Tính toán phân tích lưới điện 110 KV khu vực tỉnh Vĩnh Phúc và đề xuất giải pháp nâng cao tính linh hoạt bằng công nghệ FACTS (LV thạc sĩ)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẠM VĂN NGỌC

TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH LƯỚI ĐIỆN 110 KV
KHU VỰC TỈNH VĨNH PHÚC VÀ ĐỀ XUẤT
GIẢI PHÁP NÂNG CAO TÍNH LINH HOẠT
BẰNG CÔNG NGHỆ FACTS
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60.52.02.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN - 2016


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ
TÊN ĐỀ TÀI:
TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH LƯỚI ĐIỆN 110 KV KHU VỰC

TỈNH VĨNH PHÚC VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO
TÍNH LINH HOẠT BẰNG CÔNG NGHỆ FACTS
(FACTS – FLEXIBLE ALTERNATING CURRENT TRANSMISSION SYSTEM)

Họ và tên học viên: Phạm Văn Ngọc
Người hướng dẫn khoa học: TS. Ngô Đức Minh
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã số: 60.52.02.02

THÁI NGUYÊN, NĂM 2016


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ
TÊN ĐỀ TÀI:
TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH LƯỚI ĐIỆN 110 KV KHU VỰC
TỈNH VĨNH PHÚC VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO
TÍNH LINH HOẠT BẰNG CÔNG NGHỆ FACTS
(FACTS – FLEXIBLE ALTERNATING CURRENT TRANSMISSION SYSTEM)

THẦY HƯỚNG DẪN

HỌC VIÊN

TS. Ngô Đức Minh

Phạm Văn Ngọc

PHÒNG ĐÀO TẠO

KHOA ĐIỆN

THÁI NGUYÊN - 2016


Luận văn thạc sỹ

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Phạm Văn Ngọc
Sinh ngày 02 tháng 02 năm 1980
Học viên lớp cao học khóa 16 - chuyên ngành Kỹ thuật điện - Trường Đại học kỹ
thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Hiện đang công tác tại: Công ty Lưới điện cao thế miền Bắc
Tác giả xin cam đoan: Đề tài “Tính toán phân tích Lưới điện 110 kV khu
vực tỉnh Vĩnh Phúc và đề xuất giải pháp nâng cao tính linh hoạt bằng công nghệ
FACTS“ do thầy giáo TS. Ngô Đức Minh hướng dẫn là công trình nghiên cứu của
riêng tôi. Nội dung trong luận văn đúng như trong đề cương và yêu cầu của Thầy
giáo hướng dẫn, tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Phạm Văn Ngọc

Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

4


Luận văn thạc sỹ

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự giúp đỡ và
hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Ngô Đức Minh, luận văn với đề tài “Tính
toán phân tích Lưới điện 110 kV khu vực tỉnh Vĩnh Phúc và đề xuất giải pháp
nâng cao tính linh hoạt bằng công nghệ FACTS“ đã hoàn thành.
Với sự kính trọng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hướng dẫn TS. Ngô Đức Minh đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả
hoàn thành luận văn này.
Phòng đào tạo, các thầy giáo, cô giáo Khoa điện- Trường đại học kỹ thuật
Công nghiệp Thái Nguyên đã tận tình giúp tôi trang bị những tri thức mới, hữu ích,
tạo điều kiện, môi trường thuận lợi nhất trong suốt quá trình học tập và thực hiện
luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp nơi tôi đang công tác đã hợp tác
chia sẻ, cung cấp thông tin, tài liệu, số liệu phục vụ cho nghiên cứu đề tài.
Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến gia đình và những người bạn đã động viên,
hỗ trợ tôi rất nhiều trong quá trình học tập, làm việc và thực hiện luận văn.
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 3 năm 2016
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Phạm Văn Ngọc

Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

5


Luận văn thạc sỹ

MỤC LỤC
Lời cam đoan

1

Lời cảm ơn

2

Mục lục

3

Danh mục các bản vẽ, đồ thị

7

Danh mục các bảng

10

Danh mục các chữ viết tắt

10

Mở đầu

11

Chương I: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN TẢI ĐIỆN

14

1.1 MÔ HÌNH CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỆN

14

1.1.1 Cấu trúc sơ đồ,[1-5]

14

1.1.2 Các phần tử chính trong lưới truyền tải,[1-4]

15

1- Máy phát điện

15

2- Đường dây truyền tải điện

15

1.1.3 Những công nghệ mới trên lưới truyền tải - Thiết bị bù công suất
phản kháng, [1-5]

19

1.2 TRUYỀN TẢI CÔNG SUẤT

21

1.2.1 Phân tích dòng công suất,[1-6]

21

1.2.2 Đặc tính tự nhiên của phụ tải, [1-5]

22

1.2.3 Điều khiển công suất phản kháng, [1-6]

