LUAN VAN FACTS TCSC, TRÊN MẠNG ĐIỆN

Chương 1: Tổng quan

Chương 1

TỔNG QUAN

NỘI DUNG:
1.1. GIỚI THIỆU
1.2. CÁC GIẢI PHÁP HIỆN NAY ĐỂ CHỐNG NGHẼN MẠCH
1.3. TÍNH CẦN THIẾT CỦA VIỆC NÂNG CAO KHẢ NĂNG TRUYỀN TẢI
1.4. GIỚI THIỆU BÀI TOÁN
1.5. NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
1.6. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
1.7. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Luận văn thạc sĩ

1


Chương 1: Tổng quan

1.1 GIỚI THIỆU
Xu hướng chuyển dịch từ hệ thống điện độc quyền sang thị trường điện cạnh
tranh đã và đang diễn ra mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới. Thị trường điện với cơ
chế mở đã đem lại hiệu quả ở các nước và cho thấy những ưu điểm vượt trội hơn
hẳn hệ thống điện độc quyền truyền thống.
Khi chuyển sang thị trường điện thì vấn đề quá tải đường dây là thường
xuyên, có ảnh hưởng đến ổn định và độ tin cậy hệ thống. Điều khiển quá tải đường
dây là chức năng quan trọng của bất kỳ ISO (Independent System Operator) và là
quá trình đảm bảo hệ thống truyền tải không bị vi phạm các giới hạn vận hành. Bất

kể khi nào, ràng buộc vật lý hoặc ràng buộc vận hành trong lưới truyền tải bị vi
phạm thì hệ thống được coi là đang ở trạng thái quá tải.
Các giới hạn trong vấn đề quá tải đường dây là giới hạn nhiệt, mức cảnh báo
của máy biến áp, giới hạn điện áp nút, ổn định quá độ hoặc ổn định động. Các giới
hạn này ràng buộc lượng công suất mà có thể truyền tải giữa hai vị trí thông qua
lưới truyền tải. Công suất truyền tải không được phép tăng lên đến mức mà khi có
xảy ra sự cố sẽ làm tan rã lưới điện vì không ổn định điện áp.
Có rất nhiều công trình nghiên cứu về vận hành tối ưu hệ thống điện. Một
trong các bài toán đặt ra là phân bố luồng công suất tối ưu, còn được biết đến như
phương pháp điều khiển dòng công suất trên lưới điện truyền tải, nhằm: Hạn chế
quá tải trên đường dây ở thời điểm hiện tại cũng như khi mở rộng phụ tải trong
tương lai. Đây là nguyên nhân chính gây nên giá sản xuất điện năng tăng cao. Có
nhiều phương pháp để giải quyết bài toán quá tải như: Điều động công suất phát của
nhà máy, xây dựng các đường dây song song sử dụng các thiết bị bù công suất phản
kháng tại chỗ…
Ngoài ra việc sử dụng các thiết bị Facts điều khiển dòng công suất trên
đường dây còn được biết đến như biện pháp chống nghẽn mạch, giảm rủi ro về mất
điện, tăng độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng sẽ tạo ra không gian điều khiển
rộng từ đó có thể giảm được chi phí sản xuất điện năng, đảm bảo lợi ích kinh tế,

Luận văn thạc sĩ

2


Chương 1: Tổng quan

đồng thời tránh được tình trạng đầu cơ tăng giá điện khi có sự cố nghẽn mạch. Một
số công trình nghiên cứu cũng cho thấy rằng, việc sử dụng các thiết bị Facts để điều
khiển dòng công suất sẽ hạn chế được quá tải trên đường dây từ đó làm giảm chi phí

sản xuất điện năng, tăng giá trị phúc lợi xã hội.
1.2 CÁC GIẢI PHÁP HIỆN NAY ĐỂ CHỐNG NGHẼN MẠCH [1]
1.2.1. Điều độ kế hoạch nguồn phát điện
Phân bố công suất tối ưu (OPF) là kỹ thuật quan trọng nhất để đạt được các
mô hình phát điện chi phí nhỏ nhất trong một hệ thống điện với các điều kiện ràng
buộc truyền tải và vận hành có sẵn. Vai trò của trung tâm vận hành hệ thống độc lập
(ISO) trong thị trường cạnh tranh là điều độ điện năng đáp ứng hợp đồng giữa các
bên tham gia thị trường.
Trong môi trường nhiều nhà cung cấp/nhiều nhà tiêu thụ, đơn vị điều hành
phải xử lý thêm các vấn đề về nghẽn mạch. Một trong số chúng có thể là cưỡng bức
thay đổi kế hoạch phát điện, do vậy vài công ty phát điện sẽ tăng công suất phát
điện và các công ty phát điện khác sẽ giảm công suất phát điện cho đến khi nghẽn
mạch bị loại trừ.
Đơn vị điều hành đền bù cho những nhà cung cấp đã chấp nhận lệnh huy
động để phát thêm công suất, thanh toán lượng công suất phát thêm của họ và bồi
thường việc đánh mất cơ hội cho những nhà cung cấp mà bị huy động cắt giảm
công suất phát.
Việc tăng phí truyền tải trong thời gian nghẽn mạch bằng việc thu thập phí
nghẽn mạch để bồi thường cho công ty phát điện bị ảnh hưởng trong quá trình thực
hiện lệnh huy động.
Ví dụ minh họa:
Trường hợp 1: Xét hệ thống như Hình 1.1. Giả thiết hệ thống có tổn thất công suất
không đáng kể.

