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 (ThyristorNgày 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
ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH 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 TÌM HIỂU THUẬT TỐN GA VÀ PSO TRONG VIỆC TÍNH TỐN VỊ TRÍ ĐẶT VÀ DUNG LƯỢNG TỐI ƯU CỦA THIẾT BỊ TCSC GVHD: ThS Đặng Tuấn Khanh SVTH: Nguyễn Trọng Tuấn Hoàng Minh Triết Nguyễn Tri Khánh 41204295 41204004 41201645 TP.HCM, Tháng năm 2016 ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH MỤC LỤC A KIẾN THỨC TỔNG QUAN ĐẶT VẤN ĐỀ .3 TỔNG QUAN VỀ NGÀNH ĐIỆN VIỆT NAM 2.1 Lịch sử phát triển ngành điện Việt Nam 2.2 Sản xuất điện 2.3 Thị trường điện 2.4 Lưới điện quốc gia TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS .8 3.1 Công nghệ FACTS 3.2 Lý thuyết FACTS 3.3 Phân loại thiết bị FACTS .10 3.4 Lợi ích sử dụng thiết bị FACTS 12 3.5 Một số thiết bị FACTS 12 TCSC 14 4.1 Cấu tạo TCSC 14 4.2 Lý thuyết TCSC .15 4.3 Bảo vệ TCSC 15 4.4 Mơ hình hóa TCSC 15 4.5 Xây dựng mơ hình toán học TCSC 16 B PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG THIẾT BỊ FACTS 18 THUẬT TOÁN TỐI ƯU BẦY ĐÀN (PSO) .18 1.1 Giới thiệu PSO 18 1.2 Tối ưu vị trí dung lượng thiết bị thuật toán PSO 19 1.3 Kết 25 1.4 Kết luận 31 THUẬT TOÁN GEN DI TRUYỀN (GA) 32 2.1 Hàm mục tiêu 32 2.2 Tối ưu vị trí dung lượng thiết bị dùng thuật toán gen di truyền 34 2.3 Kết 40 2.4 Kết luận 42 C TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG A GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH KIẾN THỨC TỔNG QUAN Đặt vấn đề Ngày ngành điện nhiều nước giới cải tổ, tham gia vào thị trường điện tự mang lại hiệu kinh tế định Giữa nhà máy điện có cạnh tranh làm giảm giá thành sản xuất điện Bên cạnh lợi ích mang lại, hạn chế việc cung cấp điện chưa thật ổn định, cơng suất truyền tải hạn chế tổn thất điện cao hệ thống Tất nhiên, hạn chế lại gia tăng hệ thống điện chưa tham gia vào thị trường điện cạnh tranh Để giải hạn chế trên, số nước phát triển Mỹ, Canada, Brasil sử dụng công nghệ FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) lưới truyền tải FACTS hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt sử dụng thiết bị điện tử công suất hoạt động chế độ tự động với dòng điện điện áp cao, cho phép điều khiển để ổn định điện áp hệ thống nhanh chóng, góc pha, trở kháng đường dây gần tức thời Ngồi cho phép đường dây vận hành gần với mức giới hạn nhiệt đường dây truyền tải Các loại cơng nghệ FACTS, phân loại FACTS làm loại sau: - Loại nối tiếp TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitors): điều khiển dòng, ngăn cản dao động, tăng ổn định động 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 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 tĩnh cho hệ thống - Loại kết hợp nối tiếp với song song UPFC (Unified Power Flow Controller): điều khiển công suất tác dụng phản kháng, điều khiển điện áp, bù công suất phản kháng, tăng ổn định động 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 vấn đề sau: - Sử dụng thiết bị điện tử công suất biến đổi điều biến xung băng rộng (PWM) - Phương pháp điều khiển sử dụng xử lý tín hiệu số (DSP) cơng nghệ vi xử lý Lợi ích sử dụng cơng nghệ FACTS: - Điều khiển công suất theo yêu cầu - Tăng khả tải đường dây đến gần giới hạn nhiệt - Tăng độ an toàn tin cậy cho hệ thống, giảm tổn thất đường dây - Cung cấp điện an toàn cho đường dây liên kết vùng, giảm cơng suất dự phòng phía - Giảm cơng suất phản kháng, cho phép tải công suất tác dụng nhiều đường dây - Tạo linh hoạt việc lựa chọn địa điểm để xây dựng nhà máy điện giảm chi phí giải phóng mặt bằng, xây dựng đường dây - Nâng cao hiệu cho ngành điện với chi phí sản xuất điện thấp ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH Kết luận: Ngoại trừ loại SVC, cơng nghệ FACTS nói chung mẻ Loại SVC sử dụng nhiều nơi