Xác định vị trí và dung lượng của TCSC để cực đại phúc lợi xã hội trong thị trường điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN HUY KHIÊM

XÁC ÐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LUỢNG CỦA TCSC ÐỂ CỰC ÐẠI
PHÚC LỢI XÃ HỘI TRONG THỊ TRUỜNG ÐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN - 60520202

S KC 0 0 4 8 8 9

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN HUY KHIÊM

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG CỦA TCSC ĐỂ
CỰC ĐẠI PHÚC LỢI XÃ HỘI TRONG THỊ TRƯỜNG ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN HUY KHIÊM

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG CỦA TCSC ĐỂ
CỰC ĐẠI PHÚC LỢI XÃ HỘI TRONG THỊ TRƯỜNG ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202
Hướng dẫn khoa học:
TS. DƯƠNG THANH LONG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Nguyễn Huy Khiêm

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1986

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Quê quán: Mộ Đức- Quảng Ngãi

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 15/19A Lê Văn Thọ, Phường 9, Quận Gò Vấp, TP. HCM.
Điện thoại liên lạc: 0979.959.545
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/2005 đến 06/2012

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM
Ngành học: Kỹ thuật điện
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp ĐH : Thiết kế phần điện và thiết kế
chống sét cho nhà máy nhiệt điện.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 06/2012
Người hướng dẫn: TS. Trần Hoàng Lĩnh & TS. Dương Vũ Văn
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian
2012-2014

2014-nay

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

Công ty TNHH Hoàng Trung Kha,
Quận Bình Tân, TP.HCM

Khoa Công Nghệ Điện, Trường ĐH
Công Nghiệp TPHCM

-i-

Kỹ sư điện

Giảng Viên


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 03 năm 2016

Nguyễn Huy Khiêm

-ii-


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy TS. Dương Thanh Long,
người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện
luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy PGS.TS Trương Việt Anh, trường
trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tận tình nhận xét và
đóng góp nhằm hoàn thiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện- Điện Tử
trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, các cán bộ phòng Đào

Tạo đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập và trong quá
trình hoàn thành quyển luận văn này.
Tôi xin cảm ơn các bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên và tạo
mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình đã luôn ở bên tôi và động
viên tôi rất nhiều để tôi hoàn thành khóa học này.

Nguyễn Huy Khiêm

-iii-


TÓM TẮT
Trong thị trường điện cạnh tranh, nghẽn mạch là nguyên nhân chính làm
giảm phúc lợi xã hội. Vì vậy, quản lý nghẽn mạch, cực đại phúc lợi xã hội là một
trong những thách thức kỹ thuật cho người vận hành hệ thống. Nghẽn mạch có
thể được loại bỏ bằng cách nâng cao khả năng truyền tải của lưới điện. TCSC là
một trong những thiết bị hiệu quả trong việc điều khiển trực tiếp dòng công suất,
có thể giúp lưới điện hiện hữu cải thiện đáng kể khả năng truyền tải. Trong đó vị
trí hợp lý của TCSC giữ vai trò quyết định đến hiệu quả vận hành của hệ thống.
Luận văn này đã áp dụng phương pháp mặt cắt tối thiểu để xác định vị trí hợp lý
của TCSC. Kết quả mô phỏng trên hệ thống IEEE 6 nút và 14 nút đã cho thấy,
phương pháp đề nghị có khả năng tìm ra vị trí tốt nhất của TCSC để loại bỏ
nghẽn mạch và cực đại phúc lợi xã hội.

-iv-


ABSTRACT
In a competitive electricity market, Congestion leads to decreasing Social

Welfare. Hence, Congestion management, Social Welfare Maximization is one of
the technical challenges for Independent System Operator (ISO). The congestion
can be eliminated /alleviated by improving transfer capability of the network.
Thyristor controlled series compensators (TCSC), with its ability to directly
control the power flow can be very effective to improve the operation of
transmission network. In which, proper location of TCSC plays key role for
enhancement of system performance. This thesis applied min cut algorithm to
determine proper location of TCSC. Result simulation on IEEE 6-bus and IEEE
14-bus system show that the proposed method is capable of finding the best
location for TCSC installation to eliminate congestion and maximum Social
Welfare.