Luận văn thạc sĩ

3


Chương 1: Tổng quan

Không xét giới hạn truyền tải

G
1

200 MW

200MW
Giá 20$/MWh

Tải D
200 MW

0MW

Chi phí điện năng trung bình
20$/MWh
100MW
Giá 40$/MWh

G
2

Hình 1.1: Dòng công suất không xét giới hạn truyền tải
Trong Hình 1.1, G1 đưa ra bản chào giá cung cấp 200MW với giá bán điện
20$/MWh, và G2 đưa ra bản chào giá cung cấp 100MW với giá bán điện 40$/MWh.
Giao dịch được xác định với thị trường không bị giới hạn khả năng truyền
tải: G2 đưa ra bản chào đắt hơn G1, vì vậy G2 sẽ không được huy động công suất. G1
bán 200MW cho khách hàng D. Do đó tổng chi phí mỗi giờ là 4000$/h.

Trường hợp 2: Xét hệ thống như Hình 1.2. Giả thiết hệ thống có tổn thất công suất
không đáng kể.
Xét giới hạn truyền tải

G
1

150 MW

Tải D
200 MW

200MW
Giá
20$/MWh

50MW

Chi phí điện năng trung bình
25$/MWh
100MW
Giá
40$/MWh

G
2

Hình 1.2: Dòng công suất có xét giới hạn truyền
tải
Luận văn thạc sĩ

4


Chương 1: Tổng quan

Trong Hình 1.2, giả sử ta huy động công suất tối ưu nhằm cực tiểu tổng chi
phí như trường hợp 1: Nhà cung cấp G 1 được huy động 200MW bán cho khách
hàng D và G2 không được huy động công suất. Trong trường hợp này, việc giao dịch
200MW giữa G1 và D không thể thực hiện được vì sẽ xảy ra quá tải do khả năng của
đường dây là 150MW.
Để loại trừ hiện tượng quá tải này, G 1 chỉ được huy động 150MW và huy
động thêm 50MW của G2 với mức giá cao hơn (40$/MWh). Với việc huy động này,
tổng chi phí sẽ là 5000$/h. Như vậy ràng buộc giới hạn truyền tải của đường dây
gây nên nghẽn mạch truyền tải và làm tăng thêm tổng chi phí của hệ thống là 25%.
Về cơ bản, ta có thể xác định chi phí nghẽn mạch như là sự chênh lệch giữa
chi phí đảm bảo cung cấp cho phụ tải hệ thống không xét đến bất kỳ điều kiện ràng
buộc nào và chi phí cung cấp cho phụ tải không vi phạm các giới hạn hiện tại.
Trong ví dụ được xem xét ở trên, trường hợp 2 xảy ra nghẽn mạch, chi phí nghẽn
mạch là 1000$/h.
1.2.2. Điều độ tải
Trong các hệ thống phi điều tiết, nghẽn mạch trong hệ thống truyền tải là một
bài toán chủ yếu và có thể dẫn tới các đột biến giá. Nghẽn mạch truyền tải xuất hiện
khi thiếu khả năng truyền tải để đáp ứng các yêu cầu của tất cả các khách hàng.
Trong các trạng thái bị nghẽn mạch nặng, nghẽn mạch truyền tải có thể được giảm
bớt bằng cách cắt giảm một phần các giao dịch không ổn định.

Hình 1.3a: Ví dụ 2 nút bị nghẽn mạch

Luận văn thạc sĩ

5


Chương 1: Tổng quan

Hình 1.3b: Ví dụ 2 nút sau khi được loại bỏ nghẽn mạch
Hình 1.3: Ví dụ hệ thống điện 2 nút
Một ví dụ của một hệ thống 2 nút trình bày trong Hình 1.3 giải thích sự
nghẽn mạch truyền tải. Trong Hình 1.3a, đầu ra công suất tác dụng cực đại của máy
phát là 50MW, giới hạn công suất đường dây truyền tải là 45MVA và công suất tác
dụng tải là 48MW. Có một sự quá tải truyền tải trong đường dây truyền tải để đáp
ứng tải. Nghẽn mạch có thể được giảm bớt bằng cách cắt giảm phần tải nào đó.
Trong Hình 1.3b, tải được cắt giảm từ 48MW tới 45MW và nghẽn mạch được loại
bỏ.
1.2.3. Mở rộng đường dây truyền tải
Mở rộng đường dây truyền tải giải quyết bài toán mở rộng và củng cố sự
phát điện và mạng truyền tải hiện tại để phục vụ tối ưu sự phát triển thị trường điện
trong khi đáp ứng một tập các điều kiện ràng buộc về kinh tế và kỹ thuật. Các kỹ
thuật khác nhau như phân tích Bender, tìm kiếm Tabu, thuật toán Gen… đã được sử
dụng để nghiên cứu bài toán này.
Mặc dù các chi phí nghẽn mạch có thể được cực tiểu hóa nhờ vào các
phương pháp quản lý nghẽn mạch hiệu quả, nhưng một mối quan tâm bao quát là
chi phí biên của nghẽn mạch này sẽ không cao hơn chi phí biên của giảm nghẽn
mạch thông qua sự đầu tư về mở rộng khả năng truyền tải. Mặt khác, các chi phí
nghẽn mạch cao sẽ là một tín hiệu để mở rộng khả năng truyền tải. Sự đầu tư về
truyền tải sẽ luôn luôn hướng tới tăng độ tin cậy và giảm các chi phí nghẽn mạch.
Tuy nhiên, phương pháp mở rộng đường dây truyền tải này có rất nhiều hạn
chế như: Tốn nhiều thời gian, chi phí mở rộng đường dây truyền tải lớn, phụ thuộc
vào các ràng buộc pháp lý, các quy định đền bù giải tỏa…