24

1.2.4 Công suất ngắn mạch, [1], [2], [4]

27

1.2.5 Tính chất tải và chiều dòng công suất, [1], [2], [4], [6]

28

Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

6

Luận văn thạc sỹ

1.2.6 Các thành phần công suất, [1], [2], [4]

31

1.2.7 Tải sớm pha và tải chậm pha, [1], [2], [5]

33

1.2.8 Điều chỉnh hệ số công suất [1], [2], [4], [6]

34

1.2.9 Bù và điều chỉnh điện áp, [1], [2]

36

1.2.10 Hệ thống tải đường dây, [1], [2]

38

1.2.11 Điều chỉnh công suất và tần số [1], [2]

39

1.2.12 Mối quan hệ giữa công suất tác dụng, công suất phản kháng, cấp
điện áp và góc pha, [1], [2], [4], [6]

41

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

42

Chương II: GIẢI TÍCH LƯỚI VÀ TÍNH TOÁN PHÂN BỐ DÒNG
CÔNG SUẤT

43

2.1 GIƠÍ THIỆU CHUNG

43

2.2 KHÁI NIỆM VỀ DÒNG CÔNG SUẤT

43

2.2.1 Các công thức cơ bản [2]

43

2.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH PHÂN BỐ DÒNG CÔNG SUẤT

47

2.3.1 Các biến số và phân loại nút

47

2.3.2 Thuật toán tính phân bố dòng công suất

48

2.3.2.1 Thuật toán cổ điển

48

2.3.2.2 Thuật toán Newton–Raphson

49

2.3.2.3 Đặt giá trị ban đầu cho các biến

53

2.3.2.4 Giới hạn công suất phản kháng của máy phát:

54

2.4 ỨNG DỤNG MATLAB GIẢI TÍCH LƯỚI ĐIỆN

55

2.4.1 Mô phỏng lưới có hai loại nút: nút V và nút PQ

57

Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

7


Luận văn thạc sỹ

2.4.2. Mô phỏng lưới có 3 loại nút: nút V, nút PQ và nút PV

65

1- Trường hợp thứ nhất:

65

2- Trường hợp thứ hai:

67

3- Trường hợp thứ ba, phụ tải các nút khác thay đổi:

68

2.5 BÙ CÔNG SUẤT PHẢN KHÁNG BẰNG STATCOM

69

2.5.1 Thiết bị bù tĩnh – STATCOM

69

2.5.2 Mô tả toán học STATCOM trên sơ đồ 3 pha a, b, c

72

2.5.3 Điều khiển điện áp nút bằng STATCOM

74

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

74

Chương III: TÍNH TOÁN PHÂN BỐ CÔNG SUẤT LƯỚI ĐIỆN
110 KV KHU VỰC TỈNH VĨNH PHÚC

76

3.1 GIỚI THIỆU LƯỚI ĐIỆN 110 KV VĨNH PHÚC

76

3.1.1 Mô tả cấu trúc lưới

76

3.1.2 Nguồn điện

76

3.1.3 Thông số Lưới điện 110kV.

77

3.1.3.1- Thông số trạm biến áp:

77

1. Thông số và phương thức vận hành TBA 110kV Quang Minh (E1.36)

77

2. Thông số và phương thức vận hành TBA 110kV Phúc Yên (E25.1)

78

3. Thông số và phương thức vận hành TBA 110kV Thiện kế (E25.4)

78

4. Thông số và phương thức vận hành TBA 110kV Lập Thạch (E25.3)

79

5. Thông số và phương thức vận hành TBA 110kV Vĩnh Yên (E4.3)

80

6. Thông số và phương thức vận hành TBA 110kV Vĩnh Tường (E25.5)

81

7. Thông số TBA 110kV Hội Hợp và tình hình mang tải (E25.6)

82

Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

8


Luận văn thạc sỹ

8. Thông số và phương thức kết dây TBA 110kV Việt Trì (E4.1)

83

3.1.3.2. Thông số đường dây

84

3.2 GIẢI TÍCH LƯỚI 110 KV VĨNH PHÚC

84

3.2.1 Phân tích đặc điểm lưới

84

3.2.2 Áp dụng thuật toán Newton-Raphson giải tích lưới 110 kV Vĩnh Phúc

theo mô hình nút V và PQ

85

Phân tích một số chế độ vận hành và đề xuất giải pháp nếu có:

91

1- Mô phỏng chế độ tải thực tế:

91

2- Mô phỏng chế độ tải định mức:

92

3.2.3 Áp dụng thuật toán Newton-Raphson giải tích lưới 110 kV Vĩnh Phúc
theo mô hình nút V , nút PQ và nút PV

95

1- Chế độ nguồn 2 bị hạn chế công suất (nút PV)

