TÌM HIỂU THUẬT TOÁN GA VÀ PSO TRONG VIỆC TÍNH TOÁN VỊ TRÍ ĐẶT VÀ DUNG LƯỢNG TỐI ƯU CỦA THIẾT BỊ TCSC

KIẾN THỨC TỔNG QUAN...........................................................................3 1. ĐẶT VẤN ĐỀ...............................................................................................................3 2. TỔNG QUAN VỀ NGÀNH ĐIỆN VIỆT NAM ........................................................4 2.1 Lịch sử phát triển của ngành điện Việt Nam ...........................................................4 2.2 Sản xuất điện............................................................................................................5 2.3 Thị trường điện ........................................................................................................6 2.4 Lưới điện quốc gia ...................................................................................................7 3. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS.................................................................8 3.1 Công nghệ FACTS...................................................................................................8 3.2 Lý thuyết về FACTS................................................................................................9 3.3 Phân loại thiết bị FACTS.......................................................................................10 3.4 Lợi ích khi sử dụng thiết bị FACTS ......................................................................12 3.5 Một số thiết bị FACTS...........................................................................................12 4. TCSC...........................................................................................................................14 4.1 Cấu tạo của TCSC..................................................................................................14 4.2 Lý thuyết TCSC.....................................................................................................15 4.3 Bảo vệ TCSC .........................................................................................................15KIẾN THỨC TỔNG QUAN...........................................................................3 1. ĐẶT VẤN ĐỀ...............................................................................................................3 2. TỔNG QUAN VỀ NGÀNH ĐIỆN VIỆT NAM ........................................................4 2.1 Lịch sử phát triển của ngành điện Việt Nam ...........................................................4 2.2 Sản xuất điện............................................................................................................5 2.3 Thị trường điện ........................................................................................................6 2.4 Lưới điện quốc gia ...................................................................................................7 3. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS.................................................................8 3.1 Công nghệ FACTS...................................................................................................8 3.2 Lý thuyết về FACTS................................................................................................9 3.3 Phân loại thiết bị FACTS.......................................................................................10 3.4 Lợi ích khi sử dụng thiết bị FACTS ......................................................................12 3.5 Một số thiết bị FACTS...........................................................................................12 4. TCSC...........................................................................................................................14 4.1 Cấu tạo của TCSC..................................................................................................14 4.2 Lý thuyết TCSC.....................................................................................................15 4.3 Bảo vệ TCSC .........................................................................................................15

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Bộ môn Hệ thống điện

- -

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN NĂNG 2

TÌM HIỂU THUẬT TOÁN GA VÀ PSO

TRONG VIỆC TÍNH TOÁN

VỊ TRÍ ĐẶT VÀ DUNG LƯỢNG TỐI ƯU

MỤC LỤC

A KIẾN THỨC TỔNG QUAN 3

1 ĐẶT VẤN ĐỀ 3

2 TỔNG QUAN VỀ NGÀNH ĐIỆN VIỆT NAM 4

2.1 Lịch sử phát triển của ngành điện Việt Nam 4

2.2 Sản xuất điện 5

2.3 Thị trường điện 6

2.4 Lưới điện quốc gia 7

3 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS 8

3.1 Công nghệ FACTS 8

3.2 Lý thuyết về FACTS 9

3.3 Phân loại thiết bị FACTS 10

3.4 Lợi ích khi sử dụng thiết bị FACTS 12

3.5 Một số thiết bị FACTS 12

4 TCSC 14

4.1 Cấu tạo của TCSC 14

4.2 Lý thuyết TCSC 15

4.3 Bảo vệ TCSC 15

4.4 Mô hình hóa TCSC 15

4.5 Xây dựng mô hình toán học TCSC 16

B PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG THIẾT BỊ FACTS 18

1 THUẬT TOÁN TỐI ƯU BẦY ĐÀN (PSO) 18

1.1 Giới thiệu về PSO 18

1.2 Tối ưu vị trí và dung lượng thiết bị bằng thuật toán PSO 19

1.3 Kết quả 25

1.4 Kết luận 31

2 THUẬT TOÁN GEN DI TRUYỀN (GA) 32

2.1 Hàm mục tiêu 32

2.2 Tối ưu vị trí và dung lượng của thiết bị dùng thuật toán gen di truyền 34

2.3 Kết quả 40

2.4 Kết luận 42

C TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

A KIẾN THỨC TỔNG QUAN

1 Đặt vấn đề

Ngày nay ngành điện ở nhiều nước trên thế giới đã cải tổ, tham gia vào thị trường điện tự

do và đã mang lại hiệu quả kinh tế nhất định Giữa các nhà máy điện có sự cạnh tranh làm giảm giá thành sản xuất điện Bên cạnh những lợi ích mang lại, vẫn còn những hạn chế như việc cung cấp điện vẫn chưa thật ổn định, công suất truyền tải còn hạn chế và tổn thất điện năng vẫn còn cao trên hệ thống Tất nhiên, những hạn chế đó lại càng gia tăng trong khi hệ thống điện còn chưa tham gia vào thị trường điện cạnh tranh Để giải quyết những hạn chế trên, một số nước phát triển như Mỹ, Canada, Brasil đã sử dụng công nghệ FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) trong lưới truyền tải

FACTS là hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt sử dụng thiết bị điện tử công suất hoạt động ở chế độ tự động với dòng điện và điện áp cao, cho phép điều khiển để ổn định điện áp hệ thống nhanh chóng, góc pha, trở kháng đường dây gần như tức thời Ngoài ra nó còn cho phép đường dây vận hành gần với mức giới hạn về nhiệt của đường dây truyền tải Các loại công nghệ FACTS, chúng ta có thể phân loại FACTS ra làm 4 loại chính như sau:

