Xác định vị trí và dung lượng của TCSC để cực đại phúc lợi xã hội trong thị trường điện

Trong thị trường điện, hệ thống truyền tải luôn giữ một vai trò quan trọng trong việc truyền tải công suất và thường bị điều khiển bằng hoặc thậm chí vượt quá giới hạn nhiệt của chúng để

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HUY KHIÊM

XÁC ÐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LUỢNG CỦA TCSC ÐỂ CỰC ÐẠI PHÚC LỢI XÃ HỘI TRONG THỊ TRUỜNG ÐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN - 60520202

Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2016

S KC 0 0 4 8 8 9

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HUY KHIÊM

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG CỦA TCSC ĐỂ CỰC ĐẠI PHÚC LỢI XÃ HỘI TRONG THỊ TRƯỜNG ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HUY KHIÊM

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DUNG LƯỢNG CỦA TCSC ĐỂ CỰC ĐẠI PHÚC LỢI XÃ HỘI TRONG THỊ TRƯỜNG ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

Hướng dẫn khoa học:

TS DƯƠNG THANH LONG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2016

-i-

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Địa chỉ liên lạc: 15/19A Lê Văn Thọ, Phường 9, Quận Gò Vấp, TP HCM

Điện thoại liên lạc: 0979.959.545

E-mail: khiemnguyenhuy@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2005 đến 06/2012

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM

Ngành học: Kỹ thuật điện

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp ĐH : Thiết kế phần điện và thiết kế chống sét cho nhà máy nhiệt điện

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 06/2012

Người hướng dẫn: TS Trần Hoàng Lĩnh & TS Dương Vũ Văn

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

2012-2014 Công ty TNHH Hoàng Trung Kha,

2014-nay Khoa Công Nghệ Điện, Trường ĐH

-ii-

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 03 năm 2016

Nguyễn Huy Khiêm

-iii-

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy TS Dương Thanh Long,

người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy PGS.TS Trương Việt Anh, trường

trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tận tình nhận xét và đóng góp nhằm hoàn thiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong khoa Điện- Điện Tử

trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, các cán bộ phòng Đào Tạo đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập và trong quá

trình hoàn thành quyển luận văn này

Tôi xin cảm ơn các bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình đã luôn ở bên tôi và động

viên tôi rất nhiều để tôi hoàn thành khóa học này

Nguyễn Huy Khiêm

-iv-

TÓM TẮT

Trong thị trường điện cạnh tranh, nghẽn mạch là nguyên nhân chính làm giảm phúc lợi xã hội Vì vậy, quản lý nghẽn mạch, cực đại phúc lợi xã hội là một trong những thách thức kỹ thuật cho người vận hành hệ thống Nghẽn mạch có thể được loại bỏ bằng cách nâng cao khả năng truyền tải của lưới điện TCSC là một trong những thiết bị hiệu quả trong việc điều khiển trực tiếp dòng công suất,

có thể giúp lưới điện hiện hữu cải thiện đáng kể khả năng truyền tải Trong đó vị trí hợp lý của TCSC giữ vai trò quyết định đến hiệu quả vận hành của hệ thống Luận văn này đã áp dụng phương pháp mặt cắt tối thiểu để xác định vị trí hợp lý của TCSC Kết quả mô phỏng trên hệ thống IEEE 6 nút và 14 nút đã cho thấy, phương pháp đề nghị có khả năng tìm ra vị trí tốt nhất của TCSC để loại bỏ nghẽn mạch và cực đại phúc lợi xã hội

-v-

ABSTRACT

In a competitive electricity market, Congestion leads to decreasing Social Welfare Hence, Congestion management, Social Welfare Maximization is one of the technical challenges for Independent System Operator (ISO) The congestion can be eliminated /alleviated by improving transfer capability of the network Thyristor controlled series compensators (TCSC), with its ability to directly control the power flow can be very effective to improve the operation of transmission network In which, proper location of TCSC plays key role for enhancement of system performance This thesis applied min cut algorithm to determine proper location of TCSC Result simulation on IEEE 6-bus and IEEE 14-bus system show that the proposed method is capable of finding the best location for TCSC installation to eliminate congestion and maximum Social Welfare

-vi-

MỤC LỤC

Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài

Phiếu nhận xét luận văn Thạc sĩ của Giảng viên hướng dẫn

Phiếu nhận xét luận văn Thạc sĩ của Giảng viên phản biện

Biên bản chấm luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT iv

ABSTRACT v

MỤC LỤC vi

DANH SÁCH CÁC HÌNH ix

DANH SÁCH CÁC BẢNG x

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT xi

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1

1.1 Tổng quan: 1

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ 3

1.3 Các phương pháp nghiên cứu: 4

1.3.1 Phương pháp tối ưu cổ điển: 4

1.3.2 Phương pháp dựa trên các tiêu chí kỹ thuật: 5

1.3.3 Kỹ thuật tính toán tiến hóa: 7

1.4 Phương pháp giải quyết 8

1.5 Giới hạn đề tài 8

1.6 Điểm mới của luận văn 8

1.7 Phạm vi ứng dụng 8

-vii-

1.8 Bố cục của luận văn 9

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THỊ TRƯỜNG ĐIỆN 10

2.1.Giới thiệu 10

2.2 Các mô hình thị trường điện 14

2.2.1 Mô hình thị trường điện thế giới 14

2.2.2 Mô hình thị trường điện Việt Nam 16

2.3 Những vấn đề về truyền tải điện trong thị trường điện 17

2.4 Nghẽn mạch truyền tải trong thị trường điện 20

2.4.1 Khái quát về nghẽn mạch: 20

2.4.2 Xác định nghẽn mạch 21

2.4.3 Ảnh hưởng của nghẽn mạch 21

2.4.4 Quản lý nghẽn mạch trong thị trường điện 22

2.5 Tổng quan thiết bị FACTS 25

2.5.1 Phân loại thiết bị FACTS 27

2.6 TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) 30

2.6.1 Cấu tạo và nguyên lý của TCSC: 30

2.6.2 Bảo vệ TCSC 32

2.6.3 Mô hình điều khiển của TCSC 33

2.6.4 Mô hình Tĩnh của TCSC 34

CHƯƠNG 3: TỐI ƯU HÓA LẮP ĐẶT TCSC ĐỂ CỰC ĐẠI PHÚC LỢI XÃ HỘI 36

3.1 Giới thiệu 36

3.2 Lợi nhuận xã hội 37

3.3 Giải quyết vấn đề phân bố công suất tối ưu 44

3.4 Phúc lợi xã hội của các thành viên tham gia thị trường 45

3.5 Tối ưu hóa vị trí của TCSC 47

3.5.1 Giải thuật mặt cắt tối thiểu 48

3.5.2 Mô hình hóa mạng điện sử dụng giải thuật mặt cắt tối thiểu 48

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 54

4.1 Mô phỏng hệ thống điện IEEE 6 nút 54

-viii-

4.2 Mô phỏng hệ thống điện IEEE 14 nút 61

4.2.1 Vận hành hệ thống không có TCSC 64

4.2.2 Vận hành hệ thống có TCSC: 66

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 72

5.1 Những kết quả đã đạt được trong luận văn: 72

5.2 Hướng phát triển đề tài 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

PHỤ LỤC 75

-ix-

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Mô hình công ty điện lực độc quyền liên kết dọc truyền thống 11

Hình 2.2 Mô hình cấu trúc thị trường điện 12

Hình 2.3 Các cấp độ phát triển thị trường điện Việt Nam 17

Hình 2.4 Mô hình thị trường điện tập trung 20

Hình 2.4.1 Hệ thống 2 nút không ràng buộc 24

Hình 2.4.2 Hệ thống 2 nút bị ràng buộc 24

Hình 2.5 Ứng dụng của FACTS -bù song song (sơ đồ mạch) 29

Hình 2.6: Sơ đồ cấu tạo của TCSC 31

Hình 2.6.1: Mô hình hóa đường dây truyền tải có TCSC 35

Hình 3.1 Thặng dư sản xuất 38

Hình 3.2 Thặng dư tiêu thụ 39

Hình 3.3 Phúc lợi xã hội 40

Hình 3.4 Thặng dư tiêu thụ và khách hàng trong trường hợp không có ràng buộc 41

Hình 3.5 Thặng dư tiêu thụ và khách hàng trong trường hợp 42

Hình 3.6 Các Thặng dư trong trường hợp có ràng buộc có TCSC 43

Hình 3.7 Mạng điện 5 nút 49

Hình 3.8 Mô hình hóa tương đương 49

Hình 3.9 Mô hình hóa tương đương s-1-4-t 50

Hình 3.10 Mô hình hóa tương đương s-2-4-t 50

Hình 3.11 Mô hình hóa tương đương s-2-5-t 50

Hình 3.12 Mô hình hóa tương đương s-3-5-t 50

Hình 3.13 Mặt cắt tối thiểu 51

Hình 3.14 Lưu đồ xác định mặt cắt tối thiểu 52

Hình 3.15 Lưu đồ xác định vị trí TCSC để cực đại lợi nhuận xã hội 53

Hình 4.1: Hệ thống IEEE 6 nút 54

Hình 4.2 Đồ thị công suất biểu kiến 59

Hình 4.3 Đồ thị giá nút của hệ thống IEEE 6 nút 59

Hình 4.4: Sơ đồ lưới điện IEEE 14 nút 61

-x-

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Thông số máy phát 55

Bảng 4.2: Thông số phụ tải 55

Bảng 4.3: Hàm chi phí máy phát 55

Bảng 4.4: Hàm lợi nhuận tiêu thụ 55

Bảng 4.5 Thông số đường dây 56

Bảng 4.6: Kết quả mô phỏng của hệ thống IEEE 6 nút 57

Bảng 4.7: Dòng công suất nhánh của hệ thống IEEE 6 nút khi có và không có TCSC 58 Bảng 4.8: Lợi nhuận cung cấp và lợi nhuận khách hàng khi có và không có TCSC 60

Bảng 4.9: Mặt cắt tối thiểu của hệ thống IEEE 6-nút 60

Bảng 4.10 Thông số đường dây 62

Bảng 4.11: Thông số phụ tải 63

Bảng 4.12: Thông số máy phát 63

Bảng 4.13: Vận hành hệ thống không có TCSC 64

Bảng 4.14 Dòng công suất nhánh của hệ thống IEEE 14 nút 65

Bảng 4.15 Mặt cắt tối thiểu của hệ thống IEEE 14-nút 66

Bảng 4.16: Vận hành hệ thống có TCSC 68

Bảng 4.17: công suất máy phát ứng với mức độ bù khác nhau của TCSC 69

Bảng 4.18: Nhu cầu tiêu thụ ứng với các mức độ bù khác nhau của TCSC 69

Bảng 4.19: Tác động của TCSC ở các cấp độ bù khác nhau khi TCSC lắp đặt tại đường dây 12 (6-12) 70

Bảng 4.20: Kết quả OPF có và không có TCSC 70

Bảng 4.21: Tác động của TCSC ở các cấp độ bù khác nhau khi TCSC lắp đặt tại đường dây 11 (6-11) 70

-xi-

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AC: Dòng điện xoay chiều

DC: Dòng điện một chiều

EVN: Tổng công ty điện lực Việt Nam

IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers: Viện các kỹ sư điện và điện tử FACTS: Flexible Alternating Current Transmission System, hệ thống truyền tải điện xoay chiều linh hoạt

TCSC: Thyristor Controlled Series Capacitor, bộ bù nối tiếp điều khiển bằng thyristor PoolCo: Thị trường điện tập trung

LMP: Locational Marginal Price: Giá biên nút

GenCos: Công ty phát điện

ResCos: Retail Sale Company: Công ty bán lẻ

DisCos: Distribution Company: Công ty phân phối điện

MCP: Giá minh bạch thị trường

OPF: Optimal Power Flow, Dòng công suấtTối ưu

ISO: Đơn vị điều hành hệ thống điện độc lập

SVC: Bộ bù công suất phản kháng tĩnh

MILP: Lập trình tuyến tính hỗn hợp

MINLP: Lập trình phi tuyến tính hỗn hợp

TTC: Total Tranfer Capability, Tổng khả năng truyền tải

cơ chế mở đã đem lại hiệu quả rõ rệt ở các nước và cho thấy những ưu điểm vượt trội hơn hẳn hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc truyền thống

Ở Việt Nam, lộ trình cho việc áp dụng thị trường điện đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Hiện nay, đang áp dụng những bước thí điểm và sau đó tiến tới xây dựng một thị trường điện cạnh tranh hoàn hảo Việc xuất hiện thị trường điện sẽ mang lại nhiều phúc lợi xã hội, khách hàng có quyền lựa chọn nhà cung cấp điện và có thể mua điện từ các nhà máy có giá bán thấp theo yêu cầu của mình Tuy nhiên, cùng với những lợi ích mang lại từ thị trường điện thì nó cũng tạo ra nhiều thách thức cho người vận hành hệ thống để đảm bảo an ninh vận hành trong thị trường điện

Trong thị trường điện, hệ thống truyền tải luôn giữ một vai trò quan trọng trong việc truyền tải công suất và thường bị điều khiển bằng hoặc thậm chí vượt quá giới hạn nhiệt của chúng để đáp ứng sự gia tăng nhu cầu tiêu thụ điện năng

và các giao dịch do sự gia tăng công suất không có trong kế hoạch Nếu sự thay đổi không được kiểm soát, một số đường dây có thể trở nên quá tải (nghẽn mạch) Nghẽn mạch làm cho giá điện khác nhau đáng kể giữa các vùng xung quanh sự nghẽn mạch này Điều này là nguyên nhân chính làm méo dạng thị trường và giảm phúc lợi xã hội Mục tiêu chính của thị trường điện là nâng cao phúc lợi xã hội Vì vậy, để đáp ứng nhu cầu phụ tải và thị trường điện, và để loại trừ nghẽn mạch, cực đại phúc lợi xã hội, cần phải xây dựng mới các đường dây truyền tải Nhưng việc này thường sẽ gặp nhiều khó khăn và xem như là khó có khả năng

-2-

thực hiện Hơn nữa việc điều tiết chính sách nhà nước và môi trường làm tăng thêm khó khăn trong việc nâng cấp mạng điện Do đó, việc nghiên cứu nâng cao khả năng truyền tải của lưới điện hiện có để duy trì phân bố công suất giữa nguồn

và phụ tải mà không làm ảnh hưởng đến các đường dây truyền tải khác hoặc đến khách hàng tiêu thụ điện trong hệ thống đã trở thành một vấn đề quan trọng đối với các hệ thống độc lập điều hành ISO trong thị trường điện mới hiện nay

Có rất nhiều công trình nghiên cứu về vận hành tối ưu hệ thống điện Một trong các bài toán đặt ra là phân bố luồng công suất tối ưu, còn được biết đến như phương pháp điều khiển dòng công suất trên lưới điện truyền tải nhằm: hạn chế quá tải trên đường dây ở thời điểm hiện tại cũng như khi mở rộng phụ tải trong tương lai Có nhiều phương pháp để giải quyết bài toán quá tải như: Điều chỉnh công suất phát của nhà máy, xây dựng các đường dây song song sử dụng các thiết bị bù công suất phản kháng tại chỗ…

Hiện nay Các thiết bị FACTS (Flexible Alternating Current Transmission System) được sử dụng để điều khiển điện áp truyền tải, phân bố công suất, giảm tổn thất phản kháng, và làm giảm dao động công suất hệ thống cho các mức truyền tải công suất cao, đặc biệt là tăng khả năng truyền tải công suất Vì vậy, lắp đặt các bộ điều khiển FACTS nhằm điều khiển tốt hơn trong hệ thống điện cần phải được xem xét, trong đó việc lắp đặt thích hợp các thiết bị FACTS trở thành quan trọng Nếu lắp đặt không thích hợp các bộ điều khiển FACTS làm giảm đặc tính tối ưu thu được và có thể làm mất đi tính hữu ích

Từ những khó khăn trong quản lý, vận hành hệ thống điện và tính năng của FACTS thì việc sử dụng hiệu quả thiết bị FACTS trên đường dây truyền tải là rất cần thiết Trong đó việc xác định vị trí tối ưu của thiết bị FACTS nhằm nâng cao khả năng truyền tải công suất trên đường dây giữ một vai trò rất quan trọng trong hệ thống điện hiện nay

Những lợi ích của các thiết bị FACTS đã được ghi nhận và sử dụng rộng rãi bởi các hệ thống điện trên Thế giới Tuy nhiên, thách thức hiện nay là làm thể nào

-3-

để sử dụng có hiệu quả từ các thiết bị này Để giài quyết vấn đề này cần phải giải quyết các câu hỏi sau:

 Loại thiết bị FACTS nào cần được lắp đặt ?

 Số lượng thiết bị FACTS cần lắp đặt?

Từ những phân tích trên, việc nghiên cứu đề tài “ Xác định vị trí và dung

lượng của TCSC để cực đại phúc lợi xã hội trong thị trường điện” là nhu cầu

cấp thiết và cũng phù hợp với tình hình thực tế và việc phát triển ngành điện tại Việt Nam Một thuật toán mặt cắt tối thiểu được áp dụng trong luận văn này để xác định vị trí thích hợp của TCSC Phương pháp đề xuất có thể xác định vị trí nghẽn mạch của hệ thống, từ đó giúp cho ISO có thể đưa ra nhiều giải pháp giúp hệ thống vận hành một cách an toàn và hiệu quả hơn Sử dụng phương pháp này có thể làm giảm không gian tìm kiếm, số lượng nhánh cần được xem xét để xác định vị trí của FACTS được giảm đáng kể

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ

- Phân tích cực đại phúc lợi xã hội trong thị trường điện

- Trình bày nguyên lý hoạt động của thiết bị TCSC

- Ứng dụng phần mềm Matpower tính giá nút và xác định phúc lợi xã hội

- Tối ưu hóa lắp đặt TCSC để cực đại phúc lợi xã hội

- Ứng dụng trên lưới điện chuẩn IEEE

-4-

1.3 Các phương pháp nghiên cứu:

Các mô hình và các ứng dụng của các thiết bị FACTS trong vận hành hệ thống điện đã được phân tích trong những năm gần đây [12], [18], [20] Trong tài liệu tham khảo [9] Chung và các cộng sự đã đề nghị một mô hình tải tương đương cho TCSC, TCPST và UPFC trong bài toán phân bố công suất tối ưu Varma trong [13] cũng cung cấp một cái nhìn tổng quan về các cấu hình điều khiển và nguyên tắc hoạt động của các loại thiết bị FACTS khác nhau Ứng dụng các thiết bị FACTS trong điều độ kinh tế, các nghiên cứu ứng dụng phân bố công suất tối ưu OPF cũng được nghiên cứu rộng rãi Trong vận hành tái cấu trúc của hệ thống điện, việc nâng cao tổng công suất truyền tải (TTC) của lưới điện, tránh tình trạng tắc nghẽn càng trở nên quan trọng Kể từ khi thiết bị FACTS có nhiều ảnh hưởng đến sự truyền tải điện, nó đã được xem như giải pháp chính trong nỗ lực để giải quyết những khó khăn về sự quản lý truyền tải, nghẽn mạch Hệ thống điện

* Các phương pháp hiện nay để giải quyết vấn đề vị trí FACTS:

Một số phương pháp nghiên cứu lắp đặt các thiết bị FACTS để tối ưu vận hành hệ thống điện đã được đề nghị Nhưng chủ yếu, các công trình nghiên cứu này thường tập trung vào các phương pháp và kỹ thuật sau: phương pháp tối ưu cổ điển, phương pháp dựa trên các tiêu chí kỹ thuật và kỹ thuật tiến hóa

1.3.1 Phương pháp tối ưu cổ điển:

Lý thuyết tối ưu cổ điển thường được áp dụng trong các nghiên cứu lắp đặt các thiết bị FACTS, đó là lập trình tuyến tính hỗn hợp (MILP) và lập trình phi tuyến tính hỗn hợp (MINLP) Trong lập trình tuyến tính hỗn hợp, cách tiếp cận dựa trên dòng điện DC cho phép hệ thống điện được xác nhận một cách tuyến tính Hiệu quả của hệ thống được phân tích trong điều kiện trạng thái ổn định có xét đến khả năng mang tải tối đa và tổng khả năng truyền tải (TTC) của hệ thống Phương pháp DC này cũng đã được sử dụng bởi Aygen và Abur trong [9], trong đó tác giả đã sử dụng

DC OPF để tìm ra vị trí tối ưu của thiết bị TCPS Trong một nghiên cứu khác ở tài liệu[12], Kazemi và Sharifi tìm vị trí tối ưu của thiết bị TCPST để tối đa hóa phúc lợi xã hội sử dụng dòng tải DC và lập trình bậc hai

-5-

Cách tiếp cận trong lập trình tuyến tính hỗn hợp MILP chỉ ra rằng quá trình tối ưu hóa được thực hiện một cách hiệu quả Tuy nhiên phương pháp DC này là không thích hợp để thực hiện phân tích tổng thể, do đó mô hình AC nên được xem xét và vấn đề lúc này là nghiên cứu trong phương trình phi tuyến tính hỗn hợp (MINLP)

Đối với việc xây dựng dựa trên MINLP, phân bố tối ưu các thiết bị FACTS được xác định làm tiêu chí chính, cùng với giá điện tại các thị trường mở, điều độ kinh tế tối ưu, tổn thất truyền tải và nâng cao an ninh Hệ Thống Điện Đặc biệt trong trường hợp xét đến an ninh, vấn đề càng phức tạp hơn khi một số trạng thái được xác định để mô tả hoạt động của hệ thống điện (bình thường, sụp đổ, sửa chữa, và phòng ngừa) Hơn nữa, tính khả thi của vấn đề phải được đảm bảo bằng cách xem xét cắt bớt tải như là một giải pháp cuối cùng để tránh sự sụp đổ điện áp

hệ thống

Trong các nghiên cứu, thuật toán sử dụng để giải quyết các vấn đề tối ưu hóa

là phân tích Benders, bao gồm tách các vấn đề chính thành nhiều vấn đề phụ đơn giản hơn để giải quyết Tuy nhiên, trong trường hợp xét đến an ninh Hệ Thống Điện, sự phức tạp của vấn đề đòi hỏi quá trình tối ưu hóa cần sự hỗ trợ bởi GA [17] Các kết luận chính về việc xây dựng phương trình phi tuyến tính hỗn hợp chỉ ra rằng không phụ thuộc vào kích thước và không lồi của vấn đề, mà phụ thuộc vào các thông số hệ thống, là những vấn đề quan trọng có thể gây ra một sự hội tụ trong các thuật toán

1.3.2 Phương pháp dựa trên các tiêu chí kỹ thuật:

Một nhóm các phương pháp đã được sử dụng để giải quyết việc lắp đặt các thiết bị FACTS dựa trên các tiêu chí kỹ thuật thuần túy, đặc biệt, phân tích độ nhạy trong các bài toán nâng cao hiệu quả ổn định tỉnh và phân tích phương thức (modal)

cho các bài toán ổn định động hệ thống điện

- Phân tích độ nhạy:

Phân tích độ nhạy là một thuật ngữ được sử dụng rộng rãi để mô tả quá trình phân tích dựa trên đánh giá sự thay đổi tỉ số của một nhóm biến trong một hệ thống

-6-

đối với các nhóm biến khác Có rất nhiều cách khác nhau để thực hiện các phân tích, phụ thuộc vào các biến được lựa chọn và phương pháp sử dụng để tính toán độ nhạy Một mặt, từ quan điểm của lý thuyết tối ưu cổ điển, độ nhạy có thể được tính toán bằng cách sử dụng phương pháp nhân tử Lagrange [20], trong đó cung cấp sự thay đổi tỉ số về số lượng được tối ưu hóa như là một hàm của biến cụ thể Mặt khác, mức độ khác nhau của sự thay đổi có thể tùy thuộc vào ứng dụng Vì vậy có nhiều chỉ số hiệu quả có thể được định nghĩa như các chỉ số hiệu quả Ví dụ, chỉ số này xem xét các đạo hàm của các phương trình công suất đối với các trạng thái tĩnh của các thiết bị FACTS Nghiên cứu của Singh và David [9] xem xét chi phí TCSC

và TCPST cùng với các chi phí sản xuất trong hàm mục tiêu và giải quyết các vấn

đề tối ưu hóa bằng phương pháp độ nhạy; dựa trên đó, đầu tiên độ nhạy mỗi đường dây được đánh giá thông qua điều độ tối ưu bỏ qua giới hạn đường dây và các thiết

bị FACTS Sau đó mới tính đến các yếu tố tính toán cho các thiết bị FACTS đặt trong mỗi nhánh một khoảng một thời gian và cuối cùng tối ưu được giải quyết để chọn vị trí và thông số cài đặt cho vấn đề đặt ra Và chỉ số đó chỉ xét trong trường hợp đơn sự cố Chỉ số này cũng đã xem xét các tỷ lệ phần trăm của tình trạng quá tải tại các nhánh của hệ thống có xét đến các dự phòng khác nhau có thể xảy ra cho từng nhánh Các nghiên cứu khác cũng đưa ra một phương pháp hai bước; bước đầu tiên là xác định vị trí tối ưu của TCSC và TCPST; bước tiếp theo, dung lượng cài đặt của các thiết thiết bị sẽ được tối ưu hóa Phương pháp này dựa trên độ nhạy của các mục tiêu: sự tổn thất trên đường dây truyền tải, tổng số tổn thất công suất tác dụng

Đối với sự ổn định quá độ, một phân tích độ nhạy dựa trên tiêu chí thời gian giải trừ sự cố (CCT) được đề xuất để tối ưu lắp đặt TCSC trong hệ thống 10 nút [10] Các thiết bị FACTS được lắp đặt tại những đường dây mà có thể cải thiện CCT là lớn nhất Tất cả các chỉ số định nghĩa ở trên, ngoại trừ các nhân tử Lagrange, phù hợp cho phương pháp để đánh giá tác động của các thiết bị FACTS trong hệ thống Tuy nhiên, cần phải tìm vị trí tốt nhất cho từng thiết bị ở mỗi trường hợp mới đánh giá đầy đủ tính năng hiệu quả của các thiết đó Do đó, cơ sở của

-7-

phương pháp phân tích độ nhạy này là thiếu trong việc xây dựng và thực hiện một quá trình tìm kiếm thích hợp nhằm giảm thời gian, không gian tìm kiếm Ngoài ra, các phương pháp đánh giá chỉ số độ nhạy một cách độc lập cho mỗi thiết bị FACTS không thể đánh giá các ảnh hưởng kết hợp của một số các thiết bị được cài đặt trong

hệ thống

- Phân tích phương thức:

Phân tích phương thức là phương pháp kỹ thuật thường được sử dụng để lắp đặt các thiết bị FACTS khi các điều kiện quá độ và ổn định hệ thống điện được xem xét Do phương pháp phân tích phương thức naybao gồm tính toán các giá trị riêng

và vectơ riêng Phương pháp này là không thích hợp cho các hệ thống điện lớn Việc mở rộng phương pháp Phillips-Heffron [12], có thể xử lý các hệ thống điện lớn hơn bằng cách giảm thứ tự các ma trận đến một số không lớn hơn số lượng các máy phát có trong hệ thống Tuy nhiên phương pháp này được sử dụng đối với hệ thống điện rất nhỏ gồm 5 nút và 3 máy phát Nhìn chung, các phương pháp phân tích phương thức cung cấp tính khả thi về kỹ thuật nhưng lại không đảm bảo về tính tối ưu của các giải pháp Hơn nữa, có một sự khác biệt khi cả hai trạng thái ổn định

và phân tích quá độ làm cho phương pháp không thích hợp để tối ưu hóa đa mục tiêu

1.3.3 Kỹ thuật tính toán tiến hóa:

Nhóm phương pháp này giải quyết vấn đề tối ưu phân bổ các thiết bị FACTS dựa trên các kỹ thuật tính toán tiến hóa như GA, PSO, SA, TS và EP [9-15] Trong trường hợp này, mục tiêu chính là để tìm ra sự tối ưu, số lượng, kích thước, và vị trí cho các thiết bị FACTS trong hệ thống Để đạt được mục tiêu này, một số tiêu chí được coi như khả năng truyền tải, cực tiểu chi phí lắp đặt, cực tiểu tổn thất truyền tải, cải thiện lợi nhuận, và tối đa hóa tổng khả năng truyền tải TTC Một số nghiên cứu bao gồm phân tích dự phòng N-1 và điều độ máy phát trong thị trường điện Nghiên cứu này chủ yếu giới hạn trong điều kiện trạng thái hệ thống điện ổn định; chỉ hai trường hợp có xét phân tích trạng thái động của hệ thống điện Một trong những trường hợp này là nghiên cứu phân tích quá độ không xét lắp đặt các thiết bị

-8-

FACTS nhưng để xác định các thiết lập điều khiển tối ưu cho sự ổn định hệ thống điện (PSS) Các nghiên cứu khác sử dụng phân tích tín hiệu nhỏ để xác định vị trí tối ưu và các loại thiết bị FACTS Hàm mục tiêu được xây dựng dựa trên 3 hệ số:

hệ số vượt lố, tỷ số dao động, và một hàm phạt cho những giá trị riêng không ổn định

Một số kỹ thuật tính toán tiến hóa và các phương pháp lai hỗn hợp khác có thể được sử dụng để giải quyết các vấn đề tối ưu hệ thống điện nhưng kết quả phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của vấn đề và các thuật toán Nói chung các kỹ thuật tính toán tiến hóa thực hiện tốt trong việc giải quyết các vấn đề phi tuyến tính Tuy nhiên, khả năng mở rộng của các phương pháp cũng như các ứng dụng của nó để phân tích sự quá độ và ổn định cần phải làm rõ thêm

1.4 Phương pháp giải quyết

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

- Giải tích và mô phỏng toán học

- Sử dụng phần Matlab, phần mềm Matpower

1.5 Giới hạn đề tài

- Mô phỏng trên hệ thống IEEE 6 bus và IEEE 14 bus

- Sử dụng phần mềm Matlab, phần mềm Matpower

1.6 Điểm mới của luận văn

- Xây dựng thuật toán xác định vị trí và dung lượng của TCSC để cực đại phúc lợi xã hội

1.7 Phạm vi ứng dụng

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

- Ứng dụng cho các lưới điện IEEE mẫu

- Làm tài liệu tham khảo khi vận hành lưới điện với thiết bị FACTS

- Làm tài liệu tham khảo cho bài giảng môn học hệ thống điện

-9-

1.8 Bố cục của luận văn

- Chương 1: Giới thiệu luận văn

- Chương 2: Tổng quan về thị trường điện, nghẽn mạch truyền tải và FACTS

- Chương 3: Tối ưu hóa lắp đặt TCSC để cực đại phúc lợi xã hội

- Chương 4: Kết quả mô phỏng

- Chương 5: Kết luận

-10-

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THỊ TRƯỜNG ĐIỆN,

NGHẼN MẠCH TRUYỀN TẢI VÀ FACTS

2.1 Giới thiệu

Theo truyền thống, các hoạt động của hệ thống điện chịu sự chi phối bởi công ty Điện lực Quốc gia Công ty này độc quyền chiếm lĩnh toàn bộ lĩnh vực sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng Cấu trúc hoạt động đó được xem như là mô hình hệ thống điện độc quyền cơ cấu theo chiều dọc Mô hình hoạt động độc quyền này đã không tạo ra được tính cạnh tranh bình đẳng giữa các doanh nghiệp và làm giảm hiệu quả kinh tế Để loại bỏ những mặt hạn chế của thị trường độc quyền, nhiều quốc gia buộc phải sắp xếp lại ngành điện của họ để nâng cao hiệu quả kinh tế trong vận hành hệ thống điện Mục tiêu của việc thay đổi cách thức vận hành, nghĩa là điều tiết lại để nâng cao tính cạnh tranh và mang đến cho người tiêu thụ những lựa chọn mới và lợi ích kinh tế Dưới môi trường điều tiết, cơ cấu tổ chức ngành dọc trước đó mà điều hành tất cả các chức năng bao gồm phát điện, truyền tải, phân phối và bán lẻ bị tách ra thành các công ty riêng biệt phục vụ cho mỗi chức năng

Mặc dù quá trình cải tổ cơ cấu tổ chức và thiết lập cạnh tranh trong ngành công nghiệp điện ở một số nước trên thế giới đã thực hiện được nhiều năm và còn nhiều nước khác đang và sẽ tiếp tục triển khai, nhưng cho đến nay chưa có một mô hình thống nhất cho thị trường điện ở tất cả các quốc gia Tuy vậy, Những cải cách ngành công nghiệp điện trên toàn thế giới được xem như là một điều kiện cần thiết

để tăng tính hiệu quả sản xuất năng lượng điện, truyền tải, phân phối và cung cấp một mức giá hợp lý hơn, chất lượng cao hơn và sản phẩm an toàn hơn cho khách hàng Ngoài ra, việc quản lý tắc nghẽn để giảm thiểu những hạn chế của việc truyền tải điện trong thị trường điện độc quyền đã trở thành một yêu cầu của hệ thống điều hành độc lập

Công nghiệp điện giờ đây đã phát triển thành ngành công nghiệp cung cấp và cạnh tranh Thị trường đóng vai trò quyết định giá cả, giảm chi phí cơ bản để tăng

-11-

tính cạnh tranh Việc tái thiết thực sự trở nên cần thiết để phân tách ba thành phần quan trọng của công nghiệp điện bao gồm: sản xuất, truyền tải và phân phối Do đó, việc tách rời truyền tải được coi là ứng dụng phù hợp nhất đáp ứng được biểu giá quy định và huy động tối đa các nguồn lực cho phát triển lưới điện

Hình 2.1 Mô hình công ty điện lực độc quyền liên kết dọc truyền thống

-12-

Hình 2.2 Mô hình cấu trúc thị trường điện

Việc tái cơ cấu của thị trường điện đã làm thay đổi vai trò của các tổ chức truyền thống của hệ thống điện điện độc quyền theo chiều dọc trước đây và tạo ra các thực thể mới có thể hoạt động độc lập trong thị trường điện Các thực thể đó bao gồm

 Các thành phần tham gia vào thị trường điện

 Hệ thống điều hành độc lập ISO

- Các thành phần tham gia vào thị trường điện:

 Các công ty sản xuất điện (GENCOs): Các GENCO có chức năng vận hành

và bảo dưỡng các nhà máy điện; phát điện và có cơ hội để bán điện cho các đối tượng mà họ đã thương lượng hợp đồng giao dịch GENCOs sở hữu một hoặc nhiều nhà máy điện với mục tiêu duy nhất sản xuất năng lượng điện để bán và dự trữ điện

-13-

 Các công ty truyền tải điện (TRANSCOs): Mỗi công ty sở hữu một phần lưới điện cao áp Các công ty này truyền tải điện từ các GENCO đến các công ty phân phối điện địa phương hoặc nhà bán lẻ để cung cấp điện cho khách hàng Mỗi TRANSCO có vai trò xây dựng, sở hữu, duy trì và vận hành hệ thống truyền tải ở một khu vực địa lý để cung cấp dịch vụ và bảo trì

hệ thống điện tại khu vực đó

 Các công ty phân phối (DISCOs): thông qua cơ sở, truyền tải điện cho các khách hàng trong một khu vực địa lý nhất định Mua điện thông qua các thị trường tại chỗ hoặc thông qua hợp đồng trực tiếp với GENCOs và cung cấp điện trực tiếp đến khách hàng Một DISCO xây dựng và duy trì phân phối đường dây kết nối lưới điện truyền tải đến khách hàng sử dụng cuối cùng và

có trách nhiệm vận hành và duy trì hệ thống ổn định của khách hàng khu vực đó

 Đơn vị vận hành hệ thống điện ISO: Một thị trường cạnh tranh đòi hỏi một hoạt động độc lập và kiểm soát của lưới điện Vì lý do này, hầu hết các thị trường điện đã thành lập một tổ chức hệ thống điều hành độc lập ISO có nhiệm vụ đảm bảo độ tin cậy, an toàn và hoạt động hiệu quả của một hệ thống điện Đồng thời quản lý, duy trì an ninh hệ thống, lập kế hoạch bảo trì, và có một vai trò trong việc phối hợp lập kế hoạch dài hạn Nó là một cơ quan độc lập và không tham gia giao dịch điện Có 2 cấu trúc của ISO là Min ISO và Max ISO Min ISO chủ yếu quan tâm đến việc duy trì an ninh truyền tải điện và không có vai trò trong việc điều hành thị trường Max ISO

là một tổ chức độc lập phi chính phủ và phi lợi nhuận có vai trò đảm bảo một thị trường cạnh tranh công bằng và có các chức năng như quyết định và niêm yết giá thị trường

 Đơn vị điều hành thị trường điện (MO): MO dự báo phụ tải, lập kế hoạch phát điện, lập kế hoạch dịch vụ phụ sao cho đạt chi phí nhỏ nhất đồng thời đảm bảo an toàn cung cấp điện theo yêu cầu của SO trong thời gian thực

-14-

 Khách hàng: là người trực tiếp sử dụng điện Mua điện từ các công ty điện Trong thị trường điện, khách hàng không phải bắt buộc mua điện từ các công ty điện địa phương của họ và có nhiều lựa chọn mua điện, có thể chọn mua điện từ các thị trường giao ngay bằng cách đấu giá để mua hoặc thông qua hợp đồng trực tiếp với GENCOs hoặc thậm chí từ các công ty phân phối địa phương với giá trị tốt nhất

 Môi giới: tạo điều kiện thuận lợi cho giao dịch giữa người mua và người bán, có thể hoạt động như là một đại lý của GENCOs và DISCOs

Trong thị trường điện, sẽ có sự xuất hiện kinh doanh cạnh tranh Thị trường điện là một cơ chế tập trung tạo điều kiện kinh doanh giữa người bán và người mua ISO sẽ giữ vai trò điều phối Trong mô hình Min ISO, SO chấp nhận các yêu cầu và

hệ số đấu thầu (giá và số lượng) từ các bên tham gia thị trường và xác định các MCP mà tại đó điện được mua và bán Trong mô hình ISO, các thành phần tham gia thị trường phải gửi nhiều thông tin như yêu cầu trong các ngành công nghiệp quy định, từ đó ISO thực hiện theo các quy định an ninh hệ thống, điều độ kinh tế để tối

đa hóa phúc lợi xã hội

2.2 Các mô hình thị trường điện

2.2.1 Mô hình thị trường điện thế giới

Ở các nước Tây Âu, Mỹ và các nước khác, với nền kinh tế thị trường, không thể tránh khỏi việc tổ chức thị trường trong ngành điện Vào cuối thế kỷ XX, thị trường điện được phân chia thành 4 mô hình cơ bản và được các nước sử dụng dưới dạng này hoặc dạng khác: Mô hình 1: độc quyền điều tiết tự nhiên (không có cạnh tranh); Mô hình 2: hãng mua điện độc quyền; Mô hình 3: cạnh tranh trên thị trường bán buôn và Mô hình 4: thị trường cạnh tranh cả bán buôn và bán lẻ

Đối với mô hình 1, Độc quyền điều tiết (không có cạnh tranh): những công ty

độc quyền tự nhiên phân cấp theo ngành dọc, chiếm lĩnh toàn bộ lĩnh vực sản xuất, truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng Nhà nước điều khiển những công ty này

để họ không lợi dụng được thế độc quyền của mình Sự phát triển của hệ thống điện

-15-

(HTĐ) được đảm bảo nhờ việc đưa thành phần vốn đầu tư vào giá đối với hộ tiêu thụ Giá điện được xác lập theo mức chi phí sản xuất điện trung bình của HTĐ cộng với một thành phần vốn đầu tư mới trong giá thành Mô hình này được áp dụng ở nước ta cho đến cuối thập niên đầu của thế kỷ này

Đối với mô hình 2, Hãng mua điện độc quyền: các nhà sản xuất điện độc lập

về tài chính cạnh tranh với nhau trong việc cung cấp điện năng cho một hãng mua duy nhất Các lĩnh vực còn lại của HTĐ được giữ nguyên cơ cấu phân ngành theo chiều dọc và đối với người tiêu thụ nó được giữ độc quyền như trước Hoạt động của Hãng mua điện (kể cả việc quyết định giá điện mua của nhà sản xuất và bán cho

hộ tiêu thụ) được điều tiết bởi Nhà nước Mô hình này sẽ hiện thực hóa hiệu quả cạnh tranh giữa các nhà sản xuất điện năng Khi có sự điều tiết đúng của nhà nước, giá điện cho các hộ tiêu dùng sẽ thấp hơn so với điều tiết độc quyền Đây chính là

ưu thế cơ bản của mô hình này so với mô hình trên

Đối với mô hình 3, Cạnh tranh trên thị trường bán buôn: lĩnh vực phân phối

và tiêu thụ điện năng được chia theo vùng với sự thành lập một số công ty phân phối - tiêu thụ điện, độc quyền cung cấp điện cho tất cả các hộ tiêu dùng trong lãnh thổ của mình

Thị trường bán buôn điện được tổ chức với một Nhà điều hành hệ thống thương mại, trong đó, các nhà sản xuất và nhà phân phối - tiêu thụ điện cạnh tranh với nhau, và như vậy sẽ chấm dứt tình trạng điều tiết giá bán buôn Đồng thời, cũng thành lập Nhà điều độ hệ thống độc lập thực thi nhiệm vụ điều độ vận hành HTĐ

Mô hình này vận hành khá phức tạp do có hai nhà điều hành hệ thống điện, một nhà điều hành thương mại và một nhà điều độ kỹ thuật hệ thống điện Trong quá trình hoạt động dễ gặp rủi ro gây mất ổn định và độ tin cậy cung cấp điện Hơn nữa việc thêm 1 nhà điều hành hệ thống thương mại sẽ có thể làm tăng thêm giá bán điện

Đối với mô hình 4, Thị trường cạnh tranh cả bán buôn và bán lẻ: lĩnh vực phân phối và tiêu thụ điện năng được chia tách thêm với sự hình thành những công

ty điều tiết lưới phân phối (theo vùng lãnh thổ) và nhiều công ty bán lẻ điện Thị

-16-

trường bán lẻ điện được tổ chức, trong đó các công ty bán lẻ điện (mua điện trên thị trường bán buôn) cạnh tranh với nhau, chấm dứt việc điều tiết giá bán lẻ

2.2.2 Mô hình thị trường điện Việt Nam

Năm 1994, Chính phủ từng bước cải thiện ngành điện bằng cách tách rời chức năng quản lý nhà nước và chức năng quản lý doanh nghiệp Năm 1995, chính phủ quyết định thành lập EVN như là một doanh nghiệp nhà nước quản lý khối nguồn, khối truyền tải, khối phân phối và các dịch vụ phụ trợ Luật điện lực có hiệu lực thi ngành từ ngày 01 tháng 7 năm 2005 Cục điều tiết điện lực được thành lập theo quyết định số 258/2005/qđ-ttg ngày 19/10/2005 Thủ tướng chính phủ vừa phê duyệt lộ trình các điều kiện hình thành và phát triển các cấp độ thị trường điện lực tại việt nam theo quyết định số 26/2006/qđ-ttg ngày 26/01/2006 Lộ trình cải tổ ngành điện nước ta theo ba bước sau:

Bước 1 (2001-2005): chuẩn bị hình thành thị trường điện cạnh tranh

EVN là chủ sở hữu nhà nước chịu trách nhiệm với toàn bộ dây chuyền sản xuất của

hệ thống điện: sản xuất – truyền tải – phân phối Khối sản xuất theo cơ chế hạch toán độc lập nhằm chủ động trong chi phí sản xuất và hạ thấp tổn thất, thi hành cơ chế hạch toán trê cơ sở lợi nhuận, huy động vốn thuận lợi, đa dạng hóa quyền sở hữu vốn đầu tư Khối truyền tải là thành viên thường trực của việc quản lý đối với các dự án nở rộng lưới truyền tải điện Khối phân phối mua điện từ EVN, bán điện cho khách hàng tiêu thụ và chịu trách nhiệm đối với vốn đầu tư trong mạng lưới phân phối Ngoài các công ty phân phối của EVN, sự hình thành các công ty phân phối độc lập theo thể thức cổ phần, tư nhân hoặc liên doanh cũng được khuyến khích

Bước 2 (2006-2014): thị trường phát triển điện cạnh tranh, là giai đoạn đầu tiên đưa cạnh tranh vào khâu phát điện Các công ty phát điện sẽ phải cạnh tranh với nhau để bán điện cho EVN Để tăng mức độ canh tranh, tạo sự lựa chọn cho các công ty phát điện, EVN dự kiến sẽ cho phép các công ty phát điện ngoài EVN được bán điện trực tiếp đến một cụm các khách hàng tiêu thụ điện trên một khu vực địa lí

-17-

hành chính, trên cơ sở EVN sẽ cho các công ty này thuê lưới truyền tải, phân phối

và chỉ phải trả EVN chi phí quản lý, đầu tư lưới truyền tải, phân phối

Bước 3 (sau 2014): sau giai đoạn đầu tiên, thị trường điện Việt Nam tiếp tục triển khai giai đoạn 2 và giai đoạn 3

Giai đoạn 2 (2015-2022): thị trường bán buôn điện cạnh tranh, tạo sự cạnh tranh trong khâu phát và bán buôn điện: các công ty kinh doanh phân phối bán lẻ được quyền lựa chọn mua điện từ bất cứ công ty phát điện nào: tạo động lực đề các công ty phát điện nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh: cho phép các công ty phân phối quyển được kết nối lưới truyền tải và lựa chọn nhà sản xuất

Giai đoạn 3 (sau 2022): thị trường bán lẻ điện cạnh tranh, cho phép cạnh tranh trong tất cả các khâu phát, bán buôn và bán lẻ điện: quyền tự do; kết nối lưới điện được mở rộng từ lưới truyền tải quốc gia đến lưới điện phân phối: tất cả các khách hàng mua điện đều được quyền lựa chọn người bán là các công ty bán lẻ, các công ty bán lẻ lại được quyền lựa chọn mua điện từ các nhà máy điện trong hệ thống điện thông qua thị trường bán buôn điện

Hình 2.3 Các cấp độ phát triển thị trường điện Việt Nam

2.3 Những vấn đề về truyền tải điện trong thị trường điện.

Vận hành hệ thống điện là điều khiển hoạt động của hệ thống điện sao cho điện năng được truyền từ các nguồn điện đến các phụ tải đúng như yêu cầu của họ với các chất lượng phục vụ đạt yêu cầu và với chi phí sản xuất và truyền tải nhỏ

-18-

nhất trong điều kiện hiện có của lưới điện và hệ thống điện Hệ thống điện thông qua hệ thống điều độ giải quyết liên tục các vấn đề sau: Công suất tác dụng nguồn điện phát ra phải lớn hơn công suất yêu cầu của phụ tải; điều chỉnh liên tục công suất tác dụng phát ra của các nguồn điện để cân bằng sự biên thiên liên tục của phụ tải; phải điều chỉnh liên tục điện áp; phải dự phòng công suất tác dụng và phản kháng đủ đáp ứng các trường hợp sự cố nguồn điện; khi sự cố, nguồn điện kể cả dự phòng không đủ đáp ứng phụ tải thì phải sa thải phụ tải để giữ vững hệ thống điện

và khi xảy ra nghẽn mạch cần phải điều chỉnh chế độ phát của các nhà máy điện hoặc sa thải phụ tải nếu cần để giữ vững hệ thống điện

Lưới điện trong thị trường điện: là lưới điện mở cho mọi khách hàng, trong khi HTĐ độc quyền, lưới điện cùng với nhà máy điện và các đơn vị phân phối điện

là một tổng thể duy nhất được điều khiển theo mục tiêu chung của toàn hệ thống Trong thị trường điện, người vận hành (SO) điều khiển vận hành lưới điện có các nhiệm vụ sau: Đảm bảo an toàn cho hệ thống điện; cung cấp các dịch vụ truyền tải điện; tính và công bố chi phí sử dụng lưới điện, phí vận hành; bảo đảm cơ hội sử dụng lưới điện một cách công bằng cho mọi khách hàng, không có sự phân biệt đối

xử nào; mở thị trường thứ cấp đấu thầu quyền truyền tải chắc chắn và thực hiện các biện pháp nâng cao khả năng tải Bên cạnh đó, lưới truyền tải điện làm các dịch vụ cho người sử dụng bao gồm: Dịch vụ chính là tải điện từ điểm này đến điểm khác của lưới điện theo yêu cầu của người bán và người mua

Từ hình 2.2 có thể thấy rằng, khách hàng tiêu thụ thực hiện việc giao dịch của họ thông qua đơn vị bán lẽ hoặc giao dịch trực tiếp với công ty phát điện, phụ thuộc vào mô hình thị trường điện Những đơn vị bán điện khác nhau sẽ phân phối điện năng tới khách hàng của họ (qua đơn vị bán lẽ) trên các đường dây truyền tải

và sự phân phối này được điều hành bởi ISO Nhà sản xuất, công ty truyền tải và phân phối, và đơn vị bán lẽ liên lạc với ISO Phần lớn, khách hàng liên lạc bán lẽ về nhu cầu điện năng Đơn vị bán lẻ hợp đồng với công ty phát điện và mua điện năng

từ họ và chuyển tải điện năng tới khách hàng thông qua đường dây truyền tải và phân phối

-19-

Hiện nay có 2 mô hình thị trường chủ yếu được ưa thích ở các quốc gia khác nhau trên toàn Thế giới Mô hình ISO như đã nói ở trên, còn có mô hình thị trường điện tập trung (PoolCo) được thông qua đầu tiên ở Vương Quốc Anh Các quốc gia khác ở Châu Âu, Úc, New Zealand,… cũng đang thực hiện một trong hai mô hình với một số thay đổi không quan trọng để đáp ứng nhu cầu phụ tải đặc trưng của từng quốc gia

Mô hình thị trường điện tập trung (PoolCo) dựa trên 1 sự dàn xếp tập trung

để thu được tối đa hiệu quả kinh tế thị trường Đặc trưng chính của thị trường điện tập trung là công suất được bán thông qua thị trường chứ không phải mua bán trực tiếp giữa nhà sản xuất và khách hàng tiêu thụ Thị trường được điều hành bởi đơn vị điều hành giao dịch hoặc trực tiếp bởi ISO Nhiệm vụ của người điều hành thị trường là đưa thị trường điện tập trung đến sự tối ưu kinh tế Để đạt được mục tiêu này, người điều hành thị trường chọn lựa giá chào thầu điện năng từ nhà cung cấp cũng như từ khách hàng tiêu thụ Giá chào thầu có liên quan đến khoảng thời gian nào đó, thường là nửa giờ hoặc 1 giờ, chúng được đưa ra để ISO xem xét trước 1 ngày Do đó mô hình thị trường điện tập trung cũng được biết đến như thị trường sớm 1 ngày Khi giá chào thầu được đưa ra, người điều hành thị trường chạy chương trình OPF có xem xét các ràng buộc của lưới điện Mục tiêu của chương trình OPF là cực tiểu tổng chi phí hay cực đại lợi nhuận Xã hội OPF tính toán giá giao ngay tại mỗi nút của lưới điện cũng như số lượng công suất mà mỗi thành phần tham gia thị trường điện đã cung cấp hoặc đã mua Khách hàng và nhà cung cấp được làm hóa đơn giá giao ngay của nút tương ứng với lượng công suất giao dịch

-20-

Hình 2.4 Mô hình thị trường điện tập trung

2.4 Nghẽn mạch truyền tải trong thị trường điện

2.4.1 Khái quát về nghẽn mạch:

Nghẽn mạch là tên gọi hiện tượng quá tải, quá áp và giới hạn ổn định bị vượt qua Trong cấu trúc liên kết dọc, tất cả các khâu phát điện, truyền tải và phân phối ở trong phạm vi hệ thống quản lý năng lượng tập trung Việc phát hiện được huy động công suất nhằm mục tiêu vận hành chi phí tối thiểu hệ thống Trong hệ thống này, quản lý nghẽn mạch thường được quan tâm bằng cách xác định giải pháp điều độ tối ưu, sử dụng OPF hoặc vấn đề điều độ kinh

tế với ràng buộc an toàn Mô hình phát điện được xác định như vậy không làm quá tải đường dây Tuy nhiên, việc này không đơn giản trong thị trường điện Giả sử trong thị trường điện, mỗi nhà tiêu thụ ở phía Nam muốn mua điện giá

-21-

rẻ từ nhà máy thủy điện ở phía Bắc, các nhà cung cấp ở phía Bắc cũng muốn bán điện cho các nhà tiêu thụ ở phía Nam Nếu có nhiều kiểu mua bán như vậy sẽ dẫn đến quá tải đường dây

2.4.2 Xác định nghẽn mạch

Bất kể khi nào, ràng buộc vật lý hoặc ràng buộc vận hành trong lưới truyền tải bị vi phạm hệ thống được coi là đang ở trạng thái nghẽn mạch Các giới hạn trong vấn đề nghẽn mạch là giới hạn nhiệt của đường dây, mức cảnh báo của máy biến áp, giới hạn điện áp nút, ổn định quá độ hoặc ổn định giao động Các giới hạn này ràng buộc lượng công suất mà có thể truyền tải giữa hai vị trí thông qua lưới truyền tải Công suất truyền tải không được tăng lên đến mức mà khi có xảy ra sự

cố sẽ làm tan rã lưới điện vì không ổn định điện áp Trong cấu trúc thị trường điện, những người tham gia thị trường (nhà cung cấp và nhà tiêu thụ điện năng) tự

do cam kết trong việc giao dịch và hành xử thông qua ảnh hưởng của thị trường, nhưng theo cách không được báo trước tình trạng vận hành của hệ thống điện Vì vậy, không quan tâm đến cấu trúc thị trường, quản lý nghẽn mạch trở thành hoạt động quan trọng của các đơn vị điều hành hệ thống điện Nói chung, hai mục tiêu phối hợp quản lý nghẽn mạch là giảm tối thiểu sự can thiệp vào lưới truyền tải trong thị trường điện, đồng thời vận hành an ninh hệ thống điện

2.4.3 Ảnh hưởng của nghẽn mạch

Luật Kirchoff kết hợp với độ lớn và vị trí của nguồn phát và phụ tải, trở kháng đường dây và hình dạng lưới điện xác định nên dòng công suất trên mỗi đường dây Do đó, các ràng buộc an toàn hệ thống điện cần phải có một sự thay đổi kế hoạch phát điện từ việc huy động công suất hiệu quả nhất Trong môi trường liên kết dọc truyền thống, mô hình phát điện có sự ổn định rõ ràng và việc

mở rộng mạng lưới truyền tải có thể được hoạch định cùng với việc xây dựng mới các nhà máy điện Trường hợp này, nghẽn mạch hiếm khi xảy ra và mô hình phân

bố công suất có thể dự báo trước Tuy nhiên trong cấu trúc thị trường điện, với việc các công ty phát điện (GenCos) cạnh tranh trong môi trường tự do kết nối vào

-22-

lưới truyền tải, việc phát điện hay phân bố công suất có thể thay đổi rất nhiều trong một thời gian ngắn với tác động của thị trường Trong tình huống đó, cần thiết phải phối hợp quản lý nghẽn mạch nhằm đảm bảo hệ thống vận hành an toàn

2.4.4 Quản lý nghẽn mạch trong thị trường điện

Quản lý nghẽn mạch là hiện đang là một trong những thách thức quan trọng trong thị trường điện khi mà tại đó hệ thống luôn luôn tồn tại nhiều nhà cung cấp

và nhiều nhà tiêu thụ Hiệu quả thị trường được đo lường bởi phúc lợi xã hội của

nó Phúc lợi xã hội là sự kết hợp của chi phí điện năng và lợi ích điện năng đối với

xã hội cũng như được đo lường bởi sự bằng lòng thanh toán lượng điện năng tiêu thụ của xã hội Sự khác nhau trong phúc lợi xã hội giữa một thị trường hoàn toàn và một thị trường thật là việc đo lường hiệu quả của thị trường thật Ảnh hưởng của nghẽn mạch truyền tải làm cho thị trường không hiệu quả

Việc sử dụng phân bố công suất tối ưu (OPF) và LMP đã được đưa vào thực tiễn để quản lý nghẽn mạch ở một số quốc gia trên thế giới Nhà cung cấp giới thiệu hàm chi phí phát điện, được xem như hàm chào giá đến ISO với mong muốn bán lượng điện năng của họ ISO có toàn bộ mô hình lưới truyền tải và có thể thực hiện tính toán OPF OPF là kỹ thuật quan trọng nhất để đạt được các mô hình phát điện chi phí nhỏ nhất trong một hệ thống điện với các điều kiện ràng buộc truyền tải và vận hành có sẵn Vai trò của trung tâm vận hành hệ thống độc lập (ISO) trong thị trường cạnh tranh là điều độ điện năng đáp ứng hợp đồng giữa các bên tham gia thị trường Giá nút xác định bởi OPF được sử dụng theo cách thức sau:

+ Các máy phát được thanh toán theo giá điện tại nút

+ Các phụ tải cần phải thanh toán theo giá điện tại nút

Nếu không có nghẽn mạch, tất cả các nút trong hệ thống có cùng giá nút, các máy phát được thanh toán cùng giá điện năng của họ cũng như các phụ tải cần thanh toán cùng giá điện năng của họ Khi có nghẽn mạch xảy ra, các giá nút khác nhau, mỗi máy phát được thanh toán theo giá nút của nó và mỗi phụ tải phải thanh toán tiền điện năng theo giá nút của nó

-23-

ISO nhận đường cong chào giá từ những người tham gia thị trường Đường cong chào giá cung cấp chỉ ra mức giá tối tiểu mà nhà cung cấp sẽ sản xuất một lượng công suất Đường cong chào giá tiêu thụ chỉ ra mức giá tối đa có thể chấp nhận mà nhà tiêu thụ có thể mua một lượng công suất Thông qua chương trình tính toán bài toán tối ưu, giá tại mỗi nút trên tên toàn bộ hệ thống được tính toán Các giá cuối cùng mà chi phối bất kỳ sự giao dịch nào dựa trên cơ sở các giá chào đã đệ trình và được điều chỉnh bởi ISO phản ảnh giá trị vị trí của nhà cung cấp theo như phân bố của họ đối với các ràng buộc hệ thống Đơn vị điều hành hệ thống tính toán giá nút bằng OPF và tất cả các nhà cung cấp và nhà tiêu thụ phải chấp nhận giá này Tuy nhiên, trong thực tế không phải lúc nào cũng theo tình huống như vậy

Giả sử có vài người tham gia thị trường, vì một lý do nào đó, không muốn bị điều chỉnh công suất phát của họ trong tình huống nghẽn mạch truyền tải Điều này tùy thuộc vào tình trạng thị trường truyền tải tách rời với nhau Với tình huống này, những người tham gia thị trường mong muốn đưa ra các giá chào riêng biệt, cung cấp các giá chào cho thị trường điện và điều chỉnh các giá chào cho thị trường truyền tải Sự tham gia ở cả hai thị trường là tự nguyện Một số người tham gia chỉ chào giá vào thị trường điện, trong khi những người tham gia khác chỉ cung cấp giá chào điều chỉnh và một số khác tham gia chào giá ở cả hai thị trường Trước tiên thị trường điện được minh bạch không xét các ràng buộc truyền tải Nếu có bất kỳ sự vi phạm giới hạn truyền tải nào sau khi minh bạch thị trường điện, thì đơn vị điều hành

hệ thống sử dụng giá chào điều chỉnh theo hướng kinh tế nhất để giảm nhẹ nghẽn mạch trước khi chấp thuận các giá chào từ thị trường điện

Ví dụ minh họa:

Trường hợp 1: Xét hệ thống 2 nút đơn giản như hình 2.4.1 Giả thuyết hệ thống có

tổng thất công suất không đáng kể Với điều kiện giao dịch được xác định với thị trường không bị giới hạn khả năng truyền tải

-24-

Hình 2.4.1 Hệ thống 2 nút không ràng buộc

Hệ thống có nhà cung cấp gồm 2 nút và 2 máy phát: G1 tại nút 1 và nhà G2 tại nút

2 Khách hàng L2 tại nút 2 dự kiến mua 100MW G1 đưa ra bản chào giá cung cấp 100MW với giá bán điện 10$/MWh tại nút 1 G2 đưa ra bản chào giá là 15$/MWh,

vì vậy G2 sẽ không được huy động công suất G1sẽ bán 100MW cho khách hàng L2 tại nút 2 Do đó tổng chi phí mỗi giờ là 1000$/MWh

Trường hợp 2: tương tự như trường hợp 1 nhưng có xét đến giới hạn khả năng

truyền tải trên đường dây giữa nút 1và nút 2

Hình 2.4.2 Hệ thống 2 nút bị ràng buộc Giả sử ta huy động công suất tối ưu nhằm cực tiểu tổng chi phí như trường hợp 1: nhà cung cấp G1 tại nút 1 được huy động 100MW bán cho khách hàng D2 tại nút 2 và G2 tại nút 2 không được huy động công suất Trong trường hợp này, việc giao dịch 100MW giữa G1 tại nút 1 và L2 tại nút 2 không thể thực hiện được vì

sẽ xảy ra quá tải do khả năng tải của đường dây là 80 MW

Để loại trừ hiện tượng quá tải này, G1 chỉ được huy động 80 MW và huy động thêm công suất của G2 với mức giá cao hơn Với việc huy động này, tổng chi

2.5 Tổng quan thiết bị FACTS

Hiện nay, hệ thống điện chúng ta đang sử dụng là hệ thống điện xoay chiều

Hệ thống điện xoay chiều là một hệ thống điện phức tạp gồm các máy phát đồng bộ, đường dây truyền tải, máy biến áp, các thiết bị bù và phụ tải…và được chia thành

ba khâu : sản xuất, truyền tải và tiêu thụ

Một hệ thống điện hoạt động phải thỏa các yêu cầu sau:

 Các máy phát điện làm việc trong chế độ đồng bộ

 Điện áp vận hành trong giới hạn cho phép theo quy định

 Tần số vận hành trong giới hạn cho phép theo quy định

 Các phụ tải phải được cung cấp điện đầy đủ

 Các đường dây phải được vận hành ở điều kiện bình thường không quá tải

Trong hệ thống điện, công suất truyền tải trên các đường dây phụ thuộc vào tổng trở đường dây, điện áp và góc lệch pha Vì vậy, khả năng truyền tải công suất của đường đây được cải thiện đáng kể bằng việc tăng công suất phản kháng ở phụ tải, lắp cuộn kháng bù ngang (mắc song song), tụ điện bù dọc (mắc nối tiếp) vào đường dây để điều khiển điện áp dọc theo chiều dài đường dây

Để nâng cao chất lượng điện áp và ổn định điện áp cho hệ thống điện Việt Nam, hiện tại đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về việc ứng dụng thiết bị bù công suất phản kháng Tuy nhiên, các thiết bị đó vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu về

-26-

phản ứng nhanh nhạy khi có sự thay đổi đột ngột của hệ thống về công suất phản kháng Các thiết bị truyền tải điện xoay chiều linh hoạt (Flexible AC Tranmission System – FACTS) đã đáp ứng yêu cầu về phản ứng nhanh nhạy cũng như dung lượng bù tối ưu cho hệ thống điện trong mọi chế độ của hệ thống FACTS dùng để tăng khả năng điều khiển và tăng công suất truyền tải của đường dây Theo định nghĩa của IEEE, FACTS là : “ Hệ thống sử dụng các thiết bị điện tử công suất và các thiết bị tĩnh khác để điều khiển một hay nhiều thông số của hệ thống đường dây truyền tải, qua đó nâng cao khả năng điều khiển và khả năng truyền tải công suất.” Qua định nghĩa FACTS, nhận thấy được tầm quan trọng của thiết bị FACTS đến hệ thống điện có sự ảnh hưởng rất lớn về kinh tế và kỹ thuật

Trong thực tế, tính chất tiêu thụ điện ở từng thời điểm luôn khác nhau, cho nên tình trạng truyền tải công suất trên đường dây cũng khác nhau, có thể tại một thời điểm trên hệ thống có những đường dây quá tải và cũng có những đường dây non tải Với tình hình công nghiệp hóa như hiện nay, đòi hỏi nhu cầu truyền tải để đáp ứng cho phụ tải ngày càng cao và hiện tại đường dây cao áp luôn đặt trong tình trạng báo động về giới hạn vật lý của chúng như quá tải đường dây, các hiện tượng nhiễu hệ thống như là hiện tượng dao động tần số, điện áp…

Nhằm tăng khả năng truyền tải trên hệ thống điện và khắc phục những nhược điểm nêu trên, trên thế giới đã sử dụng thiết bị FACTS Các thiết bị này được sử dụng để điều khiển điện áp, trở kháng và góc pha của đường dây cao áp Các thiết

bị FACTS đã đem lại nhiều lợi ích cho các nhà cung cấp như:

 Tận dụng lưới điện hiện hữu để lắp đặt thiết bị FACTS

 Giảm chi phí đầu tư

 Tăng độ tin cây của hệ thống truyền tải

 Tăng độ ổn định của lưới

 Tăng chất lượng cung cấp điện năng cho các ngành công nghiệp và các ngành có yêu cầu chất lượng điện cao

 Ảnh hưởng không đáng kể đến môi trường