giới tính vận hành kinh tế hiệu Trong thị trường điện cạnh tranh, FACTS giúp cho người điều hành hệ thống lưới điện giải việc tắc nghẽn tải hệ thống vận hành cách tối ưu nhất, giảm giá thành sản xuất điện, đảm bảo an toàn tin cậy hệ thống Trong số trường hợp đặc biệt, FACTS sử dụng để tối ưu hoá việc vận hành kết hợp nhà máy thủy điện nhiệt điện Đối với ngành Điện Việt Nam, dần tiến đến thị trường điện cạnh tranh vào năm tới Vì vậy, để đảm bảo cho việc vận hành tối ưu hệ thống, thiết nghĩ từ phải xem xét đến công nghệ FACTS việc ứng dụng cho lưới truyền tải nước ta, đặc biệt nơi việc giải phóng mặt khó khăn thành phố lớn nơi yêu cầu cung cấp điện an toàn tin cậy cao Tuy nhiên, thiết bị FACTS đắt so với tình hình kinh tế nước ta nay, vậy, xem xét sử dụng cơng nghệ này, cần phải phân tích kinh tế kỹ thuật để lựa chọn cho phù hợp Hy vọng năm không xa, thiết bị FACTS xuất lưới truyền tải Việt Nam, góp phần đảm bảo cung cấp điện ngày an toàn tin cậy hệ thống Trong phạm vi viết này, chúng tơi xin trình bày cách tổng quan kiến thức thu thập FACTS Trong sâu vào nghiên cứu loại FACTS cụ thể, TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) Nội dung nghiên cứu cấu tạo TCSC, mơ hình TCSC thuật tốn tìm vị trí dung lượng đặt TCSC để tối ưu hoá hệ thống điện Do bị giới hạn thời gian tìm hiểu tài liệu tham khảo, trình độ kiến thức có hạn người viết nên báo cáo tránh khỏi thiếu sót định Mong nhận góp ý, bổ sung chỉnh sửa thầy cô, chuyên gia bạn am hiểu lĩnh vực để giúp cho tài liệu đạt hoàn thiện Chúng tơi xin chân thành cảm ơn! Tổng quan ngành điện Việt Nam 2.1 Lịch sử phát triển ngành điện Việt Nam Tiêu thụ điện Việt Nam tiếp tục gia tăng để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế xã hội đất nước Về cấu tiêu thụ điện, công nghiệp tiếp tục ngành chiếm tỉ trọng tiêu thụ điện nhiều với tốc độ tăng từ 47.4% lên đến 52% tổng sản lượng tiêu thụ điện tương ứng năm 2006 2010 Tiêu thụ điện hộ gia đình chiếm tỉ trọng lớn thứ hai có xu hướng giảm nhẹ tốc độ cơng nghiệp hoá nhanh Việt Nam, từ 42.9% năm 2006 thành 38.2% năm 2010 Phần lại dịch vụ, nơng nghiệp ngành khác chiếm khoảng 10% tổng sản lượng tiêu thụ điện Bảng Tiêu thụ điện theo ngành khoảng thời gian 2006-2010 (Nguồn: Tổng sơ đồ VII) 2005 2006 2007 2008 2009 (%) (%) (%) (%) (%) Nông nghiệp 1.3 1.1 1.0 1.0 0.9 Công nghiệp 45.8 47.4 50 50.7 50.6 Dịch vụ (Thương mại, khách sạn nhà hàng) 4.9 4.8 4.8 4.8 4.6 Quản lý tiêu dùng dân cư 43.9 42.9 40.6 40.1 40.1 Khác 4.1 3.8 3.7 3.5 3.7 STT Danh mục ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH Tốc độ tăng tiêu thụ điện vượt xa tốc độ tăng trưởng GDP ký Ví dụ thời gian 1995-2005 tốc độ tăng tiêu thụ điện hàng năm 14.9% tốc độ tăng trưởng GDP 7.2% Tốc độ tăng tiêu thụ điện cao thuộc ngành cơng nghiệp (16.1%) sau hộ gia đình (14%) Trong tương lai, theo Tổng sơ đồ phát triển điện quốc gia (Tổng sơ đồ VII), nhu cầu điện Việt Nam tiếp tục tăng từ 14-16%/năm thời kỳ 2011-2015 sau giảm dần xuống 11.15%/năm thời kỳ 2016-2020 7.4-8.4%/năm cho giai đoạn 2021-2030 2.2 Sản xuất điện Để đáp ứng nhu cầu điện năng, Chính phủ Việt Nam đề mục tiêu cụ thể sản xuất nhập cho ngành điện Trong Tổng sơ đồ VII cho giai đoạn 2010-2020 tầm nhìn 2030 mục tiêu bao gồm: 1) Sản xuất nhập tổng cộng 194-210 tỉ kWh đến năm 2015, 330-362 tỉ kWh năm 2020, 695-834 tỉ kWh năm 2030; 2) Ưu tiên sản xuất điện từ nguồn lượng tái tạo cách tăng tỷ lệ điện sản xuất từ nguồn lượng từ mức 3.5% năm 2010 lên 4.5% tổng điện sản xuất vào năm 2020 6% vào năm 2030; 3) Giảm hệ số đàn hồi điện/GDP từ bình qn 2.0 xuống 1.5 năm 2015 1.0 năm 2020; 4) Đẩy nhanh chương trình điện khí hố nơng thơn miền núi đảm bảo đến năm 2020 hầu hết số hộ dân nông thôn có điện; Các chiến lược áp dụng để đạt mục tiêu nói đề bao gồm: 1) Đa dạng hoá nguồn sản xuất điện nội địa bao gồm nguồn