Vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

ĐINH VĂN TRUNG

VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ XÉT NGUỒN
ĐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ THIẾT BỊ BÙ
STATCOM

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

ĐINH VĂN TRUNG

VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN CÓ XÉT NGUỒN
ĐIỆN NĂNG LƯỢNG GIÓ VÀ THIẾT BỊ BÙ
STATCOM

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

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN XUÂN HOÀNG VIỆT
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM
ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT
1
2
3
4
5

Họ và tên

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp. HCM, ngày......tháng........năm 20...

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Đinh Văn Trung

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV:

I- Tên đề tài:
Vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù
STATCOM

II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Nghiên cứu tổng quan vận hành hệ thống điện.
- Nghiên cứu nguồn điện năng lượng gió.
- Nghiên cứu thiết bị bù STATCOM.
- Nghiên cứu vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị
bù STATCOM.
- Mô phỏng vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù
STATCOM.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt
CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


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

Đinh Văn Trung


LỜI CÁM ƠN

Đầu tiên, em xin chân thành cám ơn các Thầy Cô của Trường Đại học Công
nghệ Tp. HCM, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Khoa học Kỹ thuật HUTECH đã
hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa học và đề tài luận văn.
Đặc biệt, em xin chân thành cám ơn Thầy TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt đã
tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báo cho việc hoàn thành
Luận văn này.
Cuối cùng, em xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ11, đồng nghiệp và gia đình đã
giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thực hiện Luận văn của em.

Đinh Văn Trung


Tóm tắt
Hiện nay, năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên tái tạo có trữ
lượng khá lớn ở nước ta. Việc khai thác năng lượng này trong thời gian tới
chắc chắn sẽ được đẩy mạnh nhờ vào các ưu thế vượt trội của nguồn năng
lượng tái tạo này. Ở những vùng có lưới điện quốc gia, điện gió sẽ được hòa
vào lưới điện quốc gia. Đây là một tất yếu và xu hướng phát triển của hệ thống
điện thế giới nói chung và hệ thống điện Việt Nam nói riêng.
Khi ấy, công tác vận hành và đảm bảo ổn định hệ thống điện càng trở
nên khó khăn và phức tạp hơn. Thách thức lớn nhất về mặt kỹ thuật là đặc điểm
bất định của nguồn phát điện gió.
Trong số các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu suất và ổn định của
hệ thống điện nói chung và hệ thống điện có sự tham gia của nguồn điện gió
được khảo sát trong luận văn này nói riêng là việc sử dụng các hệ thống thiết bị
truyền tải linh hoạt (FACTS, Flexible AC Transmission System), trong đó có
bộ bù đồng bộ tĩnh, STATCOM (Static Synchronous Compensator) là hướng
giải pháp có tính hiệu quả cao.
Từ các phân tích trên, đề tài luận văn “Vận hành hệ thống điện có xét
nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM’’ là thật sự cần thiết

và có ý nghĩa, đặc biệt trong giai đoạn phát triển của phụ tải như hiện nay tại
Việt Nam. Luận văn bao gồm các nội dung như sau:
+ Chương 1: Giới thiệu
+ Chương 2: Tổng quan bài toán vận hành hệ thống điện có xét nguồn
điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM
+ Chương 3: Cơ sở lý thuyết vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện
năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM
+ Chương 4: Mô phỏng vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng
lượng gió và thiết bị bù STATCOM
+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai


Abstract
Currently, wind energy is a renewable natural energy source with large
reserves. The exploitation of this energy will certainly be boosted by its
superior advantages in the future. In areas with the national grid, the wind
power will be connected to the national grid. This is a development trend of the
world power system in general and Vietnam’s power system in particular.
At the same time, the operation and maintenance of the power system is
becoming more difficult and complex. The biggest technical challenge is the
uncertainty of the wind generator.
Among the technical solutions for improving the efficiency and stability
of the power system in general and power system including wind energy
sources in particular studied in this thesis are the use of Flexible AC
Transmission System (FACTS), including Static Synchronous Compensator
(STATCOM), is a highly efficient solution.
From the above analysis, the topic, "Power system operation considering
wind power system and STATCOM" is really necessary and meaningful,
especially during the development phase of the load as in Vietnam today. The
thesis consists of the following contents:

