Xác định vị trí và dung lượng của TCSC để nâng cao khả năng chuyên tải của hệ thống điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM


TRẦN THẾ HOÀNG



XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƢỢNG CỦA
TCSC ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHUYÊN
TẢI CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN








LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2013




CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM


Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : TS Trƣơng Việt Anh
(Họ tên, học hàm, học vị và chữ ký)


TS. Trƣơng Việt Anh
Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. HCM
ngày 02 tháng 02 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. TS. Huỳnh Châu Duy Chủ tịch hội đồng
2. PGS.TS. Phan Thị Thanh Bình Phản biện 1
3. TS. Ngô Cao Cƣờng Phản Biện 2
4. PGS.TS. Lê Kim Hùng Uỷ viên
5. TS. Trần Văn Tịnh Uỷ viên, thƣ ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn sau khi luận văn đã đƣợc
sửa chữa (nếu có): ………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………….
Chủ tịch hội đồng đánh giá LV




BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM


TRẦN THẾ HOÀNG


XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƢỢNG CỦA TCSC
ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG CHUYÊN TẢI CỦA HỆ
THỐNG ĐIỆN




LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202


HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRƢƠNG VIỆT ANH

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2013







TRƢỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TP. HCM, ngày 21 Tháng 12 năm 2012.
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trần Thế Hoàng Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 16/03/1973 Nơi sinh: TPHCM
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: 1181031017

I-TÊN ĐỀ TÀI:
Xác định vị trí và dung lương của TCSC để nâng cao khả năng chuyên tải
của hệ thống điện.
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu các giải pháp chống nghẽn mạch hệ thống điện
- Trình bày nguyên lý hoạt động của thiết bị TCSC.
- Giải quyết bài toán nâng cao khả năng truyền tải bằng cách đặt TCSC (vị trí
đặt và dung lƣợng)
 Giảm thiểu không gian tìm kiếm vị trí đặt TCSC bằng phƣơng pháp

mặt cắt tối thiểu
 Xác định dung lƣợng TCSC phù hợp để nâng cao khả năng tải của
HTĐ
- Ứng dụng thực tế và so sánh với các ví dụ mẫu
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/06/2012
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/12/2012
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Trƣơng Việt Anh
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)


1

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)


Trần Thế Hoàng

2

LỜI CÁM ƠN
Để hoàn thành cuốn luận văn này, tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất
đối với TS Trƣơng Việt Anh, ngƣời thầy đã hết lòng, tận tâm, nhiệt tình hƣớng dẫn và
cung cấp cho tôi những tài liệu vô cùng quý giá trong quá trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy cô giáo đã giảng dạy, truyền đạt tri thức
giúp tôi học tập và nghiên cứu trong quá trình học cao học tại trƣờng Đại Học Kỹ
Thuật Công Nghệ TP.HCM.
Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng quản lý khoa học - Đào tạo sau
đại học và khoa Điện – Điện tử Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM đã
giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn cao học
tại trƣờng.
Xin chân thành cảm ơn các anh, chị học viên cao học lớp 11SMĐ1 đã đóng góp
ý kiến cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn này.
TP.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012
NGƢỜI THỰC HIỆN


Trần Thế Hoàng

3

TÓM TẮT
Những hệ thống điện hiện hữu luôn tồn tại các nhánh xung yếu nhất có khả
năng dẫn đến quá tải thƣờng xuyên. Khi mạng lƣới truyền tải điện bị nghẽn mạch
đó là một trong những nguyên nhân đẩy giá thành sản xuất và bán điện tăng cao.
Bằng nhiều giải pháp, các nhà cung cấp điện luôn tìm cách giảm chi phí sản xuất
điện năng khi bị sự cố quá tải về gần với chi phí lúc bình thƣờng. Một trong những
giải pháp đƣợc đề cập trong nội dung nghiên cứu “ Xác định vị trí và dung lƣợng
TCSC để nâng cao khả năng chuyên tải của hệ thống điện” là ứng dụng tính hiệu
quả của TCSC trong điều khiển dòng công suất trên lƣới để chống quá tải. Để giải
quyết bài toán đặt ra, nội dung nghiên cứu đƣợc trình bày trong sáu chƣơng.
Nghiên cứu lý thuyết mặt cắt tối thiểu, ứng dụng giải thuật max-flow và
Powerworld để xác định tập hợp những nhánh yếu nhất của hệ thống điện mở ra
nhiều hƣớng nghiên cứu mới cho bài toán chống quá tải. Nội dung nghiên cứu cũng
chỉ ra rằng: vấn đề trọng tâm của bài toán chống quá tải là làm sao xác định đƣợc
điểm thƣờng xuyên bị quá tải và xác định vị trí, dung lƣợng hợp lý đặt TCSC để
chống nghẽn mạch hiệu quả trên hệ thống điện.
Tính hiệu quả và khả năng ứng dụng của giải pháp đã đề xuất đƣợc
kiểm chứng trên các hệ thống điện ba nút, bảy nút của IEEE và lƣới điện đồng bằng
Sông Cửu Long 9 nút. Những kết quả rút ra từ các lƣới điện trên cho thấy khả năng
khoanh vùng, tìm kiếm tập hợp nhánh xung yếu nhất, xác định vị trí và dung lƣợng
của TCSC trong hệ thống điện nhanh chóng, chính xác, hiệu quả đem lại lợi ích
kinh tế cao trong truyền tải hệ thống điện.

4

ABSTRACT

The existing electrical systems always existing the weakest branches which
can lead to congestion of the power transmission system. Congestion of the power
transmission system is one of most reasons of price of electricity production and of
selling electricity to rise. In many solutions, the power suppliers always look for
ways to reduce production costs at power problems same to at normal. One of the
solutions mentioned in the contents of this research is: to specify the location and
capacity of TCSC (Thyristor Controlled Seriers Capacitor) and apply effective of
TCSC in controling of power flow on the grid to against overload. To solve this
problem, content of the research is presented in six chapters.
Research of minimun cut-set theory, Powerworld and max-flow algorithms
application to determine the set of the electrical system's weakest branches opens
many new ways of research against overload. The content of the research also
indicates that: the key matter of againsting overload problem is how to discover the
frequently congestion points and to specify the suitable location and capacity to put
TCSC.
The effectiveness and applibility of the solutions proposed were verified on
the power system with three buses, seven ones of IEEE and the electricity network
with nine ones of Mekong River Delta. The results drawn from the above networks
are that the ability to localize, to search the set of the weakest branches of power
system, and to specify the suitable location and capacity of TCSC in the power

system quickly, exactly and effectively brings high economic profic in the
transmission of the electricity system.





5

MỤC LỤC
Lời cam đoan…… .i
Lời cảm ơn .ii
Tóm tắt……. iii
Abstract .iv
Mục lục ……………………………………………………………………………v

Chƣơng 1: Giới thiệu 1
1.1 Đặt vấn đề 1
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ 3
1.3 Phƣơng pháp giải quyết 3
1.4 Giới hạn đề tài 3
1.5 Điểm mới của luận văn 3
1.6 Giá trị thực tiễn của luận văn 3
1.7 Bố cục của luận văn 4

Chƣơng 2: Tổng quan 5
2.1 Nâng cao khả năng truyền tải của hệ thống điện 5
2.2 Các công trình nghiên cứu trƣớc đây 7
2.2.1 Điều độ kế hoạch nguồn phát điện 7
2.2.2 Điều độ tải 8

2.2.3 Mở rộng đƣờng dây truyền tải 9
2.3 Các loại thiết bị Facts 11
2.3.1 SVC (Static Var Compensator) 11
2.3.2 STATCOM (Static Synchronous Compensator) 13
2.3.3 UPFC (Unified Power Flow Controlled) 14
2.3.4 TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) 15
2.4 Đề xuất phƣơng án sử dụng TCSC 17
2.4.1 Giải quyết để hết quá tải khi tăng tải 17

6

2.4.2 Nhận xét 19
2.5 Nhận xét và đề xuất sử dụng mặt cắt tối thiểu 20
2.5.1 Nhận xét 20
2.5.2 Đề xuất sử dụng mặt cắt tối thiểu 22
2.5.2.1 Giới thiệu 22
2.5.2.2 Lý thuyết về mặt cắt tối thiểu dòng công suất cực đại 23
2.6 Ứng dụng trong hệ thống điện 25
2.7 Nhận xét chung 29

Chƣơng 3: Phƣơng pháp tiếp cận 30
3.1 Bài toán nâng cao khả năng tải dùng TCSC 30
3.2 Sử dụng thuật toán Min-cut để xác định những nhánh ứng viên đặt TCSC . 31
3.3 Xác định nhánh đặt TCSC 33
3.4 Xác định dung lƣợng TCSC 34
3.5 Phát biểu luật đặt TCSC 35
3.6 Lƣu đồ xác định vị trí và dung lƣợng TCSC 36

Chƣơng 4: Khảo sát ví dụ mẫu 39
4.1 Sơ đồ lƣới điện 3 thanh cái 39

4.2 Sơ đồ lƣới điện 7 thanh cái …………….48

Chƣơng 5: Khảo sát trên hệ thống điện Việt Nam 62

Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển đề tài .76
6.1 Kết luận ……….…………………………………………………….……76
6.2 Hƣớng phát triển đề tài 77




7

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System): hệ thống truyền tải
điện xoay chiều.
TCSC : Thyristor Controlled Series Capacitor
OPF : Open Packaging Format
ISO : International Organization for Standardization:
IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers
STATCOM (Static Synchronous Compensator) : bộ bù đồng bộ tĩnh
SVC (Static Var Compensator) : bộ bù công suất phản kháng
UPFC (Unified Power Flow Controller): bộ điều khiển dòng chảy công suất.
HTĐ : Hệ Thống điện
MAX FLOW: Dòng công suất cực đại
Min-cut: Lát cắt cực tiểu
ĐBSCL: Đồng bằng Sông Cửu Long

8

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Chi phí đầu tƣ trên 1KVAr của các thiết bị FACTS……………………20
Bảng 2.2 : Vị trí và thông lƣợng của các lát cắt……………………………………26
Bảng 2.3: Các trƣờng hợp xảy ra vị trí lát cắt…………………………………… 28
Bảng 4.1. Hoạt động của phụ tải tại các nút……………………………………….50
Bảng 4.3. Chi phí phát điện tối ƣu bỏ qua điều kiện ràng buộc quá tải trên nhánh.54
Bảng 4.4: Chi phí phát điện tối ƣu có xét điều kiện ràng buộc quá tải trên nhánh 55

Bảng 4.5. Kết quả chi phí và thời gian hoàn vốn………………………………… 60
Bảng 4.6. Giá trị X
TCSC
và tỷ lệ giảm công suất quá tải trên lƣới điện 7 nút….… 61
Bảng 5.1: Hoạt động của phụ tải tại các nút……………………………………….65
Bảng 5.2: Hoạt động của phụ tải cho một ngày làm việc (24giờ) ……………… 68
Bảng 5.3. Chi phí phát điện tối ƣu bỏ qua điều kiện ràng buộc quá tải trên nhánh.70
Bảng 5.4. Chi phí phát điện tối ƣu có xét điều kiện ràng buộc quá tải trên nhánh 70
Bảng 5.5: Thời gian hoàn vốn…………………………………………………… 74
Bảng 5.6. Giá trị XTCSC và tỷ lệ giảm công suất quá tải trên lƣới điện 9 nút……75

9

DANH MỤC BIỂU ĐỒ, HÌNH ẢNH

Hình 2.1a: Ví dụ 2 nút bị nghẽn mạch………………………………………… ….8
Hình 2.1b: Ví dụ 2 nút sau khi đƣợc loại bỏ nghẽn mạch……………………… 8
Hình 2.2: Nguyên tắc điều khiển SVC trong ổn định hệ thống điện…………… 11
Hình 2.3: Dao động công suất trong trƣờng hợp không có SVC và có SVC…… 12
Hình 2.4: Cấu hình cơ bản nhất của SVC………………………………………….12
Hình 2.5: Cấu hình nâng cao của SVC là TCR + TSC + FC…………………… 13
Hình 2.6: Sơ đồ mạch điều khiển sử dụng STATCOM………………………… 13
Hình 2.7: Nguyên tắc điều khiển trào lƣu công suất của STATCOM…………….14
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý điều khiển của UPFC…………………………………14
Hình 2.9: Sơ đồ cấu tạo của TCSC……………………………………………… 15
Hình 2.10: Mô hình đƣờng dây truyền tải có lắp đặt TCSC……………………… 17
Hình 2.11: Đơn giản hoá mô hình TCSC trên nhánh i-j………………………… 18
Hình 2.12: Chi phí đầu tƣ vận hành theo công suất bù…………………………….21
Hình 2.13: Mối quan hệ giữa nguồn và tải…………………………………… …22
Hình 2.14: Sơ đồ mạng với nguồn phát (s), tải thu (t) và hai nút trung gian………24
Hình 2.15: Mô hình hoá mạng với một số lát cắt tiêu biểu……………………… 24
Hình 2.16: Mô hình hệ thống điện đơn giản……………………………………….25
Hình 2.17: Mô hình hoá sơ đồ mạng điện truyền tải 2 nút……………………… 26

Hình 2.18: Vị trí và thông lƣợng các lát cắt trên sơ đồ mô hình hóa…………… 26
Hình 2.19: Vị trí của lát cắt cực tiểu trên mạng mô hình hoá…………………… 27
Hình 3.1: Mô hình truyền tải điện trên hai nhánh song song………………………30
Hình 3.2: Tập hợp nhánh xung yếu theo chƣơng trình max-flow………………….32
Hình 3.3: Mô hình lƣới 3 nút………………………………………………………34
Hình 3.4: Lƣu đồ xác định vị trí, dung lƣợng TCSC và công suất nhà máy điện….38
Hình 4.1: Sơ đồ lƣới điện 3 thanh cái…………………………………………… 39
Hình 4.2: Mô hình mô phỏng lƣới điện 3 nút bằng Max-Flow……………………40
Hình 4.3: Danh sách các đƣờng cắt sau khi tính MaxFflow. …………………… 40
Hình 4.4: Mô phỏng phân bố công suất bằng Powerworld lƣới điện 3 nút……… 41
Hình 4.5. Thông số đầu vào khi tăng tải thanh cái 2 lên 20% 42
Hình 4.6. Danh sách lát cắt khi tăng tải tại thanh cái 2 lên 20% 43
Hình 4.7. Phân bố công suất bằng Powerworld khi tải nút 2 tăng 20% 43
Hình 4.8. Thông số đầu vào khi tải tại thanh cái 3 tăng 20% 44
Hình 4.9. Danh sách lát cắt khi tăng tải tại thanh cái 3 lên 20% 44
Hình 4.10. Phân bố công suất bằng Powerworld khi tải nút 3 tăng 20% 45
Hình 4.11. Thông số nhập vào khi tăng tải 2 lên 20% và 3 lên 20% 45
Hình 4.12. Danh sách lát cắt khi tăng tải tại thanh cái 2 và 3 lên 20% 46

10

Hình 4.13: Phân bố công suất khi tăng tải thanh cái 2, 3 lên 20% 46
Hình 4.14. Phân bố công suất bằng Powerworld khi có lắp đặt TCSC……………47
Hình 4.15: Sơ đồ lƣới điện 7 nút………………………………………………… 48
Hình 4.16. Mô hình hoá lƣới điện 7 nút trên max-flow……………………………49
Hình 4.17: Danh sách lát cắt của lƣới điện 7 nút trên max-flow………………… 50
Hình 4.18: Phân bố công suất bằng Powerworld tải 60% công suất………………51
Hình 4.19: Phân bố công suất bằng Powerworld (tải 100% công suất)……………52
Hình 4.20. Phân bố công suất bằng Powerworld (tải 120% công suất )………… 52
Hình 4.21. đồ thị phụ tải một ngày làm việc……………………………………….54

Hình 4.22 : Điều độ chi phí tối ƣu công suất máy phát có xét đến điếu kiện ràng
buộc quá tải trên nhánh khi phụ tải đạt 100% công suất………………………… 56.
Hình 4.23 : Điều độ chi phí tối ƣu công suất máy phát có xét đến điều kiện ràng
buộc quá tải trên nhánh khi phụ tải đạt 120% công suất………………………… 57
Hình 4.24. Phân bố công suất bằng Powerworld khi lắp TCSC trên nhánh 1-3
(tải 100% công suất)……………………………………………………………….58
Hình 4.25 Phân bố công suất bằng Powerworld khi lắp TCSC trên nhánh 1-3
( tải 120% công suất)………………………………………………………………59
Hình 4.26. Điểm hoàn vốn khi lắp TCSC………………………………………….60
Hình 5 .1: Sơ đồ lƣới điện 9 nút……………………………………………………62
Hình 5.2: Mô hình hoá lƣới điện 9 nút trên max-flow…………………………… 64
Hình5.3: Danh sách lát cắt của lƣới điện 9 nút trên max-flow…………………….64
Hình 5.4: Phân bố công suất bằng Powerworld (tải 60% công suất)…………….66
Hình 5.5: Phân bố công suất bằng Powerworld (tải 100% công suất )………… 67
Hình 5.6: Phân bố công suất bằng Powerworld (tải 105% công suất )………… 68
Hình 5.7: Phụ tải một ngày làm việc. ……………………………………………69
Hình 5.8 : Điều độ chi phí tối ƣu công suất máy phát chống quá tải khi phụ tải đạt
100% công suất………………………………………………………………… 71
Hình 5.9 : Điều độ chi phí tối ƣu công suất máy phát chống quá tải khi phụ tải đạt
105% công suất………………………………………………………………… 71
Hình 5.10: Phân bố công suất bằng Powerworld khi lắp ……………………….72
Hình 5.11: Phân bố công suất bằng Powerworld khi lắp TCSC trên nhánh 6-8
(tải 105% công suất)…………………………………………………………… 73
Hình 5.12. Điểm hoàn vốn khi lắp TCSC……………………………………… 74





11

CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
1.1 Đặt vấn đề
Điện năng đóng vai trò rất quan trọng đối với sản xuất sản phẩm hàng hóa và
cải thiện đời sống của con ngƣời. Chính vì vậy, nhà nƣớc luôn quan tâm tới sự phát
triển của ngành điện, tạo điều kiện cho ngành điện trở thành một ngành công nghiệp
mũi nhọn phục vụ sự nghiệp Công nghiệp hóa – Hiện đại hóa đất nƣớc.

Xu hƣớng chuyển dịch từ hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc
sang thị trƣờng điện cạnh tranh đã và đang diễn ra mạnh mẽ ở nhiều nƣớc trên thế
giới. Thị trƣờng điện với cơ chế mở đã đem lại hiệu quả ở các nƣớc và cho thấy
những ƣu điểm vƣợt trội hơn hẳn hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc
truyền thống. Hệ thống điện không ngừng phát triển cả về số lƣợng, chất lƣợng và
độ tin cậy.

Khi chuyển sang thị trƣờng điện thì vấn đề quá tải đƣờng dây là thƣờng
xuyên, có ảnh hƣởng đến ổn định và độ tin cậy hệ thống. Điều khiển quá tải đƣờng
dây là chức năng quan trọng của bất kỳ ISO (International Organization for
Standardization ) và là quá trình đảm bảo hệ thống truyền tải không bị vi phạm các
giới hạn vận hành. Bất kể khi nào, ràng buộc vật lý hoặc ràng buộc vận hành trong
lƣới truyền tải bị vi phạm thì hệ thống đƣợc coi là đang ở trạng thái quá tải. Các
giới hạn trong vấn đề quá tải đƣờng dây là giới hạn nhiệt, mức cảnh báo của máy
biến áp, giới hạn điện áp nút, ổn định quá độ (ổn định động và ổn định tĩnh). Các
giới hạn này ràng buộc lƣợng công suất mà có thể truyền tải giữa hai vị trí thông
qua lƣới truyền tải. Công suất truyền tải không đƣợc phép tăng lên đến mức mà khi
có xảy ra sự cố sẽ làm tan rã lƣới điện vì không ổn định điện áp.
Có rất nhiều công trình nghiên cứu về vận hành tối ƣu hệ thống điện. Một
trong các bài toán đặt ra là phân bố luồng công suất tối ƣu còn đƣợc biết đến nhƣ

12

phƣơng pháp điều khiển dòng công suất trên lƣới điện truyền tải nhằm: Hạn chế quá
tải trên đƣờng dây ở thời điểm hiện tại cũng nhƣ khi mở rộng phụ tải trong tƣơng
lai. Đây là nguyên nhân chính gây nên giá sản xuất điện năng tăng cao. Có nhiều
phƣơng pháp để giải quyết bài toán quá tải nhƣ: Điều chỉnh công suất phát của nhà
máy, xây dựng các đƣờng dây song song sử dụng các thiết bị bù công suất phản
kháng tại chỗ…

Hiện nay Các thiết bị FACTS (Flexible Alternating Current Transmission
System) đƣợc sử dụng để điều khiển điện áp truyền tải, phân bố công suất, giảm tổn
thất phản kháng, và làm giảm dao động công suất hệ thống cho các mức truyền tải
công suất cao, đặc biệt là tăng khả năng truyền tải công suất. Vì vậy, lắp đặt các bộ
điều khiển FACTS nhằm điều khiển tốt hơn trong hệ thống điện cần phải đƣợc xem
xét, trong đó việc lắp đặt thích hợp các thiết bị FACTS trở thành quan trọng. Nếu
lắp đặt không thích hợp các bộ điều khiển FACTS làm giảm đặc tính tối ƣu thu
đƣợc và có thể làm mất đi tính hữu ích.
Từ những khó khăn trong quản lý, vận hành hệ thống điện và tính năng của
FACTS thì việc sử dụng thiết bị FACTS trên đƣờng dây truyền tải là rất cần thiết,
trong đó việc xác định vị trí tối ƣu để đấu nối thiết bị FACTS nhằm đảm bão khả
năng nhận công suất, khả năng phát công suất và khả năng truyền tải công suất trên
đƣờng dây là lớn nhất đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống điện hiện nay.

Ngoài ra việc sử dụng các thiết bị Facts điều khiển dòng công suất trên đƣờng
dây còn đƣợc biết đến nhƣ biện pháp chống nghẽn mạch, giảm rủi ro về mất điện,
tăng độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng, đảm bảo lợi ích kinh tế, đồng thời
tránh đƣợc tình trạng đầu cơ tăng giá điện khi có sự cố nghẽn mạch. Một số công
trình nghiên cứu cũng cho thấy rằng, việc sử dụng các thiết bị Facts để điều khiển
dòng công suất sẽ hạn chế đƣợc quá tải trên đƣờng dây từ đó làm giảm chi phí sản
xuất điện năng, tăng giá trị phúc lợi xã hội.

13

Trên cơ sở những kết quả của các công trình nghiên cứu trƣớc đây đã đạt
đƣợc, đề tài đề xuất tên “Xác định vị trí và dung lượng TCSC để nâng cao khả
năng chuyên tải của hệ thống điện” nhằm xây dựng giải thuật tìm kiếm vị trí tối
ƣu của thiết bị TCSC (Thyristor Controller Series Capacitor) với mục đích xây
dựng giải thuật xác định vị trí tối ƣu của TCSC bằng phƣơng pháp mặt cắt tối thiểu
để nâng cao khả năng truyền tải từ đó giảm đƣợc chi phí sản xuất điện năng và hạn
chế nhƣợc điểm của các công trình nghiên cứu trƣớc đây.

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ
- Tìm hiểu các giải pháp chống nghẽn mạch hệ thống điện
- Trình bày nguyên lý hoạt động của thiết bị TCSC.
- Giải quyết bài toán nâng cao khả năng truyền tải bằng cách đặt TCSC (vị
trí đặt và dung lƣợng)
 Giảm thiểu không gian tìm kiếm vị trí đặt TCSC bằng phƣơng pháp
mặt cắt tối thiểu
 Xác định dung lƣợng TCSC phù hợp để nâng cao khả năng tải của HTĐ
- Ứng dụng thực tế và so sánh với các ví dụ mẫu
1.3 Phƣơng pháp giải quyết
- Giải tích và mô phỏng toán học.
- Ứng dụng phần mềm Powerworld.

1.4 Giới hạn đề tài
- Không xét đến ổn định động của hệ thống điện

1.5 Điểm mới của luận văn
- Xây dựng thuật toán xác định vị trí và dung lƣợng của TCSC nâng cao

khả năng tải của hệ thống điện.

1.6 Phạm vi ứng dụng
- Ứng dụng cho các mô hình hay lƣới điện bất kỳ.
- Ứng dụng cho các lƣới điện IEEE mẫu
- Làm tài liệu tham khảo khi vận hành lƣới điện với thiết bị FACTS.

14

- Làm tài liệu tham khảo cho bài giảng môn học cung cấp điện.
1.7 Bố cục của luận văn
Chƣơng 1: Giới thiệu luận văn
Chƣơng 2: Tổng quan
Chƣơng 3: Phƣơng pháp tiếp cận
Chƣơng 4: Khảo sát các ví dụ mẫu
Chƣơng 5: Ứng dụng lƣới điện Việt Nam
Chƣơng 6: Kết luận











15

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN

2.1. Nâng cao khả năng truyền tải của hệ thống điện
Trong quá trình vận hành hệ thống điện trong thị trƣờng điện, chi phí của tổ
máy phát thứ i trong nhà máy điện là:
2
0 1 2
()
i gi i gi i gi i
C P P P
  
  
(2.1)
P
gi
: công suất phát của tổ máy thứ i.

0i
, 
1i
, 
2i
: Hệ số chi phí của máy phát i.
Do đó tổng chi phí của các nhà máy phát điện đƣợc tính theo biểu thức:
()
G i gi
C C P

(2.2)
Mục tiêu của các nhà máy sản xuất điện năng là tìm cách giảm chi phí sản

xuất điện sao cho tổng chi phí phát điện phải là nhỏ nhất:
1
()
i gi
C Minimum C P

(2.3)
Giá thành điện năng là tổng chi phí để sản xuất ra một đơn vị điện năng. Giá
điện bao gồm các chi phí nguồn phát, truyền tải đến nơi tiêu thụ cộng với các chi
phí khác hình thành nên giá bán điện trên thị trƣờng. Do đó giá bán điện đƣợc xác
định tính từ giá thành sản xuất điện năng tối thiểu C
1
. Trong thị trƣờng điện, sự
cạnh tranh về giá luôn khiến các nhà sản xuất phải hƣớng đến mục tiêu tối thiểu hoá
tổng chi phí của hệ thống điện, nghĩa là tìm cách đƣa tổng chi phí phát điện về giá
trị C
1
. Điều này đồng nghĩa với việc giảm giá thành sản xuất trên một đơn vị điện
năng và giá bán điện cũng giảm theo.
Giả sử giá trị chi phí phát điện tối thiểu là C
1
thì lƣợng công suất phát của
các nhà máy điện và phụ tải có sự cân bằng theo biểu thức:

1
n
Gi L
i
PP




(2.4)
P
Gi
: công suất phát của các nhà máy.
P
L
: công suất của các phụ tải.

16

Khi có sự gia tăng phụ tải vƣợt quá độ dự trữ cho phép của hệ thống dẫn đến
đƣờng dây nghẽn mạch trên một số tuyến đƣờng dây của mạng điện. Nghĩa là khi
phụ tải điện thay đổi tăng lên một lƣợng P
L
thì theo biểu thức (2.4), để giải quyết
sự cố nghẽn mạch trên hệ thống truyền tải điện cần thay đổi công suất phát của các
tổ máy trong các nhà máy điện một lƣợng là P
gi
. Nhƣ vậy chi phí cho sản xuất ra
một đơn vị điện năng trong trƣờng hợp này theo biểu thức (2.3) sẽ là
'
21
()
i gi
C C P C

. Khi chi phí sản xuất điện năng tăng cao thì giá bán điện đến hộ
tiêu thụ cũng tăng theo. Điều này gây bất lợi cho nhà cung cấp trong việc gia tăng

doanh số bán hàng trên thị trƣờng cũng nhƣ những nỗ lực cạnh tranh thị phần.
Bài toán phân bố công suất tác dụng giữa các nhà máy điện để cực tiểu chi phí
sản xuất (C
1
). Tuy nhiên bài toán này gặp khó khăn vì gặp giới hạn của các đƣờng
dây tải điện nên phải thay đổi công suất phát giữa các nhà máy điện để các đƣờng dây
không còn quá tải. Điều này làm cho chi phí tăng cao (C
2
) làm cho C
2
> C
1
.
Để giảm chi phí phát điện từ C
2
 C
1
có thể nâng cao khả năng tải của hệ
thống. Nếu không phải tất cả các đƣờng dây truyền tải (tạo thành mạch các vòng) bị
quá tải hoàn toàn bằng cách thay đổi góc pha giữa nút, các tổng trở các nhánh để
công suất truyền tải phân chia qua các tuyến dây chƣa bị quá tải.
Ngành công nghệ điện tử với công suất hiện nay, việc sản suất các thiết bị
FACTS có thể thực hiện đƣợc. Tuy nhiên, việc xác định chính xác vị trí đặt thiết bị
hết sức khó khăn vì phải xác định đƣợc những nhánh thƣờng xuyên bị quá tải mới
đem lại hiệu quả của việc đặt thiết bị FACTS.
Số lƣợng thiết bị và công suất thiết bị đòi hỏi phải giải bài toán cực đại lợi
nhuận giữa chi phí thiết bị và việc giảm chi phí sản suất điện năng.
Những phân tích trên cho thấy: khi có sự thay đổi phụ tải hay sự cố hệ thống
điện sẽ dẫn tới giá bán điện trên thị trƣờng tăng lên do chi phí sản xuất điện tăng.
Cho dù vận hành lƣới điện ở bất kỳ trạng thái nào thì các nhà máy sản xuất điện

luôn tìm cách đƣa các chi phí C
2
trở về gần với trạng thái ban đầu nhất: C
2
 C
1
.



17

2.2. Các công trình nghiên cứu trƣớc đây
2.2.1. Điều độ kế hoạch nguồn phát điện
Phân bố công suất tối ƣu (OPF) là kỹ thuật quan trọng nhất để đạt đƣợc các
mô hình phát điện chi phí nhỏ nhất trong một hệ thống điện với các điều kiện ràng
buộc truyền tải và vận hành có sẵn. Vai trò của trung tâm vận hành hệ thống độc lập
(ISO) trong thị trƣờng cạnh tranh là điều độ điện năng đáp ứng hợp đồng giữa các
bên tham gia thị trƣờng. Với xu hƣớng phát triển của nền kinh tế và đất nƣớc, các
phụ tải ngày càng tăng số lƣợng các hợp đồng song phƣơng đƣợc ký kết cho các
giao dịch thị trƣờng điện thì khả năng thiếu các nguồn cung cấp sẽ dẫn tới nghẽn
mạch mạng là không thể tránh khỏi. Trong trƣờng hợp này, quản lý nghẽn mạch
(với cơ chế OPF) trở thành một bài toán quan trọng. Nghẽn mạch truyền tải theo
thời gian thực đƣợc định nghĩa là điều kiện vận hành mà ở đó không đủ khả năng
truyền tải để thực hiện cùng lúc tất cả các giao dịch do xảy ra tình trạng khẩn cấp
không mong muốn. Để giảm nghẽn mạch truyền tải bằng cách đƣa các ràng buộc
khả năng truyền tải vào trong quá trình điều độ và lập kế hoạch. Điều này bao gồm
tái điều phối nguồn phát hoặc cắt giảm tải. Trong tài liệu này, tác giả đã thành lập
bài toán OPF với mục tiêu là cực tiểu lƣợng công suất tác dụng (MW) khi điều
chỉnh lại kế hoạch. Theo cơ chế này, chúng ta cũng xem xét sự điều phối các hợp

đồng song phƣơng trong trƣờng hợp nghẽn mạch nặng nề mặc dù biết rằng bất cứ
sự thay đổi nào trong một hợp đồng song phƣơng là tƣơng ứng với sự thay đổi công
suất bơm vào ở cả các nút ngƣời mua lẫn ngƣời bán.
Điều này dẫn tới vận hành nguồn phát ở một điểm cân bằng khác điểm cân
bằng đƣợc xác định bởi điều kiện giá cận biên bằng nhau. Các mô hình toán học giá
truyền tải có thể đƣợc kết hợp trong cơ chế điều phối và đạt đƣợc tín hiệu giá tƣơng
ứng. Các tín hiệu giá này có thể đƣợc sử dụng để định giá nghẽn mạch và chỉ cho
những ngƣời tham gia thị trƣờng sắp xếp lại công suất bơm vào hay lấy ra để tránh
nghẽn mạch.
Ngoài ra, phƣơng pháp điều độ kế hoạch nguồn phát của tác giả chỉ xem xét
điều kiện ràng buộc dòng công suất tác dụng trên đƣờng dây truyền tải mà chƣa

18

xem xét các điều kiện ràng buộc khác nhƣ: điều kiện ràng buộc về điện áp nút, góc
lệch pha, xác định giá điện tại các nút. Đây là những điều kiện rất quan trọng cần
phải đƣa vào khi điều độ kế hoạch nguồn phát, giúp quá trình vận hành hệ thống ổn
định và kinh tế.

2.2.2. Điều độ tải
Trong các hệ thống phi điều tiết, nghẽn mạch trong hệ thống truyền tải là một
bài toán chủ yếu và có thể dẫn tới các đột biến giá. Nghẽn mạch truyền tải xuất hiện
khi thiếu khả năng truyền tải để đáp ứng các yêu cầu của tất cả các khách hàng.
Trong các trạng thái bị nghẽn mạch nặng nề, nghẽn mạch truyền tải có thể đƣợc
giảm bớt bằng cách cắt giảm một phần các giao dịch không ổn định.

Hình 2.1a: Ví dụ 2 nút bị nghẽn mạch
Một ví dụ của một hệ thống 2 nút trình bày trong Hình 2.1a giải thích sự
nghẽn mạch truyền tải. Trong Hình 2.1a, đầu ra công suất tác dụng cực đại của máy
phát là 100MW với giới hạn công suất đƣờng dây truyền tải là 100MVA và công

suất tác dụng tải là 100MW. Có một sự quá tải truyền tải trên đƣờng dây truyền tải
để đáp ứng tải. Nghẽn mạch có thể đƣợc giảm bớt bằng cách cắt giảm phần tải nào
đó. Trong Hình 2.1b, tải đƣợc cắt giảm từ 100MW xuống 90MW và nghẽn mạch
đƣợc loại bỏ.

Hình 2.1b: Ví dụ 2 nút sau khi đƣợc loại bỏ nghẽn mạch

19

Điều độ tải là phƣơng pháp điều khiển nghẽn mạch hiệu quả. Tuy nhiên
phƣơng pháp này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhƣ: khả năng chuyển tải, tăng
và giảm tải của các phụ tải, mức độ sự cố, khả năng mang tải của hệ thống điện.
Biện pháp cắt tải sẽ làm giảm độ tin cậy cung cấp điện và hạn chế khả năng phát
triển tải trong tƣơng lai. Biện pháp này chỉ nên sử dụng khi sự cố trong hệ thống
là bất khả kháng, quá nghiêm trọng cần phải điều khiển nhanh để đảm bảo an
ninh hệ thống điện.

2.2.3 Mở rộng đƣờng dây truyền tải
Mở rộng đƣờng dây truyền tải giải quyết bài toán mở rộng và củng cố sự
phát điện và mạng truyền tải hiện tại để phục vụ tối ƣu sự phát triển thị trƣờng điện
trong khi đáp ứng một tập các điều kiện ràng buộc về kinh tế và kỹ thuật. Các kỹ
thuật khác nhau nhƣ phân tích Bender, tìm kiếm Tabu, thuật toán Gen [12] đã đƣợc
sử dụng để nghiên cứu bài toán này.
Mặc dù các chi phí nghẽn mạch có thể đƣợc cực tiểu hóa nhờ vào các
phƣơng pháp quản lý nghẽn mạch hiệu quả, nhƣng một mối quan tâm bao quát là
chi phí biên của nghẽn mạch này sẽ không cao hơn chi phí biên của giảm nghẽn
mạch thông qua sự đầu tƣ về mở rộng khả năng truyền tải. Mặt khác, các chi phí
nghẽn mạch cao sẽ là một tín hiệu để mở rộng khả năng truyền tải. Sự đầu tƣ về
truyền tải sẽ luôn luôn hƣớng tới tăng độ tin cậy và giảm các chi phí nghẽn mạch.
Tuy nhiên, phƣơng pháp mở rộng đƣờng dây truyền tải này có rất nhiều hạn

chế nhƣ: Tốn nhiều thời gian, chi phí mở rộng đƣờng dây truyền tải lớn, phụ thuộc
vào các ràng buộc pháp lý, các quy định đền bù giải tỏa…
Ngoài ra những công trình nghiên cứu trƣớc đây về ứng dụng của FACTS
[13] trong vận hành và điều khiển hệ thống điện nhằm đạt đƣợc những mục tiêu đề
ra đa số tập trung vào các thiết bị nhƣ: TCSC, TCVR, TCPST, SVC và UPFC. Tuy
có những xuất phát điểm và cách tiếp cận khác nhau trong việc ứng dụng tính hiệu
quả của thiết bị FACTS vào điều khiển hệ thống điện. Nhƣng nhìn chung, các công
trình nghiên cứu đều có chung hƣớng nghiên cứu và phƣơng pháp nhƣ sau:

20

Sử dụng giải thuật Gen để tìm kiếm giải pháp tối ƣu. Nghĩa là: với sự hỗ trợ
của phần mềm máy tính, thông số của thiết bị FACTS sẽ đƣợc mã hoá cùng các
thông số của mạng điện. Các toán tử đột biến, lai chéo đƣợc sử dụng để giải bài
toán phân bố công suất đƣa kết quả vào không gian tìm kiếm. Thông số ban đầu sẽ
đƣợc tự động lƣu trữ và cập nhật để gia tăng tính đa dạng của phạm vi tìm kiếm giải
pháp đúng nhƣ tên của giải thuật.
Một phƣơng pháp truyền thống nữa hay đƣợc sử dụng là liệt kê thử nghiệm:
một bảng danh sách các đƣờng dây trong mạng đƣợc liệt kê. Thông thƣờng với
phƣơng pháp này chọn lựa X
TCSC
=75%X
line
cố định. Giá trị bù này lần lƣợt đƣợc
thử trên tất cả các nhánh của mạng điện để tìm vị trí nào tối ƣu nhất theo hàm mục
tiêu ban đầu đề ra. Có nhiều công trình nghiên cứu đặt mục tiêu vị trí tối ƣu của
TCSC là gia tăng tổng khả năng truyền tải của hệ thống (maximal total transfer
capability), hoặc vị trí tối ƣu của TCSC là vị trí có thể gia tăng tối đa phúc lợi xã
hội mà nó mang lại [3,4,2].
Công trình nghiên cứu của M.A.Khaburi và M.R.Haghifam [17] sử dụng

phƣơng pháp phân vùng để giới hạn phạm vi tìm kiếm giải pháp. Nghĩa là chia
mạng điện thành hai vùng theo chủ quan. Vùng có nhiều máy phát tập trung gọi là
vùng nguồn (source area) và vùng có nhiều phụ tải tập trung hơn gọi là vùng tải
(sink area). Hai vùng này đƣợc nối với nhau bằng các đƣờng dây liên lạc. Thiết bị
bù chỉ lắp đặt trên các nhánh liên lạc này để kiểm tra tìm kiếm giải pháp tối ƣu theo
mục tiêu đề ra. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là giới hạn đƣợc không gian phạm vi
tìm kiếm giải pháp nhƣng kết quả tuỳ thuộc vào sự phân vùng ban đầu của ngƣời
vận hành. Nói chung nó chỉ chính xác hơn trong trƣờng hợp có sự quy hoạch mua
và bán điện giữa hai vùng đƣợc cung cấp từ hai nguồn khác nhau hoàn toàn. Lúc đó
chỉ quan tâm đến những đƣờng dây liên lạc trao đổi điện năng giữa hai vùng này.
Theo tác giả Nguyễn Hoàng Sơn trong công trình nghiên cứu ứng dụng của
UPFC điều khiển hệ thống điện cũng có hƣớng giải quyết tƣơng tự [1]: giải bài toán
phân bố công suất bằng powerworld, đƣa ra các tình huống sự cố giả định để tìm
nhánh nghẽn mạch. Sau đó lần lƣợt thử đặt thiết bị UPFC vào từng nhánh của hệ

21

thống cho phân bố lại công suất để tìm ra vị trí và dung lƣợng thích hợp cho thiết bị
FACTS trong hệ thống điện. Phƣơng pháp này còn đƣợc biết đến với tên gọi
“Phƣơng pháp thử sai” (trial and error method) để tìm vị trí tối ƣu của thiết bị
FACTS trong mạng điện.

2.3. Các loại thiết bị Facts
2.3.1. SVC (Static Var Compensator)
SVC gọi là máy bù tĩnh gồm bộ tụ điện và bộ kháng điện nối song song với
nhau, một trong hai bộ này đƣợc điều trơn. Công suất phản kháng Q đƣợc điều
khiển từ dung tính đến cảm tính thông qua việc điều khiển các van Thyristor. Bộ
SVC mắc song song với đƣờng dây hay phụ tải cho phép điều chỉnh và giữ vững
điện áp tại nút đó, hạn chế đƣợc dao động điện áp nâng cao khả năng ổn định hệ
thống điện.

Bộ bù công suất phản kháng tĩnh SVC là một thiết bị điện tử công suất nâng
cao dùng để cung cấp nhanh và liên tục phát công suất phản kháng tính dung và tính
cảm đến hệ thống điện.


Hình 2.2: Nguyên tắc điều khiển SVC trong ổn định hệ thống điện

22


Hình 2.3: Dao động công suất trong trƣờng hợp không có SVC và có SVC

Phân loại theo cấu hình là phân loại SVC bao gồm một cuộn kháng đƣợc
điều khiển bằng Thyristor TCR (Thyristor Controlled Reactor), một bộ tụ đƣợc
đóng ngắt bằng Thyristor TSC (Thyristor Switched Capacitor) và dãy tụ cố định FC
(Fixed Capacitor) lọc sóng hài đƣợc đấu nối nhƣ trong Hình 2.4.
TCR bao gồm cuộn kháng và van Thyristor. TCR điều khiển liên tục công
suất phản kháng bằng cách thay đổi biên độ dòng điện chạy qua cuộn kháng.
TSC bao gồm tụ điện, cuộn kháng và van Thyristor. TSC đóng và ngắt tụ
điện. Bộ lọc FC cung cấp công suất phản kháng cố định và hấp thụ dòng điện sóng
hài đƣợc phát ra từ bộ TCR.


Hình 2.4: Cấu hình cơ bản nhất của SVC.