- Loại nối tiếp TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitors): điều khiển dòng, ngăn cản dao động, tăng ổn định động và tĩnh cho hệ thống, ổn định điện áp, giới hạn dòng chạm đất

- Loại song song SVC (Static Var Compensator): điều khiển điện áp, ngăn cản dao động,

bù công suất phản kháng, tăng ổn định động và tĩnh cho hệ thống, ổn định điện áp

- Loại kết hợp nối tiếp với nối tiếp IPFC (Interline Power Flow Controller): điều khiển công suất phản kháng, điều khiển điện áp, ngăn cản dao động, ổn định điện áp, tăng ổn định động và tĩnh cho hệ thống

- Loại kết hợp nối tiếp với song song UPFC (Unified Power Flow Controller): điều khiển công suất tác dụng và phản kháng, điều khiển điện áp, bù công suất phản kháng, tăng ổn định động và tĩnh cho hệ thống, ổn định điện áp, giới hạn dòng chạm đất, ngăn cản dao động Công nghệ FACTS phát triển liên quan đến 2 vấn đề sau:

- Sử dụng thiết bị điện tử công suất và bộ biến đổi điều biến xung băng rộng (PWM)

- Phương pháp điều khiển sử dụng bộ xử lý tín hiệu số (DSP) và công nghệ vi xử lý Lợi ích sử dụng công nghệ FACTS:

- Điều khiển công suất theo yêu cầu

- Tăng khả năng tải của đường dây đến gần giới hạn nhiệt

- Tăng độ an toàn và tin cậy cho hệ thống, giảm tổn thất trên đường dây

- Cung cấp điện an toàn cho các đường dây liên kết trong vùng, do đó giảm được công suất dự phòng của cả 2 phía

- Giảm được công suất phản kháng, vì vậy cho phép tải được công suất tác dụng nhiều hơn trên đường dây

- Tạo ra sự linh hoạt hơn trong việc lựa chọn địa điểm để xây dựng các nhà máy điện mới và giảm chi phí giải phóng mặt bằng, xây dựng các đường dây mới

- Nâng cao hiệu quả cho ngành điện với chi phí sản xuất điện thấp nhất

Kết luận: Ngoại trừ loại SVC, công nghệ FACTS nói chung còn rất mới mẻ Loại SVC được sử dụng nhiều nơi trên thế giới bởi vì tính vận hành kinh tế và hiệu quả của nó Trong thị trường điện cạnh tranh, FACTS giúp cho người điều hành hệ thống lưới điện giải quyết được việc tắc nghẽn tải trên hệ thống và vận hành một cách tối ưu nhất, giảm giá thành sản xuất điện, đảm bảo an toàn tin cậy trong hệ thống Trong một số trường hợp đặc biệt, FACTS được sử dụng để tối ưu hoá việc vận hành kết hợp giữa các nhà máy thủy điện và nhiệt điện Đối với ngành Điện Việt Nam, chúng ta sẽ dần tiến đến thị trường điện cạnh tranh vào những năm tới Vì vậy, để đảm bảo cho việc vận hành tối ưu hệ thống, thiết nghĩ ngay từ bây giờ chúng ta phải xem xét đến công nghệ FACTS trong việc ứng dụng cho lưới truyền tải của nước ta, đặc biệt ở những nơi việc giải phóng mặt bằng rất khó khăn như các thành phố lớn hoặc những nơi yêu cầu về cung cấp điện an toàn và tin cậy cao Tuy nhiên, thiết bị FACTS

là rất đắt so với tình hình kinh tế nước ta hiện nay, vì vậy, khi xem xét sử dụng công nghệ này, chúng ta cần phải phân tích về kinh tế và kỹ thuật để lựa chọn cho phù hợp Hy vọng trong những năm không xa, thiết bị FACTS sẽ xuất hiện trong lưới truyền tải tại Việt Nam, góp phần đảm bảo cung cấp điện ngày càng an toàn và tin cậy trong hệ thống

Trong phạm vi bài viết này, chúng tôi xin trình bày một cách tổng quan nhất các kiến thức thu thập được về FACTS Trong đó đi sâu vào nghiên cứu về một loại FACTS cụ thể, đó

là TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) Nội dung nghiên cứu chính là cấu tạo TCSC, mô hình TCSC và thuật toán tìm vị trí và dung lượng đặt của TCSC để tối ưu hoá hệ thống điện bất kỳ

Do bị giới hạn về thời gian tìm hiểu và tài liệu tham khảo, cũng như trình độ kiến thức có hạn của những người viết nên báo cáo này không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định Mong nhận được sự góp ý, bổ sung và chỉnh sửa của các thầy cô, các chuyên gia và các bạn

am hiểu về lĩnh vực này để giúp cho tài liệu này đạt được sự hoàn thiện nhất có thể Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!

2 Tổng quan về ngành điện Việt Nam

2.1 Lịch sử phát triển ngành điện tại Việt Nam

Tiêu thụ điện tại Việt Nam tiếp tục gia tăng để có thể đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế

xã hội của đất nước

Về cơ cấu tiêu thụ điện, công nghiệp tiếp tục là ngành chiếm tỉ trọng tiêu thụ điện năng nhiều nhất với tốc độ tăng từ 47.4% lên đến 52% tổng sản lượng tiêu thụ điện tương ứng trong năm 2006 và 2010 Tiêu thụ điện hộ gia đình chiếm tỉ trọng lớn thứ hai nhưng có xu hướng giảm nhẹ do tốc độ công nghiệp hoá nhanh của Việt Nam, từ 42.9% năm 2006 thành 38.2% năm 2010 Phần còn lại dịch vụ, nông nghiệp và các ngành khác chiếm khoảng 10% tổng sản lượng tiêu thụ điện năng

