ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN NĂNG 2 TÌM HIỂU THUẬT TOÁN GA VÀ PSO TRONG VIỆC TÍNH TOÁN VỊ TRÍ ĐẶT VÀ DUNG LƯỢNG TỐI ƯU CỦA THIẾT BỊ TCSC

ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
Bộ môn Hệ thống điện
----------

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN NĂNG 2

TÌM HIỂU THUẬT TOÁN GA VÀ PSO
TRONG VIỆC TÍNH TOÁN
VỊ TRÍ ĐẶT VÀ DUNG LƯỢNG TỐI ƯU
CỦA THIẾT BỊ TCSC
GVHD: ThS. Đặng Tuấn Khanh
SVTH:
Nguyễn Trọng Tuấn
Hoàng Minh Triết
Nguyễn Tri Khánh

41204295
41204004
41201645

TP.HCM, Tháng 6 năm 2016
1


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

MỤC LỤC
A. KIẾN THỨC TỔNG QUAN ........................................................................... 3
1. ĐẶT VẤN ĐỀ ...............................................................................................................3
2. TỔNG QUAN VỀ NGÀNH ĐIỆN VIỆT NAM ........................................................4
2.1 Lịch sử phát triển của ngành điện Việt Nam ...........................................................4
2.2 Sản xuất điện ............................................................................................................5
2.3 Thị trường điện ........................................................................................................6
2.4 Lưới điện quốc gia ...................................................................................................7
3. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ FACTS.................................................................8
3.1 Công nghệ FACTS ...................................................................................................8
3.2 Lý thuyết về FACTS ................................................................................................9
3.3 Phân loại thiết bị FACTS .......................................................................................10
3.4 Lợi ích khi sử dụng thiết bị FACTS ......................................................................12
3.5 Một số thiết bị FACTS...........................................................................................12
4. TCSC ...........................................................................................................................14
4.1 Cấu tạo của TCSC ..................................................................................................14
4.2 Lý thuyết TCSC .....................................................................................................15
4.3 Bảo vệ TCSC .........................................................................................................15
4.4 Mô hình hóa TCSC ................................................................................................15
4.5 Xây dựng mô hình toán học TCSC ........................................................................16

B. PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG THIẾT BỊ
FACTS ........................................................................................................... 18
1. THUẬT TOÁN TỐI ƯU BẦY ĐÀN (PSO) .............................................................18
1.1 Giới thiệu về PSO ..................................................................................................18
1.2 Tối ưu vị trí và dung lượng thiết bị bằng thuật toán PSO ......................................19
1.3 Kết quả ...................................................................................................................25

1.4 Kết luận ..................................................................................................................31
2. THUẬT TOÁN GEN DI TRUYỀN (GA) ................................................................32
2.1 Hàm mục tiêu .........................................................................................................32
2.2 Tối ưu vị trí và dung lượng của thiết bị dùng thuật toán gen di truyền .................34
2.3 Kết quả ...................................................................................................................40
2.4 Kết luận ..................................................................................................................42

C. TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 42

2


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

A.

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

KIẾN THỨC TỔNG QUAN

1 Đặt vấn đề
Ngày nay ngành điện ở nhiều nước trên thế giới đã cải tổ, tham gia vào thị trường điện tự
do và đã mang lại hiệu quả kinh tế nhất định. Giữa các nhà máy điện có sự cạnh tranh làm
giảm giá thành sản xuất điện. Bên cạnh những lợi ích mang lại, vẫn còn những hạn chế như
việc cung cấp điện vẫn chưa thật ổn định, công suất truyền tải còn hạn chế và tổn thất điện
năng vẫn còn cao trên hệ thống. Tất nhiên, những hạn chế đó lại càng gia tăng trong khi hệ
thống điện còn chưa tham gia vào thị trường điện cạnh tranh. Để giải quyết những hạn chế
trên, một số nước phát triển như Mỹ, Canada, Brasil... đã sử dụng công nghệ FACTS
(Flexible Alternating Current Transmission Systems) trong lưới truyền tải.
FACTS là hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt sử dụng thiết bị điện tử công suất

hoạt động ở chế độ tự động với dòng điện và điện áp cao, cho phép điều khiển để ổn định
điện áp hệ thống nhanh chóng, góc pha, trở kháng đường dây gần như tức thời. Ngoài ra nó
còn cho phép đường dây vận hành gần với mức giới hạn về nhiệt của đường dây truyền tải.
Các loại công nghệ FACTS, chúng ta có thể phân loại FACTS ra làm 4 loại chính như
sau:
- Loại nối tiếp TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitors): điều khiển dòng, ngăn
cản dao động, tăng ổn định động và tĩnh cho hệ thống, ổn định điện áp, giới hạn dòng chạm
đất.
- Loại song song SVC (Static Var Compensator): điều khiển điện áp, ngăn cản dao động,
bù công suất phản kháng, tăng ổn định động và tĩnh cho hệ thống, ổn định điện áp.
- Loại kết hợp nối tiếp với nối tiếp IPFC (Interline Power Flow Controller): điều khiển
công suất phản kháng, điều khiển điện áp, ngăn cản dao động, ổn định điện áp, tăng ổn định
động và tĩnh cho hệ thống.
- Loại kết hợp nối tiếp với song song UPFC (Unified Power Flow Controller): điều khiển
công suất tác dụng và phản kháng, điều khiển điện áp, bù công suất phản kháng, tăng ổn định
động và tĩnh cho hệ thống, ổn định điện áp, giới hạn dòng chạm đất, ngăn cản dao động.
Công nghệ FACTS phát triển liên quan đến 2 vấn đề sau:
- Sử dụng thiết bị điện tử công suất và bộ biến đổi điều biến xung băng rộng (PWM).
- Phương pháp điều khiển sử dụng bộ xử lý tín hiệu số (DSP) và công nghệ vi xử lý.
Lợi ích sử dụng công nghệ FACTS:
- Điều khiển công suất theo yêu cầu.
- Tăng khả năng tải của đường dây đến gần giới hạn nhiệt.
- Tăng độ an toàn và tin cậy cho hệ thống, giảm tổn thất trên đường dây.
- Cung cấp điện an toàn cho các đường dây liên kết trong vùng, do đó giảm được công
suất dự phòng của cả 2 phía.
- Giảm được công suất phản kháng, vì vậy cho phép tải được công suất tác dụng nhiều
hơn trên đường dây.
- Tạo ra sự linh hoạt hơn trong việc lựa chọn địa điểm để xây dựng các nhà máy điện
mới và giảm chi phí giải phóng mặt bằng, xây dựng các đường dây mới.
- Nâng cao hiệu quả cho ngành điện với chi phí sản xuất điện thấp nhất.

3


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

Kết luận: Ngoại trừ loại SVC, công nghệ FACTS nói chung còn rất mới mẻ. Loại SVC
được sử dụng nhiều nơi trên thế giới bởi vì tính vận hành kinh tế và hiệu quả của nó. Trong
thị trường điện cạnh tranh, FACTS giúp cho người điều hành hệ thống lưới điện giải quyết
được việc tắc nghẽn tải trên hệ thống và vận hành một cách tối ưu nhất, giảm giá thành sản
xuất điện, đảm bảo an toàn tin cậy trong hệ thống. Trong một số trường hợp đặc biệt, FACTS
được sử dụng để tối ưu hoá việc vận hành kết hợp giữa các nhà máy thủy điện và nhiệt điện.
Đối với ngành Điện Việt Nam, chúng ta sẽ dần tiến đến thị trường điện cạnh tranh vào những
năm tới. Vì vậy, để đảm bảo cho việc vận hành tối ưu hệ thống, thiết nghĩ ngay từ bây giờ
chúng ta phải xem xét đến công nghệ FACTS trong việc ứng dụng cho lưới truyền tải của
nước ta, đặc biệt ở những nơi việc giải phóng mặt bằng rất khó khăn như các thành phố lớn
hoặc những nơi yêu cầu về cung cấp điện an toàn và tin cậy cao. Tuy nhiên, thiết bị FACTS
là rất đắt so với tình hình kinh tế nước ta hiện nay, vì vậy, khi xem xét sử dụng công nghệ
này, chúng ta cần phải phân tích về kinh tế và kỹ thuật để lựa chọn cho phù hợp. Hy vọng
trong những năm không xa, thiết bị FACTS sẽ xuất hiện trong lưới truyền tải tại Việt Nam,
góp phần đảm bảo cung cấp điện ngày càng an toàn và tin cậy trong hệ thống.
Trong phạm vi bài viết này, chúng tôi xin trình bày một cách tổng quan nhất các kiến
thức thu thập được về FACTS. Trong đó đi sâu vào nghiên cứu về một loại FACTS cụ thể, đó
là TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor). Nội dung nghiên cứu chính là cấu tạo
TCSC, mô hình TCSC và thuật toán tìm vị trí và dung lượng đặt của TCSC để tối ưu hoá hệ
thống điện bất kỳ.
Do bị giới hạn về thời gian tìm hiểu và tài liệu tham khảo, cũng như trình độ kiến thức có
hạn của những người viết nên báo cáo này không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định.

Mong nhận được sự góp ý, bổ sung và chỉnh sửa của các thầy cô, các chuyên gia và các bạn
am hiểu về lĩnh vực này để giúp cho tài liệu này đạt được sự hoàn thiện nhất có thể. Chúng
tôi xin chân thành cảm ơn!

2 Tổng quan về ngành điện Việt Nam
2.1 Lịch sử phát triển ngành điện tại Việt Nam
Tiêu thụ điện tại Việt Nam tiếp tục gia tăng để có thể đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế
xã hội của đất nước.
Về cơ cấu tiêu thụ điện, công nghiệp tiếp tục là ngành chiếm tỉ trọng tiêu thụ điện năng
nhiều nhất với tốc độ tăng từ 47.4% lên đến 52% tổng sản lượng tiêu thụ điện tương ứng
trong năm 2006 và 2010. Tiêu thụ điện hộ gia đình chiếm tỉ trọng lớn thứ hai nhưng có xu
hướng giảm nhẹ do tốc độ công nghiệp hoá nhanh của Việt Nam, từ 42.9% năm 2006 thành
38.2% năm 2010. Phần còn lại dịch vụ, nông nghiệp và các ngành khác chiếm khoảng 10%
tổng sản lượng tiêu thụ điện năng.
Bảng 1. Tiêu thụ điện theo ngành trong khoảng thời gian 2006-2010 (Nguồn: Tổng sơ đồ VII)
2005

2006

2007

2008

2009

(%)

(%)

(%)

(%)

(%)

Nông nghiệp

1.3

1.1

1.0

1.0

0.9

2

Công nghiệp

45.8

47.4

50

50.7

50.6

3

Dịch vụ (Thương mại, khách sạn và
nhà hàng)

4.9

4.8

4.8

4.8

4.6

4

Quản lý và tiêu dùng dân cư

43.9

42.9

40.6

40.1

40.1

5

Khác

4.1

3.8

3.7

3.5

3.7

STT

Danh mục

1

4


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

Tốc độ tăng của tiêu thụ điện vượt xa tốc độ tăng trưởng GDP trong cùng ký. Ví dụ
trong thời gian 1995-2005 tốc độ tăng tiêu thụ điện hàng năm là hơn 14.9% trong khi tốc độ
tăng trưởng GDP chỉ là 7.2%. Tốc độ tăng tiêu thụ điện cao nhất thuộc về ngành công nghiệp

(16.1%) và sau đó là hộ gia đình (14%).
Trong tương lai, theo Tổng sơ đồ phát triển điện quốc gia (Tổng sơ đồ VII), nhu cầu
điện của Việt Nam tiếp tục tăng từ 14-16%/năm trong thời kỳ 2011-2015 và sau đó giảm dần
xuống 11.15%/năm trong thời kỳ 2016-2020 và 7.4-8.4%/năm cho giai đoạn 2021-2030.

2.2 Sản xuất điện
Để có thể đáp ứng được nhu cầu điện năng, Chính phủ Việt Nam đã đề ra mục tiêu cụ
thể về sản xuất và nhập khẩu cho ngành điện. Trong Tổng sơ đồ VII cho giai đoạn 2010-2020
tầm nhìn 2030 các mục tiêu bao gồm:
1) Sản xuất và nhập khẩu tổng cộng 194-210 tỉ kWh đến năm 2015, 330-362 tỉ kWh
năm 2020, và 695-834 tỉ kWh năm 2030;
2) Ưu tiên sản xuất điện từ nguồn năng lượng tái tạo bằng cách tăng tỷ lệ điện năng sản
xuất từ nguồn năng lượng này từ mức 3.5% năm 2010 lên 4.5% tổng điện năng sản xuất vào
năm 2020 và 6% vào năm 2030;
3) Giảm hệ số đàn hồi điện/GDP từ bình quân 2.0 hiện nay xuống còn bằng 1.5 năm
2015 và 1.0 năm 2020;
4) Đẩy nhanh chương trình điện khí hoá nông thôn miền núi đảm bảo đến năm 2020
hầu hết số hộ dân nông thôn có điện;
Các chiến lược được áp dụng để đạt các mục tiêu nói trên cũng đã được đề ra bao gồm:
1) Đa dạng hoá các nguồn sản xuất điện nội địa bao gồm các nguồn điện truyền thống
(như than và ga) và các nguồn mới (như Năng lượng tái tạo và điện nguyên tử);
2) Phát triển cân đối công suất nguồn trên từng miền: Bắc, Trung và Nam, đảm bảo độ
tin cậy cung cấp điện trên từng hệ thống điện miền nhằm giảm tổn thất truyền tải, chia sẻ
công suất nguồn dự trữ và khai thác hiệu quả các nhà máy thuỷ điện trong các mùa;
3) Phát triển nguồn điện mới đi đôi với đổi mới công nghệ các nhà máy đang vận hành;
4) Đa dạng hoá các hình thức đầu tư phát triển nguồn điện nhằm tăng cường cạnh tranh
nâng cao hiệu quả kinh tế;
Cơ cấu các nguồn điện cho giai đoạn 2010-2020 tầm nhìn 2030 đã được đề ra trong
Tổng sơ đồ VII và được tóm tắt ở bảng bên dưới. Nguồn điện quan trọng nhất vẫn là than và
nhiệt điện. Điện nguyên tử và năng lượng tái tạo chiếm tỉ trọng tương đối cao vào giai đoạn

2010-2020 và sẽ dần trở nên tương đối quan trọng trong giai đoạn 2020-2030. Thuỷ điện vẫn
duy trì thị phần không đổi trong giai đoạn 2010-2020 và 2020-2030 vì thuỷ điện gần như đã
được khai thác hết trên toàn quốc.
Bảng 2. Cơ cấu nguồn điện theo công suất và sản lượng cho giai đoạn 2010-2020 tầm nhìn 2030
2020

2030

Thị phần
Thị phần
Tổng công
trong tổng trong tổng
suất lắp
công suất lắp sản lượng
đặt (MW)
đặt (%)
điện (%)

Thị phần
Thị phần
Tổng công
trong tổng trong tổng
suất lắp
công suất lắp sản lượng
đặt (MW)
đặt (%)
điện (%)

STT

Nguồn điện

1

Nhiệt điện than

36,000

48.0

46.8

75,000

51.6

56.4

2

Nhà máy nhiệt điện tua
bin khí

10,400

13.9

20.0

11,300

7.7

10.5

5


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

3

Nhà máy nhiệt điện chạy
tua bin khí LNG

2,000

2.6

4.0

6,000

4.1

3.9

4

Nhà máy thuỷ điện

17,400

23.1

19.6

N/A

11.8

9.3

5

Nhà máy thuỷ điện tích
năng

1,800

2.4

5,700

3.8

6

Nhà máy điện sinh khối

500

5.6

2,000

9.4

6.0

7

Nhà máy điện gió

1,000

8

Nhà máy điện nguyên tử

N/A

N/A

2.1

10,700

6.6

10.1

9

Nhập khẩu

2,200

3.1

3.0

7,000

4.9

3.8

Total

75,000

100

100

146,800

100

100

4.5

6,200

Nguồn: Tóm tắt các thông tin được trong Tổng sơ đồ VII

Cụ thể là vào năm 2020, cơ cấu các nguồn điện liên quan đến sản lượng là 46.8% cho
nhiệt điện than, 19.6% cho thuỷ điện và thuỷ điện tích năng, 24% cho nhiệt điện chạy khí và
khí LNG, 4.5% cho Năng lượng tái tạo, 2.1% cho năng lượng nguyên tử và 3.0% từ nhập
khẩu từ các quốc gia khác (xem Hình bên dưới).
Hình. Cơ cấu nguồn điện cho đến năm 2020

2.3 Thị trường điện
Cho đến năm 2010 thị trường Điện tại Việt nam vẫn ở dạng độc quyền với Tập đoàn
Điện lực Việt Nam (EVN), một công ty nhà nước, nắm giữ hơn 71% tổng lượng điện sản
xuất, nắm toàn bộ khâu truyền tải, vận hành hệ thống điện, phân phối và kinh doanh bán lẻ
điện.
Để có thể huy động vốn đầu tư phát triển ngành điện Chính phủ Việt Nam đã thông qua
cách tiếp cận giá điện vận hành theo cơ chế theo thị trường và theo đuổi mục tiêu bảo vệ môi
trường với danh mục đầu tư khác nhau cho các nguồn điện khác nhau.
Chính phủ Việt Nam đã đặt ra mục tiêu phát triển thị trường điện cạnh tranh nhằm nâng
cao việc sử dụng hiệu quả nguồn cung điện trong bối cảnh nền kinh tế thị trường. Theo bản
Dự thảo chi tiết phát triển thị trường Điện cạnh tranh, ngành điện sẽ phát triển qua ba giai
đoạn:
6

ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

1) Thị trường phát điện cạnh tranh (2005-2014): các công ty sản xuất điện có thể chào
bán điện cho người mua duy nhất;
2) Thị trường bán buôn điện (2015-2022): các công ty bán buôn điện có thể cạnh tranh
để mua điện trước khi bán cho công ty phân phối điện;
3) Thị trường bán lẻ điện cạnh tranh từ năm 2022 trở đi: người mua điện có thể lựa
chọn cho mình nhà cung cấp.
Giá điện của Việt nam năm 2010 là VND1,058 - 1,060/kWh (~ 5.3 US cents/kWh).
Năm 2011 khi tỉ giá hối đoái tăng cao, giá điện trên chỉ còn tương đương với 4 US
cents/kWh.
Theo Chính phủ, giá điện sẽ được điều chỉnh hằng năm theo Quy định số 21 nhưng
Chính phủ cũng sẽ xem xét thời điểm tăng thích hợp để đảm bảo ảnh hưởng ít nhất đến tình
hình kinh tế xã hội nói chung và tình hình sản xuất của bà con nhân dân nói riêng.
Tiếp theo Quyết định số 21, vào Tháng 3/2011, giá điện trung bình tăng lên
VND1.242/kWh (khoảng 6.5 US cents), tăng 15.28% so với giá năm 2010.
Hiện nay các bên tham gia vào thị trường phát điện tại Việt Nam là các công ty Nhà
nước như Tập đoàn Điện lực Việt nam (EVN), Tập đoàn Dầu khí Viêt Nam (PVN), Tập đoàn
Than và Khoáng sản Việt Nam (VINACOMIN) và các nhà sản xuất điện độc lập (IPPs) và dự
án BOT nước ngoài. Các công ty Nhà nước chiếm thị phần rất lớn trong sản xuất điện. Ví dụ
vào cuối năm 2009, tổng công suất lắp đặt các nguồn điện tại Việt Nam là 17.521MW trong
số đó nguồn điện thuộc sở hữu của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) là 53%, của Tập
đoàn Dầu khí Việt Nam (PVN) là 10% và VINACOMIN là 3.7%. Các nhà sản xuất điện độc
lập (IPP) và dự án BOT nước ngoài chiếm 10.4% tổng công suất lắp đặt của năm 2009.

2.4 Lưới điện quốc gia
Lưới điện quốc gia đang được vận hành với các cấp điện áp cao áo 500kV, 220kV và

110kV và các cấp điện áp trung áp 35kV và 6kV. Toàn bộ đường dây truyền tải 500KV và
220KV được quản lý bởi Tổng Công ty Truyền tải điện quốc gia, phần lưới điện phân phối ở
cấp điện áp 110kV và lưới điện trung áp ở các cấp điện áp từ 6kV đến 35kV do các công ty
điện lực miền quản lý.
Để có thể đảm bảo nhu cầu về điện của quốc gia trong tương lai, Việt Nam có kế hoạch
phát triển lưới quốc gia đồng thời cùng với phát triển các nhà máy điện nhằm đạt được hiệu
quả tổng hợp của đầu tư, đáp ứng được kế hoạch cung cấp điện cho các tỉnh, nâng cao độ tin
cậy của hệ thống cung cấp điện và khai thác hiệu quả các nguồn điện đã phát triển, hỗ trợ
chương trình điện khí hoá nông thôn và thiết thực chuẩn bị cho sự phát triển hệ thống điện
trong tương lai .
Theo Tổng sơ đồ VII, cho giai đoạn 2010-2020 tầm nhìn 2030 các trạm và đường dây
truyền tải điện sẽ được bổ sung đáng kể vào hệ thống (xem Bảng 3).
Bảng 3. Số lượng đường dây và các trạm điện được bổ sung vào lưới điện quốc gia cho giai đoạn 2010-2030
Hạng mục

Đơn vị

2009

2011-2015

2016-2020

2021-2025

2026-2030

Trạm 500kV

MVA

7,500

17,100

24,400

24,400

20,400

Trạm 220kV

MVA

19,094

35,863

39,063

42,775

53,250

Đường dây 500kV

Km

3,438

3,833

4,539

2,234

2,724

Đường dây 220kV

Km

8,497

10,637

5,305

5,552

5,020

Nguồn: Tổng sơ đồ phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011-2020 tầm nhìn 2030 (Tổng sơ đồ VII)

7


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

3 Tổng quan về công nghệ FACTS
Hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (Flexible Alternating Current Transmission
System hay FACTS là hệ thống bao gồm các thiết bị tĩnh để sử dụng cho việc truyền tải
dòng điện xoay chiều. FACTS dùng để nâng cao khả năng điều khiển hệ thống điện và tăng
khả năng truyền tải công suất trên đường dây.
FACTS được định nghĩa bởi IEEE là: “Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử công suất
và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hoặc nhiều thông số của hệ thống đường dây tải
điện xoay chiều, qua đó, nâng cao khả năng điều khiển và khả năng truyền tải công suất”.

3.1 Công nghệ FACTS
FACTS có thể được kết nối với hệ thống điện theo kiểu nối tiếp (bù dọc, series) hoặc
bù song song (bù ngang, shunt) hoặc kết hợp cả hai phương thức trên.
Các đường dây truyền tải điện dài sinh ra các điện kháng ký sinh nối tiếp dọc đường
dây. Do đó, khi truyền tải công suất lớn sẽ gây ra tổn thất điện áp trên đường dây. Để bù các
điện kháng ký sinh này, người ta đặt các tụ bù dọc trên đường dây. Trong trường hợp này,
FACTS có tác dụng như một nguồn áp.
Hệ thống điện được nối shunt với các thiết bị FACTS. Trường hợp này, FACTS đóng
vai trò như một nguồn dòng.
3.1.1 Bù song song
Bù song song có hai loại:
Bù điện dung
Phương pháp này dùng để nâng cao hệ số công suất. Khi một tải có tính cảm được nối
với hệ thống, hệ số công suất sẽ bị giảm xuống do sự trễ pha của dòng điện. Để bù cảm kháng
này, người ta lắp một tụ điện nối song song với tải, việc này sẽ kéo dòng điện lên sớm pha
hơn so với điện áp. Và kết quả là hệ số công suất được nâng cao.
Bù điện cảm
Phương pháp này dùng để bù trong trường hợp đóng điện đường dây không tải hoặc
khi non tải cuối đường dây. Khi không tải hoặc tải nhỏ, chỉ có một dòng rất nhỏ chạy trên

đường dây. Trong khi đó, điện dung ký sinh trên đường dây, đặc biệt với các đường dây dài
lại có giá trị khá lớn. Việc này sẽ sinh ra quá áp trên đường dây (hay còn gọi là hiệu ứng
Ferranti). Điện áp cuối đường dây có thể tăng gấp đôi điện áp nguồn tới (trong trường hợp
đường dây rất dài). Để bù điện dung ký sinh này, người ta lắp các điện cảm song song trên
dọc đường dây.

Đường dây không có tổn thất.
8


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

Bù nối tiếp.

Bù song song.

3.1.2 Bù nối tiếp
Trong thực tế vận hành hệ thống truyền tải, đa số ta ứng dụng trường hợp bù song song
là chủ yếu. Các trường hợp bù nối tiếp ít thấy được sử dụng trong thực tế truyền tải ở nước ta.
Vì đây không phải là nội dung chính của báo cáo, nên người viết xin không đi sâu vào vấn đề
này.

3.2 Lý thuyết về FACTS
Trong trường hợp đường dây không có tổn thất, giá trị điện áp nhận được cuối đường
dây thường gần bằng giá trị đầu đường dây: Vs = Vr = V. Trong quá trình truyền tải, xuất hiện
góc lệch pha delta δ , phụ thuộc vào giá trị của trở kháng X.

Vì đường dây không có tổn thất nên công suất tác dụng P bằng nhau ở mọi điểm trên

đường dây:

Công suất phản kháng đầu đường dây bằng nhưng khác dấu với công suất phản kháng
cuối đường dây:

Khi giá trị δ nhỏ, công suất truyền tải trên đường dây phụ thuộc chủ yếu vào giá trị δ.
Trong khi đó, công suất phản kháng phụ thuộc chủ yếu vào độ lớn của điện áp hai đầu.

9


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

Khi bù nối tiếp
Các tụ bù nối tiếp trong FACTS sẽ thay đổi điện kháng đẳng trị của đường dây: X
giảm sẽ tăng khả năng truyền tải công suất tác dụng trên đường dây. Tuy nhiên, nguồn điện
phải cung cấp thêm công suất phản kháng.

Khi bù song song
Công suất phản kháng được đưa lên đường dây để duy trì giá trị điện áp. Khả năng
truyền tải công suất tác dụng trên đường dây tăng lên nhưng cũng phải cung cấp thêm công
suất phản kháng cho đường dây.

3.3 Phân loại thiết bị FACTS
3.3.1 Thiết bị điều khiển nối tiếp (Series Controllers)
Loại thiết bị này cho phép thay đổi tổng trở đường dây bằng tụ điện, điện kháng, hoặc
biến đổi nguồn có tần số bằng tần số lưới nhờ thiết bị bán dẫn công suất. Về nguyên lý, tất cả
các thiết bị điều khiển nối tiếp chỉ cung cấp hoặc tiêu thụ công suất phản kháng biến đổi.

Ứng dụng của FACTS trong các tụ bù nối tiếp (sơ đồ mạch)

Static Synchronous Series Compensator (hay SSSC): Tụ bù đồng bộ kiểu tĩnh.
 Thyristor Controlled Series Capacitor (TCSC): là thiết bị mắc nối tiếp với đường dây;
gồm các tụ điện được nối song song với một điện cảm điều khiển bằng cách thay đổi
góc mở của thyristor.
 Thyristor Controlled Series Reactor (TCSR): là thiết bị mắc nối tiếp với nhau; gồm
một điện kháng nối song song với một điện kháng khác được điều khiển bằng thyristor.
 Thyristor Switched Series Capacitor (TSSC): là thiết bị gồm một bộ tụ được đóng mở
bằng khóa thyristor.
 Thyristor Switched Series Reactor (TSSR): là thiết bị gồm một bộ kháng được đóng
mở bằng khóa thyristor.


10


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

3.3.2 Thiết bị điều khiển song song (Shunt Controllers)
Loại thiết bị này cho phép thay đổi tổng trở, thay đổi nguồn hoặc kết hợp cả hai. Tất
cả các thiết bị điều khiển song song bù dòng điện vào hệ thống tại điểm nút.

Ứng dụng của FACTS trong các thiết bị bù nối tiếp (sơ đồ mạch)

 Tụ bù đồng bộ kiểu tĩnh (Static Synchronous Compensator hay STATCOM) ban đầu
được gọi là máy bù tĩnh (Static Condenser hay STATCON).

 Thiết bị bù công suất phản kháng kiểu tĩnh (Static VAR compensator hay SVC). Hầu
hết các thiết bị SVC là:
 Thyristor Controlled Reactor (TCR): Cuộn kháng được điều khiển bằng thyristor. Nó
được mắc nối tiếp với 2 van thyristor lắp ngược chiều nhau. Mỗi bộ thyristor điều khiển
một pha. Điện kháng đẳng trị là một giá trị liên tục.
 Thyristor Switched Reactor (TSR): Cuộn kháng được đóng cắt bằng thyristor. Thiết bị
có cấu tạo tương tự như TCR nhưng thyristor chỉ có hai trạng thái đóng hoặc mở hoàn
toàn. Điện kháng đẳng trị là một giá trị nhảy cấp.
 Thyristor Switched Capacitor (TSC): Tụ điện được đóng cắt bằng thyristor. Do đó,
điện dung đẳng trị là một giá trị nhảy cấp.
 Mechanically Switched Capacitor (MSC): Tụ điện được đóng cắt bằng máy cắt. Thiết
bị chỉ được dùng để bù công suất phản kháng, và chỉ được đóng mở vài lần trong ngày
khi hệ thống thiếu công suất phản kháng hoặc tụt áp nhiều trên đường dây.
3.3.3 Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp với nối tiếp (Combined series - series Controllers)
Đây là sự kết hợp các thiết bị điều khiển nối tiếp riêng rẽ, có cùng cách thức điều
khiển được sử dụng trong hệ thống nhiều dây dẫn hoặc có thể là thiết bị điều khiển hợp nhất.
Trong những thiết bị điều khiển nối tiếp công suất phản kháng được bù độc lập cho mỗi
đường dây, tuy nhiên công suất tác dụng giữa các đường dây được trao đổi qua nguồn liên
kết. Khả năng chuyển công suất tác dụng của thiết bị điều khiển nối tiếp - nối tiếp hợp nhất
tạo ra sự cân bằng cả dòng công suất tác dụng và công suất phản kháng trong các dây dẫn, tận
dụng tối đa hệ thống truyền tải.
3.3.4 Thiết bị điều khiển kết hợp nối tiếp với song song (Combined series - shunt
Controllers)
Đây là sự kết hợp các thiết bị điều khiển song song và nối tiếp riêng rẽ được điều
khiển kết hợp hoặc điều khiển hợp nhất dòng năng lượng với các phần tử nối tiếp và song
song. Về nguyên lý, những thiết bị điều khiển song song và nối tiếp kết hợp bù dòng điện và
hệ thống với những phần tử điều khiển song song và bù điện áp trên đường dây với những
phần tử bù nối tiếp.
11

ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

3.4 Lợi ích khi sử dụng thiết bị FACTS
Sử dụng thiết bị FACTS cho phép:
+ Nâng cao khả năng giữ ổn định điện áp, giảm dao động công suất làm cho việc vận
hành HTĐ linh hoạt và hiệu quả hơn.
+ Điều khiển trào lưu công suất phản kháng theo yêu cầu.
+ Tăng khả năng tải của đường dây gần tới giới hạn nhiệt.
+ Tăng độ tin cậy, giảm tổn thất hệ thống.
Tuy nhiên giá thành các thiết bị FACTS là rất cao so với khả năng tài chính nước ta
hiện nay. Do đó, khi nghiên cứu áp dụng thiết bị FACTS cần phải phân tích các chỉ tiêu kinh
tế, kỹ thuật để lựa chọn giải pháp phù hợp.

3.5 Một số thiết bị FACTS
3.5.1 Thiết bị bù tĩnh điều khiển bằng Thyristor (SVC)
SVC (Static Var Compensator) là thiết bị bù ngang dùng để phát hoặc tiêu thụ công
suất phản kháng có thể điều chỉnh bằng cách tăng hay giảm góc mở của thyristor, được tổ
hợp từ hai thành phần cơ bản:



Thành phần cảm kháng để tác động về mặt công suất phản kháng (có thể phát hay tiêu
thụ công suất phản kháng tuỳ theo chế độ vận hành).



Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như Thyristor, các cửa đóng mở

(GTO - Gate turn off)...
SVC được cấu tạo từ ba phần tử chính bao gồm:
+ Kháng điều chỉnh bằng Thyristor (TCR - Thyristor Controlled Reactor): Có chức
năng điều chỉnh liên tục công suất phản kháng tiêu thụ.
+ Kháng đóng mở bằng Thyristor (TSR - Thyristor Switched Reactor): Có chức năng
tiêu thụ công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng Thyristor.
+ Bộ tụ đóng mở bằng thyristor (TSC - Thyristor Switched Capacitor): Có chức năng

12


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

phát công suất phản kháng, đóng cắt nhanh bằng Thyristor.
Hình. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của SVC

Sử dụng SVC cho phép nâng cao khả năng tải của đường dây một cách đáng kể mà
không cần dùng đến những phương tiện điều khiển đặc biệt và phức tạp trong vận hành. Các
chức năng chính của SVC bao gồm:
- Điều khiển điện áp tại nút có đặt SVC có thể cố định giá trị điện áp.

- Điều khiển trào lưu công suất phản kháng tại nút được bù.
- Giới hạn thời gian và cường độ quá điện áp khi xảy ra sự cố (mất tải, ngắn mạch…)
trong HTĐ.

- Tăng cường tính ổn định của HTĐ.
- Giảm sự dao động công suất khi xảy ra sự cố trong HTĐ như ngắn mạch, mất tải đột
ngột...

Ngoài ra, SVC cũng có các chức năng mang lại hiệu quả khá tốt cho quá trình vận hành
HTĐ như:

- Làm giảm nguy cơ sụt áp trong ổn định tĩnh.
- Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây.
- Giảm góc làm việc  làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây. Giảm tổn
thất công suất và điện năng.
3.5.2 Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC)
Cũng tương tự như phần tử SVC, phần tử TCSC (Thyristor Controlled Series
Capacitor) là thiết bị điều khiển trở kháng nhanh của đường dây và hoạt động trong điều kiện
ổn định của hệ thống điện, nó được tổ hợp từ một hay nhiều modul TCSC, mỗi một modul
bao gồm hai thành phần cơ bản:



Thành phần cảm kháng có thể thay đổi được điện dung nhờ bộ điều chỉnh van
thyristor.



Thành phần điều khiển bao gồm các thiết bị điện tử như các van thyristor, các khoá
đóng mở GTO...
Ngoài ra, TCSC cũng có một số thiết bị phụ như bộ lọc F nhằm lọc bỏ các sóng hài bậc
cao, thiết bị đóng ngắt phục vụ các chế độ vận hành của TCSC trong các chế độ khác nhau
của HTĐ.
Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của TCSC như hình bên dưới:

Hình. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của TCSC
13

ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

Các chức năng chính của TCSC bao gồm:

-

Làm giảm nguy cơ sụt áp trrong ổn định tĩnh.
Giảm sự thay đổi điện áp.
Tăng cường khả năng truyền tải của đường dây
Tăng cường ổn định của HTĐ.
Giảm góc làm việc  làm tăng cường khả năng vận hành của đường dây.

Hạn chế hiện tượng cộng hưởng tần số thấp trong HTĐ.
Ngoài ra, TCSC cũng có nhiều chức năng khác có thể tăng tính linh hoạt trong vận
hành, tuỳ theo yêu cầu và chức năng của chúng trong từng HTĐ cụ thể mà ta có thể áp dụng
các phương pháp, mạch điều khiển TCSC cho phù hợp với các chế độ vận hành trong HTĐ.

4 TCSC (Thyristor-Controlled Series Capacitors)
Thiết bị bù dọc điều khiển bằng thyristor (TCSC - Thyristor-Controlled Series
Capacitors) là một trong những thiết bị quan trọng trong hệ thống truyền tải điện xoay chiều
linh hoạt (Flexible AC Transmission System – FACTS), cho phép điều chỉnh nhanh và linh
hoạt tổng trở đường dây. Do vậy, TCSC giúp nâng cao khả năng truyền tải cũng như tăng khả
năng ổn định, giảm dao động công suất, sụp đổ điện áp và loại trừ cộng hưởng dưới đồng bộ.
TCSC có khả năng thay đổi nhanh tổng trở đường dây, từ đó có thể đáp ứng được các
chế độ vận hành khác nhau của hệ thống điện. Vì vậy, việc lắp đặt TCSC ở một số nút quan
trọng là giải pháp hữu hiệu để tăng khả năng truyền tải của hệ thống điện.

4.1 Cấu tạo của TCSC
TCSC bao gồm các tụ điện tĩnh nối tiếp (Fixed Series capacitor – FC) có điện
dung C được nối song song với cuộn dây điện cảm có điều chỉnh dòng điện bằng
thyristor (Thyristor Controlled Reactor - TCR).
DCL
C

U1
L

VAR

K

CB

Hình. Cấu tạo TCSC

14

U2


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

Ngoài ra, nó còn có các cơ chế bảo vệ như: VAR, khe hở phóng điện (K), máy
cắt (Circuit Breaker - CB) và dao cách ly (DCL). Các phương thức bảo vệ sẽ được
trình bày ở phần sau.

4.2 Lý thuyết TCSC
Nếu gọi dung kháng của tụ là -jXC còn cảm kháng của TCR là jXL thì điện kháng đẳng
trị của TCSC tính được theo công thức:

X TCSC 
Với:

XC 

X C X L ( )
 X C  X L ( )

1
C

(2.2)

X L ( )   L

X TCSC

(2.1)


  2  sin(2 )

(2.3)




2
2
 k 2 (  sin  ) 4k cos 2 
k
 
  X C 1 

k
.
tg

tg

  (2.4)
(k 2  1)
(k 2  1)2  
2
2 



Với k 

1
;   2(   ) gọi là góc dẫn.
LC

Với thiết kế điện kháng X L min   L ; với   180 của TCR lớn hơn XC ta luôn có trị số điện
kháng đẳng trị của TCSC mang dấu âm (hình vẽ), nghĩa là tương ứng với tụ bù dọc. Khi góc
cắt của TCR thay đổi từ 90 180 , dung kháng của TCSC thay đổi liên tục -XC đến một

giá trị âm đủ lớn.

4.3 Bảo vệ TCSC
Máy cắt CB dùng để đưa TCSC vào hoạt động hoặc cắt ra khỏi lưới khi có yêu cầu
hoặc sự cố. Vì tụ điện C rất nhạy cảm với điện áp đặt trên tụ U C  I C X C nên khi dòng điện
chạy qua tụ lớn, đặc biệt trong chế độ sự cố ngắn mạch, phải có cơ chế chống quá áp cho tụ.
Bảo vệ cho tụ điện C gồm nhiều cấp. Đầu tiên là van chống quá áp VAR là một điện
trở phi tuyến, bình thường có trị số rất lớn. Khi UC  UCgh và đạt tới ngưỡng làm việc của
VAR, điện trở của VAR giảm rất nhanh, cho phép dòng IN qua VAR, nhờ đó, giảm điện áp
dư trên tụ C.
Khi dòng ngắn mạch duy trì có thể làm hỏng VAR, trong trường hợp này, khe mồi
phóng điện K sẽ hoạt động. Dòng ngắn mạch sẽ chạy qua K và máy biến dòng. Khi tới
ngưỡng tác động, rơle sẽ có tín hiệu đóng máy cắt CB. Do đó, toàn bộ các phần tử của TCSC
và VAR được nối tắt.
Khi đã nối tắt TCSC, có thể đóng dao cách ly DCL vào để nối tắt lâu dài tụ.
Ngoài ra còn nhiều cơ chế khác bảo vệ cho TCSC hoạt động tốt.

4.4 Mô hình hoá TCSC
TCSC là thiết bị mắc nối tiếp với đường dây, gồm dàn tụ điện được nối song song với
một điện cảm được điều khiển bằng cách thay đổi góc mở thyristor.
15


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

Hình. Mô hình đơn giản của thiết bị TCSC

Công suất tác dụng truyền tải trên đường dây: P 

U1U 2
sin(1   2 )
X L  XC

Khi thay đổi góc mở của thyristor ta có thể thay đổi được dòng điện chạy qua tụ điện,
từ đó thay đổi được dung kháng của thiết bị TCSC, vì vậy khi lắp đặt thiết bị TCSC nối tiếp
trên đường dây thì có thể tăng công suất truyền tải của đường dây.
Khả năng giới hạn truyền tải theo điều kiện ổn định tĩnh cũng được nâng cao khi đặt
thiết bị TCSC.

Pgh  Pmax 

U1U 2
X L  XC

Khi đặt TCSC thì đường đặc tính công suất P() được nâng cao, do đó khả năng ổn
định động cũng được tăng lên.

Hình. Đặc tính P() khi lắp đặt và không lắp đặt TCSC

Việc đặt TCSC vào hệ thống làm cho hệ thống vận hành linh hoạt hơn, cải thiện điện
áp của hệ thống vào giờ cao điểm khi điện áp bị giảm thấp. Ngoài ra còn có khả năng giảm
dao động công suất, sụp đổ điện áp và loại trừ cộng hưởng dưới đồng bộ.

4.5 Xây dựng mô hình toán học TCSC
Giả sử thiết bị TCSC được nối vào giữa 2 điểm 1 và r:

Hình. Mô hình TCSC khi lắp đặt vào đường dây

Dòng điện qua thyristor của thiết bị TCSC:

16


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2
Với

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

 a     là góc dẫn của thyristor.
02
1
; 02 
2
2
0  
LC

A

Dòng điện qua thyristor ở tần số cơ bản có thể viết: ithy (1)  I thy (1) cos(t )

(3)

Điện áp đặt lên TCSC VTCSC(1) , bằng điện áp đặt lên tụ điện.
Điện kháng của TCSC được xác định:

Với X LC 

XC X L
(6)
XC  X L

C1 

X C  X LC





0


C2  

(8)
1

(2n  1)( LC ) 2 
  
(10) với n = 1,2,3…
2

Hình. Sự thay đổi của điện kháng TCSC theo góc mở thyristor.

17

(7)

2
4 X LC
( 9)
X L


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

B.

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU VỊ TRÍ VÀ
DUNG LƯỢNG THIẾT BỊ FACTS

Sử dụng thiết bị FACTS trong lưới điện truyền tải mang lại nhiều lợi ích, nhưng đồng
thời chi phí lắp đặt các thiết bị FACTS cũng tương đối lớn. Vì vậy, để có thể đạt được lợi ích
cao nhất về mặt kinh tế, việc tối ưu vị trí và dung lượng các thiết bị FACTS là vô cùng cần
thiết.
Những năm gần đây, nhiều thuật toán tối ưu đã được đưa ra. Một số trong các thuật toán
đó là thuật toán truyền thống. Thuật toán truyền thống sử dụng các phương pháp chính xác để
tìm giải pháp tốt nhất. Khi không gian tìm kiếm tăng, độ phức tạp của các thuật toán cũng
tăng theo. Vì vậy, khi sự phức tạp không gian tìm kiếm tăng dẫn tới các thuật toán chính xác
có thể chậm tìm ra giải pháp tối ưu.
Hiện nay, có nhiều thuật toán ngẫu nhiên như là: thuật toán Genetic (GA) (Holland,
1975), thuật toán tìm kiếm Tabu (TS) (Glover, 1989-1990), thuật toán mô phỏng tôi luyện
(SA) (Kirkpatrick, 1983), thuật toán Memetic (MA) (Moscato, 1989), thuật toán tối ưu đàn
kiến (ACO) (Marco Dorigo, 1999), thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) (Kennedy và Eberhart,
1995)…
Ở phần này, ta nghiên cứu tối ưu vị trí và dung lượng thiết bị FACTS bằng thuật

toán GA và PSO.

1. Thuật toán tối ưu bầy đàn ( Particle Swarm Optimization –
PSO)
1.1 Giới thiệu về PSO:
Thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) là một thuật toán tối ưu hóa ngẫu nhiên dựa trên một
quần thể được phát triển bởi Kennedy và Eberhart, phỏng theo hành vi của các bầy chim
hoặc các đàn cá. Cũng giống như GA, PSO tìm kiếm giải pháp tối ưu bằng việc cập nhật các
thế hệ. Tuy nhiên, không giống như GA, PSO không có các thao tác tiến hóa như là lai ghép,
đột biến… Năm 1987, thông qua việc quan sát quá trình chuyển động theo bầy đàn của bầy
chim, đàn cá, Renolds đưa ra ba quy luật: tách biệt, sắp hàng và liên kết. Từ nghiên cứu của
Reynolds, Kennedy và Eberhart đưa ra thêm giả thuyết về quá trình tìm về tổ của bầy đàn
theo các quy luật:



Tất cả các phần tử trong bầy đàn đều có xu hướng chuyển động về tổ.
Mỗi phần tử đều ghi nhớ vị trí gần tổ nhất nó đã đạt tới.

Tương tự như vậy, hai ông đưa giả thuyết về quá trình tìm mồi của bầy đàn trong một
vùng không gian mà các phần tử trong bầy đàn đều biết thông tin về thức ăn cách bao xa và
lưu trữ vị trí gần thức ăn nhất mà chúng đã đi tới. Khi đó, cách tốt nhất để tìm kiếm thức ăn là
theo sau những con (phần tử) đầu đàn – những con trong bầy gần chỗ thức ăn nhất. Từ đó, hai
ông đề xuất thuật toán PSO phỏng theo kịch bản này và sử dụng nó để giải các bài toán tối
ưu.

18


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

1.2 Tối ưu vị trí và dung lượng thiết bị FACTS bằng thuật toán PSO:
Ở phần này, sử dụng thuật toán PSO, tối ưu vị trí và dung lượng thiết bị FACTS để đạt
được chi phí lắp đặt thiết bị FACTS nhỏ nhất và cải thiện khả năng mang tải hệ thống (SL),
trong khi thỏa các ràng buộc hệ thống điện, đối với trường hợp dùng một loại thiết bị FACTS
và trường hợp kết hợp nhiều loại thiết bị FACTS.
Trường hợp dùng một loại thiết bị FACTS, các biến tối ưu là vị trí của nó trong mạng,
các thiết lập của nó, chi phí lắp đặt. Trường hợp kết hợp nhiều loại thiết bị FACTS, ngoài các
biến trên, dạng của thiết bị FACTS cũng được xem là biến tối ưu.
Các loại thiết bị FACTS được dùng trong phần này: TCSC, SVC và UPFC (mô hình kết
hợp của một SVC tại một thanh cái và một TCSC trên đường dây trong cùng thanh cái).
Mô phỏng tính toán được dùng trong hệ thống IEEE 6, 30, 118 thanh cái và hệ thống
thử nghiệm Nadu Electricity Board (TNEB) 69 thanh cái.
Trong cả 2 trường hợp, ta coi rằng SL không thể tăng hơn một giới hạn sau khi lắp đặt
một số lượng nhất định thiết bị FACTS và giá trị tối đa của SL, có thể đạt được khi không vi
phạm các ràng buộc, là khả năng mang tải tối đa của hệ thống (MSL). Số lượng tối thiểu của
thiết bị FACTS để đạt được MSL và chi phí lắp đặt tối ưu của thiết bị FACTS được xem xét
trong cả 2 trường hợp.

1.2.1 Thiết lập vấn đề:
Mục tiêu:
Vị trí tối ưu của thiết bị FACTS để đạt được chi phí lắp đặt nhỏ nhất được xây dựng
toán học:
Minimize IC = C * S * 1000
Với:

(1)

IC là chi phí lắp đặt nhỏ nhất ($)
C là chi phí lắp đặt của thiết bị FACTS ($/kVAR)

Chi phí lắp đặt các thiết bị FACTS (theo dữ liệu của Siemens):

CUPFC  0.0003S 2  0.2691S  188.22
CTCSC  0.0015S 2  0.7130 S  153.75

(2)

CSVC  0.0003S  0.3051S  127.28
2

Với:

S là tầm hoạt động của thiết bị FACTS [MVAR]

S  Q2  Q1

(3)

Với: Q2 là công suất phản kháng chạy trên đường dây sau khi lắp đặt thiết bị FACTS
[MVAR] và Q1 là công suất phản kháng chạy trên đường dây trước khi lắp đặt thiết bị
FACTS [MVAR]

19


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

Chi phí được tối ưu với các ràng buộc dưới đây.
Các ràng buộc điện áp thanh cái và dòng điện đường dây:

J   OVLLINE * VS BUS
LINE

(4)

BUS

J là hệ số chỉ mức độ vi phạm giới hạn dòng điện đường dây và giới hạn điện áp thanh
cái, với OVL biểu thị hệ số quá tải đường dây cho một dây và VS biểu thị chỉ số ổn định điện
áp cho một thanh cái:

1



OVL  
Ppq
exp
  1  max


Ppq





1
VS  
exp   1  Vb



max
Ppq  Ppq






max
Ppq  Ppq

0, 9  Vb  1,1



con lai

(5)

(6)

max

Với: Ppq là công suất tác dụng lưu thông giữa thanh cái p và q, Ppq là giới hạn nhiệt

đối với đường dây giữa thanh cái p và q, Vb là điện áp tại thanh cái b,  và  là hằng số
dương nhỏ và bằng 0.1
Các giới hạn của thiết bị FACTS:

0.8 X L  X TCSC  0.2 X L

[pu]

(7)

100MVAR  QSVC  100MVAR
Với:

(8)

XTCSC là điện kháng thêm vào đường dây bằng cách đặt TCSC
XL là điện kháng tại đường dây đặt TCSC
QSVC là công suất phản kháng thêm vào thanh cái bằng cách đặt SVC
Các giới hạn dòng công suất:

g V ,   0

Với:

(9)

 Pt V ,    Pt net 



 Q V ,    Q net 

g V ,     t
t


net
P V ,    Pm 

 m

Với:

thanh cai PQ (t )

(10)
thanh cai PV (m)

Pt là công suất tác dụng tính toán của thanh cái PQ
Pm là công suất tác dụng tính toán của thanh cái PV
Qt là công suất phản kháng tính toán của thanh cái PQ

Pt net là công suất tác dụng lý thuyết của thanh cái PQ
20


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

Qtnet là công suất phản kháng lý thuyết của thanh cái PQ
V là biên độ điện áp tại thanh cái

 là góc pha điện áp tại thanh cái
1.2.2 Áp dụng PSO để tối ưu vị trí thiết bị FACTS:
PSO được xây dựng phỏng theo hành vi của các bầy chim hay đàn cá trong không gian
2 chiều. Vị trí của mỗi phần tử được đại diện bởi mặt phẳng x-y với vị trí (Sx và Sy) và vận
tốc dọc trục x (Vx) và vận tốc dọc trục y (Vy). Sự thay đổi của các phần tử được thể hiện bởi
thông tin vị trí và vận tốc. Bầy đàn tối ưu một hàm nhất định. Mỗi phần tử biết giá trị tốt nhất
của nó (Pbest) chứa các thông tin về vị trí và vận tốc. Thông tin này là kinh nghiệm cá nhân
của mỗi phần tử. Ngoài ra, mỗi phần tử còn biết giá trị tốt nhất trong bầy (Gbest) trong tất cả
Pbest. Mỗi phần tử cố gắng thay đổi vị trí của nó bằng cách xem xét vị trí hiện tại (Sx và Sy),
vận tốc hiện tại (Vx và Vy), trí thông minh cá nhân (Pbest) và trí thông minh bầy đàn (Gbest).
Công thức dưới đây dùng để tính toán vị trí và vận tốc trong mặt phẳng x-y:

Với:

Vi k 1  W*Vi k  C1 * rand1 *(Pbesti  Sik )  C2 * rand 2 *(Gbest  Sik )

(11)

Sik 1  Sik  Vi k 1

(12)

Vi k 1 là vận tốc của phần tử thứ i tại vòng lặp thứ (k+1)
Vi k là vận tốc của phần tử thứ i tại vòng lặp thứ k
W là trọng số quán tính
C1 và C2 là hằng số dương, có giá trị [0,2.5]

rand1 và rand2 là số ngẫu nhiên, được lựa chọn giữa 0 và 1

Pbesti là vị trí tốt nhất của phần tử thứ i

Gbest là vị trí tốt nhất giữa các phần tử trong bầy
S ik là vị trí của phần tử thứ i tại vòng lặp thứ k
Vận tốc của mỗi phần tử thay đổi theo (11), vận tốc lớn nhất và nhỏ nhất của mỗi biến
trong phần tử được thiết lập trong giới hạn giữa Vmin và Vmax. Vị trí thay đổi theo (12). Trọng
số quán tính W được tính bởi (13) để có thể hội tụ nhanh chóng.

W  Wmax 
Với:

Wmax  Wmin
*iter
itermax

Wmax là giá trị ban đầu của trọng số vòng lặp (bằng 0.9)
Wmin là giá trị cuối cùng của trọng số vòng lặp (bằng 0.4)
21

(13)


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

iter là số vòng lặp hiện tại

itermax là số vòng lặp tối đa
Việc thực hiện của thuật toán PSO để tối ưu vị trí được miêu tả bên dưới.
Khởi động:
Loại thiết bị FACTS ban đầu và số lượng thiết bị FACTS được khai báo. SL được thiết
lập 101% (hệ số tải = 1.01), có nghĩa là công suất tác dụng thanh cái tải tăng 1% so với giá trị
trường hợp cơ bản. Quần thể ban đầu của các phần tử (Sk) được tạo ngẫu nhiên. Biến của mỗi
phần tử trong quần thể đáp ứng thiết lập và vị trí của các thiết bị FACTS, khi một loại thiết bị
FACTS được dùng. Nếu “N” thiết bị FACTS (TCSC hoặc SVC) được lắp đặt thì mỗi phần tử
có “2*N” biến (thiết lập N-FACTS và N vị trí). Khi “N” UPFCs được cài đặt thì mỗi phần tử
có “3*N” biến (thiết lập N-TCSC, thiết lập N-SVC và N vị trí), bởi vì UPFC là kết hợp của
SVC và TCSC trong bài này. Khi sử dụng kết hợp nhiều loại thiết bị FACTS, mỗi phần tử có
thêm một biến cho mỗi thiết bị FACTS, biểu thị loại thiết bị. Điều này nhầm biểu thị loại của
thiết bị với “1” là TCSC, “2” là SVC, “3” là UPFC.
Tính toán hàm thích nghi (Fitness Function):
Vấn đề tối ưu hóa ràng buộc của vị trí tối ưu thiết bị FACTS được chuyển thành vấn đề
tối ưu hóa không ràng buộc dùng hệ số điều chỉnh (Penalty Factor, PF) được biểu diễn bởi
(14). Nó trở thành hàm thích nghi (Fitness Function) trong kỹ thuật PSO:
Fitness Function= IC  PF * J  1

(14)

Nó gồm 2 phần. Phần thứ nhất tương ứng với chi phí lắp đặt thiết bị FACTS, được biểu
diễn bởi (1). Phần thứ hai tương ứng với vi phạm ràng buộc và nó được nhân với hệ số điều
chỉnh (PF). Để tính toán hàm thích nghi trong (14) cho mỗi phần tử, các giá trị chuẩn của mỗi
biến (Xnorm) trong phần tử được tiêu chuẩn hóa thành giá trị thực tế (Xactual) theo (15):

X actual  X min  ( X max  X min ) * X norm
Với:

(15)

X min là giá trị nhỏ nhất của biến
X max là giá trị lớn nhất của biến

Bởi vị các biến vị trí (số dây) và loại thiết bị FACTS là số nguyên, giá trị chuẩn hóa của
chúng được làm tròn đến số nguyên gần nhất. Khi có nhiều hơn một thiết bị FACTS được cài
đặt, sau khi tạo ra quần thể ban đầu hoặc quần thể mới, nó được xác định rằng chỉ có một
thiết bị được đặt trên một đường dây. Nếu 2 thiết bị FACTS được đặt trên cùng một đường
dây thì một thiết bị sẽ được di chuyển sang một đường dây khác – nơi mà thiết bị FACTS
chưa được đặt. Với mỗi phần tử, thông số đường dây được cập nhật theo thiếp lập và vị trí
của thiết bị FACTS (TCSC) của nó; thông số thanh cái được cập nhật theo thiết lập và vị trí
của thiết bị FACTS (SVC) của nó và hệ số SL hiện tại. Dòng tải được tính toán bằng phương
pháp Newton-Raphson và dòng điện và điện áp tại thanh cái thu được. Dùng những giá trị đó,
giá trị J của mỗi phần tử được tính bởi (4) và hàm thích nghi của mỗi phần tử được tính bởi
(14). Các phần tử có giá trị nhỏ nhất của hàm thích nghi được xem xét là Gbest.
22


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

Sự tạo ra quần thể mới:
Vận tốc mới được tính bởi (11) và vị trí mới của mỗi phần tử được tính bởi (12). Quy
trình được trình bày trong phần “tính toán hàm thích nghi” và “sự tạo ra quần thể mới” được
lặp lại cho đến khi đạt được số vòng lặp tối đa.
Tính MSL:
Sau khi đạt được số vòng lặp tối đa, giá trị J của phần tử Gbest được kiểm tra. Nếu nó
bằng 1 thì dùng phần tử Gbest đó, giá trị hiện tại của SL có thể đáp ứng mà không vi phạm các
ràng buộc giới hạn dòng điện đường dây và điện áp thanh cái và phần tử Gbest được lưu lại

cũng với số liệu chi phí lắp đặt và SL của nó. Sau đó, tăng SL lên 1% rồi lặp lại thuật toán
PSO. Nếu giá trị J của phần tử Gbest không bằng 1 thì phần tử Gbest không đáp ứng được SL
hiện tại và phần tử Gbest với J=1, đạt được trong lần chạy trước đó, được xem như là thiết lập
tối ưu nhất và giá trị SL tương ứng với phần tử Gbest đó được xem là MSL. Quy trình từng
bước để tìm chi phí lắp đặt tối ưu của thiết bị FACTS và giá trị MSL được biểu diễn bởi lưu
đồ bên dưới.

23


ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH
Bắt đầu

Chuẩn bị cơ sở dữ liệu: thông số đường dây, thanh cái, máy phát và tải. Nhập số lượng thiết bị FACTS, loại thiết bị được lắp đặt, số lượng
của quần thể và vòng lặp tối đa. SL=101%

Tạo quần thể của các phần tử với biến ở dạng chuẩn

Kiểm tra sắp xếp hợp lý các thiết bị FACTS. Tính dòng điện đường dây và điện
áp thanh cái cho mỗi phần tử, bằng biến chuẩn hóa, cập nhật dữ liêu đường dây
và dữ liệu thanh cái rồi tính dòng tải bằng phương pháp Newton-Graphson

Tính J cho mỗi phần tử

Tính hàm thích nghi bằng công thức (14) cho mỗi phần tử

Tìm phần tử Gbest có giá trị hàm thích nghi nhỏ nhất trong quần
thể và Pbest cho mỗi phần tử

Tăng SL lên
thêm 1%

Tạo quần thể mới bằng công thức (11) và (12)

Sai

Số vòng lặp tối đa?

Đúng

Lưu SL,
phần tử Gbest
và chi phí IC
của nó

Đúng

Gbest có J=1?

Sai

Xuất phần tử Gbest cuối cùng với J=1 và giá trị IC và SL (MSL) của nó

Kết thúc

Hình 1: Lưu đồ thuật toán PSO tìm vị trí và dung lượng FACTS tối ưu
24

ĐỒ ÁN ĐIỆN NĂNG 2

GVHD: THS. ĐẶNG TUẤN KHANH

1.2.3 Kết quả:
Hệ thống IEEE 6 thanh cái:
Bảng 1:
Trường
hợp

Loại
thiết
bị

TCSC

Một loại
thiết bị

SVC

UPFC

Kết hợp
nhiều loại

SVC
TCSC
UPFC

Từ
dây

Đến
dây

1
1
1
2
2
1
1
2
1
1
2
2
2
1
1
3
2
2

2
4
5
4

6
2
4
4
2
4
3
4
6
2
4
6
3
5

Ppqb
(MW)

Qpqb
(MVAR)

Ppqa
(MW)

Qpqa
(MVAR)

28.6897
43.5849
35.6009

33.0909
26.2489
28.6897
43.5849
33.0909
28.6897
43.5849
2.9303
33.0909
26.2489
28.6897
43.5849
43.7732
2.9303
15.5145

-15.4187
20.1201
11.2547
46.0541
12.3995
-15.4187
20.1201
46.0541
-15.4187
20.1201
-12.2687
46.0541
12.3995
-15.4187

20.1201
60.7242
-12.2687
15.3532

39.7681
59.9769
39.9259
28.9459
39.9239
33.5555
54.331
29.967
39.7034
59.5295
-10.0356
36.5896
61.5946
39.5855
58.6958
48.1295
4
28.9139

-21.1384
19.3805
10.8897
48.8949
13.2763
-17.4429

-3.8646
2.3951
-17.9088
1.4559
-8.5234
42.9759
36.6098
-21.0394
10.0134
59.0285
-14.4129
24.107

Thiết lập
(TCSC [pu];
SVC
[MVAR])
-0.009306
-0.029088
0.021361
-0.002585
-0.073963
-79.50954
96.571101
53.015082

IC
(*106 $)

0.036

(MSL=115%)

9.73
(MSL=110%)

32.3
(MSL=122%)
0.448685
28.936442
5.993867
0.043657

9.42
(MSL=116%)

Dữ liệu thanh cái và dữ liệu đường dây của hệ thống 6 thanh cái và bao gồm 11 đường
dây.
Vị trí, thiết lập của thiết bị FACTS và chi phí lắp đặt tối ưu, đạt được bằng kỹ thuật
PSO cho trường hợp dùng 1 loại thiết bị và kết hợp nhiều loại thiết bị, được trình bày trong
Bảng 1.
Trong đó:



Ppqb và Qpqb là công suất tác dụng và công suất phản kháng trên dây p-q trước
khi lắp đặt thiết bị FACTS
Ppqa và Qpqa là công suất tác dụng và công suất phản kháng trên dây p-q sau
khi lắp đặt thiết bị FACTS

Hiệu quả của số lượng thiết bị FACTS đối với SL và chi phí lặp đặt được biểu diễn

trong hình 2 và hình 3:

25