Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối điện sử dụng các thiết bị DFacts692

Đây được xem là đóng góp chính của nghiên c u trong lu n án... TỔNG QUAN CÁC BÀI TOÁN V NÂNG CAO CHỀ ẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN 1.1.. ế ế Trong các hiện tượng trên đây,

B GIÁO DỘ ỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠ I H C BÁCH KHOA HÀ NỘI Ọ

NGUYỄN VĂN MINH

NGHIÊN C U CÁC GI I PHÁP NÂNG CAO Ứ Ả

CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN

Công trình được hoàn thành tại:

Vào h 8 ồi giờ 30 út , ngày 26 tháng 12 ph năm 2018

Có th tìm hi u lu n án tể ể ậ ại thư viện:

1 Thư viện T Quang B u - ạ ử Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Qu c gia Vi t Nam ố ệ

quản lý lưới phân phối điện là các công ty điệ ực chưa quan tâm đến l n việc ứng d ng c a thi t b này V i nh ng lý do trên, lu n án vụ ủ ế ị ớ ữ ậ ới tên đềtài: “

” được tác gi t ra ả đặ

nh m nghiên c u các giằ ứ ải pháp nâng cao CLĐN trong lưới lưới phân phối điện với định hướng ng d ng t i Vi t Nam ứ ụ ạ ệ

2 Đối tượng nghiên c u c a Lu n án ứ ủ ậ

Đối tượng nghiên c u c a lu n án là các giứ ủ ậ ải pháp nâng cao CLĐN

s d ng thi t b D-FACTS và t bù công su t ph n kháng Hiử ụ ế ị ụ ấ ả ện tượng CLĐN được xem xét là s t áp ngắụ n h n (SANH) do ngắạ n m ch và bi n ạ ế

d ng sóng hài do lò h ạ ồ quang điện sinh ra trong lưới phân ph i, có xét ố

m t s c thù cộ ố đặ ủa lưới phân phối điện c a Vi t Nam Công c gi i các ủ ệ ụ ảbài toán tối ưu nói chung, thuật toán di truy n (Genetic Algorithm - GA) ềcũng là đối tượng nghiên c u cứ ủa luận án

3 Các m c tiêu nghiên c u c a lu n án ụ ứ ủ ậ

Luận án nghiên cứu đánh giá mộ ố CLĐN và xem xét các giảt s i pháp nâng cao CLĐN trong lưới phân ph i v i các mố ớ ục tiêu c th sau: ụ ểa) Nghiên c u xây d ng mô hình và gi i bài toán tứ ự ả ối ưu lựa ch n v ọ ịtrí và công su t c a các thi t b DVR và D-Statcom ấ ủ ế ị

b) Nghiên c u l a ch n v trí tứ ự ọ ị ụ bù công su t ph n kháng nh m giấ ả ằ ảm

t n thổ ất điện năng và nâng cao CLĐN

c) Nghiên c u c u trúc và mô ph ng so sánh tác d ng c a các thiứ ấ ỏ ụ ủ ết

b DVR và D-ị Statcom đối với SANH do ng n mắ ạch và sóng hài gây ra b i các ph tở ụ ải phi tuyến - lò h ồ quang điện

4 Phương pháp thực hi n ệ

Nghiên c u t ng quan v ứ ổ ề việc xây d ng mô hình và gi i các bài ự ảtoán liên quan đến việc nâng cao CLĐN mang tính hệ thống trong lưới phân phối điện để làm cơ sở đề xu t h ng nghiên c u c a lu n án ấ ướ ứ ủ ậ

5 Ý nghĩa khoa học và th c ti n c a Luự ễ ủ ận án

- : Nghiên c u ng d ng thi t b ứ ứ ụ ế ị CPD để ải cthiện CLĐN đố ới v i toàn h ệ thống nên nghiên c u này có th ứ ể xem như

m t trong nh ng nghiên c u tiên phong v ộ ữ ứ ề lĩnh vực này t i Vi t Nam ạ ệ

- : Ba mục tiêu được đề xuất của lu n án có th ậ ểxem là tài li u tham kh o r t t t cho vi c tri n khai các gi i pháp nâng ệ ả ấ ố ệ ể ảcao CLĐN và giảm t n th t mang tính h thổ ấ ệ ống đố ới các đơn vịi v qu n ả

lý lưới phân phối điện, trong đó trực ti p nh t là nhế ấ ững đề xu t s d ng ấ ử ụ

t bù công su t phụ ấ ản kháng để giảm t n th t và c i thi n chổ ấ ả ệ ất lượng độ

lệch điện áp, t ng m c bi n d ng sóng hài cổ ứ ế ạ ủa lưới phân ph i ố

Đóng góp 2: Xây d ng mô hình và gi i bài toán tự ả ối ưu ứng d ng ụ

t ụ bù trong lưới phân ph i n m gi m t n th t và c i thiố ằ ả ổ ấ ả ện CLĐN, có xét lưới điện có sóng hài do lò h ồ quang điện sinh ra Mô hình bài toán tính toán ch ế độ xác l p ở ầ ốậ t n s sóng hài được xây dựng để tính toán t n thổ ất công su t do sóng hài và t ng mấ ổ ức bi n d ng sóng hài nh m ph c v cho ế ạ ằ ụ ụviệc tính toán hàm m c tiêu và ki m tra các ràng bu c c a bài toán tụ ể ộ ủ ối ưu

v trí t ị ụ bù trong lưới phân ph i ố

Đóng góp 3: Xây d ng mô hình và gi i bài toán tự ả ối ưu chọn v trí ị

và công su t c a các thi t bấ ủ ế ị DVR và D-Statcom để kh c ph c hi n ắ ụ ệ tượng SANH do ngắn mạch, trong đó việc tính toán và đánh giá các đặc trưng

của SANH (như biên độ điện áp) s d ng mô hình toán mô t tác d ng ử ụ ả ụ

c a các thi t b ủ ế ị này đề xuất Đây được xem là đóng góp chính của nghiên

c u trong lu n án ứ ậ

7 N i dung nghiên c u c a Lu n án ộ ứ ủ ậ

Ngoài ph n m ầ ở đầu và các mục theo quy định, n i dung nghiên c u ộ ứ

c a luủ ận án được trình bày trong 5 chương và phụ ụ l c, c thụ ể: Chương 1:

T ng quan các bài toán vổ ề nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân

phối điệ Chương 2: Đánh giá ện hi u qu s d ng DVR và D-Statcom ả ử ụtrong nâng cao chất lượng điện năng của lưới phân ph i ố Chương 3: Ứng

d ng thu t toán di truy n l a ch n v trí t bù nh m gi i t n th t trong ụ ậ ề ự ọ ị ụ ằ ả ổ ấlưới phân ph i có xét n sóng hàiố đế Chương 4: ối ưu hóa vị trí đặT t và công su t các thi t b CPD nh m nâng cao ấ ế ị ằ chất lượng điện năng dùng giải thu t di truy n (GA) K t lu n và ki n ngh ậ ề ế ậ ế ị

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC BÀI TOÁN V NÂNG CAO CHỀ ẤT

LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN

1.1 T ng quan v ổ ề chất lượng điện năng và các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trên lưới phân ph i ố

Chất lượng điện năng liên quan ch t ch n các hiặ ẽ đế ện tượng bi n ếthiên v ề điện áp, dòng điện và t n s dầ ố ẫn đến làm các thi t b ế ị điện trong

h ệthống điện ng ng làm vi c ho c làm viừ ệ ặ ệc không đúng theo chức năng được thi t k ế ế

Trong các hiện tượng trên đây,

là nh ng hiữ ện tượng x y ra ch yả ủ ếu trong lưới phân phối điện hiện nay và cũng là đối tượng nghiên cứ ủu c a lu n án ậ

Theo tiêu chu n IEC1159-1995, biẩ ến thiên điện áp

ng n hắ ạn (BĐN) là sự thay đổi tr s ị ố điện áp hi u d ng t n s ệ ụ ở ầ ố HTĐ (50Hz ho c 60Hz) trong kho ng thặ ả ời gian dưới 1 phút

- s không tin cẽ ậy dưới tác động c a m t s ủ ộ ựkiện SANH

Sóng hài là điện áp và dòng điện hình sin v i t n s là b i s cớ ầ ố ộ ố ủa

t n s ầ ố cơ bản (50Hz hoặc 60Hz) Sóng hài được định lượng t phép phân ừ

-

-

Sóng hài do các ph t i phi tuyụ ả ến sinh ra trên lưới điện Có nhiều tác động x u c a ấ ủ sóng hài đố ới lưới điệi v n và ph tải Chương 3 luận án ụ

s phân tích chi ti t bài toán này ẽ ế

1.2 T ng quan v nghiên c u gi i pháp s d ng thi t b ổ ề ứ ả ử ụ ế ị CPD để nâng cao chất lượng điện năng lưới phân phối điện

Quá trình ng dứ ụng CPD để nâng cao CLĐN cho tới nay có th ểxem như theo hai cách tiếp c n sau: ậ

M c tiêu gi i quy t cụ ả ế ủa cách ti p cế ận này chủ yếu liên quan đến vi c nghiên c u phệ ứ ần điều khi n ểcác thi t b ế ị CPD để khắc ph c tr c ti p các s ụ ự ế ự kiện CLĐN cụ thể và bảo

v cho nh ng ph t i c ệ ữ ụ ả ụthể

trung’ là giải pháp nâng cao CLĐN mà bên cấp điện mới là người th c ự

hi n N i d ng nghiên c u c t lõi c a lu n án chính là xây d ng và phân ệ ộ ụ ứ ố ủ ậ ựtích bài toán l a ch n v ự ọ ị trí đặt và công su t CPD theo cách ti p c n tấ ế ậ ập trung khi s d ng các thi t b ử ụ ế ị CPD để nâng cao CLĐN cho cả lưới phân phối điện Hành vi c a các thi t b ủ ế ị CPD trong lưới điện s ẽ được mô ph ng ỏ

và đưa vào mô hình bài toán tối ưu

M c tiêu tụ ối ưu hóa vị trí và công su t c a thi t bấ ủ ế ị CPD trong lưới phân phối điện hình tia chính là để

kế, đột bi n, l a ch n, lai gi ngế ự ọ ố

1.3 Nh ng vữ ấn đề còn t n t i ồ ạ

- V ề quan điểm th c hi n, nghiên c u ng d ng CPD ch yự ệ ứ ứ ụ ủ ếu đểgiải quyết CLĐN cho từng ph t i, tụ ả ức là quan điểm “Cải thi n phân tán” ệ

- V ề mô hình bài toán theo “cải thi n tệ ập trung”, các nghiên cứu thường c g ng xây dố ắ ựng để giải quy t t ng vế ừ ấn đề ề CLĐN như sóng vhài, bi n ế thiên điện áp Tuy vậy

- V về ấn đề CLĐN được nghiên c u gi i pháp cho bài toán nâng ứ ảcao CLĐN mang tính hệ ố th ng thì các nghiên c u ch y u mứ ủ ế ới xét đến các s ự kiện CLĐN có tính xác lậ như sóng hài, độ ệch điệp l n áp dài h n ạ

1.3.2 Đố ới v i các nghiên cứu trong nước

- Chưa có nghiên cứu khảo sát đánh giá CLĐN lưới phân ph i do ốSANH và ảnh hưởng đến các t i nh y cả ạ ảm điện áp, đặc bi t là chi phí ệthi t hệ ại do CLĐN xấu Nh ng c gữ ố ắng hi n nay mệ ớ ất sơ lượi r c d a trên ựđánh giá chi phí cho độ tin c y ậ

- Chưa có những công trình nghiên c u v ứ ềviệc xác định các thông

s tố ối ưu cho các thiế ịt b tham gia c i thi n chả ệ ất lượng điện áp lưới phân

1.4 L a chự ọn hướng nghiên c u c a lu n án ứ ủ ậ

Hướng nghiên c u là xây d ng mô hình và gi i ứ ự ả

bao

g m thi t b CPD và t ồ ế ị ụ điện M c tiêu nh m nâng cao các ụ ằ

theo cách ti p cế ận “cải thiện trung tâm” đố ới v i các s ki n ự ệ

1.5 K t luế ận Chương 1

Chương 1 đã trình bày tổng quan v ề CLĐN trong lưới phân ph i ốđiện, chú tr ng t i hai hiọ ớ ện tượng CLĐN gây ra nhiều vấn đề trong ch t ấlượng vận hành lưới phân ph i hi n nay t i Vi t Nam nói riêng và th ố ệ ạ ệ ếgiới nói chung là s t giụ ảm điện áp ng n hắ ạn và sóng hài để làm cơ sở giải thích

rõ cho đối tượng, mục tiêu, phương pháp thực hi n và k t quệ ế ả nghiên cứu

c a lu n án trong các ph n sau ủ ậ ầ

Chương 2 ĐÁNH GIÁ HIỆU QU S D NG DVR VÀ D-Ả Ử Ụ

STATCOM TRONG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

Hình 2.1 mô t ả sơ đồ ối lướ ủ n i c a DVR s d ng b biử ụ ộ ến đổi điện

t công suử ất để b o v các t i không b ng ng làm vi c t t t c các ngu n ả ệ ả ị ừ ệ ừ ấ ả ồ

c p có nhi u lo n khác.ấ ễ ạ

2.2.2 ng d ng và các ch v n hành cỨ ụ ế độ ậ ủa DVR

S dử ụng DVR để kh c ph c SANH (s t giắ ụ ụ ảm điện áp ng n h n) có ắ ạthể theo hai nguyên t c ứng v i hai cách ch n v ắ ớ ọ ị trí đặt DVR: b o v tả ệ ải

nh y cạ ảm và Ngăn chặn phát và truy n các hiề ện tượng chất lượng điện năng

DVR là thi t b bù ch ng n i ti p nh m kh c ph c các vế ị ủ độ ố ế ằ ắ ụ ấn đề CLĐN nói chung và SANH nói riêng

2.3 Tóm t t c u trúc, vắ ấ ận hành D-STATCOM và ng d ng ứ ụ

2.3.1 Nguyên lý v n hành c a D-Statcom ậ ủ

D-Statcom (Distribution Static Compensator), được mô t ả như trong sơ đồ hình 2.2, bao gồm b biộ ến đổi ngu n áp hai m c (VSC), mồ ứ ột thi t b ế ị lưu trữ năng lượng DC, m t máy bi n áp k t n i n i v i m ng ộ ế ế ố ố ớ ạphân phối

Để phân tích tính hi u qu c a DVR và D-Statcom v ệ ả ủ ề khắc phục SANH, các trường h p mô ph ng sau xem xét: ợ ỏ

- SANH do ng n m ch gây ra Xét ng n m ch ba pha t i nút 633 ắ ạ ắ ạ ạ

v i t ng tr s c Zớ ổ ở ự ố f=0,257+j0,000175(Ω)

- Chọn v trí DVR và D-ị Statcom: Xét hai trường hợp đặt m t thi t ộ ế

b DVR trên nhánh 632-645 ho c m t thi t b D-Statcom n i song song ị ặ ộ ế ị ố

v i nút 632 (Hình 2.10) ớ

.2.4.2 Mô ph ng và k t qu mô ph ng ỏ ế ả ỏ

T k t qu cho thừ ế ả ấy các trường hợp lưới có DVR, SANH t i nút 633 ạ(vị trí ng n m ch) gắ ạ ần như không được c i thi n (Hình 2.14a) Tuy nhiên, ả ệ

ở nút 646, điện áp được tăng lên gần 100% (Hình 2.14c) Điều đó có nghĩa

là ph tụ ải phía sau DVR được b o v tả ệ ốt Các nút khác không được b o ả

v (hình 2.14b và d) ệ

Trường hợp lưới có đặt D-Statcom t i nút 632, SANH trong h th ng s ạ ệ ố ẽ

c i thiả ện hơn, ngay như nút sự ố (nút 633 như Hình 2.15b) c

2.5 Mô ph ng so sánh tác d ng DVR và D-Statcom kh c ph c sóng hài ỏ ụ ắ ụ

K ch bị ản đầu tiên, đặt m t DVR trên nhánh 632-645 hoộ ặc đặt một D-STATCOM t i nút 632 g n nguạ ầ ồn như Hình 2.10 K ch b n th hai ị ả ứ đặt D-Statcom t i nút 692 xa ngu n ạ ồ

c n hậ ầu như không được c i thi n và không th ả ệ ể vượt qua s ự kiện đóng lò

h quang vào hoồ ạt động có th dể ẫn đến ngưng hoạt động và gây ra các

h u qu nghiêm tr ng v kinh t cho khách hàng ậ ả ọ ề ế

đặt DVR và D-Statcom để kh c ph c 2 vắ ụ ấn đền CLĐN là SANH gây ra

b i ng n mở ắ ạch trong lưới phân ph i và sóng hài gây ra b i lò h quang ố ở ồđiện Việc đánh giá nhấn mạch vào tác d ng c i thiụ ả ện CLĐN tổng th tức ể

là cho nhi u nút ph tề ụ ải trên toàn lưới ch không ch cho riêng m t nút ứ ỉ ộ

ph t i nào ụ ả

Chương 3 ỨNG D NG THU T TOÁN DI TRUY N TỤ Ậ Ề ỐI ƯU HÓA

V TRÍ T BÙ NH M GI M T N THỊ Ụ Ằ Ả Ổ ẤT ĐIỆN NĂNG LƯỚI

PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN SÓNG HÀI

3.1 Đặ ấn đềt v : Tối ưu vị trí t ụ bù dùng GA cho lưới phân phối còn ít đềtài quan tâm

3.2 T ng quan nghiên c u v bài toán tổ ứ ề ối ưu hóa nâng cao CLĐN lưới phân ph i s d ng t bù công su t ph n kháng ố ử ụ ụ ấ ả

L a ch n v ự ọ ị trí và dung lượng t ụ bù như một phương án tối ưu kinh

t giúp cho gi i quy t các vế ả ế ấn đề thực ti n trong v n hành hi n nay tễ ậ ệ ại Việt Nam có xét đến sóng hài

3.3 Phân tích, l a chự ọn phương pháp giải

Trong lu n án này, dùng gi i thuậ ả ật GA để ối ưu vị t trí t bù trong ụlưới 16 nút Có xét đồ ị ể th đi n hình ph tụ ải để tính t n thổ ất điện năng.3.4 Thành l p bài toán tậ ối ưu hóa vị trí d ng t bù công su t ph n kháng ụ ụ ấ ả

nh m gi m t n thằ ả ổ ất điện năng trên lưới phân phối ứng d ng thu t toán di ụ ậtruy n (GA) ề

C c ti u hóa hàm chi phí g m hai thành phự ể ồ ần: Chi phí đầu tư cho

t bù và chi phí cho t n thụ ổ ất điện năng lưới điện [5] như sau

(3.1) Trong đó: Kp: Hệ ố s quy đổi giá tr hi n tị ệ ại thực thành dòng chi phí đều hàng năm;Qci: Dung lượng t bù (kVAr) nút i; (i=1 n); n: S v trí ụ ở ố ị

đặ ụ bù trong lưới điện đang xét; t t Cw: Suất đầu tư cho tụ bù (đ/kVAr); : chi phí lắp đặt; A: T ng t n thổ ổ ất điện năng trong lưới điện; Ke: Giá

Chọn công su t t 25kVar s ấ ụ ố lượng 2 t c n tìm v trí ụ ầ ị

tối ưu Kết qu ảchỉ ra v trí tị ối ưu đặt t bù s là các nút 6, 9 ụ ẽ

Chọn công su t t 25kVar s ấ ụ ố lượng 4 t c n tìm v trí ụ ầ ị

tối ưu Kết qu ả cũng chỉ ra v trí tị ối ưu đặt t bù s là các nút 4, 6, 9, 12 ụ ẽ

c Trường h p 3: Ch n công su t t 50kVar s ợ ọ ấ ụ ố lượng 2 t c n tìm v ụ ầ ị trí

tối ưu Kết qu ả cũng chỉ ra v trí tị ối ưu đặt t bù s là các nút 6, 9 ụ ẽ

3.5 Thành l p bài toán tậ ối ưu hóa vị trí t ụ điện nh m giằ ảm ổt n thất điện năng (TTĐN) và bi n dế ạng sóng THD trên lưới phân phối ứng d ng thuụ ật toán di truy n (GA) ề

3.5.1 Mô t h ả ệthống lưới nghiên c u ứ

Để xét nguồn dòng điện sóng hài, gi l p t i phi tuyả ậ ả ến được đặt

đồng th i t i các nút chờ ạ ọn trước là nút 2, 7 và 11 v i cùng m t d ng ph ớ ộ ạ ổsóng hài h% so với dòng điện cơ bả ần lượn l t cho hài b c 3, 5, 7 là 30%, ậ20% và 5% Lưới 16 nút, cho bởi:

Chọn công su t t 25kVar s ấ ụ ố lượng 2 t c n tìm vụ ầ ị trí tối ưu Kết qu ảcũng chỉ ra v trí tị ối ưu đặ ụt t bù s là các nút 6, 9 ẽ

n công su t t 25kVar s ng 4 t c n tìm v

tối ưu Kết qu ảchỉ ra v trí tị ối ưu đặt t bù s là các nút ụ ẽ 3, 4, 6, 9 ết K

qu trên Hình 3.10 cho thả ấy điện áp cũng cải thi n r r t t i các nút c a ệ ỏ ệ ạ ủlưới phân phối đều trên 0,9pu

Chọn công su t t 50kVar và s ấ ụ ố lượng là 2 t , cụ ần tìm v trí tị ối ưu

Chương 4 ỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ ĐẶT T VÀ CÔNG SU T CÁC Ấ

THI T B CPD NH M NÂNG CAO CHẾ Ị Ằ ẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG

DÙNG GI I THU T DI TRUY N (GA) Ả Ậ Ề

Tính mới được th ểhiệ ở viện c xây dựng mô hình bài toán, đánh giá tác d ng c a DVR và D-Statcom trong mô t ụ ủ ả lưới điện khi s c ngự ố ắn mạch và đưa tham số đặc trưng của SANH (biên độ s t giụ ảm điện áp ng n ắ

h n) vào trong mô hình hàm m c tiêu c a bài toán ạ ụ ủ

4.2 T ng quan bài toán c i thiổ ả ện CLĐN lưới phân ph i s d ng thi t bố ử ụ ế ị CPD nh m kh c ph c s t giằ ắ ụ ụ ảm điện áp ngắn h n ạ

4.3 Mô hình toán c a các thi t b CPD kh c ph c s t giủ ế ị ắ ụ ụ ảm điện áp ngắn

h n ạ

- Mô hình toán c a thi t b DVR ủ ế ị

- Mô hình toán c a thi t b D-Stacom ủ ế ị

4.4 Xây d ng mô hình và gi i bài toán l a chự ả ự ọn vị trí và công su t thiấ ết

- Chỉ tiêu đánh giá SANH của h ệ thống: Tính theo tổng độ ệch điệ l n áp toàn h ệthống

Luận án xem xét 3 trường hợp đặt DVR và xét ảnh hưởng c a m c ủ ứ

độ ự ố s c ng n m ch t i 3 v trí khác nhau thông qua t ng tr v trí s c ắ ạ ạ ị ổ ở ị ự ố

Ứng v i mớ ỗi trường h p, ch n v ợ ọ ị trí đặt các DVR và xác định công su t ấDVR tương ứng