Bảng 1 Tiêu thụ điện theo ngành trong khoảng thời gian 2006-2010 (Nguồn: Tổng sơ đồ VII)

(%)

2006 (%)

2007 (%)

2008 (%)

2009 (%)

Tốc độ tăng của tiêu thụ điện vượt xa tốc độ tăng trưởng GDP trong cùng ký Ví dụ trong thời gian 1995-2005 tốc độ tăng tiêu thụ điện hàng năm là hơn 14.9% trong khi tốc độ tăng trưởng GDP chỉ là 7.2% Tốc độ tăng tiêu thụ điện cao nhất thuộc về ngành công nghiệp (16.1%) và sau đó là hộ gia đình (14%)

Trong tương lai, theo Tổng sơ đồ phát triển điện quốc gia (Tổng sơ đồ VII), nhu cầu điện của Việt Nam tiếp tục tăng từ 14-16%/năm trong thời kỳ 2011-2015 và sau đó giảm dần xuống 11.15%/năm trong thời kỳ 2016-2020 và 7.4-8.4%/năm cho giai đoạn 2021-2030

2.2 Sản xuất điện

Để có thể đáp ứng được nhu cầu điện năng, Chính phủ Việt Nam đã đề ra mục tiêu cụ thể về sản xuất và nhập khẩu cho ngành điện Trong Tổng sơ đồ VII cho giai đoạn 2010-2020 tầm nhìn 2030 các mục tiêu bao gồm:

1) Sản xuất và nhập khẩu tổng cộng 194-210 tỉ kWh đến năm 2015, 330-362 tỉ kWh năm 2020, và 695-834 tỉ kWh năm 2030;

2) Ưu tiên sản xuất điện từ nguồn năng lượng tái tạo bằng cách tăng tỷ lệ điện năng sản xuất từ nguồn năng lượng này từ mức 3.5% năm 2010 lên 4.5% tổng điện năng sản xuất vào năm 2020 và 6% vào năm 2030;

3) Giảm hệ số đàn hồi điện/GDP từ bình quân 2.0 hiện nay xuống còn bằng 1.5 năm

2) Phát triển cân đối công suất nguồn trên từng miền: Bắc, Trung và Nam, đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện trên từng hệ thống điện miền nhằm giảm tổn thất truyền tải, chia sẻ công suất nguồn dự trữ và khai thác hiệu quả các nhà máy thuỷ điện trong các mùa;

3) Phát triển nguồn điện mới đi đôi với đổi mới công nghệ các nhà máy đang vận hành; 4) Đa dạng hoá các hình thức đầu tư phát triển nguồn điện nhằm tăng cường cạnh tranh nâng cao hiệu quả kinh tế;

Cơ cấu các nguồn điện cho giai đoạn 2010-2020 tầm nhìn 2030 đã được đề ra trong Tổng sơ đồ VII và được tóm tắt ở bảng bên dưới Nguồn điện quan trọng nhất vẫn là than và nhiệt điện Điện nguyên tử và năng lượng tái tạo chiếm tỉ trọng tương đối cao vào giai đoạn 2010-2020 và sẽ dần trở nên tương đối quan trọng trong giai đoạn 2020-2030 Thuỷ điện vẫn duy trì thị phần không đổi trong giai đoạn 2010-2020 và 2020-2030 vì thuỷ điện gần như đã được khai thác hết trên toàn quốc

Bảng 2 Cơ cấu nguồn điện theo công suất và sản lượng cho giai đoạn 2010-2020 tầm nhìn 2030

STT Nguồn điện

Tổng công suất lắp đặt (MW)

Thị phần trong tổng công suất lắp đặt (%)

Thị phần trong tổng sản lượng điện (%)

Tổng công suất lắp đặt (MW)

Thị phần trong tổng công suất lắp đặt (%)

Thị phần trong tổng sản lượng điện (%)

1 Nhiệt điện than 36,000 48.0 46.8 75,000 51.6 56.4

2 Nhà máy nhiệt điện tua

bin khí

10,400 13.9 20.0 11,300 7.7 10.5

3 Nhà máy nhiệt điện chạy

tua bin khí LNG

2,000 2.6 4.0 6,000 4.1 3.9

4 Nhà máy thuỷ điện 17,400 23.1 19.6 N/A 11.8 9.3

5 Nhà máy thuỷ điện tích

năng

1,800 2.4 5,700 3.8

6 Nhà máy điện sinh khối 500 5.6 4.5 2,000 9.4 6.0

7 Nhà máy điện gió 1,000 6,200

8 Nhà máy điện nguyên tử N/A N/A 2.1 10,700 6.6 10.1

9 Nhập khẩu 2,200 3.1 3.0 7,000 4.9 3.8

Nguồn: Tóm tắt các thông tin được trong Tổng sơ đồ VII

Cụ thể là vào năm 2020, cơ cấu các nguồn điện liên quan đến sản lượng là 46.8% cho nhiệt điện than, 19.6% cho thuỷ điện và thuỷ điện tích năng, 24% cho nhiệt điện chạy khí và khí LNG, 4.5% cho Năng lượng tái tạo, 2.1% cho năng lượng nguyên tử và 3.0% từ nhập

khẩu từ các quốc gia khác (xem Hình bên dưới)

Hình Cơ cấu nguồn điện cho đến năm 2020

2.3 Thị trường điện

Cho đến năm 2010 thị trường Điện tại Việt nam vẫn ở dạng độc quyền với Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN), một công ty nhà nước, nắm giữ hơn 71% tổng lượng điện sản xuất, nắm toàn bộ khâu truyền tải, vận hành hệ thống điện, phân phối và kinh doanh bán lẻ điện

