XÁC ĐỊNH vị TRÍ và DUNG LƯỢNG hợp lý của TCSC để CHỐNG NGHẼN MẠCH TRÊN ĐƯỜNG dây TRUYỀN tải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCMTÔ VĂN TRỰC XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG HỢP LÝ CỦA TCSC ĐỂ CHỐNG NGHẼN MẠCH TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ CH

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM

TÔ VĂN TRỰC

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG HỢP

LÝ CỦA TCSC ĐỂ CHỐNG NGHẼN MẠCH TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

MÃ SỐ : 60 52 50

TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2012

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM

-TÔ VĂN TRỰC

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG HỢP

LÝ CỦA TCSC ĐỂ CHỐNG NGHẼN MẠCH TRÊN ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

MÃ SỐ : 60 52 50 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRƯƠNG VIỆT ANH

TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2012

Trang 3

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM

TS Nguyễn Viễn Quốc

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ

TP HCM ngày 14 tháng 07 năm 2012

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 TS Nguyễn Thanh Phương

Uỷ Viên Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.

Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn Khoa quản lý chuyên ngành

Trang 4

TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP HCM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng… năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Tô Văn Trực

Ngày, tháng, năm sinh: 10/11/1974

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

Xác định vị trí và dung lượng hợp lý của TCSC để chống nghẽn

mạch trên đường dây truyền tải.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Xác định vị trí và dung lượng hợp lý của TCSC để chống nghẽn mạch trênđường dây truyền tải

Xây dựng giải thuật xác định mặt cắt tối thiểu trên graph của hệ thống điện.Xây dựng giải thuật xác định vị trí và dung lượng TCSC trên lưới điện

Ứng dụng thực tế và so sánh với một số công trình nghiên cứu về OPF

III

IV

V

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

TS Trương Việt Anh

Khoa quản lý chuyên ngành

Trang 5

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng luận văn với nội dung “Xác định vị trí và

dung lượng hợp lý của TCSC để chống nghẽn mạch trên đường dây truyền tải” là công trình nghiên cứu của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn của

TS Trương Việt Anh

Các số liệu, kết quả mô phỏng nêu trong luận văn là trung thực, cónguồn trích dẫn và chưa được công bố trong các công trình nghiên cứu khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2012

Người thực hiện luận văn

Tô Văn Trực

Trang 6

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ đúng thời hạn, bên cạnh sự

cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý thầy cô,cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và bạn bè trong suốt quá trìnhhọc tập nghiên cứu và thực hiện luận văn

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Trương

Việt Anh và gia đình đã hết lòng giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi

hoàn thành luận văn này

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý thầy cô

Trường Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ thành phố Hồ Chí Minh đã

tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiệnthuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập nghiên cứu tại trường

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người đãkhông ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trongsuốt thời gian học tập và thực hiện luận văn

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến các anh chị và các bạnđồng nghiệp đã hỗ trợ cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu vàthực hiện luận văn một cách hoàn chỉnh

Tp Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2012

Người thực hiện luận văn

Tô Văn Trực

Trang 7

TÓM TẮT

Những hệ thống điện hiện hữu luôn tồn tại các nhánh xung yếu nhất

có khả năng dẫn đến quá tải thường xuyên Khi mạng lưới truyền tải điện

bị nghẽn mạch đó là một trong những nguyên nhân đẩy giá thành sản xuất

và bán điện tăng cao Bằng nhiều giải pháp, các nhà cung cấp điện luôntìm cách giảm chi phí sản xuất điện năng khi bị sự cố quá tải về gần vớichi phí lúc bình thường Một trong những giải pháp được đề cập trong nộidung nghiên cứu “ Xác định vị trí và dung lượng hợp lý của TCSC đểchống nghẽn mạch trên đường dây truyền tải ” là ứng dụng tính hiệu quảcủa TCSC trong điều khiển dòng công suất trên lưới để chống quá tải Đểgiải quyết bài toán đặt ra, nội dung nghiên cứu được trình bày trong sáuchương

Nghiên cứu lý thuyết mặt cắt tối thiểu, ứng dụng giải thuật max-flow

và Powerworld để xác định tập hợp những nhánh yếu nhất của hệ thốngđiện mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới cho bài toán chống quá tải Nộidung nghiên cứu cũng chỉ ra rằng: vấn đề trọng tâm của bài toán chốngquá tải là làm sao xác định được điểm thường xuyên bị quá tải và xácđịnh vị trí, dung lượng hợp lý đặt TCSC để chống nghẽn mạch hiệu quảtrên hệ thống điện

Tính hiệu quả và khả năng ứng dụng của giải pháp đã đề xuất đượckiểm chứng trên các hệ thống điện ba nút, bảy nút, mười bốn nút củaIEEE và lưới điện đồng bằng Sông Cửu Long 9 nút Những kết quả rút ra

từ các lưới điện trên cho thấy khả năng khoanh vùng, tìm kiếm tập hợpnhánh xung yếu nhất, xác định vị trí và dung lượng của TCSC trong hệthống điện nhanh chóng, chính xác, hiệu quả đem lại lợi ích kinh tế caotrong truyền tải hệ thống điện

