Tổng quan về thiết bị FACTS

4. Phƣơng pháp nghiên cứu

3.2. Tổng quan về thiết bị FACTS

3.2.1. Đặc tính kỹ thuật và kinh tế của một số thiết bị FACTS

Với những tính năng ƣu việt và nhiều lợi ích của các thiết bị FACTS nhƣ đã trình bày ở trên thì việc nghiên cứu và lắp đặt FACTS vào HTĐ trong điều kiện TTĐ sẽ kỳ vọng những hiệu quả mong đợi trong vận hành HTĐ và TTĐ.

Với quan điểm về vấn đề vận hành an toàn của HTĐ luôn đƣợc đặt lên hàng đầu, vấn đề vận hành kinh tế của TTĐ đƣợc xét đến khi vấn đề vận hành an toàn của HTĐ đƣợc đảm bảo. Do đó, chƣơng này sẽ tập trung phân tích và lựa chọn thiết bị FACTS nhằm cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật trong HTĐ, tiếp theo sẽ phân tích để cải thiện các chỉ tiêu kinh tế.

Từ bảng 3.1, với các chỉ tiêu kỹ thuật của các thiết bị FACTS có thể nhận thấy các thiết bị SVC, STATCOM, UPFC đem lại hiệu quả về điều khiển điện áp, TCSC và UPFC đem lại hiệu quả về điều khiển trào lƣu công suất. Tuy nhiên việc lựa chọn thiết bị nào cần phải so sánh tiếp về mặt kinh tế.

Bảng 3.1: Đánh giá một số chỉ tiêu kỹ thuật của một số thiết bị FACTS

Điều khiển trào

lƣu công suất Điều khiển điện áp Ổn định quá độ Ổn định động

SVC x xxx x xx

STATCOM x xxx xx xx

TCSC xx x xxx xx

UPFC xxx xxx xx xx

Ghi chú: (x) khả năng điều khiển một số thiết bị FACTS Nguồn: Siemens [56].

Từ hình 3.1, có thể nhận thấy thiết bị SVC và TCSC có giá đầu tƣ tính theo KVAr thấp hơn nhiều so với các thiết FACTS khác (STATCOM, TCSC, UPFC) và chỉ cao hơn tụ bù cố định - FSC (Fixed Series Compensators). Mặt khác SVC và TCSC cũng là thiết bị đang đƣợc nhiều quốc gia trên thế giới lựa chọn lắp đặt và vận hành an toàn, hiệu quả trên HTĐ nên việc chọn SVC và TCSC để tính toán và lắp đặt vận hành trên HTĐ trong điều kiện TTĐ có tính khả thi cao.

Nguồn: Siemens [56].

Hình 3.1: So sánh giá đầu tư tính theo KVAr của thiết bị FACTS

Mặt khác, hình 3.1 cho thấy cụ thể về chi phí (giá đầu tƣ) C0FACTS($/KVAr)

theo phạm vi vận hành (Operating Range) S (MVAr) của thiết bị FACTS và đƣợc

xác định chi tiết theo các hàm [56]:

2 0SVC 127,38 0,3051 0, 0003 C   S S ($/KVAr) (3.1) 2 0TCSC 153, 75 0, 7130 0, 0015 C   S S ($/KVAr) (3.2)

Chi phí hàng năm của FACTS nam

FACTS C đƣợc xác định [38], [39], [41], [42]: 0 (1 ) (1 ) 1 n nam FACTS FACTS n r r C C S r        ($) (3.3)

Với: n là vòng đời dự án, r là suất chiết khấu.

Dƣới đây sẽ là hai mô hình thiết bị FACTS sẽ đƣợc áp dụng trong luận án.

3.2.2. Thiết bị SVC (Static Var Compensator)

SVC là tụ bù tĩnh có dung lƣợng thay đổi và điều khiển bằng thyristor. SVC đƣợc mắc rẽ nhánh trong HTĐ và có chức năng nhƣ bộ nguồn cung cấp hoặc hấp thụ CSPK với tác động nhanh, qua đó tự động điều chỉnh giữ điện áp nút [55].

Hình 3.2: Thiết bị SVC

TSR và TSC thực chất là các bộ kháng và tụ điện đƣợc đóng cắt nhanh bằng Thyristor. Đáng chú ý hơn cả là TCR, một thiết bị có tham số đƣợc điều chỉnh trơn từ 0 đến giá trị cực đại. Phối hợp 3 loại phần tử trên cho phép chế tạo đƣợc những kháng bù ngang thay đổi đƣợc liên tục thông số trong phạm vi rộng (hình 3.2).

- Cuộn kháng điều khiển bằng thyristor (Thyristor Controlled Reactor -

TCR):là một phần tử của SVC với khả năng điều khiển một cách liên tục dòng điện

qua cuộn cảm mắc song song với áp lƣới bằng việc điều khiển dòng điện để điều khiển mở thông van thyristor.

- Cuộn kháng đóng cắt bằng thyristor (Thyristor Switched Reactor - TSR): cũng là một phần tử của SVC, gồm một số cuộn kháng đấu song song, chúng đƣợc đóng vào lƣới hoặc cắt ra bằng cách kích dẫn hoàn toàn hoặc ngắt hoàn toàn thông qua các van thyristor.

- Tụ điện đóng cắt bằng thyristor (Thyristor Switched Capacitor - TSC): Là

một phần tử của SVC đƣợc mắc song song với lƣới điện, thyristor điều khiển giá trị dòng điện qua tụ điện làm ảnh hƣởng đến CSPK, bằng việc điều khiển đóng dẫn hoàn toàn hoặc ngắt hoàn toàn thông qua các van thyristor.

3.2.3. Thiết bị TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor)

TCSC là tụ bù nối tiếp đƣợc điều khiển bằng thyristor gồm những tụ nối tiếp và mắc song song bởi những thyristor điều khiển cuộn kháng (hình 3.3). TCSC đƣợc mắc nối tiếp trên đƣờng dây tải điện nhằm điều khiển tụ bù dọc tác động nhanh, thay đổi liên tục thông số HTĐ trong phạm vi rộng, điều khiển trào lƣu công

suất trên đƣờng dây, hạn chế dao động công suất, tăng ổn định động và tĩnh cho hệ thống, ổn định điện áp [55].

Hình 3.3: Thiết bị TCSC

Tổng trở tƣơng đƣơng của TCSC trong mạch LC bao gồm dung kháng cố định XC và cảm kháng XL() là: ( ) ( ) C L TCSC L C X X X X X     (3.4)

Với  là góc mở của Thyristor: ( )

C L

X X    (3.5)

Khi góc mở của thyristor là 180o

tổng trở tƣơng đƣơng trong mạch bằng

dung kháng của tụ. Khi góc mở thay đổi nhỏ hơn 180o, tổng trở của mạch tụ tƣơng

đƣơng nhỏ dần. Khi góc mở đạt 90o, cuộn kháng dẫn hoàn toàn và tổng trở tƣơng

đƣơng mang tính cảm vì cảm kháng cuộn kháng đƣợc thiết kế nhỏ hơn nhiều so với dung kháng của tụ. TCSC có thể lắp đặt dƣới dạng một modul lớn hoặc gồm vài modul nhỏ mắc nối tiếp.

3.3. Ứng dụng thiết bị FACTS nhằm điều khiển các chế độ hệ thống điện trong hoạt động thị trƣờng điện

3.3.1. Sự tác động của thiết bị FACTS trong điều khiển các chế độ hệ thống điện đến một số chỉ tiêu thị trường điện

CSTD trên các nhánh và các nút đƣợc biểu diễn theo các công thức sau [63]: (3.6) (3.7) ij j i j i ij X V V P sin(  )  0 ) cos( 1      n j j i ij ij j i i V V Y P    SW L iL() VC() i C iC()=i+ iL() iL()

Việc ứng dụng thiết bị FACTS để điều khiển các chế độ HTĐ sẽ làm thay đổi phân bố công suất trong HTĐ. Trong đó, CSTD trên các nhánh và các nút theo các công thức 3.6 và 3.7 cũng sẽ thay đổi. Kết quả làm cho công suất, tổn thất trên các nhánh sẽ thay đổi. Sự thay đổi này làm cho giá biên nút - LMP tại các nút trong công thức 1.11 sẽ thay đổi:

ef os ($ / )

FACTS FACTS FACTS FACTS FACTS

i i r l si congestioni

LMP     h (3.8)

Điều này dẫn đến doanh thu của các GenCo hay chi trả của các DisCo đƣợc xác định theo công thức 1.12 sẽ thay đổi:

( is ) ($ / )

FACTS FACTS FACTS

GenCoi D Coj i i

R LMP P h (3.9)

Phúc lợi của các GenCo và DisCo theo công thức 1.13 và 1.14 sẽ thay đổi: ($ / )

FACTS FACTS FACTS

GenCoi RGenCoi CGenCoi h

   (3.10)

is is is ($ / )

FACTS FACTS FACTS

D Coj BD Coj RD Coj h

   (3.11)

Đồng thời, phúc lợi của thị trƣờng theo công thức 1.15 sẽ thay đổi:

_ is 1 1 ($ / ) G D n n

h FACTS FACTS FACTS

thitruong GenCoi D Coj

i j

h

 

   (3.12)

Do đó, phúc lợi TTĐ hàng năm theo công thức 1.16 đƣợc xác định:

_ _

8760

nam FACTS h FACTS

thitruong thitruong u

     ($/năm) (3.13)

Ý nghĩa các thành phần trong các công thức 3.8 đến 3.13 đã đƣợc nêu trong mục 1.4.4.2 từ công thức 1.11 đến 1.16 [38], [41], [42]; trong đó chỉ số trên trƣơng ứng với trƣờng hợp có thiết bị FACTS. Có thể nhận thấy việc điều khiển các chỉ tiêu HTĐ sẽ tác động đến các chỉ tiêu TTĐ (doanh thu, lợi nhuận và phúc lợi).

Dƣới đây là ví dụ minh họa cho sự tác động của thiết bị FACTS trong điều khiển các chế độ HTĐ đến một số chỉ tiêu TTĐ. Xét HTĐ đơn giản gồm 4 nút với cấu trúc mạch vòng nhƣ hình 3.4. Trong đó các nút nguồn tƣơng ứng với các nút 1 và 3, các nút tải tƣơng ứng với các nút 2 và 4.

Với trƣờng hợp phụ tải cực đại, phân bố công suất trên các nhánh có sự chênh lệch lớn, trong đó nhánh 1-2 bắt đầu xuất hiện nghẽn mạch, dẫn đến giá biên nút - LMP trên các nút đã có sự khác biệt (hình 3.4).

Hình 3.4: HTĐ 4 nút khi chưa đặt thiết bị FACTS

Với trƣờng hợp SVC đƣợc kết nối tại nút 4 và điều chỉnh điện áp tại nút này đạt giá trị V=1,01 pu (hình 3.5), nhận thấy phân bố công suất trong HTĐ đã có sự thay đổi đáng kể so với trƣờng hợp chƣa kết nối SVC; nghẽn mạch trên nhánh 1-2 đã giảm, giá biên nút - LMP trên các nút đã giảm xuống đồng đều nhau, các chỉ tiêu về thị trƣờng đã có sự thay đổi.

Hình 3.5: HTĐ 4 nút khi đặt thiết bị SVC nút 4

Với trƣờng hợp TCSC kết nối tại nhánh 2-3 và điều chỉnh XTCSC=0,5XL(hình

3.6), nhận thấy phân bố công suất trong HTĐ đã có sự thay đổi lớn, nghẽn mạch trên nhánh 1-2 đã giảm mạnh, giá biên nút - LMP trên các nút đã giảm xuống đồng đều nhau, các chỉ tiêu về thị trƣờng cũng đã tiếp tục có sự thay đổi. Bên cạnh đó cũng nhận thấy tác động của TCSC đối với việc cải thiện nghẽn mạch trên nhánh 1- 2 đạt nhiều hiệu quả hơn so với SVC.

Hình 3.6: HTĐ 4 nút khi đặt thiết bị TCSC nhánh 2-3

Tóm lại, với những phân tích bƣớc đầu vừa trình bày ở trên, có thể nhận thấy việc sử dụng thiết bị FACTS đã tác động đến các chỉ tiêu của HTĐ trong việc giảm tắc nghẽn qua đó sẽ tác động đến chỉ tiêu TTĐ trong việc giảm giá biên nút - LMP theo xu hƣớng đồng đều hơn. Tuy nhiên cần có những nghiên cứu tiếp theo để thấy rõ hơn tác động của nó đến những chỉ tiêu của HTĐ và TTĐ, qua đó đề xuất phƣơng pháp lựa chọn vị trí lắp đặt thiết bị FACTS vào HTĐ trong điều kiện TTĐ.

3.3.2. Phương pháp luận đặt thiết bị FACTS vào hệ thống điện trong hoạt động thị trường điện

Nhƣ trên đã giới thiệu, thiết bị FACTS có khả năng điều khiển nhanh và linh hoạt chế độ của HTĐ nên trƣớc hết nó đƣợc áp dụng để cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống. Bảng 3.1 đã thể hiện hiệu quả của FACTS trong các mục đích khác nhau. Khi nghiên cứu vận hành hệ thống trong điều kiện của TTĐ, ngƣời ta thƣờng đặt vấn đề xem xét khả năng đặt thiết bị FACTS về phƣơng diện cải thiện giá biên nút, nâng cao phúc lợi cho hoạt động TTĐ. Việc xem xét phối hợp các yếu tố có thể không tăng thêm chi phí đầu tƣ nhƣng vẫn đạt đƣợc hiệu quả tối đa. Một trong những mục tiêu của luận án là xem xét vấn đề này. Mục đích chung là đảm bảo hiệu quả thiết bị FACTS trong việc lựa chọn vị trí đặt với thuật toán thích hợp. Chỉ riêng các mục tiêu kỹ thuật cũng đã có hàng loạt các nghiên cứu khác nhau nhƣ lựa chọn vị trí đặt SVC nhằm nâng cao ổn định điện áp, nâng cao khả năng tải cho lƣới, giảm tổn thất điện năng [13] … [26]. Nghiên cứu lựa chọn vị trí lắp đặt TCSC

cũng theo nhiều mục đích khác nhau nhƣ nâng cao ổn định động hệ thống khi sự cố, xử lý nghẽn mạch, nâng cao giới hạn truyền tải công suất trong chế độ là việc bình thƣờng, tối ƣu hóa phân bố công suất nhằm giảm tổn thất... Hiện nay, khi HTĐ vận hành trong điều kiện TTĐ, các mục tiêu về cải thiện giá biên nút nhằm nâng cao phúc lợi TTĐ luôn đƣợc quan tâm nghiên cứu và vận hành. Do đó, việc phối hợp thuật toán để giải quyết các vấn đề vừa nêu sẽ là điểm mấu chốt. Trong chƣơng này, việc đặt vấn đề chủ yếu để xem xét lắp đặt SVC và TCSC, nên việc nghiên cứu sẽ đi sâu vào việc phối hợp các hiệu quả về kỹ thuật và kinh tế đối với các thiết bị này.

3.3.2.1. Hiệu quả lắp đặt SVC

Với việc nâng cao hiệu quả ổn định điện áp, vị trí lắp đặt tối ƣu sẽ vào vị trí "nút yếu" nhất hoặc nằm giữa cụm các nút yếu. Dễ giải thích về tính tối ƣu trong trƣờng hợp này bởi giới hạn ổn định toàn hệ thống phụ thuộc vào nút đầu tiên bị sụp đổ điện áp, nguyên nhân là do không đảm bảo đƣợc cân bằng CSPK. Việc đặt SVC vào nút yếu nhất hoặc cụm các nút yếu sẽ đảm bảo cho các nút này luôn giữ đƣợc cân bằng CSPK và ổn định trong mọi tình huống (khi dung lƣợng đủ lớn).

Vấn đề tìm vị trí lắp đặt SVC thuộc dạng bài toán thiết kế nên việc tìm các nút yếu có thể đƣợc thực hiện bằng quan sát độ dốc đƣờng cong P-V (mục 1.5.2). Việc quan sát này thƣờng mang tính định tính, để biết chính xác mức độ mất ổn định tại mỗi trạng thái cụ thể thì cần phải tính toán định lƣợng bằng chỉ số độ nhạy điện áp thông qua vectơ tiếp tuyến của đƣờng cong P-V. Theo vectơ tiếp tuyến của đƣờng cong P-V có thể xác định đƣợc độ thay đổi điện áp tại mỗi trạng thái. Đặc biệt tại điểm sụp đổ điện áp, độ thay đổi này càng có ý nghĩa trong việc xác định các nút yếu về mặt ổn định điện áp cần đƣợc quan tâm.

Độ thay đổi CSTD của tổng phụ tải HTĐ đƣợc xác định [52]:

(3.14) Với:  là tham số thay đổi tải, KL hệ số tốc độ thay đổi tải khi  thay đổi. Tỷ lệ thay đổi điện áp tại nút i đƣợc xác định:

(3.15)

   

 dP S K  d Cd

dPtotal L ( base Lcos i)

 Cd dV dP dV i total i 

Theo công thức 3.15 nút yếu nhất về mặt ổn định điện áp sẽ là nút có tỷ lệ thay đổi điện áp lớn nhất và ngƣợc lại.

Việc quan sát độ dốc đƣờng cong P-V kết hợp với tỷ lệ thay đổi điện áp nhƣ đã nói ở trên trong điều kiện phân tích ổn định điện áp HTĐ có xét đến hiệu quả của TTĐ vẫn cho các mục tiêu có sự phù hợp với lý do:

- Trƣớc hết nút yếu là nút khi vận hành đã luôn gần với hạn dƣới cho phép về độ lệch điện áp. Khi đặt SVC điện áp đƣợc giữ không đổi, các điều kiện giới hạn (công thức 1.9) đƣợc bỏ qua trong bài toán phân bố tối ƣu công suất và xác định giá biên nút (mục 1.4.3 và 1.4.4). Giới hạn điện áp cho các nút lân cận cũng đƣợc mở rộng hơn vì giảm đƣợc phạm vi dao động. Về lý thuyết bài toán tối ƣu không giới hạn luôn làm giảm giá trị chi phí của hàm mục tiêu (cực tiểu hóa). Đối với hoạt động TTĐ đó là hiệu quả cải thiện giá biên và nâng cao phúc lợi TTĐ.

- Mặt khác trong những điều kiện làm việc ngặt nghèo hơn của hệ thống (chế độ sau sự cố N-1) giới hạn ổn định điện áp có thể trở thành quyết định giới hạn truyền tải. Trong trƣờng hợp này, nâng cao ổn định nút yếu cũng đồng nghĩa với nâng cao giới hạn truyền tải, cải thiện đƣợc thành phần giá biên do nghẽn mạch.

Nhƣ vậy vấn đề đặt ra cho SVC trong mục tiêu hiệu quả TTĐ có thể chọn vị trí tƣơng ứng với nút yếu. Vấn đề là xác định thêm hiệu quả kinh tế để quyết định phƣơng án cuối cùng. Nội dung này sẽ đƣợc xét trong phần sau.

3.3.2.2. Hiệu quả lắp đặt TCSC

Có thể thấy để nâng cao hoạt động của TTĐ thì TCSC chỉ có thể phối hợp với mục tiêu xử lý nghẽn mạch nhờ điều chỉnh thông số nhánh phân bố lại công suất trong các mạch vòng. Các TCSC phục vụ mục đích nâng cao ổn định động không phối hợp đƣợc trong trƣờng hợp này vì thuật toán hoàn toàn khác nhau. Hơn nữa tác động điều khiển TCSC nâng cao ổn định động chỉ diễn ra lúc sự cố.

Nhƣ nội dung lý thuyết của giá biên nút, thành phần chi phí do nghẽn mạch có ảnh hƣởng đáng kể đến giá biên nút, do đó việc đặt TCSC xử lý nghẽn mạch cũng trùng với mục đích nâng cao hiệu quả TTĐ. Khó khăn chính là hiện nay là chƣa có những thuật toán tối ƣu cho bài toán xử lý nghẽn mạch bằng thiết bị