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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN MINH NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN SỬ DỤNG CÁC THIẾT BỊ D-FACTS Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9520201 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN Hà Nội – 2018 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS BẠCH QUỐC KHÁNH TS PHẠM VIỆT PHƯƠNG Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Việc ứng dụng thiết bị FACTS lưới phân phối, gọi DFACTS gồm thiết bị phục hồi điện áp động (Dynamic voltage restorer - DVR), thiết bị bù tĩnh (Distribution Static Compensator - D-Statcom) triển khai Tuy nhiên Việt Nam chưa có nghiên cứu ứng dụng thiết bị D-FACTS nhằm nâng cao chất lượng điện (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 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 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 D-FACTS tụ bù công suất phản kháng Hiện tượng CLĐN xem xét sụt áp ngắn hạn (SANH) ngắn mạch biến dạng sóng hài lò hồ quang điện sinh lưới phân phối, có xét số đặc thù lưới phân phối điện Việt Nam Công cụ giải tốn tối ưu nói chung, thuật tốn di truyền (Genetic Algorithm - GA) đối tượng nghiên cứu luận án Các mục tiêu nghiên cứu luận án Luận án nghiên cứu đánh giá số CLĐN xem xét giải pháp nâng cao CLĐN lưới phân phối với mục tiêu cụ thể sau: a) Nghiên cứu xây dựng mơ hình giải tốn tối ưu lựa chọn vị trí công suất thiết bị DVR D-Statcom b) Nghiên cứu lựa chọn vị trí tụ bù cơng suất phản kháng nhằm giảm tổn thất điện nâng cao CLĐN c) Nghiên cứu cấu trúc mô so sánh tác dụng thiết bị DVR D-Statcom SANH ngắn mạch sóng hài gây phụ tải phi tuyến - lò hồ quang điện Phương pháp thực Nghiên cứu tổng quan việc xây dựng mơ hình giải toán liên quan đến việc nâng cao CLĐN mang tính hệ thống lưới phân phối điện để làm sở đề xuất hướng nghiên cứu luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn Luận án - Về ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu ứng dụng thiết bị CPD để cải thiện CLĐN tồn hệ thống nên nghiên cứu xem nghiên cứu tiên phong lĩnh vực Việt Nam - Về ý nghĩa thực tiễn: Ba mục tiêu đề xuất luận án xem tài liệu tham khảo tốt cho việc triển khai giải pháp nâng cao CLĐN giảm tổn thất mang tính hệ thống đơn vị quản lý lưới phân phối điện, trực tiếp đề xuất sử dụng tụ bù công suất phản kháng để giảm tổn thất cải thiện chất lượng độ lệch điện áp, tổng mức biến dạng sóng hài lưới phân phối Các đóng góp Luận án Đóng góp 1: Xây dựng mơ hình mơ động nhằm so sánh đánh giá tác dụng thiết bị DVR D-Statcom khắc phục vấn đề CLĐN gồm SANH ngắn mạch sóng hài lưới phân phối có phụ tải lò hồ quang điện Đóng góp 2: Xây dựng mơ hình giải tốn tối ưu ứng dụng tụ bù lưới phân phối nằm giảm tổn thất cải thiện CLĐN, có xét lưới điện có sóng hài lò hồ quang điện sinh Mơ hình tốn tính tốn chế độ xác lập tần số sóng hài xây dựng để tính tốn tổn thất cơng suất sóng hài tổng mức biến dạng sóng hài nhằm phục vụ cho việc tính tốn hàm mục tiêu kiểm tra ràng buộc tốn tối ưu vị trí tụ bù lưới phân phối Đóng góp 3: Xây dựng mơ hình giải tốn tối ưu chọn vị trí cơng suất thiết bị DVR D-Statcom để khắc phục tượng SANH ngắn mạch, việc tính tốn đánh giá đặc trưng SANH (như biên độ điện áp) sử dụng mơ hình tốn mơ tả tác dụng thiết bị đề xuất Đây xem đóng góp nghiên cứu luận án Nội dung nghiên cứu Luận án Ngoài phần mở đầu mục theo quy định, nội dung nghiên cứu luận án trình bày chương phụ lục, cụ thể: Chương 1: Tổng quan toán nâng cao chất lượng điện lưới phân phối điện Chương 2: Đánh giá hiệu sử dụng DVR D-Statcom nâng cao chất lượng điện lưới phân phối Chương 3: Ứng dụng thuật tốn di truyền lựa chọn vị trí tụ bù nhằm giải tổn thất lưới phân phối có xét đến sóng hài Chương 4: Tối ưu hóa vị trí đặt công suất thiết bị CPD nhằm nâng cao chất lượng điện dùng giải thuật di truyền (GA) Kết luận kiến nghị Chương TỔNG QUAN CÁC BÀI TOÁN VỀ 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 Chất lượng điện liên quan chặt chẽ đến tượng biến thiên điện áp, dòng điện tần số dẫn đến làm thiết bị điện hệ thống điện ngừng làm việc làm việc không theo chức thiết kế Trong tượng đây, biến thiên điện áp ngắn hạn biến dạng gây sóng hài tượng xảy chủ yếu lưới phân phối điện đối tượng nghiên cứu luận án *Tóm tắt tượng: Theo tiêu chuẩn IEC1159-1995, biến thiên điện áp ngắn hạn (BĐN) thay đổi trị số điện áp hiệu dụng tần số HTĐ (50Hz 60Hz) khoảng thời gian phút *Nguyên nhân gây sụt áp điện - Ngắn mạch hệ thống điện - Khởi động động - Các nguyên nhân khác: Đóng phụ tải cơng suất lớn, mở máy thiết bị công suất lớn * Hậu đánh giá tác động sụt giảm điện áp ngắn hạn - Các cấp nguồn cho máy tính thiết bị điện tử, điều tốc ngừng làm việc tác động SANH - Contactor rơ le điện không tin cậy tác động kiện SANH - Đối với động khơng đồng bộ, thường có SANH thấp 30%Uđm có tác động - Đối với đèn dựa ngun lý phóng điện chất khí (đèn cao áp), đèn tắt áp chu kỳ SANH với biên độ 45%Uđm * Các biện pháp khắc phụ sụt giảm điện áp ngắn hạn - Các giải pháp cho giai đoạn hình thành SANH - Các giải pháp cho lưới điện - Các giải pháp phụ tải nhạy cảm * Tóm lược: Sụt giảm điện áp ngắn hạn tượng CLĐN mà luận án phân tích giải pháp khắc phục * Sóng hài Sóng hài điện áp dòng điện hình sin với tần số bội số tần số (50Hz 60Hz) Sóng hài định lượng từ phép phân tích Fourier biến dạng sóng điện áp dòng điện (waveform distortion) lưới điện Nguyên nhân gây nên biến dạng sóng lưới điện tồn phụ tải phi tuyến Tác động sóng hài làm gia tăng tải mạch điện Tác động gây tải mạch điện, tải máy điện, gây phát nóng phụ lớn, gia tăng tổn hao, làm sai lệch thiết bị đo lường, làm thiết bị bảo vệ làm việc xác, làm nhiễu hệ thống thông tin Bên cạnh sóng hài gây tượng cộng hưởng làm tải tụ bù, điện áp * Các biện pháp hạn chế sóng hài - Các giải pháp giảm phát sinh sóng hài - Các giải pháp ngăn chặn sóng hài lan truyền f Tóm lược Sóng hài phụ tải phi tuyến sinh lưới điện Có nhiều tác động xấu sóng hài lưới điện phụ tải Chương luận án phân tích chi tiết tốn 1.2 Tổng quan nghiên cứu giải pháp sử dụng thiết bị CPD để nâng cao chất