-v-


MỤC LỤC
Trang tựa

Trang

Quyết định giao đề tài
Phiếu nhận xét luận văn Thạc sĩ của Giảng viên hướng dẫn
Phiếu nhận xét luận văn Thạc sĩ của Giảng viên phản biện
Biên bản chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ
LÝ LỊCH KHOA HỌC ..................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ii
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ iii
TÓM TẮT ....................................................................................................................... iv
ABSTRACT ..................................................................................................................... v
MỤC LỤC ....................................................................................................................... vi

DANH SÁCH CÁC HÌNH ............................................................................................. ix
DANH SÁCH CÁC BẢNG ............................................................................................. x
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................ xi
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN ........................................................................ 1
1.1 Tổng quan: ................................................................................................................. 1
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ................................................................................................. 3
1.3 Các phương pháp nghiên cứu: .................................................................................. 4
1.3.1. Phương pháp tối ưu cổ điển: .............................................................................. 4
1.3.2. Phương pháp dựa trên các tiêu chí kỹ thuật:...................................................... 5
1.3.3. Kỹ thuật tính toán tiến hóa:................................................................................ 7
1.4. Phương pháp giải quyết ............................................................................................ 8
1.5. Giới hạn đề tài ........................................................................................................... 8
1.6. Điểm mới của luận văn ............................................................................................. 8
1.7. Phạm vi ứng dụng ..................................................................................................... 8

-vi-


1.8 Bố cục của luận văn ................................................................................................... 9
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THỊ TRƯỜNG ĐIỆN ............................................... 10
2.1.Giới thiệu.................................................................................................................. 10
2.2. Các mô hình thị trường điện. .................................................................................. 14
2.2.1. Mô hình thị trường điện thế giới. ..................................................................... 14
2.2.2. Mô hình thị trường điện Việt Nam. ................................................................. 16
2.3. Những vấn đề về truyền tải điện trong thị trường điện. ....................................... 17
2.4. Nghẽn mạch truyền tải trong thị trường điện. ......................................................... 20
2.4.1. Khái quát về nghẽn mạch: ............................................................................. 20
2.4.2. Xác định nghẽn mạch. ..................................................................................... 21
2.4.3. Ảnh hưởng của nghẽn mạch. ........................................................................... 21
2.4.4 Quản lý nghẽn mạch trong thị trường điện. ..................................................... 22

2.5 Tổng quan thiết bị FACTS. ...................................................................................... 25
2.5.1 Phân loại thiết bị FACTS. ................................................................................. 27
2.6 TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor)....................................................... 30
2.6.1 Cấu tạo và nguyên lý của TCSC: ...................................................................... 30
2.6.2 Bảo vệ TCSC .................................................................................................... 32
2.6.3 Mô hình điều khiển của TCSC ......................................................................... 33
2.6.4 Mô hình Tĩnh của TCSC. .................................................................................. 34
CHƯƠNG 3: TỐI ƯU HÓA LẮP ĐẶT TCSC ĐỂ CỰC ĐẠI PHÚC LỢI XÃ HỘI. .. 36
3.1 Giới thiệu.................................................................................................................. 36
3.2 Lợi nhuận xã hội. ..................................................................................................... 37
3.3 Giải quyết vấn đề phân bố công suất tối ưu ............................................................. 44
3.4 Phúc lợi xã hội của các thành viên tham gia thị trường ........................................ 45
3.5 Tối ưu hóa vị trí của TCSC. ..................................................................................... 47
3.5.1 Giải thuật mặt cắt tối thiểu. ............................................................................... 48
3.5.2 Mô hình hóa mạng điện sử dụng giải thuật mặt cắt tối thiểu. .......................... 48
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.......................................................................... 54
4.1 Mô phỏng hệ thống điện IEEE 6 nút........................................................................ 54

-vii-


4.2 Mô phỏng hệ thống điện IEEE 14 nút...................................................................... 61
4.2.1 Vận hành hệ thống không có TCSC ................................................................. 64
4.2.2 Vận hành hệ thống có TCSC: ........................................................................... 66
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN ............................................................................................. 72
5.1 Những kết quả đã đạt được trong luận văn: ............................................................. 72
5.2 Hướng phát triển đề tài. ........................................................................................... 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 73
PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 75

