TÌM HIỂU THIẾT BỊ SVC VÀ PHÂN BỐ TỐI ƯU THIẾT BỊ SVC TRÊN LƯỚI TRUYỀN TẢI

Lời đầu tiên, chúng tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắt nhất tới thầy Đặng Tuấn Khanh, người đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện tốt nhất để chúng tôi hoàn thành đồ án môn học 2 này. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong Bộ môn Hệ thống điện, Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức trong 4 năm học tập. Vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học đã là nền tản cho quá trình nghiên cứu làm đề tài đồ án môn học 2 này, và chúng còn là hành trang quý báu để chúng tôi bước vào đời một cách vững chắc và tự tin. Với vốn kiến thức, kinh nghiệm và thời gian còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót trong quá trình thực hiện đề tài luận văn. Tôi kính mong nhận được những ý kiến phê bình, đóng góp của quý thầy, cô để đồ án môn học 2 được hoàn thiệnLời đầu tiên, chúng tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắt nhất tới thầy Đặng Tuấn Khanh, người đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện tốt nhất để chúng tôi hoàn thành đồ án môn học 2 này. Chúng tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong Bộ môn Hệ thống điện, Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức trong 4 năm học tập. Vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học đã là nền tản cho quá trình nghiên cứu làm đề tài đồ án môn học 2 này, và chúng còn là hành trang quý báu để chúng tôi bước vào đời một cách vững chắc và tự tin. Với vốn kiến thức, kinh nghiệm và thời gian còn hạn chế nên không tránh khỏi những sai sót trong quá trình thực hiện đề tài luận văn. Tôi kính mong nhận được những ý kiến phê bình, đóng góp của quý thầy, cô để đồ án môn học 2 được hoàn thiện

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

Bộ môn Hệ thống điện - -

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC 2 TÌM HIỂU THIẾT BỊ SVC VÀ PHÂN BỐ TỐI ƯU THIẾT BỊ SVC TRÊN LƯỚI

TRUYỀN TẢI GVHD: Đặng Tuấn Khanh

TP.HCM, Tháng 06 năm 2016

Với vốn kiến thức, kinh nghiệm và thời gian còn hạn chế nên không tránh khỏi nhữngsai sót trong quá trình thực hiện đề tài luận văn Tôi kính mong nhận được những ý kiến phê bình, đóng góp của quý thầy, cô để đồ án môn học 2 được hoàn thiện hơn.

Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 06 năm 2015

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI.

Dương Công Vương 41204657

Nguyễn Hữu Khánh 41201638

1.

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN i

DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA ĐỀ TÀI ii

MỤC LỤC iii

PHẦN I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1 Lịch sử hình thành và phát triển của SVC 1

PHẦN II TÌM HIỂU VỀ SVC 4

1 Cấu tạo cơ bản của SVC 4

2 Xây dựng mô hình SVC ở chế độ xác lập 12

PHẦN III SỬ DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN GA TRONG LỰA CHỌN VÀ PHÂN BỐ TỐI ƯU THIẾT BỊ FACTS 19

1 GIỚI THIỆU 19

2 CÁC MÔ HÌNH CỦA FACTS 20

3 HÀM CHI PHÍ 22

4 TỐI ƯU VỊ TRÍ FACTS 24

5 THUẬT TOÁN DI TRUYỀN 25

5.1 Encoding ( mã hóa 25

6 NGHIÊN CỨU TRƯỜNG HỢP 30

7 KẾT LUẬN 31

8 PHỤ LỤC 32

PHẦN IV SỬ DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN PSO TRONG LỰA CHỌN VÀ PHÂN BỐ TỐI ƯU THIẾT BỊ FACTS 33