Trang 8

The existing electrical systems always existing the weakest

branches can lead to overload regularly When the power transmissionnetwork will be congestion, that is the reason of price of electricity

production and of selling electricity to rise In many solutions, the powersuppliers always look for ways to reduce production costs at powerproblems same to at normal One of the solutions mentioned in the

contents of this research is an effective application of TCSC (ThyristorControlled Seriers Capacitor) to control of power flow on the grid toagainst overload To solve this problem, content of the research is

presented in six chapters

Research of minimun cut-set theory, Powerworld and max-flowalgorithms application to determine the set of the electrical system'sweakest branches opens many new ways of research against overload.The content of the research also indicates that: the key matter of theeffectively anti-overload problem is how to discover the frequentlyoverload points and to specify the suitable location and capacity to putTCSC

The effectiveness and applibility of the solutions proposed wereverified on the power system with three buses, seven ones and fourteenones of IEEE and the electricity network with nine ones of Mekong RiverDelta The results drawn from the above networks are that the ability tolocalize, to search the set of the weakest branches of power system, and

to specify the suitable location and capacity of TCSC in the power systemquickly, exactly and effectively brings high economic profic in the

transmission of the electricity system

Trang 9

MỤC LỤC

Lời cam đoan iv

Lời cảm ơn v

Tóm tắt vi

Abstract vii

Chương 1: Giới thiệu 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 2

1.3 Phạm vi nghiên cứu 3

1.4 Các bước tiến hành 3

1.5 Điểm mới của luận văn 3

1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn 3

1.7 Nội dung của luận văn 3

1.8 Tài liệu tham khảo 4

Chương 2: Tổng quan 5

2.1 Nâng cao khả năng truyền tải của hệ thống điện 5

2.2 Các công trình nghiên cứu trước đây 7

2.2.1 Điều độ kế hoạch nguồn phát điện 7

2.2.2 Điều độ tải 8

2.2.3 Mở rộng đường dây truyền tải 9

2.3 Các loại thiết bị Facts 11

2.3.1 SVC (Static Var Compensator) 11

2.3.2 STATCOM (Static Synchronous Compensator) 13

2.3.3 UPFC (Unified Power Flow Controlled) 15

2.3.4 TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) 15

2.4 Đề xuất phương án sử dụng TCSC 18

Trang 10

2.4.1 Giải quyết để hết quá tải khi tăng tải 18

2.4.2 Nhận xét 21

2.5 Nhận xét và đề xuất sử dụng mặt cắt tối thiểu 22

2.5.1 Nhận xét 22

2.5.2 Đề xuất sử dụng mặt cắt tối thiểu 24

2.5.2.1 Giới thiệu 24

2.5.2.2 Lý thuyết về mặt cắt tối thiểu dòng công suất cực đại 26

2.6 Ứng dụng trong hệ thống điện 27

2.7 Nhận xét chung 32

Chương 3: Cơ sở lý thuyết 33

3.1 Bài toán nâng cao khả năng tải dùng TCSC 33

3.2 Phân bố công suất tối ưu giữa các nhà máy điện 34

3.3 Sử dụng thuật toán Min-cut để xác định những nhánh ứng viên đặt TCSC 37

3.4 Xác định nhánh đặt TCSC để giảm giá thành TCSC 41

3.5 Phát biểu luật đặt TCSC 42

3.6 Lưu đồ xác định vị trí và dung lượng TCSC 43

Chương 4: Mô phỏng ứng dụng 44

4.1 Sơ đồ lưới điện 3 thanh cái 44

4.2 Sơ đồ lưới điện 7 thanh cái 55

4.3 Khảo sát lưới điện 14 thanh cái 71

Chương 5: Khảo sát trên hệ thống điện Việt Nam 72

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài 105

6.1 Kết luận 105

6.2 Hướng phát triển đề tài 106

Tài liệu tham khảo 108

Phụ lục 110

Trang 11

4 Bảng 4.1a: Hoạt động của phụ tải tại các nút 58

5 Bảng 4.1b: Kết quả phân bố máy phát theo hoạt động

của tải mạch 7 bus 59

Danh sách các từ viết tắt

FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System): hệ thống

truyền tải điện xoay chiều

TCSC : Thyristor Controlled Series Capacitor

OPF: Open Packaging Format

STATCOM (Static Synchronous Compensator) : bộ bù đồng bộ tĩnh

SVC (Static Var Compensator) : bộ bù công suất phản kháng

UPFC (Unified Power Flow Controller): bộ điều khiển dòng chảy công suất.HTĐ : Hệ Thống điện

MAX FLOW: Dòng công suất cực đại

Min-cut: Lát cắt cực tiểu

ĐBSCL: Đồng bằng Sông Cửu Long

Danh mục các bảng

Trang 12

6 Bảng 4.1c: So sánh góc lệch pha nhánh 1-2 và nhánh

7 Bảng 4.2: Giả sử hoạt động của phụ tải cho một ngàylàm việc được tính theo thời gian trong một

ngày đêm (24 giờ)

63

8 Bảng 4.3: Kết quả chi phí khi chưa điều độ máy phát

9 Bảng 4.4: Kết quả chi phí khi điều độ máy phát điện 66

10 Bảng 4.5: Kết quả chi phí và thời gian hoàn vốn 70

11 Bảng 4.6: Giá trị XTCSC và tỷ lệ giảm công suất quá

tải trên lưới điện 14 nút 71

15 Bảng 4.8: Phụ tải tiêu thụ trong 24 giờ 80

17 Bảng 4.10: Kết quả chi phí khi điều độ máy phát điện 82

19 Bảng 4.12: Giá trị XTCSC và tỷ lệ giảm công suất

quá tải trên lưới điện 14 nút 88

của tải mạch 9 bus 95

Trang 13

STT Tên các biểu đồ, hình ảnh Trang

Bảng 5.2: Giả sử hoạt động của phụ tải cho một ngày

làm việc được tính theo thời gian trong mộtngày đêm (24 giờ)

98

25 Bảng 5.4a: Kết quả chi phí khi điều độ máy phát điện 100

26 Bảng 5.4b: Kết quả chi phí khi điều độ máy phát điện 101

28 Bảng 5.6: Giá trị XTCSC và tỷ lệ giảm công suất quá

tải trên lưới điện 14 nút 104

Danh sách các biểu đồ, hình ảnh.

Trang 14

9 Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý điều khiển của UPFC 15

10 Hình 2.9: Sơ đồ cấu tạo của TCSC 16

11 Hình 2.10: Mô hình đường dây truyền tải có lắp đặt

13 Hình 2.12: Chi phí đầu tư vận hành theo công suất bù 23

14 Hình 2.13: Mối quan hệ giữa nguồn và tải 25

15 Hình 2.14: Sơ đồ mạng với nguồn phát (s), tải thu (t)

và hai nút trung gian

26

16 Hình 2.15: Mô hình hoá mạng với một số lát cắt tiêu

biểu

27

17 Hình 2.16: Mô hình hệ thống điện đơn giản 28

18 Hình 2.17: Mô hình hoá sơ đồ mạng điện truyền tải 2

21 Hình 3.2: Công suất phát của các nhà máy 35

22 Hình 3.3: Tập hợp nhánh xung yếu tìm được từ

chương trình max-flow 38

23 Hình 3.4: Lưu đồ giải thuật xác định luồng công suất

cực đại

40

24 Hình 3.5: Lưu đồ xác định vị trí, dung lượng TCSC

và công suất nhà máy điện 46

Trang 15

25 Hình 4.1: Sơ đồ lưới điện 3 thanh cái 47

26 Hình 4.2: Dữ liệu nhập vào chương trình tính

max-flow cho sơ đồ mô hình hoá 48

27 Hình 4.3: Danh sách các đường cắt yếu nhất sau khi

32 Hình 4.8 Danh sách lát cắt khi tăng tải tại thanh cái 2 53

33 Hình 4.9: Thông số nhập vào khi tăng tải 2 lên 40%

36 Hình 4.12: Sơ đồ lưới điện 7 nút 56

37 Hình 4.13: Mô hình hoá lưới điện 7 nút trên max-flow 57

38 Hình 4.14: Danh sách lát cắt của lưới điện 7 nút trên

Trang 16

41 Hình 4.17: Phân bố công suất bằng Powerworld ( tải

120% công suất) 62

42 Hình 4.18: Phụ tải một ngày làm việc 64

43 Hình 4.19: Phân bố công suất bằng Powerworld khilắp TCSC trên nhánh 1-3 (tải 100%

46 Hình 4.22: Điểm hoàn vốn khi lắp TCSC 70

48 Hình 4.24: Dữ liệu nhập vào chương trình max-flow

đối với lưới điện 14 nút 74

49 Hình 4.25: Danh sách lát cắt của lưới điện14 nút trên

54 Hình 4.30: Phân bố công suất bằng Powerworld khilắp TCSC trên nhánh 1-5 (tải 100% công

suất)

84

Trang 17

suất)

8556

Hình 4.32: Phân bố công suất bằng Powerworld khi

lắp TCSC trên nhánh 1-5 ( tải 120% côngsuất)

86

59 Hình 5.2: Mô hình hoá lưới điện 9 nút trên max-flow 92

60 Hình 5.3a: Danh sách lát cắt của lưới điện 9 nút trên

suất)

100

66 Hình 5.8: Phân bố công suất bằng Powerworld khi lắp

TCSC trên nhánh 2-8 (tải 105% công suất) 102

Trang 18

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề

Đất nước ngày một phát triển, các nguồn tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt không

đủ đáp ứng nhu cầu về năng lượng điện ngày một tăng trong lĩnh vực sản xuất côngnghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt Trong quá trình tìm kiếm những nguồn nănglượng mới thay thế thì việc quy hoạch và sử dụng hợp lý các nguồn năng lượngđiện sẵn có cũng là vấn đề quan tâm hàng đầu của ngành điện Do đó việc ứngdụng khoa học kỹ thuật chuyên ngành vào quản lý, vận hành hệ thống điện sao chotổng chi phí sản xuất, truyền tải điện thấp nhất để giá thành tới người sử dụng điệnnhỏ nhất Điều này là hợp lý trong sản xuất và tiêu thụ khi hình thành một thị

trường điện

Trong quá trình chuyển sang thị trường điện thì vấn đề quá tải đường dây làkhông thể tránh khỏi và làm ảnh hưởng đến sự ổn định và độ tin cậy của hệ thốngđiện Điều khiển quá tải đường dây là chức năng quan trọng để đảm bảo hệ thốngtruyền tải không bị vi phạm bất kỳ các ràng buộc vận hành nào Các ràng buộc cóthể là các giới hạn nhiệt, giới hạn điện áp và ổn định Bất kể khi nào các ràng buộcvận hành trong lưới truyền tải bị vi phạm thì hệ thống được coi là đang ở trạng tháiquá tải [1]

Các giải pháp được đưa ra để chống quá tải và nâng cao khả năng truyền tải trênđường dây có thể là các giải pháp như điều độ nguồn phát điện, cắt giảm tải, xâydựng đường dây truyền tải, bù công suất phản kháng để giảm nghẽn mạch Nếu điều

độ nguồn phát điện lên lưới chống quá tải thì sẽ làm tăng chi phí sản xuất điện màđiều đó sẽ không có lợi cho khách hàng tiêu thụ Nếu cắt giảm tải được đưa ra thì sẽlàm ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất công nghiệp và sinh hoạt, không tạo ra sảnphẩm phát triển kinh tế Nếu mở rộng xây dựng đường dây truyền tải được đưa rathì tốn nhiều thời gian, chi phí mở rộng xây dựng đường dây truyền tải rất lớn Nhưvậy giải pháp bù công suất phản kháng sử dụng thiết bị FACTS điều khiển dòngcông suất trên đường dây còn được biết đến như biện pháp chống nghẽn mạch, giảm

Trang 19

cắt điện, tăng độ tin cậy truyền tải cho khách hàng, giảm chi phí sản xuất điện năng,đảm bảo lợi ích kinh tế, đồng thời tránh được tình trạng đầu cơ tăng giá điện khi có

sự cố nghẽn mạch trên đường dây [2] Trong đó TCSC là một trong các thiết bịFACTS mắc nối tiếp có khả năng trực tiếp điều khiển dòng công suất và nâng caokhả năng tải trên đường dây

Do đó các công trình nghiên cứu trước đây cũng đã đưa ra nhiều giải pháp đểxác định vị trí đặt TCSC trên mạng điện bằng các giải pháp như sử dụng thuật toán

di truyền nhằm xác định được vị trí tối ưu và giải pháp xác định dựa vào đánh giá

độ nhạy hệ thống… Các phương pháp này thường rắc rối, phức tạp và phải mấtnhiều thời gian để chạy phân bố công suất mới tìm được vị trí tối ưu nhất

Qua các kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây đã đạt được, đề tài

“Xác định vị trí và dung lượng hợp lý của TCSC để chống nghẽn mạch trên

đường dây truyền tải” với mục đích xây dựng giải thuật xác định vị trí tối ưu của

TCSC bằng phương pháp mặt cắt tối thiểu, để nâng cao khả năng truyền tải từ đógiảm được chi phí sản xuất điện năng và hạn chế nhược điểm của các công trìnhnghiên cứu trước đây

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

Trang 20

- Sử dụng TCSC để điều khiển phân bố dòng công suất trên lưới điện.

- Nghiên cứu phương pháp xác định vị trí bù tối ưu của TCSC trên lưới điệntruyền tải

- Ứng dụng thuật toán cho bài toán cụ thể

- Giải tích và mô phỏng toán học dùng phần mềm Powerworld

Điểm mới của luận văn

- Xây dựng thuật toán tìm luồng công suất cực đại

- Xây dựng thuật toán để xác định vị trí hợp lý của TCSC trên lưới để nângcao khả năng truyền tải

Giá trị thực tiễn của luận văn

- Ứng dụng cho các mô hình hay lưới điện bất kỳ

- Ứng dụng cho các mạch IEEE mẫu trong các bài báo và mạng lưới điện miềnnam Việt Nam (lưới điện đồng bằng sông Cửu Long)

- Sử dụng làm tài liệu tham khảo khi vận hành lưới điện với thiết bị FACTS

- Sử dụng làm tài liệu tham khảo cho bài giảng môn học cung cấp điện

Nội dung của luận văn

Nội dung của luận văn gồm 6 chương:

- Chương 1: Giới thiệu

- Chương 2: Tổng quan

- Chương 3: Cơ sở lý thuyết

- Chương 4: Mô phỏng ứng dụng

Trang 21

- Chương 5: Khảo sát trên hệ thống điện Việt Nam

- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

1.8 Tài liệu tham khảo

Trang 22

C G C i gi )

2

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1 Nâng cao khả năng truyền tải của hệ thống điện

Trong quá trình vận hành hệ thống điện trong thị trường điện, chi phí của tổmáy phát thứ i trong nhà máy điện là:

C i (P gi ) 0i P gi1i P gi 2i

Pgi: công suất phát của tổ máy thứ i

0i,1i,2i: Hệ số chi phí của máy phát i

Do đó tổng chi phí của các nhà máy phát điện được tính theo biểu thức:

Trang 23

C2  C i gi' ) C1 Khi chi phí sản xuất điện năng tăng cao thì giá bán điện đến hộ

Giả sử giá trị chi phí phát điện tối thiểu là C1 thì lượng công suất phát của cácnhà máy điện và phụ tải có sự cân bằng theo biểu thức:

n

 P Gi

PGi: công suất phát của các nhà máy

PD: công suất của các phụ tải

Khi có sự gia tăng phụ tải vượt quá độ dự trữ cho phép của hệ thống dẫn đếnđường dây nghẽn mạch trên một số tuyến đường dây của mạng điện Nghĩa là khiphụ tải điện thay đổi tăng lên một lượngPL thì theo biểu thức (2.4), để giải quyết

sự cố nghẽn mạch trên hệ thống truyền tải điện cần thay đổi công suất phát của các

tổ máy trong các nhà máy điện một lượng làPgi Như vậy chi phí cho sản xuất ramột đơn vị điện năng trong trường hợp này theo biểu thức (2.3) sẽ là

(P

tiêu thụ cũng tăng theo Điều này gây bất lợi cho nhà cung cấp trong việc gia tăngdoanh số bán hàng trên thị trường cũng như những nỗ lực cạnh tranh thị phần.Bài toán phân bố công suất tác dụng giữa các nhà máy điện để cực tiểu chi phísản xuất (C1) Tuy nhiên bài toán này gặp khó khăn vì gặp giới hạn của các đườngdây tải điện nên phải thay đổi công suất phát giữa các nhà máy điện để các đườngdây không còn quá tải Điều này làm cho chi phí tăng cao (C2) làm cho C1 < C2

Để giảm chi phí phát điện từ C2 C1 có thể nâng cao khả năng tải của hệthống Nếu không phải tất cả các đường dây truyền tải (tạo thành mạch các vòng) bịquá tải hoàn toàn bằng cách thay đổi góc pha giữa nút, các tổng trở các nhánh đểcông suất truyền tải phân chia qua các tuyến dây chưa bị quá tải

Ngành công nghệ điện tử với công suất hiện nay, việc sản suất các thiết bịFACTS có thể thực hiện được Tuy nhiên, việc xác định chính xác vị trí đặt thiết bị

Trang 24

hết sức khó khăn vì phải xác định được những nhánh thường xuyên bị quá tải mớiđem lại hiệu quả của việc đặt thiết bị FACTS.

Số lượng thiết bị và công suất thiết bị đòi hỏi phải giải bài toán cực đại lợinhuận giữa chi phí thiết bị và việc giảm chi phí sản suất điện năng

Những phân tích trên đây cho thấy: khi có sự thay đổi phụ tải hay sự cố hệthống điện sẽ dẫn tới giá bán điện trên thị trường tăng lên do chi phí sản xuất điệntăng Cho dù vận hành lưới điện ở bất kỳ trạng thái nào thì các nhà máy sản xuấtđiện luôn tìm cách đưa các chi phí C2 trở về gần với trạng thái ban đầu nhất:

C2C1

2.2 Các công trình nghiên cứu trước đây

2.2.1 Điều độ kế hoạch nguồn phát điện

Phân bố công suất tối ưu (OPF) là kỹ thuật quan trọng nhất để đạt được các môhình phát điện chi phí nhỏ nhất trong một hệ thống điện với các điều kiện ràng buộctruyền tải và vận hành có sẵn Vai trò của trung tâm vận hành hệ thống độc lập(ISO) trong thị trường cạnh tranh là điều độ điện năng đáp ứng hợp đồng giữa cácbên tham gia thị trường Với xu hướng ngày càng tăng số lượng các hợp đồng songphương được ký kết cho các giao dịch thị trường điện thì khả năng thiếu các nguồncung cấp sẽ dẫn tới nghẽn mạch mạng là không thể tránh khỏi Trong trường hợpnày, quản lý nghẽn mạch (với cơ chế OPF) trở thành một bài toán quan trọng.Nghẽn mạch truyền tải theo thời gian thực được định nghĩa là điều kiện vận hành

mà ở đó không đủ khả năng truyền tải để thực hiện cùng lúc tất cả các giao dịch doxảy ra tình trạng khẩn cấp không mong muốn Để giảm nghẽn mạch truyền tải bằngcách đưa các ràng buộc khả năng truyền tải vào trong quá trình điều độ và lập kếhoạch Điều này bao gồm tái điều phối nguồn phát hoặc cắt giảm tải Trong tài liệunày, tác giả đã thành lập bài toán OPF với mục tiêu là cực tiểu lượng công suất tácdụng (MW) khi điều chỉnh lại kế hoạch Theo cơ chế này, chúng ta cũng xem xét sựđiều phối các hợp đồng song phương trong trường hợp nghẽn mạch nặng nề mặc dù

Trang 25

biết rằng bất cứ sự thay đổi nào trong một hợp đồng song phương là tương ứng với

sự thay đổi công suất bơm vào ở cả các nút người mua lẫn người bán

Điều này dẫn tới vận hành nguồn phát ở một điểm cân bằng khác điểm cân bằngđược xác định bởi điều kiện giá cận biên bằng nhau Các mô hình toán học giátruyền tải có thể được kết hợp trong cơ chế điều phối và đạt được tín hiệu giá tươngứng Các tín hiệu giá này có thể được sử dụng để định giá nghẽn mạch và chỉ chonhững người tham gia thị trường sắp xếp lại công suất bơm vào hay lấy ra để tránhnghẽn mạch

Ngoài ra, phương pháp điều độ kế hoạch nguồn phát của tác giả chỉ xem xétđiều kiện ràng buộc dòng công suất tác dụng trên đường dây truyền tải mà chưaxem xét các điều kiện ràng buộc khác như: điều kiện ràng buộc về điện áp nút, góclệch pha, xác định giá điện tại các nút Đây là những điều kiện rất quan trọng cầnphải đưa vào khi điều độ kế hoạch nguồn phát, giúp quá trình vận hành hệ thống ổnđịnh và kinh tế

2.2.2 Điều độ tải

Trong các hệ thống phi điều tiết, nghẽn mạch trong hệ thống truyền tải là mộtbài toán chủ yếu và có thể dẫn tới các đột biến giá Nghẽn mạch truyền tải xuất hiệnkhi thiếu khả năng truyền tải để đáp ứng các yêu cầu của tất cả các khách hàng.Trong các trạng thái bị nghẽn mạch nặng nề, nghẽn mạch truyền tải có thể đượcgiảm bớt bằng cách cắt giảm một phần các giao dịch không ổn định

Hình 2.1a: Ví dụ 2 nút bị nghẽn mạch

Trang 26

Hình 2.1b: Ví dụ 2 nút sau khi được loại bỏ nghẽn mạchMột ví dụ của một hệ thống 2 nút trình bày trong Hình 2.1a giải thích sự nghẽnmạch truyền tải Trong Hình 2.1a, đầu ra công suất tác dụng cực đại của máy phát là120MW với giới hạn công suất đường dây truyền tải là 100MVA và công suất tácdụng tải là 120MW Có một sự quá tải truyền tải trong đường dây truyền tải để đápứng tải Nghẽn mạch có thể được giảm bớt bằng cách cắt giảm phần tải nào đó.Trong Hình 2.1b, tải được cắt giảm từ 120MW xuống 100MW và nghẽn mạch đượcloại bỏ.

