Nghiên cứu vị trí tối ưu TCSC để nâng cao khả năng tải của hệ thống

Từ thực tế đó thì việc sử dụng thiết bị FACTS trên đường dây truyền tải làrất cần thiết, trong đó việc xác định vị trí tối ưu để đấu nối thiết bị FACTS nhằmđảm bảo khả năng nhận công suấ

Mã ngành: 60520202

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

TP HCM, tháng 03 năm 2015

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 HCMngày 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)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã đượcsửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

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

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)

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công 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 côngtrình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này

đã được cảm ơn và các thông 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

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ đúng thời hạn, bên cạnh sự cố gắng của bảnthân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý thầy cô, cũng như sự động viên ủng hộcủa gia đình và bạn bè trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và thực hiện luậnvăn

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Trương Việt Anh và gia đình đã hết lòng giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành

luận văn này

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn 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 nghiêncứu tại trường Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, những người đãkhông ngừng động viên, hỗ trợ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thờigian học tập và thực hiện luận văn

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến các anh chị và các bạn đồngnghiệp đã hỗ trợ cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và thực hiện luậnvăn một cách hoàn chỉnh

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 01 năm 2015

Người thực hiện luận văn

Trình Trần Hương

TÓM TẮT

Những hệ thống điện hiện hữu luôn tồn tại các nhánh xung yếu nhất có khảnăng dẫn đến quá tải thường xuyên Khi mạng lưới truyền tải điện bị quá tải đó làmột trong những nguyên nhân đẩy giá thành sản xuất và bán điện tăng cao Bằngnhiều giải pháp, các nhà cung cấp điện luôn tìm cách giảm chi phí sản xuất điệnnăng khi bị sự cố quá tải về gần với chi phí lúc bình thường Một trong những giảipháp được đề cập trong nội dung nghiên cứu “Nguyên cứu vị trí tối ưu của TCSC đểnâng cao khả năng tải của hệ thống” là ứng dụng tính hiệu quả của TCSC trong điềukhiển dòng công suất trên lưới để chống quá tải Để giải quyết bài toán đặt ra, nộidung nghiên cứu được trình bày trong năm chương

Nghiên cứu lý thuyết mặt cắt tối thiểu, ứng dụng giải thuật max-flow vàmatlap để xác định tập hợp những nhánh yếu nhất của hệ thống điện mở ra nhiềuhướng nghiên cứu mới cho bài toán chống quá tải Nội dung nghiên cứu cũng chỉ rarằng: vấn đề trọng tâm của bài toán chống quá tải là làm sao xác định được điểmthường xuyên bị quá tải và xác định vị trí, dung lượng hợp lý đặt TCSC để nâng caokhả năng tải trên hệ thống điện

Tính hiệu quả và khả năng ứng dụng của giải pháp đã đề xuất được kiểmchứng trên các hệ thống điện ba nút, bảy nút, mười bốn nút của IEEE 30 nút

Research minimum theoretical section, the application max-flow algorithmand matlap to identify the weakest set of branches of power system opens up newresearch avenues for anti-overload problem Contents study also indicated that thecentral issue of anti-overload problem is how to determine the point frequentlyoverloaded and determine the location, size TCSC reasonable set to improve theload 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

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

2.4.1 Mô hình toán 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 Mô hình toán học của TCSC 25

2.5.3 Ứng dụng TCSC vào điều khiển dòng công 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 Mô 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

Danh mục các bảng

Bảng 2.1 Điểm tính toán trong đồ thị PV vủa hệ thống hai nút 18Bảng 3.1 Vị trí và thông lượng của các lát cắt 36Bảng 3.2 Các trường hượp xảy ra vị trí lát cắt 38

Bảng 4.3

Công suất thực và phản kháng trên đường dây khiλ=0.15 (Maximum loadability = 115%) trong trườnghợp có và không có TCSC

49Bảng 4.4 Mặt cắt tối thiểu của hệ thống IEEE 30 nút 50

Bảng 4.5 Dòng công suất trong trường hợp cơ bản = 0 và λ=

Danh mục biểu đồ và hình ảnh:

