(Luận văn thạc sĩ) xác định vị trí đặt TCSC trong hệ thống điện truyền tải nhằm giảm hiện tượng nghẽn mạch và có xét đến ổn định tĩnh

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LƯU NGUYỄN AN BÌNH

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ ĐẶT TCSC TRONG HỆ THỐNG
ĐIỆN TRUYỀN TẢI NHẰM GIẢM HIỆN TƯỢNG
NGHẼN MẠCH VÀ CÓ XÉT ĐẾN ỔN ĐỊNH TÍNH

NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 4 0 4 8

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2013


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TĨM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
Họ và tên

:

LƢU NGUYỄN AN BÌNH.

Ngày sinh

:

01/10/1981.

Nơi Sinh

:

Tây Ninh.

Địa chỉ liên lạc

:

561A Ql 13 - Phƣờng Hiệp Bình Phƣớc –
Quận Thủ Đức – TP.HCM.

Điện thoại

:

0933969211.

Email

:



Quá trình học tập:
- Từ năm 1999-2004: học đại học ngành Điện Khí Hố & Cung Cấp
Điện tại trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh.

- Từ năm 2011-2013: học cao học ngành Thiết Bị Mạng & Nhà Máy
Điện tại trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh.
Q trình cơng tác:
- Từ tháng 01/2006 đến nay: Công tác tại Công Ty Truyền Tải Điện 4,
địa chỉ số 7 - Quốc Lộ 52 - Phƣờng Trƣờng Thọ Thủ Đức - TP. Hồ
Chí Minh.

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang i


LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi.
Các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc
cơng bố trong các cơng trình nghiên cứu khác.

TP. Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2013
(ký và ghi rõ họ tên)

Lƣu Nguyễn An Bình.

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang ii

LUẬN VĂN THẠC SĨ

MỤC LỤC
TỰA

TRANG

Tóm tắt lý lịch trích ngang............................................................................................ i
Lời cam đoan ............................................................................................................... ii
Nhận xét của giáo viên hƣớng dẫn.............................................................................. iii
Mục lục ....................................................................................................................... iv
Danh mục bảng biểu ................................................................................................... vi
Danh mục hình ảnh .................................................................................................... vii
CHƢƠNG 1 GIỚI THIỆU LUẬN VĂN .................................................................. 1
1.1. Đặt vấn đề ....................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ ..................................................................................... 3
1.3. Phƣơng 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
CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN....................................................................................... 5
2.1. Nâng cao khả năng truyền tải của hệ thống điện............................................. 5
2.2. Các cơng trình nghiên cứu trƣớc đây .............................................................. 6
2.2.1. Điều độ kế hoạch nguồn phát điện ......................................................... 6
2.2.2. Điều độ tải ............................................................................................. 7
2.2.3. Mở rộng đƣờng dây truyền tải ............................................................... 8
2.3. Các loại thiết bị Facts ................................................................................... 10
2.3.1. SVC ..................................................................................................... 10
2.3.2. STATCOM .......................................................................................... 12

2.3.3. UPFC ................................................................................................... 14
2.3.4. TCSC ................................................................................................... 14
2.4. Đề xuất phƣơng án sử dụng TCSC ............................................................... 16
2.4.1. Giải quyết để hết quá tải khi tăng tải.................................................... 16

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang iv


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.4.2. Nhận xét............................................................................................... 18
2.5. Nhận xét và đề xuất sử dụng mặt cắt tối thiểu .............................................. 19
2.5.1. Nhận xét............................................................................................... 19
2.5.2. Đề xuất sử dụng mặt cắt tối thiểu ........................................................ 21
2.6. Ứng dụng trong hệ thống điện ...................................................................... 23
2.7. Nhận xét chung ............................................................................................. 27
CHƢƠNG 3 PHƢƠNG PHÁP TIẾP CẬN ............................................................ 28
3.1. Bài toán nâng cao khả năng tải dùng TCSC.................................................. 28
3.2. Sử dụng thuật toán Min-cut để xác định những nhánh ứng viên đặt TCSC .. 29
3.3. Xác định nhánh đặt TCSC ............................................................................ 30
3.4. Xác định dung lƣợng TCSC ......................................................................... 32
3.5. Phát biểu luật đặt TCSC ............................................................................... 33
3.6. Lƣu đồ xác định vị trí và dung lƣợng TCSC ................................................. 33
CHƢƠNG 4 KHẢO SÁT VÍ DỤ MẪU ................................................................. 36
4.1. Sơ đồ lƣới điện 3 thanh cái ........................................................................... 36
4.2. Sơ đồ lƣới điện 7 thanh cái ........................................................................... 44
CHƢƠNG 5 KHẢO SÁT TRÊN HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM ...................... 57
CHƢƠNG 6 KẾT LUẬN ........................................................................................ 76

6.1. Kết luận ........................................................................................................ 76
6.2. Hƣớng phát triển đề tài ................................................................................. 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 78