điện truyền thống (như than ga) nguồn (như Năng lượng tái tạo điện nguyên tử); 2) Phát triển cân đối công suất nguồn miền: Bắc, Trung Nam, đảm bảo độ tin cậy cung cấp điện hệ thống điện miền nhằm giảm tổn thất truyền tải, chia sẻ công suất nguồn dự trữ khai thác hiệu nhà máy thuỷ điện mùa; 3) Phát triển nguồn điện đôi với đổi công nghệ nhà máy vận hành; 4) Đa dạng hố hình thức đầu tư phát triển nguồn điện nhằm tăng cường cạnh tranh nâng cao hiệu kinh tế; Cơ cấu nguồn điện cho giai đoạn 2010-2020 tầm nhìn 2030 đề Tổng sơ đồ VII tóm tắt bảng bên Nguồn điện quan trọng than nhiệt điện Điện nguyên tử lượng tái tạo chiếm tỉ trọng tương đối cao vào giai đoạn 2010-2020 dần trở nên tương đối quan trọng giai đoạn 2020-2030 Thuỷ điện trì thị phần khơng đổi giai đoạn 2010-2020 2020-2030 thuỷ điện gần khai thác hết toàn quốc Bảng Cơ cấu nguồn điện theo công suất sản lượng cho giai đoạn 2010-2020 tầm nhìn 2030 2020 2030 Thị phần Thị phần Tổng công tổng tổng suất lắp công suất lắp sản lượng đặt (MW) đặt (%) điện (%) Thị phần Thị phần Tổng công tổng tổng suất lắp công suất lắp sản lượng đặt (MW) đặt (%) điện (%) STT Nguồn điện Nhiệt điện than 36,000 48.0 46.8 75,000 51.6 56.4 Nhà máy nhiệt điện tua bin khí 10,400 13.9 20.0 11,300 7.7 10.5 ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH Nhà máy nhiệt điện chạy tua bin khí LNG 2,000 2.6 4.0 6,000 4.1 3.9 Nhà máy thuỷ điện 17,400 23.1 19.6 N/A 11.8 9.3 Nhà máy thuỷ điện tích 1,800 2.4 5,700 3.8 Nhà máy điện sinh khối 500 5.6 2,000 9.4 6.0 Nhà máy điện gió 1,000 Nhà máy điện nguyên tử N/A N/A 2.1 10,700 6.6 10.1 Nhập 2,200 3.1 3.0 7,000 4.9 3.8 Total 75,000 100 100 146,800 100 100 4.5 6,200 Nguồn: Tóm tắt thơng tin Tổng sơ đồ VII Cụ thể vào năm 2020, cấu nguồn điện liên quan đến sản lượng 46.8% cho nhiệt điện than, 19.6% cho thuỷ điện thuỷ điện tích năng, 24% cho nhiệt điện chạy khí khí LNG, 4.5% cho Năng lượng tái tạo, 2.1% cho lượng nguyên tử 3.0% từ nhập từ quốc gia khác (xem Hình bên dưới) Hình Cơ cấu nguồn điện năm 2020 2.3 Thị trường điện Cho đến năm 2010 thị trường Điện Việt nam dạng độc quyền với Tập đồn Điện lực Việt Nam (EVN), cơng ty nhà nước, nắm giữ 71% tổng lượng điện sản xuất, nắm toàn khâu truyền tải, vận hành hệ thống điện, phân phối kinh doanh bán lẻ điện Để huy động vốn đầu tư phát triển ngành điện Chính phủ Việt Nam thơng qua cách tiếp cận giá điện vận hành theo chế theo thị trường theo đuổi mục tiêu bảo vệ môi trường với danh mục đầu tư khác cho nguồn điện khác Chính phủ Việt Nam đặt mục tiêu phát triển thị trường điện cạnh tranh nhằm nâng cao việc sử dụng hiệu nguồn cung điện bối cảnh kinh tế thị trường Theo Dự thảo chi tiết phát triển thị trường Điện cạnh tranh, ngành điện phát triển qua ba giai đoạn: ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH 1) Thị trường phát điện cạnh tranh (2005-2014): cơng ty sản xuất điện chào bán điện cho người mua nhất; 2) Thị trường bán buôn điện (2015-2022): công ty bán buôn điện cạnh tranh để mua điện trước bán cho công ty phân phối điện; 3) Thị trường bán lẻ điện cạnh tranh từ năm 2022 trở đi: người mua điện lựa chọn cho nhà cung cấp Giá điện Việt nam năm 2010 VND1,058 - 1,060/kWh (~ 5.3 US cents/kWh) Năm 2011 tỉ giá hối đối tăng cao, giá điện tương đương với US cents/kWh Theo Chính phủ, giá điện điều chỉnh năm theo Quy định số 21 Chính phủ xem xét thời điểm tăng thích hợp để đảm bảo ảnh hưởng đến tình hình kinh tế xã hội nói chung tình hình sản xuất bà 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 bên tham gia vào thị trường phát điện Việt Nam công ty Nhà nước Tập đoàn Điện lực Việt nam (EVN), Tập đoàn Dầu khí Viêt Nam (PVN), Tập đồn Than Khống sản Việt Nam (VINACOMIN) nhà sản xuất điện độc lập (IPPs) dự án BOT nước ngồi Các cơng ty Nhà nước chiếm thị phần lớn sản xuất điện Ví dụ vào cuối năm 2009, tổng cơng suất lắp đặt nguồn điện Việt Nam 17.521MW số nguồn điện thuộc sở hữu Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) 53%, Tập đồn Dầu khí Việt Nam (PVN) 10% VINACOMIN 3.7% Các nhà sản xuất điện độc lập (IPP) dự án BOT nước chiếm 10.4% tổng công suất lắp đặt năm 2009 2.4 Lưới điện quốc gia Lưới điện quốc gia vận hành với cấp điện áp cao áo 500kV, 220kV 110kV cấp điện áp trung áp 35kV 6kV Toàn đường dây truyền tải 500KV 220KV quản lý Tổng Công ty Truyền tải điện quốc gia, phần lưới điện phân phối cấp điện áp 110kV lưới điện trung áp cấp điện áp từ 6kV đến 35kV công ty điện lực miền quản lý Để đảm bảo nhu cầu điện quốc gia tương lai, Việt Nam có kế hoạch phát triển lưới quốc gia đồng thời với phát triển nhà máy điện nhằm đạt hiệu tổng hợp đầu tư, đáp ứng kế hoạch cung cấp điện cho tỉnh, nâng cao độ tin cậy hệ thống cung cấp điện khai thác hiệu nguồn điện phát triển, hỗ trợ chương trình điện khí hố nông thôn thiết thực chuẩn bị cho phát triển hệ thống điện tương lai Theo Tổng sơ đồ VII, cho giai đoạn 2010-2020 tầm nhìn 2030 trạm đường dây truyền tải điện bổ sung đáng kể vào hệ thống (xem Bảng 3) Bảng Số lượng đường dây trạm điện 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) ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH Tổng quan công nghệ FACTS Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (Flexible Alternating Current Transmission System hay FACTS hệ thống bao gồm thiết bị tĩnh để sử dụng cho việc truyền tải dòng điện xoay chiều FACTS dùng để nâng cao khả điều khiển hệ thống điện tăng khả truyền tải công suất đường dây FACTS định nghĩa IEEE là: “Hệ thống sử dụng thiết bị điện tử công suất thiết bị tĩnh khác để điều khiển nhiều thông số hệ thống đường dây tải điện xoay chiều, qua đó, nâng cao khả điều khiển khả truyền tải công suất” 3.1 Công nghệ FACTS FACTS kết nối với hệ thống điện theo kiểu nối tiếp (bù dọc, series) bù song song (bù ngang, shunt) kết hợp hai phương thức Các đường dây truyền tải điện dài sinh điện kháng ký sinh nối tiếp dọc đường dây Do đó, truyền tải cơng suất lớn gây tổn thất điện áp đường dây Để bù điện kháng ký sinh này, người ta đặt tụ bù dọc đường dây Trong trường hợp này, FACTS có tác dụng nguồn áp Hệ thống điện nối shunt với thiết bị FACTS Trường hợp này, FACTS đóng vai trò nguồn dòng 3.1.1 Bù song song Bù song song có hai loại: Bù điện dung Phương pháp dùng để nâng cao hệ số công suất Khi tải có tính cảm nối với hệ thống, hệ số công suất bị giảm xuống trễ pha dòng điện Để bù cảm kháng này, người ta lắp tụ điện nối song song với tải, việc kéo dòng điện lên sớm pha so với điện áp Và kết hệ số công suất nâng cao Bù điện cảm Phương pháp dùng để bù trường hợp đóng điện đường dây không tải non tải cuối đường dây Khi khơng tải tải nhỏ, có dòng nhỏ chạy đường dây Trong đó, điện dung ký sinh đường dây, đặc biệt với đường dây dài lại có giá trị lớn Việc sinh áp đường dây (hay gọi hiệu ứng Ferranti) Điện áp cuối đường dây tăng gấp đơi điện áp nguồn tới (trong trường hợp đường dây dài) Để bù điện dung ký sinh này, người ta lắp điện cảm song song dọc đường dây Đường dây khơng có tổn thất ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH 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 chủ yếu Các trường hợp bù nối tiếp thấy sử dụng thực tế truyền tải nước ta Vì khơng phải nội dung báo cáo, nên người viết xin khơng sâu vào vấn đề 3.2 Lý thuyết FACTS Trong trường hợp đường dây khơng có tổn thất, giá trị điện áp nhận cuối đường dây thường gần giá trị đầu đường dây: Vs = Vr = V Trong q trình truyền tải, xuất góc lệch pha delta δ , phụ thuộc vào giá trị trở kháng X Vì đường dây khơng có tổn thất nên công suất tác dụng P điểm đường dây: Công suất phản kháng đầu đường dây khác dấu với công suất phản kháng cuối đường dây: Khi giá trị δ nhỏ, công suất truyền tải đường dây phụ thuộc chủ yếu vào giá trị δ Trong đó, cơng suất phản kháng phụ thuộc chủ yếu vào độ lớn điện áp hai đầu ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH Khi bù nối tiếp Các tụ bù nối tiếp FACTS thay đổi điện kháng đẳng trị đường dây: X giảm tăng khả truyền tải công suất tác dụng đường dây Tuy nhiên, nguồn điện phải cung cấp thêm công suất phản kháng Khi bù song song Công suất phản kháng đưa lên đường dây để trì giá trị điện áp Khả truyền tải công suất tác dụng đường dây tăng lên 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 cho phép thay đổi tổng trở đường dây tụ điện, điện kháng, biến đổi nguồn có tần số tần số lưới nhờ thiết bị bán dẫn công suất Về nguyên lý, tất thiết bị điều khiển nối tiếp cung cấp tiêu thụ công suất phản kháng biến đổi Ứng dụng FACTS tụ bù nối tiếp (sơ đồ mạch) Static Synchronous Series Compensator (hay SSSC): Tụ bù đồng kiểu tĩnh Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC): thiết bị mắc nối tiếp với đường dây; gồm tụ điện nối song song với điện cảm điều khiển cách thay đổi góc mở thyristor Thyristor Controlled Series Reactor (TCSR): thiết bị mắc nối tiếp với nhau; gồm điện kháng nối song song với điện kháng khác điều khiển thyristor Thyristor Switched Series Capacitor (TSSC): thiết bị gồm tụ đóng mở khóa thyristor Thyristor Switched Series Reactor (TSSR): thiết bị gồm kháng đóng mở khóa thyristor 10 ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH Bảng trình bày MSL (trong trường hợp dùng loại thiết bị kết hợp nhiều thiết bị) chi phí lắp đặt tối ưu Hình biểu diễn biến khả mang tải hệ thống với số lượng thiết bị FACTS tương ứng MSL đạt TCSC, SVC, UPFC trường hợp kết hợp nhiều thiết bị biểu diễn điểm “A”, “B”, “C” “D” hình Sau đặt 32 thiết bị, ta không xét cải thiện SL Trong hệ thống, UPFC đạt giá trị MSL lớn chi phí cao Kết hợp nhiều thiết bị mang lại giá trị MSL cao trường hợp dùng TCSC SVC, chi phí lại thấp Và SVC có MSL thấp Kết đạt hệ thống IEEE 118 so sánh với kết [8] trình bày Bảng Giá trị MSL số lượng thiết bị FACTS cần thiết gần với kết [8] trường hợp dùng TCSC trường hợp kết hợp nhiều thiết bị Nhưng trường hợp dùng SVC, số lượng thiết bị SVC cần thiết để đạt MSL so với [8] Hệ thống TNEB 69 cái: Bảng 5: Loại thiết bị TCSC SVC UPFC Kết hợp nhiều loại thiết bị MSL (%) 131 116 124 130 N 33 33 35 IC (*106 $) 21.1 32.2 35.4 55.0 Hình Dữ liệu liệu đường dây lấy từ [9] có 99 đường dây Bảng gồm MSL, số lượng thiết bị FACTS cần thiết để đạt MSL chi phí lắp đặt Hình biểu diễn kết đạt hệ thống TNEB 69 Từ số liệu, ta thấy TCSC đạt giá trị MSL cao so sánh với tất trường hợp chi phí lắp đặt thấp Trong trường hợp dùng UPFC, số lượng thiết bị cần thiết với MSL=124% Trường hợp dùng SVC có MSL thấp (116%) Trường hợp kết hợp nhiều thiết bị FACTS có giá trị MSL cao (130%) chi phí lắp đặt cao 29 ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH Các giá trị MSL TCSC, SVC, UPFC kết hợp nhiều thiết bị biểu thị điểm “A”, “B”, “C” “D” hình Hình 6: Sơ đồ sợi hệ thống TNEB 69 30 ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH Các thơng số PSO: Kích thước quần thể (Np) hệ thống IEEE 6, 30, 118 hệ thống TNEB 69 20, 30, 50 30 Số vòng lặp tối đa (Ni) hệ thống 50, 75, 100 100 2.2.4 Kết luận: Trong phần này, tối ưu vị trí thiết bị FACTS nhầm cực tiểu chi phi lắp đặt thiết bị FACTS cải thiện khả mang tải hệ thống, xét trường hợp dùng loại thiết bị FACTS trường hợp kết hợp nhiều thiết bị FACTS, cách sử dụng kỹ thuật PSO Mô thực hệ thống IEEE 6, 30, 118 hệ thống TNEB Tối ưu thực dựa thông số như: vị trí, thiết lập thiết bị FACTS chi phí lắp đặt thiết bị FACTS trường hợp dùng loại thiết bị FACTS; trường hợp kết hợp nhiều loại thiết bị FACTS, loại thiết bị đặt xem biến việc tối ưu Trong tất trường hợp, ta coi khả mang tải hệ thống cải thiện sau lắp đặt số lượng thiết bị FACTS định