Hướng tiếp cận mới trong nội dung nghiên cứu này chính là sự kết hợp giữa giải thuật đề xuất và phần mềm giải bài toán phân bố công suất Powerworld cùng với tính năng ưu việt của TCSC để
Trang 2THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HỒ HỮU LỘC
XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ LẮP ĐẠT TCSC TRÊN LƯỚI ĐIỆN TRUYỀN TẢI KHU VỰC PHÍA NAM VIỆT NAM
NGÀNH: THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250
HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS QUYỀN HUY ÁNH
Tp Hồ Chí Minh, 2012
Trang 3TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
Họ và tên: NGUYỄN HỒ HỮU LỘC
Ngày 10 tháng 03 năm sinh: 1984
Nơi sinh: Tiền Giang
Địa chỉ liên lạc: 666/17-Huỳnh Tấn Phát-Phường Tân Phú–Quận 7-Thành phố
Hồ Chí Minh
Điện thoại: 0976.871.681
Email: nguyenhohuulocptc4@gmail.com
Quá trình đào tạo:
- Từ năm 2004 đến năm 2009 theo học ngành Điện Khí Hóa Cung Cấp Điện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
- Từ năm 2010 đến năm 2012 theo học Cao học ngành Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
Quá trình công tác:
- Từ năm 2009 đến nay công tác tại Công ty Truyền Tải Điện 4; địa chỉ: số 07 Quốc lộ 52, Phường Trường Thọ, Quận Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh
Trang 4LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác
TP Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 10 năm 2012
Người viết cam đoan
Nguyễn Hồ Hữu Lộc
Trang 5CẢM TẠ Trong thời gian học tập tại trường ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, với sự dạy bảo tận tình của các thầy cô
trong Khoa Điện và quí thầy cô trường ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH
PHỐ HỒ CHÍ MINH, em đã học tập được rất nhiều kiến thức quí báu và
những kinh nghiệm thực tế từ quí thầy cô Với vốn kiến thức tích luỹ này đã góp phần xây nền tảng cho em vững tin bước vào lĩnh vực kỹ thuật trong tương lai
Qua luận văn này, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS QUYỀN HUY
ÁNH người Thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian
qua để em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này
Em cũng xin chân thành cảm ơn các anh chị, bạn bè và người thân trong gia đình đã luôn luôn cố gắng tạo điều kiện, giúp đỡ động viên em trong quá trình thực hiện luận văn này
Em xin chân thành cảm ơn!
TP Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 10 năm 2012
Người thực hiện
Nguyễn Hồ Hữu Lộc
Trang 6Nghiên cứu lý thuyết mặt cắt tối thiểu, ứng dụng giải thuật của chương trình max-flow 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 cốt lõi của bài toán chống quá tải là làm sao xác định được điểm quá tải thường xuyên Giải thuật đã đề xuất giải quyết được vấn đề này Hướng tiếp cận mới trong nội dung nghiên cứu này chính là sự kết hợp giữa giải thuật đề xuất và phần mềm giải bài toán phân bố công suất Powerworld cùng với tính năng ưu việt của TCSC để chống quá tải hệ thống điện Kết quả của sự kết hợp là lưu đồ xác định vị trí và dung lượng bù tối ưu của TCSC trên lưới điện truyền tải
Tính hiệu quả và khả năng ứng dụng của giải pháp đã đề xuất được kiểm chứng trên hệ thống điện truyền tải miền Nam Việt Nam