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang v


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƢƠNG 1
GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
1.1. Đặt vấn đề:
Điện năng đóng vai trị rất quan trọng đối với sản xuất sản phẩm hàng hóa và
cải thiện đời sống của con ngƣời. Chính vì vậy, nhà nƣớc ln quan tâm tới sự phát
triển của ngành điện, tạo điều kiện cho ngành điện trở thành một ngành công nghiệp
mũi nhọn phục vụ sự nghiệp Cơng nghiệp hóa – Hiện đại hóa đất nƣớc.
Xu hƣớng chuyển dịch từ hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc sang
thị trƣờng điện cạnh tranh đã và đang diễn ra mạnh mẽ ở nhiều nƣớc trên thế giới. Thị
trƣờng điện với cơ chế mở đã đem lại hiệu quả ở các nƣớc và cho thấy những ƣu điểm
vƣợt trội hơn hẳn hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc truyền thống. Hệ
thống điện không ngừng phát triển cả về số lƣợng, chất lƣợng và độ tin cậy.
Khi chuyển sang thị trƣờng điện thì vấn đề quá tải đƣờng dây là thƣờng xuyên,
có ảnh hƣởng đến ổn định và độ tin cậy hệ thống. Điều khiển quá tải đƣờng dây là
chức năng quan trọng của bất kỳ ISO (International Organization for Standardization )
và là quá trình đảm bảo hệ thống truyền tải không bị vi phạm các giới hạn vận hành.
Bất kể khi nào, ràng buộc vật lý hoặc ràng buộc vận hành trong lƣới truyền tải bị vi
phạm thì hệ thống đƣợc coi là đang ở trạng thái quá tải. Các giới hạn trong vấn đề quá
tải đƣờng dây là giới hạn nhiệt, mức cảnh báo của máy biến áp, giới hạn điện áp nút,

ổn định quá độ (ổn định động và ổn định tĩnh). Các giới hạn này ràng buộc lƣợng cơng
suất mà có thể truyền tải giữa hai vị trí thơng qua lƣới truyền tải. Cơng suất truyền tải
khơng đƣợc phép tăng lên đến mức mà khi có xảy ra sự cố sẽ làm tan rã lƣới điện vì
khơng ổn định điện áp.
Có rất nhiều cơng trình nghiên cứu về vận hành tối ƣu hệ thống điện. Một trong
các bài tốn đặt ra là phân bố luồng cơng suất tối ƣu còn đƣợc biết đến nhƣ phƣơng
pháp điều khiển dịng cơng suất trên lƣới điện truyền tải nhằm: Hạn chế quá tải trên
đƣờng dây ở thời điểm hiện tại cũng nhƣ khi mở rộng phụ tải trong tƣơng lai. Đây là
nguyên nhân chính gây nên giá sản xuất điện năng tăng cao. Có nhiều phƣơng pháp để

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang 1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

giải quyết bài toán quá tải nhƣ: Điều chỉnh công suất phát của nhà máy, xây dựng các
đƣờng 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) đƣợc 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 cơng suất. Vì vậy, lắp đặt các bộ
điều khiển FACTS nhằm điều khiển tốt hơn trong hệ thống điện cần phải đƣợc 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 ƣu thu đƣợc 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 thiết bị FACTS trên đƣờng dây truyền tải là rất cần thiết,
trong đó việc xác định vị trí tối ƣu để đấu nối thiết bị FACTS nhằm đảm bão khả năng

nhận công suất, khả năng phát công suất và khả năng truyền tải công suất trên đƣờng
dây là lớn nhất đóng vai trị rất quan trọng trong hệ thống điện hiện nay.
Ngoài ra việc sử dụng các thiết bị Facts điều khiển dịng cơng suất trên đƣờng
dây cịn đƣợc biết đến nhƣ biện pháp chống nghẽn mạch, giảm rủi ro về mất điện, tăng
độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng, đảm bảo lợi ích kinh tế, đồng thời tránh đƣợc
tình trạng đầu cơ tăng giá điện khi có sự cố nghẽn mạch. Một số cơng trình nghiên cứu
cũng cho thấy rằng, việc sử dụng các thiết bị Facts để điều khiển dịng cơng suất sẽ hạn
chế đƣợc q tải trên đƣờng dây từ đó làm giảm chi phí sản xuất điện năng, tăng giá trị
phúc lợi xã hội.
Trên cơ sở những kết quả của các cơng trình nghiên cứu trƣớc đây đã đạt đƣợc,
đề tài đề xuất tên “Xác định vị trí tối ưu của TCSC trong hệ thống điện và có xét đến
ổn định tĩnh” nhằm xây dựng giải thuật tìm kiếm vị trí tối ƣu của thiết bị TCSC
(Thyristor Controller Series Capacitor) với mục đích xây dựng giải thuật xác định vị
trí tối ƣu của TCSC bằng phƣơng pháp mặt cắt tối thiểu để nâng cao khả năng truyền
tải từ đó giảm đƣợc chi phí sản xuất điện năng và hạn chế nhƣợc điểm của các cơng
trình nghiên cứu trƣớc đây.

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang 2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ
 Tìm hiểu các giải pháp chống nghẽn mạch hệ thống điện
 Trình bày nguyên lý hoạt động của thiết bị TCSC.
 Giải quyết bài toán nâng cao khả năng truyền tải bằng cách đặt TCSC (vị trí
đặt và dung lƣợng)
o Giảm thiểu khơng gian tìm kiếm vị trí đặt TCSC bằng phƣơng pháp mặt

cắt tối thiểu
o Xác định dung lƣợng TCSC phù hợp để giảm hiện tƣợng nghẽn mạch.
o Xét ảnh hƣởng của TCSC đến ổn định hệ thống.
 Ứng dụng thực tế và so sánh với các ví dụ mẫu
1.3. Phƣơng pháp giải quyết
-

Giải tích và mơ phỏng tốn học.

-

Ứng dụng phần mềm Powerworld.

1.4. Giới hạn đề tài
 Chỉ xét đến 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 lƣợng của TCSC nâng cao khả
năng tải của hệ thống điện.

-

Xét bài toán ổn định tĩnh làm tiền đề cho việc cải thiện vấn đề ổn định động
sau này.

1.6. Phạm vi ứng dụng
-

Ứng dụng cho các mơ hình hay lƣới điện bất kỳ.

-

Ứng dụng cho các lƣới điện IEEE mẫu.

-

Ứng dụng cho lƣới điện 500KV Việt Nam tính đến năm 2012.

-

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

-

Làm tài liệu tham khảo cho bài giảng môn học cung cấp điện.

1.7. Bố cục của luận văn
Chƣơng 1: Giới thiệu luận văn.
Chƣơng 2: Tổng quan.
Chƣơng 3: Phƣơng pháp tiếp cận.

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang 3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chƣơng 4: Khảo sát các ví dụ mẫu.

Chƣơng 5: Ứng dụng lƣới điện Việt Nam.
Chƣơng 6: Kết luận.

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang 4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CHƢƠNG 2
TỔNG QUAN
2.1. Nâng cao khả năng truyền tải của hệ thống điện:
Trong quá trình vận hành hệ thống điện trong thị trƣờng điện, chi phí của tổ
máy phát thứ i trong nhà máy điện là:
Ci ( Pgi )  0i Pgi2  1i Pgi  2i

(2.1)

Pgi: công suất phát của tổ máy thứ i.
0i, 1i, 2i: Hệ số chi phí của máy phát i.
Do đó tổng chi phí của các nhà máy phát điện đƣợc tính theo biểu thức:
CG  Ci ( Pgi )

(2.2)

Mục tiêu của các nhà máy sản xuất điện năng là tìm cách giảm chi phí sản xuất
điện sao cho tổng chi phí phát điện phải là nhỏ nhất:
C1  MinimumCi (Pgi )

(2.3)

Giá thành điện năng là tổng chi phí để sản xuất ra một đơn vị điện năng. Giá
điện bao gồm các chi phí nguồn phát, truyền tải đến nơi tiêu thụ cộng với các chi phí
khác hình thành nên giá bán điện trên thị trƣờng. Do đó giá bán điện đƣợc xác định
tính từ giá thành sản xuất điện năng tối thiểu C1. Trong thị trƣờng điện, sự cạnh tranh
về giá luôn khiến các nhà sản xuất phải hƣớng đến mục tiêu tối thiểu hố tổng chi phí
của hệ thống điện, nghĩa là tìm cách đƣa tổng chi phí phát điện về giá trị C1. Điều này
đồng nghĩa với việc giảm giá thành sản xuất trên một đơn vị điện năng và giá bán điện
cũng giảm theo.
Giả sử giá trị chi phí phát điện tối thiểu là C1 thì lƣợng cơng suất phát của các
nhà máy điện và phụ tải có sự cân bằng theo biểu thức:
n

P
i 1

Gi

  PL

(2.4)

PGi: công suất phát của các nhà máy.
PL: công suất của các phụ tải.
Khi có sự gia tăng phụ tải vƣợt quá độ dự trữ cho phép của hệ thống dẫn đến
đƣờng dây nghẽn mạch trên một số tuyến đƣờng dây của mạng điện. Nghĩa là khi phụ
tải điện thay đổi tăng lên một lƣợng PL thì theo biểu thức (2.4), để giải quyết sự cố

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang 5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

nghẽn mạch trên hệ thống truyền tải điện cần thay đổi công suất phát của các tổ máy
trong các nhà máy điện một lƣợng là Pgi. Nhƣ vậy chi phí cho sản xuất ra một đơn vị
điện năng trong trƣờng hợp này theo biểu thức (2.3) sẽ là C2  Ci (Pgi' )  C1 . Khi chi
phí sản xuất điện năng tăng cao thì giá bán điện đến hộ tiêu thụ cũng tăng theo. Điều
này gây bất lợi cho nhà cung cấp trong việc gia tăng doanh số bán hàng trên thị trƣờng
cũng nhƣ những nỗ lực cạnh tranh thị phần.
Bài tốn phân bố cơng suất tác dụng giữa các nhà máy điện để cực tiểu chi phí
sản xuất (C1). Tuy nhiên bài tốn này gặp khó khăn vì gặp giới hạn của các đƣờng dây
tải điện nên phải thay đổi công suất phát giữa các nhà máy điện để các đƣờng dây khơng
cịn q tải. Điều này làm cho chi phí tăng cao (C2) làm cho C2 > C1.
Để giảm chi phí phát điện từ C2  C1 có thể nâng cao khả năng tải của hệ
thống. Nếu không phải tất cả các đƣờng dây truyền tải (tạo thành mạch các vịng) bị
q tải hồn tồn bằng cách thay đổi góc pha giữa nút, các tổng trở các nhánh để công
suất truyền tải phân chia qua các tuyến dây chƣa bị quá tải.
Ngành công nghệ điện tử với công suất hiện nay, việc sản suất các thiết bị
FACTS có thể thực hiện đƣợc. Tuy nhiên, việc xác định chính xác vị trí đặt thiết bị hết
sức khó khăn vì phải xác định đƣợc những nhánh thƣờng xuyên bị quá tải mới đem lại
hiệu quả của việc đặt thiết bị FACTS.
Số lƣợng thiết bị và công suất thiết bị địi hỏi phải giải bài tốn cực đại lợi
nhuận giữa chi phí thiết bị và việc giảm chi phí sản suất điện năng.
Những phân tích trên cho thấy: khi có sự thay đổi phụ tải hay sự cố hệ thống
điện sẽ dẫn tới giá bán điện trên thị trƣờng tăng lên do chi phí sản xuất điện tăng. Cho
dù vận hành lƣới điện ở bất kỳ trạng thái nào thì các nhà máy sản xuất điện ln tìm
cách đƣa các chi phí C2 trở về gần với trạng thái ban đầu nhất: C2 C1.

2.2. Các cơng trình nghiên cứu trƣớc đây:
2.2.1. Điều độ kế hoạch nguồn phát điện:
Phân bố công suất tối ƣu (OPF) là kỹ thuật quan trọng nhất để đạt đƣợc các mơ
hình phát điện chi phí nhỏ nhất trong một hệ thống điện với các điều kiện ràng buộc
truyền tải và vận hành có sẵn. Vai trò của trung tâm vận hành hệ thống độc lập (ISO)
trong thị trƣờng cạnh tranh là điều độ điện năng đáp ứng hợp đồng giữa các bên tham
gia thị trƣờng. Với xu hƣớng phát triển của nền kinh tế và đất nƣớc, các phụ tải ngày

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang 6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

càng tăng số lƣợng các hợp đồng song phƣơng đƣợc ký kết cho các giao dịch thị
trƣờng điện thì khả năng thiếu các nguồn cung cấp sẽ dẫn tới nghẽn mạch mạng là
không thể tránh khỏi. Trong trƣờng hợp này, quản lý nghẽn mạch (với cơ chế OPF) trở
thành một bài toán quan trọng. Nghẽn mạch truyền tải theo thời gian thực đƣợc định
nghĩa là điều kiện vận hành mà ở đó khơng đủ khả năng truyền tải để thực hiện cùng
lúc tất cả các giao dịch do xảy ra tình trạng khẩn cấp khơng mong muốn. Để giảm
nghẽn mạch truyền tải bằng cách đƣa các ràng buộc khả năng truyền tải vào trong quá
trình điều độ và lập kế hoạch. Điều này bao gồm tái điều phối nguồn phát hoặc cắt
giảm tải. Trong tài liệu này, tác giả đã thành lập bài toán OPF với mục tiêu là cực tiểu
lƣợng công suất tác dụng (MW) khi điều chỉnh lại kế hoạch. Theo cơ chế này, chúng
ta cũng xem xét sự điều phối các hợp đồng song phƣơng trong trƣờng hợp nghẽn mạch
nặng nề mặc dù biết rằng bất cứ sự thay đổi nào trong một hợp đồng song phƣơng là
tƣơng ứng với sự thay đổi công suất bơm vào ở cả các nút ngƣời mua lẫn ngƣời bán.
Điều này dẫn tới vận hành nguồn phát ở một điểm cân bằng khác điểm cân bằng
đƣợc xác định bởi điều kiện giá cận biên bằng nhau. Các mô hình tốn học giá truyền

tải có thể đƣợc kết hợp trong cơ chế điều phối và đạt đƣợc tín hiệu giá tƣơng ứng. Các
tín hiệu giá này có thể đƣợc sử dụng để định giá nghẽn mạch và chỉ cho những ngƣời
tham gia thị trƣờng sắp xếp lại công suất bơm vào hay lấy ra để tránh nghẽn mạch.
Ngoài ra, phƣơng pháp điều độ kế hoạch nguồn phát của tác giả chỉ xem xét
điều kiện ràng buộc dịng cơng suất tác dụng trên đƣờng dây truyền tải mà chƣa xem
xét các điều kiện ràng buộc khác nhƣ: điều kiện ràng buộc về điện áp nút, góc lệch
pha, xác định giá điện tại các nút. Đây là những điều kiện rất quan trọng cần phải đƣa
vào khi điều độ kế hoạch nguồn phát, giúp quá trình vận hành hệ thống ổn định và
kinh tế.
2.2.2. Điều độ tải:
Trong các hệ thống phi điều tiết, nghẽn mạch trong hệ thống truyền tải là một
bài tốn chủ yếu và có thể dẫn tới các đột biến giá. Nghẽn mạch truyền tải xuất hiện
khi thiếu khả năng truyền tải để đáp ứng các yêu cầu của tất cả các khách hàng. Trong
các trạng thái bị nghẽn mạch nặng nề, nghẽn mạch truyền tải có thể đƣợc giảm bớt
bằng cách cắt giảm một phần các giao dịch khơng ổn định.

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang 7


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 2.1a. Ví dụ 2 nút bị nghẽn mạch
Một ví dụ của một hệ thống 2 nút trình bày trong Hình 2.1a giải thích sự nghẽn
mạch truyền tải. Trong Hình 2.1a, đầu ra cơng suất tác dụng cực đại của máy phát là
100MW với giới hạn công suất đƣờng dây truyền tải là 100MVA và công suất tác
dụng tải là 100MW. Có một sự quá tải truyền tải trên đƣờng dây truyền tải để đáp ứng
tải. Nghẽn mạch có thể đƣợc giảm bớt bằng cách cắt giảm phần tải nào đó. Trong Hình
2.1b, tải đƣợc cắt giảm từ 100MW xuống 90MW và nghẽn mạch đƣợc loại bỏ.

Hình 2.1b. Ví dụ 2 nút sau khi đƣợc loại bỏ nghẽn mạch
Điều độ tải là phƣơng pháp điều khiển nghẽn mạch hiệu quả. Tuy nhiên
phƣơng pháp này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhƣ: khả năng chuyển tải, tăng và
giảm tải của các phụ tải, mức độ sự cố, khả năng mang tải của hệ thống điện. Biện
pháp cắt tải sẽ làm giảm độ tin cậy cung cấp điện và hạn chế khả năng phát triển tải
trong tƣơng lai. Biện pháp này chỉ nên sử dụng khi sự cố trong hệ thống là bất khả
kháng, quá nghiêm trọng cần phải điều khiển nhanh để đảm bảo an ninh hệ thống
điện.
2.2.3. Mở rộng đƣờng dây truyền tải:
Mở rộng đƣờng dây truyền tải giải quyết bài toán mở rộng và củng cố sự phát
điện và mạng truyền tải hiện tại để phục vụ tối ƣu sự phát triển thị trƣờng điện trong
khi đáp ứng một tập các điều kiện ràng buộc về kinh tế và kỹ thuật. Các kỹ thuật khác
nhau nhƣ phân tích Bender, tìm kiếm Tabu, thuật tốn Gen [12] đã đƣợc sử dụng để
nghiên cứu bài toán này.
Mặc dù các chi phí nghẽn mạch có thể đƣợc cực tiểu hóa nhờ vào các phƣơng
pháp quản lý nghẽn mạch hiệu quả, nhƣng một mối quan tâm bao quát là chi phí biên

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang 8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

của nghẽn mạch này sẽ không cao hơn chi phí biên của giảm nghẽn mạch thơng qua sự
đầu tƣ về mở rộng khả năng truyền tải. Mặt khác, các chi phí nghẽn mạch cao sẽ là
một tín hiệu để mở rộng khả năng truyền tải. Sự đầu tƣ về truyền tải sẽ luôn luôn
hƣớng tới tăng độ tin cậy và giảm các chi phí nghẽn mạch.
Tuy nhiên, phƣơng pháp mở rộng đƣờng dây truyền tải này có rất nhiều hạn chế

nhƣ: Tốn nhiều thời gian, chi phí mở rộng đƣờng dây truyền tải lớn, phụ thuộc vào các
ràng buộc pháp lý, các quy định đền bù giải tỏa…
Ngồi ra những cơng trình nghiên cứu trƣớc đây về ứng dụng của FACTS [13]
trong vận hành và điều khiển hệ thống điện nhằm đạt đƣợc những mục tiêu đề ra đa số
tập trung vào các thiết bị nhƣ: TCSC, TCVR, TCPST, SVC và UPFC. Tuy có những
xuất phát điểm và cách tiếp cận khác nhau trong việc ứng dụng tính hiệu quả của thiết
bị FACTS vào điều khiển hệ thống điện. Nhƣng nhìn chung, các cơng trình nghiên cứu
đều có chung hƣớng nghiên cứu và phƣơng pháp nhƣ sau:
Sử dụng giải thuật Gen để tìm kiếm giải pháp tối ƣu. Nghĩa là: với sự hỗ trợ của
phần mềm máy tính, thơng số của thiết bị FACTS sẽ đƣợc mã hố cùng các thơng số
của mạng điện. Các tốn tử đột biến, lai chéo đƣợc sử dụng để giải bài tốn phân bố
cơng suất đƣa kết quả vào khơng gian tìm kiếm. Thơng số ban đầu sẽ đƣợc tự động lƣu
trữ và cập nhật để gia tăng tính đa dạng của phạm vi tìm kiếm giải pháp đúng nhƣ tên
của giải thuật.
Một phƣơng pháp truyền thống nữa hay đƣợc sử dụng là liệt kê thử nghiệm:
một bảng danh sách các đƣờng dây trong mạng đƣợc liệt kê. Thông thƣờng với
phƣơng pháp này chọn lựa X TCSC=75%Xline cố định. Giá trị bù này lần lƣợt đƣợc thử
trên tất cả các nhánh của mạng điện để tìm vị trí nào tối ƣu nhất theo hàm mục tiêu
ban đầu đề ra. Có nhiều cơng trình nghiên cứu đặt mục tiêu vị trí tối ƣu của TCSC là
gia tăng tổng khả năng truyền tải của hệ thống (maximal total transfer capability),
hoặc vị trí tối ƣu của TCSC là vị trí có thể gia tăng tối đa phúc lợi xã hội mà nó
mang lại [3,4,2].
Cơng trình nghiên cứu của M.A.Khaburi và M.R.Haghifam [17] sử dụng
phƣơng pháp phân vùng để giới hạn phạm vi tìm kiếm giải pháp. Nghĩa là chia mạng
điện thành hai vùng theo chủ quan. Vùng có nhiều máy phát tập trung gọi là vùng
nguồn (source area) và vùng có nhiều phụ tải tập trung hơn gọi là vùng tải (sink area).

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang 9

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hai vùng này đƣợc nối với nhau bằng các đƣờng dây liên lạc. Thiết bị bù chỉ lắp đặt
trên các nhánh liên lạc này để kiểm tra tìm kiếm giải pháp tối ƣu theo mục tiêu đề ra.
Phƣơng pháp này có ƣu điểm là giới hạn đƣợc khơng gian phạm vi tìm kiếm giải pháp
nhƣng kết quả tuỳ thuộc vào sự phân vùng ban đầu của ngƣời vận hành. Nói chung nó
chỉ chính xác hơn trong trƣờng hợp có sự quy hoạch mua và bán điện giữa hai vùng
đƣợc cung cấp từ hai nguồn khác nhau hoàn tồn. Lúc đó chỉ quan tâm đến những
đƣờng dây liên lạc trao đổi điện năng giữa hai vùng này.
Theo tác giả Nguyễn Hồng Sơn trong cơng trình nghiên cứu ứng dụng của
UPFC điều khiển hệ thống điện cũng có hƣớng giải quyết tƣơng tự [1]: giải bài tốn
phân bố cơng suất bằng powerworld, đƣa ra các tình huống sự cố giả định để tìm
nhánh nghẽn mạch. Sau đó lần lƣợt thử đặt thiết bị UPFC vào từng nhánh của hệ thống
cho phân bố lại cơng suất để tìm ra vị trí và dung lƣợng thích hợp cho thiết bị FACTS
trong hệ thống điện. Phƣơng pháp này còn đƣợc biết đến với tên gọi “Phƣơng pháp thử
sai” (trial and error method) để tìm vị trí tối ƣu của thiết bị FACTS trong mạng điện.
2.3. Các loại thiết bị Facts:
2.3.1. SVC (Static Var Compensator):
SVC gọi là máy bù tĩnh gồm bộ tụ điện và bộ kháng điện nối song song với
nhau, một trong hai bộ này đƣợc điều trơn. Công suất phản kháng Q đƣợc điều khiển
từ dung tính đến cảm tính thông qua việc điều khiển các van Thyristor. Bộ SVC mắc
song song với đƣờng dây hay phụ tải cho phép điều chỉnh và giữ vững điện áp tại nút
đó, hạn chế đƣợc dao động điện áp nâng cao khả năng ổn định hệ thống điện.
Bộ bù công suất phản kháng tĩnh SVC là một thiết bị điện tử công suất nâng cao
dùng để cung cấp nhanh và liên tục phát cơng suất phản kháng tính dung và tính cảm
đến hệ thống điện.

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang 10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 2.2. Nguyên tắc điều khiển SVC trong ổn định hệ thống điện

Hình 2.3. Dao động cơng suất trong trƣờng hợp khơng có SVC và có SVC
Phân loại theo cấu hình là phân loại SVC bao gồm một cuộn kháng đƣợc điều
khiển bằng Thyristor TCR (Thyristor Controlled Reactor), một bộ tụ đƣợc đóng ngắt
bằng Thyristor TSC (Thyristor Switched Capacitor) và dãy tụ cố định FC (Fixed
Capacitor) lọc sóng hài đƣợc đấu nối nhƣ trong Hình 2.4.
TCR bao gồm cuộn kháng và van Thyristor. TCR điều khiển liên tục công suất
phản kháng bằng cách thay đổi biên độ dòng điện chạy qua cuộn kháng.
TSC bao gồm tụ điện, cuộn kháng và van Thyristor. TSC đóng và ngắt tụ điện.
Bộ lọc FC cung cấp công suất phản kháng cố định và hấp thụ dịng điện sóng hài đƣợc
phát ra từ bộ TCR.

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang 11


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 2.4. Cấu hình cơ bản nhất của SVC.

Hình 2.5. Cấu hình nâng cao của SVC là TCR + TSC + FC
2.3.2. STATCOM (Static Synchronous Compensator):

Chức năng của Bộ bù tĩnh (STATCOM) là giống nhƣ máy bù đồng bộ. Nói
chung, nó cung cấp cơng suất phản kháng bù để giải quyết sự biến đổi điện áp của hệ
thống điện và điện công nghiệp trong các điều kiện dao động và ổn định. Một hệ thống
STATCOM đầy đủ bao gồm một nguồn điện áp DC, bộ biến đổi tự chuyển sử dụng
Thyristor, và một máy biến áp tăng áp.

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang 12


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hình 2.6. Sơ đồ mạch điều khiển sử dụng STATCOM

Hình 2.7. Nguyên tắc điều khiển trào lƣu cơng suất của STATCOM

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang 13


LUẬN VĂN THẠC SĨ

2.3.3. UPFC (Unified Power Flow Controlled):

Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý điều khiển của UPFC
UPFC (Unified Power Flow Controlled): là bộ tích hợp điều khiển luồn cơng
suất, nó cho phép điều khiển đƣợc điện áp, tổng trở và góc pha. Việc lắp UPFC nhằm
điều khiển linh hoạt hệ thống điện nhƣ sau:

- Tăng khả năng truyền tải của đƣờng dây
- Giảm tổn thất: A, P, Q, U
- Giảm sự dao động của hệ thống điện
- Nâng cao và ổn định điện áp.
- Điều khiển dịng cơng suất phản kháng và tác dụng theo hai hƣớng.
2.3.4. TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor):
Các bộ bù nối tiếp đƣợc điều khiển bằng Thyristor (TCSC): là một phần tử cơ bản
của hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS). Nó đƣợc mở rộng từ các tụ
nối tiếp truyền thống thông qua việc bổ sung một bộ phản ứng đƣợc điều khiển bằng
thyristor. Bộ phản ứng này mắc song song với một tụ nối tiếp cho phép tạo ra một hệ
thống bù dọc điện kháng thay đổi liên tục và nhanh chóng. Những lợi điểm chủ yếu
của TCSC là:
- Tăng cơng suất truyền tải.
- Giảm các dao động công suất.
- Giảm các cộng hƣởng đồng bộ.
- Điều khiển dịng cơng suất đƣờng dây.

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang 14


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TCSC bao gồm ba phần tử chính: Tụ bù C, cuộn kháng bù nối vào mạch
thyristor và hai thyristor điều khiển SCR1 và SCR2 (hình 2.9)

Hình 2.9. Sơ đồ cấu tạo của TCSC.
Các góc mở của thyristor đƣợc điều khiển để điều chỉnh điện kháng TCSC phù
hợp với hệ thống. Khi các thyristor đƣợc kích thích, TCSC có thể đƣợc mơ tả dƣới

dạng tốn học nhƣ sau:
iC  C

dv
dt

(2.5)

vL

diL
dt

(2.6)

iS  iC  iL

(2.7)

iL và iC: là giá trị dòng điện tức thời qua tụ điện và cuộn cảm.
iS: là dòng điện tức thời của đƣờng dây truyền tải đƣợc điều khiển.
v: là điện áp tức thời qua TCSC.
Tổng trở tƣơng đƣơng của mạch LC:
Z td 

1
1 

j  C 
 L 



(2.8)

Nhƣ vậy TCSC có thể đƣợc điều khiển để làm việc ở trạng thái mang tính điện
kháng (C >1/L) có tính dung thay đổi hoặc ở trạng thái cảm kháng (C<1/L) và
tránh làm việc ở trạng thái cộng hƣởng (C =1/L).
Dòng điện đi qua cuộn cảm đƣợc xác định theo công thức:
iL (t ) 



k2
cos 
I m cos t 
cos r t 
2
k 1 
cos k 


LƯU NGUYỄN AN BÌNH

(2.9)

Trang 15


LUẬN VĂN THẠC SĨ

r 

với

k

1
LC

,

r
1
1




L C

XC
XL

XC là điện kháng định mức của tụ cố định C.
Điện áp tụ ở trạng thái vận hành bình thƣờng tại thời điểm t = - là:
vC1 

Im X C
(sin   k cos  tan k )
k 2 1

(2.10)

Tại t= ; iT = 0, điện áp tụ đƣợc xác định:
vC (t   )  vC 2  vC1

Điện áp tụ sau khi tính toán là:
vC (t ) 

Im X C
cos 
( sin t  k
sin  r t )
2
cos k
k 1
;    t  

vC (t )  vC 2  I m X C (sin t  sin  )

;   t    

Điện kháng TCSC tƣơng đƣơng XTCSC đƣợc tính theo tỉ số của VCF và Im:
X TCSC ( ) 

VCF
X C2
4 X C2
2  sin 2
cos2  k tan   tan 

 XC 


 2

Im
(X C  X L )

( X C  X L ) (k  1)


(2.11)

Điện kháng của TCSC trên đơn vị XC đƣợc biểu thị bằng Xnet = XTCSC / XC là:
X net  1 

XC
4XC
  sin 
cos2 ( / 2)  k tan(k / 2)  tan( / 2)




( XC  X L )

( X C  X L ) (k 2  1)


(2.12)

Với  = 2(-) là góc dẫn của bộ điều khiển TCSC.
2.4. Đề xuất phƣơng án sử dụng TCSC:
2.4.1. Giải quyết để hết quá tải khi tăng tải:
Xét mơ hình đƣờng dây hình  với các thông số kết nối giữa hai nút i và j. Giá
trị điện áp lần lƣợt tại hai nút i và j đƣợc cho bởi Vii và Vjj. Khi đó công suất
thực và công suất phản kháng trên nhánh i-j đƣợc xác định bởi:
Pij  Vi 2 gij  VV
i j  gij cos  ij  bij sin ij 
Qij  Vi 2bij  VV
i j  gij sin  ij  bij cos  ij 

(2.13)
(2.14)

Trong đó: Pij và Qij lần lƣợt là công suất thực và công suất phản kháng truyền từ nút i
đến nút j. ij= i-j và gij, bij là điện dẫn và dung dẫn trên nhánh đƣờng dây i-j.
gij 

rij
rij  xij2
2

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

(2.15)

Trang 16

LUẬN VĂN THẠC SĨ

bij 

 xij

(2.16)

rij  xij2
2

Trong đó: rij, xij là điện trở và điện kháng trên nhánh đƣờng dây i-j

jbij/2
gij/2

gij/2

jbij/2
gij/2

jbij/2

Hình 2.10. Mơ hình đƣờng dây truyền tải có lắp đặt TCSC

jbij/2

jbij/2

gij/2

Hình 2.11. Đơn giản hố mơ hình TCSC trên nhánh i-j
Mơ hình đƣờng dây truyền tải có TCSC đƣợc lắp đặt giữa nút i và j nhƣ hình
2.10. Ở trạng thái ổn định thì TCSC đƣợc xem nhƣ một điện kháng –jxc nhƣ mơ hình
2.11. Khi đó điện dẫn và dung dẫn trên nhánh đƣờng dây i-j sẽ thay đổi theo biểu thức:
gij 

bij 



rij

rij  xij  xc
2

  xij  xc 



rij  xij  xc
2




(2.17)

2

(2.18)

2

Do đó dịng cơng suất thực và cơng suất phản kháng trên nhánh i-j khi có TCSC sẽ là:


 V g  VV  g cos 
 V b  VV  g sin 


 b sin  
 b cos  

,
,
Pijc  Vi 2 g ij,  VV
i j g ij cos  ij  bij sin  ij

(2.19)

Pjic

ij

(2.20)

ij

(2.21)

Qijc

2
j

,

,

i

ij

j

2 ,

i

ij

ij

,

ij

,

i j

ij

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

ij

,

ij

ij

Trang 17


LUẬN VĂN THẠC SĨ



,
,
Qcji  V j2bij,  VV
i j g ij sin  ij  bij cos  ij



(2.22)

Dòng cơng suất trên nhánh i-j khi có TCSC sẽ là:
,
PL  Pijc  Pjic  Vi 2  V j2  g ij,  2VV
i j g ij cos  ij

(2.23)

,
QL  Qijc  Qcji   Vi 2  V j2  bij,  2VV
i j bij cos  ij

(2.24)

Nhƣ vậy khi lắp đặt TCSC trên nhánh i-j thì dịng cơng suất truyền trên nhánh
tăng lên. Vì theo biểu thức 2.17 và 2.18, với các giá trị xc thay đổi thì g ij, , bij, cũng thay
đổi và giá trị PL, QL cũng có thể đƣợc điều khiển thơng qua việc điều khiển giá trị xc.
Thông thƣờng giá trị điện trở trên các đƣờng dây truyền tải là rất nhỏ so với điện
kháng (r  x) nên để đơn giản trong q trình tính tốn các biểu thức 2.17 và 2.18 có
thể đƣợc viết lại:
gij 

bij 

rij
rij  xij2
2

 xij
rij  xij
2

2

0



(2.25)
1
xij

(2.26)

Do đó biểu thức 2.13 đƣợc viết lại nhƣ sau:
Pij  VV
i j bij sin  ij

=>

Pij 

VV
i j
xij

sin  ij

(2.27)

Và trong trƣờng hợp có lắp đặt thiết bị bù TCSC trên nhánh i-j, dịng cơng suất truyền

trên nhánh i-j đƣợc tính theo biểu thức:
,
Pijc  VV
i j bij sin  ij

=>

Pijc 

VV
i j
xij  xc

sin  ij

(2.28)

Biểu thức 2.28 cho thấy khả năng truyền tải trên nhánh i-j của hệ thống điện khi
lắp đặt thiết bị bù dọc TCSC đƣợc cải thiện đáng kể phụ thuộc vào giá trị bù của thiết
bị và có khả năng nâng cao công suất trên đƣờng dây khi tăng tải.
2.4.2. Nhận xét:
Các cơng trình nghiên cứu trƣớc đây tuy đạt đƣợc những kết quả và mục tiêu
nhất định đã đề ra nhƣng cách tiếp cận và giải quyết vấn đề còn chƣa mang tính hiệu
quả cao, chƣa có khả năng khoanh vùng đƣợc phạm vi không gian để giảm bớt thời

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang 18

LUẬN VĂN THẠC SĨ

gian tìm kiếm giải pháp tối ƣu. Việc ứng dụng giải thuật Gen tuy có tính kế thừa và
phát huy nhƣng lại có nhƣợc điểm là gia tăng phạm vi tìm kiếm, tăng số lƣợng mẫu
trong tổ hợp nên chiếm nhiều bộ nhớ dẫn đến gia tăng thời gian xử lý thông tin. Các
phƣơng pháp khác cũng chỉ mang tính thử nghiệm và tìm kiếm, chƣa xây dựng đƣợc
phƣơng pháp tính một cách có hệ thống.
2.5. Nhận xét và đề xuất sử dụng mặt cắt tối thiểu:
2.5.1. Nhận xét:
Để phân bố lại luồng công suất trong mạng điện nhằm tránh sự cố nghẽn mạch
bằng cách sử dụng các thiết bị FACTS thay thế cho các giải pháp nhƣ thay đổi công
suất phát của các tổ máy, xây dựng đƣờng dây song song là rất hiệu quả. Tuy nhiên
việc lắp đặt thiết bị FACTS ở đâu mới là vấn đề cần quan tâm. Do đó với những dao
động phụ tải bất kỳ, sự thay đổi nguồn và gia tăng phụ tải thƣờng xuyên trong tƣơng
lai dẫn tới điểm nghẽn mạch trong mạng cũng sẽ bị thay đổi nên không thể lắp đặt
thiết bị bù trên tất cả các nhánh của lƣới điện để đảm bảo chống nghẽn mạch khi có
những thay đổi nhƣ trên. Vì vậy cần thiết phải xác định đƣợc tập hợp những nhánh có
nhiều khả năng gây quá tải thƣờng xuyên cho hệ thống. Đây là tập hợp những điểm
xung yếu nhất còn đƣợc gọi là điểm nút thắt cổ chai (bottle-neck). Việc lắp đặt thiết bị
FACTS tại những vịng có chứa tập hợp những nhánh xung yếu này sẽ khắc phục đƣợc
quá tải đáng kể cho hệ thống.
Các thiết bị bù

Chi phí (USD/KVAr)

Tụ bù song song

28

Tụ bù nối tiếp

40

TCSC

70

SVC

70

STATCOM

80

UPFC

80

Bảng 2.1. Chi phí đầu tƣ trên 1KVAr của các thiết bị FACTS.
Một vấn đề nữa là chi phí cho một thiết bị FACTS khá cao nên cũng cần phải
xem xét đến vấn đề phân tích tài chính. Theo thống kê, chi phí đầu tƣ cho một đơn vị
công suất bù của các thiết bị FACTS đƣợc cho trong bảng 2.1. [14,19]

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang 19


LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngoài ra; theo tài liệu [4,19], cũng đã so sánh hàm chi phí đầu tƣ trên một đơn
vị cơng suất bù giữa các thiết bị FACTS cịn phụ thuộc vào vị trí và phạm vi mà thiết
bị lắp đặt đƣợc thể hiện trong hình 2.12 nhƣ sau:

Hình 2.12. Chi phí đầu tƣ vận hành theo cơng suất bù.
Nhƣ vậy, xét về tính kinh tế thì giá thành đầu tƣ cho thiết bị bù TCSC chỉ cao
hơn so với các loại tụ bù truyền thống, ít tốn kém hơn so với chi phí đầu tƣ lắp đặt các
thiết bị khác nhƣ STATCOM hay UPFC. Giả sử nhu cầu bù vào hệ thống điện một
lƣợng là 50MVAr nhƣng nếu sử dụng thiết bị bù UPFC thì cần đầu tƣ một lƣợng là
(tính bằng USD/kVAr)
CUPFC  0.0003S 2  0.2691S  188.22
CUPFC  0.0003*502  0.2691*50  188.22  175.5

Trong khi đó nếu sử dụng thiết bị bù TCSC thì giá thành đầu tƣ là:
CTCSC  0.0015S 2  0.71S  153.75
CTCSC  0.0015*502  0.71*50  153.75  122

Trong đó: S là phạm vi bù của thiết bị FACTS tính bằng MVAr
Mặt khác, khi đã xác định đƣợc vị trí và thiết bị bù cần thiết rồi thì vấn đề
là: dung lƣợng bù bao nhiêu để đảm bảo phát huy hiệu quả tối đa trong việc chống
nghẽn mạch hệ thống trong tất cả các trƣờng hợp thay đổi phụ tải và nguồn. Việc
cài đặt giá trị bù cũng phải đảm bảo vừa chống đƣợc sự cố trên nhánh có bù, đồng

LƯU NGUYỄN AN BÌNH

Trang 20