Để có thể huy động vốn đầu tư phát triển ngành điện Chính phủ Việt Nam đã thông qua cách tiếp cận giá điện vận hành theo cơ chế theo thị trường và theo đuổi mục tiêu bảo vệ môi trường với danh mục đầu tư khác nhau cho các nguồn điện khác nhau

Chính phủ Việt Nam đã đặt ra mục tiêu phát triển thị trường điện cạnh tranh nhằm nâng cao việc sử dụng hiệu quả nguồn cung điện trong bối cảnh nền kinh tế thị trường Theo bản

Dự thảo chi tiết phát triển thị trường Điện cạnh tranh, ngành điện sẽ phát triển qua ba giai đoạn:

1) Thị trường phát điện cạnh tranh (2005-2014): các công ty sản xuất điện có thể chào bán điện cho người mua duy nhất;

2) Thị trường bán buôn điện (2015-2022): các công ty bán buôn điện có thể cạnh tranh

để mua điện trước khi bán cho công ty phân phối điện;

3) Thị trường bán lẻ điện cạnh tranh từ năm 2022 trở đi: người mua điện có thể lựa chọn cho mình nhà cung cấp

Giá điện của Việt nam năm 2010 là VND1,058 - 1,060/kWh (~ 5.3 US cents/kWh) Năm 2011 khi tỉ giá hối đoái tăng cao, giá điện trên chỉ còn tương đương với 4 US cents/kWh

Theo Chính phủ, giá điện sẽ được điều chỉnh hằng năm theo Quy định số 21 nhưng Chính phủ cũng sẽ xem xét thời điểm tăng thích hợp để đảm bảo ảnh hưởng ít nhất đến tình hình kinh tế xã hội nói chung và tình hình sản xuất của bà con nhân dân nói riêng

Tiếp theo Quyết định số 21, vào Tháng 3/2011, giá điện trung bình tăng lên VND1.242/kWh (khoảng 6.5 US cents), tăng 15.28% so với giá năm 2010

Hiện nay các bên tham gia vào thị trường phát điện tại Việt Nam là các công ty Nhà nước như Tập đoàn Điện lực Việt nam (EVN), Tập đoàn Dầu khí Viêt Nam (PVN), Tập đoàn Than và Khoáng sản Việt Nam (VINACOMIN) và các nhà sản xuất điện độc lập (IPPs) và dự

án BOT nước ngoài Các công ty Nhà nước chiếm thị phần rất lớn trong sản xuất điện Ví dụ vào cuối năm 2009, tổng công suất lắp đặt các nguồn điện tại Việt Nam là 17.521MW trong

số đó nguồn điện thuộc sở hữu của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) là 53%, của Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PVN) là 10% và VINACOMIN là 3.7% Các nhà sản xuất điện độc lập (IPP) và dự án BOT nước ngoài chiếm 10.4% tổng công suất lắp đặt của năm 2009

2.4 Lưới điện quốc gia

Lưới điện quốc gia đang được vận hành với các cấp điện áp cao áo 500kV, 220kV và 110kV và các cấp điện áp trung áp 35kV và 6kV Toàn bộ đường dây truyền tải 500KV và 220KV được quản lý bởi Tổng Công ty Truyền tải điện quốc gia, phần lưới điện phân phối ở cấp điện áp 110kV và lưới điện trung áp ở các cấp điện áp từ 6kV đến 35kV do các công ty điện lực miền quản lý

Để có thể đảm bảo nhu cầu về điện của quốc gia trong tương lai, Việt Nam có kế hoạch phát triển lưới quốc gia đồng thời cùng với phát triển các nhà máy điện nhằm đạt được hiệu quả tổng hợp của đầu tư, đáp ứng được kế hoạch cung cấp điện cho các tỉnh, nâng cao độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện và khai thác hiệu quả các nguồn điện đã phát triển, hỗ trợ chương trình điện khí hoá nông thôn và thiết thực chuẩn bị cho sự phát triển hệ thống điện trong tương lai

Theo Tổng sơ đồ VII, cho giai đoạn 2010-2020 tầm nhìn 2030 các trạm và đường dây truyền tải điện sẽ được bổ sung đáng kể vào hệ thống (xem Bảng 3)

Bảng 3 Số lượng đường dây và các trạm điện được bổ sung vào lưới điện quốc gia cho giai đoạn 2010-2030

Hạng mục Đơn vị 2009 2011-2015 2016-2020 2021-2025 2026-2030

Trạm 500kV MVA 7,500 17,100 24,400 24,400 20,400 Trạm 220kV MVA 19,094 35,863 39,063 42,775 53,250 Đường dây 500kV Km 3,438 3,833 4,539 2,234 2,724 Đường dây 220kV Km 8,497 10,637 5,305 5,552 5,020

Nguồn: Tổng sơ đồ phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 tầm nhìn 2030 (Tổng sơ đồ VII)

3 Tổng quan về công nghệ FACTS

Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (Flexible Alternating Current Transmission System hay FACTS là hệ thống bao gồm các thiết bị tĩnh để sử dụng cho việc truyền tải dòng điện xoay chiều FACTS dùng để nâng cao khả năng điều khiển hệ thống điện và tăng khả năng truyền tải công suất trên đường dây

FACTS được định nghĩa bởi IEEE là: “Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử công suất

và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệ thống đường dây tải điện xoay chiều, qua đó, nâng cao khả năng điều khiển và khả năng truyền tải công suất”

3.1 Công nghệ FACTS

FACTS có thể được kết nối với hệ thống điện theo kiểu nối tiếp (bù dọc, series) hoặc

bù song song (bù ngang, shunt) hoặc kết hợp cả hai phương thức trên

Các đường dây truyền tải điện dài sinh ra các điện kháng ký sinh nối tiếp dọc đường dây Do đó, khi truyền tải công suất lớn sẽ gây ra tổn thất điện áp trên đường dây Để bù các điện kháng ký sinh này, người ta đặt các tụ bù dọc trên đường dây Trong trường hợp này, FACTS có tác dụng như một nguồn áp

Hệ thống điện được nối shunt với các thiết bị FACTS Trường hợp này, FACTS đóng vai trò như một nguồn dòng

Bù điện cảm

Phương pháp này dùng để bù trong trường hợp đóng điện đường dây không tải hoặc khi non tải cuối đường dây Khi không tải hoặc tải nhỏ, chỉ có một dòng rất nhỏ chạy trên đường dây Trong khi đó, điện dung ký sinh trên đường dây, đặc biệt với các đường dây dài lại có giá trị khá lớn Việc này sẽ sinh ra quá áp trên đường dây (hay còn gọi là hiệu ứng Ferranti) Điện áp cuối đường dây có thể tăng gấp đôi điện áp nguồn tới (trong trường hợp đường dây rất dài) Để bù điện dung ký sinh này, người ta lắp các điện cảm song song trên dọc đường dây

Đường dây không có tổn thất

Bù nối tiếp Bù song song

3.1.2 Bù nối tiếp

Trong thực tế vận hành hệ thống truyền tải, đa số ta ứng dụng trường hợp bù song song

là chủ yếu Các trường hợp bù nối tiếp ít thấy được sử dụng trong thực tế truyền tải ở nước ta

Vì đây không phải là nội dung chính của báo cáo, nên người viết xin không đi sâu vào vấn đề này

3.2 Lý thuyết về FACTS

Trong trường hợp đường dây không có tổn thất, giá trị điện áp nhận được cuối đường dây thường gần bằng giá trị đầu đường dây: Vs = Vr = V Trong quá trình truyền tải, xuất hiện góc lệch pha delta δ , phụ thuộc vào giá trị của trở kháng X

Vì đường dây không có tổn thất nên công suất tác dụng P bằng nhau ở mọi điểm trên đường dây:

Công suất phản kháng đầu đường dây bằng nhưng khác dấu với công suất phản kháng cuối đường dây:

Khi giá trị δ nhỏ, công suất truyền tải trên đường dây phụ thuộc chủ yếu vào giá trị δ Trong khi đó, công suất phản kháng phụ thuộc chủ yếu vào độ lớn của điện áp hai đầu

Khi bù nối tiếp

Các tụ bù nối tiếp trong FACTS sẽ thay đổi điện kháng đẳng trị của đường dây: X giảm sẽ tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng trên đường dây Tuy nhiên, nguồn điện phải cung cấp thêm công suất phản kháng

Khi bù song song

Công suất phản kháng được đưa lên đường dây để duy trì giá trị điện áp Khả năng truyền tải công suất tác dụng trên đường dây tăng lên nhưng cũng phải cung cấp thêm công suất phản kháng cho đường dây

3.3 Phân loại thiết bị FACTS

3.3.1 Thiết bị điều khiển nối tiếp (Series Controllers)

Loại thiết bị này cho phép thay đổi tổng trở đường dây bằng tụ điện, điện kháng, hoặc biến đổi nguồn có tần số bằng tần số lưới nhờ thiết bị bán dẫn công suất Về nguyên lý, tất cả các thiết bị điều khiển nối tiếp chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng biến đổi

Ứng dụng của FACTS trong các tụ bù nối tiếp (sơ đồ mạch)

 Static Synchronous Series Compensator (hay SSSC): Tụ bù đồng bộ kiểu tĩnh

 Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC): là thiết bị mắc nối tiếp với đường dây; gồm các tụ điện được nối song song với một điện cảm điều khiển bằng cách thay đổi góc mở của thyristor

 Thyristor Controlled Series Reactor (TCSR): là thiết bị mắc nối tiếp với nhau; gồm một điện kháng nối song song với một điện kháng khác được điều khiển bằng thyristor

 Thyristor Switched Series Capacitor (TSSC): là thiết bị gồm một bộ tụ được đóng mở bằng khóa thyristor

 Thyristor Switched Series Reactor (TSSR): là thiết bị gồm một bộ kháng được đóng

mở bằng khóa thyristor

3.3.2 Thiết bị điều khiển song song (Shunt Controllers)

Loại thiết bị này cho phép thay đổi tổng trở, thay đổi nguồn hoặc kết hợp cả hai Tất

cả các thiết bị điều khiển song song bù dòng điện vào hệ thống tại điểm nút

Ứng dụng của FACTS trong các thiết bị bù nối tiếp (sơ đồ mạch)

 Tụ bù đồng bộ kiểu tĩnh (Static Synchronous Compensator hay STATCOM) ban đầu được gọi là máy bù tĩnh (Static Condenser hay STATCON)

 Thiết bị bù công suất phản kháng kiểu tĩnh (Static VAR compensator hay SVC) Hầu hết các thiết bị SVC là:

 Thyristor Controlled Reactor (TCR): Cuộn kháng được điều khiển bằng thyristor Nó được mắc nối tiếp với 2 van thyristor lắp ngược chiều nhau Mỗi bộ thyristor điều khiển một pha Điện kháng đẳng trị là một giá trị liên tục

 Thyristor Switched Reactor (TSR): Cuộn kháng được đóng cắt bằng thyristor Thiết bị

có cấu tạo tương tự như TCR nhưng thyristor chỉ có hai trạng thái đóng hoặc mở hoàn toàn Điện kháng đẳng trị là một giá trị nhảy cấp

 Thyristor Switched Capacitor (TSC): Tụ điện được đóng cắt bằng thyristor Do đó, điện dung đẳng trị là một giá trị nhảy cấp