95

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

97

99

1. KẾT LUẬN

99

2. KIẾN NGHỊ

100

TÀI LIỆU THAM KHẢO

101

Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

9


Luận văn thạc sỹ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát các khối chính của một hệ thống điện
Hình 1.2 Lưới truyền tải điện (500-220) kV
Hình 1.3 Kết cấu đường dây truyền tải mạch kép
Hình 1.4 Cấu trúc đường dây 220kV và 500 kV mạch đơn
Hình 1.5 Mô tả kết cấu cáp dẫn điện cao thế
Hình 1.6 Thiết bị bù điện tử
Hình 1.7a,b. Mô tả thiết bị bù nhiều cấp nối tiếp
Hình 1.8 Cấu trúc mạch lực UPFC

Hình 1.9 Đặc tính tải tự nhiên
Hình 1.10 Mô hình tính toán công suất ngắn mạch
Hình 1.11 Mô hình Thevenin với tải thuần trở
Hình 1.12 Mô hình Thevenin với tải thuần cảm
Hình 1.13 Mô hình Thevenin với tải thuần dung
Hình 1.14 Mô hình hệ thống đối xứng
Hình 1.15 Đồ thị vector các thành phần công suất
Hình 1.16. Mô hình mạch một pha
Hình 1.17 Đồ thị vecter dòng áp với các loại tải khác nhau
Hình 1.18 Sơ đồ pha điều chỉnh hệ số công suất
Hình 1.19 Mô hình hệ thống điện đơn giản
Hình 1.20 Quan hệ dòng áp truyền dẫn của hệ thống
Hình 1.21 Bù cho điện áp không đổi
Hình 1.22 Mô hình hệ thống điện
Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

10


Luận văn thạc sỹ

Hình 1.23 Mô tả hệ thống điện hình qua đồ thị vecter
Hình 2.1 Mô hình nút trong giải tích lưới
Hình 2.2 Công suất cân bằng tại nút k
Hình 2.3 Mô tả thuật toán tính lặp NR
Hình 2. 4 Mô hình lưới 5 nút, 7 đường dây
Hình 2.5 Lưu đồ thuật toán NR
Hình 2.6 Kết quả mô phỏng giải tích lưới có 2 loại nút V và PQ
Hình 2.7 Thông số vận hành sau cải tại lưới bước 1
Hình 2.8 Chế độ vận hành tạm thời khi sự cố đứt một đường dây tuyến L24

Hình 2.9 Kết quả mô phỏng khi chọn giải pháp bù CSPK
Hình 2.10 Mô phỏng lưới có 3 loại nút nút V, nút PQ và nút PV
ở chế độ P=-100 MW, U=110 kV
Hình 2.11a,b Mô phỏng lưới có 3 loại nút nút V, nút PQ và nút PV
ở chế độ tăng công suất phát
Hình 2.11 Mô phỏng lưới có 3 loại nút nút V, nút PQ và nút PV
ở chế độ có sự thay đổi phụ tải các nút _ tải nút 5 giảm 50%
Hình 2.13 Mô tả cấu trúc STATCOM.
Hình 2.14 sơ đồ mạch điện thay thế STATCOM kết nối tại nút k
Hình 2.15 Sơ đồ mạch điện thay thế 3 pha của một STATCOM
Hình 3.1 Sơ đồ lưới điện 110 kV tỉnh Vĩnh Phúc
Hình 3.2 Mô phỏng hoạt động lưới 110 kV – Vĩnh Phúc
Với chế độ vận hành thực tế ngày 25/9/2015.
Hình 3.3 Mô phỏng hoạt động lưới 110 kV – Vĩnh Phúc
Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

11


Luận văn thạc sỹ

trong chế độ tải định mức, cos =0,85.
Hình 3.4 Giản đồ điện áp trong chế độ tải định mức, cos =0,85.
Hình 3.5 Giản đồ dòng điện các nhánh trong chế độ tải
định mức, cos =0,85.
Hình 3.6 Mô phỏng hoạt động lưới 110 kV – Vĩnh Phúc ở
chế độ tải định mức, cos =0,85 sau khi tái cấu trúc nâng cấp đường dây.
Hình 3.7 Mô phỏng điện áp nút và phân bố công suất lưới 110kV Vĩnh phúc
ở chế độ N2 bị hạn chế công suất (200 MW; 110 kV)
Hình 3.7 Giản đồ điện áp nút ở chế độ N2 bị hạn chế

công suất (200 MW; 110 kV)
Hình 3.8 Giản đồ phân bố dòng điện ở chế độ N2 bị hạn chế
công suất (200 MW; 110 kV)
Hình 3.9 Mô phỏng điện áp nút và phân bố công suất Lưới 110kV Vĩnh phúc ở chế
độ N2 bị hạn chế công suất (200 MW; 110 kV) có bù CSPK bằng STATCOM

Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

12


Luận văn thạc sỹ

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Phát và hấp thụ công suất phản kháng giữa tải và nguồn
Bảng 2.1 Thông số nút trong lưới điện
Bảng 2.2 Thông số lưới có 2 loại nút:V và PQ
Bảng 2.3. Thông số đường dây
Bảng 2.4 Kết quả thuật toán NR tính cho lưới có hai loại nút V và PQ

