Nghiên cứu tối ưu điện áp lưới điện phân phối thái nguyên

DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT OLTC On- load tap changer Bộ điều áp dưới tải SVR Step voltage regulator Bộ ổn định điện áp DES Distributed energy storage Thiết bị tích trữ năng lượng phân tán cô

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-TRẦN HUY HOÀNG

NGHIÊN CỨU TỐI ƯU ĐIỆN ÁP LƯỚI ĐIỆN

PHÂN PHỐI THÁI NGUYÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

KHOA CHUYÊN MÔN

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên: Trần Huy Hoàng

Học viên: Lớp cao học K20, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

Nơi công tác: Công ty Điện lực Thái Nguyên

Tên đề tài luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu tối ưu điện áp lưới điện phân phối Thái Nguyên”

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Minh Ý và sự giúp đỡ của các cán bộ Khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp - Đại học Thái Nguyên Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn này đã được ghi rõ nguồn gốc

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những số liệu trong luận văn này

Thái Nguyên, ngày 25 tháng 10 năm

2019

Học viên thực hiện

Trần Huy Hoàng

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian nghiên cứu thực hiện luận văn này tôi luôn nhận được

sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của TS Nguyễn Minh Ý, người trực tiếp hướng dẫn luận văn cho tôi Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới thầy Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, cán bộ, kỹ thuật viên trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tốt nhất để tôi có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này Tôi cũng xin chân thành cảm ơn những đóng góp quý báu của các bạn cung lớp động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài Xin gửi lời chân thành cảm ơn đến các cơ quan xí nghiệp đã giúp tôi khảo sát tìm hiểu thực tế và lấy số liệu phục vụ cho luận văn

Cuối cùng, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã luôn động viên, khích lệ, chia sẻ khó khăn cùng tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thiện luận văn này

Thái Nguyên, ngày 25 tháng 10 năm

2019

Học viên

Trần Huy Hoàng

MỤC LỤC

Mục lục iii

Danh mục hình vẽ vi

Danh mục bảng biểu vii

Danh mục các viết tắt viii

Mở đầu 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

Các mục tiêu cụ thể: 2

3 Nội dung nghiên cứu 2

4 Kết quả dự kiến 2

5 Phương pháp nghiên cứu: 3

5.1 Phương pháp tiếp cận 3

5.2 Phương pháp nghiên cứu: 3

6 Các công cụ, thiết bị nghiên cứu 3

7 Kế hoạch thực hiện 3

Chương 1 5

Giới thiệu chung 5

1.1 Giới thiệu bài toán 5

1.1.1 Chất lượng điện năng 5

1.1.2 Ảnh hưởng của điện áp nút đến phụ tải 7

1.2 Tổng quan tài liệu 9

1.2.1 Những giải pháp điều chỉnh điện áp 9

1.2.2 Những nghiên cứu điều chỉnh điện áp 10

1.3 Đóng góp của đề tài 13

Chương 2 15

Cơ sở lý thuyết 15

2.1 Lưới điện phân phối 15

2.2 Bộ điều áp dưới tải (OLTC) 17

2.3 Tụ bù 21

2.4 Thiết bị ổn định điện áp 23

2.5 Ứng dụng trong lưới điện phân phối 25

2.6 Kết luận 26

Chương 3 27

Bài toán tối ưu điện áp 27

3.1 Hàm mục tiêu 27

3.2 Điều kiện rằng buộc 28

3.3 Kết luận 30

Chương 4 31

Phương pháp toán học 31

4.1 Phương pháp newton-raphson 31

4.1.1 Cơ sở lý thuyết 31

4.1.2 Phân tích lưới điện 33

4.1.3 Thuật toán Newton-Raphson: 39

4.2 Phương pháp tối ưu bày đàn (PSO) 40

4.2.1 Cơ sở lý thuyết 41

4.2.2 Mô hình toán học 43

4.2.3 Thuật toán PSO 44

4.3 Kết luận 46

Chương 5 47

Ứng dụng lưới điện phân phối Thái Nguyên 47

5.1 Lưới điện phân phối Thái Nguyên 47

5.2 Thông số cài đặt định mức 51

5.3 Thông số cài đặt tối ưu 55

5.4 Kết luận 58

Kết luận và hướng phát triển 59

1 Kết luận 59

2 Hướng phát triển 59

Phụ lục 60

P.1 Thông sô lưới điện 60

P.2 Thông số phụ tải 62

P.3 Lập trình thuật toán 64

P.3.1 Thuật toán chính PSO 64

P.3.2 Thuật toán Newton-Raphson 66

P.3.3 Tính ma trận tổng dẫn 70

P4 Bài báo khoa học 72

Tài liệu tham khảo 73

Tài liệu tiếng Việt 73

Tài liệu tiếng Anh 73

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Lưới điện phân phối hình tia 16

Hình 2.2 Mô hình đường dây phân phối 16

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý OLTC 18

Hình 2.4 Mô hình máy biến áp OLTC 19

Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển máy biến áp OLTC 20

Hình 2.6 Tụ bù SC tại nút j 22

Hình 2.7 Thiết bị ổn định điện áp 24

Hình 2.8 Thiết bị điều chỉnh điện áp (biên độ) 24

Hình 2.9 Thiết bị điều chỉnh góc pha (dịch pha) 25

Hình 2.10 Phối hợp các thiết bị điều chỉnh điện áp trong lưới điện 25

Hình 4.1 Cơ sở toán học phương pháp Newton-Raphson 32

Hình 4.2 Hình ảnh di chuyển của đàn chim 41

Hình 4.3 Tương tác giữa cá thể và quần thể khi dịch chuyển 42

Hình 5.1 Sơ đồ mạng điện 22kV Thinh Đán, Thái Nguyên 48

Hình 5.2 Công suất tác dụng phụ tải nút 1-48 49

Hình 5.3 Công suất phản kháng phụ tải nút 1-48 49

Hình 5.4 Điện áp lưới điện khi không có điều chỉnh 50

Hình 5.5 Hiệu suất và hệ số công suất lưới điện khi không có điều chỉnh 51

Hình 5.6 Điện áp lưới điện khi điều chỉnh theo thông số định mức 52

Hình 5.7 Hoạt động tụ bù SSC và FSC khi điều chỉnh theo thông số định mức 53

Hình 5.9 Hiệu suất và hệ số công suất khi điều chỉnh theo thông số định mức 54

Hình 5.10 Điện áp lưới điện khi điều chỉnh tối ưu 56

Hình 5.11 Hoạt động của SSC và FSC khi điều chỉnh tối ưu 56

Hình 5.12 Hoạt động của OLTC khi điều chỉnh tối ưu 57

Hình 5.13 Hiệu suất và hệ số công suất khi điều chỉnh tối ưu 58

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1 Loại nút và thông số trong lưới điện 35 Bảng P.1 Thông số đường dây: Điện trở, điện kháng, chiều dài 60 Bảng P.2 Thông số phụ tải: Công suất tác dụng và phản kháng 62

