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

i

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................... iv
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ .......................................................................... vii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết ............................................................................................................ 1
2. Đối tượng nghiên cứu của Luận án .......................................................................... 1
3. Các mục tiêu nghiên cứu của Luận án ...................................................................... 2
4. Phương pháp thực hiện ............................................................................................. 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án ............................................................. 3
6. Các đóng góp mới của Luận án ................................................................................ 4
7. Bố cục của Luận án .................................................................................................. 4
Chương 1. TỔNG QUAN CÁC BÀI TOÁN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN ...................................................................................... 6
1.1. Tổng quan về chất lượng điện năng và các giải pháp nâng cao chất lượng điện
năng trên lưới phân phối ............................................................................................... 6
1.1.1. Tóm tắt về các hiện tượng chất lượng điện năng trên lưới phân phối ............... 6
1.1.2. Sụt giảm điện áp và mất điện ngắn hạn [23, 49] ................................................ 7
1.1.3. Sóng hài [20, 30, 59, 79] .................................................................................. 13
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 .................................................................................... 17
1.2.1. Quan điểm về thực hiện giải pháp.................................................................... 17
1.2.2. Mô hình bài toán nâng cao CLĐN trên lưới phân phối sử dụng thiết bị CPD . 18
1.2.3. Tổng quan phương pháp giải ........................................................................... 22
1.3. Những vấn đề còn tồn tại ..................................................................................... 26
1.3.1. Đối với các nghiên cứu trên thế giới ................................................................ 26
1.3.2. Đối với các nghiên cứu trong nước .................................................................. 27
1.4. Lựa chọn hướng nghiên cứu của luận án ............................................................. 27
1.5. Kết luận Chương 1............................................................................................... 28
Chương 2. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG DVR VÀ D-STATCOM NHẰM NÂNG

CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN ....................................... 29
2.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 29
2.2. Tóm tắt cấu trúc, nguyên lý vận hành và ứng dụng của DVR ............................ 30
2.2.1. Cấu trúc cơ bản của DVR ................................................................................ 30
2.2.2. Ứng dụng và các chế độ vận hành của DVR ................................................... 31
2.2.3. Các thuật toán điều khiển áp dụng trong DVR ................................................ 35


ii

2.3. Tóm tắt cấu trúc, vận hành D-STATCOM và ứng dụng ..................................... 38
2.3.1. Nguyên lý vận hành của D-Statcom................................................................. 38
2.3.2. Ứng dụng.......................................................................................................... 39
2.3.3. Bộ nghịch lưu nguồn áp (Voltage Source Converter - VSC) và hệ thống điều
khiển ........................................................................................................................... 40
2.4. Mô phỏng so sánh tác dụng DVR và D-Statcom trong việc khắc phục sụt giảm
điện áp ngắn hạn ......................................................................................................... 40
2.4.1. Mô phỏng lưới phân phối mẫu 13 nút của IEEE có DVR hoặc D-Statcom .... 41
2.4.2. Mô phỏng và kết quả mô phỏng....................................................................... 44
2.5. Mô phỏng so sánh tác dụng DVR và D-Statcom hạn chế sóng hài ..................... 46
2.5.1. Đặt vấn đề bài toán........................................................................................... 46
2.5.2. Mô phỏng lò hồ quang ..................................................................................... 46
2.5.3. Mô phỏng lưới phân phối mẫu 13 nút có lò hồ quang và các kịch bản đặt DVR
hoặc D-Statcom .......................................................................................................... 47
2.5.4. Phân tích kết quả mô phỏng ............................................................................. 48
2.6. Kết luận chương 2 ............................................................................................... 54
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..
............................................................................................................................................. 56
3.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 56

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 ............................................................................... 56
3.3. Phân tích, lựa chọn phương pháp giải ................................................................. 57
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)…………58
3.4.1. Mô tả hệ thống lưới phân phối ......................................................................... 58
3.4.2. Thành lập bài toán và phương pháp giải .......................................................... 59
3.4.3. Phương pháp giải tổng quát ............................................................................. 61
3.4.4. Áp dụng thuật toán di truyền để giải bài toán tối ưu hóa vị trí tụ bù CSPK .... 61
3.4.5. Kết quả đạt được .............................................................................................. 63
3.5. Thành lập bài toán tối ưu hóa vị trí tụ điện nhằm giảm tổn thất điện năng và biến
dạng sóng THD trên lưới phân phối ứng dụng thuật toán di truyền (GA) ................. 66
3.5.1. Mô tả hệ thống lưới nghiên cứu ....................................................................... 66
3.5.2. Xây dựng mô hình bài toán và phương pháp giải ............................................ 67
3.6. Kết luận Chương 3............................................................................................... 75
Chương 4. TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ VÀ CÔNG SUẤT CÁC THIẾT BỊ CPD NHẰM NÂNG
CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG DÙNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN (GA) .............. 76


iii

4.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 76
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 ......................................................................... 76
4.2.1. Vấn đề nghiên cứu và những tồn tại ................................................................ 76
4.2.2. Hướng giải quyết của luận án .......................................................................... 78
4.3. Mô hình toán của các thiết bị CPD khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn.......... 78
4.3.1. Mô hình toán của thiết bị DVR ........................................................................ 79
4.3.2. Mô hình toán của thiết bị D-Stacom ................................................................ 79
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 ......................................................................... 81
4.4.1. Xây dựng mô hình bài toán .............................................................................. 81
4.4.2. Phân tích kết quả .............................................................................................. 89
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 ............................................................... 93
4.5.1. Xây dựng bài toán ............................................................................................ 94
4.5.2. Phân tích kết quả .............................................................................................. 98
4.6. Kết luận ............................................................................................................. 102
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 104
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ...................................... 112
PHỤ LỤC 1 ....................................................................................................................... 113
PHỤ LỤC 2 ....................................................................................................................... 114
PHỤ LỤC 3 ....................................................................................................................... 115
PHỤ LỤC 4 ....................................................................................................................... 116
I.

Khái niệm và thuật toán .................................................................................. 116

II.

Các thành phần cơ bản của GA ....................................................................... 117

PHỤ LỤC 5 ....................................................................................................................... 123
PHỤ LỤC 6 ....................................................................................................................... 126


iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
AF

Active power filter

ANN

Artificial Neural Network

BĐN

Biến thiên điện áp ngắn hạn

CBEMA

Computer Business Equipment Manufacturers
Association

CPD

Custom power devices

CLĐN

Chất lượng điện năng

CSPK

Công suất phản kháng

CSI

Current Source Inverter

DVR

Dynamic voltage restorer

D-Statcom

Distribution Static Compensator

DP

Dynamic Programming

EN

European Standard

IEEE

Viện kỹ thuật điện và điện tử (Institute of Electrical
and Electronics Engineers)

IEC

International Electrotechnical Commission

ITIC

Information Technology Industry Council

IPFC

interline power flow controller

GA

Genetic Algorithm

GSA

Gravitational Search Algorithm

HTĐ

Hệ thống điện

HO

Hybrid Optimization

FACTS

Flexible Alternating Current Transmission Systems

MBA

Máy biến áp

NGA

Niching type of GA

NPV

Net Present Value

THD

Total Harmonic Distortion

SANH

Sụt giảm điện áp ngắn hạn

SA

Simulated Annealing

STATCOM

Static synchronous compensator

SSSC

Static synchronous series compensator


v

SVC

Static Var Compensator

UPFC

Unified power flow controller

UPQC

Unified power quality conditioner

VSI

Voltage Source Inverters

UPS

Uninterruptible Power Supply

U1

Điện áp cơ bản

Uk

Điện áp sóng hài bậc k

Uhd

Điện áp hiệu dụng

PCC

Point of Common Connection

PSO

Particle swarm optimization

QRA

Quality, reliability, and availability

pu

Per unit system – Hệ đơn vị tương đối

ĐTPT

Đồ thị phụ tải

TTĐN

Tổn thất điện năng

TTCS

Tổn thất công suất

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1

Nhóm, đặc tính của các hiện tượng chất lượng điện năng trong hệ
thống điện theo IEEE 1159-1995…………………………………………

6

Bảng 1.2

Tiêu chuẩn EN50610: Giới hạn Uh tại điểm cấp điện…………………

15

Bảng 1.3

Yêu cầu về biến dạng sóng điện áp………………………………….……

15

Bảng 1.4

Bậc và biên độ sóng hài sinh ra bởi ghép các converter 6 xung……..

16

Bảng 2.1

Thông số chính cấu hình DVR và D-Statcom……………………………

42

Bảng 2.2

Thông số lò hồ quang điện (Nguồn [14])…………………………………

48

Bảng 2.3

Điện áp nút và THD trước và sau khi có DVR, kịch bản thứ nhất……

50

Bảng 2.4

Điện áp nút và THD trước và sau khi có D-Statcom, kịch bản thứ nhất 51

Bảng 2.5

Điện áp nút trước và sau khi có DVR hoặc D-Statcom, kịch bản thứ
hai…………………………………………………………………………….

53

Bảng 3.1

Công suất phụ tải sử dụng trong tính toán………………………………

72

Bảng 4.1

Kết quả tính toán chọn DVR ứng với ngắn mạch tại nút 8…………….

89

Bảng 4.2

Điện áp 16 nút trước và sau khi có DVR ứng với ngắn mạch tại nút 10 91

Bảng 4.3

Kết quả tính toán chọn DVR ứng với ngắn mạch tại nút 13………….

92

Bảng 4.4

Kết quả tính toán chọn D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 8……..

98

Bảng 4.5

Kết quả tính toán chọn D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 10…….. 100

Bảng 4.6

Kết quả tính toán chọn D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 13…….. 101


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 0.1 Cấu trúc của luận án…………………………………………………………………..

5

Hình 1.1 Phân loại các hiện tượng chất lượng điện áp (IEEE 1159-1995)……………….

7

Hình 1.2 Minh họa nguyên nhân gây SANH trên lưới do ngắn mạch……………………...

8

Hình 1.3 Sụt giảm điện áp ngắn hạn dạng chữ nhật………………………………………….

8

Hình 1.4 Sụt giảm điện áp ngắn hạn do khởi động động cơ…………………………………

9

Hình 1.5 Các đặc tính chịu điện áp CBEMA và ITIC………………………………………... 10
Hình 1.6 So sánh các đặc tính CBEMA, ITIC, SARFI 90 và SEMI F47-0200……………. 10

Hình 1.7 Nguồn dự phòng UPS nối phụ tải nhạy cảm……………………………………….

11

Hình 1.8 Khắc phục lõm điện áp dùng MBA cộng hưởng sắt từ……………………………

11

Hình 1.9 Bảo vệ phụ tải nhạy cảm dùng DVR và Statcom…………………………………..

12

Hình 1.10 Dạng đặc tính U-I phi tuyến và biến dạng sóng điện áp tại đầu cực của lò hồ
quang điện………………………………………………………………………………

13

Hình 1.11 Số lượng bài báo có chỉ số (indexed) trong lĩnh vực tối ưu thiết bị CPD………

23

Hình 2.1 Mô hình nối lưới của DVR……………………………………………………………

30

Hình 2.2 DVR ứng dụng để bảo vệ tải nhạy cảm……………………………………………..

32

Hình 2.3 DVR ứng dụng để ngăn chặn phát sinh các hiện tượng CLĐN………………….

32

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động chế độ dừng của thiết bị DVR……………………….. 33
Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động chế độ chờ của thiết bị DVR…………………………

33

Hình 2.6 Sơ đồ vector phương pháp bù đồng pha……………………………………………. 34
Hình 2.7 Sơ đồ khối giản thiểu của thuật toán vòng khóa pha (Phase Locked LoopPLL)……………………………………………………………………………………..

38

Hình 2.8 Cấu trúc và chức năng của D-Statcom……………………………………………... 39
Hình 2.9 Lưới phân phối mô phỏng có DVR hoặc D-Statcom………………………………

41

Hình 2.10 Mô phỏng Simulink lưới phân phối mẫu 13 nút của IEEE có DVR và DStatcom………………………………………………………………………………….

42

Hình 2.11 Mô phỏng Simulink sơ đồ điều khiển và kết nối DVR…………………………….. 43
Hình 2.12 Mô phỏng Simulink sơ đồ điều khiển và kết nối D-Statcom……………………… 43
Hình 2.13 Kết quả mô phỏng lưới IEEE 13 thanh cái với DVR khi ngắn mạch ba pha đối
xứng tại thanh cái 633………………………………………………………………… 44
Hình 2.14 Kết quả mô phỏng lưới IEEE 13 thanh cái với D-Statcom khi ngắn mạch ba
pha đối xứng tại thanh cái 633………………………………………………………. 45
Hình 2.15 Mô phỏng Matlab/Simulink pha A của lò hồ quang điện [14]…………………..

47

Hình 2.16 Mô phỏng lưới điện mẫu 13 nút có lò hồ quang điện……………………………..

48

Hình 2.17 Điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và chưa có thiết bị DVR……

49


viii
Hình 2.18 Phổ sóng hài điện áp tại nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và chưa đặt
DVR……………………………………………………………………………………… 49
Hình 2.19 Điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và DVR đặt trên nhánh 645632……………………………………………………………………………………….

49

Hình 2.20 Phổ sóng hài điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và DVR đặt trên
nhánh 645-632…………………………………………………………………………. 50
Hình 2.21 Điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và D-Statcom đặt tại nút 645 50
Hình 2.22 Phổ sóng hài điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và D-Statcom
đặt tại nút 645………………………………………………………………………….. 51
Hình 2.23 Phổ sóng hài điện áp nút 692 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và chưa đặt
DVR……………………………………………………………………………………… 52
Hình 2.24 Phổ sóng hài điện áp nút 692 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và DVR đặt trên nhánh

52

671-692

Hình 2.25 Phổ sóng hài điện áp nút 692 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và D-Statcom
đặt tại nút 692………………………………………………………………………….

52

Hình 2.26 Phân tích FFT biến dạng điện áp trong 3 chu kỳ đầu tiên tại nút 633 khi lò hồ
quang nối vào nút 633 trong chu kỳ đầu nối LHQ………………………………...

54

Hình 3.1 Sơ đồ lưới phân phối 16 nút lưới phân phối mẫu)………………… ……………… 58
Hình 3.2 Đồ thị phụ tải điển hình……………………………………………………………….

60

Hình 3.3 Các bước nguyên tắc thực hiện thuật toán GA…………………………………….

62

Hình 3.4 Sơ đồ khối các bước tính toán lựa chọn vị trí tụ bù nhằm giảm tốn thất sử
dụng thuật toán GA……………………………………………………………………

63

Hình 3.5 Biên độ điện áp các nút trước bù tối ưu và sau bù bằng tụ 25kVar, 2 vị trí…… 64
Hình 3.6 Biên độ điện áp các nút trước bù tối ưu và sau bù bằng tụ 25kVar, 4 vị trí…… 65
Hình 3.7 Biên độ điện áp các nút trước bù tối ưu và sau bù bằng tụ 50kVar, 2 vị trí…… 65
Hình 3.8 Sơ đồ lưới phân phối 16 nút lưới phân phối mẫu có sóng hài…………………...

67

Hình 3.9 Sơ đồ khối các bước tính toán lựa chọn vị trí tụ bù nhằm giảm tốn thất và THD
sử dụng thuật toán GA………………………………………………………………… 71
Hình 3.10 Biên độ điện áp và THD các nút trước bù và sau bù tối ưu bằng 2 bộ tụ
25kVar…………………………………………………………………………………..

73

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

74

Hình 3.12 Biên độ điện áp và THD các nút trước bù và sau bù tối ưu bằng 2 bộ tụ
50kVar…………………………………………………………………………………..

74

Hình 4.1 Sơ đồ thay thế lưới điện có DVR để bù điện áp……………………………………

79

Hình 4.2 Sơ đồ thay thế lưới điện có D-Statcom để bù điện áp…………………………….. 80
Hình 4.3 Các sơ đồ xếp chồng để tính dòng D-Statcom bù SANH…………………………. 80


ix
Hình 4.4 Điện áp các nút lưới điện mẫu khi ngắn mạch tại nút 8………………………….. 83
Hình 4.5 Mô hình DVR dạng nguồn dòng Norton tương đương……………………………

84

Hình 4.6 Mô hình DVR trong tính toán chế độ xác lập……………………………………… 84
Hình 4.7 Lưới điện mô tả theo tổng trở nút và xét một DVR nối vào nhánh j-k………….. 86
Hình 4.8 Sơ đồ khối các bước tính toán lựa chọn vị trí đặt DVR để cải thiện SANH do
ngắn mạch trên lưới phân phối………………………………………………………

88

Hình 4.9 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 8 và vị trí đặt DVR tương ứng……

89

Hình 4.10 Điện áp trước và sau khi lắp DVR ứng với ngắn mạch tại nút 8………………..

90

Hình 4.11 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 10 và vị trí đặt DVR tương ứng….

90

Hình 4.12 Điện áp trước và sau khi lắp DVR ứng với ngắn mạch tại nút 10………………

91

Hình 4.13 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 13 và vị trí đặt DVR tương ứng….. 92
Hình 4.14 Điện áp trước và sau khi lắp DVR ứng với ngắn mạch tại nút 13………………

93

Hình 4.15 Lưới điện mô tả theo tổng trở nút và xét một D-Statcom nối vào nút k………..

94

Hình 4.16 Sơ đồ khối các bước tính toán lựa chọn vị trí đặt D-Statcom để cải thiện
SANH do ngắn mạch trên lưới phân phối………………………………………….

97

Hình 4.17 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 8 và vị trí đặt D-Statcom tương
ứng……………………………………………………………………………………….

98

Hình 4.18 Điện áp trước và sau khi lắp D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 8…………

99

Hình 4.19 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 10 và vị trí đặt D-Statcom tương
ứng……………………………………………………………………………………….

99

Hình 4.20 Điện áp trước và sau khi lắp D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 10……….. 100
Hình 4.21 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 13 và vị trí đặt D-Statcom tương
ứng………………………………………………………………………………………. 101
Hình 4.22 Điện áp trước và sau khi lắp D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 13……….. 102

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết
Vấn đề chất lượng điện năng (CLĐN) là những thay đổi về điện áp, dòng điện, tần số
dẫn đến làm hư hỏng các thiết bị tiêu thụ điện. Việc sử dụng ngày càng nhiều các thiết bị
điện tử khiến cho các thiết bị tiêu thụ điện ngày càng nhạy cảm hơn với CLĐN. Việc hình
thành thị trường điện, đặc biệt là thị trường có sự tham gia của các công ty quản lý lưới phân
phối điện cũng như áp lực phải tạo ra môi trường cơ sở hạ tầng đầu tư hấp dẫn tại Việt Nam
trong những năm gần đây khiến sự quan tâm của cả khách hàng dùng điện lẫn bên quản lý
lưới điện và bên sản xuất thiết bị điện đối với CLĐN trở nên đặc biệt. Có thể nói, tại Việt
Nam, trong các khu vực lưới điện thì lưới phân phối điện, đặc biệt là lưới phân phối điện
công nghiệp, than phiền của khách hàng cũng như những tranh chấp về pháp lý liên quan
đến các vấn đề chuyên môn về CLĐN xảy ra nhiều nhất. Trong các hiện tượng CLĐN thì
biến dạng gây sóng hài và biến thiên điện áp ngắn hạn như sụt giảm điện áp ngắn hạn
(SANH) là những hiện tượng gây nhiều vấn đề nhất đối với phụ tải nhạy cảm được ghi nhận
tại Việt Nam. Đã có một số nghiên cứu trong nước về đánh giá CLĐN và các giải pháp. Tuy
vậy, vấn đề là có nhiều hiện tượng CLĐN và tác dụng đối với phụ tải cũng rất đa dạng.
Nghiên cứu khắc phục tác động của sóng hài và đặc biệt là nghiên cứu khắc phục SANH tại
Việt Nam mới có một số ít và chủ yếu là bảo vệ cho phía các phụ tải, do các khách hàng thực
hiện.
Với việc phát triển của công nghệ vật liệu bán dẫn, các thiết bị điện tử công suất với
công suất lớn đã và đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong vận hành hệ thống điện.
Thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) đã được sử dụng trong khu vực lưới
truyền tải với nhiều mục đích như nâng cao khả năng tải của đường dây, cải thiện giới hạn
ổn định, tối ưu hóa chế độ vận hành của lưới truyền tải. Việc ứng dụng thiết bị FACTS trong
lưới phân phối, còn gọi là D-FACTS trong đó gồm lớp các thiết bị điều hòa công suất
(Custom Power Device – CPD) như các thiết bị phục hồi điện áp động (Dynamic voltage
restorer - DVR), thiết bị bù tĩnh (Distribution Static Compensator - D-Statcom) đang dần
được triển khai nhiều nơi trên thế giới. Các thiết bị CPD, ngoài việc đảm bảo chất lượng vận

hành dài hạn, còn khắc phục tốt nhiều hiện tượng CLĐN nhờ khả năng đáp ứng nhanh của
các thiết bị nghịch lưu nguồn áp [6, 10, 11, 33]. Tuy nhiên ở Việt Nam chưa có những nghiên
cứu về ứng dụng của thiết bị CPD nhằm nâng cao 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 CDP. 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 cung cấp điện,
hay còn có thể gọi là 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
CPD và tụ bù công suất phản kháng. Hiện tượng CLĐN được xem xét là SANH do ngắn
mạch và biến dạng gây sóng hài do lò hồ quang điện sinh ra trong lưới phân phối, có xét một


2

số đặc thù của lưới phân phối điện của Việt Nam. Bên cạnh đó các chỉ tiêu chất lượng vận
hành như độ lệch điện áp lưới điện trong vận hành, tổn thất điện năng trong vận hành cũng
được xem xét khi xây dựng mô hình bài toán tối ưu ứng dụng các giải pháp. Trong các nghiên
cứu của luận án, lưới phân phối mẫu 13 nút của IEEE, lưới phân phối mẫu 16 nút được xây
dựng từ lưới mẫu 13 nút trên đây có xét những đặc điểm riêng của lưới phân phối điện Việt
Nam được sử dụng làm đối tượng minh họa cho hiệu quả của các giải pháp nâng cao CLĐN
được nghiên cứu của luận án. Công cụ giải các bài toán tối ưu nói chung, thuật toán di truyền
(Genetic Algorithm - GA) nói riêng cũng là đối tượng nghiên cứu của luận án. Các từ khóa
chính của luận án bao gồm: CLĐN, SANH, sóng hài, độ lệch điện áp, tổn thất điện năng,
lưới phân phối điện, thiết bị CPD, thiết bị DVR, thiết bị D-Statcom.

3. Các mục tiêu nghiên cứu của Luận án

Luận án nghiên cứu đánh giá một số vấn đề về 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 nhằm khắc phục hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn
hạn trên lưới phân phối.
b) Nghiên cứu lựa chọn vị trí tụ bù công suất phản kháng nhằm giảm tổn thất điện năng
và nâng cao CLĐN trong lưới phân phối gồm cải thiện độ lệch điện áp và cải thiện
tổng mức biến dạng sóng hài, có xét một số đặc trưng lưới phân phối điện công nghiệp
của Việt Nam.
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 điển hình
trong lưới phân phối điện công nghiệp của Việt Nam như lò hồ quang điện.
Trong ba mục tiêu trên đây, mục tiêu (a) là mục tiêu chính của luận án. Để có cơ sở
phân tích và đề xuất mô hình và giải bài toán (a): mục tiêu (b) và mục tiêu (c) được thực
hiện, trong đó mục tiêu (c) cho cơ sở minh họa tác dụng của các thiết bị DVR và D-Statcom
giúp đề xuất phương án ứng dụng của các thiết bị này. Mục tiêu (b) vừa có tính minh họa
việc xây dựng mô hình bài toán tối ưu và công cụ giải cho mục tiêu (a), vừa xem như một
nghiên cứu ứng dụng khi xây dựng mô hình định lượng đánh giá tác dụng của sóng hài trong
lưới điện công nghiệp có lò hồ quang điện tại Việt Nam.
Các giải pháp trên đây được phân tích và đề xuất dựa trên quan điểm nâng cao CLĐN
của hệ thống, chứ không chỉ CLĐN cho riêng một nút phụ tải riêng biệt và được thực hiện
bởi bên quản lý lưới phân phối điện, mà ở Việt Nam là các công ty điện lực. Việc phân tích
và đánh giá CLĐN được lồng trong mô hình bài toán tối ưu như là bước đầu tiên của quá
trình tối ưu hóa việc thực hiện giải pháp. Việc khắc phục SANH được thực hiện dựa trên
tính toán đánh giá SANH trong lưới phân phối do ngắn mạch. Việc khắc phục sóng hài dựa
trên việc mô phỏng, tính toán và đánh giá tình hình sóng hài trên lưới phân phối điện.

4. Phương pháp thực hiện
Trên cơ sở 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, hướng nghiên

cứu của luận án sẽ được đề xuất. Bài toán tối ưu hóa đối với các giải pháp nâng cao CLĐN


3

nhìn chung có dạng tối ưu hóa phi tuyến và có một số hướng giải quyết bài toán. Luận án
ứng dụng thuật toán di truyền để giải các bài toán này. Đây là thuật toán có tính ứng dụng
đa năng [21, 38, 47, 64, 73], có thể giải được nhiều dạng bài toán tối ưu và có công cụ ứng
dụng thuận lợi cho việc lập trình trên Matlab. Bên cạnh đó, việc giải bài toán tính toán chế
độ xác lập và ngắn mạch của lưới phân phối và xác định các chỉ tiêu CLĐN cũng được thực
hiện trên Matlab.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án
Với những vấn đề đặt ra và mục tiêu đề xuất thực hiện trên đây của luận án, những
điểm sau đây được xem là những ý nghĩa khoa học và thực tiễn chính:
- Về ý nghĩa khoa học: Do chưa có nghiên cứu nào ở Việt Nam về 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. Cái khó khiến ít nghiên cứu tiến
sâu trong lĩnh vực này do thiết bị CPD là đáp ứng động, nên thường chỉ xem xét mô hình
dưới dạng các mô phỏng động. Đối với bài toán trong đó CPD là giải pháp CLĐN thì nghiên
cứu thường chỉ xét cho việc bảo vệ một phụ tải nhất định. Do đó, một hạn chế lớn của những
nghiên cứu trước đây là không xem xét những tác động mang tính hệ thống của các thiết bị
CPD. Nghiên cứu này sẽ cố gắng xây dựng mô hình toán mô tả tác dụng của thiết bị CPD
trong mô hình chung của lưới điện theo hiện tượng CLĐN tương ứng (chẳng hạn như SANH
do ngắn mạch) để từ đó xây dựng mô hình bài toán tối ưu tính toán lựa chọn vị trí và công
suất của thiết bị CPD. Bên cạnh ý nghĩa chính trên đây đối với tác dụng của thiết bị CPD,
việc nghiên cứu hạn chế sóng hài trên lưới phân phối dưới dạng mô hình bài toán tối ưu cũng
chưa được xem xét tại Việt Nam và nghiên cứu này cũng được xem như một trong những
nghiên cứu ban đầu về hạn chế tác dụng sóng hài mang tính hệ thống. Việc lựa chọn công
cụ tìm kiếm thông minh là thuật toán di truyền để giải bài toán này cũng có giá trị tham khảo

nhất định cho việc ứng dụng của công cụ này đối với các bài toán tối ưu phi tuyến khó giải
bằng các phương pháp giải tích (analytic) thông thường như các mô hình bài toán ứng dụng
giải pháp cải thiện CLĐN mang tính hệ thống.
- Về ý nghĩa thực tiễn: Vấn đề CLĐN hiện nay đang rất được quan tâm và giải pháp từ
phía hệ thống đối với các khu vực lưới phân phối tại Việt Nam hầu như chưa có. Hiện tại
các đơn vị quản lý lưới phân phối mới chủ yếu cố gắng ứng dụng tụ bù đến giảm tổn thất
trên lưới điện ở tần số 50Hz, và việc ứng dụng này thuần túy mang tính kinh nghiệm hoặc
ứng dụng cho các lưới điện đơn giản. 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. Còn nhìn vào tương lai xa
hơn, việc ứng dụng thiết bị CPD để nâng cao chất lượng vận hành của lưới phân phối nói
chung, nâng cao CLĐN nói riêng sẽ được thúc đẩy. Ngoài ra, tuy mục tiêu (c) chỉ mang tính
hỗ trợ cho mục tiêu nghiên cứu (a), nhưng về ý nghĩa thực tiễn thì rất cao do luận án đã xây
dựng mô hình mô phỏng động lưới phân phối có lò hồ quang điện, mô tả tốt cho thực trạng
CLĐN của lưới phân phối điện tại một số khu công nghiệp có lò hồ quang và đề xuất các
giải pháp khắc phục như sử dụng các thiết bị CPD.


4

6. Các đóng góp mới của Luận án
- Xây dựng mô hình mô phỏng động nhằm so sánh và đánh giá tác dụng của các thiết
bị DVR và D-Statcom với các vấn đề CLĐN gồm SANH do ngắn mạch và sóng hài trong
lưới phân phối có xét những đặc điểm đặc thù của Việt Nam như lưới điện 3 pha, phụ tải 3
pha đối xứng, đặc điểm phụ tải công nghiệp sản xuất thép (phụ tải lò hồ quang điện).
- Xây dựng mô hình và giải bài toán tối ưu ứng dụng tụ bù trong lưới phân phối nhằm
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.
Toàn bộ các tính toán trên cũng như sử dụng công cụ giải là thuật toán di truyền được thực
hiện trên Matlab.
- 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.

7. Bố cục 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 như sau:
- Mở đầu: Trình bày các vấn đề chung của luận án: Tính cấp thiết của đề tài; mục tiêu,
đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu; các đóng góp của luận án.
- Chương 1: Tổng quan các bài toán về nâng cao CLĐN trong lưới phân phối điện.
Nghiên cứu tổng quan về CLĐN của lưới phân phối: Các hiện tượng, nguyên nhân, hậu quả
và các chỉ tiêu đánh giá cũng như các giải pháp khắc phục. Đánh giá hiệu quả sử dụng DVR
và D-Statcom trong nâng cao CLĐN của lưới phân phối. Nghiên cứu tổng quan các mô hình
và phương pháp giải bài toán tối ưu hóa khi ứng dụng các giải pháp sử dụng tụ bù và thiết
bị CPD nhằm nâng cao CLĐN với quan điểm lợi ích từ phía bên cấp điện. Từ đó định hướng
nghiên cứu của luận án.
- Chương 2: Đánh giá hiệu quả sử dụng DVR và D-Statcom trong nâng cao CLĐN của
lưới phân phối. Xây dựng mô hình và mô phỏng các thiết bị DVR, D-Statacom trong
Matlab/Simulink nhằm so sánh và đánh giá hiệu quả khắc phục SANH trên lưới phân phối
với nguyên nhân do ngắn mạch gây ra cũng như sóng hài do lò hồ quang điện sinh ra trong
lưới phân phối sử dụng lưới phân phối mẫu 13 nút.
- Chương 3: Ứng dụng thuật toán di truyền lựa chọn vị trí đặt của tụ bù nhằm giải tổn
thất và khắc phục sóng hài trong lưới phân phối có xét điều kiện Việt Nam. Chương này xây
dựng mô hình bài toán tối ưu hóa vị trí tụ bù có xét các trường hợp ứng dụng bao gồm thứ

nhất là bài toán giảm tổn thất và cải thiện độ lệch điện áp lưới điện; thứ hai là bài toán giảm
tổn thất và cải thiện độ lệch điện áp lưới điện và tổng mức biến dạng sóng hài trong lưới
phân phối có sóng hài. Mô hình bài toán và phương pháp giải của bài toán trong Chương 3
được dùng làm một trong những cơ sở để xây dựng và giải bài toán tối ưu ở Chương 4.


5

- Chương 4: Ứng dụng thuật toán di truyền lựa chọn vị trí và công suất của các thiết bị
DVR và D-STATCOM nhằm khắc phục SANH của lưới phân phối. Trong Chương này, luận
án đề xuất ứng dụng các mô hình mô tả DVR và D-Statcom khi tính toán ngắn mạch để tính
toán hàm mục tiêu và các ràng buộc của bài toán tối ưu. Các tham số ảnh hưởng đến kết quả
tính toán cũng được phân tích.
- Kết luận và kiến nghị
- Tài liệu tham khảo và phụ lục.
Trình tự bố cục của luận án có thể được minh họa qua Hình 0.1 sau:

Chương 1

Tổng quan
các bài toán
nâng cao
CLĐN
trong lưới
phân phối
điện

Chương 2
Hiệu quả sử
dụng thiết bị

CPD (phần tử
tích cực) nâng
cao CLĐN

Chương 3
Hiệu quả sử
dụng tụ bù
(phần tử thụ
động) nâng cao
CLĐN

Hình 0 1. Cấu trúc của luận án

Chương 4

Sử dụng
thiết bị CPD
khắc phục
SANH trong
lưới phân phối
điện


Luận án đủ ở file: Luận án full