-viii-


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1. Mô hình công ty điện lực độc quyền liên kết dọc truyền thống ............................... 11
Hình 2.2 Mô hình cấu trúc thị trường điện. .............................................................................. 12
Hình 2.3. Các cấp độ phát triển thị trường điện Việt Nam. ...................................................... 17
Hình 2.4 Mô hình thị trường điện tập trung. ............................................................................. 20
Hình 2.4.1 Hệ thống 2 nút không ràng buộc. ............................................................................ 24
Hình 2.4.2 Hệ thống 2 nút bị ràng buộc.................................................................................... 24
Hình 2.5. Ứng dụng của FACTS -bù song song (sơ đồ mạch) ................................................. 29
Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo của TCSC. ......................................................................................... 31
Hình 2.6.1: Mô hình hóa đường dây truyền tải có TCSC ......................................................... 35
Hình 3.1 Thặng dư sản xuất ...................................................................................................... 38
Hình 3.2 Thặng dư tiêu thụ. ...................................................................................................... 39
Hình 3.3 Phúc lợi xã hội. .......................................................................................................... 40
Hình 3.4. Thặng dư tiêu thụ và khách hàng trong trường hợp không có ràng buộc. ............ 41
Hình 3.5. Thặng dư tiêu thụ và khách hàng trong trường hợp ............................................... 42
Hình 3.6. Các Thặng dư trong trường hợp có ràng buộc có TCSC. ...................................... 43
Hình 3.7 Mạng điện 5 nút ......................................................................................................... 49
Hình 3.8 Mô hình hóa tương đương ......................................................................................... 49
Hình 3.9 Mô hình hóa tương đương s-1-4-t .............................................................................. 50
Hình 3.10 Mô hình hóa tương đương s-2-4-t ............................................................................ 50
Hình 3.11 Mô hình hóa tương đương s-2-5-t ............................................................................ 50
Hình 3.12 Mô hình hóa tương đương s-3-5-t ............................................................................ 50
Hình 3.13 Mặt cắt tối thiểu ....................................................................................................... 51
Hình 3.14. Lưu đồ xác định mặt cắt tối thiểu ........................................................................... 52
Hình 3.15. Lưu đồ xác định vị trí TCSC để cực đại lợi nhuận xã hội ...................................... 53
Hình 4.1: Hệ thống IEEE 6 nút ................................................................................................. 54
Hình 4.2. Đồ thị công suất biểu kiến ........................................................................................ 59

Hình 4.3. Đồ thị giá nút của hệ thống IEEE 6 nút .................................................................... 59
Hình 4.4: Sơ đồ lưới điện IEEE 14 nút ..................................................................................... 61

-ix-


DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Thông số máy phát ........................................................................................ 55
Bảng 4.2: Thông số phụ tải ............................................................................................ 55
Bảng 4.3: Hàm chi phí máy phát .................................................................................... 55
Bảng 4.4: Hàm lợi nhuận tiêu thụ .................................................................................. 55
Bảng 4.5. Thông số đường dây ...................................................................................... 56
Bảng 4.6: Kết quả mô phỏng của hệ thống IEEE 6 nút ................................................. 57
Bảng 4.7: Dòng công suất nhánh của hệ thống IEEE 6 nút khi có và không có TCSC 58
Bảng 4.8: Lợi nhuận cung cấp và lợi nhuận khách hàng khi có và không có TCSC .... 60
Bảng 4.9: Mặt cắt tối thiểu của hệ thống IEEE 6-nút .................................................... 60
Bảng 4.10. Thông số đường dây .................................................................................... 62
Bảng 4.11: Thông số phụ tải .......................................................................................... 63
Bảng 4.12: Thông số máy phát ...................................................................................... 63
Bảng 4.13: Vận hành hệ thống không có TCSC ............................................................ 64
Bảng 4.14. Dòng công suất nhánh của hệ thống IEEE 14 nút ....................................... 65
Bảng 4.15. Mặt cắt tối thiểu của hệ thống IEEE 14-nút ................................................ 66
Bảng 4.16: Vận hành hệ thống có TCSC ....................................................................... 68
Bảng 4.17: công suất máy phát ứng với mức độ bù khác nhau của TCSC .................... 69
Bảng 4.18: Nhu cầu tiêu thụ ứng với các mức độ bù khác nhau của TCSC .................. 69
Bảng 4.19: Tác động của TCSC ở các cấp độ bù khác nhau khi TCSC lắp đặt tại đường
dây 12 (6-12) .................................................................................................................. 70
Bảng 4.20: Kết quả OPF có và không có TCSC ............................................................ 70
Bảng 4.21: Tác động của TCSC ở các cấp độ bù khác nhau khi TCSC lắp đặt tại đường

dây 11 (6-11) .................................................................................................................. 70

-x-


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AC: Dòng điện xoay chiều.
DC: Dòng điện một chiều.
EVN: Tổng công ty điện lực Việt Nam.
IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers: Viện các kỹ sư điện và điện tử
FACTS: Flexible Alternating Current Transmission System, hệ thống truyền tải điện
xoay chiều linh hoạt.
TCSC: Thyristor Controlled Series Capacitor, bộ bù nối tiếp điều khiển bằng thyristor.
PoolCo: Thị trường điện tập trung.
LMP: Locational Marginal Price: Giá biên nút
GenCos: Công ty phát điện.
ResCos: Retail Sale Company: Công ty bán lẻ.
DisCos: Distribution Company: Công ty phân phối điện.
MCP: Giá minh bạch thị trường
OPF: Optimal Power Flow, Dòng công suất Tối ưu.
ISO: Đơn vị điều hành hệ thống điện độc lập.
SVC: Bộ bù công suất phản kháng tĩnh.
MILP: Lập trình tuyến tính hỗn hợp.
MINLP: Lập trình phi tuyến tính hỗn hợp
TTC: Total Tranfer Capability, Tổng khả năng truyền tải

-xi-


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN

1.1 Tổng quan:
Trong ba thập kỷ qua, các thị trường điện độc quyền trên thế giới đang dần
được thay thế bởi thị trường điện cơ chế mở. Điều đó đã mang lại nhiều lợi ích với
giá điện thấp hơn và dịch vụ tiêu dùng tốt hơn. Xuất phát từ yêu cầu thực tế, khi
nền kinh tế Việt Nam đã và đang hội nhập với nền kinh tế trong khu vực và trên
thế giới thì việc hình thành thị trường điện là một điều tất yếu. Thị trường điện với
cơ chế mở đã đem lại hiệu quả rõ rệt ở các nước và cho thấy những ưu điểm vượt
trội hơn hẳn hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc truyền thống.
Ở Việt Nam, lộ trình cho việc áp dụng thị trường điện đã được Thủ tướng
Chính phủ phê duyệt. Hiện nay, đang áp dụng những bước thí điểm và sau đó tiến
tới xây dựng một thị trường điện cạnh tranh hoàn hảo. Việc xuất hiện thị trường
điện sẽ mang lại nhiều phúc lợi xã hội, khách hàng có quyền lựa chọn nhà cung
cấp điện và có thể mua điện từ các nhà máy có giá bán thấp theo yêu cầu của
mình. Tuy nhiên, cùng với những lợi ích mang lại từ thị trường điện thì nó cũng
tạo ra nhiều thách thức cho người vận hành hệ thống để đảm bảo an ninh vận
hành trong thị trường điện.
Trong thị trường điện, hệ thống truyền tải luôn giữ một vai trò quan trọng
trong việc truyền tải công suất và thường bị điều khiển bằng hoặc thậm chí vượt
quá giới hạn nhiệt của chúng để đáp ứng sự gia tăng nhu cầu tiêu thụ điện năng
và các giao dịch do sự gia tăng công suất không có trong kế hoạch. Nếu sự thay
đổi không được kiểm soát, một số đường dây có thể trở nên quá tải (nghẽn mạch).
Nghẽn mạch làm cho giá điện khác nhau đáng kể giữa các vùng xung quanh sự
nghẽn mạch này. Điều này là nguyên nhân chính làm méo dạng thị trường và
giảm phúc lợi xã hội. Mục tiêu chính của thị trường điện là nâng cao phúc lợi xã
hội. Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu phụ tải và thị trường điện, và để loại trừ nghẽn
mạch, cực đại phúc lợi xã hội, cần phải xây dựng mới các đường dây truyền tải.
Nhưng việc này thường sẽ gặp nhiều khó khăn và xem như là khó có khả năng

-1-

thực hiện. Hơn nữa việc điều tiết chính sách nhà nước và môi trường làm tăng
thêm khó khăn trong việc nâng cấp mạng điện. Do đó, việc nghiên cứu nâng cao
khả năng truyền tải của lưới điện hiện có để duy trì phân bố công suất giữa nguồn
và phụ tải mà không làm ảnh hưởng đến các đường dây truyền tải khác hoặc đến
khách hàng tiêu thụ điện trong hệ thống đã trở thành một vấn đề quan trọng đối với
các hệ thống độc lập điều hành ISO trong thị trường điện mới hiện nay.
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. Có nhiều phương pháp để giải quyết bài toán quá tải như: Điều chỉnh 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…
Hiện nay Các thiết bị FACTS (Flexible Alternating Current Transmission
System) được sử dụng để điều khiển điện áp truyền tải, phân bố công suất, giảm tổn
thất phản kháng, và làm giảm dao động công suất hệ thống cho các mức truyền tải
công suất cao, đặc biệt là tăng khả năng truyền tải công suất. Vì vậy, lắp đặt các bộ
điều khiển FACTS nhằm điều khiển tốt hơn trong hệ thống điện cần phải được xem
xét, trong đó việc lắp đặt thích hợp các thiết bị FACTS trở thành quan trọng. Nếu
lắp đặt không thích hợp các bộ điều khiển FACTS làm giảm đặc tính tối ưu thu
được và có thể làm mất đi tính hữu ích.
Từ những khó khăn trong quản lý, vận hành hệ thống điện và tính năng của
FACTS thì việc sử dụng hiệu quả thiết bị FACTS trên đường dây truyền tải là rất
cần thiết. Trong đó việc xác định vị trí tối ưu của thiết bị FACTS nhằm nâng cao
khả năng truyền tải công suất trên đường dây giữ một vai trò rất quan trọng trong hệ
thống điện hiện nay.
Những lợi ích của các thiết bị FACTS đã được ghi nhận và sử dụng rộng rãi
bởi các hệ thống điện trên Thế giới. Tuy nhiên, thách thức hiện nay là làm thể nào

-2-


để sử dụng có hiệu quả từ các thiết bị này. Để giài quyết vấn đề này cần phải giải
quyết các câu hỏi sau:
 Loại thiết bị FACTS nào cần được lắp đặt ?
 Số lượng thiết bị FACTS cần lắp đặt?
 Vị trí lắp đặt tối ưu?
 Dung lượng của FACTS?
 Chi phí lắp đặt?
Trong đó, các nghiên cứu chỉ ra rằng hiệu quả của việc lắp đặt thiết bị
FACTS cho các mục đích khác nhau chủ yếu phụ thuộc vào vị trí của thiết bị. Do
đó, vấn đề đặt ra đối với ISO là vị trí nào của FACTS nên được lắp đặt để đạt được
mục tiêu? Nhiều nghiên cứu đã được đề xuất để cải thiện hiệu quả vận hành hệ
thống thông qua vị trí tối ưu của thiết bị FACTS, tuy nhiên những nghiên cứu này
vẫn chưa giới hạn không gian tìm kiếm một cách hiệu quả.
Từ những phân tích trên, việc nghiên cứu đề tài “ Xác định vị trí và dung
lượng của TCSC để cực đại phúc lợi xã hội trong thị trường điện” là nhu cầu
cấp thiết và cũng phù hợp với tình hình thực tế và việc phát triển ngành điện tại
Việt Nam. Một thuật toán mặt cắt tối thiểu được áp dụng trong luận văn này để xác
định vị trí thích hợp của TCSC. Phương pháp đề xuất có thể xác định vị trí nghẽn
mạch của hệ thống, từ đó giúp cho ISO có thể đưa ra nhiều giải pháp giúp hệ thống
vận hành một cách an toàn và hiệu quả hơn. Sử dụng phương pháp này có thể làm
giảm không gian tìm kiếm, số lượng nhánh cần được xem xét để xác định vị trí của
FACTS được giảm đáng kể.
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ

- Phân tích cực đại phúc lợi xã hội trong thị trường điện.
- Trình bày nguyên lý hoạt động của thiết bị TCSC.
- Ứng dụng phần mềm Matpower tính giá nút và xác định phúc lợi xã hội.

- Tối ưu hóa lắp đặt TCSC để cực đại phúc lợi xã hội.
- Ứng dụng trên lưới điện chuẩn IEEE.

-3-


1.3 Các phương pháp nghiên cứu:
Các mô hình và các ứng dụng của các thiết bị FACTS trong vận hành hệ
thống điện đã được phân tích trong những năm gần đây [12], [18], [20]. Trong tài
liệu tham khảo [9] Chung và các cộng sự đã đề nghị một mô hình tải tương đương
cho TCSC, TCPST và UPFC trong bài toán phân bố công suất tối ưu. Varma trong
[13] cũng cung cấp một cái nhìn tổng quan về các cấu hình điều khiển và nguyên
tắc hoạt động của các loại thiết bị FACTS khác nhau. Ứng dụng các thiết bị FACTS
trong điều độ kinh tế, các nghiên cứu ứng dụng phân bố công suất tối ưu OPF cũng
được nghiên cứu rộng rãi. Trong vận hành tái cấu trúc của hệ thống điện, việc nâng
cao tổng công suất truyền tải (TTC) của lưới điện, tránh tình trạng tắc nghẽn càng
trở nên quan trọng. Kể từ khi thiết bị FACTS có nhiều ảnh hưởng đến sự truyền tải
điện, nó đã được xem như giải pháp chính trong nỗ lực để giải quyết những khó
khăn về sự quản lý truyền tải, nghẽn mạch Hệ thống điện.
* Các phương pháp hiện nay để giải quyết vấn đề vị trí FACTS:
Một số phương pháp nghiên cứu lắp đặt các thiết bị FACTS để tối ưu vận
hành hệ thống điện đã được đề nghị. Nhưng chủ yếu, các công trình nghiên cứu này
thường tập trung vào các phương pháp và kỹ thuật sau: phương pháp tối ưu cổ điển,
phương pháp dựa trên các tiêu chí kỹ thuật và kỹ thuật tiến hóa.
1.3.1. Phương pháp tối ưu cổ điển:
Lý thuyết tối ưu cổ điển thường được áp dụng trong các nghiên cứu lắp đặt
các thiết bị FACTS, đó là lập trình tuyến tính hỗn hợp (MILP) và lập trình phi tuyến
tính hỗn hợp (MINLP). Trong lập trình tuyến tính hỗn hợp, cách tiếp cận dựa trên
dòng điện DC cho phép hệ thống điện được xác nhận một cách tuyến tính. Hiệu quả
của hệ thống được phân tích trong điều kiện trạng thái ổn định có xét đến khả năng

mang tải tối đa và tổng khả năng truyền tải (TTC) của hệ thống. Phương pháp DC
này cũng đã được sử dụng bởi Aygen và Abur trong [9], trong đó tác giả đã sử dụng
DC OPF để tìm ra vị trí tối ưu của thiết bị TCPS. Trong một nghiên cứu khác ở tài
liệu[12], Kazemi và Sharifi tìm vị trí tối ưu của thiết bị TCPST để tối đa hóa phúc
lợi xã hội sử dụng dòng tải DC và lập trình bậc hai.

-4-


Cách tiếp cận trong lập trình tuyến tính hỗn hợp MILP chỉ ra rằng quá trình
tối ưu hóa được thực hiện một cách hiệu quả. Tuy nhiên phương pháp DC này là
không thích hợp để thực hiện phân tích tổng thể, do đó mô hình AC nên được xem
xét và vấn đề lúc này là nghiên cứu trong phương trình phi tuyến tính hỗn hợp
(MINLP).
Đối với việc xây dựng dựa trên MINLP, phân bố tối ưu các thiết bị FACTS
được xác định làm tiêu chí chính, cùng với giá điện tại các thị trường mở, điều độ
kinh tế tối ưu, tổn thất truyền tải và nâng cao an ninh Hệ Thống Điện. Đặc biệt
trong trường hợp xét đến an ninh, vấn đề càng phức tạp hơn khi một số trạng thái
được xác định để mô tả hoạt động của hệ thống điện (bình thường, sụp đổ, sửa
chữa, và phòng ngừa). Hơn nữa, tính khả thi của vấn đề phải được đảm bảo bằng
cách xem xét cắt bớt tải như là một giải pháp cuối cùng để tránh sự sụp đổ điện áp
hệ thống.
Trong các nghiên cứu, thuật toán sử dụng để giải quyết các vấn đề tối ưu hóa
là phân tích Benders, bao gồm tách các vấn đề chính thành nhiều vấn đề phụ đơn
giản hơn để giải quyết. Tuy nhiên, trong trường hợp xét đến an ninh Hệ Thống
Điện, sự phức tạp của vấn đề đòi hỏi quá trình tối ưu hóa cần sự hỗ trợ bởi GA [17].
Các kết luận chính về việc xây dựng phương trình phi tuyến tính hỗn hợp chỉ ra
rằng không phụ thuộc vào kích thước và không lồi của vấn đề, mà phụ thuộc vào
các thông số hệ thống, là những vấn đề quan trọng có thể gây ra một sự hội tụ trong
các thuật toán.

1.3.2. Phương pháp dựa trên các tiêu chí kỹ thuật:
Một nhóm các phương pháp đã được sử dụng để giải quyết việc lắp đặt các
thiết bị FACTS dựa trên các tiêu chí kỹ thuật thuần túy, đặc biệt, phân tích độ nhạy
trong các bài toán nâng cao hiệu quả ổn định tỉnh và phân tích phương thức (modal)
cho các bài toán ổn định động hệ thống điện.
-

Phân tích độ nhạy:
Phân tích độ nhạy là một thuật ngữ được sử dụng rộng rãi để mô tả quá trình

phân tích dựa trên đánh giá sự thay đổi tỉ số của một nhóm biến trong một hệ thống

-5-


đối với các nhóm biến khác. Có rất nhiều cách khác nhau để thực hiện các phân
tích, phụ thuộc vào các biến được lựa chọn và phương pháp sử dụng để tính toán độ
nhạy. Một mặt, từ quan điểm của lý thuyết tối ưu cổ điển, độ nhạy có thể được tính
toán bằng cách sử dụng phương pháp nhân tử Lagrange [20], trong đó cung cấp sự
thay đổi tỉ số về số lượng được tối ưu hóa như là một hàm của biến cụ thể. Mặt
khác, mức độ khác nhau của sự thay đổi có thể tùy thuộc vào ứng dụng. Vì vậy có
nhiều chỉ số hiệu quả có thể được định nghĩa như các chỉ số hiệu quả. Ví dụ, chỉ số
này xem xét các đạo hàm của các phương trình công suất đối với các trạng thái tĩnh
của các thiết bị FACTS. Nghiên cứu của Singh và David [9] xem xét chi phí TCSC
và TCPST cùng với các chi phí sản xuất trong hàm mục tiêu và giải quyết các vấn
đề tối ưu hóa bằng phương pháp độ nhạy; dựa trên đó, đầu tiên độ nhạy mỗi đường
dây được đánh giá thông qua điều độ tối ưu bỏ qua giới hạn đường dây và các thiết
bị FACTS. Sau đó mới tính đến các yếu tố tính toán cho các thiết bị FACTS đặt
trong mỗi nhánh một khoảng một thời gian và cuối cùng tối ưu được giải quyết để
chọn vị trí và thông số cài đặt cho vấn đề đặt ra. Và chỉ số đó chỉ xét trong trường

hợp đơn sự cố. Chỉ số này cũng đã xem xét các tỷ lệ phần trăm của tình trạng quá
tải tại các nhánh của hệ thống có xét đến các dự phòng khác nhau có thể xảy ra cho
từng nhánh. Các nghiên cứu khác cũng đưa ra một phương pháp hai bước; bước đầu
tiên là xác định vị trí tối ưu của TCSC và TCPST; bước tiếp theo, dung lượng cài
đặt của các thiết thiết bị sẽ được tối ưu hóa. Phương pháp này dựa trên độ nhạy của
các mục tiêu: sự tổn thất trên đường dây truyền tải, tổng số tổn thất công suất tác
dụng.
Đối với sự ổn định quá độ, một phân tích độ nhạy dựa trên tiêu chí thời gian
giải trừ sự cố (CCT) được đề xuất để tối ưu lắp đặt TCSC trong hệ thống 10 nút
[10]. Các thiết bị FACTS được lắp đặt tại những đường dây mà có thể cải thiện
CCT là lớn nhất. Tất cả các chỉ số định nghĩa ở trên, ngoại trừ các nhân tử
Lagrange, phù hợp cho phương pháp để đánh giá tác động của các thiết bị FACTS
trong hệ thống. Tuy nhiên, cần phải tìm vị trí tốt nhất cho từng thiết bị ở mỗi trường
hợp mới đánh giá đầy đủ tính năng hiệu quả của các thiết đó. Do đó, cơ sở của

-6-


phương pháp phân tích độ nhạy này là thiếu trong việc xây dựng và thực hiện một
quá trình tìm kiếm thích hợp nhằm giảm thời gian, không gian tìm kiếm. Ngoài ra,
các phương pháp đánh giá chỉ số độ nhạy một cách độc lập cho mỗi thiết bị FACTS
không thể đánh giá các ảnh hưởng kết hợp của một số các thiết bị được cài đặt trong
hệ thống.
-

Phân tích phương thức:
Phân tích phương thức là phương pháp kỹ thuật thường được sử dụng để lắp

đặt các thiết bị FACTS khi các điều kiện quá độ và ổn định hệ thống điện được xem
xét. Do phương pháp phân tích phương thức naybao gồm tính toán các giá trị riêng

và vectơ riêng. Phương pháp này là không thích hợp cho các hệ thống điện lớn.
Việc mở rộng phương pháp Phillips-Heffron [12], có thể xử lý các hệ thống điện
lớn hơn bằng cách giảm thứ tự các ma trận đến một số không lớn hơn số lượng các
máy phát có trong hệ thống. Tuy nhiên phương pháp này được sử dụng đối với hệ
thống điện rất nhỏ gồm 5 nút và 3 máy phát. Nhìn chung, các phương pháp phân
tích phương thức cung cấp tính khả thi về kỹ thuật nhưng lại không đảm bảo về tính
tối ưu của các giải pháp. Hơn nữa, có một sự khác biệt khi cả hai trạng thái ổn định
và phân tích quá độ làm cho phương pháp không thích hợp để tối ưu hóa đa mục
tiêu.
1.3.3 Kỹ thuật tính toán tiến hóa:
Nhóm phương pháp này giải quyết vấn đề tối ưu phân bổ các thiết bị FACTS
dựa trên các kỹ thuật tính toán tiến hóa như GA, PSO, SA, TS và EP [9-15]. Trong
trường hợp này, mục tiêu chính là để tìm ra sự tối ưu, số lượng, kích thước, và vị trí
cho các thiết bị FACTS trong hệ thống. Để đạt được mục tiêu này, một số tiêu chí
được coi như khả năng truyền tải, cực tiểu chi phí lắp đặt, cực tiểu tổn thất truyền
tải, cải thiện lợi nhuận, và tối đa hóa tổng khả năng truyền tải TTC. Một số nghiên
cứu bao gồm phân tích dự phòng N-1 và điều độ máy phát trong thị trường điện.
Nghiên cứu này chủ yếu giới hạn trong điều kiện trạng thái hệ thống điện ổn định;
chỉ hai trường hợp có xét phân tích trạng thái động của hệ thống điện. Một trong
những trường hợp này là nghiên cứu phân tích quá độ không xét lắp đặt các thiết bị

-7-


FACTS nhưng để xác định các thiết lập điều khiển tối ưu cho sự ổn định hệ thống
điện (PSS). Các nghiên cứu khác sử dụng phân tích tín hiệu nhỏ để xác định vị trí
tối ưu và các loại thiết bị FACTS. Hàm mục tiêu được xây dựng dựa trên 3 hệ số:
hệ số vượt lố, tỷ số dao động, và một hàm phạt cho những giá trị riêng không ổn
định.
Một số kỹ thuật tính toán tiến hóa và các phương pháp lai hỗn hợp khác có

thể được sử dụng để giải quyết các vấn đề tối ưu hệ thống điện nhưng kết quả phụ
thuộc rất nhiều vào bản chất của vấn đề và các thuật toán. Nói chung các kỹ thuật
tính toán tiến hóa thực hiện tốt trong việc giải quyết các vấn đề phi tuyến tính. Tuy
nhiên, khả năng mở rộng của các phương pháp cũng như các ứng dụng của nó để
phân tích sự quá độ và ổn định cần phải làm rõ thêm.
1.4. Phương pháp giải quyết
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết.
- Giải tích và mô phỏng toán học.
- Sử dụng phần Matlab, phần mềm Matpower.
1.5. Giới hạn đề tài
- Mô phỏng trên hệ thống IEEE 6 bus và IEEE 14 bus.
- Sử dụng phần mềm Matlab, phần mềm Matpower.
1.6. Điểm mới của luận văn

- Xây dựng thuật toán xác định vị trí và dung lượng của TCSC để cực đại
phúc lợi xã hội.
1.7 Phạm vi ứng dụng
- Ứng dụng cho các mô hình hay lưới điện bất kỳ.
-

Ứng dụng cho các lưới điện IEEE mẫu

-

Làm tài liệu tham khảo khi vận hành lưới điện với thiết bị FACTS.

-

Làm tài liệu tham khảo cho bài giảng môn học hệ thống điện.

-8-


1.8 Bố cục của luận văn
- Chương 1: Giới thiệu luận văn.
- Chương 2: Tổng quan về thị trường điện, nghẽn mạch truyền tải và
FACTS
- Chương 3: Tối ưu hóa lắp đặt TCSC để cực đại phúc lợi xã hội.
- Chương 4: Kết quả mô phỏng.
- Chương 5: Kết luận.

-9-


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THỊ TRƯỜNG ĐIỆN,
NGHẼN MẠCH TRUYỀN TẢI VÀ FACTS

2.1.

Giới thiệu.
Theo truyền thống, các hoạt động của hệ thống điện chịu sự chi phối bởi

công ty Điện lực Quốc gia. Công ty này độc quyền chiếm lĩnh toàn bộ lĩnh vực sản
xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng. Cấu trúc hoạt động đó được xem
như là mô hình hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc. Mô hình hoạt động
độc quyền này đã không tạo ra được tính cạnh tranh bình đẳng giữa các doanh
nghiệp và làm giảm hiệu quả kinh tế. Để loại bỏ những mặt hạn chế của thị trường
độc quyền, nhiều quốc gia buộc phải sắp xếp lại ngành điện của họ để nâng cao hiệu
quả kinh tế trong vận hành hệ thống điện. Mục tiêu của việc thay đổi cách thức vận
hành, nghĩa là điều tiết lại để nâng cao tính cạnh tranh và mang đến cho người tiêu

thụ những lựa chọn mới và lợi ích kinh tế. Dưới môi trường điều tiết, cơ cấu tổ chức
ngành dọc trước đó mà điều hành tất cả các chức năng bao gồm phát điện, truyền
tải, phân phối và bán lẻ bị tách ra thành các công ty riêng biệt phục vụ cho mỗi chức
năng.
Mặc dù quá trình cải tổ cơ cấu tổ chức và thiết lập cạnh tranh trong ngành
công nghiệp điện ở một số nước trên thế giới đã thực hiện được nhiều năm và còn
nhiều nước khác đang và sẽ tiếp tục triển khai, nhưng cho đến nay chưa có một mô
hình thống nhất cho thị trường điện ở tất cả các quốc gia. Tuy vậy, Những cải cách
ngành công nghiệp điện trên toàn thế giới được xem như là một điều kiện cần thiết
để tăng tính hiệu quả sản xuất năng lượng điện, truyền tải, phân phối và cung cấp
một mức giá hợp lý hơn, chất lượng cao hơn và sản phẩm an toàn hơn cho khách
hàng. Ngoài ra, việc quản lý tắc nghẽn để giảm thiểu những hạn chế của việc truyền
tải điện trong thị trường điện độc quyền đã trở thành một yêu cầu của hệ thống điều
hành độc lập.
Công nghiệp điện giờ đây đã phát triển thành ngành công nghiệp cung cấp và
cạnh tranh. Thị trường đóng vai trò quyết định giá cả, giảm chi phí cơ bản để tăng

-10-


tính cạnh tranh. Việc tái thiết thực sự trở nên cần thiết để phân tách ba thành phần
quan trọng của công nghiệp điện bao gồm: sản xuất, truyền tải và phân phối. Do đó,
việc tách rời truyền tải được coi là ứng dụng phù hợp nhất đáp ứng được biểu giá
quy định và huy động tối đa các nguồn lực cho phát triển lưới điện.

Hình 2.1. Mô hình công ty điện lực độc quyền liên kết dọc truyền thống

-11-