Trong hệ thống IEEE, UPFC mang lại khả mang tải hệ thống tốt nhất, chi phí lắp đặt lại cao so sánh với trường hợp khác TCSC có chi phí lắp đặt thấp với cải thiện tốt khả mang tải hệ thống; SVC có chi phí lắp đặt thấp hệ thống IEEE 30 118 cải thiện khả mang tải hệ thống Còn hệ thống TNEB, TCSC có chi phí lắp đặt thấp khả mang tải hệ thống cao so sánh với trường hợp khác 31 ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH TÌM HIỂU THUẬT TỐN GEN DI TRUYỀN (GENETIC ALGORITHM) Hàm mục tiêu Chỉ số ổn định điện áp Ổn định điện áp vấn đề quan trọng hệ thống điện, số đánh giá L dung để đánh giá độ ổn định điện áp nút hệ thống Gía trị thay đổi từ đến Chỉ số L tính theo cơng thức: 𝐿𝑗 =|𝐿𝑗 |= |1 − ∑𝑖∈∝ 𝐶𝑗𝑖 𝑉𝑖 𝐺 𝑉𝑗 |j∈∝𝐿 với ∝𝐿 số tải ∝𝐺 số máy phát 𝑉𝑗 giá trị điện áp phức nút tải 𝑉𝑖 giá trị điện áp phức nút có máy phát 𝐶𝑗𝑖 phần tử ma trận C xác định [𝐶]=-[𝑌𝐿𝐿 ]−1 [𝑌𝐿𝐺 ] Ma trận [𝑌𝐿𝐿 ] [𝑌𝐿𝐺 ] xác định từ ma trận Y bus 𝑌 𝐼 [ 𝐿 ]=[ 𝐿𝐿 𝐼𝐺 𝑌𝐺𝐿 𝑌𝐿𝐺 𝑉𝐿 ][ ] 𝑌𝐺𝐺 𝑉𝐺 Chỉ số ổn định điện áp (VSI) = 𝐿𝑚𝑎𝑥 với 𝐿𝑚𝑎𝑥 = max (𝐿𝑗 ) j∈∝𝐿 Hàm mục tiêu xét đến cực tiểu giá trị ổn định điện áp: 𝐹1 =min (𝐿𝑚𝑎𝑥 ) Chi phí xăng dầu Hàm mục tiêu xét đến cực tiểu chi phí máy phát, biểu thị cơng thức: 𝐹2 =min(F(𝑃𝐺 )) = ∑𝑛𝑖=1 𝑎𝑖 𝑃𝑖2 + 𝑏𝑖 𝑃𝑖 + 𝑐𝑖 với n số máy phát; a,b,c hệ số chi phí máy phát Tổn thất công suất Hàm mục tiêu làm cực tiểu tổn thất cơng suất thực, cơng suất tính tổng tổn hao cơng suất mạng, tính bằng: 𝑁 𝐿 𝐹3 =min (𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠 ) = ∑𝑖=1 𝑔𝑖𝑗 (𝑉𝑖2 + 𝑉𝑗2 − 2𝑉𝑖 𝑉𝑗 cos(𝜃𝑖 − 𝜃𝑗 )) với 32 ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH 𝑉𝑖 biên độ điện áp nút i 𝑔𝑖𝑗 dung dẫn đường dây i-j 𝛿𝑖 góc điện áp nút thứ i 𝑁𝐿 tổng số đường dây truyền tải Sự chênh lệch điện áp (Voltage Deviation) Để hoạt động tốt độ chênh lệch điện áp phải mức nhỏ Cực tiểu chênh lệch điện áp (VD) tính theo công thức: 𝑛 𝑃𝑄 (|𝑉𝑖 − 1|)2) 𝐹4 = (VD) = min( ∑𝑖=1 với 𝑉𝑖 biên độ điện áp nút tải i Chi phí cho thiết bị FACTS cực tiểu chi phí thiết bị FACTS 𝐹5 = min(𝐶𝑇𝐶𝑆𝐶 )=min (0.0003𝑆 – 0.2691S +153.75) (US$/ KVar) với 𝐶𝑇𝐶𝑆𝐶 chi phí TCSC (US$/ KVar) S tầm hoạt động thiết bị TCSC tính theo MVar S = |𝑄2 − 𝑄1 | với 𝑄1 dòng cơng suất phản kháng trước có thiết bị FACTS 𝑄2 dòng cơng suất phản kháng sau có thiết bị FACTS Xét tất hàm mục tiêu vừa kể ta hàm tiêu chuẩn: Fitness function = ℎ1 𝐹1 + ℎ2 𝐹2 + ℎ3 𝐹3 + ℎ4 𝐹4 + ℎ5 𝐹5 với ℎ1 ℎ2 ℎ3 ℎ4 ℎ5 hệ số hàm mục tiêu ℎ1 +ℎ2 +ℎ3 +ℎ4 +ℎ5 = Dựa theo thực nghiệm người ta xác định hệ số lần làm cho hàm mục tiêu tối ưu ℎ1 = ℎ2 = ℎ3 = ℎ4 = ℎ5 = 0.2 33 ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH SỬ DỤNG THUẬT TỐN GEN DI TRUYỀN Mục đích việc tối ưu hóa tìm vị trí đặt tốt cho thiết bị FACTS để đạt tiêu chí xác định Việc tối ưu thiết bị FACTS dựa vào ba đại lượng là: vị trí đặt thiết bị, loại thiết bị FACTS dung lượng thiết bị Để tối ưu ba đại lượng trên, ta tiến hành mã hóa để thực thuật toán Thuật toán thực nhiều cá thể, cá thể đại diện có chuỗi với độ dài chuỗi số lượng thiết bị FACTS sử dụng TẠO RA THẾ HỆ CHA MẸ Chuỗi đại diện cho vị trí đặt thiết bị, chuỗi bao gồm số đường dây nơi thiết bị FACTS đặt Mỗi đường dây xuất lần chuỗi, thứ tự xếp chuỗi khơng quan trọng quan trọng thực trao đổi chéo (sẽ đề cập phần sau) Các vị trí đặt thiết bị FACTS xác định cách tính tốn trào lưu cơng suất, từ kết có xác định vị trí cần đặt thiết bị, tránh tình trạng phải tính tốn cho tất đường dây, rút ngắn thời gian tính tốn Chuỗi thứ cho biết loại thiết bị FACTS, giá trị kí hiệu cho loại thiết bị sau: cho TCSC; cho TCPST; cho TCVR; cho SVC thiết bị đề cập thiết bị SVC TCSC nên ta quan tâm tới giá trị 34 ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH Chuỗi cuối cá thể đại diện cho dung lượng thiết bị, giá trị nằm khoảng từ tới tính tốn theo mơ hình thiết bị FACTS Theo mơ hình thiết bị FACTS giá trị thực thiết bị tính theo cơng thức: 𝑉𝑟𝑒𝑎𝑙𝐹 = 𝑉𝑚𝑖𝑛𝐹 + (𝑉𝑚𝑎𝑥𝐹 -𝑉𝑚𝑖𝑛𝐹 )𝑉𝐹 với 𝑉𝑚𝑎𝑥𝐹 , 𝑉𝑚𝑖𝑛𝐹 giá trị max giá trị cài đặt thiết bị 𝑉𝐹 giá trị mã hóa Giải thích cho giá trị hình trên, với thiết bị FACTS TCSC vị trí đặt, loại thiết bị FACTS dung lượng [1,1,0.3] ý nghĩa thiết bị FACTS đặt đường dây số ( hay nhánh số 1) kí hiệu cho thiết bị FACTS theo thứ tự Đối với dung lượng tính theo cơng thức trên, giá trị thiết bị -0.5𝑋𝑙1 với 𝑋𝑙1 điện kháng đường dây số 1, giá trị tính tốn là: -0.5 = -0.8 + ( 0.2- (-0.8))𝑉𝐹 →𝑉𝐹 = 0.3 Tương tự thiết bị khác với vị trí đặt dung lượng mã hóa , có 𝑛𝑖 thiết bị FACTS q trình mã hóa thực 𝑛𝑖 lần ta có: Sau đó, hàm mục tiêu tính tốn cho cá thể tạo ra, hàm mục tiêu dùng để tính tốn tác động thiết bị FACTS hệ thống xét 35 ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH Sau tính tốn, lựa chọn cá thể có kết hàm mục tiêu tốt tốt thứ nhì sử dụng cá thể để tiến hành phép lai, đột biến để tạo đời có phẩm chất tốt hơn, tức có kết tính tốn hàm mục tiêu tốt kết đời cha mẹ TIẾN HÀNH LAI TẠO Bước tiến hành phép lai, phép lai chéo xảy với xác suất 𝑃𝑐 , xác suất gần Phép lai chéo có nhiều loại, lai điểm; điểm; nhiều điểm; báo cáo áp dụng phép lai điểm: yếu tố chọn (tức chuỗi bao gồm vị trí, loại thiết bị dung lượng) hoán đổi cho để tạo đời con, yếu tố lại khơng chọn để lai chéo giữ ngun vị trí đời Như biết, 36 ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH nhánh có thiết bị FACTs đặt, xảy trường hợp, phép lai chéo cho thiết bị nằm vị trí Do có cơng việc chỉnh sửa sau phép lai Trước chỉnh sửa ta thu cá thể : [ 10 ] [ 10 8 ] → vị trí nhánh số bị trùng Chỉnh sửa cách: vị trí số cá thể thứ bị trùng với vị trí thứ thay vị trí số cá thể lại, tức thay giá trị có vị trí bị trùng cá thể lại (nhánh số 5), ta thu kết hình ĐỘT BIẾN Giai đoạn đột biến, tác dụng giai đoạn này, giai đoạn đột biến để tránh hội tụ sớm, tránh giá trị cực đại địa phương (tức kết thu tốt khoảng giá trị xét tồn hệ thống có kết tốt hơn) Độtt biến thuật toán hiểu thay giá trị giá trị khác, đột biến điểm đột biến nhiều điểm Hình mơ tả trước sau xảy đột biến Lưu ý: đột biến xảy số lượng cụ thể khơng xảy tồn đời nên đời trước xảy đột biến giữ lại hai trước sau đột biến tính tốn so sánh với để tiếp tục chọn cá thể có kết hàm mục tiêu tốt tiếp tục thực hiệp phép lai 37 ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH Hoạt động lai đột biến lặp lặp lại nhiều lần thu đời cá thể có kết mong muốn Cụ thể trình sau lai, hàm mục tiêu tính tốn, so sánh với đời trước, chọn cá thể tốt, cá thể lựa chọn có phẩm chất tốt tương tự cao so với đời trước, phẩm chất tang dần kết đời cuối tốt 38 ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH Ứng dụng trường hợp cụ thể: Để kiểm chứng tác dụng phương pháp đề xuất trên, người ta kiểm tra mạng điện 30 nút IEEE, mạng điện hoạt động điều kiện khác để tối ưu thiết bị FACTS Số hệ tối đa: 200 Số lần lặp tối đa: 100 Kích thước loài: 60 Xác suất trao đổi chéo: 0.95 Xác suất đột biến: 0.001 Xác suất elitism: 0.15 39 ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH Kết tổn thất mạng điện điều kiện khác nhau: 40 ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH Vị trí đặt dung lượng bù thiết bị FACTS TỔNG KẾT Trong báo sử dụng phương pháp lai gen di truyền để tối ưu vị trí đặt dung lượng cần thiết thiết bị FACTS, báo phân tích đưa kết thuật tốn dựa điều kiện tải khác Thuật toán gen di truyền phương pháp hiệu để tối ưu cho thiết bị FACTS 41 ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH C TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Saravanan, S Mary Raja Slochanal, P Venkatesh, J Prince Stephen Abraham, Application of particle swarm optimization technique for optimal location of FACTS devices considering cost of installation and system loadability, in: Electric Power Systems Reasearch 77 (2007) 276-283 [2] L.J.Cai, I.Erlich, Optimal choice and allocation of FACTS devices using genetic algorithms, in: Proceedings on Twelfth Intelligent Systems Application to Power Systems Conference, 2003, pp.1-6 [3] L.J.Cai, I.Erlich, Optimal choice and allocation of FACTS devices in deregulated electricity market using genetic algorithms, in: IEEE Conference (0-7803-8718-X/04), 2004 [4] A.J.Wood, B.F Woolenberg, Power Generation, Operation and Control, Wiley, 1996, ISBN 0-471-58699-4 [5] A.Ratnaweera, S.K Halgamuge, H.C Watson, Self-organizing hierachical particle swarm optimizer with time varying acceleration coefficients, IEEE Trans Evol Comput (June(3)) (2004) 240-255 [6] Y.Shi, R.C Eberhart, Empirical study of particle swarm optimization, in: Proceedings of the International Congress on Evolutionary Computation, vol 3, 1999, pp 101-106 [7] P Venkatest, R Gnanadass, N.P.Padhy, Comparison and application of evolutionary programming techniques to combined economic emission dispatch with line flow constraints, IEEE Trans Power Syst 18 (2) (2003) 688-697 [8] S Gerbex, R Cherkaoui, A.J Germond, Optimal location of multi-type FACTS devices by means of genetic algorithm, IEEE Trans Power Syst 16 (3) (2001) 537-544 [9] Tamil Nadu Electricity Board Statistics at a Glance 2003-2004, Planning Wing of Tamil Nadu Electricity Board, Chennai, India [10] K Lokanadham, Optimal Location of FACTS Devices In Power System by Genetic Algorithm [11] Jigar S.Sarda, Manish J Chauhan, Viren B Pandya, Dhaval G Patel, OPTIMAL LOCATION OF MULTI-TYPES OF FACTS DEVICES USING GENETIC ALGORITHM [12] Kalaivani, R and V Kamaraj, Enhancement of Voltage Stability by Optimal Location of Static Var Compensator Using Genetic Algorithm and Particle Swarm Optimization [13] Anju Gupta, P.R.Sharma, Application of GA for Optimal Location of FACTS Devices for Steady State Voltage Stability Enhancement of Power System [14] Enrique Acha, Claudio R Fuerte-Esquivel, Hugo Ambriz-Perez, Cesar AngelesCamacho, FACTS Modelling and Simulation in Power Networks [15] Xiao-Ping Zhang, Christian Rehtanz, Bikash Pal, Flexible AC Transmission Systems: Modelling and Control 42 ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH [16] Lý Quỳnh Miên, Nguyễn Văn Thắng, Nghiên cứu sử dụng thiết bị TCSC để nâng cao khả truyền tải hệ thống điện 500kV Việt Nam, Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7, ĐH Đà Nẵng, 2010 [17] Alberto D Del Rosso, Member, IEEE, Claudio A Cañizares, Senior Member, IEEE, and Victor M Doña, A Study of TCSC Controller Design for Power System Stability Improvement [18] Martin German-Sobek, Lubomír Bena, Roman Cimbala, Using of the Thyristor Controlled Series Capacitor in Electric Power System [19] Mohan Mathur R., Rajiv K Varma, Thyristor-based FACTS controllers for electrical transmission systems, Wiley Interscience, USA, 2002 [20] Acha E., Agelidis V.G., Anaya-Lara O., Miller T.J.E, Power electronic control in electrical systems, Newnes power engineering series, Great Britain, 2002 [21] Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 có xét đến năm 2030 (Quy hoạch điện VII) 43 ... cứu tối ưu vị trí dung lượng thiết bị FACTS thuật toán GA PSO Thuật toán tối ưu bầy đàn ( Particle Swarm Optimization – PSO) 1.1 Giới thiệu PSO: Thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) thuật tốn tối ưu. .. giải tốn tối ưu 18 ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG GVHD: THS ĐẶNG TUẤN KHANH 1 .2 Tối ưu vị trí dung lượng thiết bị FACTS thuật toán PSO: Ở phần này, sử dụng thuật tốn PSO, tối ưu vị trí dung lượng thiết bị FACTS... 20 11 -20 15 20 16 -20 20 20 21 -20 25 20 26 -20 30 Trạm 500kV MVA 7,500 17,100 24 ,400 24 ,400 20 ,400 Trạm 22 0kV MVA 19,094 35,863 39,063 42, 775 53 ,25 0 Đường dây 500kV Km 3,438 3,833 4,539 2, 234 2, 724 Đường