1 THUẬT TOÁN PSO 34

2 Lưu đồ giải thuật PSO 36

3 Biểu đồ lưu thông của thuật toán PSO: 37

4 KẾT QUẢ ÁP DỤNG THUẬT TOÁN PSO VÀO HỆ THỐNG ĐIỆN 40

5 KẾT LUẬN 46 PHẦN V TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

PHẦN I GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

2 Lịch sử hình thành và phát triển của SVC

Trong quá trình vận hành hệ thống điện, công suất phản kháng đóng vai trò điều khiển điện áp tại các nút Tại một nút tải trong hệ thống, nếu thiếu công suất phản kháng cung cấp cho tải, điện áp nút sẽ xuống thấp, gây ra hiện tượng sụt áp Ngược lại, khi cung cấp thừa công suất phản kháng, điện áp nút sẽ tăng cao, gây quá điện áp, làm giảm tuổi thọ hoặc hư hỏng cách điện của thiết bị Vì lý do đó, công suất phản kháng cần được giữ ổn định nhằm tăng tính ổn định hệ thống và giảm tổn hao công suất

Trước đây, việc điều chỉnh công suất phản kháng được thực hiện thông qua các thiết bị cókhả năng tiêu thụ hoặc sản sinh công suất phản kháng như tụ điện, cuộn kháng, máy bù đồng bộ Việc thay đổi công suất phản kháng thường được thực hiện thông qua các thiết

bị cơ khí (đối với tụ điện và cuộn kháng) và thay đổi dòng khích từ (đối với máy bù đồng bộ) Với cách điều khiển đơn giản như vậy, công suất phản kháng chỉ có thể được chỉnh thô, không thể chỉnh tinh đáp ứng phù hợp khi thay đổi tải

Ngày nay, khi các thiết bị điện tử công suất phát triển mạnh mẽ, sự ra đời và của các thiết

bị công suất lớn, điện áp cao tạo tiền đề cho sự ra đời của họ thiết bị FACTS-(Flexible

AC Transmission Systems), trong đó thiết bị bù tĩnh SCV (Static Var Compensators) được phát triển từ những năm 1970 Áp dụng SVC vào hệ thống điện mang mang lại nhiều lợi ích so với các thiết bị bù cổ điển:

Cải thiện điện áp hệ thống khi xảy ra sự cố ngắn mạch [hình 1.1]

Nâng cao giới hạn truyền tải của đường dây, hạn chế việc phát triển đường dây mới [hình1.2]

Cải thiện tính ổn định [hình 1.3]

Giảm tổn thất truyền tải

Thời gian đáp ứng nhanh [hình 1.4]

Hình 1.1: Cải thiện điện áp hệ thống khi xảy ra sự cố ngắn mạch.

Hình 1.2: nâng cao giới hạn truyền tải của đường dây

Hình 1.3: điện áp hệ thống được giới hạn (b) khi sử dụng SVC do khả năng hút công suất

phản kháng

Hình 1.4: thời gian xác lập của hệ thống sau khi xảy ra sự cố

PHẦN II TÌM HIỂU VỀ SVC

1 Cấu tạo cơ bản của SVC

SVC là thiết bị bù ngang, điều khiển công suất phản kháng bằng cách thay đổi góckích các Thyristor mắc ngược chiều nhau Một SVC cơ bản được cấu thành từ ba bộ phậnchính sau:

 Bộ điều khiển: là bộ sử lý trung tâm của SVC, bộ đièu khiển tiếp nhận các thông

số đồng bộ từ các máy đo, xuất các tín hiệu điều khiển góc kích Thyristor

 Bộ lọc sóng hài: quá trình đóng mở Thyristor sinh ra các sóng hài bậc cao, gây ảnhhưởng lên lưới điện Bộ lọc thông thấp có nhiệm vụ loại bỏ các sóng hài bậc cao, chỉ cho hài cơ bản phát lên lưới

 Thành phần cảm kháng: là thành phần tác động về mặt công suất phản kháng, có thể phát hay tiêu thụ công suất phản kháng tùy vào chế độ vận hành Thành phần này được cấu tạo từ hai bộ phận chính:

- TCR-Thyristor Controlled Reactor: đây là cuộn kháng có điều khiển lượng công suất phản kháng tiêu thụ trên XK bắng cách dùng thyristor để điều khiển dòng điện chạy qua XK

