - VM(UPFCsend(ii))*Vcr(ii)*Bkk*cos(A2);

UPFC_PQrec(ii) = Pcal + Qcal*i;

Pcr = Pcr + Vcr(ii)*VM(UPFCsend(ii))*Bkk*sin(-A2);

Qcr = Qcr - VM(UPFCsend(ii))*Vcr(ii)*Bkk*cos(-A2);

PQcr(ii) = Pcr + Qcr*i; end send = UPFCsend(ii);