+ Chapter 1: Introduction
+ Chapter 2: Literature review
+ Chapter 3: Power system operation considering wind power system
and STATCOM
+ Chapter 4: Simulation result
+ Chapter 5: Conclusion and future work


i

MỤC LỤC
Mục lục....................................................................................................... i
Danh sách hình vẽ ......................................................................................iv
Danh sách bảng ..........................................................................................x

Chương 1 - Giới thiệu ..............................................................................1
1.1. Giới thiệu ............................................................................................1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................2
1.3. Đối tượng nghiên cứu ..........................................................................2
1.4. Phạm vi nghiên cứu .............................................................................2
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ........................................................3
1.6. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................3
1.7. Bố cục của luận văn ............................................................................3
Chương 2 - Tổng quan bài toán vận hành hệ thống điện có xét nguồn
điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM ......................................5
2.1. Giới thiệu ............................................................................................5
2.2. Các nghiên cứu trong nước ..................................................................5
2.3. Các nghiên cứu nước ngoài ............................................................... 10
2.4. Kết luận ............................................................................................ 18
Chương 3 - Cơ sở lý thuyết vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện

năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM ............................................ 19
3.1. Giới thiệu .......................................................................................... 19
3.2. Hệ thống điện .................................................................................... 19
3.2.1. Giới thiệu hệ thống điện ................................................................. 19
3.2.2. Vận hành hệ thống điện truyền tải .................................................. 20
3.3. Nguồn điện năng lượng gió ............................................................... 23
3.3.1. Năng lượng gió .............................................................................. 23


ii

3.3.2. Sự phân bố vận tốc gió ................................................................... 24
3.3.3. Sự chuyển đổi năng lượng gió và hiệu suất rotor ............................ 25
3.3.4. Đường cong công suất tuabin gió ................................................... 29
3.3.5. Các mô hình sản xuât điện từ năng lượng gió ................................. 30
3.3.6. Tuabin gió ...................................................................................... 34
3.3.7. Máy phát điện ................................................................................ 39
3.3.8. Bộ chỉnh lưu và nghịch lưu ............................................................ 40
3.3.9. Điều chỉnh tốc độ tuabin gió ........................................................... 42
3.3.10. Mô hình toán máy phát điện gió không đồng bộ ........................... 44
3.4. Hệ thống thiết bị truyền tải xoay chiều linh hoạt ............................... 49
3.4.1. Giới thiệu ....................................................................................... 49
3.4.2. Phân loại các thiết bị FACTS ......................................................... 52
3.4.3. Vận hành và bảo dưỡng thiết bị FACTS ......................................... 62
3.4.4. Chi phí đầu tư và lợi ích của thiết bị FACTS .................................. 63
3.4.5. Sự phát triển tương lai của thiết bị FACTS ..................................... 69
3.5. Thiết bị bù STATCOM ..................................................................... 69
3.5.1. Giới thiệu thiết bị bù STATCOM ................................................... 69
3.5.2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động cơ bản của thiết bị bù STATCOM
................................................................................................................. 71

Chương 4 - Mô phỏng vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện
năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM ............................................ 77
4.1. Giới thiệu ........................................................................................... 77
4.2. Mô phỏng vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió
và thiết bị bù STATCOM ......................................................................... 77
4.2.1. Mô hình hóa và thông số của các phần tử trong mô phỏng vận hành
hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM
................................................................................................................. 77
4.2.2. Kết quả mô phỏng .......................................................................... 91


iii

Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ........................... 117
5.1. Kết luận .......................................................................................... 117
5.2. Hướng phát triển tương lai .............................................................. 117

Tài liệu tham khảo ............................................................................... 118


iv

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1. Sơ đồ khối điều khiển hệ tuabin gió máy phát điện không
đồng bộ nguồn kép được sử dụng trong nghiên cứu của M. Darabian
và A. Jalilvand ......................................................................................... 10
Hình 2.2. Cấu trúc của bộ điều khiển tiên đoán mô hình .......................... 11
Hình 2.3. Sơ đồ khối của chiến lược điều khiển tiên đoán ........................ 11
Hình 2.4. Sơ đồ khảo sát đơn tuyến, 9 nút và 3 nguồn phát ...................... 12
Hình 2.5. Sơ đồ khối của hệ thống điện khảo sát trong nghiên cứu