- TSR-Thyristor Switched Reactor: Đây là cuộn kháng đóng mở trực tiếp bằng thyristor

- TSC- Thyristor Switched Capacitor: Đây là tụ điện được đóng mở trực tiếp bằng Thyristor

Hình 2.1: sơ đồ đơn sợi một SVC cơ bản

1.1 Nguyên lý hoạt động của TCR

TCR được cấu tạo từ một cuộn kháng và hai Thyristor mắc ngược chiều nhau gọi

là van thyristor, mỗi thyristor đảm nhận đóng mở dòng điện trong nữa chu kỳ [hình 2.2a].Dòng điện qua cuộn kháng có thể được điều khiển từ 0 (khi van thyristor mở) đến giá trị đỉnh (khi van thyristor đóng) bằng cách thay đổi góc kích α (0 ≤ α ≤ π /2¿

Nếu đặt điện áp v=Vcosωtωtt lên TCR, dòng điện qua cuộn kháng có giá trị được tính như sau:

2 1

LF

V I

Từ 2.2 ta xây dựng được đặc tuyến ILF():

Hình 2.3: đặc tuyến ILF()Khi =0, dạng sóng dòng điện qua XK chỉ tồn tại sóng hài cơ bản với tần số là tần

số điện công nghiệp Tuy nhiên, khi ≠0, sóng dòng điện là dạng không liên tục, khi đó xuất hiện các hài bậc lẽ:

Hình 2.4: biên độ sóng hài thành phần của dòng điện qua TCR với góc kích αVới hệ thống điện xoay chiều ba pha, TCR thường được mắc kết hợp với nhau theo kiểu đấu tam giác Khi hệ thống mất cân bằng, dòng điện chạy mạch tam giác là những sóng hài bội 3, và không có dòng đổ ngược về nguồn Độ lớn của sóng hài được tạo ra có thể được làm giảm bằng nhiều cách khác nhau, trong đó cách thường được áp dụng nhất đó là mắc song song m.TCR lại với nhau (m2) (Hình 2.5) hoặc mắc 12 TCR tạo thành hai hệ 3 pha TCR giống nhau được đấu theo mô hình tam giác (Hình 2.6), một đầu được nối với nhau theo mô hình tam giác, đầu còn lại được nối với cuộn thứ cấp của máy biến áp Do điện áp của hai cuộn thứ cấp máy biến áp lệch nhau một góc 30o nên các sóng có bậc có dạng 6(2k  1) 1 và 6(2k  1) 1 được loại bỏ, như các hài bậc 5, bậc 7,bậc 17, bậc 19…tại tất cả các góc kích trễ pha thì dòng điện được tạo ra luôn luôn có dạng gần sin

Hình 2.5: Dạng sóng hài khi mắc 4 TCR song song.

Hình 2.6: 12 TCR mắc thành 2 hệ thống 3 pha và dạng sóng dòng điện.

Trên thực tế, các cách mắc TCR trên đều không loại bỏ hoàng toàn sóng hài đổ lênlưới, chính vì vậy, SVC được lắp thêm một bộ lọc thông thấp Bộ lọc này thông thường làcác bộ lọc LC hoặc RLC mắc song song với TCR.

1.2 Nguyên lý hoạt động của TSR.

TSR có cấu tạo giống TCR, bao gồm một cuộn kháng mắc nối tiếp với một khóa gồm 2 Thyristor mắc ngược chiều nhau Tuy nhiên, TSR thay đổi cảm kháng theo nấc Việc thay đổi theo nấc như một các chỉnh thô giá trị cảm kháng, giúp giảm độ lớn, dung lượng cuộn kháng của TCR, bên cạnh đó, tăng đọ chính xác trong việc điều chỉnh giá trinh công suất phản kháng phát/thu lên lưới điện