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
FACTS: Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt
SVC: Tụ bù tĩnh có dung lượng thay đổi
STATCOM: Hệ thống bù và lọc sóng hài
PWM: Phương pháp điều xung
CSPK: Công suất phản kháng
CSTD: Công suất tác dụng
PV: Nút nguồn
PQ: Nút tải
V: Nút cân bằng

NR: Thuật toán Newton- Raphson

Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

13


Luận văn thạc sỹ

MỞ ĐẦU
Trong hệ thống điện, bài toán điều độ dòng công suất trên các đường truyền
dẫn là vấn đề quan trọng được quan tâm ngay từ khi thiết kế đến vận hành nhằm
đảm bảo cho hệ thống điện hoạt động ổn định trên cơ sở thỏa mãn tính kinh tế và kỹ
thuật đặt ra. Tuy nhiên khâu thiết kế và xây lắp được xem như là phần cứng, trong
khi đó quá trình vận hành là phần mềm. Bài toán cân bằng công suất luôn phải đối
mặt với thông số phụ tải là không cố định, điện áp nút thay đổi…và do đó phân bố
dòng công suất trên các nhánh (đường truyền) thay đổi, thậm trí đổi chiều, hay nói
cách khác trên lưới thường xuyên diễn ra quá trình phân bố công suất. Nếu quá trình
này diễn ra sai lệch vượt khỏi phạm vi cho phép so với với kịch bản quy định nghĩa
là hoạt động của hệ thống đã không kiểm soát được.
Vấn đề kiểm soát hoạt động lưới điện đã có nhiều công cụ toán học được nêu
ra. Trong luận văn này, thuật toán Newton-Raphson được lựa chọn bởi có nhiều ưu
điểm như: phù hợp với đối tượng áp dụng là giải tích lưới điện, độ hội tụ nhanh, các
bước giải tường minh phản ánh rõ bản chất vật lý và các quá trình năng lượng trong
hệ thống điện.
Trước đây, các hoạt động điều khiển, điều chỉnh lưới điện chủ yếu được thực
hiện bởi các thiết bị tập trung, thụ động là:
-

Điều khiển điện áp đầu cực máy phát

-

Điều chỉnh đầu phân áp máy biến áp trung gian

-

Bù công suất phản kháng tại các nút trên lưới

Hiệu quả mang lại từ các thao tác trên rất hạn chế. Ngày nay, hầu hết các
Quốc gia phát triển trên thế giới đều áp dụng công nghệ FACTS để giải quyết vấn
đề này. Ở Việt Nam đã bước đầu áp dụng tại Trạm 220 KV Thái Nguyên và Việt
Trì.
FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems) được đề xuất
đầu tiên vào năm 1988 ở viện EPRI (Electric Power Research Institute) tại Hoa Kỳ.
Đây là khái niệm về một hệ thống điện linh hoạt. Có nghĩa là các thông số của hệ
thống được điều khiển, đáp ứng nhanh chóng theo đầu vào cũng như khi thay đổi
Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

14


Luận văn thạc sỹ

điểm làm việc.
Công nghệ FACTS dựa trên cơ sở các bộ biến đổi VSI (Voltage Source
Inverter), VCS (Voltage Source Converter) công suất lớn. Do sự phát triển của công
nghệ sản xuất các thiết bị điển tử công suất lớn như GTO, IGTO, IGBT,… đã cho
phép ứng dụng vào hệ thống điện nhằm nâng cao khả năng điều khiển dòng công
suất (DCS) cả về độ lớn, phương chiều và chất lượng trong lưới điện kín. Đây là thế

mạnh chính giúp cho FACTS ra đời và phát triển bền vững. Cho đến nay, FACTS
đang ngày càng phát triển ở hầu hết các nước trên thế giới. Vì thế, vấn đề tiếp cận
và ứng dụng công nghệ FACTS là tất yếu cho giảng dạy, nghiên cứu và ứng dụng
trong hệ thống điện Việt Nam. Được sự giúp đỡ của nhà trường, phòng đào tạo, với
sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Ngô Đức Minh tôi đã lựa chọn đề tài “Tính toán
phân tích Lưới điện 110 kV khu vực tỉnh Vĩnh Phúc và đề xuất giải pháp nâng cao
tính linh hoạt bằng công nghệ FACTS“
Mục đích nghiên cứu
Tính toán phân tích lưới truyền tải 110 kV từ đó áp dụng cho một lưới điện
110 kV trên địa bàn tỉnh Vĩnh Phúc.
Đề xuất giải pháp áp dụng công nghệ FACTS cho lưới điện 110 KV
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Cấu trúc hệ thống
Giới thiệu thuật toán Newto-Raphson (NR) và áp dụng thuật toán cho giải
tích lưới trên sơ đồ chuẩn
Mô tả toán học một thiết bị trong FACTS là STATCOM và ứng dụng nó bù
công suất phản kháng trong lưới điện
Khảo sát một lưới điện 110kV tại Vĩnh Phúc, áp dụng phương pháp NewtonRapshon kết hợp phần mềm Matlab cho giải tích lưới điện này .
Phân tích đánh giá kết quả tính toán và so sánh với số liệu thực tế.

Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

15


Luận văn thạc sỹ

Đề xuất giải pháp nâng cao tính linh hoạt lưới 110 KV bằng thiết bị bù SVC
hoặc STATCOM
Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết: thu thập các tài liệu liên quan đến đề tài, vận dụng
kiến thức chuyên môn tích lũy được kết hợp với bổ túc thêm của người HDKH để
thực hiện nội dung yêu cầu của đề tài.
Khảo sát số liệu thực tế kết hợp với mô phỏng để đánh giá kết quả.
Đánh giá đóng góp của đề tài, giá trị khoa học và thực tiễn đạt được.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Phân tích lưới 110kV có đề cập số liệu thực tế giúp cho học viên nắm vững
về hoạt động của một lưới điện 110 kV cụ thể. Liên hệ gắn kết giữa lý thuyết và
thực tiễn
Cuối cùng là dựa trên nền tảng kiến thức đã phân tích áp dụng cho giải tích
một lưới điện thực tế 110kV thuộc khu vực tỉnh Vĩnh Phúc và các giải pháp khắc
phục nhằm nâng cao chất lượng điện năng, độ tin cậy và tính kinh tế hệ thống.
Nội dung nghiên cứu là tài liệu tham khảo cho đào tạo đại học và sau đại học
chuyên ngành HTĐ .

Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

16


Luận văn thạc sỹ

Chương I
TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN TẢI ĐIỆN
1.1 MÔ HÌNH CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỆN
1.1.1 Cấu trúc sơ đồ,[1-5]
Một hệ thống điện hoàn chỉnh có thể được mô tả gồm ba khối chính, đó là
khối nguồn, khối truyền tải và khối phân phối như sơ đồ trên sơ đồ hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát các khối chính của một hệ thống điện

Trong đó:
- Khối nguồn được đại diện bằng 03 loại nhà máy điện tập trung, công
suất lớn gồm: nhà máy nhiệt điện chạy than, nhà máy nhiệt điện hạt nhân và
nhà máy thủy điện
- Lưới truyền tải được đại diện bởi hai cấp điện áp cao là 400(500) kV
và 132(110) kV thường được áp dụng đối với các nước tân tiến
- Lưới phân phối được đại diện bởi một số các nút phụ tải được sử
dụng với các mức điện áp được 33(35) kV, 11(22) kV, 415(400) V và
240(220)
V.hiện: Phạm Văn Ngọc
Người thực

17


Luận văn thạc sỹ

- Ngoài ra có thể nói rõ thêm về các phụ tải công nghiệp sẽ sử dụng điện ba
pha ở 22 kV và với dân dụng thì sử dụng điện một pha 220 V.
Trong lưới truyền tải, một số công nghệ mới trong FACTS (Flexible
alternating current transmittion system) được áp dụng đó là đường truyền HVDC áp
dụng cho đường truyền xa, công suất lớn và Một SVC hoặc STATCOM có thể được
sử dụng để cung cấp hỗ trợ công suất phản kháng tại một vị trí mạng cách xa các
máy phát điện đồng bộ. Ở cấp độ phân phối, ví dụ 35kV và 22kV, một DSTATCOM có thể được sử dụng để cung cấp hỗ trợ độ lớn điện áp, cải thiện hệ số
công suất và hủy bỏ sóng hài. Ngày nay, trong lưới có sự tham gia của các nguồn
máy phát một chiều DC generator cũng như xoay chiều công suất vừa và nhỏ đặc
trưng cho sự tham gia ngày càng nhiều của các nguồn phân tán sử dụng năng lượng
tái tạo, việc hòa lưới của những nguồn này luôn được kết hợp với các bộ biến đổi
điện tử công suất VSC.
Ngoài ra, một sự khác biệt được rút ra từ thực tế cho thấy máy phát điện lớn,

ví dụ như thủy điện, hạt nhân và than đá được kết nối trực tiếp vào lưới truyền tải,
trong khi đó các nguồn phân tán công suất nhỏ, ví dụ như điện gió, điện sinh khối,
vi khí, thủy điện nhỏ, pin nhiên liệu và pin mặt trời, được kết nối trong lưới phân
phối. Nói chung, nguồn phân tán được xem như là một cách thân thiện môi trường
tạo ra điện năng, với một số máy phát điện sử dụng năng lượng tái tạo tự nhiên từ
thiên nhiên như một nguồn năng lượng sơ cấp, ví dụ như gió, năng lượng mặt trời,
thủy điện siêu nhỏ và sóng. Một số máy phát điện khác sử dụng nguồn năng lượng
không thể tái tạo, nhưng vẫn thân thiện với môi trường, năng lượng sơ cấp như oxy
và khí đốt. Máy phát điện Diesel là một ví dụ về sử dụng năng lượng không tái tạo,
không thân thiện môi trường.
Để thấy được các bước tiến bộ trong hệ thống điện, một lần nữa trong đề án
này cần phân tích rõ các phần tử chính của hệ thống.
1.1.2 Các phần tử chính trong lưới truyền tải,[1-4]
1- Máy phát điện
Các nhu cầu lớn về điện năng kết hợp với sự thay đổi tự nhiên liên tục và
không có khả năng để lưu trữ năng lượng điện với số lượng đáng kể làm nên sự đa
dạng của các nguồn phát trong lưới điện. Quan điểm truyền thống là việc sử dụng
Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