Điều độ tải là phương pháp điều khiển nghẽn mạch hiệu quả Tuy nhiên phươngpháp này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: khả năng chuyển tải, tăng và giảm tảicủa các phụ tải, mức độ sự cố, khả năng mang tải của hệ thống điện… Biện pháp cắttải sẽ làm giảm độ tin cậy cung cấp điện và hạn chế khả năng phát triển tải trongtương lai Biện pháp này chỉ nên sử dụng khi sự cố trong hệ thống là bất khả kháng,quá nghiêm trọng cần phải điều khiển nhanh để đảm bảo an ninh hệ thống điện

2.2.3 Mở rộng đường dây truyền tải

Mở rộng đường dây truyền tải giải quyết bài toán mở rộng và củng cố sự phátđiện và mạng truyền tải hiện tại để phục vụ tối ưu sự phát triển thị trường điện trongkhi đáp ứng một tập các điều kiện ràng buộc về kinh tế và kỹ thuật Các kỹ thuậtkhác nhau như phân tích Bender, tìm kiếm Tabu, thuật toán Gen [4] … đã được sửdụng để nghiên cứu bài toán này

Mặc dù các chi phí nghẽn mạch có thể được cực tiểu hóa nhờ vào các phươngpháp quản lý nghẽn mạch hiệu quả, nhưng một mối quan tâm bao quát là chi phíbiên của nghẽn mạch này sẽ không cao hơn chi phí biên của giảm nghẽn mạch

Trang 27

thông qua sự đầu tư về mở rộng khả năng truyền tải Mặt khác, các chi phí nghẽnmạch cao sẽ là một tín hiệu để mở rộng khả năng truyền tải Sự đầu tư về truyền tải

sẽ luôn luôn hướng tới tăng độ tin cậy và giảm các chi phí nghẽn mạch

Tuy nhiên, phương pháp mở rộng đường dây truyền tải này có rất nhiều hạn chếnhư: Tốn nhiều thời gian, chi phí mở rộng đường dây truyền tải lớn, phụ thuộc vàocác ràng buộc pháp lý, các quy định đền bù giải tỏa…

Ngoài ra những công trình nghiên cứu trước đây về ứng dụng của FACTS [7]trong vận hành và điều khiển hệ thống điện nhằm đạt được những mục tiêu đề ra đa

số tập trung vào các thiết bị như: TCSC, TCVR, TCPST, SVC và UPFC Tuy cónhững xuất phát điểm và cách tiếp cận khác nhau trong việc ứng dụng tính hiệu quảcủa thiết bị FACTS vào điều khiển hệ thống điện Nhưng nhìn chung, các công trìnhnghiên cứu đều có chung hướng nghiên cứu và phương pháp như sau:

Sử dụng giải thuật Gen để tìm kiếm giải pháp tối ưu Nghĩa là: với sự hỗ trợ củaphần mềm máy tính, thông số của thiết bị FACTS sẽ được mã hoá cùng các thông

số của mạng điện Các toán tử đột biến, lai chéo được sử dụng để giải bài toán phân

bố công suất đưa kết quả vào không gian tìm kiếm Thông số ban đầu sẽ được tựđộng lưu trữ và cập nhật để gia tăng tính đa dạng của phạm vi tìm kiếm giải phápđúng như tên của giải thuật

Một phương pháp truyền thống nữa hay được sử dụng là liệt kê thử nghiệm:một bảng danh sách các đường dây trong mạng được liệt kê Thông thường vớiphương pháp này chọn lựa XTCSC=75%Xline cố định Giá trị bù này lần lượt đượcthử trên tất cả các nhánh của mạng điện để tìm vị trí nào tối ưu nhất theo hàm mụctiêu ban đầu đề ra Có nhiều công trình nghiên cứu đặt mục tiêu vị trí tối ưu củaTCSC là gia tăng tổng khả năng truyền tải của hệ thống (maximal total transfercapability), hoặc vị trí tối ưu của TCSC là vị trí có thể gia tăng tối đa phúc lợi xãhội mà nó mang lại [1,4,13]

Công trình nghiên cứu của M.A.Khaburi và M.R.Haghifam [14] sử dụng

phương pháp phân vùng để giới hạn phạm vi tìm kiếm giải pháp Nghĩa là chiamạng điện thành hai vùng theo chủ quan Vùng có nhiều máy phát tập trung gọi là

