Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối điện sử dụng các thiết bị DFACTS

i MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ vii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết Đối tượng nghiên cứu Luận án Các mục tiêu nghiên cứu Luận án Phương pháp thực Ý nghĩa khoa học thực tiễn Luận án Các đóng góp Luận án Bố cục Luận án Chương TỔNG QUAN CÁC BÀI TOÁN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN 1.1 Tổng quan chất lượng điện giải pháp nâng cao chất lượng điện lưới phân phối 1.1.1 Tóm tắt tượng chất lượng điện lưới phân phối 1.1.2 Sụt giảm điện áp điện ngắn hạn [23, 49] 1.1.3 Sóng hài [20, 30, 59, 79] 13 1.2 Tổng quan nghiên cứu giải pháp sử dụng thiết bị CPD để nâng cao chất lượng điện lưới phân phối điện 17 1.2.1 Quan điểm thực giải pháp 17 1.2.2 Mơ hình tốn nâng cao CLĐN lưới phân phối sử dụng thiết bị CPD 18 1.2.3 Tổng quan phương pháp giải 22 1.3 Những vấn đề tồn 26 1.3.1 Đối với nghiên cứu giới 26 1.3.2 Đối với nghiên cứu nước 27 1.4 Lựa chọn hướng nghiên cứu luận án 27 1.5 Kết luận Chương 28 Chương ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG DVR VÀ D-STATCOM NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN 29 2.1 Đặt vấn đề 29 2.2 Tóm tắt cấu trúc, nguyên lý vận hành ứng dụng DVR 30 2.2.1 Cấu trúc DVR 30 2.2.2 Ứng dụng chế độ vận hành DVR 31 2.2.3 Các thuật toán điều khiển áp dụng DVR 35 ii 2.3 Tóm tắt cấu trúc, vận hành D-STATCOM ứng dụng 38 2.3.1 Nguyên lý vận hành D-Statcom 38 2.3.2 Ứng dụng 39 2.3.3 Bộ nghịch lưu nguồn áp (Voltage Source Converter - VSC) hệ thống điều khiển 40 2.4 Mô so sánh tác dụng DVR D-Statcom việc khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn 40 2.4.1 Mô lưới phân phối mẫu 13 nút IEEE có DVR D-Statcom 41 2.4.2 Mô kết mô 44 2.5 Mô so sánh tác dụng DVR D-Statcom hạn chế sóng hài 46 2.5.1 Đặt vấn đề toán 46 2.5.2 Mơ lò hồ quang 46 2.5.3 Mô lưới phân phối mẫu 13 nút có lò hồ quang kịch đặt DVR D-Statcom 47 2.5.4 Phân tích kết mô 48 2.6 Kết luận chương 54 Chương ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN TỐI ƯU HĨA VỊ TRÍ TỤ BÙ NHẰM GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN SÓNG HÀI 56 3.1 Đặt vấn đề 56 3.2 Tổng quan nghiên cứu tốn tối ưu hóa nâng cao CLĐN lưới phân phối sử dụng tụ bù công suất phản kháng 56 3.3 Phân tích, lựa chọn phương pháp giải 57 3.4 Thành lập toán tối ưu hóa vị trí dụng tụ bù cơng suất phản kháng nhằm giảm tổn thất điện lưới phân phối ứng dụng thuật tốn di truyền (GA)…………58 3.4.1 Mơ tả hệ thống lưới phân phối 58 3.4.2 Thành lập toán phương pháp giải 59 3.4.3 Phương pháp giải tổng quát 61 3.4.4 Áp dụng thuật toán di truyền để giải tốn tối ưu hóa vị trí tụ bù CSPK 61 3.4.5 Kết đạt 63 3.5 Thành lập tốn tối ưu hóa vị trí tụ điện nhằm giảm tổn thất điện biến dạng sóng THD lưới phân phối ứng dụng thuật toán di truyền (GA) 66 3.5.1 Mô tả hệ thống lưới nghiên cứu 66 3.5.2 Xây dựng mơ hình toán phương pháp giải 67 3.6 Kết luận Chương 75 Chương TỐI ƯU HĨA VỊ TRÍ VÀ CƠNG SUẤT CÁC THIẾT BỊ CPD NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG DÙNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN (GA) 76 iii 4.1 Đặt vấn đề 76 4.2 Tổng quan toán cải thiện CLĐN lưới phân phối sử dụng thiết bị CPD nhằm khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn 76 4.2.1 Vấn đề nghiên cứu tồn 76 4.2.2 Hướng giải luận án 78 4.3 Mơ hình tốn thiết bị CPD khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn 78 4.3.1 Mô hình tốn thiết bị DVR 79 4.3.2 Mơ hình tốn thiết bị D-Stacom 79 4.4 Xây dựng mơ hình giải tốn lựa chọn vị trí cơng suất thiết bị DVR nhằm khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn 81 4.4.1 Xây dựng mơ hình tốn 81 4.4.2 Phân tích kết 89 4.5 Xây dựng mơ hình giải tốn lựa chọn vị trí cơng suất thiết bị D-Statcom nhằm khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn 93 4.5.1 Xây dựng toán 94 4.5.2 Phân tích kết 98 4.6 Kết luận 102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 112 PHỤ LỤC 113 PHỤ LỤC 114 PHỤ LỤC 115 PHỤ LỤC 116 I Khái niệm thuật toán 116 II Các thành phần GA 117 PHỤ LỤC 123 PHỤ LỤC 126 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AF Active power filter ANN Artificial Neural Network BĐN Biến thiên điện áp ngắn hạn CBEMA Computer Business Equipment Manufacturers Association CPD Custom power devices CLĐN Chất lượng điện CSPK Công suất phản kháng CSI Current Source Inverter DVR Dynamic voltage restorer D-Statcom Distribution Static Compensator DP Dynamic Programming EN European Standard IEEE Viện kỹ thuật điện điện tử (Institute of Electrical and Electronics Engineers) IEC International Electrotechnical Commission ITIC Information Technology Industry Council IPFC interline power flow controller GA Genetic Algorithm GSA Gravitational Search Algorithm HTĐ Hệ thống điện HO Hybrid Optimization FACTS Flexible Alternating Current Transmission Systems MBA Máy biến áp NGA Niching type of GA NPV Net Present Value THD Total Harmonic Distortion SANH Sụt giảm điện áp ngắn hạn SA Simulated Annealing STATCOM Static synchronous compensator SSSC Static synchronous series compensator v SVC Static Var Compensator UPFC Unified power flow controller UPQC Unified power quality conditioner VSI Voltage Source Inverters UPS Uninterruptible Power Supply U1 Điện áp Uk Điện áp sóng hài bậc k Uhd Điện áp hiệu dụng PCC Point of Common Connection PSO Particle swarm optimization QRA Quality, reliability, and availability pu Per unit system – Hệ đơn vị tương đối ĐTPT Đồ thị phụ tải TTĐN Tổn thất điện TTCS Tổn thất công suất vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Nhóm, đặc tính tượng chất lượng điện hệ thống điện theo IEEE 1159-1995………………………………………… Bảng 1.2 Tiêu chuẩn EN50610: Giới hạn Uh điểm cấp điện………………… 15 Bảng 1.3 Yêu cầu biến dạng sóng điện áp………………………………….…… 15 Bảng 1.4 Bậc biên độ sóng hài sinh ghép converter xung…… 16 Bảng 2.1 Thơng số cấu hình DVR D-Statcom…………………………… 42 Bảng 2.2 Thơng số lò hồ quang điện (Nguồn [14])………………………………… 48 Bảng 2.3 Điện áp nút THD trước sau có DVR, kịch thứ nhất…… 50 Bảng 2.4 Điện áp nút THD trước sau có D-Statcom, kịch thứ 51 Bảng 2.5 Điện áp nút trước sau có DVR D-Statcom, kịch thứ hai…………………………………………………………………………… 53 Bảng 3.1 Công suất phụ tải sử dụng tính tốn……………………………… 72 Bảng 4.1 Kết tính tốn chọn DVR ứng với ngắn mạch nút 8…………… 89 Bảng 4.2 Điện áp 16 nút trước sau có DVR ứng với ngắn mạch nút 10 91 Bảng 4.3 Kết tính tốn chọn DVR ứng với ngắn mạch nút 13………… 92 Bảng 4.4 Kết tính toán chọn