DANH MỤC CÁC VIẾT TẮT

OLTC On- load tap changer Bộ điều áp dưới tải

SVR Step voltage regulator Bộ ổn định điện áp

DES Distributed energy storage Thiết bị tích trữ năng lượng phân

tán

công suất

SSC Station shunt capacitor Bộ tụ trong trạm ở phía hạ áp

FSC Feeder shunt capacitor Bộ tụ đặt trên đường dây phân

phối

DG Distributed generation Nguồn phân tán

optimization Phương pháp tối ưu hóa bày đàn

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay, các thiết bị điện sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất công nghiệp ngày càng đa dạng và phong phú về số lượng và chủng loại Cùng với sự gia tăng về quy mô thì các vấn đề kỹ thuật cũng rất được quan tâm, đó là việc nâng cao chất lượng điện năng ở lưới điện phân phối Điều này có ảnh hưởng đáng

kể đến chất lượng điện năng và chỉ tiêu kinh tế chung của toàn hệ thống Với lưới điện phân phối việc đáp ứng những nhu cầu về chất lượng điện năng gặp không ít khó khăn, đặc biệt các đường dây sử dụng các cấp điện áp 6kV, 10kV, 22 kV, lấy qua các trạm trung gian 35/6 kV và 35/10kV không có

hệ thống điều áp dưới tải Sự phát triển mạnh mẽ của phụ tải điện ảnh hưởng chất lượng điện năng ở lưới điện phân phối thể hiện dễ nhận thấy là chất lượng điện áp Cụ thể, nếu điện áp đặt vào phụ tải không hoàn toàn đúng với điện áp định mức do phụ tải yêu cầu thì ít hay nhiều tình trạng làm việc của phụ tải cũng trở nên không tốt Nói cách khác, độ lệch điện áp hay dao động điện áp càng lớn thì chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của thiết bị dùng điện áp cũng thấp đi ảnh hưởng đến chất lượng điện năng của hệ thống Vì vậy việc điều chỉnh điện

áp trong lưới điện phân phối mang tính chất rất cần thiết trong hệ thống điện Trên đây là những vấn đề còn tồn tại trong mạng lưới hệ thống điện Việt Nam nói chung và lưới điện tỉnh Thái Nguyên nói riêng Do đó, trong đề tài này chúng tôi tập trung nghiên cứu bài toán tối ưu điện áp của lưới điện phân phối nhằm nâng cao chất lượng điện năng và giảm tổn thất trên lưới điện

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Tính toán thông số cài đặt tối ưu cho các thiết bị điều chỉnh điện áp trên lưới điện phân phối như bộ điều áp dưới tải của máy biến áp, tụ bù trạm và tụ

bù đường dây, v.v

Các mục tiêu cụ thể:

- Xây dựng phần mềm tính toán thông số cài đặt tối ưu cho các thiết bị điều khiển điện áp trên lưới phân phối;

- Nâng cao chất lượng điện năng, giảm dao động điện áp trên lưới điện do

sự biến thiên của phụ tải;

- Giảm tổn thất điện năng trên lưới điện phân phối: máy biến áp, đường dây, v.v.;

- Ứng dụng thử nghiệm trên mô hình lưới điện thành phố Thái Nguyên

3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu tổng quan về bài toán tối ưu điện áp trên lưới điện phân phối;

- Nghiên cứu đặc tính các thiết bị điều chỉnh điện áp sử dụng trên lưới điện phân phối;

- Xây dựng bài toán tối ưu điện áp tối ưu lưới điện phân phối với hàm mục tiêu là dao động điện áp và tối giảm hóa tổn thất điện năng với các rằng buộc

về chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật;

- Xây dựng thuật toán giải bài toán tối ưu điện áp cho lưới điện phân phối;

- Xây dựng phần mềm tính toán, mô phỏng và thử nghiệm bài toán trên phần mềm chuyên dụng: PSS/E, Matlab, v.v

4 KẾT QUẢ DỰ KIẾN

- Phần mềm thuật toán giải bài toán tối ưu điện áp cho lưới điện phân phối; -Mô hình lưới điện thành phố Thái Nguyên trên PSS/ADEPT MatLab/Simulink

- Có thể đăng bài báo khoa học trên tạp chí, hội thảo cấp trường

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

5.1 Phương pháp tiếp cận

Tiếp cận hệ thống: (1) Phân tích đối tượng nghiên cứu thành các phần tử nhỏ, tiến hành nghiên cứu đặc tính của từng phần tử; (2) Tổng hợp các nhỏ phần tử trong một hệ thống hoàn chỉnh và nghiên cứu mối liên hệ, rằng buộc của chúng trên toàn hệ thống

5.2 Phương pháp nghiên cứu:

- Sử dụng lý thuyết toán học, lý thuyết hệ thống, các định luật cơ bản kỹ thuật điện, hệ thống điện để:

+ Phân tích và mô hình hóa lưới điện và các thiết bị điều chỉnh điện áp; + Mô hình toán học bài toán tối ưu điện áp lưới điện với hàm mục tiêu và các hàm rằng buộc;

Sử dụng công cụ máy tính và các phần mềm chuyên dụng để:

+ Mô phỏng lưới điện phân phối và các thiết bị điều chỉnh điện áp;

+ Xây dựng phầm mềm tính toán bài toán tối ưu điện áp cho lưới phân phối; -Kiểm chứng bài toán trên mô hình mô phỏng sử dụng các phần mềm chuyên dụng như Matlab/Simulink, PSS/ADEPT

6 CÁC CÔNG CỤ, THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU

- Máy tính và các phần mềm chuyên dụng PSS/ADEPT, Matlab/Simulink, v.v

1 - Tổng quan về bài toán tối ưu điện

áp trên lưới điện phân phối Tháng thứ nhất Luận văn

2

- Nghiên cứu đặc tính các thiết bị

điều chỉnh điện áp sử dụng trên

lưới điện phân phối;

Tháng thứ hai Luận văn

3

- Xây dựng bài toán tối ưu điện áp

lưới điện phân phối với hàm mục

tiêu tối giảm hóa tổn thất điện năng

và các rằng buộc về chỉ tiêu kinh

tế, kỹ thuật;

Tháng thứ ba

Mô hình toán học

4 - Xây dựng thuật toán giải bài toán

tối ưu điện áp lưới điện phân phối; Tháng thứ tư

Phần mềm thuật toán

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 GIỚI THIỆU BÀI TOÁN

1.1.1 Chất lượng điện năng

Ngày nay, các thiết bị điện sử dụng trong sinh hoạt và sản xuất công nghiệp ngày càng đa dạng và phong phú về số lượng và chủng loại Cùng với sự gia tăng về quy mô thì các vấn đề kỹ thuật cũng rất được quan tâm, đó là việc nâng cao chất lượng điện năng ở lưới điện phân phối Điều này có ảnh hưởng đáng

kể đến chất lượng điện năng và chỉ tiêu kinh tế chung của toàn hệ thống Điện áp là một chỉ tiêu quan trọng hàng đầu để đánh giá chất lượng điện năng cung cấp Thực tế cho thấy chất lượng cung cấp điện bị ảnh hưởng đáng

kể bởi chất lượng điện áp cung cấp cho khách hàng, nó bị tác động bởi các thông số trên đường dây khác nhau Có thể có các dạng như: sự biến đổi dài hạn của điện áp so với điện áp định mức, điện áp thay đổi đột ngột, những xung dốc dao động hoặc điện áp ba pha không cân bằng Hơn nữa tính không đồng đều như tần số thay đổi, sự không tuyến tính của hệ thống hoặc trở kháng phụ tải sẽ làm méo dạng sóng điện áp, các xung nhọn do các thu lôi sinh ra cũng có thể được lan truyền trong hệ thống cung cấp

Để ngăn ngừa các hiệu ứng có hại cho thiết bị của hệ thống cung cấp trong một mức độ nhất định, luật và các quy định khác nhau tồn tại trong các vùng khác nhau để chắc rằng mức độ của điện áp cung cấp không được ra ngoài dung sai quy định Các đặc tính của điện áp cung cấp được chỉ rõ trong các tiêu chuẩn chất lượng điện áp, thường được mô tả bởi tần số, độ lớn, dạng sóng và tính đối xứng của điện áp 3 pha Trên thực tế có sự dao động tương đối rộng trong việc chấp nhận các dung sai có liên quan đến điện áp Các tiêu chuẩn luôn luôn được phát triển hợp lý để đáp lại sự phát triển của kỹ thuật kinh tế và chính trị

Bởi một vài nhân tố ảnh hưởng đến điện áp cung cấp là ngẫu nhiên trong không gian và thời gian, nên một vài đặc trưng có thể được mô tả trong các tiêu chuẩn với các tham số tĩnh để thay thế cho các giới hạn đặc biệt Một khía cạnh quan trọng trong việc áp dụng các tiêu chuẩn là để xem xét ở nơi nào và ở đâu trong mạng cung cấp, các đặc tính của điện áp là định mức Tiêu chuẩn Châu

Âu EN50160 chỉ rõ các đặc điểm của điện áp ở các đầu cuối cung cấp cho khách hàng dưới các điều kiện vận hành bình thường Các đầu cuối cung cấp được định nghĩa là điểm kết nối của khách hàng nối vào hệ thống công cộng EN50160 chỉ ra rằng trong các thành viên của Eropean Communities - Cộng đồng Châu Âu, dải biến đổi giá trị hiệu dụng của điện áp cung cấp trong

10 phút (điện áp pha hoặc điện áp dây) là 10% với 95% thời gian trong tuần Với hệ thống điện áp 3 pha 4 dây, là 230 V giữa pha và trung tính Nói đúng

ra, điều này có nghĩa là mỗi tuần có hơn 8 giờ không có giới hạn cho giá trị của điện áp cung cấp Cũng có một số ý kiến cho rằng dung sai điện áp 10% là quá rộng

Ở Việt Nam, chất lượng điện năng được quy định tại TCVN, Luật Điện lực, Quy phạm trang bị điện, Tiêu chuẩn kỹ thuật điện và gần đây nhất là Thông tư 32/2010/TT-BCT:

- Trong điều kiện vận hành bình thường, điện áp được phép dao động trong khoảng 5% so với điện áp danh định và được xác định tại phía thứ cấp của máy biến áp cấp điện cho bên mua hoặc tại vị trí khác do hai bên thỏa thuận trong hợp đồng khi bên mua đạt hệ số công suất cosφ = 0.85 và thực hiện đúng biểu

đồ phụ tải đã thỏa thuận trong hợp đồng

- Trong trường hợp lưới điện chưa ổn định, điện áp được dao động từ +5 % đến -10 %

Dao động điện áp là sự biến thiên của điện áp xảy ra trong khoảng thời gian tương đối ngắn Phụ tải chịu ảnh hưởng của dao động điện áp không những về biên độ dao động mà cả về tần số xuất hiện các dao động đó Nguyên nhân chủ

yếu gây ra dao động điện áp là do các thiết bị có cosφ thấp và các phụ tải lớn làm việc đòi hỏi đột biến về tiêu thụ công suất tác dụng và công suất phản kháng như: các lò điện hồ quang, các máy hàn, các máy cán thép cỡ lớn, v.v

Độ lệch điện áp tại phụ tải là giá trị sai lệch giữa điện áp thực tế trên cực của các thiết bị điện so với điện áp định mức của mạng điện Độ lệch điện áp được tiêu chuẩn hóa theo mỗi nước Ở Việt Nam quy định:

- Độ lệch cho chiếu sáng công nghiệp và công sở, đèn pha trong giới hạn:

Lưới phân phối hạ áp cấp điện trực tiếp cho hầu hết các thiết bị điện Trong lưới phân phối hạ áp các thiết bị điện đều có thể được nối với nó cả về không gian và thời gian (tại bất kỳ vị trí nào, bất kỳ thời gian nào) Vì vậy trong toàn

bộ lưới phân phối hạ áp điện áp phải được thỏa mãn các tiêu chuẩn

1.1.2 Ảnh hưởng của điện áp nút đến phụ tải

- Đối với động cơ:

Mô men của động cơ không đồng bộ tỷ lệ với bình phương điện áp U đặt vào động cơ Đối với động cơ đồng bộ khi điện áp thay đổi làm cho momen quay thay đổi, khả năng phát công suất phản kháng của máy phát và máy bù

đồng bộ giảm đi khi điện áp giảm quá 5% so với định mức Vì vậy bất kỳ sự thay đổi điện áp nào cũng tác động không tốt đến sự làm việc của các động cơ

- Đối với thiết bị chiếu sáng:

Các thiết bị chiếu sáng rất nhạy cảm với điện áp, khi điện áp giảm 2.5% thì quang thông của đèn dây tóc giảm 9% Đối với đèn huỳnh quang khi điện áp tăng 10% thì tuổi thọ của nó giảm (20-25)%, với các đèn có khí, khi điện áp giảm xuống quá 20% định mức thì nó sẽ tắt và nếu duy trì độ tăng điện áp kéo dài thì có thể cháy bóng đèn Đối với các đèn hình khi điện áp nhỏ hơn 95% điện áp định mức thì chất lượng hình ảnh bị méo Các đài phát hoặc thu vô tuyến, các thiết bị liên lạc bưu điện, các thiết bị tự động hóa rất nhạy cảm với

sự thay đổi của điện áp Như khi xảy ra dao động điện áp nó sẽ gây ra dao động ánh sáng, làm hại mắt người lao động, gây nhiễu máy thu thanh, máy thu hình

và thiết bị điện tử Chính vì thế độ lệch điện áp cho phép đối với các thiết bị chiếu sáng và thiết bị điện tử được quy định nhỏ hơn so với các thiết bị điện khác

- Các dụng cụ đốt nóng, các bếp điện trở:

Công suất tiêu thụ trong các phụ tải loại này tỷ lệ với bình phương điện áp đặt vào Khi điện áp giảm hiệu quả đốt nóng của các phần tử giảm rõ rệt Đối với các lò điện sự biến đổi điện áp ảnh hưởng nhiều đến đặc tính kinh tế kỹ thuật của các lò điện

- Đối với nút phụ tải tổng hợp:

Khi thay đổi điện áp ở nút phụ tải tổng hợp bao gồm các phụ tải thành phần thì công suất tác dụng và phản kháng do nó sử dụng cũng biến đổi theo đường đặc tính tĩnh của phụ tải Công suất tác dụng ít chịu ảnh hưởng của điện áp so với công suất phản kháng Khi điện áp giảm thì công suất tác dụng và công suất phản kháng đều giảm, đến một giá trị điện áp Ugh nào đó, nếu điện áp tiếp tục giảm công suất phản kháng tiêu thụ tăng lên, hậu quả là điện áp lại càng giảm

và phụ tải ngừng làm việc, hiện tượng này gọi là hiện tượng thác điện áp, có

thể xảy ra với một nút phụ tải hay toàn hệ thống điện khi điện áp giảm xuống (70-80)% so với điện áp định mức ở nút phụ tải Đây là một sự cố vô cùng nguy hiểm cần phải có biện pháp ngăn chặn kịp thời

- Đối với hệ thống điện:

Sự biến đổi điện áp ảnh hưởng đến các đặc tính kỹ thuật của hệ thống điện Điện áp giảm sẽ làm giảm công suất phản kháng do máy phát điện và các thiết

bị bù sinh ra Đối với máy biến áp, khi điện áp tăng, làm tăng tổn thất không tải, tăng độ cảm ứng từ trong lõi thép gây phát nóng cục bộ Khi điện áp tăng quá cao có thể chọc thủng cách điện

1.2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.2.1 Những giải pháp điều chỉnh điện áp

Để duy trì điện áp trên đầu cực thiết bị dùng điện trong miền giới hạn hay nằm trong phạm vi cho phép chúng ta phải áp dụng các biện pháp điều chỉnh điện áp để ít nhất có thể bù được các tổn thất điện áp do các phần tử trong các

hệ thống cung cấp điện gây ra và trong nhiều trường hợp chúng ta phải phối hợp nhiều biện pháp điều chỉnh điện áp với nhau vì có phương pháp điều chỉnh này có thể cải thiện được thông số này nhưng lại gây ảnh hưởng không tốt đến các thông số khác Nhìn chung, trong các biện pháp điều chỉnh điện áp hiện nay chúng ta thấy rằng:

Đối với các phương pháp điều chỉnh điện áp ở thanh cái trạm phát điện: Bằng cách thay đổi kích từ của máy phát điện để điều chỉnh điện áp ở thanh cái trạm phát điện Biện pháp này thực hiện đơn giản và có ảnh hưởng chung trong toàn mạng Nhưng bất cập ở chỗ, nếu đáp ứng tốt cho phụ tải ở gần thì lại không phù hợp với phụ tải ở xa và ngược lại

Đối với các máy biến áp trung gian (trạm biến áp trung gian) cấp điện cho một vùng rộng lớn, thường dùng máy biến áp có điều chỉnh điện áp dưới tải Trong trường hợp chỉ có máy biến áp thường thì thanh cái phía hạ áp của máy

biến áp của máy biến áp nên đặt các máy đồng bộ công suất lớn để tiến hành điều chỉnh điện áp

Điều chỉnh điện áp riêng cho từng điểm trong mạng điện: Ở những nơi phụ tải yêu cầu cao về điện áp, chúng ta có thể đặt các thiết bị điều chỉnh điện áp như: máy biến áp có tự động điều chỉnh điện áp, máy bù đồng bộ, tụ điện tĩnh, v.v Phương pháp điều chỉnh này thích hợp với yêu cầu của từng phụ tải và luôn được ưu tiên chú ý sử dụng, song có nhược điểm là phải dùng nhiều thiết bị điều chỉnh phân tán

Trong thực tế phải phối hợp giữa điều chỉnh ở trung tâm và cục bộ mạng điện Đồng thời ngoài việc dùng các thiết bị điều chỉnh điện áp chúng ta phải

áp dụng các biện pháp tổng hợp khác để đảm bảo lợi ích của toàn hệ thống Điện áp tại các điểm nút trong hệ thống được duy trì ở một giá trị định trước nhờ có những phương thức vận hành hợp lý, chẳng hạn như tận dụng công suất phản kháng của các máy phát hoặc máy bù đồng bộ, ngăn ngừa quá tải tại các phần tử của hệ thống điện, tăng và giảm tải hợp lý của những đường dây truyền tải, chọn tỷ số biến đổi thích hợp ở các máy biến áp hay sử dụng các thiết bị bù truyền thống và hiện đại để bù lượng công suất phản kháng nhằm nâng cao chất lượng điện

1.2.2 Những nghiên cứu điều chỉnh điện áp

Ổn định điện áp và điều khiển là rất quan trọng trong phân phối điện để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy và kinh tế của thiết bị điện Hiện tại, điều khiển điện áp tiêu chuẩn phụ thuộc vào bộ điều áp dưới tải (On-load tap

changer, OLTC) của máy biến áp phân phối, tụ điện (Shunt capacitor, SC) và

bộ ổn định điện áp (Step voltage regulator, SVR) để duy trì điện áp của mạng điện trong phạm vi cho phép (từ 10% đến + 5%) Trong lưới điện phân phối ta nhận thấy đường dây có công suất phản kháng khá lớn, các phụ tải thay đổi và đặc biệt hiện nay phát triển thêm các nguồn phân tán( distributed generation

DG) đi với nhiều thiết bị phân tán khác nhau, ví dụ, quang điện (Photovoltaic,

PV), tuabin gió (Wind turbine, WT), v.v và các thiết bị tích trữ năng lượng

phân tán (Distributed energy storage, DES), ví dụ: hệ thống lưu trữ năng

lượng ắc quy (Battery energy storage system, BESS), các loại xe điện

(Electric vehicle, EV, Plug-in hybrid electric vehicle, PHEV), v.v Vì vậy,

việc điều khiển điện áp trở thành khó khăn hơn trong hệ thống điện phân phối Ngoài ra, việc kiểm soát điện áp cũng cần xem xét đến tổn thất điện năng,

dao động điện áp và sự quá tải của các thiết bị điều chỉnh có thể dẫn đến chi

phí bảo trì và thay thế thêm Có thể nhận thấy sự xuống cấp của OLTC do

trong quá trình làm việc lâu dài dẫn đến cacbon hóa của các tiếp điểm và dầu

cách điện Độ bền điện môi, mức điện áp và dòng điện qua các tiếp điểm của

OLTC trong quá trình chuyển mạch và ngắn mạch Giải pháp có thể là một

OLTC điện tử được đề xuất cho phía thứ cấp của máy biến áp khách hàng

trong các mạng điện hạ áp (Low-voltage, LV)

Một OLTC ba pha tách rời có thể điều chỉnh điện áp của từng pha một cách

độc lập được đề xuất; phối hợp với việc cung cấp năng lượng phản kháng từ

PV dựa trên biến tần, nó có thể cải thiện khả năng lưu trữ của nguồn phân tán

vào lưới điện trong khi giảm thiểu tổn thất điện năng, tăng điện áp trong điều

kiện tải không cân bằng Việc điều khiển phối hợp điều áp dưới tải OLTC, ổn

định điện áp SVR và nguồn phân tán để giải quyết sự tăng điện áp gây ra bởi

sự tham gia nhiều của PV được nghiên cứu Mục tiêu không chỉ là duy trì điện

áp của mạng lưới phân phối mà còn làm giảm căng thẳng vận hành của OLTC,

giảm tải tối đa và tổn thất điện năng và đảm bảo độ bền cao của DES bằng cách

hạn chế chế độ phóng nạp (Depth of discharge, DoD)

Ngoài ra, sự phối hợp của OLTC và PV dựa trên biến tần được phân tích;

nó cho thấy rằng cả hai chiến lược kiểm soát công suất phản kháng như hệ số

công suất cố định (PF), hệ số công suất / công suất, PF(P), volt/var, Q(V), v.v

của OLTC Vấn đề tương tự được mở rộng khi xem xét sự ổn định điện áp của các mạng phân phối; trong đó kiểm soát Q(V) thường được đề xuất nhưng cũng

có thể dẫn đến các vấn đề không ổn định nếu không được thiết kế đúng với các đơn vị quy định khác Đề xuất sử dụng điện áp được đo bằng cơ sở hạ tầng đo lường tiên tiến (Advanced metering infrastructure, AMI) cho các điều khiển OLTC để cải thiện khả năng lưu trữ của PV cho các mạng phân phối; mối tương quan của thiết kế OLTC (5 hoặc 9 bước) và khả năng lưu trữ cũng được phân tích Việc đánh giá lợi ích OLTC với việc cải tiến mạng LV để áp dụng PV vào lưới điện, sử dụng các phương pháp ngẫu nhiên để ổn định các vị trí và công suất của PV, các loại tải và gián đoạn năng lượng mặt trời, kết luận rằng việc cải tiến mạng lưới rẻ hơn nếu sử dụng PV thấp hơn 70%, nếu không, đầu tư OLTC và các trung tâm điều khiển từ xa sẽ kinh tế hơn Việc phân bổ tối ưu

DG (vị trí và công suất) cùng với OLTC (vị trí và tỷ lệ) cho các mạng phân phối hình tia với chức năng mục tiêu là giảm thiểu tổn thất điện năng và độ lệch điện áp được đề xuất sử dụng thuật toán di truyền thích ứng (Adaptive genetic algorithm, AGA) cho chất lượng tốt hơn và tính nhất quán của giải pháp Gần đây, hệ thống phân phối hoạt động (Active distribution system, ADS)

đã được đề xuất kết hợp tải DG, DES và tổng hợp có thể hoạt động ở cả chế độ liên kết và đảo với lưới chính, được gọi là microgrid Về cơ bản, việc kiểm soát microgrids được thiết kế dựa trên các điều khiển phân cấp với các cấp chính, cấp hai và cấp ba để cân bằng công suất hoạt động và phản kháng ở các khung thời gian khác nhau Nguyên tắc điều khiển chủ yếu dựa trên sự kết hợp của f-

P và V-Q, tức là, điều khiển rơi Điều khiển chính cũng bao gồm điều khiển dòng điện và điện áp bên trong của các nguồn DG dựa trên biến tần Có tính đến tính năng của tỷ lệ X/R thấp trong các mạng LV, các hoạt động kiểm soát được đề xuất với các hàm f(Q) và V(P) hoặc kết hợp f-(P,Q) và V-(P,Q) thay

vì f(P) và V(Q) như truyền thống Ưu điểm chính của điều khiển rơi là không yêu cầu giao tiếp, điều khiển chỉ đáp ứng theo các phép đo cục bộ Tuy nhiên,

điều khiển này dẫn đến độ lệch tạm thời của điện áp và tần số do nó đáp ứng với giá trị trung bình trong các khoảng thời gian và có thể không ổn định với thay đổi tải lớn và nhanh

Mặc dù rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện liên quan đến việc kiểm soát điện áp của các hệ thống phân phối, các ứng dụng trong thực tế vẫn còn hạn chế Tiêu chuẩn IEEE 1547-2018 hoạt động về việc tích hợp DG thể hiện mối lo ngại rằng việc kiểm soát DG có thể gây ảnh hưởng tới các thiết bị điều chỉnh hiện có khác; theo tiêu chuẩn DG không nên thực hiện bất kỳ điều khiển hoạt động nào trong các mạng phân phối mà chỉ hoạt động như tải âm Do đó, các chiến lược điều khiển của PV dựa trên biến tần, ví dụ: PF(P), Q(V), v.v không được phép trong thực tế Các nghiên cứu khác chỉ tập trung vào sự tương tác của tham gia OLTC và DG, sự phóng nạp của DES và khả năng lưu trữ của

DG Ngoài ra, khái niệm microgrids vẫn còn trong các nghiên cứu và thử nghiệm thí điểm

1.3 ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI

Trong đề tài này, chúng tôi tập trung nghiên cứu cho việc điều khiển tối ưu điện áp trong hệ thống phân phối thực tế với các thiết bị điều chỉnh tiêu chuẩn như OLTC, SC và SVR, v.v được đề xuất Vấn đề là xác định các giá trị đặt cho các thiết bị điều chỉnh điện áp nhằm tối ưu hóa vận hành của lưới phân phối nhằm giảm tổn thất điện năng, kiểm soát độ lệch và dao động điện áp, v.v Các giá trị điện áp phải chịu sự rằng buộc của dải điện áp cho phép, công suất của các đường dây phân phối và máy biến áp, v.v Do đặc tính quy mô lớn và phi tuyến cao của bài toán, phương pháp tối ưu hóa bày đàn (Particle swarm optimization, PSO) được đưa ra cho các giải pháp Sau đó áp dụng cho một hệ thống phân phối 48 nút, 20 MVA, 22 kV, 50 Hz thực tế để thử nghiệm Kết quả

mô phỏng chứng minh rằng phương pháp được đề xuất có hiệu quả trong việc xác định cài đặt tối ưu của các thiết bị điều chỉnh điện áp có độ hội tụ cao Hiệu

suất trong hệ thống được thử nghiệm cho thấy ngay cả tổn thất điện năng cũng không giảm nhiều, chỉ số độ lệch điện áp, dao động điện áp và chế độ làm việc của OLTC, SC và SVR có thể được cải thiện đáng kể

Do đó, so với các công trình trước đây, đề tài có đóng góp như sau:

- Mô hình hóa chi tiết mạng phân phối chung và các thiết bị điều chỉnh điện áp: OLTC, tụ bù và SVR, v.v

- Xây dựng bài toán đề kiểm soát điện áp cho các hệ thống phân phối chung với nhiều phương án khách quan

- Đề xuất thuật toán PSO để giải quyết bài toán tối ưu điện áp với các thuộc tính phi tuyến

- Phương pháp đề xuất được áp dụng hiệu quả trong một hệ thống phân phối thực tế để cải thiện độ lệch điện áp, dao động và giảm hoạt động của các thiết bị điều chỉnh điện áp

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Hệ thống điện (HTĐ) là tập hợp các phần tử tham gia vào quá trình sản xuất, truyền tải và tiêu thụ năng lượng Các phần tử của HTĐ được chia thành hai nhóm: Các phần tử lực bao gồm các phần tử làm nhiệm vụ sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng như máy phát điện, đường dây tải điện và các thiết bị dùng điện Các phần tử điều khiển bao gồm các phần tử làm nhiệm vụ điều khiển, điều chỉnh trạng thái HTĐ như điều chỉnh kích từ máy phát đồng bộ, điều chỉnh tần số, điều chỉnh điện áp, bảo vệ rơle, tự động hóa, v.v Mỗi phần tử của HTĐ được đặc trưng bởi các thông số, được xác định

về lượng bởi tính chất vật lý của các phần tử, vai trò nhiệm vụ của chúng thể hiện qua vị trí trên sơ đồ và các mối quan hệ giữa các phần tử

Căn cứ theo chức năng nhiệm vụ trong HTĐ, Thông tư 32/2010/TT- BCT quy định phân loại lưới điện:

- Lưới điện truyền tải: Là phần lưới điện bao gồm các đường dây và trạm biến áp có cấp điện áp từ 220kV trở lên, các đường dây và trạm biến áp có điện

áp 110kV có chức năng truyền tải để tiếp nhận công suất từ các nhà máy điện vào hệ thống điện quốc gia

- Lưới điện phân phối: Là phần lưới điện bao gồm các đường dây và trạm biến áp có cấp điện áp từ 35kV trở xuống, các đường dây và trạm biến áp có điện áp 110kV có chức năng phân phối điện Lưới phân phối có một số đặc điểm quan trọng:

+ Trực tiếp đảm bảo chất lượng điện cung cấp cho các hộ phụ tải Lưới phân phối trực tiếp cung cấp điện cho các thiết bị điện nên nó ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ, công suất và hiệu quả của các thiết bị điện

+ Tổng quy mô của lưới phân phối chiếm tỷ trọng lớn trong HTĐ, sử dụng

tỷ lệ vốn khoảng 50% vốn của HTĐ (35% cho nguồn điện, 15% cho lưới truyền tải)

+ Tỷ lệ tổn thất điện năng rất lớn: khoảng (40-50) % tổn thất toàn HTĐ xảy

ra trên lưới phân phối

Thông thường, các lưới điện phân phối được thiết kế với các dạng hình tia

và được vận hành với dòng công suất một chiều Nghĩa là, lưới điện nhận điện năng từ hệ thống truyền tải và cung cấp cho phụ tải thông qua máy biến áp phân phối và đường dây Sơ đồ lưới phân phối hình tia 13 nút được minh họa trong hình 2.1

Hình 2.1 Lưới điện phân phối hình tia

Công suất tác dụng và phản kháng truyền và nhận giữa nút i và j của một đường dây phân phối có thể được mô hình hóa trong hình 2

Hình 2.2 Mô hình đường dây phân phối

Trong đó i, j là các chỉ số nút, V, δ là biên độ điện áp và góc pha; Z là trở kháng, R là điện trở, X là điện kháng của đường dây điện, SR, SS và SL là công suất nhận, truyền và phụ tải của nút; S công suất phức, P là công suất tác dụng,

Q là công suất phản kháng Tại một nút, công suất truyền, công suất nhận và công suất tải được cân bằng, (SR = SS + SL) Điện áp rơi trên đường dây giữa nút i và j được ước tính như sau

ij Rj ij Rj ij

2.2 BỘ ĐIỀU ÁP DƯỚI TẢI (OLTC)

Bộ điều áp dưới tải (On-load tap changer, OLTC) làm nhiệm vụ điều chỉnh điện áp của máy biến áp trong điều kiện có tải Khi điều chỉnh vị trí đầu phân

áp, tỷ số vòng dây cuộc sơ cấp và thứ cấp thay đổi, cộng thêm hoặc trừ bớt một

số vòng dây của cuộc dây điều chỉnh (thường phía cao áp) Từ đó điều chỉnh điện áp đầu ra của máy biến áp Sơ đồ nguyên lý bộ OLTC trong hình sau:

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý OLTC

Cấu tạo bộ OLTC gồm 2 phần:

- Bộ công tắc P còn gọi là dao lựa chọn làm nhiệm vụ chọn trước nấc điện

áp làm việc của máy biến áp Bộ công tắc P nằm trong thùng dầu chính ngay bên cạnh máy biến áp, các đầu dây của cuộn dây điều chỉnh đấu vào công tắc

P

- Bộ công tắc K còn gọi là bộ công tắc dập hồ quang nằm trong một thùng dầu riêng gọi là thùng dầu công tắc K Bộ công tắc K có vai trò gần giống như một máy cắt điện, có tốc độ làm việc cực nhanh từ 45 miligiây đến 50miligiây chịu được dòng điện ngắn mạch tạm thời từ 200 đến 600A, thời gian ngắn mạch tạm thời 0,1 đến 6 miligiây là thời gian hai tiếp điểm lựa chọn P cùng đóng một lúc tạo ra ngắn mạch một số vòng dây của một nấc điều chỉnh phân áp

Nguyên lý làm việc bộ OLTC được mô tả như sau:

- Khi dao lựa chọn P chuyển động trước và chọn xong phân nấc máy biến

áp, bộ tắc K mới chuyển động Mỗi pha của bộ công tắc K có 4 cặp tiếp điểm, từng đôi cặp tiếp điểm có lắp điện trở hạn chế dòng điện, còn gọi là điện trở ngắn mạch

- 4 tiếp điểm động cơ công tắc K được nối chung, 2 tiếp điểm tĩnh đầu và cuối của công tắc K được nối vào hai đầu dao chẵn lẻ của công tắc P 4 cặp tiếp điểm của công tắc K có cấu tạo hình khối chữ nhật, tiếp điểm làm việc theo kiểu đóng thẳng tạo ra tiếp xúc mặt Công tắc K theo chuyển động theo kiểu cơ

cấu cu lít nghĩa là biến chuyển động quay của trục truyền thành chuyển động thẳng Các nấc điều chỉnh của cuộn dây điều chỉnh điện áp đấu vào dao lựa chọn theo hệ chẵn (2,4,6,8,10) và lẻ (1,3,5,7,9)

Sơ đồ thay thế bộ OLTC:

Do tỷ số biến áp của máy biến áp thay đổi khi làm việc, máy biến áp tích hợp bộ OLTC được mô hình hóa bằng sơ đồ thay thế như sau

Hình 2.4 Mô hình máy biến áp OLTC

Trong đó Vi và Vi' là điện áp sơ cấp và thứ cấp, Yeq là điện dẫn tương đương của các máy biến áp (Yeq = 1/Zeq) và n là hệ số chuẩn hóa của tỷ số biến áp Để điều khiển OLTC, các thiết bị đo lường như biến áp (Potential transformer, PT)

và biến dòng (Curent transformer, CT) được sử dụng Sơ đồ điều khiển máy biến áp OLTC được thể hiện trong hình 2.5

Hình 2.5 Sơ đồ điều khiển máy biến áp OLTC

Nhiệm vụ của OLTC là điều chỉnh giữ điện áp tại thiết bị tiêu thụ điện (nút phụ tải) trong phạm vi cho phép Điện áp nút phụ tải (nút j) trong khoảng sau:

0.50.5

Trong đó Vset là điện áp đặt, VDB là dải điện áp điều chỉnh, VLB, VUB là điện

áp giới hạn dưới và trên Để hạn chế sử dụng các mạng truyền thông, điện áp tại các nút phụ tải thường được ước tính theo các giá trị đo tại trạm biến áp: điện áp và dòng điện, và được bù bởi điện trở đặt (Rset) và điện kháng đặt (Xset)

Trong đó VPT, ICT là giá trị vật lý đo lường của điện áp và dòng điện; NCT,

NPT lần lượt là tỷ số biến đổi của CT và PT Lưu ý rằng điện áp cũng bị giới

hạn tại nguồn, do đó, phạm vi điều chỉnh của OLTC tại các nút phụ tải (Vj) được ước lượng như sau:

,max ,max ,max

,min ,min ,min

Trong đó Vi,max và Vi,min là điện áp cực đại và cực tiểu tại trạm, Iij,max và Iij,min

là dòng điện cực đại và cực tiểu của tải và cosφ là hệ số công suất

2.3 TỤ BÙ

Thiết bị bù thường được sử dụng để điều chỉnh điện áp khi không đảm bảo tiêu chuẩn về chất lượng điện năng Việc sử dụng thiết bị bù còn có lợi là nâng cao tính kinh tế của mạng điện Thiết bị bù thường dùng là tụ điện tĩnh, máy bù đồng bộ hoặc các động cơ đồng bộ có thể điều chỉnh kích từ

Tụ bù, hay tụ bù công suất phản kháng, thường là loại tụ giấy ngâm dầu đặc biệt, gồm hai bản cực là các lá nhôm dài được cách điện bằng các lớp giấy Toàn bộ được cố định trong một bình hàn kín, hai đầu bản cực được đưa ra ngoài Tụ bù có thế được phân loại theo cấu tạo: Tụ bù khô và Tụ bù dầu

- Tụ bù khô là loại bình tròn dài Ưu điểm là nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ dễ lắp đặt, thay thế, chiếm ít diện tích trong tủ điện Giá thành thường thấp hơn tụ dầu Tụ bù khô thường được sử dụng cho các hệ thống bù công suất nhỏ, chất lượng điện tương đối tốt Tụ khô phổ biến trên thị trường Việt Nam có các giải công suất bù 10, 15, 20, 25, 30kVAr Một số hãng có loại nhỏ 2.5, 5kVAr và loại lớn 40, 50kVAr

- Tụ bù dầu là loại bình chữ nhật (cạnh sườn vuông hoặc tròn) Ưu điểm là

độ bền cao hơn Tụ dầu thường được sử dụng cho tất cả các hệ thống bù Đặc biệt là các hệ thống bù công suất lớn, chất lượng điện xấu, có sóng hài (dùng kết hợp với cuộn kháng lọc sóng hài) Tụ bù dầu phổ biến trên thị trường Việt Nam có các giải công suất bù 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50kVAr

Tụ bù có thể phân loại theo điện áp: Tụ bù hạ thế 1 pha, Tụ bù hạ thế 3 pha

- Tụ bù hạ thế 1 pha: Có các loại điện áp 230V, 250V

- Tụ bù hạ thế 3 pha: Có các loại điện áp 230, 380, 400, 415, 440, 525, 660,

690, 720, 1100V Phổ biến nhất là 2 loại điện áp 415V và 440V Tụ bù 415V thường được dùng trong các hệ thống điện áp tương đối ổn định ở điện áp chuẩn 380V Tụ bù 440V thường sử dụng trong các hệ thống điện áp cao hơn điện áp chuẩn, các hệ thống có sóng hài cần lắp kèm với cuộn kháng lọc sóng hài

Tụ bù có thể được sử dụng bằng cách bù dọc hoăc bù ngang Trong đó, tụ

bù ngang được sử dụng phổ biến hơn do không gây ảnh hưởng đến chất lượng,

độ tin cậy của hệ thống Tụ bù SC tại nút j như thể hiện trong hình 5

QC,rated định mức là công suất định mức, Vrated là điện áp định mức của tụ SC Với tụ bù SC, điện áp rơi trên đường dây và tổn thất công suất thay đổi như sau:

Có thể thấy rằng một phần công suất phản kháng được cung cấp bởi tụ bù

SC, dòng công suất phản kháng trên đường dây giảm, dẫn đến dòng điện giảm

do đó, không chỉ điện áp rơi trên đường dây giảm tổn thất điện năng cũng được giảm thiểu; hệ số công suất được cải thiện Trong thực tế, nhiều tụ bù SC được kết nối nối tiếp và song song thành bộ tụ, có thể được đặt trong trạm biến áp ở phía hạ áp (Station shunt capacitor, SSC) hoặc đương dây phân phối (Feeder shunt capacitor, FSC) Trong các trạm biến áp, tụ SSC nhằm giảm số lượng công suất phản kháng qua các máy biến áp, giảm tổn thất điện năng trong máy biến áp Trong khi đó, tụ FSC nhằm cải thiện chất lượng điện áp tại phụ tải Do

đó, tụ SSC thường được điều khiển thông qua giá trị đo công suất phản kháng trong khi tụ điện FSC điều khiển bằng bằng giá trị điện áp tại tải

2.4 THIẾT BỊ ỔN ĐỊNH ĐIỆN ÁP

Thiết bị ổn định điện áp (Voltage regulator, VR) là một thiết bị được thiết

kế để tự động duy trì mức điện áp không đổi thông qua cơ cấu chuyển tiếp đơn giản hoặc điều khiển có phản hồi Thiết bị ổn định điện áp bước (Step voltage regulator, SVR) cho phép điều khiển điện áp ở cả biên độ và góc pha Sơ đồ nguyên lý thiết bị điều chỉnh điện áp SVR trình bày trong hình 2.7

Hình 2.8 Thiết bị điều chỉnh điện áp (biên độ)

Hình 2.9 Thiết bị điều chỉnh góc pha (dịch pha)

2.5 ỨNG DỤNG TRONG LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI

Trong lưới điện phân phối, mỗi thiết bị điều chỉnh điện áp có chức năng, nhiệm vụ và phạm vi điều chỉnh riêng, do đó được đặt tại các vị trí khác nhau trong lưới điện Hình 2.10 biểu diễn sơ đồ các thiết bị trong một lưới điện hình tia

FSC SSC

OLTC

V j '

SVR

Hình 2.10 Phối hợp các thiết bị điều chỉnh điện áp trong lưới điện

- Bộ OLTC: Được lắp đặt trên máy biến áp phân phối, có vai trò điều chỉnh mức điện áp chung toàn lưới điện (thông qua điện áp nút Vj)

- Tụ bù SSC: Được lắp đặt trên thanh cái hạ áp máy biến áp phân phối Nó

có vai trò hạn chế dòng công suất phản kháng qua máy biến áp, từ đó giảm tổn thất trong máy biến áp Ngoài ra, nó dùng để điều chỉnh hệ số công suất của lưới điện (cosϕ)

- Tụ bù FSC: Được đặt trên đường dây phân phối (tại tải) Nó có vai trò điều khiển điện áp tại nút điều chỉnh bằng cách giảm điện áp rơi và tổn thất trên đường dây phân phối

- Thiết bị SVR: Được lắp đặt trên đường dây phân phối Nó có vai trò điều chỉnh điện áp trên đường dây và phụ tải phía dưới

Trong lưới điện phân phối, mỗi thiết bị quy định được thiết lập với hằng số thời gian (độ trễ) thích hợp để tránh xung đột:

OLTC SSC SVR FSC

Trong đó, tOLTC, tSSC, tSVR và tFSC là thời gian trễ của OLTC, SSC, SVR và FSC Cần lưu ý rằng các thiết bị điều tiết này được thiết kế theo hệ thống điều khiển phân cấp trong đó: FCS và SVR tác động ở Cấp 1 điều chỉnh điện áp tại các nút; OLTC và SSC điều chỉnh Cấp 2, điều chỉnh điện áp của toàn bộ lưới điện và khôi phục trạng thái của FCS và SVR trong các khung thời gian khác nhau Cấp 3 dùng để xử lý các trường hợp sự cố: tải tăng đột ngột hoặc thay đổi điện áp của lưới truyền tải Cấp 3 có thể yêu cầu thay đổi cấu trúc và vận hành toàn bộ lưới điện phân phối

2.6 KẾT LUẬN

Trong chương 2, luận văn đã nghiên cứu trình bày các nội dung sau:

- Sơ đồ lưới điện phân phối và hệ thống các thiết bị điều chỉnh điện áp truyền thống

- Mô hình hóa các thiết bị điều chỉnh điện áp: Bộ điều áp dưới tải OLTC,

tụ bù trạm SSC, tụ bù đường dây FSC, v.v

- Phối hợp các thiết bị điều chỉnh điện áp trong lưới phân phối

CHƯƠNG 3 BÀI TOÁN TỐI ƯU ĐIỆN ÁP

Trong nghiên cứu này, bài toán đặt ra là xác định giá trị đặt của các thiết bị điều chỉnh điện áp trong lưới điện phân phối để tối ưu hóa chế độ vận hành của lưới điện Các thiết bị điều chỉnh điện áp bao gồm:

- Máy biến áp OLTC: Giá trị đặt của OLTC là ngưỡng điện áp tác động (ngưỡng trên: VUB, ngưỡng dưới: VLB) Nếu điện áp điều chỉnh lớn hơn ngưỡng trên, đầu phân áp tăng; nếu điện áp điều chỉnh nhỏ trên ngưỡng dưới, đầu phân

- Tụ bù FSC: Giá trị đặt là ngưỡng điện áp tác động (VUB, VLB) Nếu điện

áp điều chỉnh lớn hơn ngưỡng trên, tụ bù FSC đóng thêm; nếu điện áp điều chỉnh nhỏ trên ngưỡng dưới, tụ bù FSC cắt bớt

max min min

Trong đó, PLoss là tổn thất điện năng, VDev là độ lệch điện áp chuẩn, NOLTC,

NSSC và NFSC là số lần chuyển mạch của thiết bị OLTC, tụ bù SSC và tụ bù FSC,

αi là trọng số phản ánh mức độ quan trọng của các chỉ tiêu, được đánh giá và quyết định bởi người vận hành Các chỉ tiêu được tính như sau:

2 ,

3.2 ĐIỀU KIỆN RẰNG BUỘC

Lưới điện phân phối vận hành phải đảm bảo các quy định về kinh tế, kỹ thuật theo và thông số định mức của các thiết bị

- Thiết bị điều chỉnh điện áp: Các thiết bị điều chỉnh điện áp (OLTC, SSC, FSC) tác động theo thông số lưới điện như sau:

- Giới hạn công suất truyền tải:

T SSC SSC SSC Tap t Tap t Tap t

T FSC FSC FSC Tap t Tap t Tap t

là giới hạn hoạt động chuyển mạch; x là vectơ của biến trong đó VUB và VLB là giới hạn trên và dưới của OLTC, QUB và QLB và cosϕmin là giới hạn công suất phản kháng và hệ số công suất của SSC, VUB và VLB là giới hạn điện áp của FSC; V và V là giới hạn dưới và trên của dải điện áp chấp nhận được; I ,

Iij,max là dong điện và giới hạn của dòng điện trên đường dây giữa nút ij; STrans

và STrans,max là công suất và công suất của máy biến áp phân phối

3.3 KẾT LUẬN

Trong chương 3, luận văn đã nghiên cứu trình bày những nội dung sau:

- Mô hình hóa hàm mục tiêu gồm các chỉ tiêu khác nhau: Tổn thất điện năng, độ lệch điện áp, trạng thái làm việc thiết bị điều chỉnh điện áp, v.v

- Mô hình hóa các điều kiện rằng buộc: giới hạn điện áp cho phép, giới hạn công suất thiết bị, đường dây, v.v

- Mô hình hóa trạng thái làm việc của các thiết bị điều chỉnh điện áp: bộ OLTC, tụ bù trạm SSC, tụ bù đường dây FSC

CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP TOÁN HỌC

4.1 PHƯƠNG PHÁP NEWTON-RAPHSON

Phương pháp Newton-Raphson là một phương pháp cho phép tính toán chính xác các thông số của lưới điện, được dùng phổ biến để giải các phương trình dòng công suất của các hệ thống trong giai đoạn hiện nay Phương pháp này đang được nghiên cứu và phát triển để tăng tính chính xác và đơn giản thuật toán theo nhiều hướng

4.1.1 Cơ sở lý thuyết

Phương pháp này dùng khai triển Taylor cho hàm nhiều biến làm cơ sở toán học:

( )( ) ( ) f x

Trong phương pháp tính, ta đã được biết về cách dò nghiệm của một hàm

số một biến dạng đường cong như sau:

Giả thiết giả phương trình f(x) = c Tại một điểm nào đó (x(0)) gần với nghiệm thực của phương trình y = f(x), ta kẻ một tiếp tuyến với đồ thị hàm số tại đó thì đồ thị hàm số này sẽ có dạng đường thẳng và cắt đường y = c tại một