Tài liệu Nguyên cứu vị trí tối ưu TCSC để nâng cao khả năng tải của hệ thống

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

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

TRÌNH TRẦN HƯƠNG

NGHIÊN CỨU VỊ TRÍ TỐI ƯU TCSC ĐỂ NÂNG
CAO KHẢ NĂNG TẢI CỦA HỆ THỐNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
Mã ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH

TP. HCM, tháng 03 năm 2015


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH
( chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 21 tháng 03 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1

TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt

Chủ tịch

2

PGS.TS. Ngô Cao Cường

Phản biện 1

3

TS. Hồ Văn Hiến

Phản biện 2

4

PGS.TS. Quyền Huy Ánh

5

TS. Trần Vinh Tịnh

Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

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


TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP. HCM
PHỊNG QLKH – ĐTSĐH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 20 tháng 01 năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trình Trần Hương

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 21/02/1990

Nơi sinh: Phú Yên

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV:1341830015

I- Tên đề tài:
NGUYÊN CỨU VỊ TRÍ TỐI ƯU TCSC ĐỂ NÂNG CAO KHẢ NĂNG TẢI CỦA

HỆ THỐNG
II- Nhiệm vụ và nội dung:
Xây dựng thuật toán xác định vị trí và dung lượng của TCSC để nâng cao
khả năng mang tải của hệ thống điện.
III- Ngày giao nhiệm vụ: ngày 18 tháng 08 năm 2014
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: ngày 20 tháng 01 năm 2015
V- Cán bộ hướng dẫn: (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên) ...............................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS. TRƯƠNG VIỆT ANH

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


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu về “Nguyên cứu vị trí tối ưu
TCSC để nâng cao khả năng tải của hệ thống” của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.
Tơi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thơng tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)

Trình Trần Hương


ii

LỜI CÁM ƠN
Để hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ đúng thời hạn, bên cạnh sự cố gắng của bản
thân cịn có sự hướng dẫn nhiệt tình của q thầy cô, cũng như sự động viên ủng hộ
của gia đình và bạn bè trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và thực hiện luận
văn.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS. Trương Việt
Anh và gia đình đã hết lịng giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tơi hồn thành
luận văn này.
Xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn đến tồn thể quý thầy cô Trường Đại học
Công Nghệ thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý
báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập nghiên
cứu tại trường. Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người đã
khơng ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời
gian học tập và thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến các anh chị và các bạn đồng
nghiệp đã hỗ trợ cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và thực hiện luận
văn một cách hồn chỉnh.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 01 năm 2015
Người thực hiện luận văn

Trình Trần Hương


iii

TĨM TẮT
Những hệ thống điện hiện hữu ln tồn tại các nhánh xung yếu nhất có khả
năng dẫn đến quá tải thường xuyên. Khi mạng lưới truyền tải điện bị quá tải đó là
một trong những nguyên nhân đẩy giá thành sản xuất và bán điện tăng cao. Bằng
nhiều giải pháp, các nhà cung cấp điện ln tìm cách giảm chi phí sản xuất điện
năng khi bị sự cố quá tải về gần với chi phí lúc bình thường. Một trong những giải
pháp được đề cập trong nội dung nghiên cứu “Nguyên cứu vị trí tối ưu của TCSC để
nâng cao khả năng tải của hệ thống” là ứng dụng tính hiệu quả của TCSC trong điều
khiển dịng cơng suất trên lưới để chống quá tải. Để giải quyết bài tốn đặt ra, nội
dung nghiên cứu được trình bày trong năm chương.
Nghiên cứu lý thuyết mặt cắt tối thiểu, ứng dụng giải thuật max-flow và
matlap để xác định tập hợp những nhánh yếu nhất của hệ thống điện mở ra nhiều
hướng nghiên cứu mới cho bài toán chống quá tải. Nội dung nghiên cứu cũng chỉ ra
rằng: vấn đề trọng tâm của bài toán chống quá tải là làm sao xác định được điểm
thường xuyên bị quá tải và xác định vị trí, dung lượng hợp lý đặt TCSC để nâng cao
khả năng tải trên hệ thống điện.
Tính hiệu quả và khả năng ứng dụng của giải pháp đã đề xuất được kiểm
chứng trên các hệ thống điện ba nút, bảy nút, mười bốn nút của IEEE 30 nút.


iv

ABSTRACT
The existing power system always exists the most critical branch is likely to
lead to overload often. When the network is overloaded transmission which is one
of the reasons that pushed the cost of production and sale of electricity to rise. By
many measures, the power supply is always looking for ways to reduce the cost of
producing power when the incident overload close to the usual cost. One of the
solutions mentioned in content research "Central Research optimal placement of

TCSC to improve system load" is the effective application of the TCSC control
power flows on the grid to fight overload. To solve the problem posed, the research
content is presented in five chapters.
Research minimum theoretical section, the application max-flow algorithm
and matlap to identify the weakest set of branches of power system opens up new
research avenues for anti-overload problem. Contents study also indicated that the
central issue of anti-overload problem is how to determine the point frequently
overloaded and determine the location, size TCSC reasonable set to improve the
load on power system.
The effectiveness and applicability of the proposed solution has been tested
on the three-button system, seven buttons, fourteen of the IEEE 30-bus.


v

MỤC LỤC
Lời cam đoan................................................................................................. iv
Lời cảm ơn..................................................................................................... v
Tóm tắt......................................................................................................... .vi
Abstract ....................................................................................................... vii
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN .............................................................. 1
1.1 Đặt vấn đề ....................................................................................................... 1
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ ...................................................................................... 2
1.3 Phương pháp giải quyết .................................................................................. 3
1.4 Giới hạn đề tài ................................................................................................ 3
1.5 Điểm mới của luận văn ................................................................................... 3
1.6 Phạm vi ứng dụng ........................................................................................... 3
1.7 Bố cục của luận văn ........................................................................................ 3
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... 4
2.1. Các quan hệ cơ bản trong phân bố công suất .................................................. 5

2.2 Điều khiển phân bố công suất .......................................................................... 7
2.3 Giới hạn trong hệ thống ................................................................................... 8
2.3.1. Giới hạn nhiệt ........................................................................................... 8
2.3.2. Giới hạn điện áp ....................................................................................... 9
2.3.3. Giới hạn ổn định ....................................................................................... 9
2.3.4. Ổn định thoáng qua ................................................................................ 11
2.3.5. Ổn định tín hiệu nhỏ ............................................................................... 12
2.3.6. Ổn định điện áp ...................................................................................... 14
2.4 Khả năng tải (LOADABILITY) .................................................................... 16


vi
2.4.1 Mơ hình tốn và cách giải quyết .............................................................. 20
2.4.2 Matlab Optimization Toolbox ................................................................. 21
2.5 Ứng dụng TCSC trong điều khiển công suất. ................................................ 23
2.5.1 Nguyên lý cấu tạo TCSC ......................................................................... 23
2.5.2 Mơ hình tốn học của TCSC ................................................................... 25
2.5.3 Ứng dụng TCSC vào điều khiển dịng cơng suất ..................................... 26
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP MẶT CẮT TỐI THIỂU VÀ DÒNG CÔNG
SUẤT CỰC ĐẠI ................................................................................................... 30
3.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 30
3.2 Cơ sở lý thuyết về lát cắt tối thiểu và dòng công suất cực đại ....................... 31
3.3 Ứng dụng trong hệ thống điện ....................................................................... 34
CHƯƠNG 4: NÂNG CAO KHẢ NĂNG TẢI ..................................................... 40
4.1

Giới thiệu ................................................................................................... 40

4.2

Mơ hình tĩnh của TCSC ............................................................................. 41

4.3

Lưu đồ giải thuật xác định vị trí của TCSC để nâng cao khả năng tải của hệ

thống …………………………………………………………………………….42
4.4

Kết quả mô phỏng ..................................................................................... 44

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN .................................................................................... 54
5.1

Kết luận ..................................................................................................... 54

5.2

Hướng phát triển đề tài .............................................................................. 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 56


vii
Danh mục các bảng
STT

Tên bảng

Trang

Bảng 2.1

Điểm tính tốn trong đồ thị PV vủa hệ thống hai nút

18

Bảng 3.1

Vị trí và thông lượng của các lát cắt

36

Bảng 3.2

Các trường hượp xảy ra vị trí lát cắt

38

Bảng 4.1

Thơng số nhánh đường dây

45

Bảng 4.2

Thông số tải

47

Bảng 4.3

Công suất thực và phản kháng trên đường dây khi
λ=0.15 (Maximum loadability = 115%) trong trường
hợp có và khơng có TCSC

49

Bảng 4.4

Mặt cắt tối thiểu của hệ thống IEEE 30 nút

50

Bảng 4.5

Dịng cơng suất trong trường hợp cơ bản
0.15 có TCSC

= 0 và λ=

51

Danh mục biểu đồ và hình ảnh:
STT

Tên biểu đồ, hình ảnh

Trang

Hình 2.1

Hệ thống đơn giản hai nút

5

Hình 2.2

Đường cong cơng suất
Sự lệch góc của hệ thống ổn định(a) và khơng ổn
định(b)
Góc lệch của hệ thống giao động tín hiệu nhỏ (a), hệ
thống dao động (b) và hệ thống khơng ổn định (c)

11

Hình 2.5

Đường cong PV trường hợp cơ bản và một số mắc shunt

15

Hình 2.6

Các giới hạn của hệ thống

16

Hình 2.7

Sơ đồ hệ thống hai nút

17

Hình 2.8

Đồ thị PV chỉ ra biên khả năng tải

18

Hình 2.9

Sơ đồ cấu tạo của TCSC

23

Hình 2.10

Mơ hình tốn của TCSC

24

Hình 2.11

Mơ hình đường dây truyền tải có lắp đặt TCSC

27

Hình 2.3

Hình 2.4

12
13


viii
Hình 2.12

Đơn giản hóa mơ hình TCSC trên nhánh i-j

27

Hình 3.1

Mối quan hệ giữa sự phát, sự truyền tải và phân phối

30

Hình 3.2

Sơ đồ mạng và nguồn phát S, tải thu t và hai nút trung
gian

31

Hình 3.3

Mơ hình hóa mạng với một số lát cắt tiêu biểu

32

Hình 3.4

Mơ hình hóa hệ thống điện đơn giản

35

Hình 3.5

Mơ hình hóa sơ đồ mạng điện truyền tải hai nút

35

Hình 3.6

Vị trí và thơng lượng các lát cắt trên sơ đồ mơ hình hóa

36

Hình 3.7

Vị trí của lát cắt cực tiểu trên mạng mơ hình hóa

37

Hình 4.1

Mơ hình hóa đường dây truyền tải có TCSC

41

Hình 4.2

Lưu đồ nâng cao khả năng tải sử dụng TCSC

44

Hình 4.3

Sơ đồ hệ thống IEEE – 30 nút

45

Hình 4.4

Đồ thị cơng suất biểu kiến trên các nhánh

48

Hình 4.5

Đồ thị điện áp nút

53


-1-

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN

1.1 Đặt vấn đề
Xu hướng chuyển dịch từ hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc
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 cơ cấu theo chiều dọc
truyền thống. Chính những ưu điểm của thị trường điện đã làm cho nhu cầu tiêu thụ
điện ngày một tăng và dẫn đến hệ thống điện ngày càng bị căng thẳng nặng. Do đó,
sự quan tâm đến các vấn đề về truyền tải và khả năng mang tải (Loadability) của
một hệ thống điện đã trở nên ngày càng quan trọng. Để giải quyết vấn đề này, mạng
lưới điện hiện hữu cần phải được cải thiện để tăng khả năng tải. Cực đại khả năng
tải (Maximum Loadability) có thể được mô phỏng bằng cách tăng tải của hệ thống
cho đến khi các thiết bị đạt đến giới hạn của nó, chẳng hạn như giới hạn nhiệt và
điện áp. Đây là một trong những nhiệm vụ đầy thử thách và khó khăn của người
vậnhành hệ thống trong thị trường điện. Vấn đề này có thể được giải quyết một cách
hiệu quả mà không cần xây dựng thêm đường dây truyền tải thông qua việc sử dụng
thiết bị truyền tải AC linh hoạt (FACTS). Do đó, 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 khơng 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 thực tế đó thì việc sử dụng thiết bị FACTS trên đường dây truyền tải là
rất cần thiết, trong đó việc xác định vị trí tối ưu để đấu nối thiết bị FACTS nhằm
đảm bảo khả năng nhận công suất, khả năng phát công suất và cực đại khả năng
mang tải đóng vai trị rất quan trọng trong hệ thống điện hiện nay. Đây là một trong
những vấn đề khó do khơng gian tìm kiếm của hệ thống rất lớn. Tuy nhiên, nó có
thể được giải quyết nếu nút cổ chai của hệ thống điện được xác định. Xác định các


-2-

nút cổ chai hệ thống đóng vai trị quan trọng trong việc làm giảm khơng gian tìm
kiếm và số lượng của các thiết bị FACTS cần phải được cài đặt. Nút cổ chai là vị trí
mà tại đó thể hiện dịng cơng suất tối đa có thể từ chảy từ nguồn đến tải. Khi tải của
hệ thống được tăng lên, các nút cổ chai là vị trí đầu tiên xảy ra tắc nghẽn. Vìvậy, để
tăng khả năng mang tải thì khả năng truyền tải tại nút cổ chai cần được xem xét.
Nhiều cơng trình nghiên cứu đã được đề nghị để xác định vị trí của FACTS để cực
đại khả năng mang tải chẳng hạn như phương pháp độ nhạy và các giải thuật thông
minh chẳng hạn như giải thuật GA (Genetic Algorithm), PSO (Particle Swarm
Optimization), DE (Differential Evolution)... Các cơng trình nghiên cứu này đã
được một số kết quả tuy nhiên vẫn chưa giới hạn được khơng gian tìm kiếm. Để giải
quyết vấn đề này, luận văn đã áp ụng phương pháp mặt cắt tối thiểu và dịng cơng
suất cực đại để xác định vị trí tối ưu của TCSC. Phương pháp này đã làm giảm được
khơng gian tìm kiếm và số nhánh cần khảo sát để lắp đặt TCSC.
Trên cơ sở những kết quả của các cơng trình nghiên cứu trước đây đã đạt
được, đề tài đề xuất tên “Nghiên cứu vị trí tối ưu TCSC để nâng cao khả năng tải
của hệ thống” nhằm xây dựng giải thuật tìm kiếm vị trí tối ưu của thiết bị TCSC
(Thyristor Controller Series Capacitor) với mục đích xây dựng giải thuật xác định vị
trí tối ưu của TCSC bằng phương pháp mặt cắt tối thiểu để nâng cao khả năng tải
của hệ thống.
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ
-

Tìm hiểu các giải pháp nâng cao khả năng mang tải trong thị trường điện

-

Trình bày nguyên lý hoạt động của thiết bị TCSC.

-

Xây dựng giải thuật xác định cực đại khả năng tải thơng qua sử dụng
TCSC (vị trí đặt và dung lượng)
 Giảm thiểu khơng gian tìm kiếm vị trí đặt TCSC bằng phương pháp
mặt cắt tối thiểu
 Xác định dung lượng TCSC phù hợp để nâng cao khả năng tải của hệ
thống điện

-

Khảo trên mạng điện chuẩn IEEE


-3-

1.3 Phương pháp giải quyết
-

Giải tích và mơ phỏng tốn học.

-

Sử dụng phần mềm Matlab.

1.4 Giới hạn đề tài
-

Chỉ xét ổn định tĩnh không xét đến ổn định động của hệ thống điện

1.5 Điểm mới của luận văn
-

Xây dựng thuật tốn xác định vị trí và dung lượng của TCSC để nâng cao
khả năng mang tải của hệ thống điện.

1.6 Phạm vi ứng dụng
-

Ứng dụng cho các mơ 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.

1.7 Bố cục của luận văn
Chương 1: Giới thiệu luận văn
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Phương pháp mặt cắt tối thiểu và dòng công suất cực đại
Chương 4: Nâng cao khả năng mang tải sử dụng TCSC
Chương 5: Kết luận


-4-

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
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 dịng cơng suất trên các nhánh. Những
dịng cơng 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.
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.
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 dịng cơng suất trong một đường
dây truyền tải sẽ được trình bày. Sau đó, điều khiển cơng suất và các giới hạn ổn
định sẽ được đề cập trong phần sau.

-5-

2.1. Các quan hệ cơ bản trong phân bố công suất
Phân bố công suất là vấn đề liên quan trực tiếp đến khả năng mang tải của hệ
thống và ổn định điện áp. 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 thơng số:
Điện áp nút truyền và nhận
Góc cơng 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 chữ
"S" cho nút truyền và "R" cho nút nhận. "X" biểu thị điện kháng và "X C" là viết tắt
của dung nạp đường dây.

Hình 2.1: Hệ thống đơn giản hai nút
Các phương trình mơ tả việc cơng 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):


-6-

PS 

VS VR
sin 
X

(2.1)

PR 

VS VR
sin 
X

(2.2)

QS 

VS2  VS VR cos  VS2

X
XC

(2.3)

QR 

 VR2  VS VR cos  VR2

X
XC

(2.4)

Từ phương trình (2.1) và (2.2), việc truyền cơng 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. Thơng thường, trong hệ thống, góc cơng suất
 là nhỏ (dưới 20 độ); phương trình truyền cơng suất tác động có thể được rút gọn
PS 

VS VR
V V
 , PR  S R 
X
X

(2.5)

Tóm lại, việc truyền cơng suất tác dụng giữa hai nút trong hệ thống rõ ràng tỉ
lệ với góc lệch giữa hai nút, và cơng suất đầu truyền bằng với công suất đầu nhận
khi tổn thất trong hệ thống là khơng đáng kể.
Các phương trình truyền cơng suất phản kháng phức tạp hơn các phương
trình truyền cơng 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 
X

 VR2  VS VR cos 
QR 
X

(2.6)

(2.7)


-7-

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 cơng suất giữa hai điểm.
Trong hệ thống hoạt động bình thường, góc cơng suất giữa hai nút là nhỏ, do
đó phương trình truyền cơng 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 cơng 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 cơng suất phản kháng bình
thường được truyền từ nút có điện áp cao đến nút có điện áp thấp. Tóm lại, cơng

suất tác dụng ln ln chuyển từ góc cao đến góc thấp, trong khi cơng suất phản
kháng bình thường truyền từ điện áp cao để điện áp thấp.
2.2 Điều khiển phân bố công suất
Như đã được công nhận ở mục trên rằng, cơng suất có thể truyền được tăng
lên bằng cách điều chỉnh điện kháng đường dây và góc cơng 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 cơng 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 sốt 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


-8-

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
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 dịng điện.
Bên ngồi trong hệ thống, các đường dây và thiết bị liên quan cũng phải hoạt
động trong giới hạn nhiệt. Duy trì dịng điện q mức trên đường dây trên khơng
dẫn đến dây bị võng do đó biên độ an tồn 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 khơng, cáp ngầm và trạm biến áp cịn
phụ thuộc vào cách điện khác hơn so với khơng khí để tản nhiệt. Những loại thiết bị
này có giới hạn dịng chặt chẽ hơn mới mang đến an tồn. Đối với các trang thiết bị,
duy trì quá tải sẽ dẫn đến việc giảm tuổi thọ do ảnh hưởng đến cách điện. Hầu hết


-9-

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 cơng
suất phản kháng, xảy ra khi dịng điện chạy qua hệ thống. Nếu công suất phản
kháng không đủ để cung cấp nhu cầu của hệ thống, điện áp sẽ giảm, ngồi giới hạn

chấp nhận được đó là thường ± 6% trên giá trị danh định.
Hệ thống thường yêu cầu có sự hỗ trợ cơng 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 khơng có đủ cơng 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. Thơng 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.


- 10 -

Giới hạn ổn định góc những giới hạn được đặt ra để đảm bảo rằng mô-men
của hệ thống và góc cơng suất vẫn có thể kiểm sốt được. Khi một hệ thống khơng
ổn định góc, cơng suất và góc mơ-men sẽ khơng cịn kiểm sốt 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 sốt truyền tải cơng 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), dịng cơng suất tác dụng giữa bất kỳ hai điểm
phụ thuộc vào góc pha. Đồ thị của cơng suất tác dụng truyền đi theo góc pha được
gọi là đường cong góc cơng suất. Các đường cong góc cơng suất là một đồ thị của

lượng MW truyền đi giữa hai nút, khi góc tăng lên thì thì lượng MW cũng tăng lên.
Cơng suất truyền tối đa giữa hai nút xảy ra tại  = 90 độ.
Hệ thống vận hành tại điểm giao nhau của đường công suất cơ đầu vào và
đường cong góc cơng 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 cơng
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 cơng suất điện giảm. Cơng 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.


- 11 -

Hình 2.2: Đường cơng góc cơng 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 thống qua và ổn định tín hiệu nhỏ.
2.3.4. Ổn định thống 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 thống 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 khơng 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.


- 12 -

Để minh họa cho sự ổn định thoáng qua và khơng ổn định của hệ thống, xem
Hình 2.3, trong đó cho thấy góc dao động của hai hệ thống: ổn định thống qua và
khơng 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 q độ. Nói chung, hệ thống điện với đường dây truyền tải dài và
nhà máy phát ở xa dễ bị mất ổn định thống 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 cịn 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,


- 13 -

góc và phân bố cơng 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 vơ 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 khơng ổn định. Hình 2.4
cho thấy các hệ thống, đó là tín hiệu nhỏ ổn định, dao động ổn định và khơng 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)


- 14 -

Có nhiều nghiên cứu về hệ thống để xác định giới hạn truyền cơng suất an
tồn. Giới hạn ổn định được xác định bằng cách sử dụng công cụ phần mềm phân
tích máy tính. Tồn bộ hệ thống điện được mơ hình hóa để đảm bảo rằng các giới
hạn truyền cơng suất có thể cho phép khơng 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 cơng 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.