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

1. Tính cấp thiết Vấn đề chất lượng điện năng (CLĐN) là những thay đổi về điện áp, dòng điện, tần số dẫn đến làm hư hỏng các thiết bị tiêu thụ điện. Việc sử dụng ngày càng nhiều các thiết bị điện tử khiến cho các thiết bị tiêu thụ điện ngày càng nhạy cảm hơn với CLĐN. Việc hình thành thị trường điện, đặc biệt là thị trường có sự tham gia của các công ty quản lý lưới phân phối điện cũng như áp lực phải tạo ra môi trường cơ sở hạ tầng đầu tư hấp dẫn tại Việt Nam trong những năm gần đây khiến sự quan tâm của cả khách hàng dùng điện lẫn bên quản lý lưới điện và bên sản xuất thiết bị điện đối với CLĐN trở nên đặc biệt. Có thể nói, tại Việt Nam, trong các khu vực lưới điện thì lưới phân phối điện, đặc biệt là lưới phân phối điện công nghiệp, than phiền của khách hàng cũng như những tranh chấp về pháp lý liên quan đến các vấn đề chuyên môn về CLĐN xảy ra nhiều nhất. Trong các hiện tượng CLĐN thì biến dạng gây sóng hài và biến thiên điện áp ngắn hạn như sụt giảm điện áp ngắn hạn (SANH) là những hiện tượng gây nhiều vấn đề nhất đối với phụ tải nhạy cảm được ghi nhận tại Việt Nam. Đã có một số nghiên cứu trong nước về đánh giá CLĐN và các giải pháp. Tuy vậy, vấn đề là có nhiều hiện tượng CLĐN và tác dụng đối với phụ tải cũng rất đa dạng. Nghiên cứu khắc phục tác động của sóng hài và đặc biệt là nghiên cứu khắc phục SANH tại Việt Nam mới có một số ít và chủ yếu là bảo vệ cho phía các phụ tải, do các khách hàng thực hiện. Với việc phát triển của công nghệ vật liệu bán dẫn, các thiết bị điện tử công suất với công suất lớn đã và đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong vận hành hệ thống điện. Thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) đã được sử dụng trong khu vực lưới truyền tải với nhiều mục đích như nâng cao khả năng tải của đường dây, cải thiện giới hạn ổn định, tối ưu hóa chế độ vận hành của lưới truyền tải. Việc ứng dụng thiết bị FACTS trong lưới phân phối, còn gọi là D-FACTS trong đó gồm lớp các thiết bị điều hòa công suất (Custom Power Device – CPD) như các thiết bị phục hồi điện áp động (Dynamic voltage restorer - DVR), thiết bị bù tĩnh (Distribution Static Compensator - D-Statcom) đang dần được triển khai nhiều nơi trên thế giới. Các thiết bị CPD, ngoài việc đảm bảo chất lượng vận hành dài hạn, còn khắc phục tốt nhiều hiện tượng CLĐN nhờ khả năng đáp ứng nhanh của các thiết bị nghịch lưu nguồn áp [6, 10, 11, 33]. Tuy nhiên ở Việt Nam chưa có những nghiên cứu về ứng dụng của thiết bị CPD nhằm nâng cao CLĐN trong lưới phân phối. Sở dĩ có vấn đề này là vì bên quản lý lưới phân phối điện là các công ty điện lực chưa quan tâm đến việc ứng dụng của thiết bị CDP. Với những lý do trên, luận án với tên đề tài: “Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối điện sử dụng các thiết bị D-FACTS” được tác giả đặt ra nhằm nghiên cứu các giải pháp nâng cao CLĐN trong lưới cung cấp điện, hay còn có thể gọi là lưới phân phối điện với định hướng ứng dụng tại Việt Nam.

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết 1

2 Đối tượng nghiên cứu của Luận án 1

3 Các mục tiêu nghiên cứu của Luận án 2

4 Phương pháp thực hiện 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án 3

6 Các đóng góp mới của Luận án 4

7 Bố cục của Luận án 4

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC BÀI TOÁN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN 6

1.1 Tổng quan về chất lượng điện năng và các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trên lưới phân phối 6

1.1.1 Tóm tắt về các hiện tượng chất lượng điện năng trên lưới phân phối 6

1.1.2 Sụt giảm điện áp và mất điện ngắn hạn [23, 49] 7

1.1.3 Sóng hài [20, 30, 59, 79] 13

1.2 Tổng quan về nghiên cứu giải pháp sử dụng thiết bị CPD để nâng cao chất lượng điện năng lưới phân phối điện 17

1.2.1 Quan điểm về thực hiện giải pháp 17

1.2.2 Mô hình bài toán nâng cao CLĐN trên lưới phân phối sử dụng thiết bị CPD 18 1.2.3 Tổng quan phương pháp giải 22

1.3 Những vấn đề còn tồn tại 26

1.3.1 Đối với các nghiên cứu trên thế giới 26

1.3.2 Đối với các nghiên cứu trong nước 27

1.4 Lựa chọn hướng nghiên cứu của luận án 27

1.5 Kết luận Chương 1 28

Chương 2 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG DVR VÀ D-STATCOM NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN 29

2.1 Đặt vấn đề 29

2.2 Tóm tắt cấu trúc, nguyên lý vận hành và ứng dụng của DVR 30

2.2.1 Cấu trúc cơ bản của DVR 30

2.2.2 Ứng dụng và các chế độ vận hành của DVR 31

2.2.3 Các thuật toán điều khiển áp dụng trong DVR 35

2.3 Tóm tắt cấu trúc, vận hành D-STATCOM và ứng dụng 38

2.3.1 Nguyên lý vận hành của D-Statcom 38

2.3.2 Ứng dụng 39

2.3.3 Bộ nghịch lưu nguồn áp (Voltage Source Converter - VSC) và hệ thống điều khiển 40

2.4 Mô phỏng so sánh tác dụng DVR và D-Statcom trong việc khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn 40

2.4.1 Mô phỏng lưới phân phối mẫu 13 nút của IEEE có DVR hoặc D-Statcom 41

2.4.2 Mô phỏng và kết quả mô phỏng 44

2.5 Mô phỏng so sánh tác dụng DVR và D-Statcom hạn chế sóng hài 46

2.5.1 Đặt vấn đề bài toán 46

2.5.2 Mô phỏng lò hồ quang 46

2.5.3 Mô phỏng lưới phân phối mẫu 13 nút có lò hồ quang và các kịch bản đặt DVR hoặc D-Statcom 47

2.5.4 Phân tích kết quả mô phỏng 48

2.6 Kết luận chương 2 54

Chương 3 ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ TỤ BÙ NHẰM GIẢM TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG LƯỚI PHÂN PHỐI CÓ XÉT ĐẾN SÓNG HÀI

56

3.1 Đặt vấn đề 56

3.2 Tổng quan nghiên cứu về bài toán tối ưu hóa nâng cao CLĐN lưới phân phối sử dụng tụ bù công suất phản kháng 56

3.3 Phân tích, lựa chọn phương pháp giải 57

3.4 Thành lập bài toán tối ưu hóa vị trí dụng tụ bù công suất phản kháng nhằm giảm tổn thất điện năng trên lưới phân phối ứng dụng thuật toán di truyền (GA)…………58

3.4.1 Mô tả hệ thống lưới phân phối 58

3.4.2 Thành lập bài toán và phương pháp giải 59

3.4.3 Phương pháp giải tổng quát 61

3.4.4 Áp dụng thuật toán di truyền để giải bài toán tối ưu hóa vị trí tụ bù CSPK 61

3.4.5 Kết quả đạt được 63

3.5 Thành lập bài toán tối ưu hóa vị trí tụ điện nhằm giảm tổn thất điện năng và biến dạng sóng THD trên lưới phân phối ứng dụng thuật toán di truyền (GA) 66

3.5.1 Mô tả hệ thống lưới nghiên cứu 66

3.5.2 Xây dựng mô hình bài toán và phương pháp giải 67

3.6 Kết luận Chương 3 75

Chương 4 TỐI ƯU HÓA VỊ TRÍ VÀ CÔNG SUẤT CÁC THIẾT BỊ CPD NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG DÙNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN (GA) 76

4.1 Đặt vấn đề 76

4.2 Tổng quan bài toán cải thiện CLĐN lưới phân phối sử dụng thiết bị CPD nhằm khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn 76

4.2.1 Vấn đề nghiên cứu và những tồn tại 76

4.2.2 Hướng giải quyết của luận án 78

4.3 Mô hình toán của các thiết bị CPD khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn 78

4.3.1 Mô hình toán của thiết bị DVR 79

4.3.2 Mô hình toán của thiết bị D-Stacom 79

4.4 Xây dựng mô hình và giải bài toán lựa chọn vị trí và công suất thiết bị DVR nhằm khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn 81

4.4.1 Xây dựng mô hình bài toán 81

4.4.2 Phân tích kết quả 89

4.5 Xây dựng mô hình và giải bài toán lựa chọn vị trí và công suất thiết bị D-Statcom nhằm khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn 93

4.5.1 Xây dựng bài toán 94

4.5.2 Phân tích kết quả 98

4.6 Kết luận 102

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 112

PHỤ LỤC 1 113

PHỤ LỤC 2 114

PHỤ LỤC 3 115

PHỤ LỤC 4 116

I Khái niệm và thuật toán 116

II Các thành phần cơ bản của GA 117

PHỤ LỤC 5 123

PHỤ LỤC 6 126

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

CBEMA Computer Business Equipment Manufacturers

Association

D-Statcom Distribution Static Compensator

IEEE Viện kỹ thuật điện và điện tử (Institute of Electrical

and Electronics Engineers) IEC International Electrotechnical Commission

ITIC Information Technology Industry Council

IPFC interline power flow controller

FACTS Flexible Alternating Current Transmission Systems

STATCOM Static synchronous compensator

SSSC Static synchronous series compensator

SVC Static Var Compensator

UPQC Unified power quality conditioner

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Nhóm, đặc tính của các hiện tượng chất lượng điện năng trong hệ

thống điện theo IEEE 1159-1995……… 6 Bảng 1.2 Tiêu chuẩn EN50610: Giới hạn U h tại điểm cấp điện……… 15 Bảng 1.3 Yêu cầu về biến dạng sóng điện áp……….…… 15 Bảng 1.4 Bậc và biên độ sóng hài sinh ra bởi ghép các converter 6 xung…… 16 Bảng 2.1 Thông số chính cấu hình DVR và D-Statcom……… 42 Bảng 2.2 Thông số lò hồ quang điện (Nguồn [14])……… 48 Bảng 2.3 Điện áp nút và THD trước và sau khi có DVR, kịch bản thứ nhất…… 50 Bảng 2.4 Điện áp nút và THD trước và sau khi có D-Statcom, kịch bản thứ nhất 51 Bảng 2.5 Điện áp nút trước và sau khi có DVR hoặc D-Statcom, kịch bản thứ

Bảng 3.1 Công suất phụ tải sử dụng trong tính toán……… 72 Bảng 4.1 Kết quả tính toán chọn DVR ứng với ngắn mạch tại nút 8……… 89 Bảng 4.2 Điện áp 16 nút trước và sau khi có DVR ứng với ngắn mạch tại nút 10 91 Bảng 4.3 Kết quả tính toán chọn DVR ứng với ngắn mạch tại nút 13………… 92 Bảng 4.4 Kết quả tính toán chọn D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 8…… 98 Bảng 4.5 Kết quả tính toán chọn D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 10…… 100 Bảng 4.6 Kết quả tính toán chọn D-Statcom ứng với ngắn mạch tại nút 13…… 101

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 0.1 Cấu trúc của luận án……… 5

Hình 1.1 Phân loại các hiện tượng chất lượng điện áp (IEEE 1159-1995)……… 7

Hình 1.2 Minh họa nguyên nhân gây SANH trên lưới do ngắn mạch……… 8

Hình 1.3 Sụt giảm điện áp ngắn hạn dạng chữ nhật……… 8

Hình 1.4 Sụt giảm điện áp ngắn hạn do khởi động động cơ……… 9

Hình 1.5 Các đặc tính chịu điện áp CBEMA và ITIC……… 10

Hình 1.6 So sánh các đặc tính CBEMA, ITIC, SARFI 90 và SEMI F47-0200……… 10

Hình 1.7 Nguồn dự phòng UPS nối phụ tải nhạy cảm……… 11

Hình 1.8 Khắc phục lõm điện áp dùng MBA cộng hưởng sắt từ……… 11

Hình 1.9 Bảo vệ phụ tải nhạy cảm dùng DVR và Statcom……… 12

Hình 1.10 Dạng đặc tính U-I phi tuyến và biến dạng sóng điện áp tại đầu cực của lò hồ quang điện……… 13

Hình 1.11 Số lượng bài báo có chỉ số (indexed) trong lĩnh vực tối ưu thiết bị CPD……… 23

Hình 2.1 Mô hình nối lưới của DVR……… 30

Hình 2.2 DVR ứng dụng để bảo vệ tải nhạy cảm……… 32

Hình 2.3 DVR ứng dụng để ngăn chặn phát sinh các hiện tượng CLĐN……… 32

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động chế độ dừng của thiết bị DVR……… 33

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động chế độ chờ của thiết bị DVR……… 33

Hình 2.6 Sơ đồ vector phương pháp bù đồng pha……… 34

Hình 2.7 Sơ đồ khối giản thiểu của thuật toán vòng khóa pha (Phase Locked Loop-PLL)……… 38

Hình 2.8 Cấu trúc và chức năng của D-Statcom……… 39

Hình 2.9 Lưới phân phối mô phỏng có DVR hoặc D-Statcom……… 41

Hình 2.10 Mô phỏng Simulink lưới phân phối mẫu 13 nút của IEEE có DVR và D-Statcom……… 42

Hình 2.11 Mô phỏng Simulink sơ đồ điều khiển và kết nối DVR……… 43

Hình 2.12 Mô phỏng Simulink sơ đồ điều khiển và kết nối D-Statcom……… 43

Hình 2.13 Kết quả mô phỏng lưới IEEE 13 thanh cái với DVR khi ngắn mạch ba pha đối xứng tại thanh cái 633……… 44

Hình 2.14 Kết quả mô phỏng lưới IEEE 13 thanh cái với D-Statcom khi ngắn mạch ba pha đối xứng tại thanh cái 633……… 45

Hình 2.15 Mô phỏng Matlab/Simulink pha A của lò hồ quang điện [1 4] ……… 47

Hình 2.16 Mô phỏng lưới điện mẫu 13 nút có lò hồ quang điện……… 48

Hình 2.17 Điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và chưa có thiết bị DVR…… 49

Hình 2.18 Phổ sóng hài điện áp tại nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và chưa đặt

DVR……… 49

Hình 2.19 Điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và DVR đặt trên nhánh 645-632……… 49

Hình 2.20 Phổ sóng hài điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và DVR đặt trên nhánh 645-632……… 50

Hình 2.21 Điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và D-Statcom đặt tại nút 645 50 Hình 2.22 Phổ sóng hài điện áp nút 645 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và D-Statcom đặt tại nút 645……… 51

Hình 2.23 Phổ sóng hài điện áp nút 692 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và chưa đặt DVR……… 52

Hình 2.24 Phổ sóng hài điện áp nút 692 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và DVR đặt trên nhánh 671-692 52 Hình 2.25 Phổ sóng hài điện áp nút 692 khi lò hồ quang nối vào nút 633 và D-Statcom đặt tại nút 692……… 52

Hình 2.26 Phân tích FFT biến dạng điện áp trong 3 chu kỳ đầu tiên tại nút 633 khi lò hồ quang nối vào nút 633 trong chu kỳ đầu nối LHQ……… 54

Hình 3.1 Sơ đồ lưới phân phối 16 nút lưới phân phối mẫu)……… ……… 58

Hình 3.2 Đồ thị phụ tải điển hình……… 60

Hình 3.3 Các bước nguyên tắc thực hiện thuật toán GA……… 62

Hình 3.4 Sơ đồ khối các bước tính toán lựa chọn vị trí tụ bù nhằm giảm tốn thất sử dụng thuật toán GA……… 63

Hình 3.5 Biên độ điện áp các nút trước bù tối ưu và sau bù bằng tụ 25kVar, 2 vị trí…… 64

Hình 3.6 Biên độ điện áp các nút trước bù tối ưu và sau bù bằng tụ 25kVar, 4 vị trí…… 65

Hình 3.7 Biên độ điện áp các nút trước bù tối ưu và sau bù bằng tụ 50kVar, 2 vị trí…… 65

Hình 3.8 Sơ đồ lưới phân phối 16 nút lưới phân phối mẫu có sóng hài……… 67

Hình 3.9 Sơ đồ khối các bước tính toán lựa chọn vị trí tụ bù nhằm giảm tốn thất và THD sử dụng thuật toán GA……… 71

Hình 3.10 Biên độ điện áp và THD các nút trước bù và sau bù tối ưu bằng 2 bộ tụ 25kVar……… 73

Hình 3.11 Biên độ điện áp và THD các nút trước bù và sau bù tối ưu bằng 4 bộ tụ 25kVar……… 74

Hình 3.12 Biên độ điện áp và THD các nút trước bù và sau bù tối ưu bằng 2 bộ tụ 50kVar……… 74

Hình 4.1 Sơ đồ thay thế lưới điện có DVR để bù điện áp……… 79

Hình 4.2 Sơ đồ thay thế lưới điện có D-Statcom để bù điện áp……… 80

Hình 4.3 Các sơ đồ xếp chồng để tính dòng D-Statcom bù SANH……… 80

Hình 4.4 Điện áp các nút lưới điện mẫu khi ngắn mạch tại nút 8……… 83 Hình 4.5 Mô hình DVR dạng nguồn dòng Norton tương đương……… 84 Hình 4.6 Mô hình DVR trong tính toán chế độ xác lập……… 84 Hình 4.7 Lưới điện mô tả theo tổng trở nút và xét một DVR nối vào nhánh j-k………… 86 Hình 4.8 Sơ đồ khối các bước tính toán lựa chọn vị trí đặt DVR để cải thiện SANH do

ngắn mạch trên lưới phân phối……… 88 Hình 4.9 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 8 và vị trí đặt DVR tương ứng…… 89 Hình 4.10 Điện áp trước và sau khi lắp DVR ứng với ngắn mạch tại nút 8……… 90 Hình 4.11 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 10 và vị trí đặt DVR tương ứng… 90 Hình 4.12 Điện áp trước và sau khi lắp DVR ứng với ngắn mạch tại nút 10……… 91 Hình 4.13 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 13 và vị trí đặt DVR tương ứng… 92 Hình 4.14 Điện áp trước và sau khi lắp DVR ứng với ngắn mạch tại nút 13……… 93 Hình 4.15 Lưới điện mô tả theo tổng trở nút và xét một D-Statcom nối vào nút k……… 94 Hình 4.16 Sơ đồ khối các bước tính toán lựa chọn vị trí đặt D-Statcom để cải thiện

SANH do ngắn mạch trên lưới phân phối……… 97 Hình 4.17 Sơ đồ lưới điện mẫu với ngắn mạch tại nút 8 và vị trí đặt D-Statcom tương

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Vấn đề chất lượng điện năng (CLĐN) là những thay đổi về điện áp, dòng điện, tần số dẫn đến làm hư hỏng các thiết bị tiêu thụ điện Việc sử dụng ngày càng nhiều các thiết bị điện tử khiến cho các thiết bị tiêu thụ điện ngày càng nhạy cảm hơn với CLĐN Việc hình thành thị trường điện, đặc biệt là thị trường có sự tham gia của các công ty quản lý lưới phân phối điện cũng như áp lực phải tạo ra môi trường cơ sở hạ tầng đầu tư hấp dẫn tại Việt Nam trong những năm gần đây khiến sự quan tâm của cả khách hàng dùng điện lẫn bên quản lý lưới điện và bên sản xuất thiết bị điện đối với CLĐN trở nên đặc biệt Có thể nói, tại Việt Nam, trong các khu vực lưới điện thì lưới phân phối điện, đặc biệt là lưới phân phối điện công nghiệp, than phiền của khách hàng cũng như những tranh chấp về pháp lý liên quan đến các vấn đề chuyên môn về CLĐN xảy ra nhiều nhất Trong các hiện tượng CLĐN thì biến dạng gây sóng hài và biến thiên điện áp ngắn hạn như sụt giảm điện áp ngắn hạn (SANH) là những hiện tượng gây nhiều vấn đề nhất đối với phụ tải nhạy cảm được ghi nhận tại Việt Nam Đã có một số nghiên cứu trong nước về đánh giá CLĐN và các giải pháp Tuy vậy, vấn đề là có nhiều hiện tượng CLĐN và tác dụng đối với phụ tải cũng rất đa dạng Nghiên cứu khắc phục tác động của sóng hài và đặc biệt là nghiên cứu khắc phục SANH tại Việt Nam mới có một số ít và chủ yếu là bảo vệ cho phía các phụ tải, do các khách hàng thực hiện

Với việc phát triển của công nghệ vật liệu bán dẫn, các thiết bị điện tử công suất với công suất lớn đã và đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong vận hành hệ thống điện Thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (FACTS) đã được sử dụng trong khu vực lưới truyền tải với nhiều mục đích như nâng cao khả năng tải của đường dây, cải thiện giới hạn

ổn định, tối ưu hóa chế độ vận hành của lưới truyền tải Việc ứng dụng thiết bị FACTS trong lưới phân phối, còn gọi là D-FACTS trong đó gồm lớp các thiết bị điều hòa công suất (Custom Power Device – CPD) như các thiết bị phục hồi điện áp động (Dynamic voltage restorer - DVR), thiết bị bù tĩnh (Distribution Static Compensator - D-Statcom) đang dần được triển khai nhiều nơi trên thế giới Các thiết bị CPD, ngoài việc đảm bảo chất lượng vận hành dài hạn, còn khắc phục tốt nhiều hiện tượng CLĐN nhờ khả năng đáp ứng nhanh của các thiết bị nghịch lưu nguồn áp [6, 10, 11, 33] Tuy nhiên ở Việt Nam chưa có những nghiên cứu về ứng dụng của thiết bị CPD nhằm nâng cao CLĐN trong lưới phân phối Sở dĩ có vấn

đề này là vì bên quản lý lưới phân phối điện là các công ty điện lực chưa quan tâm đến việc ứng dụng của thiết bị CDP Với những lý do trên, luận án với tên đề tài:

“Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối điện sử dụng các thiết bị D-FACTS”

được tác giả đặt ra nhằm nghiên cứu các giải pháp nâng cao CLĐN trong lưới cung cấp điện, hay còn có thể gọi là lưới phân phối điện với định hướng ứng dụng tại Việt Nam

2 Đối tượng nghiên cứu của Luận án

Đối tượng nghiên cứu của luận án là các giải pháp nâng cao CLĐN sử dụng thiết bị CPD và tụ bù công suất phản kháng Hiện tượng CLĐN được xem xét là SANH do ngắn mạch và biến dạng gây sóng hài do lò hồ quang điện sinh ra trong lưới phân phối, có xét một

số đặc thù của lưới phân phối điện của Việt Nam Bên cạnh đó các chỉ tiêu chất lượng vận hành như độ lệch điện áp lưới điện trong vận hành, tổn thất điện năng trong vận hành cũng được xem xét khi xây dựng mô hình bài toán tối ưu ứng dụng các giải pháp Trong các nghiên cứu của luận án, lưới phân phối mẫu 13 nút của IEEE, lưới phân phối mẫu 16 nút được xây dựng từ lưới mẫu 13 nút trên đây có xét những đặc điểm riêng của lưới phân phối điện Việt Nam được sử dụng làm đối tượng minh họa cho hiệu quả của các giải pháp nâng cao CLĐN được nghiên cứu của luận án Công cụ giải các bài toán tối ưu nói chung, thuật toán di truyền (Genetic Algorithm - GA) nói riêng cũng là đối tượng nghiên cứu của luận án Các từ khóa chính của luận án bao gồm: CLĐN, SANH, sóng hài, độ lệch điện áp, tổn thất điện năng, lưới phân phối điện, thiết bị CPD, thiết bị DVR, thiết bị D-Statcom

3 Các mục tiêu nghiên cứu của Luận án

Luận án nghiên cứu đánh giá một số vấn đề về CLĐN và xem xét các giải pháp nâng cao CLĐN trong lưới phân phối với các mục tiêu cụ thể sau:

a) Nghiên cứu xây dựng mô hình và giải bài toán tối ưu lựa chọn vị trí và công suất của các thiết bị DVR và D-Statcom nhằm khắc phục hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn trên lưới phân phối

b) Nghiên cứu lựa chọn vị trí tụ bù công suất phản kháng nhằm giảm tổn thất điện năng

và nâng cao CLĐN trong lưới phân phối gồm cải thiện độ lệch điện áp và cải thiện tổng mức biến dạng sóng hài, có xét một số đặc trưng lưới phân phối điện công nghiệp của Việt Nam

c) Nghiên cứu cấu trúc và mô phỏng so sánh tác dụng của các thiết bị DVR và D-Statcom đối với SANH do ngắn mạch và sóng hài gây ra bởi các phụ tải phi tuyến điển hình trong lưới phân phối điện công nghiệp của Việt Nam như lò hồ quang điện

Trong ba mục tiêu trên đây, mục tiêu (a) là mục tiêu chính của luận án Để có cơ sở

phân tích và đề xuất mô hình và giải bài toán (a): mục tiêu (b) và mục tiêu (c) được thực hiện, trong đó mục tiêu (c) cho cơ sở minh họa tác dụng của các thiết bị DVR và D-Statcom giúp đề xuất phương án ứng dụng của các thiết bị này Mục tiêu (b) vừa có tính minh họa việc xây dựng mô hình bài toán tối ưu và công cụ giải cho mục tiêu (a), vừa xem như một nghiên cứu ứng dụng khi xây dựng mô hình định lượng đánh giá tác dụng của sóng hài trong lưới điện công nghiệp có lò hồ quang điện tại Việt Nam

Các giải pháp trên đây được phân tích và đề xuất dựa trên quan điểm nâng cao CLĐN

của hệ thống, chứ không chỉ CLĐN cho riêng một nút phụ tải riêng biệt và được thực hiện bởi bên quản lý lưới phân phối điện, mà ở Việt Nam là các công ty điện lực Việc phân tích

và đánh giá CLĐN được lồng trong mô hình bài toán tối ưu như là bước đầu tiên của quá trình tối ưu hóa việc thực hiện giải pháp Việc khắc phục SANH được thực hiện dựa trên tính toán đánh giá SANH trong lưới phân phối do ngắn mạch Việc khắc phục sóng hài dựa trên việc mô phỏng, tính toán và đánh giá tình hình sóng hài trên lưới phân phối điện

4 Phương pháp thực hiện

Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan về việc xây dựng mô hình và giải các bài toán liên

quan đến việc nâng cao CLĐN mang tính hệ thống trong lưới phân phối điện, hướng nghiên

cứu của luận án sẽ được đề xuất Bài toán tối ưu hóa đối với các giải pháp nâng cao CLĐN

nhìn chung có dạng tối ưu hóa phi tuyến và có một số hướng giải quyết bài toán Luận án ứng dụng thuật toán di truyền để giải các bài toán này Đây là thuật toán có tính ứng dụng

đa năng [21, 38, 47, 64, 73], có thể giải được nhiều dạng bài toán tối ưu và có công cụ ứng dụng thuận lợi cho việc lập trình trên Matlab Bên cạnh đó, việc giải bài toán tính toán chế

độ xác lập và ngắn mạch của lưới phân phối và xác định các chỉ tiêu CLĐN cũng được thực hiện trên Matlab

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án

Với những vấn đề đặt ra và mục tiêu đề xuất thực hiện trên đây của luận án, những điểm sau đây được xem là những ý nghĩa khoa học và thực tiễn chính:

- Về ý nghĩa khoa học: Do chưa có nghiên cứu nào ở Việt Nam về ứng dụng thiết bị

CPD để cải thiện CLĐN đối với toàn hệ thống nên nghiên cứu này có thể xem như một trong những nghiên cứu tiên phong về lĩnh vực này tại Việt Nam Cái khó khiến ít nghiên cứu tiến sâu trong lĩnh vực này do thiết bị CPD là đáp ứng động, nên thường chỉ xem xét mô hình dưới dạng các mô phỏng động Đối với bài toán trong đó CPD là giải pháp CLĐN thì nghiên cứu thường chỉ xét cho việc bảo vệ một phụ tải nhất định Do đó, một hạn chế lớn của những nghiên cứu trước đây là không xem xét những tác động mang tính hệ thống của các thiết bị CPD Nghiên cứu này sẽ cố gắng xây dựng mô hình toán mô tả tác dụng của thiết bị CPD trong mô hình chung của lưới điện theo hiện tượng CLĐN tương ứng (chẳng hạn như SANH

do ngắn mạch) để từ đó xây dựng mô hình bài toán tối ưu tính toán lựa chọn vị trí và công suất của thiết bị CPD Bên cạnh ý nghĩa chính trên đây đối với tác dụng của thiết bị CPD, việc nghiên cứu hạn chế sóng hài trên lưới phân phối dưới dạng mô hình bài toán tối ưu cũng chưa được xem xét tại Việt Nam và nghiên cứu này cũng được xem như một trong những nghiên cứu ban đầu về hạn chế tác dụng sóng hài mang tính hệ thống Việc lựa chọn công

cụ tìm kiếm thông minh là thuật toán di truyền để giải bài toán này cũng có giá trị tham khảo nhất định cho việc ứng dụng của công cụ này đối với các bài toán tối ưu phi tuyến khó giải bằng các phương pháp giải tích (analytic) thông thường như các mô hình bài toán ứng dụng giải pháp cải thiện CLĐN mang tính hệ thống

- Về ý nghĩa thực tiễn: Vấn đề CLĐN hiện nay đang rất được quan tâm và giải pháp từ

phía hệ thống đối với các khu vực lưới phân phối tại Việt Nam hầu như chưa có Hiện tại các đơn vị quản lý lưới phân phối mới chủ yếu cố gắng ứng dụng tụ bù đến giảm tổn thất trên lưới điện ở tần số 50Hz, và việc ứng dụng này thuần túy mang tính kinh nghiệm hoặc ứng dụng cho các lưới điện đơn giản Ba mục tiêu được đề xuất của luận án có thể xem là tài liệu tham khảo rất tốt cho việc triển khai các giải pháp nâng cao CLĐN và giảm tổn thất mang tính hệ thống đối với các đơn vị quản lý lưới phân phối điện, trong đó trực tiếp nhất là những đề xuất sử dụng tụ bù công suất phản kháng để giảm tổn thất và cải thiện chất lượng

độ lệch điện áp, tổng mức biến dạng sóng hài của lưới phân phối Còn nhìn vào tương lai xa hơn, việc ứng dụng thiết bị CPD để nâng cao chất lượng vận hành của lưới phân phối nói chung, nâng cao CLĐN nói riêng sẽ được thúc đẩy Ngoài ra, tuy mục tiêu (c) chỉ mang tính

hỗ trợ cho mục tiêu nghiên cứu (a), nhưng về ý nghĩa thực tiễn thì rất cao do luận án đã xây dựng mô hình mô phỏng động lưới phân phối có lò hồ quang điện, mô tả tốt cho thực trạng CLĐN của lưới phân phối điện tại một số khu công nghiệp có lò hồ quang và đề xuất các giải pháp khắc phục như sử dụng các thiết bị CPD

6 Các đóng góp mới của Luận án

- Xây dựng mô hình mô phỏng động nhằm so sánh và đánh giá tác dụng của các thiết

bị DVR và D-Statcom với các vấn đề CLĐN gồm SANH do ngắn mạch và sóng hài trong lưới phân phối có xét những đặc điểm đặc thù của Việt Nam như lưới điện 3 pha, phụ tải 3 pha đối xứng, đặc điểm phụ tải công nghiệp sản xuất thép (phụ tải lò hồ quang điện)

- Xây dựng mô hình và giải bài toán tối ưu ứng dụng tụ bù trong lưới phân phối nhằm giảm tổn thất và cải thiện CLĐN, có xét lưới điện có sóng hài do lò hồ quang điện sinh ra

Mô hình bài toán tính toán chế độ xác lập ở tần số sóng hài được xây dựng để tính toán tổn thất công suất do sóng hài và tổng mức biến dạng sóng hài nhằm phục vụ cho việc tính toán hàm mục tiêu và kiểm tra các ràng buộc của bài toán tối ưu vị trí tụ bù trong lưới phân phối Toàn bộ các tính toán trên cũng như sử dụng công cụ giải là thuật toán di truyền được thực hiện trên Matlab

- Xây dựng mô hình và giải bài toán tối ưu chọn vị trí và công suất của các thiết bị DVR và D-Statcom để khắc phục hiện tượng SANH do ngắn mạch, trong đó việc tính toán

và đánh giá các đặc trưng của SANH (như biên độ điện áp) sử dụng mô hình toán mô tả tác dụng của các thiết bị này đề xuất Đây được xem là đóng góp chính của nghiên cứu trong luận án

7 Bố cục của Luận án

Ngoài phần mở đầu và các mục theo quy định, nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 5 chương và phụ lục, cụ thể như sau:

- Mở đầu: Trình bày các vấn đề chung của luận án: Tính cấp thiết của đề tài; mục tiêu,

đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu; các đóng góp của luận án

- Chương 1: Tổng quan các bài toán về nâng cao CLĐN trong lưới phân phối điện

Nghiên cứu tổng quan về CLĐN của lưới phân phối: Các hiện tượng, nguyên nhân, hậu quả

và các chỉ tiêu đánh giá cũng như các giải pháp khắc phục Đánh giá hiệu quả sử dụng DVR

và D-Statcom trong nâng cao CLĐN của lưới phân phối Nghiên cứu tổng quan các mô hình

và phương pháp giải bài toán tối ưu hóa khi ứng dụng các giải pháp sử dụng tụ bù và thiết

bị CPD nhằm nâng cao CLĐN với quan điểm lợi ích từ phía bên cấp điện Từ đó định hướng nghiên cứu của luận án

- Chương 2: Đánh giá hiệu quả sử dụng DVR và D-Statcom trong nâng cao CLĐN của

lưới phân phối Xây dựng mô hình và mô phỏng các thiết bị DVR, D-Statacom trong Matlab/Simulink nhằm so sánh và đánh giá hiệu quả khắc phục SANH trên lưới phân phối với nguyên nhân do ngắn mạch gây ra cũng như sóng hài do lò hồ quang điện sinh ra trong lưới phân phối sử dụng lưới phân phối mẫu 13 nút

- Chương 3: Ứng dụng thuật toán di truyền lựa chọn vị trí đặt của tụ bù nhằm giải tổn

thất và khắc phục sóng hài trong lưới phân phối có xét điều kiện Việt Nam Chương này xây dựng mô hình bài toán tối ưu hóa vị trí tụ bù có xét các trường hợp ứng dụng bao gồm thứ nhất là bài toán giảm tổn thất và cải thiện độ lệch điện áp lưới điện; thứ hai là bài toán giảm tổn thất và cải thiện độ lệch điện áp lưới điện và tổng mức biến dạng sóng hài trong lưới phân phối có sóng hài Mô hình bài toán và phương pháp giải của bài toán trong Chương 3 được dùng làm một trong những cơ sở để xây dựng và giải bài toán tối ưu ở Chương 4

- Chương 4: Ứng dụng thuật toán di truyền lựa chọn vị trí và công suất của các thiết bị

DVR và D-STATCOM nhằm khắc phục SANH của lưới phân phối Trong Chương này, luận

án đề xuất ứng dụng các mô hình mô tả DVR và D-Statcom khi tính toán ngắn mạch để tính toán hàm mục tiêu và các ràng buộc của bài toán tối ưu Các tham số ảnh hưởng đến kết quả tính toán cũng được phân tích

- Kết luận và kiến nghị

- Tài liệu tham khảo và phụ lục

Trình tự bố cục của luận án có thể được minh họa qua Hình 0.1 sau:

Hình 0 1 Cấu trúc của luận án

Chương 3

Hiệu quả sử dụng tụ bù (phần tử thụ động) nâng cao CLĐN

Chương 4

Sử dụng thiết bị CPD

khắc phục SANH trong lưới phân phối điện

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC BÀI TOÁN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN

Chất lượng điện năng trong hệ thống điện nói chung và lưới phân phối điện nói riêng

là chủ đề nghiên cứu rộng bao gồm nhiều hiện tượng CLĐN, nguyên nhân sinh ra, các tác động, các giải pháp và các đối tượng áp dụng Để giúp làm rõ nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận án, trong chương này, tác giả sẽ tóm tắt các vấn đề cơ bản về CLĐN, tổng hợp một cách tương đối ngắn gọn nội dung các bài toán điển hình về nghiên cứu nâng cao CLĐN trong lưới phân phối, phân tích những tồn tại và xây dựng hướng nghiên cứu của luận án

1.1 Tổng quan về chất lượng điện năng và các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trên lưới phân phối

1.1.1 Tóm tắt về các hiện tượng chất lượng điện năng trên lưới phân phối

Chất lượng điện năng là chỉ các hiện tượng biến thiên về điện áp, dòng điện và tần số dẫn đến làm các thiết bị điện trong hệ thống điện ngừng làm việc hoặc làm việc không đúng theo chức năng được thiết kế Có rất nhiều hiện tượng CLĐN xuất hiện trong hệ thống điện gây hậu quả trên và theo IEEE1159-1995, CLĐN được phân loại theo các đặc trưng về biên

độ, thời gian tồn tại và phổ tần đặc trưng như được cho trong Bảng 1.1 dưới đây [4, 7, 29]

Bảng 1.1 Nhóm, đặc tính của các hiện tượng chất lượng điện năng trong hệ thống điện theo IEEE 1159-1995

< 5 kHz

5 – 500 kHz 0,5 – 5 MHz

< 50 ns

50 ns – 1 ms

> 1 ms 0,3 – 50 ms 20s 5s

<0,1 pu 0,1 – 0,9 pu 1,1 – 1,4 pu

< 0,1 pu

3 Biến thiên điện áp dài hạn

Xác lập Xác lập Xác lập Xác lập

( * ) pu: Per unit – Đơn vị tương đối

Trong các hiện tượng trên đây, biến thiên điện áp ngắn hạn và biến dạng gây sóng hài là những hiện tượng gây tác động xấu chủ yếu đến các thiết bị điện trong lưới phân phối

điện Việt Nam hiện nay và cũng là đối tượng nghiên cứu của luận án Để chuẩn bị cho các phân tích trong nội dung nghiên cứu ở các phần sau của luận án, một số kiến thức chính về hai hiện tượng CLĐN trên được trình bày tóm tắt như các mục sau

1.1.2 Sụt giảm điện áp và mất điện ngắn hạn [23, 49]

a Tóm tắt hiện tượng:

Hình 1.1 Phân loại các hiện tượng chất lượng điện áp (IEEE 1159-1995)

Theo tiêu chuẩn IEEE1159-1995, biến thiên điện áp ngắn hạn (BĐN) là sự thay đổi trị số điện áp hiệu dụng ở tần số HTĐ (50Hz hoặc 60Hz) trong khoảng thời gian dưới 1 phút Tùy theo biên độ (magnitude) và thời gian tồn tại (duration) của sự kiện, BĐN còn có thể được phân loại cụ thể hơn thành các dạng như Hình 1.1

Trong các hiện tượng BĐN, sụt giảm điện áp ngắn hạn (SANH) thường hay xảy ra hơn

và cũng là đối tượng được nghiên cứu nhiều hơn

b Nguyên nhân gây sụt áp và mất điện

- Ngắn mạch trong hệ thống điện

Nguyên nhân chủ yếu gây ra trên 90% SANH là do các sự cố (ngắn mạch) trong hệ thống điện Hình 1.2 minh họa SANH do sự cố ngắn mạch trên một nhánh của xuất tuyến 22kV (sự cố 1) Khi đó, điện áp lưới sẽ giảm dần từ nguồn về đến điểm ngắn mạch và tại thanh cái 22kV của trạm biến áp trung gian 110/22kV, điện áp sẽ giảm sâu Sau một thời gian nhất định, bảo vệ ở đầu rẽ nhánh bị sự cố là cầu chì 22kV sẽ tác động loại để trừ nhánh này Nhờ đó, điện áp tại thanh cái 22kV sẽ được phục hồi Các phụ tải nối vào các xuất tuyến 22kV khác sẽ trải qua sự kiện SANH Sự cố cũng có thể xảy ra trên các xuất tuyến khác, hoặc tại máy biến áp, hoặc sự cố ở trên lưới truyền tải như điểm sự cố 2, Hình 1.2 Trong thời gian bảo vệ A và B làm việc, các phụ tải trên lưới cũng sẽ chịu SANH

Hình 1.2 Minh họa nguyên nhân gây SANH trên lưới do ngắn mạch

Biên độ SANH chính là điện áp nút của lưới điện khi có ngắn mạch Hình dạng chủ

yếu của SANH do sự cố ngắn mạch có dạng hình chữ nhật với hai đặc trưng chính là biên

độ và thời gian tồn tại (Hình 1.3)

Hình 1.3 Sụt giảm điện áp ngắn hạn dạng chữ nhật

Biên độ này phụ thuộc vào tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến dòng điện ngắn mạch như tổng trở ngắn mạch, sơ đồ lưới điện, công suất ngắn mạch Thời gian tồn tại của SANH chính là thời gian làm việc của hệ thống bảo vệ lưới điện Đối với lưới phân phối, bảo vệ chính được sử dụng về cơ bản là bảo vệ quá dòng điện với thời gian làm việc thường lâu hơn

0,5 giây Đối với lưới truyền tải bảo vệ thường là loại cắt nhanh nên thời gian thường chỉ cỡ 0,1-0,2 giây

- Khởi động động cơ

Động cơ điện là phụ tải rất phổ biến trong hệ thống điện, đặc biệt trong các lưới điện công nghiệp Các động cơ điện, đặc biệt là động cơ không đồng bộ, do dòng điện mở máy lớn khi mở máy trực tiếp cũng gây sụt giảm điện áp lớn trên mạch nối với động cơ trong thời gian mở máy Do đó, các phụ tải nối chung mạch cấp điện với động cơ được mở máy sẽ trải qua SANH với đặc tính có dạng hình tam giác như Hình 1.4 Dạng đặc tính SANH của động

cơ như vậy là do việc giảm dần dòng điện mở máy khi tốc độ động cơ tăng dần ở thời điểm cuối của SANH

Hình 1.4 Sụt giảm điện áp ngắn hạn do khởi động động cơ

Ngoài ra, SANH còn do các nguyên nhân như đóng các phụ tải lớn vào lưới điện, mở máy không tải máy biến áp công suất lớn Tuy nhiên, đối với các trường hợp này, SANH thường có biên độ giảm nhỏ và ít gây nguy hiểm cho lưới điện

c Hậu quả và đánh giá tác động của sụt giảm điện áp ngắn hạn

Về mặt năng lượng, SANH làm giảm lượng năng lượng cần thiết cung cấp cho các thiết bị dùng điện và do đó sẽ làm cho các thiết bị nhạy cảm ngừng làm việc hay làm việc không đúng theo yêu cầu thiết kế Các thiết bị sau chịu nhiều ảnh hưởng bởi SANH nhất:

- Các bộ cấp nguồn cho máy tính và các thiết bị điện tử, các bộ điều tốc có thể sẽ

ngừng làm việc dưới tác động của SANH Đó là do trong cấu trúc chung của bộ cấp nguồn cho các thiết bị này, dòng điện xoay chiều được chỉnh lưu thành một chiều

và nạp cho tụ Năng lượng của tụ trên mạch một chiều là hữu hạn SANH sẽ gây thiếu năng lượng nạp vào tụ và có thể dẫn đến giảm điện áp một chiều đầu ra

- Contactor và rơ le điện cơ sẽ không tin cậy dưới tác động của một sự kiện SANH

Theo tiêu chuẩn IEC 60947-4-1, contactor chỉ làm việc đúng khi điện áp trong những dải cho phép (đóng: 85-110%Uđm, cắt: 20-75%Uđm)

- Đối với động cơ không đồng bộ, thường chỉ có SANH thấp hơn 30%Uđm mới có tác động Khi lõm điện áp bắt đầu xảy ra, mô men điện từ của động cơ giảm dẫn đến giảm tốc độ động cơ Khi điện áp được phục hồi sau sự kiện SANH, quá trình mở máy trở lại của động cơ sẽ làm sự phục hồi điện áp chậm lại

- Đối với đèn dựa trên nguyên lý phóng điện trong chất khí (đèn cao áp), đèn sẽ tắt

nếu mất điện áp quá 2 chu kỳ hoặc khi có SANH với biên độ dưới 45%Uđm Cần vài phút để làm nguội và khởi động lại Đèn bị lão hoá có thể tắt thậm chí với SANH

có biên độ 85%Uđm

Tác động của SANH và BĐN đến sự làm việc của các thiết bị dùng điện được đánh giá dựa trên đặc tính chịu điện áp của thiết bị Việc ứng dụng ngày càng phổ biến các thiết

bị và linh kiện điện tử công suất như trên khiến cho các thiết bị điện ngày càng nhạy cảm hơn với CLĐN nói chung và SANH nói riêng Do đó, đặc tính chịu điện áp của các thiết bị điện sử dụng các linh kiện điện tử thường được dùng để đánh giá ảnh hưởng của SANH Năm 1977, Hiệp hội các nhà sản xuất và kinh doanh máy tính (Computer Business Equipment Manufacturers Association - CBEMA) đã giới thiệu đặc tính chịu điện áp cho các máy tính lớn có dạng Hình 1.5.a

Hình 1.5 Các đặc tính chịu điện áp CBEMA và ITIC

Năm 1996, Hội đồng công nghiệp công nghệ thông tin (Information Technology Industry Council - ITIC) thiết kế lại đặc tính chịu điện áp CBEMA Đặc tính ITIC (Hình 1.5.b) có dạng tuyến tính hoá với vùng an toàn được mở rộng hơn, ITIC được sử dụng cho phụ tải một pha 120 V - 60 Hz Năm 1999, đặc tính SEMI F47-0200 (Hình 1.6) ứng dụng cho các thiết bị và quá trình bán dẫn công nghiệp được đề xuất bởi các nhà sản xuất thiết bị bán dẫn, trong đó vùng khả năng chịu điện áp được mở rộng trong khoảng thời gian từ 1 chu

kỳ (0,02 giây) đến 10 chu kỳ (0,2 giây)

Hình 1.6 So sánh các đặc tính CBEMA, ITIC, SARFI 90 và SEMI F47-0200

d Các biện pháp khắc phục sụt giảm điện áp ngắn hạn

Các giải pháp khắc phục tác động của SANH được chia thành ba nhóm ứng với ba giai đoạn: Hình thành, lan truyền trên lưới điện và tác động đến phụ tải nhạy cảm Cụ thể,

- Các giải pháp cho giai đoạn hình thành SANH:

Giảm suất sự cố ngắn mạch trên lưới điện bằng các giải pháp bao gồm: Thay đường dây trên không bằng cáp ngầm, sử dụng dây dẫn bọc thay dây dẫn trần, giải phóng hành lang tuyến dây dẫn, lắp đặt lưới bảo vệ, tăng cấp cách điện, tăng tần suất bảo dưỡng

Sử dụng các phương pháp mở máy mềm đối với động cơ, mở máy dùng động cơ rotor dây quấn để hạn chế SANH do mở máy động cơ

- Các giải pháp cho lưới điện:

Giảm thời gian loại trừ sự cố ngắn mạch Các giải pháp bao gồm: Sử dụng cầu chì hạn

chế dòng ngắn mạch (Thời gian cắt thường nhỏ hơn nửa chu kỳ), dùng thiết bị tự đóng lại,

sử dụng máy cắt có thời gian tác động nhanh hơn, sử dụng bảo vệ quá dòng điện có đặc tính thời gian phụ thuộc và giảm cấp thời gian bảo vệ nếu có thể trên một xuất tuyến của lưới phân phối điện

Thay đổi sơ đồ lưới điện: Các giải pháp chính có thể xem xét như: Đặt máy phát dự

phòng tại gần các phụ tải nhạy cảm, phân đoạn lưới điện để thay đổi vùng ảnh hưởng của SANH, đặt kháng điện hạn chế dòng điện ngắn mạch tại những nơi thích hợp trên lưới điện

để tăng khoảng cách về điện từ điểm ngắn mạch đến PCC

- Các giải pháp đối với phụ tải nhạy cảm:

Đối với các phụ tải nhạy cảm, mục tiêu là phải ổn định được điện áp trên đầu cực của phụ tải Các giải pháp thuộc nhóm này thường là đặt thiết bị ổn định điện áp đầu cực phụ tải Các giải pháp bao gồm: Dùng máy biến áp cộng hưởng sắt từ, sử dụng các nguồn dự phòng UPS (Uninterruptible Power Supply) nối song song với nguồn lưới cấp cho các phụ tải nhạy cảm Dùng tổ máy phát - động cơ đồng trục có ghép nối qua bánh đà

Sử dụng thiết bị điều hòa công suất (Custom Power Device) [11]: Thiết bị nghịch lưu nguồn áp (VSI) hoặc nghịch lưu nguồn dòng (ISC), nối giữa nguồn và phụ tải nhạy cảm, để đảm bảo CLĐN cấp cho phụ tải Các dạng thiết bị điều hòa công suất có thể là thiết bị bù ngang: Thiết bị bù CSPK tĩnh (Static Var Compensator – SVC), thiết bị bù đồng bộ tĩnh (Static Synchronous Compensator – Statcom, D-Statcom), thiết bị bù dọc: Thiết bị phục hồi điện áp động (Dynamic Voltage Restorer – DVR) hoặc hợp bộ kết hợp cả chức năng của thiết bị bù ngang và bù dọc (Unified Power Quality Conditioner – UPQC) Cấu trúc cơ bản bao gồm MBA kết nối, bộ nghịch lưu (VSI hoặc CSI) và bộ cấp năng lượng phía một chiều (ắc quy, tụ điện hoặc nguồn một chiều chỉnh lưu…)

Hình 1.8 Khắc phục lõm điện áp dùng MBA

cộng hưởng sắt từ Hình 1.7 Nguồn dự phòng UPS

nối phụ tải nhạy cảm

Hình 1.9 Bảo vệ phụ tải nhạy cảm dùng DVR và Statcom

Hình 1.9 là ví dụ ứng dụng DVR hoặc Statcom để bù SANH đối với phụ tải nhạy cảm Nguyên tắc bù đối với DVR và Statcom sẽ là [26, 48]

Trong đó

Ut: Điện áp trên thanh góp nối với phụ tải nhạy cảm cần được ổn định

UL: Điện áp nguồn điện

ΔUDVR: Điện áp bù trên DVR

ISTA: Dòng điện bù phát ra của Statcom

ΔUSTA: Điện áp bù tại nút có nối với Statcom

ZL: Tổng trở lưới điện

Giải pháp sử dụng các thiết bị điều hòa công suất CPD cho tới nay, thường được sử dụng để bảo vệ phụ tải nhạy cảm với CLĐN, với vị trí lắp đặt ở trên mạch nối trực tiếp với phụ tải được bảo vệ và vì vậy được xem là giải pháp do bên sử dụng điện thực hiện CPD cũng được sử dụng trong lưới điện bởi bên cấp điện, tuy nhiên chủ yếu dùng trong lưới điện truyền tải như thiết bị FACTS Tuy vậy, gần đây, với việc giảm giá thành của các thiết bị điện tử công suất, bên cấp điện đã dần việc sử dụng các thiết bị CPD trong lưới phân phối

để nâng cao CLĐN của lưới điện

e Tóm lược:

Sụt giảm điện áp ngắn hạn là hiện tượng CLĐN mà luận án sẽ phân tích các giải pháp khắc phục Luận án xem xét SANH trong lưới phân phối với nguyên nhân là ngắn mạch trong lưới phân phối vì đây là nguyên nhân chính của SANH Giải pháp mà luận án nghiên cứu sử dụng để khắc phục SANH là sử dụng thiết bị CPD Việc sử dụng CPD hiện nay có thể được bên cấp điện là các công ty điện lực sử dụng vì những lý do đã giải thích trên đây Việc xây dựng bài toán và phân tích cụ thể sẽ được luận án trình bày ở Mục 2 trong chương này cũng như ở Chương 3 và Chương 4

1.1.3 Sóng hài [20, 30, 59, 79]

Một hiện tượng CLĐN nữa cũng có liên quan đến nội dung nghiên cứu của luận án là sóng hài do hiện tượng biến dạng sóng điện áp và dòng điện trên lưới điện gây ra Một số vấn đề kỹ thuật chính liên quan đến sóng hài được tổng hợp một cách tóm tắt như sau:

a Tóm tắt hiện tượng

Sóng hài là điện áp và dòng điện hình sin với tần số là bội số của tần số cơ bản (50Hz hoặc 60Hz) Sóng hài được định lượng từ phép phân tích Fourier của các biến dạng sóng điện áp và dòng điện (waveform distortion) trên lưới điện Một sự kiện biến dạng sóng điện

áp hay dòng điện duy trì f(x) có thể được phân tích thành tổng của sóng cơ bản và các sóng hài theo phép biến đổi Fourier như sau

f(x) =a0

2 + ∑∞n=1a(n)cos(nx)+ ∑∞n=1b(n)sin(nx)

= a0

2 + ∑∞n=1c(n)sin⁡[nx + ϕ(n)] (1.3) Trong đó

b Nguyên nhân sóng hài

Nguyên nhân chính gây nên biến dạng sóng trên lưới điện là do sự tồn tại của các phụ tải phi tuyến Các thiết bị chính gây phát thải sóng hài trên lưới điện bao gồm:

- Thiết bị có lõi thép như máy biến áp, động cơ điện Đặc tính từ hóa của lõi thép có dạng bão hòa sẽ gây biến dạng sóng dòng điện và điện áp

- Thiết bị điện tử công suất như các bộ chỉnh lưu, nghịch lưu (Inverter) sử dụng các van điện tử công suất Sóng hài sinh ra thường có dạng đặc trưng, phụ thuộc kết cấu của các bộ nghịch lưu

- Quá trình phòng điện trong chất khí của các thiết bị chiếu sáng

Hình 1.10 Dạng đặc tính U-I phi tuyến và biến dạng sóng điện áp

tại đầu cực của lò hồ quang điện

- Các quá trình hồ quang điện như của lò hồ quang (Hình 1.10), máy hàn điện Đây

là nguyên nhân gây sóng hài rất phổ biến trong lưới điện công nghiệp tại Việt Nam trong thời gian 10 năm gần đây khi công nghiệp luyện thép phát triển khá nhanh Đây cũng là đối tượng nghiên cứu của luận án khi xét các biện pháp khắc phục sóng hài

Tác dụng gia tăng tổn thất điện năng hiện nay cũng là hậu quả đáng kể của sóng hài

và đang được các đơn vị quản lý lưới điện tại Việt Nam rất quan tâm tìm cách khắc phục

d Các đặc trưng và tiêu chuẩn đánh giá sóng hài:

Các đặc trưng cơ bản của biến dạng sóng và sóng hài bao gồm:

- Biến dạng dòng điện và điện áp xác lập được khai triển Fourier có dạng:

Fh: Trị số hiệu dụng của dòng điện hay điện áp của sóng hài bậc h

θh: Góc pha của dòng điện và điện áp của sóng hài bậc h

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn EN50610: Giới hạn U h tại điểm cấp điện

Bậc khác 3n Bậc 3n Hài bậc chẳn Bậc h Uh (%) Bậc h Uh (%) Bậc h Uh (%)

Bảng 1.3 Yêu cầu về biến dạng sóng điện áp

Lưới điện Biến dạng riêng lẻ THD

Theo tiêu chuẩn IEEE-519:1992

Các giải pháp giảm phát sinh sóng hài: Sóng hài dòng điện sinh ra từ phụ tải phi tuyến

trên HTĐ như các quá trình hồ quang (lò hồ quang, hàn điện), từ các thiết bị nghịch lưu (converter) sử dụng các linh kiện điện tử công suất Các giải pháp đối với các phụ tải phi tuyến phải tác động vào công nghệ chế tạo thiết bị và thường chi phí rất cao hoặc khó thực hiện Một số giải pháp cụ thể bao gồm:

- Sử dụng điện kháng trong các mạch vào ra của converter để hạn chế sóng hài Trị

Bảng 1.4 Bậc và biên độ sóng hài sinh ra bởi ghép các converter 6 xung

Bậc sóng hài Biên độ sóng hài tương đối so với bậc cơ bản

Các giải pháp ngăn chặn sóng hài lan truyền: Nếu không thể giảm được lượng sóng

hài sinh ra từ các nguồn sóng hài thì có thể áp dụng các giải pháp ngăn chặn sóng hài lan truyền từ ngay nơi phát sinh Các giải pháp chính bao gồm:

- Dùng MBA có tổ đấu dây với góc dịch pha hợp lý hoặc MBA có tổ đấu dây zag: Khi đó các sóng hài điện áp bậc khác nhau của các cuộn thứ cấp sẽ có thể cảm ứng lên cuộn sơ cấp các sức điện động sóng hài bậc tương ứng ngược pha và khử nhau

zig Sử dụng các thiết bị lọc sóng hài đặt trực tiếp tại mạch kết nối giữa lưới điện và các nguồn sinh sóng hài Thiết bị lọc sóng hài được phân làm hai loại là bộ lọc thụ động và bộ lọc chủ động (hay là lọc tích cực)

- Bộ lọc thụ động: Kết cấu đơn giản chỉ gồm một mạch cộng hưởng nối tiếp điện

dung và điện cảm Tổng trở mạch lọc sẽ rất nhỏ ứng với tần số sóng hài được lọc

h (khi XL(h)=XC(h)) Có thể ghép song song nhiều mạch lọc thụ động để lọc trực tiếp các thành phần sóng hài có biên độ lớn sinh ra bởi nguồn sóng hài

- Bộ lọc tích cực: cũng là các thiết bị CPD Thiết bị sẽ bù biến dạng sóng bằng cách

chủ động lọc các thành phần sóng hài xuất hiện từ phía phụ tải phi tuyến

f Tóm lược

Sóng hài do các phụ tải phi tuyến sinh ra trên lưới điện Có nhiều tác động xấu của sóng hài đối với lưới điện và phụ tải Quy định về mức sóng hài đã được nêu trong các tiêu chuẩn cả tại Việt Nam và quốc tế với tham số đánh giá chính xác biên độ từng bậc sóng hài

và tổng biến dạng sóng hài Đối với bên cấp điện thì một trong những vấn đề sóng hài gây

ra cho lưới điện là tăng tổn thất điện năng trên lưới điện Các biện pháp hạn chế sóng hài trên lưới điện cũng chính là các biện pháp giảm tổn thất điện năng trên lưới điện Chương 3 luận án sẽ phân tích chi tiết bài toán này

1.2 Tổng quan về nghiên cứu giải pháp sử dụng thiết bị CPD để nâng cao chất lượng điện năng lưới phân phối điện

1.2.1 Quan điểm về thực hiện giải pháp

Có rất nhiều giải pháp nâng cao CLĐN trên lưới điện tùy thuộc hiện tượng CLĐN, loại phụ tải nhạy cảm Theo loại thiết bị khắc phục hiện tượng CLĐN, với việc phát triển mạnh của ứng dụng điện tử công suất trong ngành năng lượng, việc sử dụng các thiết bị như FACTS (Flexible AC Transmission System), CPD (Custom Power Device) ngày càng rộng rãi với những ưu điểm vượt trội so với các giải pháp khác mà nổi bật nhất chính là khả năng phản ứng nhanh, rất phù hợp để khắc phục các hiện tượng CLĐN diễn biến nhanh xuất hiện ngày càng nhiều trên hệ thống điện Sở dĩ có ưu điểm này là vì các thiết bị FACTS hay CPD

có sự hỗ trợ của các linh kiện điện tử công suất như các van bán dẫn Bên cạnh đó, các tính năng nâng cao chất lượng vận hành cho hệ thống điện cũng đồng thời được đảm bảo như nâng cao khả năng tải, cải thiện độ lệch điện áp xác lập, cải thiện hệ số công suất và giảm tổn thất điện năng, nâng cao độ tin cậy của lưới điện (QRA: quality, reliability, and availability) [25, 35, 36, 37, 70] Trong hai nhóm thiết bị này, CPD được ứng dụng để cải thiện QRA của lưới phân phối [11] Các thiết bị CPD có thể được nối song song với phụ tải được bảo vệ như thiết bị bù tĩnh - D-Statcom (Distribution Static Compensator) hoặc nối tiếp với phụ tải được bảo vệ như thiết bị phục hồi điện áp động - DVR (Dynamic Voltage Restorer) hoặc kết hợp cả hai hình thức nối tiếp và song song như thiết bị UPQC (Unified

Power Quality Conditioner) trong lưới phân phối điện [24, 41, 84] Mục tiêu nghiên cứu của

luận án là đi sâu nghiên cứu giải pháp sử dụng CPD để nâng cao CLĐN của lưới phân phối

Bài toán nâng cao CLĐN trong lưới phân phối sử dụng thiết bị CPD là một trong

những lớp giải pháp rất được quan tâm trong thời gian gần đây Quá trình ứng dụng CPD để nâng cao CLĐN cho tới nay có thể xem như theo hai cách tiếp cận sau:

- Cải thiện phân tán (Distributed improvement)

Như đã phân tích ở Mục 1.1, thoạt tiên, yêu cầu sử dụng CPD đảm bảo CLĐN được đặt ra cho từng khách hàng hoặc một nhóm khách hàng có yêu cầu CLĐN cao hơn các tiêu chuẩn hiện hành Khi đó, thiết bị CPD sẽ được nối tại ngay vị trí của phụ tải hay nhóm phụ tải riêng lẻ đó [17, 57] Cách tiếp cận đó gọi là cách tiếp cận cải thiện CLĐN mang tính ‘cải thiện phân tán’ Những trường hợp ứng dụng này thường chỉ yêu cầu CPD có công suất không lớn và phạm vi đảm bảo CLĐN tương đối hẹp trên lưới điện, các nút lưới điện riêng

lẻ, giải quyết từng vấn đề về CLĐN cho từng khách hàng Chi phí cho CDP thường không quá lớn nên tính khả thi về mặt kinh tế dễ dàng đạt được hơn Cách tiếp cận này dẫn đến việc thực hiện giải pháp thường do khách hàng tự làm Bên cấp điện thường không tham gia

Mục tiêu giải quyết của cách tiếp cận này chủ yếu liên quan đến việc nghiên cứu phần điều khiển các thiết bị CPD để khắc phục trực tiếp các sự kiện CLĐN cụ thể và bảo vệ cho những phụ tải cụ thể Có thể nói, trong các nghiên cứu ứng dụng CPD để nâng cao

CLĐN trong lưới phân phối cho đến nay thì đa phần là nghiên cứu theo cách tiếp cận cải thiện phân tán

- Cải thiện trung tâm (Central improvement)

Với nhu cầu nâng cao CLĐN ngày càng tăng của phụ tải điện, việc sử dụng CPD dần trở thành bài toán mang tính hệ thống, tương tự như việc sử dụng thiết bị FACTS trên lưới truyền tải vậy Vị trí của các CPD được lựa chọn nhằm cải thiện CLĐN không chỉ cho một phụ tải riêng lẻ mà cho nhiều phụ tải trên lưới, tức là hiệu quả nâng cao CLĐN mang tính

‘cải thiện trung tâm’ [27, 33] Theo cách tiếp cận này, thiết bị CPD được đặt tại điểm nào đó

trên lưới điện với mục tiêu nâng cao CLĐN cho toàn bộ khách hàng được cấp điện trong lưới điện Việc sử dụng CPD theo cách tiếp cận ‘cải thiện trung tâm’ để cải thiện CLĐN ban đầu thường bị cho là giải pháp tốn kém vì công suất thiết bị lớn, chi phí đầu tư sẽ rất cao trong khi tác dụng cải thiện CLĐN chú trọng đến tính hệ thống hơn cho những yêu cầu riêng

lẻ Do đó, ứng dụng thường chỉ cho lưới truyền tải điện như thiết bị FACTS Tuy nhiên, gần đây cách tiếp cận này để nâng cao CLĐN cho lưới phân phối điện đã dần trở nên khả thi khi chi phí cho CDP giảm dần trong khi hình thành thị trường điện, yêu cầu nâng cao chất lượng dịch vụ nói chung, CLĐN nói riêng, xu hướng phát triển của lưới điện thông minh đang được đặt ra đối với các đơn vị cấp điện

Cách tiếp cận ‘cải thiện tập trung’ là giải pháp nâng cao CLĐN mà bên cấp điện mới

là người thực hiện Hiện nay, bên cấp điện chỉ thực hiện giải pháp này đối với các lưới điện

có yêu cầu CLĐN cao, có mức độ tự động hóa cao Tuy vậy, với xu thế phát triển lưới điện thông minh, giải pháp này sẽ ngày càng được bên cấp điện thực hiện nhiều hơn Theo cách

tiếp cận này, một vấn đề thiết kế được đặt ra là bài toán lựa chọn vị trí đặt CPD và công

suất CPD sao cho hiệu quả sử dụng tối ưu nhất

Như đã nêu trên, cho đến nay, các nghiên cứu theo cách tiếp cận này chưa nhiều Một trong những khó khăn phải giải quyết trong các nghiên cứu này là phải mô tả được hành vi của các thiết bị CPD đối với CLĐN của toàn lưới Với mục đích tham gia giải quyết khó

khăn này, nội dung nghiên cứu cốt lõi của luận án chính là xây dựng và phân tích bài toán lựa chọn vị trí đặt và công suất CPD theo cách tiếp cận cải thiện tập trung khi sử dụng các thiết bị CPD để nâng cao CLĐN cho cả lưới phân phối điện Hành vi của các thiết

bị CPD trong lưới điện sẽ được mô phỏng và đưa vào mô hình bài toán tối ưu Những vấn

đề cơ bản luận án sẽ triển khai chính là:

i Đề xuất xây dựng mô hình bài toán gồm hàm mục tiêu, ràng buộc, biến điều khiển

ii Chọn phương pháp giải bài toán

Mục 1.2.2 sau đây sẽ tổng quan kết quả khảo sát các nghiên cứu trước đây liên quan đến hai vấn đề cơ bản trên đây của luận án

1.2.2 Mô hình bài toán nâng cao CLĐN trên lưới phân phối sử dụng thiết bị CPD

Bài toán nâng cao CLĐN trong lưới phân phối sử dụng CPD vốn cũng là bài toán có kích cỡ lớn, thu hút được rất nhiều quan tâm nghiên cứu cho đến nay Nhìn chung, đây là bài toán quy hoạch nguyên, phi tuyến với lời giải chính là vị trí đặt và công suất của thiết bị CPD Việc giải quyết bài toán này thường khó thực hiện một cách tổng quát Đó là do CLĐN gồm nhiều hiện tượng với những đặc trưng về biên độ, tần số và thời gian tồn tại khác nhau Tuy thiết bị CPD có thể có tác dụng với nhiều hiện tượng, nhưng việc đồng thời khắc phục nhiều hiện tượng CLĐN một cách triệt để là khó, bởi vì đối với thiết bị CPD, ngoài các đặc trưng về năng lượng như công suất, còn có phần điều khiển Có thể xem các thông số về năng lượng của CPD là các điều kiện cần để CPD khắc phục một vấn đề về CLĐN nào đó Còn đáp ứng của CPD hiệu quả đến đâu thì lại nhờ phần điều khiển của CPD Thường các bài toán này chỉ trở nên dễ giải quyết hơn khi xét riêng các hiện tượng CLĐN Ngoài ra, tác dụng của các loại thiết bị CPD cũng có phần khác nhau Trong khi thiết bị DVR thường có tác dụng tốt đối với các hiện tượng liên quan đến chất lượng điện áp thì D-Statcom lại khắc phục khá tốt các vấn đề về sóng hài Sau đây luận án sẽ trình bày một cách tổng quan về mô hình bài toán tối ưu hóa vị trí và công suất của thiết bị CPD để nâng cao CLĐN của lưới phân phối điện

a Dạng hàm mục tiêu:

Việc tối ưu hóa vị trí và công suất của thiết bị CPD trong lưới phân phối điện hình tia

thường là phải xem xét hai tiêu chí có xu hướng trái chiều: Tối đa hóa hiệu quả cải thiện CLĐN trong khi tối thiểu hóa tổng chi phí Như vậy loại thiết bị CPD phù hợp nhất, vị trí

và công suất của nó phải được xác định để cực tiểu hóa thiệt hại do CLĐN và chi phí lắp đặt của thiết bị CPD Hàm mục tiêu tổng quát của bài toán này có dạng [27, 45, 67]:

Thoã mãn: 𝐹𝑓≤ 𝐹𝑓−𝑙𝑖𝑚𝑖𝑡 Trong đó

CLPQ: Chi phí do CLĐN,

CCPD: Chi phí cho thiết bị CPD (đầu tư, vận hành và chi phí bảo dưỡng),

Ff: Điều kiện dừng khi chạy các phép lặp để tìm kiếm lời giải tối ưu

b Các dạng điều kiện ràng buộc

Các điều kiện ràng buộc của bài toán tối ưu phải được xác định để điều khiển các biến theo những ứng dụng thực tế [8, 60] Các điều kiện ràng buộc chung của bài toán tối ưu hóa

vị trí các CPD được xác định như sau:

- Cân bằng công suất nút

Việc cân bằng công suất nút được kiểm tra với chế độ xác lập Nếu bài toán xét ở tần

số cơ bản (50Hz) thì ta có ràng buộc cân bằng công suất nút ở tần số cơ bản, chẳng hạn cho bài toán liên quan đến CLĐN là độ lệch điện áp ở chế độ xác lập Nếu bài toán liên quan tới sóng hài thì ta xét tương ứng là ràng buộc cân bằng công suất nút ở tần số từng bậc sóng hài

Vmin: Giới hạn dưới của điện áp nút,

Vmax: Giới hạn trên của điện áp nút,

Vi: Giá trị hiệu dụng của điện áp nút

Đối với các CPD, các giới hạn này được thiết lập dựa trên biến thiên điện áp Giới hạn này được giữ tại một mức nhất định cho điện áp nút của toàn hệ thống [2, 3] Ràng buộc này thường được xem xét trong chế độ xác lập của trạng thái vận hành bình thường Khi đó các giải pháp CLĐN sẽ phải đảm bảo (1.10)

- Tần suất của sụt giảm điện áp

Giới hạn này được đặt ra để có biện pháp cải thiện sụt giảm điện áp trong lưới điện theo tần suất sụt giảm điện áp hàng năm được đánh giá như sau

Trong đó

VSi: Tần suất sụt giảm điện áp tại nút i trên lưới điện trong một năm

VSi-limit: Yêu cầu tần suất sụt giảm điện áp hàng năm tối đa đối với nút i

Việc đánh giá này có thể thực hiện được bằng cách sử dụng phương pháp đo lường thống kê hoặc phương pháp dùng mô hình giải tích [83] Ràng buộc này thường được áp dụng đối với các hiện tượng SANH hoặc các sự kiện ngắn hạn

- Giới hạn công suất CPD

Giá trị công suất định mức tối đa của mỗi CPD không được vượt quá

Trong đó

SCPD-max: Công suất tối đa chấp nhận được của CPD

Ràng buộc này đặt ra để tránh việc phải đặt công suất CPD quá lớn

- Giới hạn tổng biến dạng sóng hài - THD

Tổng biến dạng sóng hài tại điểm nút i phải được bù để đáp ứng mức biến dạng sóng

hài cho phép:

Trong đó THDmax: Mức biến dạng sóng hài lớn nhất cho phép tại mỗi nút

Ràng buộc này rõ ràng là áp dụng cho bài toán khắc phục sóng hài Một số giải pháp

có tác dụng đến nhiều sự kiện CLĐN thì ràng buộc này đồng thời được đặt ra với một số ràng buộc trên đây, chẳng hạn (1.10)

c Đánh giá các mô hình bài toán tối ưu trong các nghiên cứu đến nay

Kết quả khảo sát các nghiên cứu liên quan trước đây cho thấy việc xây dựng hàm mục tiêu phụ thuộc vào loại hiện tượng CLĐN, loại giải pháp khắc phục Nhìn chung, hai vấn đề lớn thường phải được cân nhắc khi lựa chọn mô hình bài toán tối ưu như sau:

- Chọn hàm mục tiêu dưới dạng chi phí hay dạng các chỉ tiêu kỹ thuật

Đối với việc xây dựng hàm mục tiêu, với hai mục tiêu là tối đa hóa hiệu quả cải thiện CLĐN trong tối thiểu hóa tổng chi phí thì theo (1.9), mục tiêu tối thiểu hóa tổng chi phí có thể được đặc trưng bởi thành phần CCPD, còn mục tiêu tối đa hóa hiệu quả cải thiện CLĐN được đánh giá thông qua thành phần CLPQ Có thể dễ thấy rằng trong khi chi phí cho thiết bị CPD khá dễ để xác định tùy thuộc vào loại và công suất CPD, thì chi phí cho CLĐN lại là vấn đề rất khó xác định vì nó phụ thuộc vào quá nhiều yếu tố Chính vấn đề này khiến cho việc xây dựng hàm mục tiêu và cũng là xây dựng mô hình bài toán trên đây thường đi theo hai cách tiếp cận sau đây:

Cách tiếp cận sử dụng hàm mục tiêu là chi phí: Theo cách tiếp cận này hàm mục tiêu

được xây dựng dưới dạng tối thiểu hóa tổng chi phí Khi đó, hiệu quả cải thiện CLĐN được đánh giá dưới dạng chi phí cho CLĐN Ưu điểm của cách tiếp cận này là xét được quan hệ giữa hai xu thế chi phí nhìn chung là trái chiều Đó là đầu tư cho giải pháp, thường phụ thuộc vào công suất thiết bị và chi phí CLĐN, phụ thuộc mục tiêu của giải pháp Tuy vậy nhược điểm thì như đã nêu Cách tiếp cận này thường chỉ khả thi nếu chi phí CLĐN có thể xác định được Chi phí này rõ ràng là phụ thuộc vào hậu quả hay thiệt hại do các hiện tượng CLĐN Trên thực tế, có những loại hậu quả của CLĐN có thể định lượng được chi phí như tổn thất điện năng (gây ra do sóng hài), nhưng cũng có nhiều loại hậu quả của CLĐN lại rất khó định

lượng, chẳng hạn thiệt hại do SANH Do đó, cách tiếp cận này thường chỉ được sử dụng nếu hậu quả của CLĐN có thể định lượng được dưới dạng chi phí

Cách tiếp cận sử dụng hàm mục tiêu là hiệu quả khắc phục vấn đề CLĐN: Có thể xem

đây là cách được áp dụng khi khó định lượng được chi phí của hậu quả CLĐN trên đây Một

Rnh: Điện trở nhánh nh giả thiết không phụ thuộc tần số sóng hài

𝐼𝑛ℎℎ : Dòng điện nhánh nh ở bậc tần số h

+ Cực tiểu hóa số nút phụ tải vi phạm giới hạn độ lệch điện áp [43]

⁡ΔU = √∑(Uref− Ui) 2

Uref: Điện áp nút hiệu dụng tiêu chuẩn

+ Cực tiểu hóa số nút phụ tải vi phạm tổng biến dạng sóng hài – THD [43]

ΔU = 1

𝑈 1

√∑ 𝑈ℎ2 n

- Chọn mô hình là tối ưu hóa đơn mục tiêu hay đa mục tiêu

Cũng do CLĐN gồm nhiều hiện tượng và hậu quả của nó cũng khác nhau trong khi các giải pháp có thể có tác dụng đến một hoặc nhiều hiện tượng CLĐN nên khi khảo sát các nghiên cứu liên quan trước đây về cách xây dựng bài toán tối ưu thấy rằng trong khi có

những nghiên cứu chỉ xét dùng cách tiếp cận đơn mục tiêu thì một số lượng lớn các công bố

sử dụng cách tiếp cận tối ưu hóa đa mục tiêu Theo cách tiếp cận này, các hàm mục tiêu cục

bộ có thứ nguyên khác nhau và hàm mục tiêu toàn cục được xây dựng từ các hàm mục tiêu cục bộ bằng cách thêm vào các trọng số cho từng mục tiêu cục bộ Thực tế đây cũng lại chính là hạn chế của cách tiếp cận tối ưu hóa đa mục tiêu Do đó, cách tiếp cận của luận án

là ưu tiên xây dựng hàm mục tiêu theo cách tiếp cận đơn mục tiêu và xét riêng các hiện tượng CLĐN cần được khắc phục Khi đó cần đánh giá trước hiệu quả của các giải pháp cho từng

sự kiện CLĐN và Chương 2 chính là bước đệm để đánh giá và chọn giải pháp khắc phục CLĐN tùy vào loại sự kiện CLĐN

Đóng góp mới của luận án chính là xây dựng được hàm mục tiêu phù hợp cho việc khắc phục biến dạng sóng hài sử dụng tụ điện (Chương 3) và khắc phục SANH bởi thiết

bị CPD (Chương 4)

1.2.3 Tổng quan phương pháp giải

Mô hình bài toán tối ưu hóa vị trí và công suất của thiết bị CPD trong lưới phân phối điện nhìn chung có dạng bài toán quy hoạch nguyên, phi tuyến Có hai cách tiếp cận để giải bài toán này là cách tiếp cận giải tích (analytic) và tìm kiếm thông minh (heuristic) Tuy vậy,

do kích cỡ bài toán này khá lớn, đặc biệt khi giải pháp khắc phục CLĐN đồng thời tác dụng với nhiều hiện tượng CLĐN khiến cho hàm mục tiêu và các ràng buộc trở nên đa dạng và khó giải bằng cách tiếp cận giải tích Trong trường hợp này thì cách tiếp cận tìm kiếm thông minh trở thành cách tiếp cận hiệu quả Khảo sát các công cụ tìm kiếm thông minh để giải bài toán lựa chọn tối ưu vị trí và công suất của thiết bị CPD nhằm nâng cao CLĐN trong lưới phân phối điện cho đến nay được tóm tắt như sau:

Bài toán này ban đầu có thể tham khảo từ bài toán tối ưu hóa vị trí đặt các thiết bị FACTS trong hệ thống điện khi có rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện như áp dụng các

kỹ thuật tối ưu hoá Heuristic để giải quyết việc tối ưu hoá việc lắp đặt các thiết bị FACTS [69] Việc tối ưu hoá vị trí lắp đặt và công suất thiết bị bù tĩnh SVC có thể được thực hiện bằng cách sử dụng giải thuật tìm kiếm Harmony [66], giải thuật tìm kiếm lai kiểu tối ưu hoá Bee Colony và thuật tìm kiếm Harmony [65], và tối ưu hoá vị trí lắp đặt của thiết bị điều khiển dòng công suất có thể được giải quyết bằng cách dùng giải thuật vòng lặp ‘Shuffled Frog Leaping’ [63] Tuy vậy, hai thiết bị CPD và FACTS có kết cấu và phạm vi ứng dụng khác nhau, có mô tả toán học riêng nên cần có những nghiên cứu riêng đối với ứng dụng thiết bị CPD trong lưới phân phối Sau đây, luận án sẽ trình bày tổng quan các nghiên cứu

về bài toán lựa chọn vị trí đặt và công suất CPD nhằm nâng cao CLĐN trong lưới phân phối cho tới nay

Nói chung, bài toán tối ưu hoá cần thiết được đặt ra để xác định vị trí tối ưu, công suất, tham số của mỗi CPD Với dạng tổng quát trên đây, có thể thấy rằng hàm mục tiêu có thể có dạng là hàm đa mục tiêu, phi tuyến, không liên tục và không khả vi do sự kết hợp của các thiết bị khác nhau có đặc tính khác nhau [5] Nói một cách khác, bài toán loại này có thể được xem như một bài toán đa thức không xác định và kích cỡ của bài toán có thể tăng theo hàm mũ, làm cho nó rất khó giải [34] Trong những năm gần đây, nhiều kỹ thuật tối ưu hoá heuristic đã được giới thiệu để giải những bài toán tối ưu hoá kết hợp, đa mục tiêu trong hệ thống điện [47, 68, 75] Các giải thuật Heuristic này tìm kiếm các lời giải trong một không gian con của không gian tìm kiếm tổng thể để tìm lời giải tối ưu trong khoảng thời gian tính toán hợp lý [69, 70] Ưu điểm quan trọng nhất của giải thuật Heuristic là các lời giải của chúng không bị giới hạn bởi các giả thiết giới hạn về không gian tìm kiếm, và các giải thuật này cũng có thể tìm ra một lời giải gần với lời giải tối ưu toàn cục Do đó, nhiều nhà nghiên

cứu đã tập trung vào các loại hình kỹ thuật tối ưu hoá Heuristic khác nhau để xác định vị trí

và công suất của FACTS và CPD trong hệ thống truyền tải và phân phối Hình 1.11 chỉ ra

số lượng bài báo nghiên cứu có liên quan tới việc tối ưu hoá vị trí của CPD để cải thiện CLĐN, đặc biệt là SANH trong lưới phân phối [27] Các kỹ thuật heuristic được quan tâm:

Hình 1.11 Số lượng bài báo có chỉ số (indexed) trong lĩnh vực tối ưu thiết bị CPD

a Giải thuật Gen (GA)

GA có thể được xem như là một loại giải thuật tiến hoá trong đó lời giải của bài toán tối ưu có được bằng cách sử dụng các phương pháp có nguồn gốc từ tiến hoá tự nhiên, chẳng hạn như thừa kế, đột biến, lựa chọn, lai giống [21] Giải thuật GA tìm kiếm lời giải tối ưu sử dụng nguyên lý tiến hoá dựa trên một chuỗi nhất định mà nó được xét đến và di truyền để tạo nên thế hệ kế tiếp Thuật toán được thiết kế để chọn lấy các chuỗi “fitter’’ và di truyền vào thế hệ tiếp theo Ưu điểm chính của giải thuật GA là khả năng tìm kiếm và phát hiện một lời giải toàn cục trong quá trình tối ưu [73] Hơn nữa, GA có khả năng tìm ra lời giải toàn cục đối với rất nhiều dạng hàm như hàm khả vi hoặc không khả vi, tuyến tính hay phi tuyến, liên tục hoặc gián đoạn [12, 64]

Năm 2007, một nghiên cứu tối ưu hoá vị trí dựa trên GA đã được đề xuất để giảm thiệt hại do SANH trong lưới phân phối sử dụng các thiết bị điều khiển điện tử công suất gồm SVC, Statcom, DVR [85] Theo phương pháp được đề xuất, đánh giá SANH được thực hiện dựa trên thiệt hại hàng năm của lưới điện do SANH khi có và không có SVC, STATCOM, DVR Hàm đa mục tiêu được xây dựng để tối thiểu hoá chu kỳ hoàn vốn và giá trị hiện tại thực (NPV) của hệ thống Điều kiện dừng đối với GA được đặt ra đối với thời gian trong đó lời giải tối ưu không thay đổi sau một số lần lặp nhất định Ngược lại, GA dừng khi một số xác định của các thế hệ được đạt tới

Một tiếp cận khác dựa trên GA được đề xuất bởi Zhang để tối ưu hoá việc lựa chọn vị trí CPD trong mạng phân phối để làm giảm thiểu số lần SANH [86] Trong phương pháp này, số lần SANH ứng với các dải biên độ điện áp khác nhau được xem như là các biến để xây dựng hàm mục tiêu và loại Niching GA (NGA) được áp dụng để tìm lời giải tối ưu Ưu điểm của việc sử dụng NGA hơn GA vì NGA có khả năng tìm kiếm trong không gian rộng hơn nhờ việc duy trì tính đa dạng của gene di truyền trong dân số, nó làm tăng độ hội tụ đến tối ưu hoá toàn cục Tuy nhiên, NGA đòi hỏi phương pháp khác để xác định khoảng cách giữa hai cá thể, điều có thể làm tăng đáng kể thời gian tính toán

b Tối ưu hoá bầy đàn (PSO)

Tối ưu hoá bầy đàn (PSO) đầu tiên được giới thiệu bởi Kennedy and Eberhart Kỹ thuật này dựa trên việc mô phỏng hành vi xã hội giữa các cá thể “bay” qua một không gian tìm kiếm đa chiều, trong đó mỗi cá thể đại diện cho một giao điểm (intersection) của tất cả các chiều tìm kiếm [9] Trong phương pháp này, các cá thể đánh giá vị trí tương đối của chúng so với đích (fittness) tại mỗi lần lặp, và các cá thể trong một khu vực lân cận sẽ có chung bộ nhớ về vị trí “tốt nhất” và sử dụng bộ nhớ này để điều chỉnh tốc độ và vị trí sau đó của chúng Giải thuật PSO rất có ích cho việc tính toán song song và tin cậy, nó có thể tìm

ra lời giải tối ưu toàn cục một cách hiệu quả cao hơn các phương pháp tối ưu khác Hơn nữa, không giống như GA, PSO không có cơ chế tiến hoá như ghép chéo và đột biến khiến nó có tính hội tụ nhanh hơn và thực hiện dễ dàng hơn PSO được áp dụng rộng rãi để giải bài toán tìm vị trí tối ưu cho các thiết bị FACTS và các nguồn phân tán để cải thiện CLĐN trong lưới truyền tải và lưới phân phối, nhưng hiệu quả của nó trong việc tìm vị trí tối ưu của PSO chưa được kiểm chứng

c Mô phỏng luyện kim (Simulated Annealing: SA)

SA là một phương pháp tối ưu hiệu quả lấy ý tưởng từ sự tương đồng giữa quá trình cực tiểu hoá với quá trình kết tinh trong một hệ thống vật chất Giải thuật SA bắt đầu với một điểm lời giải khả thi, và lời giải sau đó đem trộn để được các lời giải khả thi mới mà kết quả có thể chọn hoặc loại bỏ phụ thuộc vào các tiêu chí chấp nhận mang tính xác suất SA

có thể cung cấp một xấp xỉ tốt cho việc tối ưu hoá toàn cục đối với các hàm trong một không gian tìm kiếm rộng (thậm chí không gian rời rạc) Hơn nữa, đối với một số bài toán trong những trường hợp cụ thể, SA có thể cho một lời giải hiệu quả hơn phương pháp liệt kê đầy

đủ (Exhaustive Enumeration), nghĩa là mục tiêu được đặt ra để tìm lời giải toàn cục hợp lý trong khoảng thời gian nhất định chứ không phải là lời giải tốt nhất có thể

Một phương pháp dựa trên thuật toán SA đã được trình bày để xác định việc tối ưu hoá

vị trí và công suất của DVR trong hệ thống phân phối [62] Phương pháp bao gồm hàm đa mục tiêu có xem xét đến chi phí và giới hạn điện áp Theo phương pháp này, giới hạn điện

áp phụ tải nhạy cảm được đặt trong khoảng 80% đến 90% điện áp định mức, trong khi giới hạn điện áp trên hệ thống là trên 60% điện áp định mức tại tất cả các nút Ngoài ra, phương pháp đạt mục tiêu (goal attainment method) được áp dụng để chuyển đổi hàm đa mục tiêu thành hàm đơn mục tiêu để đơn giản hoá bài toán tối ưu Từ đó, SA được áp dụng để giải quyết bài toán tối ưu hoá vị trí DVR và giảm thiểu sụt giảm điện áp

d Thuật toán tìm kiếm hấp dẫn (Gravitational Search Algorithm - GSA)

GSA là một giải thuật tối ưu hoá lấy ý tưởng từ định luật hấp dẫn Trong GSA, các nhân tố được mô hình hoá như các đối tượng với các đặc tính có thể định lượng bằng khối lượng của chúng Tất cả các phần tử này hút lẫn nhau, sự tương tác của chúng có thể được

đo bằng định luật Newton về hấp dẫn Lực này gây ra sự di chuyển toàn thể của các đối tượng hướng đến đối tượng có khối lượng lớn hơn Do vậy, mỗi khối lượng đặc trưng cho một lời giải, lời giải toàn cục có thể đạt được bằng cách điều chỉnh chính xác khối lượng hấp dẫn và quán tính của nó

Năm 2012, một phương pháp đề xuất để cải thiện độ tin cậy và giảm thiểu sự lan truyền SANH trong lưới phân phối điện bằng cách tối ưu hoá vị trí lắp đặt D-Statcom dùng GSA Trong phương pháp này, hàm mục tiêu được xây dựng dựa trên suất sự cố của các nút lưới

và suất sự cố máy biến áp phân phối, trong đó điện áp nút định mức, dòng điện trên đường dây và tổn thất trên đường dây được xem như các điều kiện ràng buộc của vận hành hệ thống

Sau đó, một phiên bản nhị phân của giải thuật tìm kiếm hấp dẫn (Binary GSA) được áp dụng như một công cụ tính toán tối ưu heuristic để giải quyết bài toán tối ưu này

e Các kỹ thuật tối ưu hoá khác:

- Kỹ thuật quy hoạch động (Dynamic Programming - DP)

DP là phương pháp hiệu quả có thể giải quyết các bài toán phức tạp bằng cách chia chúng thành một tập hợp các bài toán con và giải từng bài toán từ bài toán con nhỏ nhất để tính toán các bài toán con lớn hơn cho đến khi toàn bộ bài toán được giải quyết Nói một cách khác để giải một bài toán cho trước, thuật toán DP tiến hành tìm lời giải cho những phần khác của bài toán cho trước đó, gọi là các bài toán con Sau đó, nhờ kết hợp các lời giải của các bài toán con, một lời giải toàn cục có thể được xác định Kỹ thuật DP giảm được đáng kể khối lượng tính toán Dù sao, phương pháp này có thể dẫn tới các kết quả tương tự như kỹ thuật Heuristic khác nhưng thời gian tính toán ít hơn

Năm 2008, một phương pháp đề xuất để tối ưu hoá vị trí DVR trong lưới phân phối để giảm thiểu thông số lần SANH bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận từ dưới lên (bottom-up) và kỹ thuật DP Đầu tiên, tần suất SANH tại mỗi nút được đánh giá để mô phỏng chính xác hiệu quả sử dụng DVR để khắc phục SANH Bước kế tiếp, hàm mục tiêu được xây dựng bằng cách sử dụng tổng chi phí liên quan đến SANH gồm chi phí cho mỗi sự kiện, chi phí các thiết bị khắc phục và chi phí phạt do thiếu giải pháp khắc phục Cuối cùng, bài toán tối

ưu về xác định vị trí và công suất của các thiết bị khắc phục được giải sử dụng phương pháp tiếp cận từ dưới lên trên theo mô hình DP Tiêu chí dừng được thiết lập dựa trên việc cải thiện CLĐN và khắc phục SANH

- Mạng Nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN)

ANN là kỹ thuật tính toán mà khái niệm của nó dựa trên kiến thức hiện hành của mạng Nơ-ron sinh học [76] Phương pháp ANN có sự khác biệt chủ yếu do việc sử dụng tức thời

số lượng lớn các các bộ vi xử lý đơn giản và khả năng tự học thông qua ví dụ Ngày nay, mô hình ANN là công cụ hiệu quả cho việc nhận dạng và điều khiển các hệ thống phức tạp mà không thể dễ dàng giải quyết trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu như y học, kỹ thuật, và kinh

tế [18] ANN có một số ưu điểm đáng nói như khả năng học và điều khiển, sự thích ứng đối với dữ liệu, tính tin cậy Trái lại, ANN có một số nhược điểm như kích thước lớn, việc chọn lựa cấu hình tối ưu, và khó khăn để lựa chọn các phương pháp huấn luyện khác nhau Năm 2011, một phương pháp tối ưu dùng ANN đã được đề xuất để tối ưu hoá vị trí của D-STATCOM trong lưới phân phối để khắc phục SANH [22] Lớp đầu tiên của mạng Nơron được huấn luyện bởi các biên độ SANH sau sự cố trên 3 pha ở các nút và các loại sự

cố để giải bài toán tối ưu hoá Hơn nữa, điện áp bình thường của các nút khác nhau được xem như dữ liệu mục tiêu đầu ra Sau khi huấn luyện mạng, một số dữ liệu được sử dụng để kiểm tra hoạt động của mạng và cung cấp thông tin về tất cả các nút không an toàn của hệ thống dựa trên độ lệch lớn nhất của điện áp nút so với điện áp cho trước Nút có độ lệch lớn nhất so với mục tiêu sẽ được xem như vị trí tối ưu để đặt của D-STATCOM để khắc phục SANH

- Kỹ thuật tối ưu lai (Hybrid Optimization)

Hai hay nhiều kỹ thuật tối ưu có thể kết hợp lại để cải tiến hiệu quả quá trình tối ưu để tạo ra hệ thống tối ưu lai Trong thời gian qua, những hệ thống lai đã được áp dụng trong các ứng dụng kỹ thuật

Năm 2011, việc đánh giá ngẫu nhiên sử dụng phương pháp lấy mẫu theo trọng số và

GA được đề xuất để tối ưu hoá chi phí điểm đặt các thiết bị bù nối tiếp DVR và một loại mới

của CPD tên gọi bộ điều chỉnh điện áp dùng Thyristor nhằm khắc phục SANH trong lưới phân phối Do sự cảm nhạy của các kết quả GA đối với các tham số chi phối quá trình ghép chéo và quá trình đột biến, phương pháp lấy mẫu có trọng số được áp dụng để đơn giản hóa bài toán sử dụng mật độ xác suất của SANH có được từ việc khảo sát CLĐN Sau khi đơn giản hoá bài toán, GA như là một công cụ tìm kiếm toàn cục được áp dụng để đạt được độ hội tụ nhanh và tin cậy để xác định các giải pháp tối ưu

Phần trên đã trình bày các phương pháp khác nhau của nhiều tác giả đã công bố về bài toán tối ưu giải quyết việc xác định vị trí tối ưu cũng như công suất của thiết bị CPD trong lưới phân phối để cải thiện chất lượng điện năng Với những ưu điểm vượt trội, GA được đề xuất làm công cụ sử dụng trong quá trình nghiên cứu luận án này

1.3 Những vấn đề còn tồn tại

Từ các phân tích tổng quan nghiên cứu về bài toán sử dụng CPD nhằm nâng cao CLĐN trong lưới phân phối trên đây, có thể rút ra những đánh giá sau tạo cơ sở cho việc lựa chọn hướng nghiên cứu của luận án

1.3.1 Đối với các nghiên cứu trên thế giới

- Về quan điểm thực hiện, nghiên cứu ứng dụng CPD chủ yếu để giải quyết CLĐN cho từng phụ tải, tức là quan điểm “Cải thiện phân tán” Nghiên cứu ứng dụng CPD nhằm nâng cao CLĐN mang tính hệ thống, hay là theo quan điểm “Cải thiện tập trung”, cho lưới phân

phối còn chưa nhiều Tuy vậy, quan điểm “Cải thiện tập trung” sẽ ngày càng được thực

hiện nhiều trong tương lai khi mà yêu cầu CLĐN, quá trình thị trường hóa và ứng dụng lưới

điện thông minh là xu thế của thế giới

- Về mô hình bài toán theo “cải thiện tập trung”, các nghiên cứu thường cố gắng xây

dựng để giải quyết từng vấn đề về CLĐN như sóng hài, biến thiên điện áp Tuy vậy cách

xây dựng mô hình bài toán vẫn là chủ đề mà chưa có nhiều đề xuất Khó khăn thường là ở

chỗ chọn mô hình đơn mục tiêu hay đa mục tiêu, hàm mục tiêu có hay không xét chi phí tùy thuộc từng giải pháp Chỉ cần xét một trường hợp riêng đã có thể xem là một nghiên cứu mới

- Về các vấn đề CLĐN đã được nghiên cứu thì giải pháp CPD cho bài toán nâng cao CLĐN mang tính hệ thống chủ yếu mới xét đến các sự kiện CLĐN có tính xác lập như sóng

hài, biến thiên điện áp dài hạn (nhờ Statcom) Còn rất ít những nghiên cứu giải pháp mang

tính hệ thống đối với các hiện tượng ngắn hạn trong lưới phân phối như SANH, quá độ,

trong đó cả thiết bị DVR lẫn D-Statcom đều cần được xem xét

- Về giải pháp nâng cao CLĐN thì lớp giải pháp liên quan đến ứng dụng CPD đã có rất nhiều nghiên cứu Tuy vậy như đã nêu trên, các nghiên cứu thường xét các vấn đề CLĐN

có tính xác lập Ứng dụng CPD để giải quyết các bài toán CLĐN ngắn hạn mà lại mang tính

hệ thống còn khá ít và các nghiên cứu trong lĩnh vực này có nhiều khả năng được thừa nhận

về tính mới

- Về công cụ giải các bài toán tối ưu thì có thể nói đã có rất nhiều nghiên cứu với hai cách tiếp cận chính gồm các phương pháp giải tích và các phương pháp tìm kiếm thông minh Tuy vậy, tính mới cho từng nghiên cứu luôn có thể được thừa nhận dựa trên cách lựa chọn công cụ giải phù hợp với đối tượng được áp dụng

1.3.2 Đối với các nghiên cứu trong nước

Có thể nói rằng các công trình nghiên cứu tại Việt Nam chưa quan tâm nhiều đến việc ứng dụng các thiết bị CPD trong lưới phân phối để nâng cao CLĐN mang tính hệ thống Cũng như tổng quan nghiên cứu trên thế giới, nghiên cứu ứng dụng CPD tại Việt Nam mới chỉ xét cho từng phụ tải cụ thể và khai thác việc điều khiển của CPD Cụ thể:

- Chưa có nghiên cứu khảo sát đánh giá CLĐN lưới phân phối do SANH và ảnh hưởng đến các tải nhạy cảm điện áp, đặc biệt là chi phí thiệt hại do CLĐN xấu Những cố gắng hiện nay mới rất sơ lược dựa trên đánh giá chi phí cho độ tin cậy

- Chưa có những công trình nghiên cứu về việc xác định các thông số tối ưu cho các thiết bị tham gia cải thiện chất lượng điện áp lưới phân phối mang tính hệ thống

- Chưa có nghiên cứu xây dựng mô hình bài toán áp dụng CPD nhằm nâng cao CLĐN trong lưới phân phối mang tính hệ thống nói chung Tuy vậy, với việc phát triển thị trường điện sang thị trường bán buôn với sự tham gia của các đơn vị quản lý lưới phân phối, ý thức

về CLĐN ngày càng cao, áp lực từ các nhà đầu tư, đặc biệt đầu tư nước ngoài xu hướng nghiên cứu này tất yếu sẽ thực hiện tại Việt Nam

1.4 Lựa chọn hướng nghiên cứu của luận án

Từ những tồn tại được rút ra sau khi phân tích tổng quan nghiên cứu, luận án lựa chọn lĩnh vực nghiên cứu là các giải pháp nhằm nâng cao CLĐN trong lưới phân phối điện Hướng

nghiên cứu là xây dựng mô hình và giải bài toán lựa chọn tối ưu vị trí đặt các thiết bị nâng

cao CLĐN trong lưới phân phối bao gồm thiết bị CPD và tụ điện Mục tiêu nhằm nâng cao

các chỉ tiêu CLĐN của hệ thống theo cách tiếp cận “cải thiện trung tâm” đối với các sự kiện CLĐN tương ứng là SANH và sóng hài

Việc xây dựng mô hình bài toán tối ưu hóa vị trí thiết bị nâng cao CLĐN bao gồm việc phân tích, lựa chọn dạng bài toán tối ưu, hàm mục tiêu và các ràng buộc phù hợp với những

sự kiện CLĐN được cải thiện bởi giải pháp Trọng tâm nghiên cứu sẽ là ứng dụng CPD do chưa có nhiều nghiên cứu cho ứng dụng CPD nhằm nâng cao CLĐN mang tính hệ thống Tính mới của nghiên cứu sẽ được trao đổi và làm rõ trong khi xây dựng các mô hình bài toán tối ưu cho các giải pháp, đặc biệt là bài toán lựa chọn vị trí và công suất của thiết bị CPD (bao gồm DVR và D-Statcom) trong lưới phân phối Chi tiết phân tích sẽ được trình bày ở Chương 3 và Chương 4

Bên cạnh việc xây dựng mô hình bài toán, đối với phương pháp giải, nghiên cứu của luận án lựa chọn thuật toán di truyền (GA) để giải bài toán tối ưu lựa chọn vị trí và công suất của thiết bị nâng cao CLĐN trong lưới phân phối Công cụ này có thể áp dụng giải với nhiều dạng bài toán tối ưu và rất phù hợp với dạng bài toán lựa chọn vị trí đặt thiết bị khi lời giải được mô tả dưới dạng một nhiễm sắc thể Luận án cũng sử dụng một số lưới phân phối mẫu

có xét đến đặc điểm riêng của lưới phân phối điện Việt Nam cũng như đặc điểm thực hiện giải pháp liên quan đến sử dụng tụ bù nhằm nâng cao ý nghĩa ứng dụng của kết quả nghiên cứu Toàn bộ việc xây dựng mô hình và giải các bài toán tối ưu được thực hiện trên Matlab Các kết quả nghiên cứu được phân tích và đánh giá để thấy tác động của các biến điều khiển

và phạm vi ứng dụng của giải pháp cũng như gợi mở các hướng nghiên cứu liên quan

1.5 Kết luận Chương 1

Chương 1 đã trình bày tóm tắt phần tổng quan về CLĐN trong lưới phân phối điện, chú trọng tới hai hiện tượng CLĐN gây ra nhiều vấn đề trong chất lượng vận hành lưới phân phối hiện nay tại Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung là SANH và sóng hài để làm cơ

sở giải thích rõ cho đối tượng, mục tiêu, phương pháp thực hiện và kết quả nghiên cứu của luận án trong các phần sau

Chương 1 cũng đã trình bày tổng quan các nghiên cứu trên thế giới về bài toán thực hiện các giải pháp nâng cao CLĐN mang tính hệ thống trong lưới phân phối, đặc biệt chú trọng các giải pháp sử dụng tụ bù công suất phản kháng và sử dụng thiết bị CPD Từ đó thấy được các vấn đề tiềm năng cần đi sâu nghiên cứu cho bài toán này và rút ra kết luận về lựa chọn hướng nghiên cứu chính của luận án Thông qua tổng quan phân tích có thể thấy một

số vấn đề chính sau đây:

- Mảng nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành và CLĐN mang tính hệ thống trong lưới phân phối chưa được nghiên cứu nhiều như các giải pháp nâng cao CLĐN đối với phụ tải nhạy cảm riêng lẻ Đặc biệt, nghiên cứu giải pháp sử dụng thiết bị CPD nhằm nâng cao CLĐN mang tính hệ thống còn cần được phát triển cả về mô hình bài toán tối ưu

và phương pháp giải

- Về cách tiếp cận để giải các bài toán tối ưu mang tính hệ thống để nâng cao CLĐN nên theo hướng tìm kiếm thông minh (heuristic) Do có nhiều hiện tượng CLĐN và nhiều công cụ toán có thể được nghiên cứu theo hướng này, nên vẫn có nhiều cơ hội tạo ra tính mới trong nghiên cứu Luận án cũng sẽ sử dụng một trong các công cụ phổ biến là thuật toán

di truyền để thực hiện các mục tiêu nghiên cứu của luận án

- Thực tiễn nhu cầu nghiên cứu về giải pháp mang tính hệ thống đối với CLĐN và hiệu quả vận hành của lưới phân phối đang rất lớn trong khi còn rất thiếu những nghiên cứu này tại Việt Nam như giải quyết vấn đề CLĐN do lò hồ quang, hiệu quả sử dụng tụ bù, hiệu quả

sử dụng thiết bị CPD

Từ đó, hướng nghiên cứu của luận án sẽ là xây dựng mô hình và giải bài toán tối ưu hóa vị trí và công suất của thiết bị CPD để khắc phục hiện tượng sụt giảm điện áp ngắn hạn trong lưới phân phối (sẽ được trình bày ở Chương 4) cũng như xem xét phát triển mô hình

và giải bài toán tối ưu hóa vị trí và dung lượng tụ bù để khắc phục sóng hài trong lưới phân phối (sẽ được trình bày ở Chương 3)

Chương 2 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG DVR VÀ D-STATCOM NHẰM NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN

NĂNG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN

2.1 Đặt vấn đề

Như đã trình bày ở Chương 1, giải pháp sử dụng thiết bị CPD (Custom Power Devices) nâng cao CLĐN trong lưới phân phối sẽ là đối tượng nghiên cứu chính của luận án Đây là giải pháp ngày càng được sử dụng nhiều khi thị trường điện được phát triển cho khu vực lưới phân phối, xu thế ứng dụng tự động hóa và lưới điện thông minh Tuy vậy, hiệu quả của việc sử dụng các thiết bị CPD nhằm nâng cao các chỉ tiêu CLĐN mang tính hệ thống cũng cần được kiểm nghiệm, làm cơ sở để xây dựng mô hình bài toán ứng dụng CPD nhằm nâng cao CLĐN trong lưới phân phối ở Chương 4

Có thể nói rằng khởi đầu cho việc cải thiện và nâng cao CLĐN của hệ thống điện là việc nghiên cứu và đưa vào sử dụng các thiết bị truyền tải điện linh hoạt FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) như STATCOM (Static Synchronous Compensator), SSSC (Static Synchronous Series Compensator), IPFC (Interline Power Flow Controller), UPFC (Unified Power Flow Controller) v.v Các thiết bị FACTS lúc đầu được nghiên cứu và thiết kế để đưa vào sử dụng ở lưới truyền tải Tuy nhiên, trong những năm gần đây, với sự tiến bộ trong các lĩnh vực bán dẫn và điều khiển điện tử công suất, các thiết

bị FACTS đã được nghiên cứu và đưa vào sử dụng ở lưới phân phối và được gọi là các thiết

bị CPD (Custom Power Devices) Một số các thiết bị CPD tiêu biểu có thể kể tên ở đây là: D-Statcom, DVR, AF (Active Power Filter), UPQC (Unified Power Quality Conditioner) v.v

Các bài toán nâng cao CLĐN sử dụng CPD cũng rất đa dạng tùy thuộc vào sự kiện CLĐN Luận án này quan tâm đến hai thiết bị CPD gồm DVR và D-Statcom là các thiết bị

có khả năng cải thiện và khôi phục sụt giảm điện áp, hạn chế sóng hài và nhiều hiện tượng CLĐN khác như dao động điện áp, mất đối xứng Cấu trúc điều khiển của DVR và D-Statcom bao gồm các bộ điều khiển dòng điện và điện áp là các bộ điều khiển PI đơn giản cho phép các thiết bị này có khả năng trao đổi năng lượng với lưới phân phối một cách dễ dàng và linh hoạt, từ đó cải thiện được CLĐN trong lưới phân phối Như đã giới thiệu trong

Chương 1, để cải thiện CLĐN chúng ta có hai cách tiếp cận dùng CPD là “cải thiện phân

tán” và “cải thiện tập trung” Theo cách tiếp cận thứ nhất, vấn đề CLĐN được giải quyết

bởi phía người được cung cấp điện hay (khách hàng) Theo cách này, một phụ tải nhạy cảm với CLĐN sẽ trở nên ít nhạy cảm hơn với các sự kiện này Nhờ đó nó sẽ vượt qua được các

sự kiện CLĐN một cách an toàn Lớp các nghiên cứu về hiệu quả của CPD theo cách tiếp cận “cải thiện phân tán” thường tập trung vào các nghiên cứu mô phỏng tác dụng của CPD đối với CLĐN tại vị trí đặt phụ tải nhạy cảm Khi đó, quan tâm nghiên cứu thường là các thuật toán liên quan đến phần điều khiển của CPD Tùy theo loại hiện tượng CLĐN, bộ phận điều khiển của CPD sẽ được nghiên cứu, thiết kế theo những chiến lược điều khiển (control strategy) nhất định nhằm khắc phục vấn đề CLĐN tại vị trí có phụ tải nhạy cảm cần được bảo vệ Một số chiến lược điều khiển DVR và D-Statcom đã được đề cập trong các tài liệu [3, 6, 37, 56, 58] Trong khi đó cách tiếp cận “cải thiện tập trung” sẽ đưa vào hệ thống các thiết bị để có thể ngăn chặn và loại bỏ các hiện tượng CLĐN trong hệ thống Trong cách tiếp cận này, thiết bị bù được kết nối nối tiếp hoặc song song trong lưới phân phối điện trung áp

và hạ áp Thiết bị kết nối song song hoạt động như nguồn dòng có điều khiển trong khi thiết

bị nối nối tiếp trên mạch điện hoạt động như một nguồn điện áp có điều khiển Tác dụng của

các thiết bị CPD này sẽ cải thiện CLĐN chung trên hệ thống Các nghiên cứu theo cách tiếp cận này thường chỉ xem xét CPD như một phần tử trên lưới và việc mô tả hành vi của CPD thường dưới dạng tác dụng cuối cùng của CDP trong mô hình xác lập của lưới điện Chẳng hạn mô tả khả năng D-Statcom để bù điện áp ở nút nào đó thì có thể giả thiết sau khi bù, điện áp nút đó đạt tới một trị số mong muốn Không xem xét nhiều đến phần điều khiển của CPD

Trong chương này, luận án mô phỏng tác dụng hệ thống của hai thiết bị CPD là DVR

và D-Statcom đối với các sự kiện CLĐN khác nhau gồm biến thiên điện áp ngắn hạn (chẳng hạn như SANH) và sóng hài sử dụng Matlab/Simulink để so sánh hiệu quả tác dụng của hai thiết bị này và sẽ giúp mô phỏng hành vi của chúng trong lưới điện khi xây dựng mô hình bài toán tối ưu ở Chương 4 Phần điều khiển của các thiết bị CPD được giả thiết sử dụng các

thuật toán bù điện áp thông thường Thông qua dạng sóng điện áp và dòng điện tại các nút phụ tải trên lưới điện sau khi có đặt thiết bị CPD, tác dụng của thiết bị CDP tới CLĐN sẽ được so sánh với nhau cũng như làm cơ sở để so sánh với kết quả cải thiện CLĐN của các thiết bị này trong bài toán tối ưu hóa được trình bày ở Chương 4

2.2 Tóm tắt cấu trúc, nguyên lý vận hành và ứng dụng của DVR

2.2.1 Cấu trúc cơ bản của DVR [11, 37, 48]

Các thành phần trong cấu trúc DVR liên kết theo những cách khác nhau, liên quan chặt chẽ đến khả năng khôi phục điện áp của DVR và chiến lược xây dựng thuật toán điều khiển của nó trong việc bù SANH và bù các biến động điện áp trên lưới điện

Hình 2.1 mô tả sơ đồ nguyên lý nối lưới của DVR sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất để bảo vệ phụ tải không bị ngừng làm việc khi tất cả các nguồn cấp có nhiễu loạn khác

Hình 2.1 Mô hình nối lưới của DVR

Thiết bị DVR gồm các thành phần cơ bản như sau:

a Biến áp kết nối

Được cấu tạo từ ba biến áp một pha có phía điện áp cao mắc nối tiếp vào nguồn cung cấp của lưới phân phối, còn phía điện áp thấp được mắc vào phía AC của bộ nghịch lưu nguồn áp VSI Nhiệm vụ của máy biến áp là liên kết hệ thống DVR với lưới phân phối nhằm thêm một điện áp bù được tạo ra từ bộ VSI vào lưới khi có sụt giảm điện áp xảy ra

b Bộ tích trữ năng lượng một chiều

Bộ tích trữ năng lượng một chiều dùng để cấp năng lượng và duy trì điện áp một chiều phía AC của bộ nghịch lưu Bộ tích trữ có thể là ắc quy, tụ điện, hoặc năng lượng được chỉnh lưu từ bộ chỉnh lưu cũng lấy điện từ lưới điện xoay chiều

c Bộ nghịch lưu nguồn áp VSI

Bộ nghịch lưu nguồn áp VSI là bộ biến đổi điện tử công suất sử dụng các van bán dẫn điều khiển hoàn toàn, thường là các van IGBT, có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều ở đầu ra là dạng điện áp phù hợp để bơm vào trong lưới điện phân phối thông qua máy biến áp Cấu trúc VSI có thể là bộ biến đổi 3 pha 3 dây hoặc bộ biến đổi 3 pha 4 dây Tùy theo yêu cầu về cấp điện áp cũng như chất lượng điện áp đầu ra phía xoay chiều mà có thể sử dụng bộ nghịch lưu hai mức điện áp thông thường hoặc bộ nghịch lưu đa mức

d Bộ lọc hài

Đối với thiết bị DVR sử dụng bộ biến đổi điện tử công suất, việc xuất hiện các thành phần sóng hài ở điện áp đầu ra xoay chiều là không thể tránh khỏi Nguyên nhân gây ra các thành phần sóng hài này là do sự đóng cắt của các van bán dẫn công suất Lượng sóng hài điện áp này nhiều hay ít tùy thuộc vào cấu trúc của bộ VSI Nhiệm vụ chính của bộ lọc hài

là giữ cho lượng sóng hài tạo ra bởi bộ VSI ở mức độ chấp nhận được và còn có khả năng hấp thu hài khi có cấu trúc bộ lọc thích hợp

e Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển cho DVR được xây dựng trên nguyên tắc đáp ứng nhanh và tức thời để DVR có thể bù được chính xác về cả biên độ và góc pha điện áp Biên độ của điện

áp tải được so sánh với điện áp đặt để phát hiện một cách tức thời bất kỳ sự biến thiên điện

áp nào để bộ điều khiển điện áp là bộ điều khiển vòng ngoài tạo tín hiệu dòng điện đặt cho

bộ điều khiển dòng điện là mạch vòng bên trong nhằm điều khiển một lượng công suất phù hợp cần trao đổi giữa DVR và lưới phân phối để bù được lượng biến thiên điện áp Trong cấu trúc này, các tín hiệu điện áp điều khiển ở đầu ra của bộ điều khiển dòng điện được đưa vào khâu điều chế động rộng xung PWM để tạo ra tín hiệu phát xung điều khiển cho các van bán dẫn trên ba pha của bộ nghịch lưu VSI Tần số đóng cắt của các van bán dẫn của bộ VSI thường được thiết lập sao cho điện áp đầu ra của VSI ít nhiễu nhất

Thông thường bộ điều khiển điện áp và dòng điện của hệ thống điều khiển thường được chọn là bộ điều khiển tích phân - tỉ lệ (PI) với có ưu điểm tác động nhanh và triệt tiêu được sai lệch tĩnh giữa tín hiệu đo lường và tín hiệu đặt

2.2.2 Ứng dụng và các chế độ vận hành của DVR

DVR được thiết kế để tạo ra một điện áp điều khiển động V DVR bởi bộ biến đổi điện tử công suất Điện áp này bù nối tiếp vào điện áp nút bởi một máy biến áp bù Biên độ tạm thời của điện áp bù ba pha được điều khiển để loại bỏ các tác động có hại của sự cố tại điểm nút

tránh ảnh hưởng đến điện áp tải V L Điều này có nghĩa là các dạng điện áp khác nhau gây ra bởi các sự cố trong lưới cấp điện sẽ được bù bởi một điện áp tương đương được tạo ra bằng

bộ biến đổi và được bù vào mức điện áp trung gian thông qua biến áp bù