lượng điện lưới phân phối điện Mục tiêu nghiên cứu luận án sâu nghiên cứu giải pháp sử dụng CPD để nâng cao CLĐN lưới phân phối Quá trình ứng dụng CPD để nâng cao CLĐN xem theo hai cách tiếp cận sau: - Cải thiện phân tán (distributed improvement): Mục tiêu giải cách tiếp cận chủ yếu liên quan đến việc nghiên cứu phần điều khiển thiết bị CPD để khắc phục trực tiếp kiện CLĐN cụ thể bảo vệ cho phụ tải cụ thể - Cải thiện trung tâm (central improvement): Cách tiếp cận ‘cải thiện tập trung’ giải pháp nâng cao CLĐN mà bên cấp điện người thực Nội dụng nghiên cứu cốt lõi luận án xây dựng phân tích tốn lựa chọn vị trí đặt cơng suất CPD theo cách tiếp cận tập trung sử dụng thiết bị CPD để nâng cao CLĐN cho lưới phân phối điện Hành vi thiết bị CPD lưới điện mơ đưa vào mơ hình tốn tối ưu a Dạng hàm mục tiêu: Mục tiêu tối ưu hóa vị trí cơng suất thiết bị CPD lưới phân phối điện hình tia để tối đa hóa hiệu cải thiện CLĐN tối thiểu hóa tổng chi phí F 𝐶 ,𝐶 (1.9) → Min (1.9) Thỗ mãn: 𝐹 ≤ 𝐹 Trong CLPQ: Chi phí CLĐN, CCPD: Chi phí cho thiết bị CPD (đầu tư, vận hành chi phí bảo dưỡng), Ff: Điều kiện dừng chạy phép lặp để tìm kiếm lời giải tối ưu b Các dạng điều kiện ràng buộc - Cân công suất nút - Giới hạn điện áp nút 𝑉 (1.10) ≤ |𝑉 | ≤ 𝑉 (1.10) - Tần suất sụt giảm điện áp 𝑉𝑆 ≤ 𝑉𝑆 (1.11) - Giới hạn công suất CPD 𝑆 (1.12) ≤𝑆 (1.12) - Giới hạn tổng biến dạng sóng hài – THD (1.13) 𝑇𝐻𝐷 ≤ 𝑇𝐻𝐷 c Đánh giá mơ hình tốn tối ưu nghiên cứu đến - Chọn hàm mục tiêu dạng chi phí hay dạng tiêu kỹ thuật + Cách tiếp cận sử dụng hàm mục tiêu chi phí + Cách tiếp cận sử dụng hàm mục tiêu hiệu khắc phục vấn đề CLĐN - Chọn mơ hình tối ưu hóa đơn mục tiêu hay đa mục tiêu Đóng góp luận án xây dựng hàm mục tiêu phù hợp cho việc khắc phục biến dạng sóng hài sử dụng tụ điện (Chương 3) khắc phục SANH thiết bị CPD (Chương 4) *Tổng quan phương pháp giải Giải thuật Gen (GA): GA xem loại giải thuật tiến hoá lời giải tốn tối ưu có cách sử dụng phương pháp có nguồn gốc từ tiến hoá tự nhiên, chẳng hạn thừa kế, đột biến, lựa chọn, lai giống 1.3 Những vấn đề tồn 1.3.1 Đối với nghiên cứu giới - Về quan điểm thực hiện, nghiên cứu ứng dụng CPD chủ yếu để giải CLĐN cho phụ tải, tức quan điểm “Cải thiện phân tán” - Về mơ hình tốn theo “cải thiện tập trung”, nghiên cứu thường cố gắng xây dựng để giải vấn đề CLĐN sóng hài, biến thiên điện áp Tuy cách xây dựng mơ hình tốn chủ đề mà chưa có nhiều đề xuất - Về vấn đề CLĐN nghiên cứu giải pháp cho toán nâng cao CLĐN mang tính hệ thống nghiên cứu chủ yếu xét đến kiện CLĐN có tính xác lập sóng hài, độ lệch điện áp dài hạn Còn nghiên cứu giải pháp mang tính hệ thống tượng ngắn hạn lưới phân phối SANH, độ - Về giải pháp nâng cao CLĐN lớp giải pháp liên quan đến ứng dụng CPD có nhiều nghiên cứu Tuy nêu trên, nghiên cứu thường xét vấn đề CLĐN có tính xác lập Ứng dụng CPD để giải toán CLĐN ngắn hạn mà lại mang tính hệ thống nghiên cứu lĩnh vực có nhiều khả thừa nhận tính - Về cơng cụ giải tốn tối ưu nói có nhiều nghiên cứu với hai cách tiếp cận gồm phương pháp giải tích phương pháp tìm kiếm thơng