của R. M. M. Pereira, A. J. C. Pereira, C. M. M. Ferreira và F. P. M.
Barbosa .................................................................................................... 13
Hình 2.6. Cấu trúc của thiết bị bù STATCOM được sử dụng trong nghiên
cứu của R. M. M. Pereira, A. J. C. Pereira, C. M. M. Ferreira và F. P. M.
Barbosa .................................................................................................... 13
Hình 2.7. Thời gian làm việc của tụ điện trong thiết bị bù STATCOM
trong nghiên cứu của R. M. M. Pereira, A. J. C. Pereira, C. M. M. Ferreira
và F. P. M. Barbosa .................................................................................. 14
Hình 2.8. Đặc tính V - I của STATCOM .................................................. 15
Hình 2.9. Khả năng trao đổi công suất phản kháng trong các điều kiện làm
việc khác nhau của STATCOM ............................................................... 15
Hình 2.10. Cấu trúc cơ bản của STATCOM và mạch điều khiển............... 15
Hình 2.11. Sơ đồ khối điều khiển các thông số của bộ điều khiển PI bằng
các thuật toán tối ưu hóa .......................................................................... 16
Hình 2.12. Sơ đồ đơn tuyến trong nghiên cứu của E. R. Mauboy, T. T. Lie
và T. N. Anderson .................................................................................... 16
Hình 2.13. Sơ đồ khối của bộ điều khiển STATCOM tự điều chỉnh các hệ
số dựa trên mạng nơ-rôn nhân tạo ............................................................ 17
Hình 2.14. Cấu trúc của một hệ thống điện 2 khu vực được kết nối với nhà
máy điện gió tích hợp trên bờ và ngoài khơi, và thiết bị bù STATCOM .... 18


v

Hình 3.1. Đường cong hiệu suất rotor theo lý thuyết ................................ 26
Hình 3.2. Công suất đầu ra phụ thuộc vào vận tốc gió và tốc độ tuabin .... 27
Hình 3.3. Đường cong hiệu suất rotor Cp(λ, β) ........................................ 28
Hình 3.4. Góc pitch của cánh quạt tuabin ................................................. 28
Hình 3.5. Đường cong công suất của tuabin gió ....................................... 29
Hình 3.6. Hệ thống điện gió không lưu trữ và không nối lưới ................... 30

Hình 3.7. Hệ thống điện gió không có lưu trữ và nối lưới ......................... 31
Hình 3.8. Hệ thống điện gió có lưu trữ và nối lưới ................................... 32
Hình 3.9. Hệ thống điện gió có lưu trữ, có máy phát dự phòng và không
nối lưới .................................................................................................... 33
Hình 3.10. Các thành phần chính của tuabin gió ...................................... 34
Hình 3.11. Hướng nhìn thẳng của tuabin gió ............................................ 35
Hình 3.12. Hướng nhìn nghiêng của tuabin gió ........................................ 35
Hình 3.13. Các dạng tuabin gió trục đứng ................................................ 36
Hình 3.14. Các dạng tuabin gió trục ngang ............................................... 37
Hình 3.15. Các loại trụ tháp ..................................................................... 38
Hình 3.16. Bộ chỉnh lưu sử dụng điốt ....................................................... 40
Hình 3.17. Bộ chỉnh lưu cưỡng bức ......................................................... 41
Hình 3.18. Bộ nghịch lưu chuyển mạch tự nhiên ...................................... 41
Hình 3.19. Bộ nghịch lưu chuyển mạch cưởng bức .................................. 42
Hình 3.20. Hệ thống máy phát điện tuabin gió sử dụng chế độ điều chỉnh
giảm tốc ................................................................................................... 43
Hình 3.21. Hệ thống máy phát điện tuabin gió sử dụng chế độ điều chỉnh
theo độ nghiêng cánh tuabin ..................................................................... 44
Hình 3.22. Đặc tuyến moment quay của máy phát điện không đồng bộ .... 46
Hình 3.23. Sơ đồ mạch tương đương trục d và q của máy phát điện không
đồng bộ .................................................................................................... 47
Hình 3.24. Các bộ SVC thường gặp ......................................................... 53
Hình 3.25. Sơ đồ kết nối STATCOM với hệ thống .................................. 57
Hình 3.26. Sơ đồ kết nối SSSC với hệ thống ............................................ 58
Hình 3.27. Sơ đồ kết nối UPFC với hệ thống ........................................... 60


vi

Hình 3.28. Sơ đồ kết nối IPFC với hệ thống ............................................. 61