Trang 28

vùng nguồn (source area) và vùng có nhiều phụ tải tập trung hơn gọi là vùng tải(sink area) Hai vùng này được nối với nhau bằng các đường dây liên lạc Thiết bị

bù chỉ lắp đặt trên các nhánh liên lạc này để kiểm tra tìm kiếm giải pháp tối ưu theomục tiêu đề ra Phương pháp này có ưu điểm là giới hạn được không gian phạm vitìm kiếm giải pháp nhưng kết quả tuỳ thuộc vào sự phân vùng ban đầu của ngườivận hành Nói chung nó chỉ chính xác hơn trong trường hợp có sự quy hoạch mua

và bán điện giữa hai vùng được cung cấp từ hai nguồn khác nhau hoàn toàn Lúc đóchỉ quan tâm đến những đường dây liên lạc trao đổi điện năng giữa hai vùng này.Theo tác giả Nguyễn Hoàng Sơn trong công trình nghiên cứu ứng dụng củaUPFC điều khiển hệ thống điện cũng có hướng giải quyết tương tự [20]: giải bàitoán phân bố công suất bằng powerworld, đưa ra các tình huống sự cố giả định đểtìm nhánh nghẽn mạch Sau đó lần lượt thử đặt thiết bị UPFC vào từng nhánh của

hệ thống cho phân bố lại công suất để tìm ra vị trí và dung lượng thích hợp cho thiết

bị FACTS trong hệ thống điện Phương pháp này còn được biết đến với tên gọi

“Phương pháp thử sai” (trial and error method) để tìm vị trí tối ưu của thiết bịFACTS trong mạng điện

2.3 Các loại thiết bị Facts

2.3.1 SVC (Static Var Compensator)

SVC gọi là máy bù tĩnh gồm bộ tụ điện và bộ kháng điện nối song song vớinhau, một trong hai bộ này được điều trơn Công suất phản kháng Q được điềukhiển từ dung tính đến cảm tính thông qua việc điều khiển các van Thyristor BộSVC mắc song song với đường dây hay phụ tải cho phép điều chỉnh và giữ vữngđiện áp tại nút đó, hạn chế được dao động điện áp nâng cao khả năng ổn định hệthống điện

Bộ bù công suất phản kháng tĩnh SVC là một thiết bị điện tử công suất nâng caodùng để cung cấp nhanh và liên tục phát công suất phản kháng tính dung và tínhcảm đến hệ thống điện

Trang 29

Hình 2.2: Nguyên tắc điều khiển SVC trong ổn định hệ thống điện

Hình 2.3: Dao động công suất trong trường hợp không có SVC và có SVC

Phân loại theo cấu hình là phân loại SVC bao gồm một cuộn kháng được điềukhiển bằng Thyristor TCR (Thyristor Controlled Reactor), một bộ tụ được đóngngắt bằng Thyristor TSC (Thyristor Switched Capacitor) và dãy tụ cố định FC(Fixed Capacitor) lọc sóng hài được đấu nối như trong Hình 2.4

Trang 30

TCR bao gồm cuộn kháng và van Thyristor TCR điều khiển liên tục công suấtphản kháng bằng cách thay đổi biên độ dòng điện chạy qua cuộn kháng.

TSC bao gồm tụ điện, cuộn kháng và van Thyristor TSC đóng và ngắt tụ điện

Bộ lọc FC cung cấp công suất phản kháng cố định và hấp thụ dòng điện sóng hàiđược phát ra từ bộ TCR

Hình 2.4: Cấu hình cơ bản nhất của SVC là TCR + FC

Hình 2.5: Cấu hình nâng cao của SVC là TCR + TSC + FC

2.3.2 STATCOM (Static Synchronous Compensator)

Chức năng của Bộ bù tĩnh (STATCOM) là giống như máy bù đồng bộ Nóichung, nó cung cấp công suất phản kháng bù để giải quyết sự biến đổi điện áp của

hệ thống điện và điện công nghiệp trong các điều kiện dao động và ổn định Một hệ

Trang 31

thống STATCOM đầy đủ bao gồm một nguồn điện áp DC, bộ biến đổi tự chuyển sửdụng Thyristor, và một máy biến áp tăng áp.

Hình 2.6: Sơ đồ mạch điều khiển sử dụng STATCOM

Hình 2.7: Nguyên tắc điều khiển trào lưu công suất của STATCOM

Trang 32

2.3.3 UPFC (Unified Power Flow Controlled):

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý điều khiển của UPFC

UPFC (Unified Power Flow Controlled): là bộ tích hợp điều khiển luồn côngsuất, nó cho phép điều khiển được điện áp, tổng trở và góc pha Việc lắp UPFCnhằm điều khiển linh hoạt hệ thống điện như sau:

- Tăng khả năng truyền tải của đường dây

- Giảm tổn thất: A, P, Q, U

- Giảm sự dao động của hệ thống điện

- Nâng cao và ổn định điện áp

- Điều khiển dòng công suất phản kháng và tác dụng theo hai hướng

Trong luận văn này tác giả luận văn chọn TCSC là thiết bị Facts chính để chốngnghẽn mạch, đồng thời nâng cao khả năng truyền tải hệ thống điện

2.3.4 TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor)

Các bộ bù nối tiếp được điều khiển bằng Thyristor (TCSC): là một phần tử cơbản của hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) Nó được mở rộng

Trang 33

từ các tụ nối tiếp truyền thống thông qua việc bổ sung một bộ phản ứng được điềukhiển bằng thyristor Bộ phản ứng này mắc song song với một tụ nối tiếp cho phéptạo ra một hệ thống bù dọc điện kháng thay đổi liên tục và nhanh chóng Những lợiđiểm chủ yếu của TCSC là:

- Tăng công suất truyền tải

- Giảm các dao động công suất

- Giảm các cộng hưởng đồng bộ

- Điều khiển dòng công suất đường dây

TCSC bao gồm ba phần tử chính: Tụ bù C, cuộn kháng bù nối vào mạchthyristor và hai thyristor điều khiển SCR1 và SCR2 (hình 2.9)

Hình 2.9: Sơ đồ cấu tạo của TCSC

Các góc mở của thyristor được điều khiển để điều chỉnh điện kháng TCSC phùhợp với hệ thống Khi các thyristor được kích thích, TCSC có thể được mô tả dướidạng toán học như sau:

v L di L

i S  i C  i L

iL và iC: là giá trị dòng điện tức thời qua tụ điện và cuộn cảm

iS: là dòng điện tức thời của đường dây truyền tải được điều khiển

(2.7)

Trang 34

2 I mcost

v: là điện áp tức thời qua TCSC

Tổng trở tương đương của mạch LC:

và tránh làm việc ở trạng thái cộng hưởng (C =1/L)

Dòng điện đi qua cuộn cảm được xác định theo công thức:

i L (t) k 2 cos

k1 cos k

 cosr t

Trang 35

2.4 Đề xuất phương án sử dụng TCSC

2.4.1 Giải quyết để hết quá tải khi tăng tải

Xét mô hình đường dây hình với các thông số kết nối giữa hai nút i và j Giátrị điện áp lần lượt tại hai nút i và j được cho bởi Vii và Vjj Khi đó công suấtthực và công suất phản kháng trên nhánh i-j được xác định bởi:

2

Q ij V i 2 b ij  VV j g ij sin ij  b ij cosij

(2.13)(2.14)

Trang 36

r ij ij  x2

Trong đó: Pij và Qij lần lượt là công suất thực và công suất phản kháng truyền từ nút

i đến nút j.ij=i-j và gij, bij là điện dẫn và dung dẫn trên nhánh đường dây i-j

g ij /2 jbij/2 gij/2 jbij/2

Hình 2.10: Mô hình đường dây truyền tải có lắp đặt TCSC

g ij /2 jb ij /2 g ij /2 jb ij /2

Hình 2.11: Đơn giản hoá mô hình TCSC trên nhánh i-j

Mô hình đường dây truyền tải có TCSC được lắp đặt giữa nút i và j như hình2.10 Ở trạng thái ổn định thì TCSC được xem như một điện kháng –jxc như mô

Trang 38

2.4.2 Nhận xét

Các công trình nghiên cứu trước đây tuy đạt được những kết quả và mục tiêunhất định đã đề ra nhưng cách tiếp cận và giải quyết vấn đề còn chưa mang tínhhiệu quả cao, chưa có khả năng khoanh vùng được phạm vi không gian để giảm bớt

Trang 39

Các thiết bị bù Chi phí (USD/KVAr)

2.5 Nhận xét và đề xuất sử dụng mặt cắt tối thiểu 2.5.1 Nhận xét

Để phân bố lại luồng công suất trong mạng điện nhằm tránh sự cố nghẽn mạchbằng cách sử dụng các thiết bị FACTS thay thế cho các giải pháp như thay đổi côngsuất phát của các tổ máy, xây dựng đường dây song song là rất hiệu quả Tuy nhiênviệc lắp đặt thiết bị FACTS ở đâu mới là vấn đề cần quan tâm Do đó với những daođộng phụ tải bất kỳ, sự thay đổi nguồn và gia tăng phụ tải thường xuyên trong tươnglai dẫn tới điểm nghẽn mạch trong mạng cũng sẽ bị thay đổi nên không thể lắp đặtthiết bị bù trên tất cả các nhánh của lưới điện để đảm bảo chống nghẽn mạch khi cónhững thay đổi như trên Vì vậy cần thiết phải xác định được tập hợp những nhánh

có nhiều khả năng gây quá tải thường xuyên cho hệ thống Đây là tập hợp nhữngđiểm xung yếu nhất còn được gọi là điểm nút thắt cổ chai (bottle-neck) Việc lắp đặtthiết bị FACTS tại những vòng có chứa tập hợp những nhánh xung yếu này sẽ khắcphục được quá tải đáng kể cho hệ thống

Bảng 2.1: Chi phí đầu tư trên 1KVAr của các thiết bị FACTS.

Trang 40

Một vấn đề nữa là chi phí cho một thiết bị FACTS khá cao nên cũng cần phảixem xét đến vấn đề phân tích tài chính Theo thống kê, chi phí đầu tư cho một đơn

vị công suất bù của các thiết bị FACTS được cho trong bảng 2.1: [14,19]

Ngoài ra; theo tài liệu [4,19], cũng đã so sánh hàm chi phí đầu tư trên một đơn

vị công suất bù giữa các thiết bị FACTS còn phụ thuộc vào vị trí và phạm vi màthiết bị lắp đặt được thể hiện trong hình 2.12 như sau:

Hình 2.12: Chi phí đầu tư vận hành theo công suất bù

Như vậy, xét về tính kinh tế thì giá thành đầu tư cho thiết bị bù TCSC chỉ caohơn so với các loại tụ bù truyền thống, ít tốn kém hơn so với chi phí đầu tư lắp đặtcác thiết bị khác như STATCOM hay UPFC Giả sử nhu cầu bù vào hệ thống điệnmột lượng là 50MVAr nhưng nếu sử dụng thiết bị bù UPFC thì cần đầu tư mộtlượng là (tính bằng USD/kVAr)

Định dạng
Số trang	179
Dung lượng	8,02 MB