18


Luận văn thạc sỹ

các nguồn năng lượng sơ cấp khác nhau cùng với sự liên tục cung cấp điện và một
cơ chế giá ổn định hơn.
Hầu hết lượng điện tiêu thụ trên toàn thế giới được sản xuất bởi máy
phát điện đồng bộ 3 pha (Kundur, 1994). Tuy nhiên, máy phát điện cảm ứng
ba pha sẽ tăng số lượng khi nguồn năng lượng gió (HEIER, 1998) ngày càng
trở nên phổ biến rộng rãi. Tương tự, máy phát điện tĩnh ba pha hay một pha

dưới dạng các pin nhiên liệu và pin mặt trời sẽ góp phần đáng kể vào sản
xuất điện toàn cầu trong tương lai. Tuy nhiên, hiện tại các các máy điện đồng
bộ công suất lớn vẫn nắm vai trò chủ đạo trong việc cung cấp và ổn định hệ
thống2-điện.
Đường dây truyền tải điện
Lưới điện hoạt động ở mức điện áp cao như 500kV và 220kV sẽ hiệu
quả hơn (Weedy, 1987). Máy biến áp tăng áp có trách nhiệm tăng điện áp lên
tới mức truyền tải và máy biến áp giảm áp được chịu trách nhiệm cho việc
giảm điện áp xuống mức phân phối từ 66 kV trở xuống.
Truyền tải điện cao áp được thực hiện bằng đường dây tải điện xoay
chiều trên không và đường dây tải điện một chiều trên không. Thiết bị phụ
trợ như thiết bị chuyển mạch (đóng cắt), thiết bị bảo vệ và thiết bị hỗ trợ bù
công suất phản kháng là cần thiết cho sự hoạt động đúng của hệ thống truyền
dẫn.

Mạng lưới truyền tải điện cao thế thường kết nối với nhau để cung cấp

đường dẫn dự phòng đáng tin cậy. Trên hình 1.2 minh họa cho một lưới
truyền tải mạng điện đơn giản.

Hình 1.2 Lưới truyền tải điện (500-220) kV
Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

19


Luận văn thạc sỹ

o Đường dây trên không:
Đường dây tải điện trên không được sử dụng trong mạng truyền tải và mạng

cung cấp. Hệ thống đường dây có thể được xây dựng theo cấu trúc mạch kép, với
hai hệ thống dây dẫn ba pha chung trên một hàng cột, như thể hiện trong hình 1.3.

Hình 1.3 Kết cấu đường dây truyền tải mạch kép
Hoặc cũng được xây dựng theo cấu trúc mạch đơn đường dây ba pha trên một
hàng cột như thể hiện trong hình 1.4a.
Các đường dây truyền tải mạch đơn và kép sẽ hình thành hệ thống truyền tải
liên tục. Trong một số trường hợp đặc biệt có tới sáu mạch ba pha vẫn có thể được
thực hiện trên cùng một hàng cột.
Trong đường dây truyền tải điện áp cao, mỗi pha bao gồm hai dây dẫn trên
một pha, tùy thuộc vào điện áp định mức của chúng, để giảm tổng trở kháng của
đường dây và tăng khả năng truyền dẫn (hai dây khi Uđm = 220 kV hoặc bốn dây
khi Uđm ≥ 500 kV, hình 1.4b. Phía trên đỉnh cột có một hoặc hai dây cáp thép (sky
wire) được sử dụng cho mục đích bảo vệ chống sét đánh trực tiếp.

a)

b)

Hình 1.4 Cấu trúc đường dây 220kV và 500 kV mạch đơn
Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

20


Luận văn thạc sỹ

o Cáp dẫn điện
Đối với lưới truyền tải hầu như chỉ sử dụng đường dây trên không,
trong khi đó cáp lại được sử dụng hầu hết trong lưới phân phối. Trường hợp

lưới truyền tải trong khu vực đông dân cư, hệ thống đường cáp ngầm được sử
dụng thay cho hệ thống đường dây trên không được xem là giải pháp tốt
nhất. Cáp có rất nhiều loại và được sản xuất cho các ứng dụng khác nhau,
hình 1.5

(a)

(b)

Hình 1.5 Mô tả kết cấu cáp dẫn điện cao thế
( a) Ba lõi dẫn, vỏ, vùng chống thấm ; ( b ) một lõi dẫn, vỏ
Cáp có đai thông thường được sử dụng phổ biến cho ba pha, hoạt
động điện áp thấp lên đến khoảng 5kV, Đối với cáp có kết cấu tăng cường,
cách điện dạng nhựa cáp có thể áp dụng cho cấp điện áp cao hơn đến 46 kV.
Với cấp điện áp cao hơn đến 220kV dùng trong cáp trạm phân phối nhà máy
điện, cáp có kết cấu một pha riêng biệt, cách điện dạng khí FS6
Máy biến áp:
Máy biến áp được sử dụng với nhiều chức năng khác nhau. Một số các
ứng dụng rõ rệt nhất là:
• Biến áp tăng áp để tăng điện áp hoạt động từ mức ban đầu đến cấp
độ truyền tải;
• Biến áp hạ áp để giảm điện áp hoạt động từ mức truyền tải đến mức
độ sử dụng;
• Biến áp có thiết bị điều khiển để điều chỉnh điện áp nút nhằm chuyển
hướng dòng công suất trong mạng điện (phân luồng công suất);
• Là phần tử trung gian giữa thiết bị điện tử công suất và các mạng
truyền tải, ví dụ như: máy biến áp chỉnh lưu, nghịch lưu cho HVDC hay các
thiết bị trong FACTS).
Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

21


Luận văn thạc sỹ

Về cấu tạo, máy biến áp điện có thể được xem như bao gồm một hoặc nhiều
lõi sắt và hai hoặc ba cuộn dây đồng cho mỗi pha. Các cuộn dây ba pha có thể được
kết nối theo một số tổ nối dây khác nhau, ví dụ: Y-Y, Y-Δ và Δ- Δ
Máy biến áp ba pha hiện đại sử dụng một trong các loại lõi từ tính sau: ba
pha đơn, một đơn vị ba pha với ba chân hoặc một đơn vị ba pha có năm chân.
1.1.3 Những công nghệ mới trên lưới truyền tải - Thiết bị bù công suất phản
kháng, [1-5]
Thiết bị công suất phản kháng là một thành phần thiết yếu của hệ thống
truyền tải (Miller, 1982). Nó được sử dụng để điều chỉnh điện áp, tăng cường sự ổn
định và làm tăng chất lượng truyền tải. Các chức năng này thường được thực hiện
theo kiểu kết nối song song hay nối tiếp với sự phối hợp của tụ điện và cuộn kháng
phi tuyến. Tuy nhiên, khi có một luận chứng kinh tế kỹ thuật được thỏa mãn, thiết
bị bù công suất phản kháng được cung cấp bởi các bộ biến đổi điện tử tiến bộ hơn
hẳn so với các thao tác bởi phương tiện cơ khí, cho phép kiểm soát gần như tức thời
của công suất phản kháng, độ lớn điện áp và trở kháng đường dây truyền tải tại
điểm bù.
Đại diện cho cho thiết bị bù điện tử là hai dạng SVC và STATCOM được
phát triển mạnh trong thời gian gần đây. thiết bị được sử dụng để cung cấp bù công
suất phản kháng (Hingorani và Gyugyi, 2000), hình 1.6

a)

b)

Hình 1.6 Thiết bị bù điện tử

a) Cấu trúc mạch lực thiết bị bù SVC
Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

b) Cấu trúc mạch lực của STACOM
22


Luận văn thạc sỹ

Hình 1.6a cho thấy một cấu trúc SVC ba pha kết nối Δ các thyristor
điều khiển cuộn kháng (TCR) kết nối với phía thứ cấp của biến áp.
Hình 1.6b cho thấy một cấu trúc tương tự nhưng đối với ba pha
STATCOM sử dụng bán dẫn GTO. Trong các ứng dụng điện năng thấp hơn,
chuyển mạch IGBT có thể được sử dụng để thay cho GTO.
Hình 1.7a và hình1.7b mô tả sự tương đồng giữa các đóng cắt cơ khí
và đóng cắt van bán dẫn cho nguyên tắc bù có nhiều cấp

Hình 1.7a,b. Mô tả thiết bị bù nhiều cấp nối tiếp
Một số điều khiển điện tử công suất khác đã được xây dựng để cung
cấp điều khiển thích nghi với thông số quan trọng của hệ thống điện ngoài
biên độ điện áp, công suất phản kháng và trở kháng. Ví dụ, dịch chuyển pha
điện tử được sử dụng để kích hoạt hoạt động kiểm soát dòng điện. Ngày nay,
một phần duy nhất của thiết bị này là khả năng kiểm soát cường độ điện áp
và công suất hoạt động và phản ứng. Đó là UPFC, bộ điều khiển điện tinh vi
nhất từng được xây dựng (Gyugyi, 1992). Trong hình thức đơn giản nhất của
nó là UPFC gồm hai VSCs, chung một tụ điện một chiều.
Trên hình 1.8 mô tả cấu trúc của một UPFC, trong đó một VSC được
kết nối song song còn VSC thứ hai được nối tiếp với lưới điện.

Hình 1.8 Cấu trúc mạch lực UPFC

Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

23


Luận văn thạc sỹ

1.2 TRUYỀN TẢI CÔNG SUẤT
1.2.1 Phân tích dòng công suất,[1-6]
Mặc dù trong thực tế các mạng điện luôn trong một trạng thái hoạt động liên
tục, nó rất hữu ích để giả định rằng tại một thời điểm, quá độ được tạo ra bởi các
hoạt động đóng ngắt hoặc thay đổi cấu trúc liên kết sẽ mất đi và mạng điện đạt đến
một trạng thái cân bằng, tức là trạng thái ổn định. Các công cụ phân tích được sử
dụng để đánh giá các trạng thái ổn định của hệ thống điện là phụ tải hoặc dòng năng
lượng , và dưới hình thức cơ bản nhất nhằm đạt các mục tiêu sau đây (Arrillaga và
Watson, 2001):
• Để xác định độ lớn điện áp, góc pha tại các nút trên toàn mạng;
• Để xác định dòng công suất phản kháng và công suất tác dụng trong tất cả
các nhánh của mạng;
• Để xác định công suất phản kháng và công suất tác dụng cung cấp từ mỗi
máy phát điện;
• Xác định tổn thất điện năng trong mỗi nhánh của mạng.
Trong trạng thái hoạt động ổn định, các thành phần dự kiến của mạng được
mô tả bằng trở kháng của chúng và tải thường được tính bằng đơn vị MW và
MVAr. Định luật Ohm và kirchhoffs được sử dụng để mô tả mạng lưới điện như
một đối tượng duy nhất, độ lớn điện áp nút và góc là các biến trạng thái. Các dòng
điện là một giá trị phi tuyến bởi vì tại một nút cho trước, việc cung cấp công suất tỷ
lệ bậc một với trở kháng tải và tỷ lệ bình phương với điện áp nút, mà bản thân nó
không được biết ở thời điểm bắt đầu nghiên cứu. Vì vậy, phải sử dụng các phép tính
lặp. Các nghiệm của hệ phương trình phi tuyến tính biểu diễn cho dòng chảy công

suất đó là kết quả của việc sử dụng phương pháp Newton- Raphson. Các máy phát
điện được biểu diễn như là nguồn cung cấp điện tại nút bởi vì trong trạng thái ổn
định được giả định là máy phát điện tại một tốc độ không đổi và AVR được giả
định để giữ độ lớn điện áp nút tại một giá trị xác định.
Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) cung cấp các điều
khiển thích nghi của một hoặc nhiều tham số mạng tại các điểm nút quan trọng
trong lưới điện. Nói chung, các bộ điều khiển có thể điều chỉnh hoặc là độ lớn điện
áp nút hoặc công suất tác dụng trong giới hạn thiết kế của chúng. Các bộ điều khiển
Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

24


Luận văn thạc sỹ

tiên tiến nhất, tức là UPFC, có khả năng kiểm soát đồng thời độ lớn điện áp nút,
công suất tác dụng và công suất phản kháng, tiếp theo phải kể đến các STATCOM,
SVC, TCSC. Mô hình toàn diện của bộ điều khiển FACTS phù hợp cho các giải
pháp dòng chảy năng lượng hiệu quả, quy mô lớn đã được phát triển gần đây
(Fuerte-Esquivel, 1997).
1.2.2 Đặc tính tự nhiên của phụ tải, [1-5]
Nghiên cứu đồ thị phụ tải là một khâu thiết yếu trong phân tích cũng
như quản lý hệ thống điện, phụ tải của hệ thống thay đổi liên tục theo thời
gian một cách ngẫu nhiên. Thay đổi quan trọng xảy ra từ giờ này sang giờ
khác, ngày qua ngày, tháng qua tháng, năm này sang năm khác ( Gross và
Galiana , 1987 ). Hình 1.9 cho thấy một tải điển hình đo trong trạm biến áp
phân phối cho một khoảng thời gian bốn ngày.

Hình 1.9 Đặc tính tải tự nhiên
Các tính chất ngẫu nhiên của hệ thống điện có thể được bao gồm trong

các nghiên cứu dòng chảy năng lượng và điều này cho thấy các ứng dụng
hữu ích trong việc nghiên cứu và lập kế hoạch trong phát triển “năng lượng
trên thị trường cạnh tranh”. Một số phương pháp có thể để mô hình hóa tải
ngẫu nhiên trong một nghiên cứu dòng điện là:
- Mô hình hóa các tải như một chức năng phân phối, ví dụ: phân phối bình
thường tải trong tương lai được dự báo bằng phương tiện phân tích chuỗi thời gian
Người thực hiện: Phạm Văn Ngọc

25