D-Statcom ứng với ngắn mạch nút 8…… 98 Bảng 4.5 Kết tính tốn chọn D-Statcom ứng với ngắn mạch nút 10…… 100 Bảng 4.6 Kết tính tốn chọn D-Statcom ứng với ngắn mạch nút 13…… 101 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 0.1 Cấu trúc luận án………………………………………………………………… Hình 1.1 Phân loại tượng chất lượng điện áp (IEEE 1159-1995)……………… Hình 1.2 Minh họa nguyên nhân gây SANH lưới ngắn mạch…………………… Hình 1.3 Sụt giảm điện áp ngắn hạn dạng chữ nhật………………………………………… Hình 1.4 Sụt giảm điện áp ngắn hạn khởi động động cơ………………………………… Hình 1.5 Các đặc tính chịu điện áp CBEMA ITIC……………………………………… 10 Hình 1.6 So sánh đặc tính CBEMA, ITIC, SARFI 90 SEMI F47-0200…………… 10 Hình 1.7 Nguồn dự phòng UPS nối phụ tải nhạy cảm……………………………………… 11 Hình 1.8 Khắc phục lõm điện áp dùng MBA cộng hưởng sắt từ…………………………… 11 Hình 1.9 Bảo vệ phụ tải nhạy cảm dùng DVR Statcom………………………………… 12 Hình 1.10 Dạng đặc tính U-I phi tuyến biến dạng sóng điện áp đầu cực lò hồ quang điện……………………………………………………………………………… 13 Hình 1.11 Số lượng báo có số (indexed) lĩnh vực tối ưu thiết bị CPD……… 23 Hình 2.1 Mơ hình nối lưới DVR…………………………………………………………… 30 Hình 2.2 DVR ứng dụng để bảo vệ tải nhạy cảm…………………………………………… 32 Hình 2.3 DVR ứng dụng để ngăn chặn phát sinh tượng CLĐN………………… 32 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động chế độ dừng thiết bị DVR……………………… 33 Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động chế độ chờ thiết bị DVR………………………… 33 Hình 2.6 Sơ đồ vector phương pháp bù đồng pha…………………………………………… 34 Hình 2.7 Sơ đồ khối giản thiểu thuật tốn vòng khóa pha (Phase Locked LoopPLL)…………………………………………………………………………………… 38 Hình 2.8 Cấu trúc chức D-Statcom…………………………………………… 39 Hình 2.9 Lưới phân phối mơ có DVR D-Statcom……………………………… 41 Hình 2.10 Mơ Simulink lưới phân phối mẫu 13 nút IEEE có DVR DStatcom………………………………………………………………………………… 42 Hình 2.11 Mơ Simulink sơ đồ điều khiển kết nối DVR…………………………… 43 Hình 2.12 Mơ Simulink sơ đồ điều khiển kết nối D-Statcom……………………… 43 Hình 2.13 Kết mô lưới IEEE 13 với DVR ngắn mạch ba pha đối xứng 633………………………………………………………………… 44 Hình 2.14 Kết mơ lưới IEEE 13 với D-Statcom ngắn mạch ba pha đối xứng 633……………………………………………………… 45 Hình 2.15 Mơ Matlab/Simulink pha A lò hồ quang điện [14] ………………… 47 Hình 2.16 Mơ lưới điện mẫu 13 nút có lò hồ quang điện…………………………… 48 Hình 2.17 Điện áp nút 645 lò hồ quang nối vào nút 633 chưa có thiết bị DVR…… 49 viii Hình 2.18 Phổ sóng hài điện áp nút 645 lò hồ quang nối vào nút 633 chưa đặt DVR……………………………………………………………………………………… 49 Hình 2.19 Điện áp nút 645 lò hồ quang nối vào nút 633 DVR đặt nhánh 645632……………………………………………………………………………………… 49 Hình 2.20 Phổ sóng hài điện áp nút 645 lò hồ quang nối vào nút 633 DVR đặt nhánh 645-632………………………………………………………………………… 50 Hình 2.21 Điện áp nút 645 lò hồ quang nối vào nút 633 D-Statcom đặt nút 645 50 Hình 2.22 Phổ sóng hài điện áp nút 645 lò hồ quang nối vào nút 633 D-Statcom đặt nút 645………………………………………………………………………… 51 Hình 2.23 Phổ sóng hài điện áp nút 692 lò hồ quang nối vào nút 633 chưa đặt DVR……………………………………………………………………………………… 52 Hình 2.24 Phổ sóng hài điện áp nút 692 lò hồ quang nối vào nút 633 DVR đặt nhánh 52 671-692 Hình 2.25 Phổ sóng hài điện áp nút 692 lò hồ quang nối vào nút 633 D-Statcom đặt nút 692………………………………………………………………………… 52 Hình 2.26 Phân tích FFT biến dạng điện áp chu kỳ nút 633 lò hồ quang nối vào nút 633 chu kỳ đầu nối LHQ……………………………… 54 Hình 3.1 Sơ đồ lưới phân phối 16 nút lưới phân phối mẫu)………………… ……………… 58 Hình 3.2 Đồ thị phụ tải điển hình……………………………………………………………… 60 Hình 3.3 Các bước nguyên tắc thực thuật tốn GA…………………………………… 62 Hình 3.4 Sơ đồ khối bước tính tốn lựa chọn vị trí tụ bù nhằm giảm tốn thất sử dụng thuật tốn GA…………………………………………………………………… 63 Hình 3.5 Biên độ điện áp nút trước bù tối ưu sau bù tụ 25kVar, vị trí…… 64 Hình 3.6 Biên độ điện áp nút trước bù tối ưu sau bù tụ 25kVar, vị trí…… 65 Hình 3.7 Biên độ điện áp nút trước bù tối ưu sau bù tụ 50kVar, vị trí…… 65 Hình 3.8 Sơ đồ lưới phân phối 16 nút lưới phân phối mẫu có sóng hài………………… 67 Hình 3.9 Sơ đồ khối bước tính tốn lựa chọn vị trí tụ bù nhằm giảm tốn thất THD sử dụng thuật tốn GA………………………………………………………………… 71 Hình 3.10 Biên độ điện áp THD nút trước bù sau bù tối ưu tụ 25kVar………………………………………………………………………………… 73 Hình 3.11 Biên độ điện áp THD nút trước bù sau bù tối ưu tụ 25kVar………………………………………………………………………………… 74 Hình 3.12 Biên độ điện áp THD nút trước bù sau bù tối ưu tụ 50kVar………………………………………………………………………………… 74 Hình 4.1 Sơ đồ thay lưới điện có DVR để bù điện áp…………………………………… 79 Hình 4.2 Sơ đồ thay lưới điện có D-Statcom để bù điện áp…………………………… 80 Hình 4.3 Các sơ đồ xếp chồng để tính dòng D-Statcom bù SANH………………………… 80 ix Hình 4.4 Điện áp nút lưới điện mẫu ngắn mạch nút 8………………………… 83 Hình 4.5 Mơ hình DVR dạng nguồn dòng Norton tương đương…………………………… 84 Hình 4.6 Mơ hình DVR tính tốn chế độ xác lập……………………………………… 84 Hình 4.7 Lưới điện mơ tả theo tổng trở nút xét DVR nối vào nhánh j-k………… 86 Hình 4.8 Sơ đồ khối bước tính tốn lựa chọn vị trí đặt DVR để cải thiện SANH ngắn mạch lưới phân phối……………………………………………………… 88 Hình 4.9 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch nút vị trí đặt DVR tương ứng…… 89 Hình 4.10 Điện áp trước sau lắp DVR ứng với ngắn mạch nút 8……………… 90 Hình 4.11 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch nút 10 vị trí đặt DVR tương ứng… 90 Hình 4.12 Điện áp trước sau lắp DVR ứng với ngắn mạch nút 10……………… 91 Hình 4.13 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch nút 13 vị trí đặt DVR tương ứng… 92 Hình 4.14 Điện áp trước sau lắp DVR ứng với ngắn mạch nút 13……………… 93 Hình 4.15 Lưới điện mô tả theo tổng trở nút xét D-Statcom nối vào nút k……… 94 Hình 4.16 Sơ đồ khối bước tính tốn lựa chọn vị trí đặt D-Statcom để cải thiện SANH ngắn mạch lưới phân phối………………………………………… 97 Hình 4.17 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch nút vị trí đặt D-Statcom tương ứng……………………………………………………………………………………… 98 Hình 4.18 Điện áp trước sau lắp D-Statcom ứng với ngắn mạch nút 8………… 99 Hình 4.19 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch nút 10 vị trí đặt D-Statcom tương ứng……………………………………………………………………………………… 99 Hình 4.20 Điện áp trước sau lắp D-Statcom ứng với ngắn mạch nút 10……… 100 Hình 4.21 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch nút 13 vị trí đặt D-Statcom tương ứng……………………………………………………………………………………… 101 Hình 4.22 Điện áp trước sau lắp D-Statcom ứng với ngắn mạch nút 13……… 102 