 Mechanically Switched Capacitor (MSC): Tụ điện được đóng cắt bằng máy cắt Thiết

bị chỉ được dùng để bù công suất phản kháng, và chỉ được đóng mở vài lần trong ngày khi hệ thống thiếu công suất phản kháng hoặc tụt áp nhiều trên đường dây

3.3.3 Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp với nối tiếp (Combined series - series Controllers)

Đây là sự kết hợp các thiết bị điều khiển nối tiếp riêng rẽ, có cùng cách thức điều khiển được sử dụng trong hệ thống nhiều dây dẫn hoặc có thể là thiết bị điều khiển hợp nhất Trong những thiết bị điều khiển nối tiếp công suất phản kháng được bù độc lập cho mỗi đường dây, tuy nhiên công suất tác dụng giữa các đường dây được trao đổi qua nguồn liên kết Khả năng chuyển công suất tác dụng của thiết bị điều khiển nối tiếp - nối tiếp hợp nhất tạo ra sự cân bằng cả dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng trong các dây dẫn, tận dụng tối đa hệ thống truyền tải

3.3.4 Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp với song song (Combined series - shunt

Controllers)

Đây là sự kết hợp các thiết bị điều khiển song song và nối tiếp riêng rẽ được điều khiển kết hợp hoặc điều khiển hợp nhất dòng năng lượng với các phần tử nối tiếp và song song Về nguyên lý, những thiết bị điều khiển song song và nối tiếp kết hợp bù dòng điện và

hệ thống với những phần tử điều khiển song song và bù điện áp trên đường dây với những phần tử bù nối tiếp

3.4 Lợi ích khi sử dụng thiết bị FACTS

Sử dụng thiết bị FACTS cho phép:

+ Nâng cao khả năng giữ ổn định điện áp, giảm dao động công suất làm cho việc vận hành HTĐ linh hoạt và hiệu quả hơn

+ Điều khiển trào lưu công suất phản kháng theo yêu cầu

+ Tăng khả năng tải của đường dây gần tới giới hạn nhiệt

+ Tăng độ tin cậy, giảm tổn thất hệ thống

Tuy nhiên giá thành các thiết bị FACTS là rất cao so với khả năng tài chính nước ta hiện nay Do đó, khi nghiên cứu áp dụng thiết bị FACTS cần phải phân tích các chỉ tiêu kinh

tế, kỹ thuật để lựa chọn giải pháp phù hợp

3.5 Một số thiết bị FACTS

3.5.1 Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng Thyristor (SVC)

SVC (Static Var Compensator) là thiết bị bù ngang dùng để phát hoặc tiêu thụ công suất phản kháng có thể điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, được tổ hợp từ hai thành phần cơ bản:

 Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành)

 Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như Thyristor, các cửa đóng mở (GTO - Gate turn off)

SVC được cấu tạo từ ba phần tử chính bao gồm:

+ Kháng điều chỉnh bằng Thyristor (TCR - Thyristor Controlled Reactor): Có chức năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ

+ Kháng đóng mở bằng Thyristor (TSR - Thyristor Switched Reactor): Có chức năng tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng Thyristor

+ Bộ tụ đóng mở bằng thyristor (TSC - Thyristor Switched Capacitor): Có chức năng

phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng Thyristor

Hình Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC

Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng kể mà không cần dùng đến những phương tiện điều khiển đặc biệt và phức tạp trong vận hành Các chức năng chính của SVC bao gồm:

- Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể cố định giá trị điện áp

- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù

- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch…) trong HTĐ

- Tăng cường tính ổn định của HTĐ

- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ như ngắn mạch, mất tải đột ngột

Ngoài ra, SVC cũng có các chức năng mang lại hiệu quả khá tốt cho quá trình vận hành HTĐ như:

- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh

- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây

- Giảm góc làm việc  làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây Giảm tổn thất công suất và điện năng

3.5.2 Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC)

Cũng tương tự như phần tử SVC, phần tử TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) là thiết bị điều khiển trở kháng nhanh của đường dây và hoạt động trong điều kiện

ổn định của hệ thống điện, nó được tổ hợp từ một hay nhiều modul TCSC, mỗi một modul bao gồm hai thành phần cơ bản:

 Thành phần cảm kháng có thể thay đổi được điện dung nhờ bộ điều chỉnh van

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCSC như hình bên dưới:

Hình Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC

Các chức năng chính của TCSC bao gồm:

- Làm giảm nguy cơ sụt áp trrong ổn định tĩnh

- Giảm sự thay đổi điện áp

- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây

- Tăng cường ổn định của HTĐ

- Giảm góc làm việc  làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây

- Hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong HTĐ

Ngoài ra, TCSC cũng có nhiều chức năng khác có thể tăng tính linh hoạt trong vận hành, tuỳ theo yêu cầu và chức năng của chúng trong từng HTĐ cụ thể mà ta có thể áp dụng các phương pháp, mạch điều khiển TCSC cho phù hợp với các chế độ vận hành trong HTĐ

4 TCSC (Thyristor-Controlled Series Capacitors)

Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC - Thyristor-Controlled Series Capacitors) là một trong những thiết bị quan trọng trong hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (Flexible AC Transmission System – FACTS), cho phép điều chỉnh nhanh và linh hoạt tổng trở đường dây Do vậy, TCSC giúp nâng cao khả năng truyền tải cũng như tăng khả năng ổn định, giảm dao động công suất, sụp đổ điện áp và loại trừ cộng hưởng dưới đồng bộ TCSC có khả năng thay đổi nhanh tổng trở đường dây, từ đó có thể đáp ứng được các chế độ vận hành khác nhau của hệ thống điện Vì vậy, việc lắp đặt TCSC ở một số nút quan trọng là giải pháp hữu hiệu để tăng khả năng truyền tải của hệ thống điện

4.1 Cấu tạo của TCSC

TCSC bao gồm các tụ điện tĩnh nối tiếp (Fixed Series capacitor – FC) có điện dung C được nối song song với cuộn dây điện cảm có điều chỉnh dòng điện bằng thyristor (Thyristor Controlled Reactor - TCR)

Ngoài ra, nó còn có các cơ chế bảo vệ như: VAR, khe hở phóng điện (K), máy cắt (Circuit Breaker - CB) và dao cách ly (DCL) Các phương thức bảo vệ sẽ được trình bày ở phần sau

4.2 Lý thuyết TCSC

Nếu gọi dung kháng của tụ là -jX C còn cảm kháng của TCR là jX L thì điện kháng đẳng trị của TCSC tính được theo công thức:

( )( )

C L TCSC

C L

X X X

4.3 Bảo vệ TCSC

Máy cắt CB dùng để đưa TCSC vào hoạt động hoặc cắt ra khỏi lưới khi có yêu cầu hoặc sự cố Vì tụ điện C rất nhạy cảm với điện áp đặt trên tụ UC  I XC C nên khi dòng điện chạy qua tụ lớn, đặc biệt trong chế độ sự cố ngắn mạch, phải có cơ chế chống quá áp cho tụ Bảo vệ cho tụ điện C gồm nhiều cấp Đầu tiên là van chống quá áp VAR là một điện trở phi tuyến, bình thường có trị số rất lớn Khi UC  UCgh và đạt tới ngưỡng làm việc của VAR, điện trở của VAR giảm rất nhanh, cho phép dòng IN qua VAR, nhờ đó, giảm điện áp

dư trên tụ C

Khi dòng ngắn mạch duy trì có thể làm hỏng VAR, trong trường hợp này, khe mồi phóng điện K sẽ hoạt động Dòng ngắn mạch sẽ chạy qua K và máy biến dòng Khi tới ngưỡng tác động, rơle sẽ có tín hiệu đóng máy cắt CB Do đó, toàn bộ các phần tử của TCSC

và VAR được nối tắt

Khi đã nối tắt TCSC, có thể đóng dao cách ly DCL vào để nối tắt lâu dài tụ

Ngoài ra còn nhiều cơ chế khác bảo vệ cho TCSC hoạt động tốt

4.4 Mô hình hoá TCSC

TCSC là thiết bị mắc nối tiếp với đường dây, gồm dàn tụ điện được nối song song với một điện cảm được điều khiển bằng cách thay đổi góc mở thyristor

Hình Mô hình đơn giản của thiết bị TCSC

Công suất tác dụng truyền tải trên đường dây: 1 2

1 2

L C

U U P

Khi thay đổi góc mở của thyristor ta có thể thay đổi được dòng điện chạy qua tụ điện,

từ đó thay đổi được dung kháng của thiết bị TCSC, vì vậy khi lắp đặt thiết bị TCSC nối tiếp trên đường dây thì có thể tăng công suất truyền tải của đường dây

Khả năng giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định tĩnh cũng được nâng cao khi đặt thiết bị TCSC

1 2 max

Hình Đặc tính P() khi lắp đặt và không lắp đặt TCSC

Việc đặt TCSC vào hệ thống làm cho hệ thống vận hành linh hoạt hơn, cải thiện điện

áp của hệ thống vào giờ cao điểm khi điện áp bị giảm thấp Ngoài ra còn có khả năng giảm dao động công suất, sụp đổ điện áp và loại trừ cộng hưởng dưới đồng bộ

4.5 Xây dựng mô hình toán học TCSC

Giả sử thiết bị TCSC được nối vào giữa 2 điểm 1 và r:

Hình Mô hình TCSC khi lắp đặt vào đường dây

Dòng điện qua thyristor của thiết bị TCSC:

Với a     là góc dẫn của thyristor

2 2 0

0

2 2 0

4 LC

L

X C

X 

  ( 9)

1(2 1)( )

B PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU VỊ TRÍ VÀ

DUNG LƯỢNG THIẾT BỊ FACTS

Sử dụng thiết bị FACTS trong lưới điện truyền tải mang lại nhiều lợi ích, nhưng đồng thời chi phí lắp đặt các thiết bị FACTS cũng tương đối lớn Vì vậy, để có thể đạt được lợi ích cao nhất về mặt kinh tế, việc tối ưu vị trí và dung lượng các thiết bị FACTS là vô cùng cần thiết

Những năm gần đây, nhiều thuật toán tối ưu đã được đưa ra Một số trong các thuật toán

đó là thuật toán truyền thống Thuật toán truyền thống sử dụng các phương pháp chính xác để tìm giải pháp tốt nhất Khi không gian tìm kiếm tăng, độ phức tạp của các thuật toán cũng tăng theo Vì vậy, khi sự phức tạp không gian tìm kiếm tăng dẫn tới các thuật toán chính xác

có thể chậm tìm ra giải pháp tối ưu

Hiện nay, có nhiều thuật toán ngẫu nhiên như là: thuật toán Genetic (GA) (Holland, 1975), thuật toán tìm kiếm Tabu (TS) (Glover, 1989-1990), thuật toán mô phỏng tôi luyện (SA) (Kirkpatrick, 1983), thuật toán Memetic (MA) (Moscato, 1989), thuật toán tối ưu đàn kiến (ACO) (Marco Dorigo, 1999), thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) (Kennedy và Eberhart, 1995)…

Ở phần này, ta nghiên cứu tối ưu vị trí và dung lượng thiết bị FACTS bằng thuật toán GA và PSO

1 Thuật toán tối ưu bầy đàn ( Particle Swarm Optimization – PSO)

1.1 Giới thiệu về PSO:

Thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) là một thuật toán tối ưu hóa ngẫu nhiên dựa trên một quần thể được phát triển bởi Kennedy và Eberhart, phỏng theo hành vi của các bầy chim hoặc các đàn cá Cũng giống như GA, PSO tìm kiếm giải pháp tối ưu bằng việc cập nhật các thế hệ Tuy nhiên, không giống như GA, PSO không có các thao tác tiến hóa như là lai ghép, đột biến… Năm 1987, thông qua việc quan sát quá trình chuyển động theo bầy đàn của bầy chim, đàn cá, Renolds đưa ra ba quy luật: tách biệt, sắp hàng và liên kết Từ nghiên cứu của Reynolds, Kennedy và Eberhart đưa ra thêm giả thuyết về quá trình tìm về tổ của bầy đàn theo các quy luật:

 Tất cả các phần tử trong bầy đàn đều có xu hướng chuyển động về tổ

 Mỗi phần tử đều ghi nhớ vị trí gần tổ nhất nó đã đạt tới

Tương tự như vậy, hai ông đưa giả thuyết về quá trình tìm mồi của bầy đàn trong một vùng không gian mà các phần tử trong bầy đàn đều biết thông tin về thức ăn cách bao xa và lưu trữ vị trí gần thức ăn nhất mà chúng đã đi tới Khi đó, cách tốt nhất để tìm kiếm thức ăn là theo sau những con (phần tử) đầu đàn – những con trong bầy gần chỗ thức ăn nhất Từ đó, hai ông đề xuất thuật toán PSO phỏng theo kịch bản này và sử dụng nó để giải các bài toán tối

ưu

1.2 Tối ưu vị trí và dung lượng thiết bị FACTS bằng thuật toán PSO:

Ở phần này, sử dụng thuật toán PSO, tối ưu vị trí và dung lượng thiết bị FACTS để đạt được chi phí lắp đặt thiết bị FACTS nhỏ nhất và cải thiện khả năng mang tải hệ thống (SL), trong khi thỏa các ràng buộc hệ thống điện, đối với trường hợp dùng một loại thiết bị FACTS

và trường hợp kết hợp nhiều loại thiết bị FACTS

Trường hợp dùng một loại thiết bị FACTS, các biến tối ưu là vị trí của nó trong mạng, các thiết lập của nó, chi phí lắp đặt Trường hợp kết hợp nhiều loại thiết bị FACTS, ngoài các biến trên, dạng của thiết bị FACTS cũng được xem là biến tối ưu

Các loại thiết bị FACTS được dùng trong phần này: TCSC, SVC và UPFC (mô hình kết hợp của một SVC tại một thanh cái và một TCSC trên đường dây trong cùng thanh cái)

Mô phỏng tính toán được dùng trong hệ thống IEEE 6, 30, 118 thanh cái và hệ thống thử nghiệm Nadu Electricity Board (TNEB) 69 thanh cái

Trong cả 2 trường hợp, ta coi rằng SL không thể tăng hơn một giới hạn sau khi lắp đặt một số lượng nhất định thiết bị FACTS và giá trị tối đa của SL, có thể đạt được khi không vi phạm các ràng buộc, là khả năng mang tải tối đa của hệ thống (MSL) Số lượng tối thiểu của thiết bị FACTS để đạt được MSL và chi phí lắp đặt tối ưu của thiết bị FACTS được xem xét trong cả 2 trường hợp

C là chi phí lắp đặt của thiết bị FACTS ($/kVAR)

Chi phí lắp đặt các thiết bị FACTS (theo dữ liệu của Siemens):

Chi phí được tối ưu với các ràng buộc dưới đây

Các ràng buộc điện áp thanh cái và dòng điện đường dây:

*

LINE BUS LINE BUS

Các giới hạn của thiết bị FACTS:

0.8 XL XTCSC 0.2 XL

Với: XTCSC là điện kháng thêm vào đường dây bằng cách đặt TCSC

XL là điện kháng tại đường dây đặt TCSC

QSVC là công suất phản kháng thêm vào thanh cái bằng cách đặt SVC

Các giới hạn dòng công suất:

Với: Pt là công suất tác dụng tính toán của thanh cái PQ

Pm là công suất tác dụng tính toán của thanh cái PV

Qt là công suất phản kháng tính toán của thanh cái PQ

net

P là công suất tác dụng lý thuyết của thanh cái PQ

net t

Q là công suất phản kháng lý thuyết của thanh cái PQ

V là biên độ điện áp tại thanh cái

 là góc pha điện áp tại thanh cái

1.2.2 Áp dụng PSO để tối ưu vị trí thiết bị FACTS:

PSO được xây dựng phỏng theo hành vi của các bầy chim hay đàn cá trong không gian

2 chiều Vị trí của mỗi phần tử được đại diện bởi mặt phẳng x-y với vị trí (Sx và Sy) và vận tốc dọc trục x (Vx) và vận tốc dọc trục y (Vy) Sự thay đổi của các phần tử được thể hiện bởi thông tin vị trí và vận tốc Bầy đàn tối ưu một hàm nhất định Mỗi phần tử biết giá trị tốt nhất của nó (Pbest) chứa các thông tin về vị trí và vận tốc Thông tin này là kinh nghiệm cá nhân của mỗi phần tử Ngoài ra, mỗi phần tử còn biết giá trị tốt nhất trong bầy (Gbest) trong tất cả

Pbest Mỗi phần tử cố gắng thay đổi vị trí của nó bằng cách xem xét vị trí hiện tại (Sx và Sy), vận tốc hiện tại (Vx và Vy), trí thông minh cá nhân (Pbest) và trí thông minh bầy đàn (Gbest) Công thức dưới đây dùng để tính toán vị trí và vận tốc trong mặt phẳng x-y: