STATCOM là một thiết bị bù ngang, nó điều chỉnh điện áp tại vị trí nó lắp đặt đến giá
trị cài đặt (Vref) thông qua việc điều chỉnh biên độ và góc pha của điện áp rơi giữa
STATCOM và hệ thống điện.
Trong chế độ hoạt động ổn định điện áp phát ra bởi STATCOM V2 là cùng pha với
V1 (δ = 0), do đó chỉ có cơng suất phản kháng truyền tải. Bằng cách điều khiển điện áp
V2 tạo ra bởi VSC cùng pha với điện áp V1 của hệ thống nhƣng có biên độ lớn hơn khiến
dòng phản kháng (Iq) chạy từ STATCOM vào hệ thống, lúc này dòng điện Iq hoạt động
nhƣ một điện dung cung cấp công suất phản kháng đến hệ thống, qua đó nâng cao điện áp
hệ thống lên. Ngƣợc lại, nếu điện áp V2 tạo ra bởi VSC có biên độ thấp hơn điện áp V1 của
hệ thống khiến dòng phản kháng (Iq) chạy từ hệ thống vào STATCOM, lúc này dòng điện
Iq hoạt động nhƣ một điện cảm tiêu thụ công suất phản kháng từ hệ thống, qua đó hạn chế
quá điện áp trên lƣới điện. Nếu điện áp V2 tạo ra bởi VSC và điện áp hệ thống V1 bằng
nhau thì khơng có trao đổi cơng suất phản kháng. Hình 2.4 là sơ đồ nguyên lý trao đổi công suất phản kháng và công suất tác dụng giữa bộ bù và lƣới.
V1 V2 P V2 Q L 02 01 VC XL Hình 2. 4: Nguyên lý bù của bộ bù tích cực
Ta có cơng suất phản kháng và công suất tác dụng trao đổi giữa hai nguồn V1 (lƣới) và
V2 (bộ bù): 1 2 1 1 2 sin ; cos L L V V V P Q V V X X (2.1)
V2 và θ2: Điện áp tạo ra bởi VSC và góc lệch pha.
XL : Điện kháng kết nối giữa lƣới và bộ bù.
13 1 1 2 0; L V P Q V V X (2.2)
Từ (2.2) ta thấy Q tỉ lệ với hai điện áp (V1 – V2).
- Khi V1 = V2 thì Q = 0 bộ bù khơng phát ra hay hấp thụ CSPK.
- Khi V1> V2 thì Q > 0 tồn tại thành phần điện áp V12 tƣơng ứng dòng cảm kháng IL
chậm sau V1, V2 một góc 900, lƣới sẽ truyền công suất phản kháng vào bộ bù
(STATCOM hấp thụ công suất phản kháng).
V1
V12
0
V2 I
L
Hình 2. 5: Trạng thái hấp thụ cơng suất phản kháng của bộ bù
Khi V1< V2 thì Q < 0 tồn tại thành phần điện áp V12 tƣơng ứng dòng điện dung IC vƣợt
trƣớc V1,V2 một góc bằng 900 bộ bù phát cơng suất phản kháng lên lƣới điện.
IC
V1
V12 0
V2
Hình 2. 6: Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù
Từ phân tích trên ta thấy rằng khi thay đổi biên độ điện áp đầu ra của bộ bù trong khi giữ góc lệch δ = 0 ta có thể điều khiển dịng cơng suất phản kháng trao đổi giữa lƣới và bộ bù.
Ƣu điểm
STATCOM thì tƣơng tự nhƣ của một tụ bù đồng bộ nhƣng thời gian phản ứng cực kỳ nhanh chóng và hiệu quả.
STATCOM cung cấp bù công suất phản kháng để giải quyết một loạt những yêu cầu chất lƣợng cho hệ thống điện nhƣ điện áp, tần số của hệ thống lƣới điện công nghiệp khi bản thân nó có biến động và nguy cơ mất ổn định.
2.3. Thuật toán PSO 2.3.1. Giới thiệu 2.3.1. Giới thiệu
Thuật toán PSO (Particle Swwarm Optimization) – tối ƣu bầy đàn là một trong những thuật tốn xây dựng dựa trên khái niệm trí tuệ bầy đàn để tìm kiếm lời giải cho các bài tốn tối ƣu hóa trên một khơng gian tìm kiếm nào đó. PSO là một dạng của các thuật tốn tiến hóa quần thể đã đƣợc biết đến trƣớc đây nhƣ giải thuật di truyền (GA). Tuy vậy PSO khác với GA ở chỗ nó thiên về sử dụng sự tƣơng tác giữa các cá thể trong một quần thể để khám phá khơng gian tìm kiếm. PSO là kết quả của sự mơ hình hóa việc đàn chim bay đi tìm kiếm thức ăn cho nên thƣờng đƣợc xếp vào loại thuật tốn có sử dụng trí tuệ bầy đàn. PSO đƣợc giới thiệu vào năm 1995 tại một hội nghị IEEE bởi James Kennedy và Rusell C. Eberhart [8].
15
Hình 2. 8: Quá trình tìm thức ăn của đàn kiến
Thuật tốn có nhiều ứng dụng quan trọng trong tất cả các lĩnh vực mà ở đó địi hỏi phải giải quyết các bài tốn tối ƣu hóa. Để hiểu rõ thuật tốn PSO ta hãy xem một ví dụ đơn giản về quá trình tìm kiếm thức ăn của một đàn chim. Khơng gian tìm kiếm thức ăn lúc này là tồn bộ khơng gian ba chiều mà chúng ta đang sinh sống. Tại thời điểm bắt đầu tìm kiếm cả đàn bay theo một hƣớng nào đó, có thể là rất ngẫu nhiên. Tuy nhiên, sau một thời gian tìm kiếm một số cá thể trong đàn bắt đầu tìm ra đƣợc nơi có chứa thức ăn. Tùy theo số lƣợng thức ăn vừa tìm kiếm, mà cá thể gửi tín hiệu đến các cá thể đang tìm kiếm ở vùng lân cận, tín hiệu này nhanh chóng lan truyền trên tồn quần thể. Dựa vào thông tin nhận đƣợc mỗi cá thể sẽ điều chỉnh hƣớng bay và vận tốc theo hƣớng về nơi có nhiều thức ăn nhất. Cơ chế này giúp cả đàn chim tìm ra nơi có nhiều thức ăn nhất trên khơng gian tìm kiếm vơ cùng rộng lớn. Nhƣ vậy đàn chim đã dùng trí tuệ, kiến thức và kinh nghiệm của cả đàn để nhanh chóng tìm ra nơi chứa thức ăn. Bây giờ chúng ta tìm hiểu làm cách nào mà một mơ hình trong sinh hoạt nhƣ vậy có thể áp dụng trong tính tốn và sinh ra thuật tốn PSO mà chúng ta từng nhắc đến. Việc mơ hình hóa này thƣờng đƣợc gọi là q trình phỏng sinh học (bioinspired) mà chúng ta thƣờng thấy trong các ngành khoa học khác. Một thuật toán đƣợc xây dựng dựa trên việc mơ hình hóa các q trình trong sinh học đƣợc gọi là thuật toán phỏng sinh học (bioinspired algorithms).
Hãy xét bài toán tối ƣu của hàm số F khơng gian n chiều. Mỗi vị trí trong khơng gian là một điểm tọa độ n chiều. Hàm F là hàm mục tiêu xác định trong không gian n chiều và nhận giá trị thực. Mục đích là tìm ra điểm cực tiểu của hàm F trong miền xác định nào đó. Ta bắt đầu xem xét sự liên hệ giữa bài tốn tìm thức ăn với bài tốn tìm cực tiểu của hàm theo cách nhƣ sau. Giả sử rằng số lƣợng thức ăn tại một vị trí tỉ lệ nghịch với giá trị của hàm F tại vị trí đó. Có nghĩa là ở một vị trí mà giá trị hàm F càng nhỏ thì số lƣợng thức ăn càng lớn. Việc tìm vùng chứa thức ăn nhiều nhất tƣơng tự nhƣ việc tìm ra vùng chứa điểm cực tiểu của hàm F trên khơng gian tìm kiếm.
2.3.2. Biểu thức cơ bản của thuật toán PSO
Giống nhƣ những phƣơng pháp tối ƣu dựa trên mơ hình dân cƣ khác nhƣ GA, PSO bắt đầu bằng một trƣờng hợp ngẫu nhiên của các cá thể của cộng đồng dân cƣ trong khơng gian tìm kiếm. Tuy nhiên khơng giống với các phƣơng pháp tiến hóa khác trong PSO khơng có sự kết nối giữa các phần tử di truyền trong q trình tìm kiếm, thuật tốn PSO làm việc dựa trên ứng xử xã hội của các phần tử trong nhóm. Vì vậy, kết quả tối ƣu tồn cục do sự hiệu chỉnh quỹ đạo của các cá thể sẽ dẫn đến vị trí tốt nhất và phần tử tối ƣu nhất trong nhóm sau mỗi lần bƣớc tính. Phƣơng pháp PSO trở nên phổ biến vì tính đơn giản và khả năng hội tụ nhanh chóng đạt kết quả tốt.
Trong thuật toán PSO, quỹ đạo của mỗi cá thể trong khơng gian tìm kiếm đƣợc hiệu chỉnh bằng cách thay đổi vận tốc của từng cá thể, thông qua kinh nghiệm bay của nó và kinh nghiệm bay của những cá thể khác trong khơng gian tìm kiếm. Vector vị trí và vector vận tốc của một cá thể thứ i trong không gian đa chiều là:
11 12 ); 11 12
(x ; x ; ; x V (v ; v ; ;v )
i n n
X i (2.3)
Thông qua cách đặt hàm định nghĩa, chúng ta sẽ tìm ra đƣợc giá trị phù hợp nhất tại
thời điểm t là Gbest = (p11;p12;...;pn). Sau đó, vận tốc mới và trí mới của các cá thể đƣợc
tính tốn bằng 2 biểu thức sau: 1 1.rand1 2.rand2 k k k k k id id id id i k id d v V c pbest x c gbest x (2.4) 1 k 1 id id i k k d X V X (2.5) Trong đó c1; c2 là những hằng số gia tốc
17
rand1 và rand2 là dạng tạo số ngẫu nhiên trong đoạn [0;1] (2 hàm này có mối liên hệ
đồng dạng với nhau).
Phần đầu tiên trong công thức (2.4) đại diện cho vận tốc trƣóc đó, để tạo đà cho cá thể tiếp tục đi lang thang trong khơng gian tìm kiếm. Thành phần thứ 2, đƣợc xem là thành phần Cognitive, đại diện cho suy tính nhân tạo của các cá thể. Chính thành phần này sẽ hƣớng các cá thế đến vị trí tốt nhất của nó. Thành phần thứ 3 đƣợc xem là thành phần xã hội, nó đại diện cho hiệu ứng colaborative của cá thể trong quá trình tìm kiếm lời giải tối ƣu tồn cục, chính thành phần xã hội sẽ lơi kéo các cá thể hƣớng đến giá trị tối ƣu toàn cục. Ban đầu các cá thể đƣợc tạo ra với 1 vị trí ngẫu nhiên, sau đó các vận tốc ngẫu nhiên đƣợc ấn định cho từng cá thể. Sự phù hợp của các cá thể đƣơc ƣớc lƣợng thông qua hàm mục tiêu. Ở mỗi thời điểm, vận tốc của từng cá thể đƣợc tính tốn thơng qua và vị trí trong lần ƣớc lƣợng tới đƣợc cập nhật lại bằng công thức (2.5). Sau mỗi khoảng thời gian nếu các cá thể tìm ra vị trí tối ƣu hơn vị trí trƣớc thì vị trí của nó đƣợc lƣu vào bộ nhớ. Một cách
khái quát, vận tốc lớn nhất (Vmax) cho mỗi module của vector vận tốc của các cá thể đƣợc
định nghĩa để điểu khiển phạm vi của các cá thể trong không gian tìm kiếm cho ngƣời dùng tự định nghĩa.
Chƣơng 3
PHÂN TÍCH VÀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP HỆ THỐNG ĐIỆN
Hệ thống truyền tải điện ngày nay là một mạng phức tạp. Đƣờng dây truyền tải điện kết nối tất cả các nhà máy điện và tất cả các điểm phụ tải chính trong hệ thống điện. Các đƣờng dây truyền tải nguồn công suất lớn theo hƣớng đi mong muốn theo sự kết nối của hệ thống truyền tải để đạt đƣợc sự phân bố công suất mong muốn. Hơn nữa, đặc điểm chính của hệ thống truyền tải điện ngày nay là có nhiều cấu trúc mạch vòng, trái với hệ thống truyền tải điện trƣớc đây có nhiều cấu trúc hình tia, cung cấp cơng suất từ máy phát đến phụ tải xác định.
Việc truyền tải cơng suất ở trạng thái tĩnh có thể bị giới hạn bởi sự phân bố công suất song song hoặc mạch vịng. Việc phân bố đó thƣờng xảy ra trong hệ thống mạng nhiều phát tuyến, kết nối hệ thống điện, dẫn đến các đƣờng dây bị quá tải dƣới các vấn đề về dạng nhiệt hoặc giới hạn điện áp.
Hệ thống điện làm việc có sự đồng bộ đối với việc phát cơng suất điện. Nó là yêu cầu cơ bản để phát hết công suất của tất cả các máy phát trong vận hành hệ thống điện với việc duy trì tần số chung. Tuy nhiên, hệ thống điện chịu tác động của các thay đổi nhiễu loạn động, nhiễu loạn có thể là nguyên nhân của sự thay đổi đột ngột sự cân bằng công suất tác dụng và phản kháng trong hệ thống và hậu quả của việc hƣ hỏng trong máy phát.
Khả năng của hệ thống điện để phục hồi từ các nhiễu loạn và xác lập trở lại trạng thái đồng bộ mới dƣới các điều kiện tác động ngẫu nhiên trở thành việc thiết kế giới hạn vận hành đối với khả năng truyền tải.
Khả năng này thƣờng là đặc tính giới hạn ổn định hệ thống. Theo các vấn đề đã đƣợc vấn đề trƣớc đây, khả năng của hệ thống điện để đáp ứng nhu cầu phụ tải đƣợc giới hạn chính bằng hai chỉ số: phân bố công suất trên các đƣờng dây và các giới hạn ổn định của hệ thống điện. Trong chƣơng này chúng ta quan tâm đến các vấn đề cơ bản của việc kiểm soát hệ thống điện và khả năng ổn định, quan tâm đến việc điều khiển công suất và các giới hạn ổn định [7].
19
Hệ thống điện đƣợc phân loại ổn định dựa trên các chỉ tiêu nhƣ ổn định góc rotor, điện áp và tần số. Quá trình phân loại ổn định trong hệ thống điện đƣợc trình bày trong sơ đồ sau: Ổn định điện áp khi mất cân bằng nhỏ Ổn định hệ thống điện Ổn định tần số Ổn định góc rotor Ổn định điện áp Ổn định khi dao động nhỏ Ổn định quá độ Ngắn hạn Ổn định điện áp khi mất cân bằng lớn Dài hạn Ngắn hạn Ngắn hạn Dài hạn
Hình 3. 1: Phân loại ổn định trong hệ thống điện
Ổn định điện áp là khả năng của hệ thống điện để duy trì điện áp ổn định tại tất cả các thanh cái trong hệ thống điện sau khi chịu tác động của nhiễu loạn từ điều kiện vận hành trƣớc đó. Ổn định điện áp phụ thuộc vào khả năng duy trì, phục hồi trạng thái cân bằng giữa nhu cầu phụ tải và khả năng cấp điện cho phụ tải từ hệ thống điện. Ổn định điện áp đƣợc phân thành hai dạng dựa theo thời gian mô phỏng: Ổn định điện áp tĩnh và ổn định điện áp động. Phân tích ổn định điện áp tĩnh liên quan đến việc giải các phƣơng trình đại số và vì thế nó ít phép tính hơn so với nghiên cứu ổn định điện áp động.
Sự mất ổn định xuất hiện dƣới dạng thƣờng thấy là điện áp tăng lên hoặc giảm xuống của một số các thanh cái. Hậu quả của việc mất ổn định điện áp là hệ thống bảo vệ relay sẽ tác động cắt điện một số phụ tải trong khu vực, hoặc cắt đƣờng dây truyền tải điện hoặc các phần tử khác mà điều này có thể dẫn đến mất ổn định đồng bộ của một số máy phát điện trong hệ thống. Trong luận văn này tác giả quan tâm đến việc ổn định điện áp của hệ thống điện và mô phỏng ổn định điện áp của hệ thống điện khi có các thiết bị điều khiển FACTS (STATCOM) bằng phần mềm Matlab/Simulink. Ổn định điện áp đƣợc phân thành bốn dạng: Ổn định điện áp nhiễu loạn lớn, ổn định điện áp nhiễu loạn bé, ổn định điện áp trong
ngắn hạn và ổn định điện áp trong dài hạn. Tóm tắt ngắn gọn các loại ổn định điện áp nhƣ sau:
Ổn định điện áp nhiễu loạn lớn: Khả năng của hệ thống điện để duy trì ổn định điện áp ngay sau khi các nhiễu loạn lớn xảy ra nhƣ các sự cố hệ thống, ngắt máy phát điện, hoặc ngắn mạch. Khả năng này đƣợc xác định bởi đặc tính của hệ thống và phụ tải, và ảnh hƣởng của cả hệ thống điều khiển và bảo vệ. Nghiên cứu ổn định này quan tâm trong khoảng thời gian từ một vài giây đến 10 phút.
Ổn định điện áp nhiễu loạn bé: Khả năng của hệthống để duy trì ổn định điện áp khi hệ thống xảy ra các dao động bé nhƣ việc gia tăng sự thay đổi trong hệ thống phụ tải. Đây là dạng ổn định bị ảnh hƣởng bởi đặc tính của phụ tải, việc điều khiển liên tục, và điều khiển gián đoạn ở thời gian tức thời đã cho trƣớc.
Ổn định điện áp trong ngắn hạn: Liên quan đến tác động của các thành phần phụ tải thay đổi nhanh nhƣ mơ-tơ cảm ứng, phụ tải có điều khiển bằng thiết bị điện tử và các bộ chuyển đổi HVDC. Nghiên cứu quá trình trong khoảng vài giây.
Ổn định điện áp trong dài hạn: Liên quan đến các thiết bị hoạt động chậm hơn nhƣ máy biến áp điều nấc, các phụ tải có điều khiển theo nhiệt độ và các máy phát điện có bộ hạn dòng. Thời gian quá độ có thể đƣợc mở rộng một vài phút và dài hơn nữa. Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến mất ổn định điện áp của hệ thống điện là thiếu công suất phản kháng để hổ trợ cho hệ thống. Việc cải thiện khả năng điều khiển công suất phản