Hình 2.3 Sự lệch góc của hệ thống ổn định(a) và không ổn

Hình 2.4 Góc lệch của hệ thống giao động tín hiệu nhỏ (a), hệ

thống dao động (b) và hệ thống không ổn định (c) 13Hình 2.5 Đường cong PV trường hợp cơ bản và một số mắc shunt 15

Hình 2.11 Mô hình đường dây truyền tải có lắp đặt TCSC 27

Hình 2.12 Đơn giản hóa mô hình TCSC trên nhánh i-j 27Hình 3.1 Mối quan hệ giữa sự phát, sự truyền tải và phân phối 30Hình 3.2 Sơ đồ mạng và nguồn phát S, tải thu t và hai nút trung

Hình 3.3 Mô hình hóa mạng với một số lát cắt tiêu biểu 32

Hình 3.5 Mô hình hóa sơ đồ mạng điện truyền tải hai nút 35Hình 3.6 Vị trí và thông lượng các lát cắt trên sơ đồ mô hình hóa 36Hình 3.7 Vị trí của lát cắt cực tiểu trên mạng mô hình hóa 37Hình 4.1 Mô hình hóa đường dây truyền tải có TCSC 41Hình 4.2 Lưu đồ nâng cao khả năng tải sử dụng TCSC 44

Hình 4.4 Đồ thị công suất biểu kiến trên các nhánh 48

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 dọcsang thị trường điện cạnh tranh đã và đang diễn ra mạnh mẽ ở nhiều nước trên thếgiới Thị trường điện với cơ chế mở đã đem lại hiệu quả ở các nước và cho thấynhững ưu điểm vượt trội hơn hẳn hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọctruyền thống Chính những ưu điểm của thị trường điện đã làm cho nhu cầu tiêu thụđiện 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) củamột hệ thống điện đã trở nên ngày càng quan trọng Để giải quyết vấn đề này, mạnglưới điện hiện hữu cần phải được cải thiện để tăng khả năng tải Cực đại khả năngtải (Maximum Loadability) có thể được mô phỏng bằng cách tăng tải của hệ thốngcho đến khi các thiết bị đạt đến giới hạn của nó, chẳng hạn như giới hạn nhiệt vàđiện áp Đây là một trong những nhiệm vụ đầy thử thách và khó khăn của ngườivậnhành hệ thống trong thị trường điện Vấn đề này có thể được giải quyết một cáchhiệu quả mà không cần xây dựng thêm đường dây truyền tải thông qua việc sử dụngthiết bị truyền tải AC linh hoạt (FACTS) Do đó, lắp đặt các bộ điều khiển FACTSnhằm điều khiển tốt hơn trong hệ thống điện cần phải được xem xét, trong đó việclắp đặt thích hợp các thiết bị FACTS trở thành quan trọng Nếu lắp đặt không thíchhợp 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 làrất cần thiết, trong đó việc xác định vị trí tối ưu để đấu nối thiết bị FACTS nhằmđảm bảo khả năng nhận công suất, khả năng phát công suất và cực đại khả năngmang tải đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống điện hiện nay Đây là một trongnhững vấn đề khó do không gian tìm kiếm của hệ thống rất lớn Tuy nhiên, nó cóthể được giải quyết nếu nút cổ chai của hệ thống điện được xác định Xác định các

nút cổ chai hệ thống đóng vai trò quan trọng trong việc làm giảm không gian tìmkiếm và số lượng của các thiết bị FACTS cần phải được cài đặt Nút cổ chai là vị trí

mà tại đó thể hiện dòng công 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, đểtăng khả năng mang tải thì khả năng truyền tải tại nút cổ chai cần được xem xét.Nhiều công trình nghiên cứu đã được đề nghị để xác định vị trí của FACTS để cựcđại khả năng mang tải chẳng hạn như phương pháp độ nhạy và các giải thuật thôngminh chẳng hạn như giải thuật GA (Genetic Algorithm), PSO (Particle SwarmOptimization), DE (Differential Evolution) Các công trình nghiên cứu này đãđược một số kết quả tuy nhiên vẫn chưa giới hạn được không gian tìm kiếm Để giảiquyết vấn đề này, luận văn đã áp ụng phương pháp mặt cắt tối thiểu và dòng côngsuất cực đại để xác định vị trí tối ưu của TCSC Phương pháp này đã làm giảm đượckhông gian tìm kiếm và số nhánh cần khảo sát để lắp đặt TCSC

Trên cơ sở những kết quả của các công 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 vịtrí tối ưu của TCSC bằng phương pháp mặt cắt tối thiểu để nâng cao khả năng tảicủa 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 thông qua sử dụngTCSC (vị trí đặt và dung lượng)

 Giảm thiểu không gian tìm kiếm vị trí đặt TCSC bằng phương phápmặt cắt tối thiểu

 Xác định dung lượng TCSC phù hợp để nâng cao khả năng tải của hệthống điện

1.3 Phương pháp giải quyết

- Giải tích và mô phỏng toán học

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 toán xác định vị trí và dung lượng của TCSC để nâng caokhả năng mang tải của hệ thống điện

1.6 Phạm vi ứng dụng

- Ứng dụng cho các mô hình hay lưới điện bất kỳ

- 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

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hệ thống truyền tải hiện đại là một mạng phức tạp Các đường dây truyền tảikết nối tất cả các nhà máy phát và các điểm phụ tải trong hệ thống điện Nhữngđường dây này mang một lượng lớn công suất để truyền đến bất kỳ hướng nào cầnđến và vào các liên kết khác nhau của hệ thống truyền tải để đạt được việc cung cấpnhu cầu về năng lượng Ngoài ra, các đặc điểm chính của hệ thống truyền tải hiệnnay là một cấu trúc mạch vòng, khác với các hệ thống truyền tải trước kia Truyềntải ở trạng thái xác lập có thể bị giới hạn bởi dòng công suất trên các nhánh Nhữngdòng công suất này thường xuất hiện trong một số nhánh trước khi đến với tải, kếtquả 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 độngđồng 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 ngộttrong sự cân bằng công suất tác dụng và phản kháng của hệ thống Khả năng của hệthống để phục hồi từ những nhiễu loạn và lấy lại trạng thái ổn định đồng bộ theođiều kiện dự phòng trở thành một tiêu chuẩn trong thiết kế và vận hành cho khảnăng truyền tải Khả năng này thường được đặc trưng bởi các giới hạn ổn định côngsuất hệ thống Theo các vấn đề như trên, khả năng của hệ thống điện để cung cấpcho tải chủ yếu bị giới hạn bởi hai yếu tố: giới hạn dòng công suất trên các nhánh vàgiới hạn ổn định của hệ thống Những vấn đề này là quan trọng và đòi hỏi nhiềunghiên 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 dòng công suất trong một đườngdây truyền tải sẽ được trình bày Sau đó, điều khiển công suất và các giới hạn ổnđịnh sẽ được đề cập trong phần sau

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 hệthống 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 tácdụng và phản kháng trên hệ thống điện được đề cập Việc truyền công suất giữa hainút (bus) có liên quan đến một số thông số:

Điện áp nút truyền và nhận

Góc công 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 trởđường 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 "XC" là viết tắtcủa dung nạp đường dây

Hình 2.1: Hệ thống đơn giản hai nút

Các phương trình mô tả việc công suất từ nút truyền đến nút nhận có thểđược viết như (2.1) và (2.2) Tương tự như vậy, các phương trình phản ứng điệncũng có thể được viết là (2.3) và (2.4):

X

VV

C

2 S R

S 2 S S

X

VX

cosVVV

C

2 R R

S 2 R R

X

VX

cosVVV

Từ phương trình (2.1) và (2.2), việc truyền công suất tác dụng được xác địnhbằng điện áp đầu cuối nơi truyền và nhận, điện kháng nối tiếp và góc lệch pha giữađiện áp đầu cuối nơi truyền và nhận Thông thường, trong hệ thống, góc công suất

 là nhỏ (dưới 20 độ); phương trình truyền công suất tác động có thể được rút gọn

 X

V V

P S R

S  , 

X

V V

P S R

Tóm lại, việc truyền công suất tác dụng giữa hai nút trong hệ thống rõ ràng tỉ

lệ với góc lệch giữa hai nút, và công suất đầu truyền bằng với công suất đầu nhậnkhi tổn thất trong hệ thống là không đáng kể

Các phương trình truyền công suất phản kháng phức tạp hơn các phươngtrình truyền công suất tác dụng , như đã thấy từ các phương trình (2.3) và (2.4) Tuynhiên, 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 điệndung ký sinh Vì vậy, các phương trình trở thành:

X

cosVVV

2 S S

2 R R







Như đã thấy trong phương trình (2.6) và (2.7), khả năng truyền công suấtphản kháng giữa hai nút được xác định bởi biên độ điện áp ở hai nút, điện khángnối tiếp của dây và cosine của góc độ công suất giữa hai điểm.

Trong hệ thống hoạt động bình thường, góc công suất giữa hai nút là nhỏ, do

đó phương trình truyền công suất phản kháng có thể được đơn giản thêm:

X

VVV

2 S S



X

VVV

2 R R

2.2 Điều khiển phân bố công suất

Như đã được công nhận ở mục trên rằng, công suất có thể truyền được tănglên bằng cách điều chỉnh điện kháng đường dây và góc công 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 đíchcủa bù công suất phản kháng này là để thay đổi các đặc tính điện tự nhiên củađường truyền để làm cho nó tương thích hơn với các nhu cầu phụ tải Bù song songđược áp dụng để duy trì mức điện áp trong hệ thống Bù nối tiếp thường được sửdụng 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 soát các góc của đường dây Bằng cáchđiều khiển trở kháng hoặc góc pha ta có thể điều khiển phân bố công suất trong hệ

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 cáchmáy 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 đượcngăn 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 truyềntải Các giới hạn sẽ hạn chế sự phát và truyền tải công suất tác dụng và công suấtphản kháng trong hệ thống Chúng thường được chia thành ba loại chính, cụ thể lànhiệt, 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 Khicông suất truyền tải gia tăng, làm tăng cường độ dòng điện, một điều then chốt gâynguy hiểm về nhiệt Ví dụ, trong một nhà máy điện, sự vận hành của các bộ phậntrên mức giới hạn lớn nhất sẽ mà được duy trì lâu dài sẽ gây nên các nguy hiểm vềnhiệt Các nguy hiểm có thể nằm ở các cuộn dây stator hoặc cuộn dây rotor của máyphát Cả hai công suất tác dụng và công suất phản kháng đều liên quan đến cường

độ dòng điện

Bên ngoài trong hệ thống, các đường dây và thiết bị liên quan cũng phải hoạtđộng trong giới hạn nhiệt Duy trì dòng điện quá mức trên đường dây trên khôngdẫn đến dây bị võng do đó biên độ an toàn giảm Nếu dòng điện quá lớn sẽ làmhỏng cấu trúc kim loại của dây dẫn vĩnh viễn

Không giống như các đường dây trên không, cáp ngầm và trạm biến áp cònphụ thuộc vào cách điện khác hơn so với không khí để tản nhiệt Những loại thiết bịnày có giới hạn dòng chặt chẽ hơn mới mang đến an toàn 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

các hệ thống thiết bị điện có thể cho phép được quá tải Khía cạnh quan trọng là quátải 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 làđiện áp danh định Nếu thiết bị hoạt động ở mức điện áp lệch quá mức danh định cóthể ảnh hưởng đến việc vận hành, cũng như gây thiệt hại nghiêm trọng đến hệ thốngthiết bị

Dòng điện chạy qua các đường dây truyền tải có thể làm sụt áp quá lớn tạiđầu nhận của hệ thống Điện áp này giảm chủ yếu do sự tổn thất lượng lớn côngsuất phản kháng, xảy ra khi dòng điện chạy qua hệ thống Nếu công suất phảnkháng không đủ để cung cấp nhu cầu của hệ thống, điện áp sẽ giảm, ngoài giới hạnchấp nhận được đó là thường ± 6% trên giá trị danh định

Hệ thống thường yêu cầu có sự hỗ trợ công suất phản kháng để giúp ngănngừa các vấn đề điện áp thấp Lượng công suất phản kháng hỗ trợ quyết định giớihạn truyền tải Một hệ thống có thể bị hạn chế tới mức thấp hơn so với khả năng của

nó bởi vì hệ thống không có đủ công suất phản kháng dự trữ cần thiết để hỗ trợ đầy

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 thốngđiện có thể được chia thành hai loại, đó là ổn định góc và ổn định điện áp

Giới hạn ổn định góc những giới hạn được đặt ra để đảm bảo rằng mô-mencủa hệ thống và góc công suất vẫn có thể kiểm soát được Khi một hệ thống không

ổn định góc, công suất và góc mô-men sẽ không còn kiểm soát được Góc có thể đạtthay đổi một lượng cao và nhanh trong một phạm vi rộng Một hệ thống có thể đivào một giai đoạn bất ổn định góc sau sự nhiễu loạn lớn trên hệ thống Sự vận hành

hệ thống mất khả năng kiểm soát truyền tải công suất Giới hạn ổn định điện áp, nóicách 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), dòng công suất tác dụng giữa bất kỳ hai điểmphụ thuộc vào góc pha Đồ thị của công suất tác dụng truyền đi theo góc pha đượcgọi là đường cong góc công suất Các đường cong góc công suất là một đồ thị củalượng MW truyền đi giữa hai nút, khi góc tăng lên thì thì lượng MW cũng tăng lên.Công 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 công 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 côngsuất điện truyền đi tăng Công suất điện ra khỏi máy phát lúc này lớn hơn so vớicông suất cơ đưa vào, làm cho roto giảm tốc và tần suất của hệ thống giảm Trongtrường hợp ngược lại, khi góc giảm thì công suất điện giảm Công suất cơ đưa vàomáy phát điện lớn hơn công suất điện đang được truyền ra, làm cho roto tăng tốc vàtần 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 hợpkhác nhau của hệ thống

Hình 2.2: Đường công góc công 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 gócđược chia thành hai loại: sự ổn định thoáng qua và ổn định tín hiệu nhỏ

2.3.4 Ổn định thoáng qua

Sự ổn định thoáng qua được định nghĩa là khả năng của hệ thống điện duy trìtính đồng bộ khi bị nhiễu loạn nghiêm trọng thoáng qua Nó được xác định bởi hệthống đáp ứng lại được với một sự nhiễu loạn nghiêm trọng Hệ thống là ổn địnhthoáng qua nếu nó có thể tiếp tục hoạt động sau nhiễu loạn đầu tiên, ngược lại hệthống không ổn định nếu nó không thể đáp ứng lại được Đối với hệ thống ổn địnhthoáng qua, một nhiễu loạn lớn bất ngờ xảy ra, sự giao động góc hệ thống bắt đầutăng, nhưng đạt đến một cao điểm và sau đó bắt đầu suy giảm, làm cho hệ thốngthoáng qua ổn định Sự ổn định phụ thuộc vào cả hai trạng thái vận hành ban đầucủa hệ thống và mức độ nghiêm trọng của nhiễu loạn

Để minh họa cho sự ổn định thoáng qua và không ổn định của hệ thống, xem

Hình 2.3, trong đó cho thấy góc dao động của hai hệ thống: ổn định thoáng qua và

không 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 liênquan đến ổn định quá độ Nói chung, hệ thống điện với đường dây truyền tải dài vànhà máy phát ở xa dễ bị mất ổn định thoáng qua

Cách thức để mà phân tích các giới hạn ổn định quá độ là nghiên cứu sự thayđổi góc roto của tất cả các máy phát kết nối với hệ thống sau khi hệ thống chịu mộtnhiễu lớn Kỹ thuật tích phân số được sử dụng trong phân tích sự ổn định quá độcủa hệ thống điện

2.3.5 Ổn định tín hiệu nhỏ

Ổn định tín hiệu nhỏ hay còn gọi là sự ổn định dao động là khả năng của hệthống vẫn trong tình trạng đồng bộ sau khi chịu một nhiễu nhỏ Ổn định dao độngđược đặc trưng bởi biên độ và thời gian của hệ dao động Dao động điện áp, tần số,

góc và phân bố công 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 thốngkích từ Những dao động này có thể phát triển quá lớn đến lúc hệ thống trở nên daođộng không ổn định.

Dao động bất ổn có thể bắt đầu như một dao động cường độ thấp vô hại.Cuối cùng, các dao động có thể phát triển quá lớn cho đến khi hệ thống không ổnđịnh được

Đường dây truyền tải và máy phát có thể cắt ra do sự dao động Dao độngbất ổn có thể mất hàng giờ để phát triển hoặc nó có thể xảy ra trong vòng vài giâysau 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 không ổn định Hình 2.4

cho thấy các hệ thống, đó là tín hiệu nhỏ ổn định, dao động ổn định và không ổnđịnh

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)

Có nhiều nghiên cứu về hệ thống để xác định giới hạn truyền công suất antoàn Giới hạn ổn định được xác định bằng cách sử dụng công cụ phần mềm phântích máy tính Toàn bộ hệ thống điện được mô hình hóa để đảm bảo rằng các giớihạn truyền công suất có thể cho phép không 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 sẽkích 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 bịFACTS, 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 công suất thực sự truyền tải sẽ tăng lên Các yếu tốchính gây ra sự mất ổn định điện áp là thiếu nguồn cung cấp công suất phản khángtrong hệ thống

Ổn định điện áp có thể được phân thành hai loại: ổn định điện áp tĩnh và ổnđịnh điện áp động Trong ổn định động, các nghiên cứu bao gồm các ảnh hưởngđộng 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 trongthời 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 nghiêncứu 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 suấtphản kháng Dần dần phát triển lây lan trong hệ thống cuối cùng dẫn đến một tìnhtrạng 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

Hình 2.5: Đường cong PV trường hợp cơ bản và một số bộ mắc Shunt

Khi công suất truyền tăng lên, điện áp tại đầu nhận giảm Cuối cùng, (mũi)điểm tới hạn (điểm mà tại đó công suất phản kháng hệ thống thiếu để sử dụng) đạtđược, nơi mà bất kỳ lượng công suất tác dụng gia tăng hơn nữa sẽ dẫn đến biên độđiện áp giảm rất nhanh chóng Trước khi đạt đến điểm tới hạn, sự sụt giảm điện áplớn do tổn thất nhiều công suất phản kháng Cách duy nhất để phục hồi hệ thống từ

sự sụp đổ điện áp là giảm tải công suất phản kháng hoặc đưa thêm công suất phảnkháng vào trước khi đến điểm sụp đổ điện áp Thiết bị FACTS là một nhóm cácthiết bị điện điện tử có thể cung cấp công suất phản kháng cho hệ thống để tăng

biên ổn định điện áp Hình 2.6 cho thấy một số giới hạn ổn định khác nhau của hệ

thống điện

Giới hạn nhiệt luôn là cao nhất và có liên quan đến đường dây truyền tảingắn đến 160 km Giới hạn điện áp là luôn luôn cao hơn so với sự ổn định (tạm thờihoặc tín hiệu nhỏ) giới hạn ổn định Giới hạn điện áp (ổn định) là ràng buộc cho hệthống có chiều dài trung bình từ 160-500 km Các giới hạn ổn định động là thấpnhất trong hệ thống và được ràng buộc đối với đường dây dài hơn 500 km

Hình 2.6: Các giới hạn của hệ thống

Bằng cách sử dụng bộ điều khiển FACTS thích hợp, có thể để di chuyển cácgiới hạn khác nhau của hệ thống gần đến giới hạn nhiệt

2.4 Khả năng tải (LOADABILITY)

Khả năng tải là lượng công suất có thể được truyền từ một nút này đến mộtnút khác hoặc một nhóm các nút này đến một nhóm các nút khác mà hệ thống vẫn

ổn định, không vi phạm bất kỳ giới hạn vận hành nào Khả năng tải liên quan chặtchẽ với các vấn đề về dòng công suất và ổn định điện áp trong hệ thống điện Ýtưởng chính là để làm tăng tải trong hệ thống điện càng nhiều càng tốt, bắt đầu từmột giá trị ban đầu cho đến khi xảy ra vi phạm một trong các giới hạn vận hành.Giới hạn vận hành hệ thống là một tập hợp các giới hạn có liên quan đến dòng côngsuất trên đường dây, máy phát và biên độ điện áp Độ chênh lệch giữa công suất tải

ban đầu và tải cực đại được gọi là biên của khả năng tải Biên khả năng tải của hệthống thay đổi từ giá trị này này đến một giá trị khác tùy thuộc vào cấu hình hệthống và giới hạn vận hành Xét một hệ thống 2-nút đơn giản trong Hình 2.7 Nút 1

là nút cân bằng và tải tại nút 2 được giả thuyết là hằng số

Hình 2.7:Sơ đồ hệ thống 2 nút Hình 2.8 cho thấy các đường cong PV có liên quan tới điện áp và khả năng tải,

cũng như biên khả năng tải tương ứng của hệ thống này Các giới hạn dưới của biên

độ điện áp được đặt ở 0 90 pu Tải ban đầu được giả định là 0 2 pu và tải cực đại

có thể được tăng lên với giới hạn điện áp như giả định là 0 95 pu Trong khi mũicủa đường cong tương ứng với công suất là 1 0 pu, tải có thể đạt chỉ 0 95 pu vìgiới hạn dưới của điện áp là bị vi phạm Trong trường hợp đơn giản này, nó đượcgiả định rằng giới hạn dòng công suất đường dây không được vi phạm ngay cả khitải tăng chưa đạt đến cực đại Do đó, biên khả năng tải đơn giản chỉ là độ lệch giữatải cơ bản và tải cực đại đạt được khi xảy ra vi phạm giới hạn điện áp thấp

Hình 2.8: Đồ thị PV chỉ ra biên khả năng tải

Đồ thị trong hình 2.8 có thể tính được từ biểu thức sau

Hệ số công suất góc

Tính |V2| dựa trên biểu thức trên cho hệ thống trong Hình 2.7 bằng cách thay đổi

công suất tải PDtại nút 2 từ 0 đến 1.2, giả định thông số hệ thống như sau:

Trong đó, X = 0.26 pu, R =0, β = 0.12

Kết quả chỉ ra trong Bảng 1

Bảng 1: Điểm tính toán trong đồ thị PV của hệ thống 2 nút

khả năng tải ban đầu Các kết quả của hệ thống đơn giản này sẽ được tính toán bởimột chương trình mô phỏng được trình bày trong phần sau.

2.4.1 Mô hình toán và cách giải quyết

Khả năng tải cực đại có thể được giải quyết như là một vấn đề tối ưu hóa phituyến Mục tiêu là xác định sự gia tăng tải cực đại cùng với việc tăng công suất pháttrong toàn bộ hệ thống trong khi phải thỏa mãn được các ràng buộc dòng công suấttrên đương dây và điện áp Điều này được thực hiện trên toàn bộ hệ thống hoặc tạimột số tải đặc biệt Tổng mức tăng tải trong hệ thống điện được xác định bởi hệ sốtăng tải Tổng công suất thực bơm vào tại nút máy phát trong vùng nguồn cũngđược tăng theo hệ số tăng tải cho đến khi các giới hạn bị vi phạm Về mặt toán học,điều này có thể được thực hiện như là một vấn đề tối ưu hóa phi tuyến có ràng buộcnhư dưới đây:

max ∫( ) = ∑ * ( PLi– PGi) (2.11)S.t g(x,λ) = 0

l≤ ℎ( )Trong đó, λ là hệ số tăng tải/máy phát tại mỗi nút

X là véc tơ biên độ điện áp và góc pha

g(x, λ) là phương trình dòng công suất của các nút PQ

h(x) là các hàm công suất của đường dây, máy phát và điện áp được ràngbuộc bởi giới hạn trên và giới hạn dưới

l và u là giới hạn trên và giới hạn dưới của máy phát, biên độ điện áp, gócpha, và ràng buộc dòng công suất

N là số nút

PLi, PGilà công suất thực của máy phát và tải tại nút i

Matlab's optimization toolbox được sử dụng để giải quyết vấn đề tối ưu này.

2.4.2 Matlab Optimization Toolbox

Matlab Optimization Toolbox là một tập hợp các hàm tính toán số được sửdụng để tính các dạng tối ưu hóa khác nhau chẳng hạn như cực tiểu có ràng buộc vàkhông ràng buộc phi tuyến, chương trính bậc hai và chương trình tuyến tính, giảiquyết các hệ thống phi tuyến…Hầu hết các hàm tối ưu được chứa trong các file.m.Việc tối ưu hóa không chỉ là cực tiểu mà còn cực đại một hàm nào đó Có rất nhiềutùy chọn có thể được thay đổi bằng cách thay đổi các tùy chọn chức năng như hiểnthị các bước lặp…nếu không chương trình sẽ làm việc dựa trên các thiết lập mặcđịnh của tùy chọn Một trong các hàm được sử dụng để giải quyết vấn đề tối ưu hóatrong luận văn này là fmincon Hàm này được sử dụng để cực tiểu một hàm vôhướng nhiều biến bằng cách lặp đi lặp lại bắt đầu từ một ước tính ban đầu, đó là tối

ưu hóa phi tuyến Cú pháp của nó là như sau:

min F(x) subject to c(x) <= 0 (2.12)

ceq(x) = 0A*x <= bAeq * x = beq

Lb <= x<= ub[ x,fval] = fmincon ( fun, x0, a, b, Aeq, beq, lb, options)

Trong đó:

X, b, beq, lb, và ub là các véc tơ

A và Aeq là ma trận

c(x), ceq(x) là hàm trả về và có thể là phi tuyến

x0 là giá trị ước lượng ban đầu của các biến

Một ví dụ đơn giản sử dụng Matlab Optimization Toolbox được đưa ra dướiđây.

Ví dụ: Tìm giá trị của x để cực tiểu hàm f(x) = - X 1 X2 X3 Điểm ban đầu làx=[10;10;10] và ràng buộc 0<= X 1 + 2X 2 + 2X 3 <=72

Giải: đầu tiên viết một m-file như sau:

fval = -3.4560e + 03

và ràng buộc bất phương trình là

A*x-b =

2.5 Ứng dụng TCSC trong điều khiển công suất.

2.5.1 Nguyên lý cấu tạo TCSC

Các bộ bù nối tiếp được điều khiển bằng Thyristor (TCSC): Là một phần tử

cơ bản của hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) Nó được mởrộng từ các tụ nối tiếp truyền thống thông qua việc bổ sung một bộ cuộn khángđược điều khiển bằng thyristor Bộ cuộn kháng này mắc song song với một tụ nốitiếp cho phép tạo ra một hệ thống bù dọc điện kháng thay đổi liên tục và nhanhchóng Những lợi điểm chủ yếu của TCSC là:

 Tăng công suất truyền tải

TCSC bao gồm ba phần tử chính: Tụ bù C, cuộn kháng bù nối vào mạch

thyristor và hai thyristor điều khiển SCR 1 và SCR 2 (Hình 2.9)

Hình 2.9: Sơ đồ cấu tạo của TCSC.