1.3 Nguyên lý hoạt động của TSC.

Một TSC 1 pha cơ bản được cấu tạo từ 1 tụ điện mắc nối tiếp với van Thyristor

Hình 2.7: cấu tạo cơ bản một TSC (a) và dạng sóng điện áp- dòng điện (b)

Do tụ điện khá nhạy cảm với các xung điện áp, các xung diện áp này có nguy cơ đánh thủng tụ Việc chuyển mạch của các van Thyristor có nguy cơ tạo ra các xung điện

áp Để giảm nguy cơ này, TSC được mắc thêm một cuộn kháng nhỏ để ngăn xung dòng điện bên cạnh đó, TSC điều chỉnh giá trị dung kháng theo nấc, giảm số lần chuyển mạch của van Thyristor

Khi xác lập, Nếu đặt vào 2 cực TSC một điện áp xoay chiều v=Vsωtinωtωtt , khi khóa Thyristor đóng, dòng điện qua tụ điện C có giá trị:

2 cos1

X LC



(2.6)Mặt khác, dòng điện qua tụ điện có dạng:

C

dv

i C dt



(2.7)Biên độ điện áp trên tụ điện trong TSC:

1.4 Nguyên lý hoạt động của SVC.

Như đã nói ở trên, SVC cơ bản bao gồm TCR,TSR,TSC mắc song song với nhau TSC và TSR được điều chỉnh theo nấc như là chỉnh thô, còn TCR được chỉnh nhuyễn để chỉnh tih giá trị công suất phản kháng mà SVC thu hoặc phát vào lưới điện

Hình 2.8: sơ đồ 3TSC-TCR(a) và công suất phản kháng(b)

Một bộ SVC được cấu tạo từ 3TSC và 1 TCR sề cung cấp vào lưới điện một lượng công suất phản kháng:

2.1 Mô hình điều khiển điện áp.

Hình III.10: Mô hình SVC điều khiển điện áp

Trên quan điểm vận hành, SVC có thể được xem như một điện kháng có thể thay đổi được, mắc song song để thu hoặc phát công suất phản kháng nhằm điều chỉnh điện điện áp tại điểm nối với đường truyền tải (Hình 2.10)

Gọi biên độ điện áp đặt là V ref

, trong hệ đơn vị tương đối giá trị V ref

thường nắm trong khoảng giới hạn giữa 0.95 và 1.05 và độ dốc k được giới hạn giữa 1% đến 10%

Hình III.11: Đặc tính VI của SVC

Từ đường đặc tính trên ta xây dựng được phương trình (2.14), bằng các phép biến đổi đơn giản phương trình (2.14) ta thu được phương trình (2.16) đây chính là phương trình điều khiển điện áp của SVC ở trạng thái xác lập

.

h ref SVC

V  V  k I

(2.14)cos( )

Trên thực tế, tổn thất công suất tác dụng của SVC là rất nhỏ nên có thể bỏ qua, do đó ta

có được phương trình thứ hai của SVC

(2.22)Vậy mô hình SVC điều khiển điện áp trong chế độ xác lập được thể hiện qua hai phương trình trong hệ sau:

2,

cos( )

2.2 Xây dựng mô hình điều khiển dòng công suất.

Hình III.12: Mô hình SVC điều khiển dòng công suất phản kháng

Công suất tại nút SVC gắn vào Q h Q ref

Hệ phương trình điều khiển dòng công suất phản kháng ở chế độ xác lập được xây dựng như sau:

00

2 1,

Hình III.13: Mô hình SVC trường hợp vi phạm giới hạn hoạt động

Từ đường đặc tính hình 2.13 ta thấy rằng giới hạn hoạt động của SVC có liên quan đến giá trị điện nạp của SVC Điện nạp của SVC nhìn từ nút cao áp SVC có thể được biểu diễn theo điện áp nút

SVC SVCk

h

I B

V



(2.29)Giới hạn hoạt động của SVC có thể được thực hiện thông qua biểu thức sau:

Trong đó:

B k là giới hạn điện nạp điện dung của SVC thứ k.

