Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tối ưu điện áp lưới điện phân phối thái nguyên
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.11 MB, 103 trang )
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
--------------------------------------
TRẦN HUY HOÀNG
NGHIÊN CỨU TỐI ƯU ĐIỆN ÁP LƯỚI ĐIỆN
PHÂN PHỐI THÁI NGUYÊN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
KHOA CHUYÊN MÔN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TRƯỞNG KHOA
TS. NGUYỄN MINH Ý
PHỊNG ĐÀO TẠO
Thái Ngun - Năm 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
LỜI CAM ĐOAN
Họ và tên: Trần Huy Hoàng.
Học viên: Lớp cao học K20, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại
học Thái Nguyên.
Nơi công tác: Công ty Điện lực Thái Nguyên.
Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu tối ưu điện áp lưới điện phân
phối Thái Nguyên”.
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện.
Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là
những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn
Minh Ý và sự giúp đỡ của các cán bộ Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật
Công Nghiệp - Đại học Thái Ngun. Mọi thơng tin trích dẫn trong luận văn
này đã được ghi rõ nguồn gốc.
Tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này.
Thái Nguyên, ngày 25 tháng 10 năm
2019
Học viên thực hiện
Trần Huy Hồng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện luận văn này tôi luôn nhận được
sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của TS. Nguyễn Minh Ý, người trực tiếp hướng
dẫn luận văn cho tôi. Tôi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thầy.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ, kỹ thuật viên trường
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp
đỡ tốt nhất để tơi có thể hồn thành đề tài nghiên cứu này. Tôi cũng xin chân
thành cảm ơn những đóng góp quý báu của các bạn cung lớp động viên và
giúp đỡ tơi trong q trình thực hiện đề tài. Xin gửi lời chân thành cảm ơn đến
các cơ quan xí nghiệp đã giúp tơi khảo sát tìm hiểu thực tế và lấy số liệu phục
vụ cho luận văn.
Cuối cùng, tơi xin được bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới gia đình, đồng
nghiệp và bạn bè đã ln động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn cùng tơi trong
suốt q trình học tập và nghiên cứu hồn thiện luận văn này.
Thái Nguyên, ngày 25 tháng 10 năm
2019
Học viên
Trần Huy Hồng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN
MỤC LỤC
Mục lục............................................................................................................iii
Danh mục hình vẽ............................................................................................vi
Danh mục bảng biểu.......................................................................................vii
Danh mục các viết tắt.....................................................................................viii
Mở đầu.............................................................................................................. 1
1. Đặt vấn đề......................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu......................................................................................1
Các mục tiêu cụ thể:..........................................................................................2
3. Nội dung nghiên cứu..................................................................................... 2
4. Kết quả dự kiến............................................................................................. 2
5. Phương pháp nghiên cứu:..............................................................................3
5.1. Phương pháp tiếp cận................................................................................. 3
5.2. Phương pháp nghiên cứu:...........................................................................3
6. Các công cụ, thiết bị nghiên cứu...................................................................3
7. Kế hoạch thực hiện........................................................................................3
Chương 1...........................................................................................................5
Giới thiệu chung................................................................................................5
1.1. Giới thiệu bài toán......................................................................................5
1.1.1. Chất lượng điện năng.............................................................................. 5
1.1.2. Ảnh hưởng của điện áp nút đến phụ tải...................................................7
1.2. Tổng quan tài liệu.......................................................................................9
1.2.1. Những giải pháp điều chỉnh điện áp........................................................9
1.2.2. Những nghiên cứu điều chỉnh điện áp...................................................10
1.3. Đóng góp của đề tài..................................................................................13
Chương 2.........................................................................................................15
Cơ sở lý thuyết................................................................................................ 15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
2.1. Lưới điện phân phối................................................................................. 15
2.2. Bộ điều áp dưới tải (OLTC)..................................................................... 17
2.3. Tụ bù.........................................................................................................21
2.4. Thiết bị ổn định điện áp............................................................................23
2.5. Ứng dụng trong lưới điện phân phối........................................................ 25
2.6. Kết luận.................................................................................................... 26
Chương 3.........................................................................................................27
Bài toán tối ưu điện áp.................................................................................... 27
3.1. Hàm mục tiêu........................................................................................... 27
3.2. Điều kiện rằng buộc................................................................................. 28
3.3. Kết luận.................................................................................................... 30
Chương 4.........................................................................................................31
Phương pháp toán học.....................................................................................31
4.1. Phương pháp newton-raphson..................................................................31
4.1.1. Cơ sở lý thuyết...................................................................................... 31
4.1.2. Phân tích lưới điện.................................................................................33
4.1.3. Thuật tốn Newton-Raphson:................................................................39
4.2. Phương pháp tối ưu bày đàn (PSO)..........................................................40
4.2.1. Cơ sở lý thuyết...................................................................................... 41
4.2.2. Mơ hình tốn học...................................................................................43
4.2.3. Thuật tốn PSO..................................................................................... 44
4.3. Kết luận.................................................................................................... 46
Chương 5.........................................................................................................47
Ứng dụng lưới điện phân phối Thái Nguyên...................................................47
5.1. Lưới điện phân phối Thái Nguyên........................................................... 47
5.2. Thông số cài đặt định mức....................................................................... 51
5.3. Thông số cài đặt tối ưu............................................................................. 55
5.4. Kết luận.................................................................................................... 58
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
Kết luận và hướng phát triển...........................................................................59
1. Kết luận....................................................................................................... 59
2. Hướng phát triển..........................................................................................59
Phụ lục.............................................................................................................60
P.1. Thông sô lưới điện....................................................................................60
P.2. Thông số phụ tải.......................................................................................62
P.3. Lập trình thuật tốn...................................................................................64
P.3.1. Thuật tốn chính PSO............................................................................64
P.3.2. Thuật tốn Newton-Raphson.................................................................66
P.3.3. Tính ma trận tổng dẫn............................................................................70
P4. Bài báo khoa học.......................................................................................72
Tài liệu tham khảo...........................................................................................73
Tài liệu tiếng Việt............................................................................................73
Tài liệu tiếng Anh............................................................................................73
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1. Lưới điện phân phối hình tia...........................................................16
Hình 2.2. Mơ hình đường dây phân phối........................................................ 16
Hình 2.3. Sơ đồ ngun lý OLTC....................................................................18
Hình 2.4. Mơ hình máy biến áp OLTC............................................................19
Hình 2.5. Sơ đồ điều khiển máy biến áp OLTC.............................................. 20
Hình 2.6. Tụ bù SC tại nút j............................................................................ 22
Hình 2.7. Thiết bị ổn định điện áp...................................................................24
Hình 2.8. Thiết bị điều chỉnh điện áp (biên độ).............................................. 24
Hình 2.9. Thiết bị điều chỉnh góc pha (dịch pha)............................................25
Hình 2.10. Phối hợp các thiết bị điều chỉnh điện áp trong lưới điện...............25
Hình 4.1. Cơ sở tốn học phương pháp Newton-Raphson..............................32
Hình 4.2. Hình ảnh di chuyển của đàn chim...................................................41
Hình 4.3. Tương tác giữa cá thể và quần thể khi dịch chuyển........................42
Hình 5.1. Sơ đồ mạng điện 22kV Thinh Đán, Thái Ngun...........................48
Hình 5.2. Cơng suất tác dụng phụ tải nút 1-48................................................49
Hình 5.3. Cơng suất phản kháng phụ tải nút 1-48...........................................49
Hình 5.4. Điện áp lưới điện khi khơng có điều chỉnh..................................... 50
Hình 5.5. Hiệu suất và hệ số cơng suất lưới điện khi khơng có điều chỉnh.. . .51
Hình 5.6. Điện áp lưới điện khi điều chỉnh theo thơng số định mức..............52
Hình 5.7. Hoạt động tụ bù SSC và FSC khi điều chỉnh theo thông số định
mức..................................................................................................................53
Hình 5.9. Hiệu suất và hệ số cơng suất khi điều chỉnh theo thơng số định
mức..................................................................................................................54
Hình 5.10. Điện áp lưới điện khi điều chỉnh tối ưu.........................................56
Hình 5.11. Hoạt động của SSC và FSC khi điều chỉnh tối ưu........................56
Hình 5.12. Hoạt động của OLTC khi điều chỉnh tối ưu.................................. 57
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
Hình 5.13. Hiệu suất và hệ số cơng suất khi điều chỉnh tối ưu.......................58
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1. Loại nút và thông số trong lưới điện...............................................35
Bảng P.1. Thông số đường dây: Điện trở, điện kháng, chiều dài....................60
Bảng P.2. Thông số phụ tải: Cơng suất tác dụng và phản kháng.....................62
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
OLTC
SC
SVR
PV
WT
DES
PF
HTĐ
PT
CT
SSC
FSC
DG
LV
PSO
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN
MỞ ĐẦU
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, các thiết bị điện sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất công nghiệp
ngày càng đa dạng và phong phú về số lượng và chủng loại. Cùng với sự gia tăng
về quy mơ thì các vấn đề kỹ thuật cũng rất được quan tâm, đó là việc nâng cao
chất lượng điện năng ở lưới điện phân phối. Điều này có ảnh hưởng đáng kể đến
chất lượng điện năng và chỉ tiêu kinh tế chung của toàn hệ thống.
Với lưới điện phân phối việc đáp ứng những nhu cầu về chất lượng điện
năng gặp không ít khó khăn, đặc biệt các đường dây sử dụng các cấp điện áp
6kV, 10kV, 22 kV, lấy qua các trạm trung gian 35/6 kV và 35/10kV khơng có hệ
thống điều áp dưới tải. Sự phát triển mạnh mẽ của phụ tải điện ảnh hưởng chất
lượng điện năng ở lưới điện phân phối thể hiện dễ nhận thấy là chất lượng điện
áp. Cụ thể, nếu điện áp đặt vào phụ tải khơng hồn tồn đúng với điện áp định
mức do phụ tải u cầu thì ít hay nhiều tình trạng làm việc của phụ tải cũng trở
nên khơng tốt. Nói cách khác, độ lệch điện áp hay dao động điện áp càng lớn thì
chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của thiết bị dùng điện áp cũng thấp đi ảnh hưởng đến
chất lượng điện năng của hệ thống. Vì vậy việc điều chỉnh điện áp trong lưới
điện phân phối mang tính chất rất cần thiết trong hệ thống điện.
Trên đây là những vấn đề còn tồn tại trong mạng lưới hệ thống điện Việt
Nam nói chung và lưới điện tỉnh Thái Nguyên nói riêng. Do đó, trong đề tài
này chúng tơi tập trung nghiên cứu bài tốn tối ưu điện áp của lưới điện phân
phối nhằm nâng cao chất lượng điện năng và giảm tổn thất trên lưới điện.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Tính tốn thơng số cài đặt tối ưu cho các thiết bị điều chỉnh điện áp trên
lưới điện phân phối như bộ điều áp dưới tải của máy biến áp, tụ bù trạm và tụ
bù đường dây, v.v.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN
Các mục tiêu cụ thể:
-
Xây dựng phần mềm tính tốn thông số cài đặt tối ưu cho các thiết bị
điều khiển điện áp trên lưới phân phối;
-
Nâng cao chất lượng điện năng, giảm dao động điện áp trên lưới điện do
sự biến thiên của phụ tải;
-
Giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối: máy biến áp, đường
dây, v.v.;
-
Ứng dụng thử nghiệm trên mơ hình lưới điện thành phố Thái Nguyên.
3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
-
Nghiên cứu tổng quan về bài toán tối ưu điện áp trên lưới điện phân phối;
-
Nghiên cứu đặc tính các thiết bị điều chỉnh điện áp sử dụng trên lưới
điện phân phối;
-
Xây dựng bài toán tối ưu điện áp tối ưu lưới điện phân phối với hàm mục
tiêu là dao động điện áp và tối giảm hóa tổn thất điện năng với các rằng buộc
về chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật;
-
Xây dựng thuật toán giải bài toán tối ưu điện áp cho lưới điện phân phối;
-
Xây dựng phần mềm tính tốn, mơ phỏng và thử nghiệm bài toán trên
phần mềm chuyên dụng: PSS/E, Matlab, v.v.
4. KẾT QUẢ DỰ KIẾN
-
Phần mềm thuật toán giải bài toán tối ưu điện áp cho lưới điện phân
phối; -Mơ hình lưới điện thành phố Thái Nguyên trên PSS/ADEPT
-
Có thể đăng bài báo khoa học trên tạp chí, hội thảo cấp trường.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
5.1. Phương pháp tiếp cận
Tiếp cận hệ thống: (1) Phân tích đối tượng nghiên cứu thành các phần tử
nhỏ, tiến hành nghiên cứu đặc tính của từng phần tử; (2) Tổng hợp các nhỏ
phần tử trong một hệ thống hoàn chỉnh và nghiên cứu mối liên hệ, rằng buộc
của chúng trên toàn hệ thống.
5.2. Phương pháp nghiên cứu:
- Sử dụng lý thuyết toán học, lý thuyết hệ thống, các định luật cơ bản kỹ
thuật điện, hệ thống điện để:
+
Phân tích và mơ hình hóa lưới điện và các thiết bị điều chỉnh điện áp;
+
Mơ hình tốn học bài toán tối ưu điện áp lưới điện với hàm mục tiêu và
các hàm rằng buộc;
Sử dụng công cụ máy tính và các phần mềm chun dụng để:
+
Mơ phỏng lưới điện phân phối và các thiết bị điều chỉnh điện áp;
+
Xây dựng phầm mềm tính tốn bài tốn tối ưu điện áp cho lưới phân phối;
-Kiểm chứng bài toán trên mơ hình mơ phỏng sử dụng các phần mềm
chun dụng như Matlab/Simulink, PSS/ADEPT.
6. CÁC CÔNG CỤ, THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU
-
Máy tính và các phần mềm chuyên dụng PSS/ADEPT, Matlab/Simulink,
v.v.
7. KẾ HOẠCH THỰC HIỆN
Toàn bộ nội dung của luận văn được dự kiến thực hiện trong 6 tháng kể từ
ngày có quyết định. Kế hoạch thực hiện được cụ thể như sau:
STT
Nội dung thực hiện
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
1
2
3
4
5
6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. GIỚI THIỆU BÀI TOÁN
1.1.1. Chất lượng điện năng
Ngày nay, các thiết bị điện sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất công nghiệp
ngày càng đa dạng và phong phú về số lượng và chủng loại. Cùng với sự gia tăng
về quy mơ thì các vấn đề kỹ thuật cũng rất được quan tâm, đó là việc nâng cao
chất lượng điện năng ở lưới điện phân phối. Điều này có ảnh hưởng đáng kể đến
chất lượng điện năng và chỉ tiêu kinh tế chung của toàn hệ thống.
Điện áp là một chỉ tiêu quan trọng hàng đầu để đánh giá chất lượng điện
năng cung cấp. Thực tế cho thấy chất lượng cung cấp điện bị ảnh hưởng đáng
kể bởi chất lượng điện áp cung cấp cho khách hàng, nó bị tác động bởi các
thơng số trên đường dây khác nhau. Có thể có các dạng như: sự biến đổi dài
hạn của điện áp so với điện áp định mức, điện áp thay đổi đột ngột, những
xung dốc dao động hoặc điện áp ba pha không cân bằng. Hơn nữa tính khơng
đồng đều như tần số thay đổi, sự khơng tuyến tính của hệ thống hoặc trở
kháng phụ tải sẽ làm méo dạng sóng điện áp, các xung nhọn do các thu lơi
sinh ra cũng có thể được lan truyền trong hệ thống cung cấp.
Để ngăn ngừa các hiệu ứng có hại cho thiết bị của hệ thống cung cấp trong
một mức độ nhất định, luật và các quy định khác nhau tồn tại trong các vùng
khác nhau để chắc rằng mức độ của điện áp cung cấp khơng được ra ngồi dung
sai quy định. Các đặc tính của điện áp cung cấp được chỉ rõ trong các tiêu chuẩn
chất lượng điện áp, thường được mô tả bởi tần số, độ lớn, dạng sóng và tính đối
xứng của điện áp 3 pha. Trên thực tế có sự dao động tương đối rộng trong việc
chấp nhận các dung sai có liên quan đến điện áp. Các tiêu chuẩn ln luôn được
phát triển hợp lý để đáp lại sự phát triển của kỹ thuật kinh tế và chính trị.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
Bởi một vài nhân tố ảnh hưởng đến điện áp cung cấp là ngẫu nhiên trong
không gian và thời gian, nên một vài đặc trưng có thể được mơ tả trong các tiêu
chuẩn với các tham số tĩnh để thay thế cho các giới hạn đặc biệt. Một khía cạnh
quan trọng trong việc áp dụng các tiêu chuẩn là để xem xét ở nơi nào và ở đâu
trong mạng cung cấp, các đặc tính của điện áp là định mức. Tiêu chuẩn Châu Âu
EN50160 chỉ rõ các đặc điểm của điện áp ở các đầu cuối cung cấp cho khách
hàng dưới các điều kiện vận hành bình thường. Các đầu cuối cung cấp được định
nghĩa là điểm kết nối của khách hàng nối vào hệ thống công cộng.
EN50160 chỉ ra rằng trong các thành viên của Eropean Communities Cộng đồng Châu Âu, dải biến đổi giá trị hiệu dụng của điện áp cung cấp trong
10
phút (điện áp pha hoặc điện áp dây) là 10% với 95% thời gian trong tuần. Với
hệ thống điện áp 3 pha 4 dây, là 230 V giữa pha và trung tính. Nói đúng ra, điều
này có nghĩa là mỗi tuần có hơn 8 giờ khơng có giới hạn cho giá trị của
điện áp cung cấp. Cũng có một số ý kiến cho rằng dung sai điện áp 10% là
quá rộng.
Ở
Việt Nam, chất lượng điện năng được quy định tại TCVN, Luật Điện lực,
Quy phạm trang bị điện, Tiêu chuẩn kỹ thuật điện và gần đây nhất là Thơng tư
32/2010/TT-BCT:
-
Trong điều kiện vận hành bình thường, điện áp được phép dao động trong
khoảng 5% so với điện áp danh định và được xác định tại phía thứ cấp của máy
biến áp cấp điện cho bên mua hoặc tại vị trí khác do hai bên thỏa thuận trong hợp
đồng khi bên mua đạt hệ số công suất cosφ = 0.85 và thực hiện đúng biểu
đồ phụ tải đã thỏa thuận trong hợp đồng.
-
Trong trường hợp lưới điện chưa ổn định, điện áp được dao động từ +5 %
đến -10 %.
Dao động điện áp là sự biến thiên của điện áp xảy ra trong khoảng thời gian
tương đối ngắn. Phụ tải chịu ảnh hưởng của dao động điện áp không những về
biên độ dao động mà cả về tần số xuất hiện các dao động đó. Nguyên nhân chủ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN
yếu gây ra dao động điện áp là do các thiết bị có cosφ thấp và các phụ tải lớn
làm việc địi hỏi đột biến về tiêu thụ cơng suất tác dụng và cơng suất phản
kháng như: các lị điện hồ quang, các máy hàn, các máy cán thép cỡ lớn, v.v.
Độ lệch điện áp tại phụ tải là giá trị sai lệch giữa điện áp thực tế trên cực
của các thiết bị điện so với điện áp định mức của mạng điện. Độ lệch điện áp
được tiêu chuẩn hóa theo mỗi nước. Ở Việt Nam quy định:
-
Độ lệch cho chiếu sáng công nghiệp và công sở, đèn pha trong giới hạn:
từ –2.5% đến +5 %.
-
Độ lệch cho động cơ: từ –5.5% đến +10%.
-
Các phụ tải còn lại: –5% đến +5%.
Với các sự cố xảy ra trên đường dây truyền tải mặc dù không gây ra mất
điện cho khách hàng do đã được bảo vệ bởi các thiết bị bảo vệ như rơle, máy
cắt tự động, v.v. Tuy nhiên hiện tượng sụt áp vẫn xảy ra. Do đó phải đảm bảo
không được tăng quá 110 % điện áp danh định ở các pha không bị sự cố đến
khi sự cố bị loại trừ. Ngoài ra bên cung cấp và khách hàng cũng có thể thoả
thuận trị số điện áp đấu nối, trị số này có thể cao hơn hoặc thấp hơn các giá trị
được ban hành.
Lưới phân phối hạ áp cấp điện trực tiếp cho hầu hết các thiết bị điện.
Trong lưới phân phối hạ áp các thiết bị điện đều có thể được nối với nó cả về
khơng gian và thời gian (tại bất kỳ vị trí nào, bất kỳ thời gian nào). Vì vậy
trong tồn bộ lưới phân phối hạ áp điện áp phải được thỏa mãn các tiêu chuẩn.
1.1.2. Ảnh hưởng của điện áp nút đến phụ tải
-
Đối với động cơ:
Mô men của động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp U đặt
vào động cơ. Đối với động cơ đồng bộ khi điện áp thay đổi làm cho momen
quay thay đổi, khả năng phát công suất phản kháng của máy phát và máy bù
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN
đồng bộ giảm đi khi điện áp giảm quá 5% so với định mức. Vì vậy bất kỳ sự thay
đổi điện áp nào cũng tác động không tốt đến sự làm việc của các động cơ.
- Đối với thiết bị chiếu sáng:
Các thiết bị chiếu sáng rất nhạy cảm với điện áp, khi điện áp giảm 2.5%
thì quang thơng của đèn dây tóc giảm 9%. Đối với đèn huỳnh quang khi điện
áp tăng 10% thì tuổi thọ của nó giảm (20-25)%, với các đèn có khí, khi điện
áp giảm xuống q 20% định mức thì nó sẽ tắt và nếu duy trì độ tăng điện áp
kéo dài thì có thể cháy bóng đèn. Đối với các đèn hình khi điện áp nhỏ hơn
95% điện áp định mức thì chất lượng hình ảnh bị méo. Các đài phát hoặc thu
vơ tuyến, các thiết bị liên lạc bưu điện, các thiết bị tự động hóa rất nhạy cảm
với sự thay đổi của điện áp. Như khi xảy ra dao động điện áp nó sẽ gây ra dao
động ánh sáng, làm hại mắt người lao động, gây nhiễu máy thu thanh, máy
thu hình và thiết bị điện tử. Chính vì thế độ lệch điện áp cho phép đối với các
thiết bị chiếu sáng và thiết bị điện tử được quy định nhỏ hơn so với các thiết
bị điện khác.
- Các dụng cụ đốt nóng, các bếp điện trở:
Cơng suất tiêu thụ trong các phụ tải loại này tỷ lệ với bình phương điện áp
đặt vào. Khi điện áp giảm hiệu quả đốt nóng của các phần tử giảm rõ rệt. Đối
với các lò điện sự biến đổi điện áp ảnh hưởng nhiều đến đặc tính kinh tế kỹ
thuật của các lị điện.
- Đối với nút phụ tải tổng hợp:
Khi thay đổi điện áp ở nút phụ tải tổng hợp bao gồm các phụ tải thành phần
thì cơng suất tác dụng và phản kháng do nó sử dụng cũng biến đổi theo đường
đặc tính tĩnh của phụ tải. Cơng suất tác dụng ít chịu ảnh hưởng của điện áp so
với công suất phản kháng. Khi điện áp giảm thì cơng suất tác dụng và công suất
phản kháng đều giảm, đến một giá trị điện áp Ugh nào đó, nếu điện áp tiếp tục
giảm cơng suất phản kháng tiêu thụ tăng lên, hậu quả là điện áp lại càng giảm và
phụ tải ngừng làm việc, hiện tượng này gọi là hiện tượng thác điện áp, có
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN
thể xảy ra với một nút phụ tải hay toàn hệ thống điện khi điện áp giảm xuống
(70-80)% so với điện áp định mức ở nút phụ tải. Đây là một sự cố vơ cùng
nguy hiểm cần phải có biện pháp ngăn chặn kịp thời.
-
Đối với hệ thống điện:
Sự biến đổi điện áp ảnh hưởng đến các đặc tính kỹ thuật của hệ thống
điện. Điện áp giảm sẽ làm giảm công suất phản kháng do máy phát điện và
các thiết bị bù sinh ra. Đối với máy biến áp, khi điện áp tăng, làm tăng tổn
thất không tải, tăng độ cảm ứng từ trong lõi thép gây phát nóng cục bộ. Khi
điện áp tăng quá cao có thể chọc thủng cách điện.
1.2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.2.1. Những giải pháp điều chỉnh điện áp
Để duy trì điện áp trên đầu cực thiết bị dùng điện trong miền giới hạn hay
nằm trong phạm vi cho phép chúng ta phải áp dụng các biện pháp điều chỉnh
điện áp để ít nhất có thể bù được các tổn thất điện áp do các phần tử trong các
hệ thống cung cấp điện gây ra và trong nhiều trường hợp chúng ta phải phối
hợp nhiều biện pháp điều chỉnh điện áp với nhau vì có phương pháp điều
chỉnh này có thể cải thiện được thơng số này nhưng lại gây ảnh hưởng không
tốt đến các thông số khác. Nhìn chung, trong các biện pháp điều chỉnh điện áp
hiện nay chúng ta thấy rằng:
Đối với các phương pháp điều chỉnh điện áp ở thanh cái trạm phát điện:
Bằng cách thay đổi kích từ của máy phát điện để điều chỉnh điện áp ở thanh
cái trạm phát điện. Biện pháp này thực hiện đơn giản và có ảnh hưởng chung
trong toàn mạng. Nhưng bất cập ở chỗ, nếu đáp ứng tốt cho phụ tải ở gần thì
lại khơng phù hợp với phụ tải ở xa và ngược lại.
Đối với các máy biến áp trung gian (trạm biến áp trung gian) cấp điện cho
một vùng rộng lớn, thường dùng máy biến áp có điều chỉnh điện áp dưới tải.
Trong trường hợp chỉ có máy biến áp thường thì thanh cái phía hạ áp của máy
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
biến áp của máy biến áp nên đặt các máy đồng bộ công suất lớn để tiến hành
điều chỉnh điện áp.
Điều chỉnh điện áp riêng cho từng điểm trong mạng điện: Ở những nơi
phụ tải yêu cầu cao về điện áp, chúng ta có thể đặt các thiết bị điều chỉnh điện
áp như: máy biến áp có tự động điều chỉnh điện áp, máy bù đồng bộ, tụ điện
tĩnh, v.v. Phương pháp điều chỉnh này thích hợp với yêu cầu của từng phụ tải
và luôn được ưu tiên chú ý sử dụng, song có nhược điểm là phải dùng nhiều
thiết bị điều chỉnh phân tán.
Trong thực tế phải phối hợp giữa điều chỉnh ở trung tâm và cục bộ mạng
điện. Đồng thời ngoài việc dùng các thiết bị điều chỉnh điện áp chúng ta phải
áp dụng các biện pháp tổng hợp khác để đảm bảo lợi ích của tồn hệ thống.
Điện áp tại các điểm nút trong hệ thống được duy trì ở một giá trị định
trước nhờ có những phương thức vận hành hợp lý, chẳng hạn như tận dụng
công suất phản kháng của các máy phát hoặc máy bù đồng bộ, ngăn ngừa quá
tải tại các phần tử của hệ thống điện, tăng và giảm tải hợp lý của những đường
dây truyền tải, chọn tỷ số biến đổi thích hợp ở các máy biến áp hay sử dụng
các thiết bị bù truyền thống và hiện đại để bù lượng công suất phản kháng
nhằm nâng cao chất lượng điện.
1.2.2. Những nghiên cứu điều chỉnh điện áp
Ổn định điện áp và điều khiển là rất quan trọng trong phân phối điện để
đảm bảo hoạt động đáng tin cậy và kinh tế của thiết bị điện. Hiện tại, điều
khiển điện áp tiêu chuẩn phụ thuộc vào bộ điều áp dưới tải (On-load tap
changer, OLTC) của máy biến áp phân phối, tụ điện (Shunt capacitor, SC) và
bộ ổn định điện áp (Step voltage regulator, SVR) để duy trì điện áp của mạng
điện trong phạm vi cho phép (từ 10% đến + 5%). Trong lưới điện phân phối ta
nhận thấy đường dây có công suất phản kháng khá lớn, các phụ tải thay đổi và
đặc biệt hiện nay phát triển thêm các nguồn phân tán( distributed generation
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
DG) đi với nhiều thiết bị phân tán khác nhau, ví dụ, quang điện (Photovoltaic,
PV), tuabin gió (Wind turbine, WT), v.v. và các thiết bị tích trữ năng lượng
phân tán (Distributed energy storage, DES), ví dụ: hệ thống lưu trữ năng
lượng ắc quy (Battery energy storage system, BESS), các loại xe điện
(Electric vehicle, EV, Plug-in hybrid electric vehicle, PHEV), v.v. Vì vậy,
việc điều khiển điện áp trở thành khó khăn hơn trong hệ thống điện phân phối.
Ngoài ra, việc kiểm soát điện áp cũng cần xem xét đến tổn thất điện năng,
dao động điện áp và sự quá tải của các thiết bị điều chỉnh có thể dẫn đến chi
phí bảo trì và thay thế thêm. Có thể nhận thấy sự xuống cấp của OLTC do
trong quá trình làm việc lâu dài dẫn đến cacbon hóa của các tiếp điểm và dầu
cách điện. Độ bền điện môi, mức điện áp và dòng điện qua các tiếp điểm của
OLTC trong quá trình chuyển mạch và ngắn mạch. Giải pháp có thể là một
OLTC điện tử được đề xuất cho phía thứ cấp của máy biến áp khách hàng
trong các mạng điện hạ áp (Low-voltage, LV).
Một OLTC ba pha tách rời có thể điều chỉnh điện áp của từng pha một
cách độc lập được đề xuất; phối hợp với việc cung cấp năng lượng phản
kháng từ PV dựa trên biến tần, nó có thể cải thiện khả năng lưu trữ của nguồn
phân tán vào lưới điện trong khi giảm thiểu tổn thất điện năng, tăng điện áp
trong điều kiện tải không cân bằng. Việc điều khiển phối hợp điều áp dưới tải
OLTC, ổn định điện áp SVR và nguồn phân tán để giải quyết sự tăng điện áp
gây ra bởi sự tham gia nhiều của PV được nghiên cứu. Mục tiêu không chỉ là
duy trì điện áp của mạng lưới phân phối mà còn làm giảm căng thẳng vận
hành của OLTC, giảm tải tối đa và tổn thất điện năng và đảm bảo độ bền cao
của DES bằng cách hạn chế chế độ phóng nạp (Depth of discharge, DoD).
Ngồi ra, sự phối hợp của OLTC và PV dựa trên biến tần được phân tích;
nó cho thấy rằng cả hai chiến lược kiểm sốt cơng suất phản kháng như hệ số
cơng suất cố định (PF), hệ số công suất / công suất, PF(P), volt/var, Q(V), v.v.
và sự tham gia của DG có thể dẫn đến hoạt động chuyển mạch ngồi ý muốn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
của OLTC. Vấn đề tương tự được mở rộng khi xem xét sự ổn định điện áp của
các mạng phân phối; trong đó kiểm sốt Q(V) thường được đề xuất nhưng cũng
có thể dẫn đến các vấn đề khơng ổn định nếu không được thiết kế đúng với các
đơn vị quy định khác. Đề xuất sử dụng điện áp được đo bằng cơ sở hạ tầng đo
lường tiên tiến (Advanced metering infrastructure, AMI) cho các điều khiển
OLTC để cải thiện khả năng lưu trữ của PV cho các mạng phân phối; mối tương
quan của thiết kế OLTC (5 hoặc 9 bước) và khả năng lưu trữ cũng được phân
tích. Việc đánh giá lợi ích OLTC với việc cải tiến mạng LV để áp dụng PV vào
lưới điện, sử dụng các phương pháp ngẫu nhiên để ổn định các vị trí và công suất
của PV, các loại tải và gián đoạn năng lượng mặt trời, kết luận rằng việc cải tiến
mạng lưới rẻ hơn nếu sử dụng PV thấp hơn 70%, nếu không, đầu tư OLTC và
các trung tâm điều khiển từ xa sẽ kinh tế hơn. Việc phân bổ tối ưu DG (vị trí và
cơng suất) cùng với OLTC (vị trí và tỷ lệ) cho các mạng phân phối hình tia với
chức năng mục tiêu là giảm thiểu tổn thất điện năng và độ lệch điện áp được đề
xuất sử dụng thuật tốn di truyền thích ứng (Adaptive genetic algorithm, AGA)
cho chất lượng tốt hơn và tính nhất quán của giải pháp.
Gần đây, hệ thống phân phối hoạt động (Active distribution system, ADS) đã
được đề xuất kết hợp tải DG, DES và tổng hợp có thể hoạt động ở cả chế độ liên
kết và đảo với lưới chính, được gọi là microgrid. Về cơ bản, việc kiểm soát
microgrids được thiết kế dựa trên các điều khiển phân cấp với các cấp chính, cấp
hai và cấp ba để cân bằng cơng suất hoạt động và phản kháng ở các khung thời
gian khác nhau. Nguyên tắc điều khiển chủ yếu dựa trên sự kết hợp của fP
và V-Q, tức là, điều khiển rơi. Điều khiển chính cũng bao gồm điều khiển
dịng điện và điện áp bên trong của các nguồn DG dựa trên biến tần. Có tính
đến tính năng của tỷ lệ X/R thấp trong các mạng LV, các hoạt động kiểm soát
được đề xuất với các hàm f(Q) và V(P) hoặc kết hợp f-(P,Q) và V-(P,Q) thay
vì f(P) và V(Q) như truyền thống. Ưu điểm chính của điều khiển rơi là không
yêu cầu giao tiếp, điều khiển chỉ đáp ứng theo các phép đo cục bộ. Tuy nhiên,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
điều khiển này dẫn đến độ lệch tạm thời của điện áp và tần số do nó đáp ứng
với giá trị trung bình trong các khoảng thời gian và có thể không ổn định với
thay đổi tải lớn và nhanh.
Mặc dù rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện liên quan đến việc kiểm
soát điện áp của các hệ thống phân phối, các ứng dụng trong thực tế vẫn còn
hạn chế. Tiêu chuẩn IEEE 1547-2018 hoạt động về việc tích hợp DG thể hiện
mối lo ngại rằng việc kiểm soát DG có thể gây ảnh hưởng tới các thiết bị điều
chỉnh hiện có khác; theo tiêu chuẩn DG khơng nên thực hiện bất kỳ điều
khiển hoạt động nào trong các mạng phân phối mà chỉ hoạt động như tải âm.
Do đó, các chiến lược điều khiển của PV dựa trên biến tần, ví dụ: PF(P),
Q(V), v.v. khơng được phép trong thực tế. Các nghiên cứu khác chỉ tập trung
vào sự tương tác của tham gia OLTC và DG, sự phóng nạp của DES và khả
năng lưu trữ của DG. Ngoài ra, khái niệm microgrids vẫn còn trong các
nghiên cứu và thử nghiệm thí điểm.
1.3. ĐĨNG GĨP CỦA ĐỀ TÀI
Trong đề tài này, chúng tôi tập trung nghiên cứu cho việc điều khiển tối ưu
điện áp trong hệ thống phân phối thực tế với các thiết bị điều chỉnh tiêu chuẩn
như OLTC, SC và SVR, v.v. được đề xuất. Vấn đề là xác định các giá trị đặt cho
các thiết bị điều chỉnh điện áp nhằm tối ưu hóa vận hành của lưới phân phối
nhằm giảm tổn thất điện năng, kiểm soát độ lệch và dao động điện áp, v.v. Các
giá trị điện áp phải chịu sự rằng buộc của dải điện áp cho phép, công suất của các
đường dây phân phối và máy biến áp, v.v. Do đặc tính quy mơ lớn và phi tuyến
cao của bài tốn, phương pháp tối ưu hóa bày đàn (Particle swarm optimization,
PSO) được đưa ra cho các giải pháp. Sau đó áp dụng cho một hệ thống phân phối
48 nút, 20 MVA, 22 kV, 50 Hz thực tế để thử nghiệm. Kết quả mô phỏng chứng
minh rằng phương pháp được đề xuất có hiệu quả trong việc xác định cài đặt tối
ưu của các thiết bị điều chỉnh điện áp có độ hội tụ cao. Hiệu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Cơng nghệ thông tin – ĐHTN
suất trong hệ thống được thử nghiệm cho thấy ngay cả tổn thất điện năng cũng
không giảm nhiều, chỉ số độ lệch điện áp, dao động điện áp và chế độ làm
việc của OLTC, SC và SVR có thể được cải thiện đáng kể.
Do đó, so với các cơng trình trước đây, đề tài có đóng góp như sau:
-
Mơ hình hóa chi tiết mạng phân phối chung và các thiết bị điều chỉnh
điện áp: OLTC, tụ bù và SVR, v.v.
-
Xây dựng bài toán đề kiểm soát điện áp cho các hệ thống phân phối
chung với nhiều phương án khách quan.
-
Đề xuất thuật toán PSO để giải quyết bài toán tối ưu điện áp với các
thuộc tính phi tuyến.
-
Phương pháp đề xuất được áp dụng hiệu quả trong một hệ thống phân
phối thực tế để cải thiện độ lệch điện áp, dao động và giảm hoạt động của các
thiết bị điều chỉnh điện áp.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI
Hệ thống điện (HTĐ) là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản
xuất, truyền tải và tiêu thụ năng lượng. Các phần tử của HTĐ được chia thành
hai nhóm: Các phần tử lực bao gồm các phần tử làm nhiệm vụ sản xuất, biến
đổi, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng như máy phát điện, đường dây
tải điện và các thiết bị dùng điện. Các phần tử điều khiển bao gồm các phần tử
làm nhiệm vụ điều khiển, điều chỉnh trạng thái HTĐ như điều chỉnh kích từ
máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, điều chỉnh điện áp, bảo vệ rơle, tự động
hóa, v.v. Mỗi phần tử của HTĐ được đặc trưng bởi các thông số, được xác
định về lượng bởi tính chất vật lý của các phần tử, vai trò nhiệm vụ của chúng
thể hiện qua vị trí trên sơ đồ và các mối quan hệ giữa các phần tử.
Căn cứ theo chức năng nhiệm vụ trong HTĐ, Thông tư 32/2010/TT- BCT
quy định phân loại lưới điện:
-
Lưới điện truyền tải: Là phần lưới điện bao gồm các đường dây và trạm
biến áp có cấp điện áp từ 220kV trở lên, các đường dây và trạm biến áp có
điện áp 110kV có chức năng truyền tải để tiếp nhận công suất từ các nhà máy
điện vào hệ thống điện quốc gia.
-
Lưới điện phân phối: Là phần lưới điện bao gồm các đường dây và trạm
biến áp có cấp điện áp từ 35kV trở xuống, các đường dây và trạm biến áp có
điện áp 110kV có chức năng phân phối điện. Lưới phân phối có một số đặc
điểm quan trọng:
+
Trực tiếp đảm bảo chất lượng điện cung cấp cho các hộ phụ tải. Lưới
phân phối trực tiếp cung cấp điện cho các thiết bị điện nên nó ảnh hưởng trực
tiếp đến tuổi thọ, công suất và hiệu quả của các thiết bị điện.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN
