Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối điện sử dụng các thiết bị DFACTS (tt)

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN VĂN MINH

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO

CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG TRONG LƯỚI PHÂN PHỐI ĐIỆN

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 TS BẠCH QUỐC KHÁNH

2 TS PHẠM VIỆT PHƯƠNG Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Việc ứng dụng thiết bị FACTS trong lưới phân phối, còn gọi là FACTS trong đó gồm các thiết bị phục hồi điện áp động (Dynamic voltage restorer - DVR), thiết bị bù tĩnh (Distribution Static Compensator

D DD Statcom) đã được triển khai Tuy nhiên ở Việt Nam chưa có những nghiên cứu về ứng dụng của thiết bị D-FACTS nhằm nâng cao chất lượng điện năng (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 này 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 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 D-FACTS và tụ bù công suất phản kháng Hiện tượng CLĐN được xem xét là sụt áp ngắn hạn (SANH) do ngắn mạch và biến dạng 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 Công cụ giải các bài toán tối ưu nói chung, thuật toán di truyền (Genetic Algorithm - GA) cũng là đối tượng nghiên cứu của luận án

3 Các mục tiêu nghiên cứu của luận án

Luận án nghiên cứu đánh giá một số 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

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

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 - lò hồ quang điện

4 Phương pháp thực hiện

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 để làm cơ sở đề xuất hướng nghiên cứu của luận án

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án

- Về ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu 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

- Về ý nghĩa thực tiễn: 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

6 Các đóng góp mới của Luận án

Đóng góp 1: Xây dựng mô hình mô phỏng động nhằm so sánh và đánh giá tác dụng của các thiết bị DVR và D-Statcom khắc phục các vấn

đề CLĐN gồm SANH do ngắn mạch và sóng hài trong lưới phân phối có phụ tải lò hồ quang điện

Đóng góp 2: Xây dựng mô hình và giải bài toán tối ưu ứng dụng

tụ bù trong lưới phân phối nằm 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

Đóng góp 3: 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 Nội dung nghiên cứu 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: Chương 1: Tổng quan các bài toán về nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối điện Chương 2: Đánh giá hiệu quả sử dụng DVR và D-Statcom trong nâng cao chất lượng điện năng của lưới phân phối Chương 3: Ứng dụng thuật toán di truyền lựa chọn vị trí tụ bù nhằm giải tổn thất trong lưới phân phối có xét đến sóng hài Chương 4: Tối ưu hóa vị trí đặt và công suất các thiết bị CPD nhằm nâng cao chất lượng điện năng dùng giải thuật di truyền (GA) Kết luận và kiến nghị

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

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

Chất lượng điện năng liên quan chặt chẽ đến 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

Trong các hiện tượng trên đây, biến thiên điện áp ngắn hạn và biến dạng gây sóng hài là những hiện tượng xảy ra chủ yếu trong lưới phân phối điện hiện nay và cũng là đối tượng nghiên cứu của luận án

*Tóm tắt hiện tượng: Theo tiêu chuẩn IEC1159-1995, 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

*Nguyên nhân gây sụt áp và mất điện

- Ngắn mạch trong hệ thống điện

- Khởi động động cơ

- Các nguyên nhân khác: Đóng phụ tải công suất lớn, mở máy các thiết bị công suất lớn

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

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

sẽ ngừng làm việc dưới tác động của SANH

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

- Đối với động cơ không đồng bộ, thường chỉ có SANH thấp hơn 30%Uđm

mới có tác động

- Đối với đèn dựa trên nguyên lý phóng điện trong chất khí (đèn cao áp), đèn sẽ tắt nếu mất áp quá 2 chu kỳ hoặc SANH với biên độ dưới 45%Uđm

* Các biện pháp khắc phụ sụt giảm điện áp ngắn hạn

- Các giải pháp cho giai đoạn hình thành SANH

- Các giải pháp cho lưới điện

- Các giải pháp đối với phụ tải nhạy cảm

Nguyên nhân chính gây nên biến dạng sóng trên lưới điện là do tồn tại các phụ tải phi tuyến

Tác động chính của sóng hài là làm gia tăng tải của các mạch điện Tác động này có thể gây quá tải mạch điện, quá tải máy điện, gây phát nóng phụ lớn, gia tăng tổn hao, làm sai lệch các thiết bị đo lường, làm các thiết bị bảo vệ làm việc kém chính xác, làm nhiễu các hệ thống thông tin Bên cạnh đó sóng hài còn gây hiện tượng cộng hưởng làm quá tải tụ bù, quá điện áp

* Các biện pháp hạn chế sóng hài

- Các giải pháp giảm phát sinh sóng hài

- Các giải pháp ngăn chặn sóng hài lan truyền

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 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

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

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): 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

- Cải thiện trung tâm (central improvement): Cách tiếp cận ‘cải thiện tập trung’ là giải pháp nâng cao CLĐN mà bên cấp điện mới là người thực hiện Nội dụng 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 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

a Dạng hàm mục tiêu:

Mục tiêu tối ưu hóa vị trí và công suất của thiết bị CPD trong lưới phân phối điện hình tia chính là để tối đa hóa hiệu quả cải thiện CLĐN trong tối thiểu hóa tổng chi phí

F 𝐶 , 𝐶 → Min (1.9)

(1.9) Thoã mãn: 𝐹 ≤ 𝐹

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

- Cân bằng công suất nút

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

- Chọn hàm mục tiêu dưới dạng chi phí hay dạng các chỉ tiêu kỹ thuật + Cách tiếp cận sử dụng hàm mục tiêu là chi phí

+ Cách tiếp cận sử dụng hàm mục tiêu là hiệu quả khắc phục vấn đề CLĐN

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

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)

*Tổng quan phương pháp giải

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

1.3 Những vấn đề còn tồn tại

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”

- 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

- Về vấn đề CLĐN được nghiên cứu giải pháp cho bài toán nâng cao CLĐN mang tính hệ thống thì các nghiên cứu chủ yếu mới xét đến các sự kiện CLĐN có tính xác lập như sóng hài, độ lệch điện áp dài hạn 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

- 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

- 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

1.4 Lựa chọn hướng nghiên cứu của luận án

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

1.5 Kết luận Chương 1

Chương 1 đã trình bày 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 sụt giảm điện áp ngắn hạn 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 2 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG DVR VÀ STATCOM TRONG NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG LƯỚI PHÂN PHỐI

D-2.1 Đặt vấn đề

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

2.2.1 Cấu trúc cơ bản của DVR

Hình 2.1 mô tả sơ đồ nối lưới của DVR sử dụng bộ biến đổi điện

tử công suất để bảo vệ các tải không bị ngừng làm việc từ tất cả các nguồn cấp có nhiễu loạn khác

Hình 2.1 Mô hình nối lưới của DVR

2.2.2 Ứng dụng và các chế độ vận hành của DVR

Sử dụng DVR để khắc phục SANH (sụt giảm điện áp ngắn hạn) có thể theo hai nguyên tắc ứng với hai cách chọn vị trí đặt DVR: bảo vệ tải nhạy cảm và Ngăn chặn phát và truyền các hiện tượng chất lượng điện năng

* Kết luận:

DVR là thiết bị bù chủ động nối tiếp nhằm khắc phục các vấn đề CLĐN nói chung và SANH nói riêng

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

2.3.1 Nguyên lý vận hành của D-Statcom

D-Statcom (Distribution Static Compensator), được mô tả như trong sơ đồ hình 2.2, bao gồm bộ biến đổi nguồn áp hai mức (VSC), một thiết bị lưu trữ năng lượng DC, một máy biến áp kết nối nối với mạng phân phối

Hình 2.2 Cấu trúc và chức năng của D-Statcom

* Các trường hợp nghiên cứu

Để phân tích tính hiệu quả của DVR và D-Statcom về khắc phục SANH, các trường hợp mô phỏng sau xem xét:

- SANH do ngắn mạch gây ra Xét ngắn mạch ba pha tại nút 633 với tổng trở sự cố Zf=0,257+j0,000175(Ω)

- Chọn vị trí DVR và D-Statcom: Xét hai trường hợp đặt một thiết

bị DVR trên nhánh 632-645 hoặc một thiết bị D-Statcom nối song song với nút 632 (Hình 2.10)

* Lưới phân phối mẫu

Hình 2.3 Lưới phân phối mô phỏng có DVR hoặc D-Statcom 2.4.2 Mô phỏng và kết quả mô phỏng

Từ kết quả cho thấy các trường hợp lưới có DVR, SANH tại nút 633 (vị trí ngắn mạch) gần như không được cải thiện (Hình 2.14a) Tuy nhiên,

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

là phụ tải phía sau DVR được bảo vệ tốt Các nút khác không được bảo

vệ (hình 2.14b và d)

Hình 2.4 Kết quả mô phỏng lưới IEEE 13 thanh cái với DVR khi ngắn

mạch ba pha đối xứng tại thanh cái 633 Trường hợp lưới có đặt D-Statcom tại nút 632, SANH trong hệ thống sẽ cải thiện hơn, ngay như nút sự cố (nút 633 như Hình 2.15b)

Hình 2.15 Kết quả mô phỏng lưới IEEE 13 thanh cái với D-Statcom khi

ngắn mạch ba pha đối xứng tại thanh cái 633

2.5 Mô phỏng so sánh tác dụng DVR và D-Statcom khắc phục sóng hài Kịch bản đầu tiên, đặt một DVR trên nhánh 632-645 hoặc đặt một D-STATCOM tại nút 632 gần nguồn như Hình 2.10 Kịch bản thứ hai đặt D-Statcom tại nút 692 xa nguồn