Khi một trong hai điều kiện giới hạn trên bị vi phạm thì phương trình f 1svc không còn đúng, SVC được xem như là một tụ điện hay một cuộn kháng mắc song song với giá trị điện nạp tới hạn

Bảng III.1 Tóm tắt các mô hình điều khiển của SVCChế độ điều khiển Phương trình thứ nhất Phương trình thứ hai

Điều khiển điện áp 1,

PHẦN III SỬ DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN GA TRONG LỰA CHỌN VÀ PHÂN BỐ TỐI ƯU THIẾT BỊ

FACTS

Tóm tắt

Bài viết này đề cập đến lựa chọn tối ưu và phân phối thiết bị FACTS ( Flexible AC

Transmission Systems) trong hệ thống điện dùng thuật toán di truyền Mục tiêu là đạt được tính kinh tế cho hệ thống điện trong việc phát và truyền tải điện Với phương pháp được đề xuất, vị trí của các thiết bị FACTS, kiểu loại và giá trị của chúng được đánh giá đồng thời Các thiết bị FACTS được mô phỏng trong nghiên cứu này bao gồm:TCSC và SVC Hơn nữa, chi phí đầu tư cũng được xem xét Kết quả mô phỏng chỉ ra hiệu quả của phương pháp này trong việc giảm thiểu hàm chi phí của hệ thống tổng thể, bao gồm chi phí phát sinh và chi phí đầu tư các thiết bị FACTS Thuật toán được đề xuất là một

phương pháp hiệu quả và thực tế cho việc chọn lựa và phân bố thiết bị FACTS trong các

hệ thống điện lớn

1 GIỚI THIỆU

Trong những năm gần đây, với sự điều chỉnh của thị trường điện, các quan niệm truyền thống và thực tế liên quan đến hệ thống điện đã có nhiều thay đổi Hệ thống điện hiện tại có thể được sử dụng hiệu quả hơn bằng việc cài đặt các thiết bị FACTS

Các thông số và biến của đường dây truyền tải, như trở kháng đường dây, điện áp đầucuối và góc điện áp có thể điều khiển bởi thiết bị FACTS một cách nhanh chóng và hiệu quả Lợi ích mà FACTS đem lại bao gồm việc cải thiện khả năng xử lý từ đó nâng cao độtin cậy hệ thống Tuy nhiên chức năng chính của chúng là điểu khiển dòng công suất Nếuđặt tại địa điểm tối ưu, thiết bị FACTS có khả năng nâng cao khả năng chịu quá tải Các phương diện này đóng vai trò chính trong việc nâng cao hoạt động và điều khiển hệ thống điện

Nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để tìm ra địa điểm tối ưu cho các thiết bị FACTS.Tuy nhiên, chi phí đầu tư FACTS và chi phí phát điện hầu như chưa được xem xét

Mục đích của bài này là phát triển một thuật toán để tìm và chọn vị trí tốt nhất cho các thiết bị FACTS Do đó, hàm chi phí tổng thể, trong đó bao gồm các chi phí phát sinh các nhà máy điện và chi phí đầu tư của FACTS được giảm thiểu đáng kể

Các thiết bị FACTS khác nhau và các địa điểm khác nhau của nó sẽ có lợi thế khác nhau Trong việc thực hiện các mục tiêu đề xuất, các loại thiết bị FACTS phù hợp, vị trí của và giá trị của nó phải được xác định cùng một lúc.Vấn đề phân tích tổ hợp này được giải quyết bằng cách sử dụng thuật toán di truyền.