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Vấn đề chất lượng điện (CLĐN) thay đổi điện áp, dòng điện, tần số dẫn đến làm hư hỏng thiết bị tiêu thụ điện Việc sử dụng ngày nhiều thiết bị điện tử khiến cho thiết bị tiêu thụ điện ngày nhạy cảm với CLĐN Việc hình thành thị trường điện, đặc biệt thị trường có tham gia cơng ty quản lý lưới phân phối điện áp lực phải tạo môi trường sở hạ tầng đầu tư hấp dẫn Việt Nam năm gần khiến quan tâm khách hàng dùng điện lẫn bên quản lý lưới điện bên sản xuất thiết bị điện CLĐN trở nên đặc biệt Có thể nói, Việt Nam, khu vực lưới điện lưới phân phối điện, đặc biệt lưới phân phối điện công nghiệp, than phiền khách hàng tranh chấp pháp lý liên quan đến vấn đề chuyên môn CLĐN xảy nhiều Trong tượng CLĐN biến dạng gây sóng hài biến thiên điện áp ngắn hạn sụt giảm điện áp ngắn hạn (SANH) tượng gây nhiều vấn đề phụ tải nhạy cảm ghi nhận Việt Nam Đã có số nghiên cứu nước đánh giá CLĐN giải pháp Tuy vậy, vấn đề có nhiều tượng CLĐN tác dụng phụ tải đa dạng Nghiên cứu khắc phục tác động sóng hài đặc biệt nghiên cứu khắc phục SANH Việt Nam có số chủ yếu bảo vệ cho phía phụ tải, khách hàng thực Với việc phát triển công nghệ vật liệu bán dẫn, thiết bị điện tử công suất với công suất lớn ngày ứng dụng rộng rãi vận hành hệ thống điện Thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) sử dụng khu vực lưới truyền tải với nhiều mục đích nâng cao khả tải đường dây, cải thiện giới hạn ổn định, tối ưu hóa chế độ vận hành lưới truyền tải Việc ứng dụng thiết bị FACTS lưới phân phối, gọi D-FACTS gồm lớp thiết bị điều hòa cơng suất (Custom Power Device – CPD) thiết bị phục hồi điện áp động (Dynamic voltage restorer - DVR), thiết bị bù tĩnh (Distribution Static Compensator - D-Statcom) dần triển khai nhiều nơi giới Các thiết bị CPD, việc đảm bảo chất lượng vận hành dài hạn, khắc phục tốt nhiều tượng CLĐN nhờ khả đáp ứng nhanh thiết bị nghịch lưu nguồn áp [6, 10, 11, 33] Tuy nhiên Việt Nam chưa có nghiên cứu ứng dụng thiết bị CPD nhằm nâng cao CLĐN lưới phân phối Sở dĩ có vấn đề bên quản lý lưới phân phối điện công ty điện lực chưa quan tâm đến việc ứng dụng thiết bị CDP Với lý trên, luận án với tên đề tài: “Nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng điện lưới phân phối điện sử dụng thiết bị D-FACTS” tác giả đặt nhằm nghiên cứu giải pháp nâng cao CLĐN lưới cung cấp điện, hay gọi lưới phân phối điện với định hướng ứng dụng Việt Nam Đối tượng nghiên cứu Luận án Đối tượng nghiên cứu luận án giải pháp nâng cao CLĐN sử dụng thiết bị CPD tụ bù công suất phản kháng Hiện tượng CLĐN xem xét SANH ngắn mạch biến dạng gây sóng hài lò hồ quang điện sinh lưới phân phối, có xét ... nâng cao chất lượng điện lưới phân phối điện sử dụng thiết bị D-FACTS” tác giả đặt nhằm nghiên cứu giải pháp nâng cao CLĐN lưới cung cấp điện, hay gọi lưới phân phối điện với định hướng ứng dụng. .. Sử dụng thiết bị CPD khắc phục SANH lưới phân phối điện Chương TỔNG QUAN CÁC BÀI TOÁN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN Chất lượng điện hệ thống điện nói chung lưới phân phối. .. điện áp, tổn thất điện năng, lưới phân phối điện, thiết bị CPD, thiết bị DVR, thiết bị D-Statcom Các mục tiêu nghiên cứu Luận án Luận án nghiên cứu đánh giá số vấn đề CLĐN xem xét giải pháp nâng