Trang 7The existing electrical system there is always the most critical branch is likely to lead to frequent overload When the transmission network will be one of the causes leading to system collapse By many measures, the power supply always looking for ways to reduce the problem to the system capacity close to the steady state One of the solutions mentioned in the content of this research is the effective application of TCSC control power flows on the grid
to overload To solve the problem posed, research contents are as follows
Research minimun cut-set theoretically, suggested max-flow algorithms application to determine collect electrical system's most weak branchs open up many new research problems against overload Content research also indicates that; matter of anti-overload problem is how to define such overload often Algorithm proposed solving this problem Approaches in the contents of this research is the combination of proposed algorithms and software power distribution calculation Powerworld with premium features of TCSC to fight overload the electrical system The result of the combination is to locate and map the optimal compensation of TCSC capacity on the transmission grid
The effectiveness and the applicability of the proposed solution has been tested on the electricity transmission system in South Vietnam
Trang 8MỤC LỤC
Quyết định giao đề tài
Tóm tắt lý lịch trích ngang i
Lời cam đoan ii
Cảm tạ iii
Tóm tắt iv
Mục lục vi
Danh sách các từ viết tắt viii
Danh sách các hình và các hình ix
PHẦN A: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1 Đặt vấn đề 1
2 Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 2
2.1 Mục tiêu của đề tài 2
2.2 Nhiệm vụ của đề tài 2
3 Điểm mới của luận văn 2
4 Giá trị thực tiễn của đề tài 2
PHẦN B: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ FACTS 1.1 Tính cần thiết của việc xác định vị trí FACTS 3
1.1.1 Giá điện thị trường 3
1.1.2 Những ứng dụng và lợi ích của FACTS 4
1.1.3 Vấn đề trọng tâm 5
1.2 Mô hình toán học của TCSC 6
1.2.1 Nguyên lý cấu tạo TCSC 6
1.2.2 Mô hình toán học của TCSC 8
1.2.3 Ứng dụng TCSC vào điều khiển dòng công suất 9
1.3 Các nghiên cứu sử dụng FACTS trong chống nghẽn mạch 11
Trang 91.3.1 Tổng quan về các công trình thí nghiệm trước đây 12
1.3.2 Nhận xét 12
1.4 Các vấn đề cần cải tiến 12
1.5 Mặt cắt cực tiểu và dòng công suất cực đại 14
1.5.1 Cơ sở lý thuyết về mặt cắt tối thiểu và dòng công suất cực đại 14
1.5.2 Ứng dụng trong hệ thống điện 16
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH TOÁN HỌC 2.1 Phương pháp xác định mặt cắt tối thiểu 20
2.2 Lưu đồ xác định mặt cắt tối thiểu-luồng công suất cực đại 22
2.3 Bài toán phân bố công suất 30
2.4 Xác định vị trí của TCSC 33
2.5 Dung lượng bù TCSC 35
2.6 Lưu đồ xác định vị trí và dung lượng TCSC 36
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM POERWORD ĐỂ MÔ PHỎNG LƯỚI ĐIỆN 3.1 Sơ đồ lưới điện 500kV 39
3.2 Sơ đồ lưới điện 220kV 52
PHẦN C: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 1 Kết luận 59
2 Hướng phát triển đề tài 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO 60
PHỤ LỤC 65
Trang 10DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
AC Alternating Current
DC Direct Current
FACTS Flexible AC Transmission Systems
SSSC Static Synchronous Series Compensator
STATCOM Static Synchronous Compensator
SVC Static Var Compensator
TCPST Thyristor Controlled Phase Shifting Transformer
TCR Thyristor Controlled Reactor
TCSC Thyristor Controlled Series Capacitor
TCVR Thyristor Controlled Voltage Regulator
UPFC Unified Power Flow Controller
VSC Voltage Source Converter
Trang 11DANH SÁCH CÁC HÌNH VÀ CÁC BẢNG
Trang
Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo của TCSC 6
Hình 1.2: Mô hình toán của TCSC 8
Hình 1.3: Mô hình đường dây truyền tải có lắp đặt TCSC 9
Hình 1.4: Đơn giản hoá mô hình TCSC trên nhánh i-j 10
Hình 1.5: Chi phí đầu tư vận hành theo công suất bù 13
Hình 1.6: Sơ đồ mạng với nguồn phát s, tải thu t và hai nút trung gian 15
Hình 1.7: Mô hình hoá mạng với một số lát cắt tiêu biểu 15
Hình 1.8: Mô hình hệ thống điện đơn giản 16
Hình 1.9: Mô hình hoá sơ đồ mạng điện truyền tải 2 nút 17
Hình 1.10: Vị trí và thông lượng các lát cắt trên sơ đồ mô hình hóa 17
Hình 1.11: Vị trí của lát cắt cực tiểu trên mạng mô hình hoá 18
Hình 2.1: Đồ thị vô hướng với các trọng số G = (V, E) 20
Hình 2.2: Sau khi cắt nút 1 cộng giá trị w(1,2) và w(1,5) 20
Hình 2.3: Sau khi cắt nút số 8 cộng giá trị w(4,7) và w(4,8) 20
Hình 2.4: Sau khi cắt nút 7,8 cộng giá trị w(3,4) và w(3,7) 20
Hình 2.5: Sau khi cắt nút 4, 7, 8 22
Hình 2.6: a) Sau khi cắt nút 3 cộng giá trị w(2,3) và w(2,6) 22
b) Sau khi cắt đồ thị cách ly nút 2 V\{2} và {2} 22
Hình 2.7: a Mô hình hoá hệ thống điện; b Mô hình hoá thông số trên các nhánh 23 Hình 2.8: Lưu đồ giải thuật xác định luồng công suất cực đại 24
Hình 2.9: Dữ liệu nhập vào cho sơ đồ mô hình hoá 30
Hình 2.10: Danh sách các lát cắt sau khi chạy chương trình 30
Hình 2.11: Nút đại diện của một hệ thống điện 31
Hình 2.12: a) Điều chỉnh công suất máy phát 1 32
Trang 12Hình 3.3: Danh sách các đường cắt khi sau khi chạy chương trình 41
Hình 3.4: Mô phỏng phân bố công suất bằng Powerworld 42
Hình 3.5: Mô phỏng vị trí lắp đặt TCSC trên lưới bằng Powerworld 42
Hình 3.6: Mô phỏng vị trí lắp đặt TCSC trên lưới bằng Powerworld 43
Hình 3.7: Thông số đầu vào khi tải tại nút 3 tăng 20% 45
Hình 3.8: Danh sách lát cắt khi tăng tải tại nút 3 45
Hình 3.9: Mô phỏng luồng công suất khi tăng tải tại nút 3 46
Hình 3.10: Thông số nhập vào khi tăng tải 20% tại nút 4 46
Hình 3.11: Danh sách lát cắt khi tăng tải tại nút 4 47
Hình 3.12: Mô phỏng luồng công suất khi tăng tải tại nút 4 47
Hình 3.13: Thông số nhập vào khi tăng tải 20% tại nút 2 48
Hình 3.14: Danh sách lát cắt khi tăng tải tại nút 2 48
Hình 3.15: Mô phỏng luồng công suất khi tăng tải tại nút 2 49
Hình 3.16: Thông số đầu vào khi tăng tải toàn bộ hệ thống 49
Hình 3.17: Danh sách các lát cắt khi tăng tải toàn bộ hệ thống 50
Hình 3.18: Mô phỏng luồng công suất khi tăng tải tại nút 2,3,4 50
Hình 3.19: Sơ đồ lưới điện truyền tải 15 nút 52
Hình 3.20: Dữ liệu nhập vào chương trình max-flow đối với lưới điện 15 nút 53
Hình 3.21: Mô hình hoá lưới điện 15 nút chạy bằng giải thuật max-flow 53
Hình 3.22: Mô phỏng phân bố công suất bằng powerworld 54
Hình 3.23: Mô phỏng phân bố công suất sau khi bù TCSC 55
Hình 3.24: Mô hình hoá lưới điện 15 nút bằng Max-flow 56
Hình 3.25: Mô phỏng lưới điện bằng powerworld khi tăng tải tại Thủ Đức 56
Hình 3.26: Mô hình hoá lưới điện 15 nút bằng Max-Flow 57
Hình 3.27: Mô phỏng lưới điện bằng powerworld khi tăng tải toàn hệ thống ……57
Bảng 1.1: Chi phí đầu tư trên 1kVar của các thiết bị FACTS 13
Bảng 1.2: Vị trí và thông lượng của các lát cắt 17
Bảng 1.3: Các trường hợp xảy ra vị trí lát cắt 18
Bảng 2.1: Danh sách lát cát và thông lượng của các lát cắt 29
Bảng 3.1: Hiển thị thông số công suất trước và sau khi bù 43
Trang 13Bảng 3.2: Hiển thị thông số trước công suất và sau khi bù 44 Bảng 3.3: Giá trị XTCSC bù và tỷ lệ giảm công suất quá tải trên lưới điện 7 nút 51 Bảng 3.4: Giá trị XTCSC , công suất trên lưới điện 15 nút trước và sau khi bù 58
Trang 14PHẦN A: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, khi mà các nguồn tài nguyên thiên nhiên sẵn có không đủ đáp ứng nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng của con người; bên cạnh việc tìm kiếm những nguồn tài nguyên và nhiên liệu mới thay thế thì việc quy hoạch, sử dụng hợp
lý nguồn tài nguyên sẵn có cũng là vấn đề quan tâm hàng đầu của ngành công nghiệp điện năng Một trong những khía cạnh đó là việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào quản lý và vận hành lưới điện sao cho tổng chi phí sản xuất vận hành lưới điện
là nhỏ nhất để giá thành tới người sử dụng là thấp nhất Điều này là hợp lý khi hình thành một thị trường mới mẻ - thị trường điện
Có rất nhiều công trình nghiên cứu về vận hành tối ưu hệ thống điện Một trong các bài toán đặt ra là phân bố luồng công suất tối ưu còn được biết đến như phương pháp điều khiển dòng công suất trên lưới điện truyền tải nhằm: Hạn chế quá tải trên đường dây ở thời điểm hiện tại cũng như khi mở rộng phụ tải trong tương lai Đây là nguyên nhân chính gây nên giá sản xuất điện năng tăng cao Có nhiều phương pháp để giải quyết bài toán quá tải như: Điều chỉnh công suất phát của nhà máy, xây dựng các đường dây song song sử dụng các thiết bị bù công suất phản kháng tại chỗ… nhưng các giải pháp này không đảm bảo được chi phí là thấp nhất nên không thoả điều kiện giảm giá thành sản xuất điện năng
Việc sử dụng các thiết bị FACTS điều khiển dòng công suất trên đường dây còn được biết đến như 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 được tình trạng đầu cơ tăng giá điện khi có sự cố nghẽn mạch Một số công trình nghiên cứu cũng cho thấy rằng, việc sử dụng các thiết bị FACTS để điều khiển dòng công suất sẽ hạn chế được quá tải trên đường dây từ đó làm giảm chi phí sản xuất điện năng, tăng giá trị phúc lợi xã hội Vấn đề là chọn thiết bị FACTS nào là thoả mãn chi phí nhỏ nhất Thực nghiệm cho thấy khả năng điều khiển điện áp, điều khiển trào lưu công suất và cải thiện ổn định điện áp tại các nút của TCSC là tốt hơn
so với dùng tụ bù dọc SVC; chi phí đầu tư trên một đơn vị công suất bù của TSCS
Trang 15lắp đặt trên toàn bộ hệ thống truyền tải điện Với mục tiêu tổng chi phí vận hành và điều khiển hệ thống điện bao gồm: chi phí phát điện, chi phí truyền tải phân phối, chi phí cho thiết bị bù TCSC phải nhỏ nhất Do đó, cần xác định vị trí lắp đặt thiết bị
bù TCSC trên mạng phân phối truyền tải điện để đồng thời giải quyết được cả hai vấn đề: kinh tế và kỹ thuật Trên cơ sở những kết quả của các công trình nghiên cứu
trước đây đã đạt được, đề tài “Xác Định Vị Trí Lắp Đặt TCSC Trên Lưới Điện Truyền Tải Phía Nam Việt Nam” với mục đích xây dựng giải thuật tìm kiếm vị trí
tối ưu của TCSC giải quyết những hạn chế của các công trình nghiên cứu trước đây
2 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
2.1 Mục tiêu của đề tài
Tìm hiểu về thuật toán tìm luồng công suất cực đại;
Nguyên lý cấu tạo, hoạt động và mô hình toán của TCSC;
Vị trí tối ưu của TCSC trên lưới điện truyền khu vực phía Nam Việt Nam
2.2 Nhiệm vụ của đề tài
Nghiên cứu về thuật toán luồng công suất cực đại;
Sử dụng TCSC để điều khiển phân bố dòng công suất trên lưới điện;
Xác định vị trí tối ưu của TCSC trên lưới điện truyền tải;
Ứng dụng thuật toán để giải bài toán cụ thể;
3 ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN VĂN
Ứng dựng giải thuật lắt cắt xác định vị trí tối ưu của TCSC để áp dụng trên lưới điện truyền tải khu vực phía Nam Việt Nam và kiểm tra bằng phần mềm PowerWord
4 GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Trang 16PHẦN B: NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ FACTS
1.1 TÍNH CẦN THIẾT CỦA VIỆC XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ FACTS
từ giá thành sản xuất điện năng tối thiểu C1 Trong thị trường điện, sự cạnh tranh về giá cả luôn khiến các nhà sản xuất phải hướng đến mục tiêu tối thiểu hoá tổng chi phí của hệ thống điện, nghĩa là tìm cách đưa 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 ở giá trị chi phí phát điện tối thiểu C1 lượng công suất phát của các nhà máy điện và phụ tải có sự cân bằng theo biểu thức:
Khi có sự gia tăng phụ tải vượt quá độ dự trữ cho phép của hệ thống, những sự
cố đường dây dẫn đến nghẽn mạch – quá tải trên một số tuyến đường dây của mạng
Trang 17sản xuất ra một đơn vị điện năng trong trường hợp này theo biểu thức (1.3) sẽ là
C C P C 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 trường cũng như những nỗ lực giành thị phần
Những phân tích trên đây cho thấy: khi có sự thay đổi phụ tải hay sự cố hệ thống điện sẽ dẫn tới giá bán điện trên thị trường tăng lên do chi phí để sản xuất điện tăng Cho dù vận hành lưới điện ở bất kỳ trạng thái nào thì các nhà máy sản xuất điện luôn tìm cách đưa các chi phí C2 trở về gần với trạng thái ban đầu nhất: C2C1
1.1.2 Những ứng dụng và lợi ích của FACTS
Thay đổi trở kháng của một hay nhiều nhánh trong hệ thống điện, từ đó có thể phân bố lại luồng công suất trong mạng điện Điều này giúp hạn chế luồng công suất truyền qua những nhánh có khả năng gây nghẽn mạch
Điều khiển dòng công suất trên đường dây trong lưới điện theo ý muốn, giúp
sử dụng tốt hơn hệ thống truyền tải hiện có Ở một số nơi, việc tăng dung lượng chuyển giao năng lượng và điều khiển luồng công suất truyền tải của các đường dây
có tầm quan trọng thiết yếu, đặc biệt là những nơi có thị trường điện chưa được kiểm soát, hay những nơi mà các vị trí phát điện và tâm phụ tải có thể thay đổi Điều này cần bổ sung các đường dây truyền tải mới để đáp ứng nhu cầu điện gia tăng, nhưng lại vướng phải các ràng buộc về kinh tế, môi trường Trong trường hợp
đó, các thiết bị FACTS đáp ứng được những yêu cầu cả về kinh tế và kỹ thuật
Tăng độ tin cậy và tính khả dụng của hệ thống truyền tải: Độ tin cậy và tính khả dụng của hệ thống truyền tải phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau Mặc dù các thiết bị FACTS không thể ngăn chặn sự cố, nhưng chúng có thể giảm thiểu những ảnh hưởng của sự cố và đảm bảo việc cấp điện an toàn hơn bằng cách giảm số lần đóng cắt đường dây Ví dụ, cắt một phụ tải lớn gây ra một quá áp của đường dây và