Bài viết này bao gồm: Sau phần giới thiệu, các mô hình khác nhau của FACTS được

mô tả trong phần 2 Sau đó, trong phần 3, các thuật toán di truyền cho việc tối ưu vị trí củaFACTS sẽ được thảo luận chi tiết Các kết quả mô phỏng được đưa ra trong phần 4 Cuối cùng, kết luận ngắn gọn được đưa ra

2 CÁC MÔ HÌNH CỦA FACTS

2.1 FACTS Devices

Trong bài báo này, bốn thiết bị FACTS điển hình đã được chọn:

TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor),

SVC (Static Var Compensator)

Sơ đồ khối của chúng được thể hiện trong hình 1

Hình 3.1: Sơ đồ khối TCSC và SVC

Như thể hiện trong hình 1, điện kháng của các dòng có thể được thay đổi bằng TCSC

Dòng công suất Pij thông qua đường dây truyền tải i-j là một hàm liên quan đến trở kháng Xij, điện áp hai đầu Vi, Vj và góc điện áp giữa đầu phát và đậu nhận (δi − δδj )

2.2 Mô hình toán của các thiết bị FACT

Các mô hình toán học của các thiết bị FACTS được phát triển chủ yếu để thực hiện các nghiên cứu trạng thái ổn định Do đó TCSC được mô hình hóa để thay đổi điện kháng truyền trực tiếp SVC, là mô hình sử dụng phương pháp tiêm điện.Hơn nữa mô hình TCSC đã được tích hợp vào mô hình của đường dây truyền tải Trong khi đó, mô hình SVC chỉ được đưa vào cuối đầu phát một yếu tố shunt của đường dây truyền tải

Các mô hình toán học của FACTS, như thể hiện trong hình 2, được thực hiện trong Matpower 2.0

Hình 3.2: Mô hình toán học của TCC và SVC

Các TCSC có thể bù điện dung hay cảm ứng tương ứng bằng cách thay đổi điện kháng của đường dây truyền tải Trong mô phỏng này, điện kháng của đường dây truyền tải được điều chỉnh trực tiếp bởi TCSC Giá trị của TCSC là một hàm của điện kháng

đường truyền nơi TCSC được đặt:

ΔQQis=QSVC

3 HÀM CHI PHÍ

Như đã đề cập ở trên, mục tiêu chính của nghiên cứu này là để tìm địa điểm tối ưu của các thiết bị FACTS để giảm thiểu hàm chi phí tổng thể bao gồm các chi phí phát sinh và chi phí đầu tư các thiết bị FACTS

Để giảm thiểu các chi phí phát trong hệ thống điện, thuật toán được phát triển tốt và đang được sử dụng Trong phần này, phần mềm mô phỏng điện: Matpower 2.0 được sử dụng.Đối với các nghiên cứu dự định, Matpower đã được mở rộng bởi sự kết hợp các mô hình

3.2 Hàm chi phí mua FACTS

Dựa trên cơ sở dữ liệu của Siemens AG, các hàm chi phí SVC, TCSC đang được phát triển

Trong đó:

Đơn vị của C1TCSC và C1SVC là [US$ / kVAr] và s là phạm vi hoạt động của các thiết bị FACTS tính bằng MVAr Hàm chi phí cho SVC, TCSC được thể hiện trong Hình 3

4 TỐI ƯU VỊ TRÍ FACTS

Việc xây dựng phân bố tối ưu các thiết bị FACTS có thể được thể hiện như sau:

min c Total c f1 ( ) c P2 ( )G

s.t 1 1 2 2

( , ) 0( ) , ( )

+ E f g( , ):các phương trình dòng điện thông thường

+ B f1 ( )và B f2 ( )là những ràng buộc cho thiết bị FACTS và các dòng công suất thông thường tương ứng

+ f và PG là vectơ đại diện cho các biến của FACTS và công suất đầu ra của máy phát điện

+ g thể hiện trạng thái hoạt động của hệ thống điện

Các đơn vị cho chi phí phát là [US$/giờ] và cho chi phí đầu tư các thiết bị FACTS là [US$]

Thông thường, các thiết bị FACTS sẽ được sử dụng trong nhiều năm Tuy nhiên, chỉ một phần đời của nó được dùng để điều chỉnh dòng công suất Trong bài viết này, ba năm là khoảng thời gian được áp dụng để đánh giá hàm chi phí Vì thế giá trị trung bình của chi phí đầu tư được tính toán sử dụng phương trình sau: