Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối điện sử dụng các thiết bị DFACTS (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN VĂN MINH

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO
CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN
SỬ DỤNG CÁC THIẾT BỊ D-FACTS

Ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 9520201

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Hà Nội – 2018


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. TS. BẠCH QUỐC KHÁNH
2. TS. PHẠM VIỆT PHƯƠNG
Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Việc ứng dụng thiết bị FACTS trong lưới phân phối, còn gọi là DFACTS trong đó gồm các thiết bị phục hồi điện áp động (Dynamic
voltage restorer - DVR), thiết bị bù tĩnh (Distribution Static Compensator
- D-Statcom) đã được triển khai. Tuy nhiên ở Việt Nam chưa có những
nghiên cứu về ứng dụng của thiết bị D-FACTS nhằm nâng cao chất lượng
điện năng (CLĐN) trong lưới phân phối. Sở dĩ có vấn đề này là vì bên
quản lý lưới phân phối điện là các công ty điện lực chưa quan tâm đến
việc ứng dụng của thiết bị này. Với những lý do trên, luận án với tên đề
tài: “Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trong
lưới phân phối điện sử dụng các thiết bị D-FACTS” được tác giả đặt ra
nhằm nghiên cứu các giải pháp nâng cao CLĐN trong lưới lưới phân phối
điện với định hướng ứng dụng tại Việt Nam.
2. Đối tượng nghiên cứu của Luận án
Đối tượng nghiên cứu của luận án là các giải pháp nâng cao CLĐN
sử dụng thiết bị D-FACTS và tụ bù công suất phản kháng. Hiện tượng
CLĐN được xem xét là sụt áp ngắn hạn (SANH) do ngắn mạch và biến
dạng sóng hài do lò hồ quang điện sinh ra trong lưới phân phối, có xét
một số đặc thù của lưới phân phối điện của Việt Nam. Công cụ giải các
bài toán tối ưu nói chung, thuật toán di truyền (Genetic Algorithm - GA)
cũng là đối tượng nghiên cứu của luận án.
3. Các mục tiêu nghiên cứu của luận án
Luận án nghiên cứu đánh giá một số CLĐN và xem xét các giải
pháp nâng cao CLĐN trong lưới phân phối với các mục tiêu cụ thể sau:
a) Nghiên cứu xây dựng mô hình và giải bài toán tối ưu lựa chọn vị
trí và công suất của các thiết bị DVR và D-Statcom.

b) Nghiên cứu lựa chọn vị trí tụ bù công suất phản kháng nhằm giảm
tổn thất điện năng và nâng cao CLĐN.
c) Nghiên cứu cấu trúc và mô phỏng so sánh tác dụng của các thiết
bị DVR và D-Statcom đối với SANH do ngắn mạch và sóng hài
gây ra bởi các phụ tải phi tuyến - lò hồ quang điện.

1


4. Phương pháp thực hiện
Nghiên cứu tổng quan về việc xây dựng mô hình và giải các bài
toán liên quan đến việc nâng cao CLĐN mang tính hệ thống trong lưới
phân phối điện để làm cơ sở đề xuất hướng nghiên cứu của luận án.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án
- Về ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu ứng dụng thiết bị CPD để cải
thiện CLĐN đối với toàn hệ thống nên nghiên cứu này có thể xem như
một trong những nghiên cứu tiên phong về lĩnh vực này tại Việt Nam.
- Về ý nghĩa thực tiễn: Ba mục tiêu được đề xuất của luận án có thể
xem là tài liệu tham khảo rất tốt cho việc triển khai các giải pháp nâng
cao CLĐN và giảm tổn thất mang tính hệ thống đối với các đơn vị quản
lý lưới phân phối điện, trong đó trực tiếp nhất là những đề xuất sử dụng
tụ bù công suất phản kháng để giảm tổn thất và cải thiện chất lượng độ
lệch điện áp, tổng mức biến dạng sóng hài của lưới phân phối.
6. Các đóng góp mới của Luận án
Đóng góp 1: Xây dựng mô hình mô phỏng động nhằm so sánh và
đánh giá tác dụng của các thiết bị DVR và D-Statcom khắc phục các vấn
đề CLĐN gồm SANH do ngắn mạch và sóng hài trong lưới phân phối có
phụ tải lò hồ quang điện.
Đóng góp 2: Xây dựng mô hình và giải bài toán tối ưu ứng dụng
tụ bù trong lưới phân phối nằm giảm tổn thất và cải thiện CLĐN, có xét

lưới điện có sóng hài do lò hồ quang điện sinh ra. Mô hình bài toán tính
toán chế độ xác lập ở tần số sóng hài được xây dựng để tính toán tổn thất
công suất do sóng hài và tổng mức biến dạng sóng hài nhằm phục vụ cho
việc tính toán hàm mục tiêu và kiểm tra các ràng buộc của bài toán tối ưu
vị trí tụ bù trong lưới phân phối.
Đóng góp 3: Xây dựng mô hình và giải bài toán tối ưu chọn vị trí
và công suất của các thiết bị DVR và D-Statcom để khắc phục hiện tượng
SANH do ngắn mạch, trong đó việc tính toán và đánh giá các đặc trưng
của SANH (như biên độ điện áp) sử dụng mô hình toán mô tả tác dụng
của các thiết bị này đề xuất. Đây được xem là đóng góp chính của nghiên
cứu trong luận án.

2


7. Nội dung nghiên cứu của Luận án
Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu
của luận án được trình bày trong 5 chương và phụ lục, cụ thể: Chương 1:
Tổng quan các bài toán về nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân
phối điện. Chương 2: Đánh giá hiệu quả sử dụng DVR và D-Statcom
trong nâng cao chất lượng điện năng của lưới phân phối. Chương 3: Ứng
dụng thuật toán di truyền lựa chọn vị trí tụ bù nhằm giải tổn thất trong
lưới phân phối có xét đến sóng hài. Chương 4: Tối ưu hóa vị trí đặt và
công suất các thiết bị CPD nhằm nâng cao chất lượng điện năng dùng giải
thuật di truyền (GA). Kết luận và kiến nghị
Chương 1. TỔNG QUAN CÁC BÀI TOÁN VỀ NÂNG CAO CHẤT
LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN
1.1. Tổng quan về chất lượng điện năng và các giải pháp nâng cao chất
lượng điện năng trên lưới phân phối
Chất lượng điện năng liên quan chặt chẽ đến các hiện tượng biến

thiên về điện áp, dòng điện và tần số dẫn đến làm các thiết bị điện trong
hệ thống điện ngừng làm việc hoặc làm việc không đúng theo chức năng
được thiết kế.
Trong các hiện tượng trên đây, biến thiên điện áp ngắn hạn và
biến dạng gây sóng hài là những hiện tượng xảy ra chủ yếu trong lưới
phân phối điện hiện nay và cũng là đối tượng nghiên cứu của luận án.
*Tóm tắt hiện tượng: Theo tiêu chuẩn IEC1159-1995, biến thiên điện áp
ngắn hạn (BĐN) là sự thay đổi trị số điện áp hiệu dụng ở tần số HTĐ
(50Hz hoặc 60Hz) trong khoảng thời gian dưới 1 phút.
*Nguyên nhân gây sụt áp và mất điện
- Ngắn mạch trong hệ thống điện.
- Khởi động động cơ.
- Các nguyên nhân khác: Đóng phụ tải công suất lớn, mở máy các thiết bị
công suất lớn.
* Hậu quả và đánh giá tác động của sụt giảm điện áp ngắn hạn
- Các bộ cấp nguồn cho máy tính và các thiết bị điện tử, các bộ điều tốc
sẽ ngừng làm việc dưới tác động của SANH.

3


- Contactor và rơ le điện cơ sẽ không tin cậy dưới tác động của một sự
kiện SANH.
- Đối với động cơ không đồng bộ, thường chỉ có SANH thấp hơn 30%Uđm
mới có tác động.
- Đối với đèn dựa trên nguyên lý phóng điện trong chất khí (đèn cao áp),
đèn sẽ tắt nếu mất áp quá 2 chu kỳ hoặc SANH với biên độ dưới 45%Uđm.
* Các biện pháp khắc phụ sụt giảm điện áp ngắn hạn
- Các giải pháp cho giai đoạn hình thành SANH.
- Các giải pháp cho lưới điện.

- Các giải pháp đối với phụ tải nhạy cảm.
* Tóm lược:
Sụt giảm điện áp ngắn hạn là hiện tượng CLĐN mà luận án sẽ phân
tích các giải pháp khắc phục.
* Sóng hài
Sóng hài là điện áp và dòng điện hình sin với tần số là bội số của
tần số cơ bản (50Hz hoặc 60Hz). Sóng hài được định lượng từ phép phân
tích Fourier của các biến dạng sóng điện áp và dòng điện (waveform
distortion) trên lưới điện.
Nguyên nhân chính gây nên biến dạng sóng trên lưới điện là do tồn
tại các phụ tải phi tuyến.
Tác động chính của sóng hài là làm gia tăng tải của các mạch điện.
Tác động này có thể gây quá tải mạch điện, quá tải máy điện, gây phát
nóng phụ lớn, gia tăng tổn hao, làm sai lệch các thiết bị đo lường, làm các
thiết bị bảo vệ làm việc kém chính xác, làm nhiễu các hệ thống thông tin.
Bên cạnh đó sóng hài còn gây hiện tượng cộng hưởng làm quá tải tụ bù,
quá điện áp.
* Các biện pháp hạn chế sóng hài
- Các giải pháp giảm phát sinh sóng hài
- Các giải pháp ngăn chặn sóng hài lan truyền.
f. Tóm lược

4


Sóng hài do các phụ tải phi tuyến sinh ra trên lưới điện. Có nhiều
tác động xấu của sóng hài đối với lưới điện và phụ tải. Chương 3 luận án
sẽ phân tích chi tiết bài toán này.
1.2. Tổng quan về nghiên cứu giải pháp sử dụng thiết bị CPD để nâng
cao chất lượng điện năng lưới phân phối điện

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là đi sâu nghiên cứu giải pháp sử
dụng CPD để nâng cao CLĐN của lưới phân phối.
Quá trình ứng dụng CPD để nâng cao CLĐN cho tới nay có thể
xem như theo hai cách tiếp cận sau:
- Cải thiện phân tán (distributed improvement): Mục tiêu giải quyết của
cách tiếp cận này chủ yếu liên quan đến việc nghiên cứu phần điều khiển
các thiết bị CPD để khắc phục trực tiếp các sự kiện CLĐN cụ thể và bảo
vệ cho những phụ tải cụ thể.
- Cải thiện trung tâm (central improvement): Cách tiếp cận ‘cải thiện tập
trung’ là giải pháp nâng cao CLĐN mà bên cấp điện mới là người thực
hiện. Nội dụng nghiên cứu cốt lõi của luận án chính là xây dựng và phân
tích bài toán lựa chọn vị trí đặt và công suất CPD theo cách tiếp cận tập
trung khi sử dụng các thiết bị CPD để nâng cao CLĐN cho cả lưới phân
phối điện. Hành vi của các thiết bị CPD trong lưới điện sẽ được mô phỏng
và đưa vào mô hình bài toán tối ưu.
a. Dạng hàm mục tiêu:
Mục tiêu tối ưu hóa vị trí và công suất của thiết bị CPD trong lưới
phân phối điện hình tia chính là để tối đa hóa hiệu quả cải thiện CLĐN
trong tối thiểu hóa tổng chi phí.
F 𝐶

,𝐶

(1.9)

→ Min
(1.9)

Thoã mãn: 𝐹 ≤ 𝐹
Trong đó

CLPQ: Chi phí do CLĐN,
CCPD: Chi phí cho thiết bị CPD (đầu tư, vận hành và chi phí bảo
dưỡng),

5


Ff: Điều kiện dừng khi chạy các phép lặp để tìm kiếm lời giải tối
ưu.
b. Các dạng điều kiện ràng buộc
- Cân bằng công suất nút
- Giới hạn điện áp nút.
𝑉

(1.10)

≤ |𝑉 | ≤ 𝑉
(1.10)

- Tần suất của sụt giảm điện áp
𝑉𝑆 ≤ 𝑉𝑆

(1.11)

- Giới hạn công suất CPD
𝑆

(1.12)

≤𝑆

(1.12)

- Giới hạn tổng biến dạng sóng hài – THD
(1.13)

𝑇𝐻𝐷 ≤ 𝑇𝐻𝐷

c. Đánh giá các mô hình bài toán tối ưu trong các nghiên cứu đến nay.
- Chọn hàm mục tiêu dưới dạng chi phí hay dạng các chỉ tiêu kỹ thuật.
+ Cách tiếp cận sử dụng hàm mục tiêu là chi phí.
+ Cách tiếp cận sử dụng hàm mục tiêu là hiệu quả khắc phục vấn đề
CLĐN.
- Chọn mô hình là tối ưu hóa đơn mục tiêu hay đa mục tiêu.
Đóng góp mới của luận án chính là xây dựng được hàm mục tiêu
phù hợp cho việc khắc phục biến dạng sóng hài sử dụng tụ điện (Chương
3) và khắc phục SANH bởi thiết bị CPD (Chương 4).
*Tổng quan phương pháp giải
Giải thuật Gen (GA): GA có thể được xem như là một loại giải thuật
tiến hoá trong đó lời giải của bài toán tối ưu có được bằng cách sử dụng
các phương pháp có nguồn gốc từ tiến hoá tự nhiên, chẳng hạn như thừa
kế, đột biến, lựa chọn, lai giống.
1.3. Những vấn đề còn tồn tại
1.3.1. Đối với các nghiên cứu trên thế giới

6


- Về quan điểm thực hiện, nghiên cứu ứng dụng CPD chủ yếu để
giải quyết CLĐN cho từng phụ tải, tức là quan điểm “Cải thiện phân tán”
- Về mô hình bài toán theo “cải thiện tập trung”, các nghiên cứu

thường cố gắng xây dựng để giải quyết từng vấn đề về CLĐN như sóng
hài, biến thiên điện áp. Tuy vậy cách xây dựng mô hình bài toán vẫn là
chủ đề mà chưa có nhiều đề xuất.
- Về vấn đề CLĐN được nghiên cứu giải pháp cho bài toán nâng
cao CLĐN mang tính hệ thống thì các nghiên cứu chủ yếu mới xét đến
các sự kiện CLĐN có tính xác lập như sóng hài, độ lệch điện áp dài hạn.
Còn rất ít những nghiên cứu giải pháp mang tính hệ thống đối với các
hiện tượng ngắn hạn trong lưới phân phối như SANH, quá độ.
- Về giải pháp nâng cao CLĐN thì lớp giải pháp liên quan đến ứng
dụng CPD đã có rất nhiều nghiên cứu. Tuy vậy như đã nêu trên, các
nghiên cứu thường xét các vấn đề CLĐN có tính xác lập. Ứng dụng CPD
để giải quyết các bài toán CLĐN ngắn hạn mà lại mang tính hệ thống còn
khá ít và các nghiên cứu trong lĩnh vực này có nhiều khả năng được thừa
nhận về tính mới.
- Về công cụ giải các bài toán tối ưu thì có thể nói đã có rất nhiều
nghiên cứu với hai cách tiếp cận chính gồm các phương pháp giải tích và
các phương pháp tìm kiếm thông minh. Tuy vậy, tính mới cho từng
nghiên cứu luôn có thể được thừa nhận dựa trên cách lựa chọn công cụ
giải phù hợp với đối tượng được áp dụng.
1.3.2. Đối với các nghiên cứu trong nước
- Chưa có nghiên cứu khảo sát đánh giá CLĐN lưới phân phối do
SANH và ảnh hưởng đến các tải nhạy cảm điện áp, đặc biệt là chi phí
thiệt hại do CLĐN xấu. Những cố gắng hiện nay mới rất sơ lược dựa trên
đánh giá chi phí cho độ tin cậy.
- Chưa có những công trình nghiên cứu về việc xác định các thông
số tối ưu cho các thiết bị tham gia cải thiện chất lượng điện áp lưới phân
phối mang tính hệ thống.
- Chưa có nghiên cứu xây dựng mô hình bài toán áp dụng CPD
nhằm nâng cao CLĐN trong lưới phân phối mang tính hệ thống nói
chung.

7


1.4. Lựa chọn hướng nghiên cứu của luận án
Hướng nghiên cứu là xây dựng mô hình và giải bài toán lựa chọn
tối ưu vị trí đặt các thiết bị nâng cao CLĐN trong lưới phân phối bao
gồm thiết bị CPD và tụ điện. Mục tiêu nhằm nâng cao các chỉ tiêu CLĐN
của hệ thống theo cách tiếp cận “cải thiện trung tâm” đối với các sự kiện
CLĐN tương ứng là SANH và sóng hài.
1.5. Kết luận Chương 1
Chương 1 đã trình bày tổng quan về CLĐN trong lưới phân phối
điện, chú trọng tới hai hiện tượng CLĐN gây ra nhiều vấn đề trong chất
lượng vận hành lưới phân phối hiện nay tại Việt Nam nói riêng và thế giới
nói chung là sụt giảm điện áp ngắn hạn và sóng hài để làm cơ sở giải thích
rõ cho đối tượng, mục tiêu, phương pháp thực hiện và kết quả nghiên cứu
của luận án trong các phần sau.
Chương 2. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG DVR VÀ DSTATCOM TRONG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
LƯỚI PHÂN PHỐI
2.1. Đặt vấn đề
Trong chương này, luận án mô phỏng tác dụng hệ thống của hai
thiết bị CPD là DVR và D-Statcom đối với các sự kiện CLĐN khác nhau
gồm biến thiên điện áp ngắn hạn (chẳng hạn như SANH) và sóng hài.
2.2. Tóm tắt cấu trúc, nguyên lý vận hành và ứng dụng của DVR
2.2.1. Cấu trúc cơ bản của DVR
Hình 2.1 mô tả sơ đồ nối lưới của DVR sử dụng bộ biến đổi điện
tử công suất để bảo vệ các tải không bị ngừng làm việc từ tất cả các nguồn
cấp có nhiễu loạn khác.

Hình 2.1. Mô hình nối lưới của DVR

8


2.2.2. Ứng dụng và các chế độ vận hành của DVR
Sử dụng DVR để khắc phục SANH (sụt giảm điện áp ngắn hạn) có
thể theo hai nguyên tắc ứng với hai cách chọn vị trí đặt DVR: bảo vệ tải
nhạy cảm và Ngăn chặn phát và truyền các hiện tượng chất lượng điện
năng.
* Kết luận:
DVR là thiết bị bù chủ động nối tiếp nhằm khắc phục các vấn đề
CLĐN nói chung và SANH nói riêng.
2.3. Tóm tắt cấu trúc, vận hành D-STATCOM và ứng dụng
2.3.1. Nguyên lý vận hành của D-Statcom
D-Statcom (Distribution Static Compensator), được mô tả như
trong sơ đồ hình 2.2, bao gồm bộ biến đổi nguồn áp hai mức (VSC), một
thiết bị lưu trữ năng lượng DC, một máy biến áp kết nối nối với mạng
phân phối.
ZS



ZL

IDS

b) Sơ đồ thay thế tính Ish
a) Sơ đồ nguyên lý
Hình 2.2. Cấu trúc và chức năng của D-Statcom.
2.3.2. Ứng dụng

Các ứng dụng tiềm năng của D-Statcom bao gồm điều chỉnh hệ số
công suất, điều chỉnh điện áp, cân bằng tải và giảm sóng hài.
2.4. Mô phỏng so sánh tác dụng DVR và D-Statcom trong việc
khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn
2.4.1. Mô phỏng lưới phân phối mẫu 13 nút của IEEE có DVR hoặc
D-Statcom

9


* Các trường hợp nghiên cứu
Để phân tích tính hiệu quả của DVR và D-Statcom về khắc phục
SANH, các trường hợp mô phỏng sau xem xét:
- SANH do ngắn mạch gây ra. Xét ngắn mạch ba pha tại nút 633
với tổng trở sự cố Zf=0,257+j0,000175(Ω).
- Chọn vị trí DVR và D-Statcom: Xét hai trường hợp đặt một thiết
bị DVR trên nhánh 632-645 hoặc một thiết bị D-Statcom nối song song
với nút 632 (Hình 2.10).
*. Lưới phân phối mẫu

Hình 2.3. Lưới phân phối mô phỏng có DVR hoặc D-Statcom
2.4.2. Mô phỏng và kết quả mô phỏng
Từ kết quả cho thấy các trường hợp lưới có DVR, SANH tại nút 633
(vị trí ngắn mạch) gần như không được cải thiện (Hình 2.14a). Tuy nhiên,
ở nút 646, điện áp được tăng lên gần 100% (Hình 2.14c). Điều đó có nghĩa
là phụ tải phía sau DVR được bảo vệ tốt. Các nút khác không được bảo
vệ (hình 2.14b và d).

10

Hình 2.4. Kết quả mô phỏng lưới IEEE 13 thanh cái với DVR khi ngắn
mạch ba pha đối xứng tại thanh cái 633
Trường hợp lưới có đặt D-Statcom tại nút 632, SANH trong hệ thống sẽ
cải thiện hơn, ngay như nút sự cố (nút 633 như Hình 2.15b).

Hình 2.15. Kết quả mô phỏng lưới IEEE 13 thanh cái với D-Statcom khi
ngắn mạch ba pha đối xứng tại thanh cái 633
2.5. Mô phỏng so sánh tác dụng DVR và D-Statcom khắc phục sóng hài
Kịch bản đầu tiên, đặt một DVR trên nhánh 632-645 hoặc đặt một
D-STATCOM tại nút 632 gần nguồn như Hình 2.10. Kịch bản thứ hai đặt
D-Statcom tại nút 692 xa nguồn.

11


2.5.4. Phân tích kết quả mô phỏng
- Trường hợp xét một thiết bị DVR đặt giữa nút 645 và 632 với phụ tải lò
hồ quang vận hành trong khoảng thời gian từ 0,2s đến 0,4s kết nối tại nút
633.
Bảng 2.1. Điện áp nút và THD trước và sau khi có DVR
Nút

650
632
633
634
645
646
671

680
684
652
611
692
675

Điện áp nút ở chế độ xác lập (pu)
Chưa có
Có LHQ
Có LHQ
LHQ
và DVR
1,0
1,0
1,0
0,98
0,87
0,87
0,98
0,81
0,81
0,96
0,78
0,78
0,97
0,83
0,975
0,96
0,84

0,97
0,98
0,85
0,86
0,97
0,84
0,84
0,96
0,84
0,84
0,95
0,83
0,83
0,95
0,83
0,83
0,96
0,84
0,85
0,95
0,83
0,83

THD%
Có LHQ Có LHQ
và DVR
0
0
5,30
5,30

7,22
7,22
0,96
0,96
5,33
4,54
5,33
4,52
5,34
5,34
5,34
5,34
5,36
5,36
5,33
5,33
5,46
5,46
5,34
5,34
5,48
5,48

Theo Bảng 2.3 các điện áp phía tải sau vị trí đặt DVR là 645 và 646
điện áp tăng lên trên điện áp Vmin (Theotiêu chuẩn > 0,9pu), và giá trị
THD% giảm xuống nhỏ hơn THD tiêu chuẩn (<5%) trong khi các nút lân
cận hầu như không được cải thiện và không thể vượt qua sự kiện đóng lò
hồ quang vào hoạt động có thể dẫn đến ngưng hoạt động và gây ra các
hậu quả nghiêm trọng về kinh tế cho khách hàng.
- Trường hợp xét một thiết bị D-Statcom nối tại nút 645 với tải lò hồ quang

vận hành trong khoảng thời gian từ 0,2s đến 0,4s tiếp tục được kết nối tại
nút 633.
Theo Bảng 2.4, sau khi đặt D-Statcom, không những điện áp tại điểm
đặt D-Statcom (nút 645) điện áp cải thiện tốt, hài điện áp giảm
(THD%=4,53) mà điện áp và THD% các nút khác đều được cải thiện tốt.

12


Bảng 2.2. Điện áp nút và THD trước và sau khi có D-Statcom.
Nút
650
632
633
634
645
646
671
680
684
652
611
692
675

Điện áp nút ở chế độ xác lập (pu)
THD%
Chưa có Có LHQ Có LHQ và Có LHQ Có LHQ và
LHQ
D-Statcom

D-Statcom
1,0
1,0
1,0
0
0
0,98
0,87
0,98
5,30
4,58
0,98
0,81
0,89
7,22
6,23
0,96
0,78
0,86
0,96
0,68
0,97
0,83
0,98
5,33
4,53
0,96
0,84
0,97
5,33

4,58
0,98
0,85
0,97
5,34
4,62
0,97
0,84
0,96
5,34
4,62
0,96
0,84
0,96
5,36
4,90
0,95
0,83
0,96
5,33
4,90
0,95
0,83
0,96
5,46
4,61
0,96
0,84
0,95
5,34

4,62
0,95
0,83
0,94
5,48
4,71

2.6. Kết luận chương 2
Luận án đã tiến hành nghiên cứu, xây dựng mô phỏng
Matlab/Simulink lưới điện mẫu 13 nút của IEEE với các trường hợp lắp
đặt DVR và D-Statcom để khắc phục 2 vấn đền CLĐN là SANH gây ra
bởi ngắn mạch trong lưới phân phối và sóng hài gây ra bởi lò hồ quang
điện. Việc đánh giá nhấn mạch vào tác dụng cải thiện CLĐN tổng thể tức
là cho nhiều nút phụ tải trên toàn lưới chứ không chỉ cho riêng một nút
phụ tải nào.
Chương 3. ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN TỐI ƯU HÓA
VỊ TRÍ TỤ BÙ NHẰM GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG LƯỚI
PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN SÓNG HÀI.
3.1. Đặt vấn đề: Tối ưu vị trí tụ bù dùng GA cho lưới phân phối còn ít đề
tài quan tâm
3.2. Tổng quan nghiên cứu về bài toán tối ưu hóa nâng cao CLĐN lưới
phân phối sử dụng tụ bù công suất phản kháng.

13


Lựa chọn vị trí và dung lượng tụ bù như một phương án tối ưu kinh
tế giúp cho giải quyết các vấn đề thực tiễn trong vận hành hiện nay tại
Việt Nam có xét đến sóng hài.
3.3. Phân tích, lựa chọn phương pháp giải

Trong luận án này, dùng giải thuật GA để tối ưu vị trí tụ bù trong
lưới 16 nút. Có xét đồ thị điển hình phụ tải để tính tổn thất điện năng.
3.4. Thành lập bài toán tối ưu hóa vị trí dụng tụ bù công suất phản kháng
nhằm giảm tổn thất điện năng trên lưới phân phối ứng dụng thuật toán di
truyền (GA)
- Hàm mục tiêu:
Cực tiểu hóa hàm chi phí gồm hai thành phần: Chi phí đầu tư cho
tụ bù và chi phí cho tổn thất điện năng lưới điện [5] như sau

𝑓=𝐾 ×

(C + 𝐶 𝑄 ) + 𝐾 × ∆𝐴

(3.1)

⟹giá
𝑀𝑖𝑛
Trong đó: Kp: Hệ số quy đổi
trị hiện tại thực thành dòng chi phí
đều hàng năm;Qci: Dung lượng tụ bù (kVAr) ở nút i; (i=1n); n: Số vị trí
đặt tụ bù trong lưới điện đang xét; Cw: Suất đầu tư cho tụ bù (đ/kVAr);
C : chi phí lắp đặt; A: Tổng tổn thất điện năng trong lưới điện; Ke: Giá
tổn thất điện năng (đ/kWh);
- Điều kiện ràng buộc:
- Ràng buộc cân bằng công suất nút.
- Ràng buộc về chất lượng điện áp (độ lệch điện áp nút)
𝑈

≤𝑈 ≤𝑈

(i=1÷n)

(3.4)

Các biến của bài toán là vị trí đặt tụ bù, biến trung gian là điện áp
nút Ui.
- Kết quả đạt được
a. Trường hợp 1:Chọn công suất tụ 25kVar số lượng 2 tụ cần tìm vị trí
tối ưu. Kết quả chỉ ra vị trí tối ưu đặt tụ bù sẽ là các nút 6, 9.

14


Hình 3.5.Biên độ điện áp các nút trước bù tối ưu và sau bù bằng tụ
25kVar, 2 vị trí
b. Trường hợp 2: Chọn công suất tụ 25kVar số lượng 4 tụ cần tìm vị trí
tối ưu. Kết quả cũng chỉ ra vị trí tối ưu đặt tụ bù sẽ là các nút 4, 6, 9, 12.

Hình 3.6. Biên độ điện áp các nút trước bù tối ưu và sau bù bằng tụ
25kVar, 4 vị trí
c. Trường hợp 3: Chọn công suất tụ 50kVar số lượng 2 tụ cần tìm vị trí
tối ưu. Kết quả cũng chỉ ra vị trí tối ưu đặt tụ bù sẽ là các nút 6, 9.

Hình 3.7. Biên độ điện áp các nút trước bù tối ưu và sau bù bằng
tụ 50kVar, 2 vị trí.

15


3.5. Thành lập bài toán tối ưu hóa vị trí tụ điện nhằm giảm tổn thất điện

năng (TTĐN) và biến dạng sóng THD trên lưới phân phối ứng dụng thuật
toán di truyền (GA)
3.5.1. Mô tả hệ thống lưới nghiên cứu
Để xét nguồn dòng điện sóng hài, giả lập tải phi tuyến được đặt
đồng thời tại các nút chọn trước là nút 2, 7 và 11 với cùng một dạng phổ
sóng hài h% so với dòng điện cơ bản lần lượt cho hài bậc 3, 5, 7 là 30%,
20% và 5%. Lưới 16 nút, cho bởi:
* Hàm mục tiêu:

𝑓=𝐾 ×

(C + 𝐶 𝑄 ) + 𝐾 × ∆𝐴 (3.6)

Trong đó: Kp: Hệ số quy
giá trị hiện tại thực thành dòng chi phí
⟹đổi
𝑀𝑖𝑛
đều hàng năm; Qci: Dung lượng tụ bù (kVAr) ở nút i; (i=1n); n: Số vị trí
đặt tụ bù trong lưới điện đang xét; Cw: Suất đầu tư cho tụ bù (đ/kVAr);
C : chi phí lắp đặt; A: Tổng tổn thất điện năng trong lưới điện có xét
đến sóng hài; Ke: Giá tổn thất điện năng (đ/kWh);
* Điều kiện ràng buộc: 0,9pu ≤ U ≤ 1,1pu
* Phân tích kết quả:
- Trường hợp 1
Chọn công suất tụ 25kVar số lượng 2 tụ cần tìm vị trí tối ưu. Kết quả
cũng chỉ ra vị trí tối ưu đặt tụ bù sẽ là các nút 6, 9.

16

Hình 3.10.Biên độ điện áp và THD các nút trước bù và sau bù tối ưu
bằng 2 bộ tụ 25kVar
- Trường hợp 2: Chọn công suất tụ 25kVar số lượng 4 tụ cần tìm vị trí
tối ưu. Kết quả chỉ ra vị trí tối ưu đặt tụ bù sẽ là các nút 3, 4, 6, 9. Kết
quả trên Hình 3.10 cho thấy điện áp cũng cải thiện rỏ rệt tại các nút của
lưới phân phối đều trên 0,9pu.

Hình 3.11. Biên độ điện áp và THD các nút trước bù và sau bù tối ưu
bằng 4 bộ tụ 25kVar

17


- Trường hợp 3

Hình 3.12. Biên độ điện áp và THD các nút trước bù và sau bù tối ưu
bằng 2 bộ tụ 50kVar
Chọn công suất tụ 50kVar và số lượng là 2 tụ, cần tìm vị trí tối ưu.
Kết quả chỉ ra vị trí tối ưu đặt tụ bù sẽ là các nút 6, 9.
3.6. Kết luận Chương 3
Xây dựng mô hình bài toán tối ưu hóa vị trí đặt tụ bù công suất phản
kháng có xét đến đặc điểm sử dụng tụ bù hiện nay tại Việt Nam để giảm
tổn thất trên lưới phân phối. Đó là từ phân bổ cả gói công suất bù cho các
đơn vị điện lực, phải tối ưu hóa việc sử dụng tụ bù sao cho hợp lý nhất.
Đó là đóng góp mới mà hiện tại chưa có nghiên cứu nào tại Việt Nam
triển khai cụ thể.
Chương 4. TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ ĐẶT VÀ CÔNG SUẤT CÁC
THIẾT BỊ CPD NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
DÙNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN (GA)
4.1. Đặt vấn đề

18


Tính mới được thể hiện ở việc xây dựng mô hình bài toán, đánh giá
tác dụng của DVR và D-Statcom trong mô tả lưới điện khi sự cố ngắn
mạch và đưa tham số đặc trưng của SANH (biên độ sụt giảm điện áp ngắn
hạn) vào trong mô hình hàm mục tiêu của bài toán.
4.2. Tổng quan bài toán cải thiện CLĐN lưới phân phối sử dụng thiết bị
CPD nhằm khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn
4.3. Mô hình toán của các thiết bị CPD khắc phục sụt giảm điện áp ngắn
hạn
- Mô hình toán của thiết bị DVR

Hình 4.1. Sơ đồ thay thế lưới điện có DVR để bù điện áp
- Mô hình toán của thiết bị D-Stacom

Hình 4.2. Sơ đồ thay thế lưới điện có D-Statcom để bù điện áp
4.4. Xây dựng mô hình và giải bài toán lựa chọn vị trí và công suất thiết
bị DVR nhằm khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn
- Mô hình lưới phân phối mẫu và các chế độ lưới điện: lưới mẫu 16 nút
hình tia, phân phối. Các giả thiết:
- Đặc tính chịu áp của thiết bị: tiêu chuẩn SEMI F47-2000, giới hạn biên
độ điện áp an toàn là 0,9pu ≤ U ≤ 1,1pu

19


- Chỉ tiêu đánh giá SANH của hệ thống: Tính theo tổng độ lệch điện áp
toàn hệ thống.

- Vị trí đặt của DVR: Lúc sự cố.
* Hàm mục tiêu bài toán tối ưu
𝐹 = ΔU =

(Uđ − U ) ⟹ 𝑀𝑖𝑛

(4.12)

Trong đó,U : Điện áp các nút lưới điện. i=1n. n số nút lưới điện. n = 16;
Uđ : Điện áp định mức của lưới điện.
* Điều kiện ràng buộc:

S

≤S

.

(4.14)

- Phân tích kết quả
Luận án xem xét 3 trường hợp đặt DVR và xét ảnh hưởng của mức
độ sự cố ngắn mạch tại 3 vị trí khác nhau thông qua tổng trở vị trí sự cố.
Ứng với mỗi trường hợp, chọn vị trí đặt các DVR và xác định công suất
DVR tương ứng.
a. Xét trường hợp sự cố tại nút số 8.

Hình 4.9.Trường hợp ngắn mạch tại nút 8 và đặt DVR tương ứng
Bảng 4. 1. Kết quả tính toán chọn DVR ứng với ngắn mạch tại nút 8
Trường hợp

1
Tổng trở sự cố (pu) Zf = 0,25 + j0,16
Giá trị hàm Fmin (pu)
1,6727
Nhánh có đặt DVR
3-4
Công suất DVR (pu)
0,2310

20

2
Zf = 0,1 + j0,08
2,4549
3-4
0,3255


Theo Bảng PL 5.1 rõ ràng điện áp phía sau DVR được cải thiện rõ
nét ở vị trí được đặt. Có nghĩa là tất cả các phụ tải kết nối vào nút này (
Nút 4) đều vượt qua sự kiện SANH.
Bảng PL 5.1. Điện áp 16 nút trước và sau khi có DVR với ngắn mạch tại nút 8

Nút

Trước
sự cố

1
2

3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

1,070
1,025
0,944
0,883
0,848
0,988
0,969
0,943
0,966
0,968
0,940
0,921
0,917
0,865
0,863

0,944

Trường hợp 1
không
có DVR
DVR
1,0583
1,0583
0,9253
0,9253
0,8718
0,8718
0,8378
1,0000
0,8082
0,9732
0,6193
0,6193
0,6077
0,6077
0,4507
0,4507
0,8730
0,8730
0,8745
0,8745
0,8683
0,8683
0,8523
0,8523

0,8488
0,8488
0,8228
0,9712
0,8208
0,9709
0,8530
0,8530

Trường hợp 2
không
có DVR
DVR
1,0539
1,0539
0,8889
0,8889
0,8375
0,8375
0,8048
1,0000
0,7764
0,9732
0,4853
0,4853
0,4763
0,4763
0,2511
0,2511
0,8386

0,8386
0,8400
0,8400
0,8341
0,8341
0,8187
0,8187
0,8153
0,8153
0,7904
0,9712
0,7885
0,9709
0,8194
0,8194

b. Xét trường hợp sự cố tại nút số 10. (Có kết quả nâng điện áp tương tự)
c. Xét trường hợp sự cố tại nút số 13. (Có kết quả nâng điện áp tương tự)
4.5. Xây dựng mô hình và giải bài toán lựa chọn vị trí và công suất thiết bị
D-Statcom nhằm khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn.
Luận án xem xét 3 trường hợp đặt D-Statcom và xét ảnh hưởng của
mức độ sự cố ngắn mạch tại 3 vị trí khác nhau thông qua tổng trở vị trí sự
cố. Ứng với mỗi trường hợp, chọn vị trí đặt các D-Statcom và xác định
công suất D-Statcom tương ứng.
* Hàm mục tiêu bài toán tối ưu: Giống DVR (4.12).
* Điều kiện ràng buộc: 𝑆

≤𝑆

(4.33)

.

21


4.5.2.Phân tích kết quả
a. Trường hợp ngắn mạch tại nút 8

Hình 4.37. Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 8 và vị trí đặt DStatcom tương ứng

b. Kết quả tính toán
Bảng 4.4. Kết quả tính toán chọn D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 8
Trường hợp
Tổng trở sự cố (pu)
Vị trí đặt tối ưu
Giá trị hàm Fmin (pu)
Công suất (pu)

Trường hợp 1
Zf = 0,25+j0,16
Nút 10
0,8805
0,7868

Trường hợp 2
Zf = 0,1 + j0,08
Nút 10
1,0330
1,0027

Bảng PL 5.4 rõ ràng điện áp lưới điện được cải thiện rõ nét khi có
lắp đặt D-Statcom vào các vị trí tối ưu. Điện áp được cải thiện hầu như
trên toàn lưới điện, chỉ riêng nút 6, 7, 8 là thấp hơn 0,8pu. Theo Bảng 4.4,
cả hai trường hợp cũng cho thấy công suất của D-Statcom là khá lớn. Đây
cũng là nhược điểm của D-Statcom so với DVR.

Bảng PL 5.4. Điện áp 16 nút trước và sau khi có D-Statcom ứng với
ngắn mạch tại nút 8
Zf = 0,25 + j0,16 (pu)
Nút

Không
D-Statcom

1
2
3

1,0583
0,9253
0,8718

Có
D-Statcom
1,0643
0,9782
0,9226

Zf = 0,1 + j0,08 (pu)

Không
D-Statcom
1,0539
0,8889
0,8375

22

Có
D-Statcom
1,0615
0,9565
0,9026


4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

0,8851

0,8048
0,8657
0,8545
0,7764
0,8360
0,6688
0,4853
0,5502
0,6567
0,4763
0,5406
0,6168
0,2511
0,4004
0,9573
0,8386
0,9582
1,0000
0,8400
1,0000
0,9182
0,8341
0,8982
0,9019
0,8187
0,8825
0,8983
0,8153
0,8790
0,8696

0,7904
0,8507
0,8674
0,7885
0,8486
0,9350
0,8194
0,9359
a. Trường hợp ngắn mạch tại nút 10.
a. Trường hợp ngắn mạch tại nút 13.
Các kết quả của hai trường hợp ngắn mạch tại nút 10 và 13 có kết
quả trình bày trong luận án và có tính chất nâng áp toàn hệ thống tương
tự như trường hợp ngắn mạch tại nút 8.
0,8378
0,8082
0,6193
0,6077
0,4507
0,8730
0,8745
0,8683
0,8523
0,8488
0,8228
0,8208
0,8530

4.6. Kết luận
Chương 4 nghiên cứu và đề xuất mô hình bài toán lựa chọn tối ưu
vị trí và công suất của thiết bị CPD gồm DVR và D-Statcom nhằm khắc

phục hiện tượng SANH trong lưới phân phối. Đây là đóng góp mới của
luận án khi chưa có nhiều nghiên cứu phát triển đối với chủ đề nghiên
cứu này. Hàm mục tiêu là tối thiểu hóa tổng độ lệch điện áp vừa phù hợp
với tiêu chí mang tính hệ thống (tương tự như tiêu chuẩn tối thiểu hóa
lượng năng lượng thiếu hụt của SANH cho cả hệ thống, vừa tránh được
việc phải sử dụng hàm có xét đến chi phí CLĐN, điều rất khó định lượng.
Kết quả tính toán cũng cho thấy khi bù điện áp như sự kiện SANH,
DVR có tác dụng bù cục bộ, công suất của thiết bị DVR khá nhỏ do đặc
điểm kết nối và vận hành của thiết bị này. Trong khi đó tác dụng bù điện
áp của D-Statcom mang tính hệ thống khi nhiều nút lân cận nút được bù
sẽ được cải thiện chất lượng điện áp. Luận án cũng có thể xem xét với
trường hợp sử dụng nhiều D-Statcom. Tuy nhiên, do tính kinh tế nên chỉ
xét đặt một D-Statcom và công suất hạn chế. Đề xuất mô tả tác dụng DStatcom trong lưới điện sử dụng ma trận tổng trở nút có thể được mở rộng

23