Hình 3.29. Sơ đồ kết nối TCPST với hệ thống ......................................... 62
Hình 3.30. Chi phí và công suất của các thiết bị ....................................... 64
Hình 3.31. Chi phí/giá khi công suất truyền tải tăng ................................. 66
Hình 3.32. Chi phí đầu tư cho đường dây truyền tải mới .......................... 67
Hình 3.33. Mạch tương đương một pha của STATCOM .......................... 71
Hình 3.34. Cấu trúc cơ bản của STATCOM ............................................. 71
Hình 3.35. Nguyên lý hoạt động cơ bản của STATCOM ......................... 72
Hình 3.36. Nguyên lý trao đổi công suất của STATCOM ........................ 73
Hình 3.37. Nguyên lý bù của bộ bù tích cực ............................................. 74
Hình 3.38. Trạng thái hấp thụ công suất phản kháng của bộ bù ................ 75
Hình 3.39. Trạng thái phát công suất phản kháng của bộ bù ..................... 75
Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng
gió và thiết bị bù STATCOM ................................................................... 77
Hình 4.2. Mô hình và thông số nguồn điện (120 kV, 50 Hz) .................... 78
Hình 4.3. Thông số tổng trở nguồn ........................................................... 79
Hình 4.4. Mô hình và thông số của trạm biến áp ...................................... 80
Hình 4.5. Mô hình và thông số của đường dây 25 km .............................. 82
Hình 4.6. Nhà máy điện gió ..................................................................... 83
Hình 4.7. Thông số của tuabin gió ............................................................ 84
Hình 4.8. Thông số của máy phát điện tuabin gió ..................................... 85
Hình 4.9. Đặc tính công suất của tuabin gió ............................................. 86
Hình 4.10. Mô hình và thông số của máy biến áp nhà máy điện gió ......... 87
Hình 4.11. Mô hình và thông số của đường dây nhà máy điện gió ........... 89
Hình 4.12. Mô hình và thông số điều khiển của thiết bị bù STATCOM ... 90
Hình 4.13. Tốc độ gió của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp hệ
thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM ................ 91
Hình 4.14. Góc nghiêng cánh tuabin gió của nhà máy điện 3 tuabin gió
trong trường hợp hệ thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù
STATCOM .............................................................................................. 92

vii

Hình 4.15. Tốc độ rotor của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp
hệ thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM ........... 92
Hình 4.16. Điện áp của pha A tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ
thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM ................ 93
Hình 4.17. Công suất tác dụng tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ
thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM ................ 93
Hình 4.18. Công suất phản kháng tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ
thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM ................ 94
Hình 4.19. Điện áp thứ tự thuận tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ
thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM ................ 94
Hình 4.20. Cường độ dòng điện thứ tự thuận tại thanh cái B25 trong
trường hợp hệ thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù
STATCOM .............................................................................................. 95
Hình 4.21. Công suất tác dụng của nhà máy điện 3 tuabin gió trong
trường hợp hệ thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù
STATCOM .............................................................................................. 95
Hình 4.22. Công suất phản kháng của nhà máy điện 3 tuabin gió trong
trường hợp hệ thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù
STATCOM .............................................................................................. 96
Hình 4.23. Tốc độ gió của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp hệ
thống điện không có sự cố và có thiết bị bù STATCOM .......................... 97
Hình 4.24. Góc nghiêng cánh tuabin gió của nhà máy điện 3 tuabin gió
trong trường hợp hệ thống điện không có sự cố và có thiết bị bù
STATCOM ............................................................................................... 98
Hình 4.25. Tốc độ rotor của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp
hệ thống điện không có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM ............ 98
Hình 4.26. Điện áp của pha A tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ thống

điện không có sự cố và có thiết bị bù STATCOM .................................... 99
Hình 4.27. Công suất tác dụng tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ
thống điện không có sự cố và có thiết bị bù STATCOM .......................... 99
Hình 4.28. Công suất phản kháng tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ


viii

thống điện không có sự cố và có thiết bị bù STATCOM ........................ 100
Hình 4.29. Điện áp thứ tự thuận tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ
thống điện không có sự cố và có thiết bị bù STATCOM ........................ 100
Hình 4.30. Cường độ dòng điện thứ tự thuận tại thanh cái B25 trong
trường hợp hệ thống điện không có sự cố và có thiết bị bù STATCOM . 101
Hình 4.31. Công suất tác dụng của nhà máy điện 3 tuabin gió trong
trường hợp hệ thống điện không có sự cố và có thiết bị bù STATCOM . 101
Hình 4.32. Công suất phản kháng của nhà máy điện 3 tuabin gió trong
trường hợp hệ thống điện không có sự cố và có thiết bị bù STATCOM . 102
Hình 4.33. Công suất phản kháng của STATCOM trong trường hợp hệ
thống điện không có sự cố và có thiết bị bù STATCOM ........................ 102
Hình 4.34. Tốc độ gió của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp
hệ thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM .................... 103
Hình 4.35. Góc nghiêng cánh tuabin gió của nhà máy điện 3 tuabin gió
trong trường hợp hệ thống điện có sự cố và không có thiết bị bù
STATCOM ............................................................................................ 104
Hình 4.36. Tốc độ rotor của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường
hợp hệ thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM ............ 104
Hình 4.37. Điện áp của pha A tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ
thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM ........................ 105
Hình 4.38. Công suất tác dụng tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ
thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM ........................ 105

Hình 4.39. Công suất phản kháng tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ
thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM ........................ 106
Hình 4.40. Điện áp thứ tự thuận tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ
thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM ........................ 106
Hình 4.41. Cường độ dòng điện thứ tự thuận tại thanh cái B25 trong
trường hợp hệ thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM . 107
Hình 4.42. Công suất tác dụng của nhà máy điện 3 tuabin gió trong
trường hợp hệ thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM . 107
Hình 4.43. Công suất phản kháng của nhà máy điện 3 tuabin gió trong


ix

trường hợp hệ thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM . 108
Hình 4.44. Thông số của thiết bị bù STATCOM .................................... 109
Hình 4.45. Tốc độ gió của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp
hệ thống điện có sự cố và có thiết bị bù STATCOM .............................. 110
Hình 4.46. Góc nghiêng cánh tuabin gió của nhà máy điện 3 tuabin gió
trong trường hợp hệ thống điện có sự cố và có thiết bị bù STATCOM ... 111
Hình 4.47. Tốc độ rotor của nhà máy điện 3 tuabin gió trong trường hợp
hệ thống điện có sự cố và có thiết bị bù STATCOM .............................. 111
Hình 4.48. Điện áp của pha A tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ
thống điện có sự cố và có thiết bị bù STATCOM ................................... 112
Hình 4.49. Công suất tác dụng tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ
thống điện có sự cố và có thiết bị bù STATCOM ................................... 112
Hình 4.50. Công suất phản kháng tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ
thống điện có sự cố và có thiết bị bù STATCOM ................................... 113
Hình 4.51. Điện áp thứ tự thuận tại thanh cái B25 trong trường hợp hệ
thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM ........................ 113
Hình 4.52. Cường độ dòng điện thứ tự thuận tại thanh cái B25 trong

trường hợp hệ thống điện có sự cố và không có thiết bị bù STATCOM . 114
Hình 4.53. Công suất tác dụng của nhà máy điện 3 tuabin gió trong
trường hợp hệ thống điện có sự cố và có thiết bị bù STATCOM ............ 114
Hình 4.54. Công suất phản kháng của nhà máy điện 3 tuabin gió trong
trường hợp hệ thống điện có sự cố và có thiết bị bù STATCOM ............ 115
Hình 4.55. Công suất phản kháng của STATCOM trong trường hợp hệ
thống điện có sự cố và có thiết bị bù STATCOM ................................... 115


x

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 3.1. Dải tần số được phép dao động và thời gian khôi phục hệ thống
điện về chế độ vận hành bình thường trong các chế độ vận hành khác của
hệ thống điện quốc gia ............................................................................. 20
Bảng 3.2. Dải tần số được phép và số lần được phép tần số vượt quá giới
hạn trong trường hợp sự cố nhiều phần tử, sự cố nghiêm trọng hoặc chế
độ cực kỳ khẩn cấp .................................................................................. 21
Bảng 3.3. Tiêu chuẩn về ổn định hệ thống điện ........................................ 23
Bảng 3.4. Ưu điểm của một số thiết bị FACTS ........................................ 67
Bảng 3.5. Các trạng thái làm việc của hệ thống điện và ứng dụng của các
thiết bị FACTS ......................................................................................... 68


1

Chương 1
Giới thiệu
1.1. Giới thiệu
Hiện nay, năng lượng gió là nguồn năng lượng tự nhiên tái tạo có trữ

lượng khá lớn ở nước ta. Việc khai thác năng lượng này trong thời gian tới
chắc chắn sẽ được đẩy mạnh nhờ vào các ưu thế vượt trội của nguồn năng
lượng tái tạo này. Ở những vùng có lưới điện quốc gia, điện gió sẽ được hòa
vào lưới điện quốc gia. Đây là một tất yếu và xu hướng phát triển của hệ thống
điện thế giới nói chung và hệ thống điện Việt Nam nói riêng.
Khi ấy, công tác vận hành và đảm bảo ổn định hệ thống điện càng trở
nên khó khăn và phức tạp hơn. Thách thức lớn nhất về mặt kỹ thuật là đặc điểm
bất định của nguồn phát điện gió.
Trong số các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu suất và ổn định của
hệ thống điện nói chung và hệ thống điện có sự tham gia của nguồn điện gió
được khảo sát trong luận văn này nói riêng là việc sử dụng các hệ thống thiết bị
truyền tải linh hoạt (FACTS, Flexible AC Transmission System), trong đó có
bộ bù đồng bộ tĩnh, STATCOM (Static Synchronous Compensator) là hướng
giải pháp có tính hiệu quả cao. Thiết bị này có khả năng đáp ứng nhanh và cho
phép bù đắp nhanh chóng những thiếu hụt tạm thời về công suất phản kháng,
đồng thời nâng cao hiệu suất và ổn định của các nhà máy điện gió khi có các sự
cố trong hệ thống điện khảo sát.
Việc nghiên cứu bài toán bù công suất phản kháng cho hệ thống điện có
xét nguồn điện gió sẽ mang lại các lợi ích lớn về kinh tế nhằm sử dụng triệt để
nguồn năng lượng tái tạo này, cũng như có hiệu quả về mặt kỹ thuật trong việc
giảm bớt áp lực gánh nặng của các nguồn điện truyền thống, đồng thời nâng
cao độ tin cậy cung cấp điện cho phụ tải.
Từ các phân tích trên, đề tài luận văn “Vận hành hệ thống điện có xét
nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM’’ là thật sự cần thiết


2

và có ý nghĩa, đặc biệt trong giai đoạn phát triển của phụ tải như hiện nay tại
Việt Nam.

1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Trong cơ cấu nguồn điện hiện tại, các nguồn điện truyền thống như thủy
điện và nhiệt điện đang gánh chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệt các nguồn
năng lượng sơ cấp như nhiên liệu hóa thạch, nước... Để giảm bớt các gánh nặng
này, cũng như nâng cao và đảm bảo điều kiện vận hành ổn định cho hệ thống
điện khi có các nguồn năng lượng tái tạo được kết nối vào thì đề tài “Vận hành
hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM”
được xem là cần thiết.
1.3. Đối tượng nghiên cứu
Các nghiên cứu sẽ được thực hiện trên mô hình của một hệ thống điện
bao gồm:
- Hệ thống điện truyền thống;
- Hệ thống điện truyền thống có xét nguồn điện năng lượng gió;
- Hệ thống điện truyền thống có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết
bị bù STATCOM.

1.4. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của luận văn được giới hạn trong các nội dung sau:
- Khảo sát tiềm năng, tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng
gió.
- Tổng quan các nghiên cứu đã được thực hiện liên quan đến vận hành
hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù.
- Nghiên cứu các đặc điểm của một hệ thống điện năng lượng gió.
- Nghiên cứu các đặc điểm của thiết bị bù STATCOM.
- Mô hình và mô phỏng một hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng
gió và thiết bị bù STATCOM.


3

- Nghiên cứu và phân tích vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện
năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM trên cơ sở các kết quả mô phỏng đạt
được tương ứng với các kịch bản vận hành khác nhau.

1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài “Vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và
thiết bị bù STATCOM” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như
sau:
- Nghiên cứu các đặc điểm của một hệ thống điện năng lượng gió.
- Nghiên cứu các đặc điểm của thiết bị bù STATCOM.
- Mô hình và mô phỏng một hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng
gió và thiết bị bù STATCOM.
- Nghiên cứu và phân tích vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện
năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM.

1.6. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu về vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện
năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM.
- Giả lập các kịch bản vận hành khác nhau cho một hệ thống điện có xét
nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM.
- Phân tích vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng lượng gió và
thiết bị bù STATCOM.

1.7. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn gồm 5 chương:
+ Chương 1: Giới thiệu
+ Chương 2: Tổng quan bài toán vận hành hệ thống điện có xét nguồn
điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM
+ Chương 3: Cơ sở lý thuyết vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện
năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM

4

+ Chương 4: Mô phỏng vận hành hệ thống điện có xét nguồn điện năng
lượng gió và thiết bị bù STATCOM
+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai


5

Chương 2
Tổng quan bài toán vận hành hệ thống điện có xét
nguồn điện năng lượng gió và thiết bị bù STATCOM
2.1. Giới thiệu
Để nâng cao chất lượng điện năng của một hệ thống điện truyền thống,
cũng như một hệ thống điện có xét đến nguồn năng lượng gió, đã có rất nhiều
công trình nghiên cứu về việc ứng dụng các thiết bị bù công suất phản kháng.
Tuy nhiên, các thiết bị bù đó chưa đáp ứng đủ những yêu cầu về độ nhạy khi hệ
thống có sự thay đổi đột ngột về nhu cầu công suất phản kháng. Các hệ thống
thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt FACTS đã đáp ứng được yêu cầu
về độ nhạy, cũng như dung lượng bù tối ưu cho hệ thống điện trong mọi chế độ
làm việc.

2.2. Các nghiên cứu trong nước
Tác giả Hấu Ngọc Thành nghiên cứu áp dụng các hệ thống thiết bị
truyền tải xoay chiều linh hoạt cho bài toán điều khiển điện áp trong hệ thống
điện, trong Luận văn Thạc sĩ, "Điều khiển điện áp cấp hai trong hệ thống có các
thiết bị FACTS" [1]. Hai trong số các thiết bị truyền tải xoay chiều linh hoạt là
SVC và STATCOM đã được tìm hiểu, nghiên cứu và phân tích. Tác giả đã phát

triển một chiến lược phối hợp điều khiển dựa trên tối ưu hóa ràng buộc, áp
dụng vào điều khiển điện áp cấp hai trong các hệ thống điện có các bộ điều
khiển FACTS dạng mắc song song. Mục tiêu của chiến lược là áp dụng các
thông tin có sẵn từ mạng diện rộng đo lường đại lượng phức. Thông tin trong
các bộ đo lường biên độ và góc pha của điện áp cho phép mô hình hệ thống
tuyến tính được hình thành và sử dụng để phát triển chiến lược điều khiển. Biểu
thức dưới dạng toàn phương có số lượng các biến điều khiển tương đối thấp và
các ràng buộc bất đẳng thức dạng tuyến tính cho phép đưa ra các kết quả một
cách nhanh chóng và hiệu quả, đáp ứng được yêu cầu của điều khiển điện áp
cấp hai. Giải thuật trong chiến lược điều khiển đã được kiểm chứng bởi nhiều


6

nghiên cứu mô phỏng sử dụng hệ thống điện tiêu biểu. Lời giải của bài toán
phân bố công suất đã được sử dụng để kiểm chứng độ chính xác của phương
pháp phối hợp điều khiển được đề nghị. Khả năng ứng dụng thực tế của
phương pháp trong hệ thống quản lý năng lượng EMS cũng đã được nghiên
cứu trong luận văn. Mặc dù, chiến lược phối hợp điều khiển phát triển có các
ưu điểm về các ứng dụng trực tuyến, nó cũng có các nhược điểm. Mô hình điều
khiển chỉ quan tâm đến một khía cạnh của an ninh hệ thống điện là biên độ
điện áp. Khía cạnh anh ninh hệ thống điện khác là dòng công suất trong mạch
truyền tải, yếu tố ngày càng đóng vai trò quan trọng trong môi trường thị
trường điện cạnh tranh sau khi tư nhân hóa và tái cơ cấu lại nền công nghiệp
cung cấp điện năng, vẫn chưa được tính đến trong mô hình điều khiển. Ngoài
ra, các thiết bị FACTS đóng vai trò quan trọng trong mô hình phối hợp điều
khiển được phát triển trong phần này chỉ là các thiết bị bù mắc song song.
Ở Việt Nam, hệ thống điện hiện tại chỉ có điều khiển sơ cấp, chưa có
điều khiển cấp hai. Do vậy, điện áp hệ thống có thể chưa tối ưu. Nếu áp dụng
điều khiển điện áp cấp hai sẽ đem lại kết quả tốt hơn về mặt điều khiển, đảm

bảo được biên dạng điện áp hệ thống cũng như giảm tổn thất công suất trong
toàn hệ thống điện. Thêm vào đó, trong trường hợp nếu xét đến một hệ thống
điện có sự tham gia của các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng
lượng mặt trời thì các kịch bản vận hành sẽ hoàn toàn khác.
Tác giả Võ Tấn Lộc đã nghiên cứu và phân tích hệ thống điện trong
trường hợp có xét đến thiết bị TCSC trong Luận văn Thạc sĩ, "Giải tích hệ
thống điện phân phối hình tia có thiết bị FACTS - TSCS dùng giải thuật Line
Flow-Based (LFB)" [2]. Phương pháp LFB có các đặc điểm sau:
+ Phù hợp với mạng điện hình tia.
+ Không cần thành lập ma trận Jacobi.
+ Tích hợp dễ dàng với các thiết bị FACTS như: TCSC, SVC, TCVR,...
+ Đối với cấu trúc hình tia và tính phân bố công suất thông thường
không xét thiết bị FACTS và không có DG thi hoàn toàn có thể tính dòng công
suất tác dụng và phản kháng trên các nhánh và điện áp tại các nút bằng phép


7

thế theo chiều tiến và lùi (backward and forward substitution) mà không cần
phải nghịch đảo ma trận.
+ Trong khảo sát thiết bị TCSC mục đích là chứng tỏ sự thuận lợi của
giải thuật LFB trong việc tích hợp thiết bị TCSC trong việc điều chỉnh điện áp
tại nút cuối của đường dây có đặt TCSC.
+ Tác giả đã thực hiện kiểm tra kết quả bằng phương pháp phân bố công
suất truyền thống Newton-Raphson. Các kết quả cho thấy rằng độ sai lệch
không cao như công suất nguồn, tổn thất công suất trên các nhánh, đặc biệt là
điện áp tại các nút gần như trùng nhau.
Tuy nhiên, hệ thống điện khảo sát trong nghiên cứu này là một hệ thống
điện với các nguồn điện truyền thống và chưa có sự tích hợp của các nguồn
năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, ...

Thêm vào đó, nghiên cứu cũng chưa đề cập đến vị trí đặt TCSC sao cho
hiệu quả. Cùng một hệ thống điện, nếu vị trí lắp đặt TCSC khác nhau thì sẽ cho
các kết quả khác nhau. Có những vị trí đặt cho kết quả rất tốt về kỹ thuật và trị
số điều chỉnh TCSC lại rất bé. Trong khi đó, có những vị trí đặt TCSC cho kết
quả ngược lại.
Tác giả Vô Đôn Kim Quy cũng đã nghiên cứu các vấn đề liên quan đến
thiết bị bù SVC trong hệ thống điện trong Luận văn Thạc sĩ, "Giải tích hệ thống
phân phối hình tia với thiết bị bù SVC dùng giải thuật LFB" [3]. Nhận thấy
rằng, thiết bị bù có điều khiển SVC làm cho hệ thống điện vận hành linh hoạt
trong các chế độ bình thường và sự cố; đồng thời làm tăng độ tin cậy và tính
kinh tế trong vận hành của hệ thống điện lên rất nhiều. Hơn nữa, việc sử dụng
SVC trong hệ thống điện còn làm tăng chất lượng điện năng, đặc biệt tại các
nút có phụ tải quan trọng cần yêu cầu cao về độ ổn định điện áp. Trong nghiên
cứu này, tác giả đã xét đến thiết bị SVC trong hệ thống điện và thuật toán LFB
đã được đề xuất áp dụng mà đã cho các kết quả có độ hội tụ tốt hơn các phương
pháp phân bố công suất thông thường. Tác giả đang đề xuất và nghiên cứu
phân tích mạng điện phân phối. Đây cũng là một trong những hạn chế của
nghiên cứu.