minh Tuy vậy, tính cho nghiên cứu ln thừa nhận dựa cách lựa chọn công cụ giải phù hợp với đối tượng áp dụng 1.3.2 Đối với nghiên cứu nước - Chưa có nghiên cứu khảo sát đánh giá CLĐN lưới phân phối SANH ảnh hưởng đến tải nhạy cảm điện áp, đặc biệt chi phí thiệt hại CLĐN xấu Những cố gắng sơ lược dựa đánh giá chi phí cho độ tin cậy - Chưa có cơng trình nghiên cứu việc xác định thông số tối ưu cho thiết bị tham gia cải thiện chất lượng điện áp lưới phân phối mang tính hệ thống - Chưa có nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn áp dụng CPD nhằm nâng cao CLĐN lưới phân phối mang tính hệ thống nói chung 1.4 Lựa chọn hướng nghiên cứu luận án Hướng nghiên cứu xây dựng mơ hình giải tốn lựa chọn tối ưu vị trí đặt thiết bị nâng cao CLĐN lưới phân phối bao gồm thiết bị CPD tụ điện Mục tiêu nhằm nâng cao tiêu CLĐN hệ thống theo cách tiếp cận “cải thiện trung tâm” kiện CLĐN tương ứng SANH sóng hài 1.5 Kết luận Chương Chương trình bày tổng quan CLĐN lưới phân phối điện, trọng tới hai tượng CLĐN gây nhiều vấn đề chất lượng vận hành lưới phân phối Việt Nam nói riêng giới nói chung sụt giảm điện áp ngắn hạn sóng hài để làm sở giải thích rõ cho đối tượng, mục tiêu, phương pháp thực kết nghiên cứu luận án phần sau Chương ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG DVR VÀ DSTATCOM TRONG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG LƯỚI PHÂN PHỐI 2.1 Đặt vấn đề Trong chương này, luận án mô tác dụng hệ thống hai thiết bị CPD DVR D-Statcom kiện CLĐN khác gồm biến thiên điện áp ngắn hạn (chẳng hạn SANH) sóng hài 2.2 Tóm tắt cấu trúc, nguyên lý vận hành ứng dụng DVR 2.2.1 Cấu trúc DVR Hình 2.1 mơ tả sơ đồ nối lưới DVR sử dụng biến đổi điện tử công suất để bảo vệ tải không bị ngừng làm việc từ tất nguồn cấp có nhiễu loạn khác Hình 2.1 Mơ hình nối lưới DVR Hình 2.4 Kết mơ lưới IEEE 13 với DVR ngắn mạch ba pha đối xứng 633 Trường hợp lưới có đặt D-Statcom nút 632, SANH hệ thống cải thiện hơn, nút cố (nút 633 Hình 2.15b) Hình 2.15 Kết mơ lưới IEEE 13 với D-Statcom ngắn mạch ba pha đối xứng 633 2.5 Mô so sánh tác dụng DVR D-Statcom khắc phục sóng hài Kịch đầu tiên, đặt DVR nhánh 632-645 đặt D-STATCOM nút 632 gần nguồn Hình 2.10 Kịch thứ hai đặt D-Statcom nút 692 xa nguồn 11 2.5.4 Phân tích kết mơ - Trường hợp xét thiết bị DVR đặt nút 645 632 với phụ tải lò hồ quang vận hành khoảng thời gian từ 0,2s đến 0,4s kết nối nút 633 Bảng 2.1 Điện áp nút THD trước sau có DVR Nút 650 632 633 634 645 646 671 680 684 652 611 692 675 Điện áp nút chế độ xác lập (pu) Chưa có Có LHQ Có LHQ LHQ DVR 1,0 1,0 1,0 0,98 0,87 0,87 0,98 0,81 0,81 0,96 0,78 0,78 0,97 0,83 0,975 0,96 0,84 0,97 0,98 0,85 0,86 0,97 0,84 0,84 0,96 0,84 0,84 0,95 0,83 0,83 0,95 0,83 0,83 0,96 0,84 0,85 0,95 0,83 0,83 THD% Có LHQ Có LHQ DVR 0 5,30 5,30 7,22 7,22 0,96 0,96 5,33 4,54 5,33 4,52 5,34 5,34 5,34 5,34 5,36 5,36 5,33 5,33 5,46 5,46 5,34 5,34 5,48 5,48 Theo Bảng 2.3 điện áp phía tải sau vị trí đặt DVR 645 646 điện áp tăng lên điện áp Vmin (Theotiêu chuẩn > 0,9pu), giá trị THD% giảm xuống nhỏ THD tiêu chuẩn (