Luận văn thạc sĩ

6


Chương 1: Tổng quan

1.2.4 Sự hỗ trợ VAR để giảm nghẽn mạch
Trong kịch bản thời đại ngày nay, các giao dịch điện ngoài dự tính đang tăng
lên nhanh chóng do sự cạnh tranh giữa các công ty để đáp ứng nhu cầu đang gia
tăng và nếu các giao dịch không được điều khiển một cách đúng đắn thì các đường
dây truyền tải thường bị vận hành và bị ép buộc tới mức giới hạn. Sử dụng sự
truyền tải sẵn có tăng lên một phần nhờ sự bù công suất phản kháng. Vai trò của sự
hỗ trợ VAR trong thị trường điện mở là để trợ giúp quản lý nghẽn mạch.
Sử dụng tốt hơn hệ thống điện sẵn có để tăng khả năng truyền công suất bằng
cách lắp đặt hỗ trợ VAR chẳng hạn như các bộ tụ điện và các thiết bị FACTS (hệ
thống truyền tải AC linh hoạt) trở nên cấp bách. Các bộ tụ điện, bộ bù VAR tĩnh
(SVC), bộ tụ mắc nối tiếp được điều khiển bằng Thyristor (TCSC), điều khiển dòng
công suất tối ưu (UPFC) là vài ví dụ của các thiết bị FACTS được sử dụng cho hỗ
trợ VAR.
Ưu điểm chính của các thiết bị FACTS là khả năng lắp đặt của chúng trong
một thời gian ngắn so với kế hoạch và sự xây dựng của các đường dây truyền tải
mới. FACTS không chỉ cải thiện khả năng truyền tải mà còn giảm các tổn thất. Tuy
nhiên, các thiết bị FACTS là đắt tiền. Vì vậy, ta cần tính toán trong từng trường hợp
cụ thể.
1.3 TÍNH CẦN THIẾT CỦA VIỆC NÂNG CAO KHẢ NĂNG TRUYỀN TẢI
Hiệu quả thị trường điện được đo lường bởi phúc lợi xã hội của nó. Phúc lợi
xã hội được xác định như là tổng lợi ích của nhà tiêu thụ (B d) trừ đi tổng chi phí của
nhà sản xuất (Cg). Tác dụng của nghẽn mạch truyền tải làm cho thị trường không

hiệu quả.
Một hệ thống điện hiện hữu bao giờ cũng được vận hành trong tình trạng
bình thường, có nghĩa là nó không bị vi phạm bất kỳ các ràng buộc vận hành nào.
Các ràng buộc có thể là các giới hạn nhiệt, giới hạn điện áp và ổn định. Bất kể khi
nào, các ràng buộc vận hành trong lưới truyền tải bị vi phạm thì hệ thống được coi
là đang ở trạng thái quá tải. Khi hệ thống bị quá tải thì trung tâm điều độ phải lên kế

Luận văn thạc sĩ

7


Chương 1: Tổng quan

hoạch và ra quyết định xử lý để đưa hệ thống về trạng thái hết quá tải để đảm bảo hệ
thống ổn định và tin cậy. [3]
Các giải pháp được đưa ra có thể là các giải pháp đã được trình bày trong
mục 1.2. Nếu giải pháp điều độ kế hoạch nguồn phát điện (mục 1.2.1) được sử dụng
thì sẽ làm tăng chi phí sản xuất điện mà điều đó sẽ không có lợi về mặt kinh tế.
Nếu giải pháp điều độ tải (mục 1.2.2) được sử dụng thì sẽ làm ảnh hưởng đến
hoạt động sản xuất sinh hoạt của hộ tiêu thụ, không có lợi trong các hợp đồng kinh
tế.
Nếu giải pháp mở rộng đường dây truyền tải (mục 1.2.3) được sử dụng thì sẽ
có rất nhiều hạn chế như: Tốn nhiều thời gian, chi phí mở rộng đường dây truyền tải
lớn, phụ thuộc vào các ràng buộc pháp lý, các quy định đền bù giải tỏa…
Tóm lại, nếu ta có thể nâng cao khả năng truyền tải của hệ thống lên thì sẽ
giải quyết được quá tải mà vẫn bảo đảm hệ thống vận hành ổn định và tin cậy từ đó
có lợi về mặt kinh tế cũng như kỹ thuật.
Trong luận văn này, tác giả đưa ra bài toán cần giải quyết và sẽ giải quyết bài
toán đã đưa ra trên cơ sở lý thuyết và các phân tích toán học và mô phỏng trên máy

tính sử dụng phần mềm Matlab và PowerWorld Simulator.

Luận văn thạc sĩ

8


Chương 1: Tổng quan

1.4 GIỚI THIỆU BÀI TOÁN
Một hệ thống điện tổng quát được mô tả bao gồm tổ hợp các nguồn phát G
(G1, G2, G3, …, Gn); và tổ hợp các nguồn thu D (D1, D2, D3, …, Dn).
Khi vận hành hệ thống điện trong thị trường, chi phí của tổ máy phát thứ i
trong nhà máy điện là:
C i (PGi ) = a i + b i PGi + c i PGi2

(1.1)

PGi: công suất phát của tổ máy thứ i.
a, b, c: Hệ số chi phí của máy phát i.
Trong đó:
a: Hệ số chi phí cố định (đầu tư, khấu hao, …)
b: Chi phí tỉ lệ bậc 1 với công suất phát (nhiên liệu, …)
c: Chi phí tỉ lệ bậc 2 với công suất phát chủ yếu là tổn thất
Hệ thống điện
D
G

1

1

D

G

2

2

D
3

G
3

:
:

:
:

D
G

n

n

Hình 1.4: Hệ thống điện tổng quát

Do đó tổng chi phí của các nhà máy phát điện được tính theo biểu thức:
C ΣG = ∑ C i (PGi )

Luận văn thạc sĩ

(1.2)

9


Chương 1: Tổng quan

Mục tiêu của các nhà sản xuất điện năng là tìm cách giảm chi phí sản xuất
điện sao cho tổng chi phí phát điện phải là nhỏ nhất.
Ta có hàm mục tiêu:
C Σ = Minimum∑ C i (PGi )

(1.3)

Các điều kiện ràng buộc:
1.

∑P

G

2. PGi

min

= ∑ PD
≤P Gi ≤ PGi

(1)
max

(2)

3. Vi min ≤ Vi ≤ Vi max

(3)

4. Sij ≤ Sij max

(4)

Trong đó :
1.

∑P

= ∑ PD : một cách gần đúng là tổng công suất phát bằng tổng công

G

suất thu.
2. PGi

min

≤P Gi ≤ PGi

max

: giới hạn công suất phát của máy phát

3. Vi min ≤ Vi ≤ Vi max : giới hạn điện áp nút
4. Sij ≤ Sij max : giới hạn công suất truyền trên nhánh ij
Bài toán lúc này được mô tả ngắn gọn bao gồm hàm mục tiêu (1.3) và các
điều kiện ràng buộc như trên.
Để giải quyết bài toán cực tiểu chi phí phát điện thì dĩ nhiên ta dùng phương
pháp phân bố công suất tối ưu OPF (Optimal Power Flow).
Sau đây ta xét hai trường hợp:
Trường hợp 1: Nếu bài toán chỉ bao gồm 3 ràng buộc (1), (2) và (3), không
có ràng buộc (4) có nghĩa là hệ thống cho phép quá tải đường dây. Trong trường
hợp này ta có tổng chi phí phát điện là C1.

Luận văn thạc sĩ

10


Chương 1: Tổng quan

Trường hợp 2: Nếu bài toán bao gồm tất cả các ràng buộc (1), (2), (3) và (4)
có nghĩa là hệ thống không cho phép quá tải đường dây. Trong trường hợp này ta có
tổng chi phí phát điện là C2.
Rõ ràng ta thấy luôn luôn C2 > C1
Bài toán đặt ra là ta tìm cách đưa C 2 tiến đến C1 (C2 C1) mà vẫn thỏa mãn
tất cả các điều kiện ràng buộc. Như vậy, bài toán sẽ được phân bố công suất tối ưu

theo trường hợp 2, lúc này hệ thống cho phép được quá tải. Sau đó, ta sẽ giải quyết
quá tải bằng một phương pháp nào đó mà khác với điều độ máy phát. Lúc này, hệ
thống sẽ được vận hành với chi phí thấp nhất mà vẫn thỏa mãn tất cả các điều kiện
ràng buộc.
Khi có sự gia tăng phụ tải vượt quá độ dự trữ cho phép của hệ thống, những
sự cố đường dây dẫn đến nghẽn mạch – quá tải trên một số tuyến đường dây của
mạng điện. Nghĩa là khi phụ tải điện thay đổi tăng lên một lượng ∆PL thì theo biểu
thức (1.4), để giải quyết sự cố nghẽn mạch trên hệ thống truyền tải điện cần thay đổi
công suất phát của các tổ máy trong các nhà máy điện một lượng là ∆Pgi. Như vậy
chi phí cho sản xuất ra một đơn vị điện năng trong trường hợp này sẽ là
C2 = ∑ Ci ( Pgi' ) > C1 . Khi chi phí sản xuất điện năng tăng cao thì giá bán điện đến hộ

tiêu thụ cũng tăng theo. Điều này gây bất lợi cho nhà cung cấp trong việc gia tăng
doanh số bán hàng trên thị trường cũng như những nỗ lực giành thị phần.
Những phân tích trên đây cho thấy, khi có sự thay đổi phụ tải hay sự cố hệ
thống điện sẽ dẫn tới giá bán điện trên thị trường tăng lên do chi phí để sản xuất
điện tăng. Cho dù vận hành lưới điện ở bất kỳ trạng thái nào thì các nhà máy sản
xuất điện luôn tìm cách đưa các chi phí C 2 trở về gần với trạng thái ban đầu nhất:
C2→C1.

Luận văn thạc sĩ

11


Chương 1: Tổng quan

1.5 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU
- Tìm hiểu về các giải pháp quản lý nghẽn mạch trong thị trường điện.
- Tìm hiểu về ứng dụng FACTS (TCSC) trong điều khiển phân bố công suất trong

lưới điện.
- Tìm hiểu về các giới hạn truyền công suất và phân loại ảnh hưởng của nó trên lưới
theo chiều dài đường dây.
- Giải quyết bài toán vận hành phân bố công suất lưới điện có chi phí bé nhất.
1.6 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Nội dung của đề tài chính là đi giải quyết bài toán vận hành phân bố công
suất lưới điện có chi phí bé nhất. Bài toán được giới hạn đối với những lưới điện
như sau:
- Lưới điện có cấu trúc mạch vòng.
- Có nhiều loại nhà máy phát tham gia (thủy, nhiệt, hạt nhân, …) có chênh
lệch lớn về giá thành phát điện.

1.7 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phân tích toán học và mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab và
PowerWorld.

Luận văn thạc sĩ

12


Chương 1: Tổng quan

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

NỘI DUNG:
2.1. CÁC QUAN HỆ CƠ BẢN TRONG PHÂN BỐ CÔNG SUẤT
2.2. ĐIỀU KHIỂN PHÂN BỐ CÔNG SUẤT

2.3. GIỚI HẠN TRONG HỆ THỐNG
2.4. ỨNG DỤNG TCSC TRONG ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

Luận văn thạc sĩ

13


Chương 1: Tổng quan

Hệ thống truyền tải hiện đại là một mạng phức tạp. Các đường dây truyền tải
kết nối tất cả các nhà máy phát và các điểm phụ tải trong hệ thống điện. Những
đường dây này mang một lượng lớn công suất để truyền đến bất kỳ hướng nào cần
đến và vào các liên kết khác nhau của hệ thống truyền tải để đạt được việc cung cấp
nhu cầu về năng lượng. Ngoài ra, các đặc điểm chính của hệ thống truyền tải hiện
nay là một cấu trúc mạch vòng, khác với các hệ thống truyền tải trước kia. Truyền
tải ở trạng thái xác lập có thể bị giới hạn bởi dòng công suất trên các nhánh. Những
dòng công suất này thường xuất hiện trong một số nhánh trước khi đến với tải, kết
quả là quá tải đường dây với các vấn đề về giới hạn nhiệt hoặc điện áp. [3]
Hệ thống điện sử dụng máy quay đồng bộ để phát điện. Một yêu cầu cơ bản
để trao đổi năng lượng đó là tất cả các máy đồng bộ trong hệ thống phải hoạt động
đồng bộ với nhau duy trì một tần số chung của hệ thống. Tuy nhiên, hệ thống điện
bị ảnh hưởng bởi các nhiễu loạn khác nhau, có thể gây ra một sự thay đổi đột ngột
trong sự cân bằng công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống . Khả năng của hệ
thống để phục hồi từ những nhiễu loạn và lấy lại trạng thái ổn định đồng bộ theo
điều kiện dự phòng trở thành một tiêu chuẩn trong thiết kế và vận hành cho khả
năng truyền tải. Khả năng này thường được đặc trưng bởi các giới hạn ổn định công
suất hệ thống. Theo các vấn đề như trên, khả năng của hệ thống điện để cung cấp
cho tải chủ yếu bị giới hạn bởi hai yếu tố: giới hạn dòng công suất trên các nhánh và
giới hạn ổn định của hệ thống. Những vấn đề này là quan trọng và đòi hỏi nhiều

nghiên cứu thiết thực để sử dụng cho việc truyền tải theo những cách thích hợp. [3]
Trong mục này, một số nguyên tắc cơ bản về điều khiển hệ thống và ổn định
sẽ được trình bày để cung cấp một số ý tưởng và nhận ra nguyên nhân của vấn đề.
Trong phần đầu tiên, các mối quan hệ cơ bản của dòng công suất trong một đường
dây truyền tải sẽ được trình bày. Sau đó, điều khiển công suất và các giới hạn ổn
định sẽ được đề cập trong phần sau.

Luận văn thạc sĩ

14


Chương 1: Tổng quan

2.1. CÁC QUAN HỆ CƠ BẢN TRONG PHÂN BỐ CÔNG SUẤT [3]
Trước khi tiến tới các nguyên tắc cơ bản của điều khiển hệ thống và giới hạn
ổn định, một số yếu tố ảnh hưởng đến phân bố công suất tác dụng và phản kháng
trên hệ thống điện được đề cập. Việc truyền công suất giữa hai nút (bus) có liên
quan đến một số thông số:
Điện áp nút truyền và nhận
Góc công suất giữa hai nút
Trở kháng nối tiếp của dây dẫn nối hai nút.
Xét hệ thống hai nút đơn giản như Hình 2.1. Đường dây truyền tải giữa các
nút truyền và nhận được mô tả bởi mô hình tương đương-π và bỏ qua điện trở
đường dây cho đơn giản. Ký hiệu cho điện áp và công suất được sử dụng với chử
"S" cho nút truyền và "R" cho nút nhận. "X" biểu thị điện kháng và "XC" là viết tắt
của dung nạp đường dây.

Hình 2.1: Hệ thống đơn giản hai nút
Các phương trình mô tả việc công suất từ nút truyền đến nút nhận có thể

được viết như (2.1) và (2.2). Tương tự như vậy, các phương trình phản ứng điện
cũng có thể được viết là (2.3) và (2.4):

Luận văn thạc sĩ

15


Chương 1: Tổng quan

PS =

VS VR
sin δ
X

(2.1)

PR =

VS VR
sin δ
X

(2.2)

VS2 − VS VR cos δ VS2
QS =
−
X

XC

(2.3)

− VR2 − VS VR cos δ VR2
QR =
+
X
XC

(2.4)

Từ phương trình (2.1) và (2.2), việc truyền công suất tác dụng được xác định
bằng điện áp đầu cuối nơi truyền và nhận, điện kháng nối tiếp và góc lệch pha giữa
điện áp đầu cuối nơi truyền và nhận. Thông thường, trong hệ thống, góc công suất
δ là nhỏ (dưới 20 độ); phương trình truyền công suất tác động có thể được rút gọn

PR =

VS VR
VV
δ , PR = S R δ
X
X

(2.5)

Tóm lại, việc truyền công suất tác dụng giữa hai nút trong hệ thống rõ ràng tỉ
lệ với góc lệch giữa hai nút, và công suất đầu truyền bằng với công suất đầu nhận
khi tổn thất trong hệ thống là không đáng kể.

Các phương trình truyền công suất phản kháng phức tạp hơn các phương
trình truyền công suất tác dụng , như đã thấy từ các phương trình (2.3) và (2.4). Tuy
nhiên, vài phép đơn giản có thể làm cho các phương trình đơn giản hơn bằng cách
bỏ qua phần cuối cùng trong phương trình (2.3) và (2.4), cái mà đại diện cho điện
dung ký sinh. Vì vậy, các phương trình trở thành:
QS =

VS2 − VS VR cos δ
X

(2.6)

QR =

− VR2 − VS VR cos δ
X

(2.7)

Luận văn thạc sĩ

16


Chương 1: Tổng quan

Như đã thấy trong phương trình (2.6) và (2.7), khả năng truyền công suất
phản kháng giữa hai nút được xác định bởi biên độ điện áp ở hai nút, điện kháng
nối tiếp của dây và cosine của góc độ công suất giữa hai điểm.
Trong hệ thống hoạt động bình thường, góc công suất giữa hai nút là nhỏ, do

đó phương trình truyền công suất phản kháng có thể được đơn giản thêm:
QS =

VS2 − VS VR
X

(2.8)

QR =

− VR2 − VS VR
X

(2.9)

Từ phương trình (2.8) và (2.9), khả năng truyền công suất phản kháng giữa
hai nút được xác định bởi biên độ điện áp ở hai nút, điện kháng nối tiếp của dây.
Từ phương trình (2.8) và (2.9), ta sẽ thấy rằng công suất phản kháng bình
thường được truyền từ nút có điện áp cao đến nút có điện áp thấp. Tóm lại, công
suất tác dụng luôn luôn chuyển từ góc cao đến góc thấp, trong khi công suất phản
kháng bình thường truyền từ điện áp cao để điện áp thấp.
2.2 ĐIỀU KHIỂN PHÂN BỐ CÔNG SUẤT [3]
Như đã được công nhận ở mục trên rằng, công suất có thể truyền được tăng
lên bằng cách điều chỉnh điện kháng đường dây và góc công suất giữa hai nút. Thực
tế, các phương pháp cơ bản để tăng khả năng truyền tải là bù song song, bù nối tiếp
và điều chỉnh góc pha.
Bù song song và bù nối tiếp là nguyên lý bù công suất phản kháng. Mục đích
của bù công suất phản kháng này là để thay đổi các đặc tính điện tự nhiên của
đường truyền để làm cho nó tương thích hơn với các nhu cầu phụ tải. Bù song song
được áp dụng để duy trì mức điện áp trong hệ thống. Bù nối tiếp thường được sử

dụng để thiết lập ảo đường dây ngắn lại bằng cách giảm cảm kháng đường dây dài.
Điều chỉnh góc pha được sử dụng để kiểm soát các góc của đường dây. Bằng cách
điều khiển trở kháng hoặc góc pha ta có thể điều khiển phân bố công suất trong hệ

Luận văn thạc sĩ

17


Chương 1: Tổng quan

thống. Một cách khác để điều khiển phân bố công suất là đưa vào điện áp thích hợp,
đó là khái niệm cơ bản của nguồn điện áp trên các thiết bị FACTS.
Các khó khăn khác có thể phát sinh nếu tụ nối tiếp được điều khiển một cách
máy móc. Một tụ nối tiếp trên đường dây có thể dẫn đến cộng hưởng dưới đồng bộ.
Điều này có thể làm hỏng trục tua bin của máy phát điện. Vấn đề này có thể được
ngăn chặn với các ứng dụng của bộ điều khiển FACTS.
2.3 GIỚI HẠN TRONG HỆ THỐNG [3]
Đối với độ tin cậy, hệ thống điện phải được hoạt động trong giới hạn truyền
tải. Các giới hạn sẽ hạn chế sự phát và truyền tải công suất tác dụng và công suất
phản kháng trong hệ thống. Chúng thường được chia thành ba loại chính, cụ thể là
nhiệt, điện áp và giới hạn sự ổn định.
2.3.1. Giới hạn nhiệt
Giới hạn nhiệt là do khả năng nhiệt của thiết bị trong hệ thống điện. Khi
công suất truyền tải gia tăng, làm tăng cường độ dòng điện, một điều then chốt gây
nguy hiểm về nhiệt. Ví dụ, trong một nhà máy điện, sự vận hành của các bộ phận
trên mức giới hạn lớn nhất sẽ mà được duy trì lâu dài sẽ gây nên các nguy hiểm về
nhiệt. Các nguy hiểm có thể nằm ở các cuộn dây stator hoặc cuộn dây rotor của máy
phát. Cả hai công suất tác dụng và công suất phản kháng đều liên quan đến cường
độ dòng điện.

Bên ngoài trong hệ thống, các đường dây và thiết bị liên quan cũng phải hoạt
động trong giới hạn nhiệt. Duy trì dòng điện quá mức trên đường dây trên không
dẫn đến dây bị võng do đó biên độ an toàn giảm. Nếu dòng điện quá lớn sẽ làm
hỏng cấu trúc kim loại của dây dẫn vĩnh viễn.
Không giống như các đường dây trên không, cáp ngầm và trạm biến áp còn
phụ thuộc vào cách điện khác hơn so với không khí để tản nhiệt. Những loại thiết bị
này có giới hạn dòng chặt chẽ hơn mới mang đến an toàn . Đối với các trang thiết
bị, duy trì quá tải sẽ dẫn đến việc giảm tuổi thọ do ảnh hưởng đến cách điện. Hầu

Luận văn thạc sĩ

18


Chương 1: Tổng quan

hết các hệ thống thiết bị điện có thể cho phép được quá tải. Khía cạnh quan trọng là
quá tải bao nhiêu và bao lâu.
2.3.2. Giới hạn điện áp
Các thiết bị được thiết kế để hoạt động ở mức điện áp nhất định còn gọi là
điện áp danh định. Nếu thiết bị hoạt động ở mức điện áp lệch quá mức danh định có
thể ảnh hưởng đến việc vận hành, cũng như gây thiệt hại nghiêm trọng đến hệ thống
thiết bị.
Dòng điện chạy qua các đường dây truyền tải có thể làm sụt áp quá lớn tại
đầu nhận của hệ thống. Điện áp này giảm chủ yếu do sự tổn thất lượng lớn công
suất phản kháng, xảy ra khi dòng điện chạy qua hệ thống. Nếu công suất phản
kháng không đủ để cung cấp nhu cầu của hệ thống, điện áp sẽ giảm, ngoài giới hạn
chấp nhận được đó là thường ± 6% trên giá trị danh định.
Hệ thống thường yêu cầu có sự hỗ trợ công suất phản kháng để giúp ngăn
ngừa các vấn đề điện áp thấp. Lượng công suất phản kháng hỗ trợ quyết định giới

hạn truyền tải. Một hệ thống có thể bị hạn chế tới mức thấp hơn so với khả năng của
nó bởi vì hệ thống không có đủ công suất phản kháng dự trữ cần thiết để hỗ trợ đầy
đủ điện áp.
2.3.3. Giới hạn ổn định
Ổn định hệ thống có thể được định nghĩa chung là khả năng của một hệ
thống vẫn trong trạng thái vận hành cân bằng theo điều kiện vận hành bình thường
và trở lại một trạng thái cân bằng có thể chấp nhận được sau khi bị nhiễu loạn. Sự
bất ổn định trong một hệ thống điện có thể được biểu hiện bằng nhiều dạng khác
nhau tùy thuộc vào cấu hình hệ thống và chế độ hoạt động. Thông thường, vấn đề
ổn định là đảm bảo duy trì tất cả các máy đồng bộ được đồng bộ. Khía cạnh này của
sự ổn định là ảnh hưởng bởi góc rotor máy phát điện. Sự ổn định trong hệ thống
điện có thể được chia thành hai loại, đó là ổn định góc và ổn định điện áp.

Luận văn thạc sĩ

19


Chương 1: Tổng quan

Giới hạn ổn định góc những giới hạn được đặt ra để đảm bảo rằng mô-men
của hệ thống và góc công suất vẫn có thể kiểm soát được. Khi một hệ thống không
ổn định góc, công suất và góc mô-men sẽ không còn kiểm soát được. Góc có thể đạt
thay đổi một lượng cao và nhanh trong một phạm vi rộng. Một hệ thống có thể đi
vào một giai đoạn bất ổn định góc sau sự nhiễu loạn lớn trên hệ thống. Sự vận hành
hệ thống mất khả năng kiểm soát truyền tải công suất. Giới hạn ổn định điện áp, nói
cách khác, là giới hạn do thiếu công suất phản kháng. Để hiểu được những giới hạn
cụ thể, ổn định góc sẽ được thảo luận đầu tiên.
Từ phương trình (2.1) và (2.2), dòng công suất tác dụng giữa bất kỳ hai điểm
phụ thuộc vào góc pha. Đồ thị của công suất tác dụng truyền đi theo góc pha được

gọi là đường cong góc công suất. Các đường cong góc công suất là một đồ thị của
lượng MW truyền đi giữa hai nút, khi góc tăng lên thì thì lượng MW cũng tăng lên.
Công suất truyền tối đa giữa hai nút xảy ra tại δ = 90 độ.
Hệ thống vận hành tại điểm giao nhau của đường công suất cơ đầu vào và
đường cong góc công suất tại 100 MW và 35 độ, như trong Hình 2.2. Giả sử công
suất cơ đầu vào là không đổi trong khi góc tăng trên 35 độ. Khi góc tăng lên công
suất điện truyền đi tăng. Công suất điện ra khỏi máy phát lúc này lớn hơn so với
công suất cơ đưa vào, làm cho roto giảm tốc và tần suất của hệ thống giảm. Trong
trường hợp ngược lại, khi góc giảm thì công suất điện giảm. Công suất cơ đưa vào
máy phát điện lớn hơn công suất điện đang được truyền ra, làm cho roto tăng tốc và
tần suất của hệ thống tăng. Sự thay đổi góc chỉ có thể khi có sự tăng hoặc giảm tốc.
Chi tiết về tác động của sự thay đổi góc sẽ được thảo luận trong các trường hợp
khác nhau của hệ thống.

Luận văn thạc sĩ

20


Chương 1: Tổng quan

Hình 2.2: Đường công góc công suất
Việc phân tích ổn định góc hệ thống là một nghiên cứu về thực hiện động lên
hệ thống. Thời gian thực hiện động tùy vào các giá trị thay đổi của dòng điện, điện
áp, góc, và tần số, sau đó là một nhiễu loạn hệ thống lớn hay nhỏ. Sự ổn định góc
được chia thành hai loại: sự ổn định thoáng qua và ổn định tín hiệu nhỏ.
2.3.4. Ổn định thoáng qua
Sự ổn định thoáng qua được định nghĩa là khả năng của hệ thống điện duy trì
tính đồng bộ khi bị nhiễu loạn nghiêm trọng thoáng qua. Nó được xác định bởi hệ
thống đáp ứng lại được với một sự nhiễu loạn nghiêm trọng. Hệ thống là ổn định

thoáng qua nếu nó có thể tiếp tục hoạt động sau nhiễu loạn đầu tiên, ngược lại hệ
thống không ổn định nếu nó không thể đáp ứng lại được. Đối với hệ thống ổn định
thoáng qua, một nhiễu loạn lớn bất ngờ xảy ra, sự giao động góc hệ thống bắt đầu
tăng, nhưng đạt đến một cao điểm và sau đó bắt đầu suy giảm, làm cho hệ thống
thoáng qua ổn định. Sự ổn định phụ thuộc vào cả hai trạng thái vận hành ban đầu
của hệ thống và mức độ nghiêm trọng của nhiễu loạn.

Luận văn thạc sĩ

21


Chương 1: Tổng quan

Để minh họa cho sự ổn định thoáng qua và không ổn định của hệ thống, xem
Hình 2.3, trong đó cho thấy góc dao động của hai hệ thống: ổn định thoáng qua và
không ổn định, sau một nhiễu loạn lớn.

Hình 2.3: Sự lệch góc của hệ thống ổn định (a) và không ổn định (b)
Nhiều hệ thống điện giới hạn sự truyền tải công suất của chúng vì lý do liên
quan đến ổn định quá độ. Nói chung, hệ thống điện với đường dây truyền tải dài và
nhà máy phát ở xa dễ bị mất ổn định thoáng qua.
Cách thức để mà phân tích các giới hạn ổn định quá độ là nghiên cứu sự thay
đổi góc roto của tất cả các máy phát kết nối với hệ thống sau khi hệ thống chịu một
nhiễu lớn. Kỹ thuật tích phân số được sử dụng trong phân tích sự ổn định quá độ
của hệ thống điện.
2.3.5. Ổn định tín hiệu nhỏ
Ổn định tín hiệu nhỏ hay còn gọi là sự ổn định dao động là khả năng của hệ
thống vẫn trong tình trạng đồng bộ sau khi chịu một nhiễu nhỏ. Ổn định dao động
được đặc trưng bởi biên độ và thời gian của hệ dao động. Dao động điện áp, tần số,

Luận văn thạc sĩ

22


Chương 1: Tổng quan

góc và phân bố công suất có thể được gây nên bởi nhiều nguyên nhân khác nhau.
Điều này có thể liên quan đến việc điều khiển máy phát như là trục trặc hệ thống
kích từ. Những dao động này có thể phát triển quá lớn đến lúc hệ thống trở nên dao
động không ổn định.
Dao động bất ổn có thể bắt đầu như một dao động cường độ thấp vô hại.
Cuối cùng, các dao động có thể phát triển quá lớn cho đến khi hệ thống không ổn
định được.
Đường dây truyền tải và máy phát có thể cắt ra do sự dao động. Dao động
bất ổn có thể mất hàng giờ để phát triển hoặc nó có thể xảy ra trong vòng vài giây
sau một sự xáo trộn nghiêm trọng. Hệ thống có thể phục hồi hoặc có thể bước vào
một thời kỳ dao động nghiêm trọng và trở thành dao động không ổn định. Hình 2.4
cho thấy các hệ thống, đó là tín hiệu nhỏ ổn định, dao động ổn định và không ổn
định.

Hình 2.4: Góc lệch của hệ thống dao động tín hiệu nhỏ (a), hệ thống dao động (b),
và hệ thống không ổn định (c)

Luận văn thạc sĩ

23

Chương 1: Tổng quan

Có nhiều nghiên cứu về hệ thống để xác định giới hạn truyền công suất an
toàn. Giới hạn ổn định được xác định bằng cách sử dụng công cụ phần mềm phân
tích máy tính. Toàn bộ hệ thống điện được mô hình hóa để đảm bảo rằng các giới
hạn truyền công suất có thể cho phép không đưa hệ thống đến sự mất ổn định góc.
Ổn định góc khi dao động xảy ra. Thông thường, thiết bị bảo vệ tự động sẽ
kích hoạt để giảm thiểu mức độ nghiêm trọng và lan truyền của nguy hại. Các phần
tử quan trọng mà có thể giúp tốt cho hệ thống về vấn đề ổn định là các thiết bị
FACTS, bộ ổn định hệ thống điện và bù đồng bộ.
2.3.6. Ổn định điện áp
Ổn định điện áp của hệ thống là khả năng của hệ thống duy trì đầy đủ biên
độ điện áp để khi tải tăng lên thì công suất thực sự truyền tải sẽ tăng lên. Các yếu tố
chính gây ra sự mất ổn định điện áp là thiếu nguồn cung cấp công suất phản kháng
trong hệ thống.
Ổn định điện áp có thể được phân thành hai loại: ổn định điện áp tĩnh và ổn
định điện áp động. Trong ổn định động, các nghiên cứu bao gồm các ảnh hưởng
động của các thiết bị như máy biến áp phân áp, động cơ điện cảm ứng, tải, vv…
Trong khi nghiên cứu xem xét sự biến đổi tĩnh tải là một quá trình chậm hơn trong
thời gian dài. Hầu hết các vấn đề tìm thấy trong hệ thống liên quan đến sụp đổ điện
áp là ở trạng thái tĩnh. Nghiên cứu ở trạng thái tĩnh thì thích hợp trong các nghiên
cứu trong hệ thống lớn, hệ thống mà gồm số lượng rất lớn số nút và máy phát điện.
Không ổn định điện áp tĩnh chủ yếu liên quan đến sự mất cân bằng công suất
phản kháng. Dần dần phát triển lây lan trong hệ thống cuối cùng dẫn đến một tình
trạng thiếu công suất phản kháng và giảm điện áp. Hiện tượng này có thể được thấy
từ đồ thị của điện áp tại đầu nhận so với công suất truyền. Đồ thị này được gọi là
đường cong P-V. Hình 2.5 cho thấy ví dụ về trường hợp đường cong P-V của
trường hợp ban đầu và các hệ thống với các thiết bị bù song song khác nhau.

Luận văn thạc sĩ

24


Chương 1: Tổng quan

Hình 2.5: Đường cong PV trường hợp cơ bản và một số bộ mắc Shunt
Khi công suất truyền tăng lên, điện áp tại đầu nhận giảm. Cuối cùng, (mũi)
điểm tới hạn (điểm mà tại đó công suất phản kháng hệ thống thiếu để sử dụng) đạt
được, nơi mà bất kỳ lượng công suất tác dụng gia tăng hơn nữa sẽ dẫn đến biên độ
điện áp giảm rất nhanh chóng. Trước khi đạt đến điểm tới hạn, sự sụt giảm điện áp
lớn do tổn thất nhiều công suất phản kháng. Cách duy nhất để phục hồi hệ thống từ
sự sụp đổ điện áp là giảm tải công suất phản kháng hoặc đưa thêm công suất phản
kháng vào trước khi đến điểm sụp đổ điện áp. Thiết bị FACTS là một nhóm các
thiết bị điện điện tử có thể cung cấp công suất phản kháng cho hệ thống để tăng
biên ổn định điện áp.
Hình 2.6 cho thấy một số giới hạn ổn định khác nhau của hệ thống điện.
Giới hạn nhiệt luôn là cao nhất và có liên quan đến đường dây truyền tải
ngắn đến 160 km. Giới hạn điện áp là luôn luôn cao hơn so với sự ổn định (tạm thời
hoặc tín hiệu nhỏ) giới hạn ổn định. Giới hạn điện áp (ổn định) là ràng buộc cho hệ
thống có chiều dài trung bình từ 160-500 km. Các giới hạn ổn định động là thấp
nhất trong hệ thống và được ràng buộc đối với đường dây dài hơn 500 km.

Luận văn thạc sĩ

25