Điều khiển hệ thống điện trở lại đồng bộ

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN TRỞ LẠI ĐỒNG BỘ Luận văn này nghiên cứu tổng quan về các phương pháp phân tích ổn định, qua đó xét đến các phương pháp hiện đại để phân tích và đánh giá ổn định

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN BỘI KHUÊ

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

Ngày tháng năm 2005

- -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : HỒ VĂN THÁI Phái : Nam

Ngày sinh : 03-01-1978 Nơi sinh : Quảng Ngãi

Chuyên ngành : Mạng và hệ thống điện MSHV : 01803490

I TÊN ĐỀ TÀI:

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN TRỞ LẠI ĐỒNG BỘ

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Tổng quan về các phương pháp đánh giá ổn định và điều khiển hệ thống điện

2 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ FACTS vào việc điều khiển ổn định hệ thống điện

3 Nghiên cứu các lý thuyết ổn định để đánh giá và điều khiển hệ thống điện trở lại đồng bộ

4 Lập trình tính toán, mô phỏng áp dụng cho các ví dụ và hệ thống điện 500kV của Việt Nam đến năm 2012

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày tháng năm 2005

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 30 tháng 06 năm 2005

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS NGUYỄN BỘI KHUÊ

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN

TRỞ LẠI ĐỒNG BỘ

Luận văn này nghiên cứu tổng quan về các phương pháp phân tích ổn định, qua đó xét đến các phương pháp hiện đại để phân tích và đánh giá ổn định quá độ trong hệ thống điện như phương pháp hàm năng lượng và phương pháp Hybrid.Ứng dụng công nghệ FACTS vào việc điều khiển hệ thống điện trở lại đồng bộ

Luận án đã xây dựng và thiết lập hàm năng lượng cho hệ thống điện khi có ảnh hưởng của các thiết bị FACTS, từ đó giúp ích cho việc điều khiển hệ thống điện trở lại đồng bộ

Qua các chương trình thiết lập trên phần mềm MATLAB, luận án đã áp dụng vào các ví dụ trên các tạp chí và hệ thống điện 500kV của Việt Nam

The thesis develops and establishes the energy function for power system in which FACTS devices are used and helps to control the power system back to synchronism All the programs from this thesis are based on Matlab software and applied to examples illustrated in magazines as well as the 500kV EHV system of Viet Nam

Họ và tên : Hồ Văn Thái

Ngày, tháng, năm sinh : 03/01/1978

Nơi sinh : Quảng Ngãi

Địa chỉ liên lạc : 05-Cao Bá Quát, Phường Bến Nghé, Q1, TP.HCM Điện thoại cơ quan : 84-8-8247 318

Điện thoại di động : 84-91-8 531 334

Quá trình học tập - công tác:

Năm 1996 – 2001: Sinh Viên ngành Hệ thống Điện, khoa Điện – Điện Điện Tử –

ĐH Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP.HCM

Tháng 01/2001: Tốt nghiệp Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP.HCM

Năm 2003 – 2005: Học viên cao học khóa 14 ngành Mạng và hệ thống điện – ĐH Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP.HCM

Năm 2001 đến nay: Công tác tại Phòng Thiết Kế (Tổ Trạm)- Trung tâm Tư vấn Thiết kế Điện- Công ty Điện Lực 2 (PC2) thuộc Tổng Công ty Điện lực Việt Nam (EVN)

LV THẠC SĨ 2005

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆNTRỞ LẠI ĐỒNG BỘ

HỒ VĂN THÁI

Em xin chân thành cảm ơn

PGS.TS Nguyễn Bội Khuê

Người Thầy đã tận tình trực tiếp hướng dẫn, đề ra phương hướng, hết lòng chỉ bảo, động viên, truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn này

với tất cả lòng biết ơn và kính yêu của em

Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm và các Thầy Cô khoa Điện-Điện Tử

Đặc biệt Bộâ Môn Hệ Thống Điện Phòng quản lý sau Đại Học- Trường Đại Học Bách Khoa

với tất cả tấm lòng của tôi

khăn vất vả và luôn động viên, chia sẻ khó khăn thử thách, tạo nhiều điều kiện thuận lợi để nuôi tôi khôn lớn vượt qua chặng đường Đại Học và hoàn thành luận văn này

Và cuối cùng xin cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp, cảm ơn những người đã giúp đỡ và gắn bó với tôi, những người luôn giành những tình cảm sâu sắc nhất, luôn động viên khích lệ, tạo cho tôi niềm tin và nỗ lực để thực hiện luận văn này

Xin cảm ơn tất cả !

T.p Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2005 Người thực hiện

Hồ Văn Thái

Họ và tên : Hồ Văn Thái

Ngày, tháng, năm sinh : 03/01/1978

Nơi sinh : Quảng Ngãi

Địa chỉ liên lạc : 05-Cao Bá Quát, Q1, TP.HCM

Điện thoại cơ quan : 84-8-8247 318

Điện thoại di động : 84-91-8 531 334

Quá trình học tập - công tác:

Năm 1996 – 2001: Sinh Viên ngành Hệ thống Điện, khoa Điện – Điện Điện Tử –

ĐH Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP.HCM

Tháng 01/2001: Tốt nghiệp Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP.HCM

Năm 2003 – 2005: Học viên cao học khóa 14 ngành Mạng và hệ thống điện – ĐH Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP.HCM

Năm 2001 đến nay: Công tác tại Phòng Thiết Kế (Tổ Trạm)- Trung tâm Tư vấn Thiết kế Điện- Công ty Điện Lực 2 (PC2) thuộc Tổng Công ty Điện lực Việt Nam (EVN)

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 1

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 NHIỆM VỤ VÀ MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN 2

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 2

1.4 ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN VÀ GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 3

1.5 NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN 3

CHƯƠNG 2 5

CÁC KHÁI NIỆM VÀ TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ, FACTS VÀ ÁP DỤNG FACTS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HTĐ 5

2.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN 5

2.2 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH 8

2.2.1 Phương pháp mô phỏng theo miền thời gian 8

2.2.2 Các phương pháp trực tiếp 9

2.2.3 Phương pháp lai (Hybrid method) 14

2.2.4 Phương pháp xác suất (Probabilistic methods) 15

2.2.5 Phương pháp hệ thống Hamiltonian 15

2.3 TỔNG QUAN VỀ FACTS VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN 16

CHƯƠNG 3 25

MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN TRONG NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH 25

3.1 MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY 25

3.1.1 Mạng 4 cực [HS 99] 25

3.1.2 Mạng 4 cực của một số phần tử [TB 04] 26

3.2 MÔ HÌNH TẢI 28

3.3 MÔ HÌNH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA MÁY PHÁT ĐỒNG BỘ (DẠNG CỔ ĐIỂN)29 3.4 MÔ HÌNH HỆ THỐNG RÚT GỌN 31

3.5 PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG NHIỀU MÁY PHÁT 32

3.6 MIÊU TẢ KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN [MPS 98] 33

3.7 ĐIỂM CÂN BẰNG – EQUILIBRIUM POINTS [PK 96] 34

3.8 MÔ HÌNH HÀM NĂNG LƯỢNG [PMA 89] 34

CHƯƠNG 4 39

FACTS VÀ ỨNG DỤNG FACTS TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 39

4.1 GIỚI THIỆU VỀ FACTS 39

4.2 ẢNH HƯỞNG CỦA TỤ BÙ NGANG ĐẾN VIỆC TRUYỀN TẢI ĐIỆN [HG 99]43 4.2.1 Bù tại trung điểm đường dây truyền tải 43

4.2.2 Bù tại điểm cuối đường dây làm tăng tính ổn định hệ thống 45

4.2.3 Cải thiện tính ổn định quá độ: 46

4.2.4 Dập tắt các dao động công suất 46

4.2.5 Các yêu cầu của hệ thống bù công suất 47

4.2.6 Bụ bù ngang tĩnh SVC (Static var compensators) [HG 99] 47

4.3 BÙ NỐI TIẾP (STATIC SERIES COMPENSATOR)-TCSC, SSSC, TSSC TRONG HTĐ 48

CHƯƠNG 5 57

CÁC PHƯƠNG PHÁP ÁP DỤNG PHÂN TÍCH 57

ỔN ĐỊNH HỆ THỐNG ĐIỆN 57

5.1 TIÊU CHUẨN DIỆN TÍCH ÁP DỤNG CHO HỆ THỐNG 57

5.2 PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP EAC VÀ PHƯƠNG PHÁP TRỰC TIẾP HAY CÒN GỌI LÀ PHƯƠNG PHÁP HYBRID 58

5.2.1 Áp dụng hệ thống một máy phát nối thanh cái vô cùng lớn (SMIB) cho hệ thống

nhiều máy phát 58

5.2.2 Tiêu chuẩn khoảng cách hay Gap để xác định các máy phát tới hạn 58

5.2.3 Kết hợp máy phát tương đương 60

5.2.4 Mô hình tương đương máy phát nối thanh cái vô cùng lớn (single machine infinite bus) 60

5.2.5 Biên ổn định của hệ thống máy phát nối thanh cái vô cùng lớn 61

5.2.6 Tiêu chuẩn ổn định đối SMIB theo miền thời gian 62

5.2.7 Tính toán biên ổn định và không ổn định 63

5.2.8 Tính toán biên ổn định dương hay biên ổn định 63

5.3 PHÁT TRIỂN GIẢI THUẬT CHO PHƯƠNG PHÁP HYBRID 63

5.3.1 Các giải thuật cơ bản và sự phân chia 63

5.3.2 Các giả sử trong việc phát triển giải thuật 64

5.3.3 Giải thuật chương trình chính của phương pháp hybrid 64

5.3.4 Chương trình tính PBCS 67

5.3.5 Chương trình mô phỏng theo miền thời gian 68

5.3.6 Chương trình con tìm biên độ ổn định 70

5.4 PHƯƠNG PHÁP HÀM NĂNG LƯỢNG–ENERGY FUNCTION ÁP DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 73

5.4.1 Hàm năng lượng cho hệ thống một máy phát nối thanh cái vô cùng lớn(SMIB)73 5.4.2 Hàm năng lượng cho hệ thống nhiều máy phát 79

5.4.3 Phương pháp hàm năng lượng khi xét đến ảnh hưởng của thiết bị FACTS 84

CHƯƠNG 6 86

ÁP DỤNG FACTS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ 86

6.1 GIỚI THIỆU 86

6.2 XEM XÉT CÁC LÝ THUYẾT CƠ BẢN 86

6.2.1 Khảo sát máy phát dưới các điều kiện quá độ [SJ 99] 87

6.2.2 Tiêu chuẩn diện tích [SJ 99] 89

6.3 PHÂN TÍCH CÁC HỆ THỐNG ĐIỆN LẮP ĐẶT THIẾT BỊ FACTS 91

6.3.1 Mô hình hệ thống và các đặc tính truyền tải cơ bản 91

6.3.2 Điều khiển truyền tải công suất sử dụng bộ bù nối tiếp có thể điều khiển được (controllable series compensation -CSC) 92

6.3.3 Điều khiển truyền tải công suất sử dụng máy bù đồng bộ nối tiếp tĩnh (static series synchronous compensator SSSC) 93

6.3.4 Điều khiển truyền tải công suất sử dụng bộ bù công suất phản kháng tĩnh (static var compensator SVC) 95

6.3.5 Nguyên tắc nguồn áp hằng số 95

6.3.6 Nguyên tắc điện dẫn song song có thể điều khiển được 96

6.3.7 Điều khiển truyền tải công suất sử dụng máy bù đồng bộ tĩnh (static synchronous compensator STATCOM) 97

6.4 ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN TẢI CÔNG SUẤT DÙNG MÁY BIẾN ÁP DỊCH PHA (PHASE SHIFTING TRANSFORMER -PST) 99

6.4.1 Bộ điều chỉnh góc pha –PAR 100

6.4.2 Máy biến áp tăng thế toàn phưong –QBT 101

6.5 ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN TẢI CÔNG SUẤT DÙNG UPFC ( UNIFIED POWER FLOW CONTROLLER) 104

6.6 ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ FACTS ĐỂ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ 106

6.6.1 Tổng quan về phương pháp điều khiển các thiết bị FACTS 106

6.6.2 Chiến lược điều khiển CSC, SSSC, SVC, STATCOM và UPFC 109

6.6.3 Chiến lược điều khiển PAR 110

6.6.4 Chiến lược điều khiển QBT 111

CHƯƠNG 7 113

KIỂM TRA VÀ ÁP DỤNG THỰC TẾ 113

CHO HỆ THỐNG ĐIỆN 500KV VIỆT NAM ĐẾN NĂM 2012 113

7.1 GIỚI THIỆU HỆTHỐNG ĐIỆN VIỆT NAM 113

7.1.1 Tổng Quát 113

7.1.2 Đặc điểm chính 114

7.1.3 Xây dựng hệ thống lưới 500kV 115

7.2 ÁP DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ 120

7.2.1 Hệ thống A 120

7.2.2 Hệ thống B 123

7.2.3 Hệ thống C 128

7.2.4 Hệ thống D 134

7.2.5 Hệ thống E 138

7.2.6 Hệ thống điện 500kV Việt Nam đến năm 2012 139

7.3 HÀM NĂNG LƯỢNG KHI CÓ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN FACTS 143

7.4 MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN TRỞ LẠI ĐỒNG BỘ 149

CHƯƠNG 8 171

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 171

8.1 KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 171

8.1.1 Đặc điểm của đề tài 171

8.1.2 Điểm mới của đề tài 171

8.1.3 Tính khả thi và thực tiễn của đề tài 172

8.2 NHỮNG TỒN TẠI VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 172

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 2.1 Cấu trúc của SVC trong đó B là điện dẫn ngang tương đương của bộ điều

khiển [MCRR 03] 23

Hình 2.2 Điều khiển pha của STATCOM, trong đó α là độ dịch pha giữa nguồn áp ac

VSC và điện áp nút của nó V [MCRR 03] 23

Hình 3.2: Mô hình máy phát 29

Hình 3.3: Mô hình hệ thống nhiều máy phát (mô hình cổ điển) 30

Hình 3.5- Vùng hấp dẫn và vùng tính toán 35

Hình 4.1: Miêu tả hệ thống điện đơn giản 40

Hình 4.2.a: Miêu tả các thiết bị FACTS 41

Hình 4.2.B: Mô hình điều khiển các thiết bị FACTS 42

Hình 4.3: Quan hệ giữa công suất P, Q theo góc truyền tải của bộ bù song song 44

Hình 4.4: Phân tích vị trí đặt tụ bù song song 44

Hình 4.5: Quan hệ giữa công suất P và điện áp đầu nhận 45

Hình 4.9: Cấu hình cơ bản của bộ bù nối tiếp SSSC 48

Hình 4.10: Mô hình nguồn áp nối tiếp 49

Hình 4.11 : Mô hình nguồn áp nối tiếp thay thế bằng nguồn dòng 49

Hình 4.12: Mô hình của bộ VSC mắc nối tiếp 50

Hình 4.13 Mạch cấu tạo chủ yếu của TCSC 50

Hình 4.14: Mô hình TCSC như là bộ điều khiển giảm dao động 53

Hình 4.15: Hệ thống để nghiên cứu điều khiển dao động 53

Hình 4.16: Nghiên cứu TCSC để điều khiển dập tắt dao động 54

Hình 5.1 Đồ thị công suất 58

Hình 5.2 Minh họa tiêu chuẩn khoảng cách hay khe hở (gap) để xác định các máy phát

tới hạn 59

Hình 5.2.a Những động thái của góc rôto cho trường hợp ổn định (a) 59

và không ổn định (b) 59

Hình 5.3 Miêu tả các quỹ đạo SMIB theo miền thời gian tương ứng với P - δ 62

Hình 5.4: Lưu đồ giải thuật chương trình chính 66

Hình 5.5 Lưu đồ chương trình tính PBCS bằng phương pháp Fast Decoupled 67

Hình 5.6: Lưu đồ toàn bộ chương trình mô phỏng theo miền thời gian 69

Hình 5.7: Lưu đồ giải thuật tính ma trận rút gọn Ybus 71

Hình 5.8: Lưu đồ giải thuật tính biên ổn định và không ổn định 72

Hình 5.9: Sơ đồ hệ thống 2 máy phát 74

Hình 5.10- Tiêu chuẩn diện tích cho mô hình một máy phát nối với thanh cái vô cùng

lớn 76

Hình 5.11: Công suất của hệ thống điện theo góc 76

Hình 5.12: Mặt phẳng pha δ−ω 77

Hình 5.13 Bề mặt biên năng lượng thế năng 81

Hình 6.1: Hệ thống có máy phát nối thanh cái vô cùng lớn (a): Mô hình hệ thống (b) Đặc tính truyền tải 89

Hình 6.2: Minh họa ổn định quá độ 91

Hình 6.3: Mô hình hệ thống truyền tải (a): Sơ đồ hệ thống (b) Đặc tính truyền tải 92

Hình 6.4: Mô hình hệ thống truyền tải với CSC (a): Sơ đồ hệ thống (b) Đặc tính truyền tải 93

Hình 6.5: Mô hình hệ thống truyền tải với SSSC (a): Sơ đồ hệ thống (b) Đặc tính truyền tải (c)Ảnh hưởng của tỉ số điện áp đầu cực hệ thống lên đặc tính truyền tải 94

Hình 6.6: Mô hình hệ thống truyền tải với SVC (a): Sơ đồ hệ thống (b) Sơ đồ tổng trở 95 (c) Đặc tính truyền tải 95

Hình 6.7: Mô hình hệ thống truyền tải với STATCOM (a): Sơ đồ hệ thống (b) Sơ đồ pha

tương ứng 97

Hình 6.8: Mô hình hệ thống truyền tải với STATCOM (a): Đặc tính truyền tải (b) Ảnh

hưởng của tỉ số điện áp đầu cực hệ thống lên đặc tính truyền tải 99

Hình 6.9: Mô hình hệ thống truyền tải với PST (a): Sơ đồ hệ thống (b) Sơ đồ pha của PAR (c) Sơ đồ pha QBT 100

Hình 6.10: Đặc tính truyền tải của PAR và QBT (a): Đặc tính truyền tải -PAR (b) Đặc tính truyền tải –QBT ở giữa đường dây (c) Đặc tính truyền tải –QBT tại lưới, hướng (orientation) 1 103

(d) Đặc tính truyền tải –QBT tại lưới, hướng 2 103

Hình 6.11: Mô hình đặc tính truyền tải với UPFC (a): Sơ đồ hệ thống (b) Sơ đồ pha – UPFC tại các đầu cực máy phát (c) Sơ đồ pha –UPFC tại các đầu cực máy phát , ϕTtối ưu 105

Hình 6.12: Đặc tính truyền tải tối ưu của UPFC 106

Hình 6.14: Minh họa các chiến lược điều khiển thiết bị CSC, SSSC, SVC, 109

STATCOM và UPFC 109

Hình 6.15: Minh họa các chiến lược điều khiển PAR 111

Hình 6.16: Minh họa các chiến lược điều khiển QBT 112

Hình 7.1: Mô hình hệ thống nối thanh cái vô cùng lớn –hệ thống A 120

Hình 7.2: Sơ đồ tương đương hệ thống A 121

Hình 7.3: Đồ thị biểu diễn hàm năng lượng theo thời gian (giây) HT A 122

Hình 7.4: Đồ thị biểu diễn tốc độ rotor theo góc delta của HT A 122

Hình 7.5: Xét ổn định theo tiêu chuẩn diện tích (EAC) của HT A 123

Hình 7.6: Mô hình hệ thống B 123

Hình 7.7: Năng lượng tại tcắt =0,2s- 126

Ngắn mạch 3 pha hệ thống B 126

Hình 7.8: Năng lượng tại tcắt =0,1s- 126

Ngắn mạch 3 pha hệ thống B 126

Hình 7.9: Năng lượng tại tcắt =0,2s-Ngắn mạch 1 pha chạm đất hệ thống B 126

Hình 7.10: Xét ổn định theo tiêu chuẩn diện tích (EAC)- Hệ thống B 127

Hình 7.11: Năng lượng tại tcắt =0,25s 127

Ngắn mạch 2 pha chạm đất hệ thống B 127

(không ổn định) 127

Hình 7.13: Năng lượng tại tcắt =0,2s-Ngắn mạch 2 pha chạm đất hệ thống B (ổn định) 127

Hình 7.14: Mô hình hệ thống C 128

Hình 7.15 – Sơ đồ tương đương hệ thống C 129

Hình 7.15: Hàm năng lượng theo thời gian cắt sự cố -Hệ thống C 133

Hình 7.16: Quan hệ góc và tốc độ theo các thời gian cắt sự cố khác nhau-Hệ thống C133 Hình 7.17: Mô hình hệ thống D 134

Hình 7.18: Biểu đồ điện áp của hệ thống D 134

Hình 7.19: Quỹ đạo hệ thống nhiều máy phát và hệ thống SMIB liên quan (trường hợp

1) của hệ thống D 136

Hình 7.19a: Quỹ đạo hệ thống nhiều máy phát và hệ thống SMIB liên quan (trường hợp 2) của hệ thống D 137

Hình 7.20: Mô hình hệ thống E 138

Hình 7.21: Biểu đồ điện áp 500kV Việt Nam (2012) ở chế độ tải cực đại 139

Hình 7.22: Quỹ đạo hệ thống nhiều máy phát và hệ thống SMIB liên quan 140

(trường hợp 1) của hệ thống điện 500kV Việt Nam 140

Hình 7.23: Quỹ đạo hệ thống nhiều máy phát và hệ thống SMIB liên quan 142

(trường hợp 2) của hệ thống điện 500kV Việt Nam 142

Hình 7.24: Biểu đồ quan hệ ω(δ)và diện tích ứng bù CSC bằng 15% 144

Hình 7.25: Biểu đồ quan hệ ω(δ)và diện tích ứng bù CSC bằng 47% 144

Hình 7.26: Biểu đồ quan hệ ω(δ)và diện tích ứng bù CSC bằng 78% 145

Hình 7.27: Biểu đồ hàm năng lượng ứng tcắt =0,15s, 0.2s ứng tỉ lệ bù CSC bằng 47% 145

Hình 7.28: Biểu đồ quan hệ ω(δ)ứng bù SSSC với UT=- 0,177; -0,751 146

Hình 7.29: Biểu đồ hàm năng lượng ứng tcắt =0,15s, 0.2s 146

ứng bù SSSC với UT=-0.751 146

Hình 7.30: Biểu đồ quan hệ ω(δ)và diện tích ứng bù SVC-Bsvc =0.2 147

Hình 7.31: Biểu đồ quan hệ ω(δ)và diện tích ứng bù SVC-Bsvc =0.6 147

Hình 7.32: Biểu đồ hàm năng lượng ứng tcắt =0,16s, 0.18s ứng bù SVC 147

với Bsvc=-0.6 147

Hình 7.33: Biểu đồ hàm năng lượng theo thời gian ứng mức độ bù CSC=0.2 148

Hình 7.34: Biểu đồ thể hiện thời gian cắt theo mức độ bù CSC 148

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Áp dụng các thiết bị FACTS trong trạng thái xác lập 17

Bảng 2.2 Áp dụng FACTS trong trạng thái quá độ 18

Bảng 4.1: Vấn đề kỹ thuật liên quan đến sự phát triển của HTĐ 39

Bảng 4.2: Các thông số bị ảnh hưởng của thiết bị FACTS 40

Bảng 6.1: Đặt các thông số điều khiển của các thiết bị FACTS để điều chỉnh các đặc tính truyền tải 109

Bảng 7.1: Các tụ bù nối tiếp và kháng điện mắc song song trên các trạm 500kV 115

Bảng 7.2: Các trạm biến áp xây dựng trong giai đọan 2003-2015 117

Bảng 7.3: Các đường dây xây dựng trong giai đọan 2003-2015 118

Bảng 7.4: Kiểm tra tính chính xác của chương trình 121

Bảng 7.5: Kết quả ổn định đối các loại sự cố khác nhau của hệ thống B 127

Bảng 7.6: Kết quả mô phỏng trường hợp 1 hệ thống D 135

Bảng 7.7: Kết quả mô phỏng trường hợp 2 hệ thống D 136

Bảng 7.8: Bảng so sánh kết quả thời gian cắt của chương trình và kết quả của tác giả Hadi Saadat [HS99] 137

Bảng 7.9: Kết quả mô phỏng trường hợp 1 hệ thống E 138

Bảng 7.10: Kết quả mô phỏng trường hợp 1 hệ thống điện 500kV Việt Nam 140

Bảng 7.11: Kết quả mô phỏng trường hợp 2 hệ thống điện 500kV Việt Nam 141

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hệ thống điện (HTĐ) luôn vận hành trong một môi trường ngẫu nhiên và luôn bị xáo trộn bởi những sự cố do môi trường thay đổi hoặc do sự vận hành của con người trong quá trình tác động điều khiển gây nên Những sự cố này có thể làm ngừng cung cấp điện, mất tải, thậm chí gây rã lưới trên phạm vi rộng (như sự cố phân rã hệ thống ở New York 22/07/1970) Hiện nay lưới điện truyền tải của Việt Nam gồm 3 cấp 500kV, 220kV và 110kV, trong đó lưới điện 500kV đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết lưới điện giữa các Miền, còn lưới điện 220kV và 110kV có vai trò truyền tải trong lưới điện khu vực

Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, các phụ tải không ngừng tăng cao và dẫn đến yêu cầu về sự phát triển ngày càng lớn mạnh của hệ thống điện Việt Nam, lượng công suất truyền tải trở nên lớn hơn, yêu cầu về độ tin cậy, chất lượng điện năng và nhất là độ ổn định của hệ thống điện ngày càng tăng cao Ổn định của một hệ thống điện (EPS-Electric power system) là khả năng hệ thống điện giữ được ổn định trong điều kiện làm việc bình thường cũng như khi có sự cố Sau khi có sự cố, hệ thống điện (HTĐ) sẽ trở lại trạng thái trước sự cố hay trạng thái

ổn định mới Các vấn đề ổn định có thể được thể hiện trong nhiều cách khác nhau phụ thuộc vào cấu hình hệ thống, mô hình vận hành và loại sự cố Ổn định hệ thống điện có thể chia ra thành nhiều loại khác nhau như: Ổn định góc, ổn định điện áp, ổn định quá độ, ổn định ở trạng thái xác lập

Ổn định quá độ được định nghĩa như là khả năng của hệ thống điện giữ được đồng bộ sau khi chịu đựng một sự cố Chẳng hạn như: sự cố trên đường dây truyền tải, mất các máy phát hay tải lớn Phản ứng của hệ thống được đặc trưng bởi các độ lệch lớn: góc chuyển động của các rotor máy phát, phân bố công suất, biểu đồ điện áp của hệ thống v.v

Tiêu chuẩn đối hệ thống ổn định quá độ là độ lệch góc giữa các máy phát nếu xét theo sự mô phỏng theo miền thời gian, còn xét theo phương pháp năng lượng thì

đó là biên độ ổn định hay biên năng lượng tới hạn theo quan hệ hàm năng lượng Nếu chúng nằm trong một giới hạn biên cho phép thì hệ thống điện sẽ giữ được

ổn định đồng bộ Việc đánh giá ổn định và điều khiển hệ thống điện trở lại đồng

bộ là yêu cầu rất cần thiết và cấp bách trong hệ thống điện nhất là tương lai sẽ hình thành thị trường điện ở Việt Nam với nhiều cấp độ khác nhau, bởi vì nó sẽ giúp chúng ta tránh được những đợt rã lưới, mất tải; giúp nâng cao độ ổn định và tin cậy trong việc cung cấp điện

Theo nhiều tài liệu tham khảo, các thiết bị FACTs là công cụ đầu tiên và hiệu quả nhất cho việc điều khiển phân bố công suất động trong HTĐ.Việc nghiên cứu các thiết bị FACTS không phải là mới mẻ ở các nước có nền công nghiệp phát triển trên thế giới nhưng vẫn là đề tài đang được nghiên cứu ở các trường Đại Học, các hiệp hội Điện trên thế giới nhất là việc ứng dụng FACTS trong các lĩnh vực hệ thống như ổn định, phân bố công suất tối ưu, ổn định hệ thống, chất lượng điện năng

1.2 NHIỆM VỤ VÀ MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN

Lĩnh vực đánh giá và điều khiển hệ thống điện trở lại đồng bộ là lĩnh vực rất phức tạp và vô cùng rộng lớn, có rất nhiều nội dung cần phải tìm hiểu và nghiên cứu Do đó luận án này sẽ tập trung đánh giá ổn định hệ thống theo phương pháp hàm năng lượng và phương pháp Hybrid, có kiểm tra và xem xét so các phương pháp truyền thống như phương pháp diện tích và mô phỏng theo miền thời gian Qua đó sẽ áp dụng hàm năng lượng cho các thiết bị FACTS, ứng dụng chúng để điều khiển hệ thống điện trở lại đồng bộ cụ thể là hệ thống điện 500kV Việt Nam đến năm 2012 Để trực quan và dễ hiểu luận án đã thực hiện mô phỏng trên Simulink/Matlab

Nhiệm vụ trọng tâm của luận án:

- Tổng quan về các phương pháp đánh giá ổn định và điều khiển hệ thống

- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ FACTS vào việc điều khiển ổn định hệ thống điện

- Nghiên cứu các lý thuyết ổn định để đánh giá và điều khiển hệ thống điện trở lại đồng bộ

- Lập trình tính toán, mô phỏng áp dụng cho các ví dụ và hệ thống điện 500kV của Việt Nam đến năm 2012

1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

Luận án này tập trung nghiên cứu và mong muốn trình bày:

- Tổng quan về các phương pháp đánh giá ổn định hiện nay trong hệ thống điện; tổng quan về việc ứng dụng thiết bị bù dọc và bù ngang trên lưới điện cao áp Mục tiêu chọn là bù để nâng cao ổn định góc của hệ thống điện

- Nghiên cứu các mô hình ổn định trong hệ thống điện và mô hình điều khiển các thiết bị FACTS (Flexible AC transmission systems)

- Nghiên cứu về các phương pháp phân tích ổn định quá độ và điều khiển

hệ thống điện

- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ FACTS để điều khiển ổn định quá độ

hệ thống điện

- Lập trình tính toán, mô phỏng dựa trên phần mềm Matlab/Simulink 6.5

và áp dụng chương trình đã thiết lập vào các ví dụ và hệ thống điện 500kV của Việt Nam

1.4 ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN VÀ GIÁ TRỊ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

- Các lý thuyết áp dụng trong luận án tuy không mới nhưng hiện nay vẫn đang nghiên cứu trong lĩnh vực ổn định và nhất là lĩnh vực điều khiển hệ thống Ưu điểm của các phương pháp nghiên cứu là có tính logíc và nền tảng toán học vững chắc nên có tính thực tiễn cao

- Ứng dụng công nghệ FACTS để điều khiển hệ thống điện trở lại đồng bộ còn là đề tài mới mẻ và đang được nhiều tổ chức và cá nhân nghiên cứu

- Các phương pháp phân tích ổn định như hàm năng lượng dựa trên phương pháp Lyapunov và Hybrid là các phương pháp mới và hiện đại để phân tích ổn định

- Việc áp dụng hàm năng lượng để điều khiển ổn định là lĩnh vực còn rất mới, một vài năm trở lại đây trên các tạp chí chuyên nghành Điện ít có đề cập vấn đề này

- Ứng dụng Simulink/Matlab cho hệ thống điện 500kV Việt Nam đoạn từ Pleiku-Phú Lâm đến năm 2012

1.5 NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN

Đề tài gồm 8 chương và phần phụ lục như sau:

CHƯƠNG 1: Giới thiệu đề tài

CHƯƠNG 2: Các khái niệm và tổng quan về ổn định quá độ, FACTS và ứng dụng FACTS điều khiển hệ thống điện

CHUƠNG 3: Mô hình hệ thống điện trong nghiên cứu ổn định

CHƯƠNG 4: FACTS và áp dụng FACTS trong hệ thống điện

CHƯƠNG 5: Các phương pháp áp dụng phân tích ổn định hệ thống điện

CHƯƠNG 6: Áp dụng FACTS để điều khiển ổn định quá độ

CHƯƠNG 7: Kiểm tra và áp dụng thực tế cho hệ thống điện 500kV Việt Nam đến năm 2012

CHƯƠNG 8: Kết luận và định hướng phát triển của đề tài

PHẦN TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHẦN PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH

CHƯƠNG 2 CÁC KHÁI NIỆM VÀ TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH QUÁ ĐỘ, FACTS VÀ

ÁP DỤNG FACTS ĐỂ ĐIỀU KHIỂN HTĐ

2.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Dưới các điều kiện vận hành bình thường, với độ lệch nhỏ từ các điều kiện trạng thái xác lập gây ra bởi sự thay đổi nhỏ của các tải, một hệ thống điện (HTĐ) luôn vận hành gần điểm cân bằng Khi có sự cố xảy ra trong hệ thống điện sẽ gây ra nhiều sự thay đổi ở các tải tại vài máy phát trong hệ thống điện Bởi vì việc điều khiển cơ của các máy phát là phản ứng chậm hơn so công suất điện từ của các tải nên có thể, thay vì hệ thống điện trở lại điều kiện trạng thái xác lập thì một hay vài máy phát bị thay đổi về tốc độ và gây ra sự mất đồng bộ trong hệ thống điện Các máy phát mất đồng bộ cần phải được tách ra khỏi lưới để tránh tình trạng sụp

đổ khác trong hệ thống điện Nếu một máy phát bị tách khỏi hệ thống thì sẽ làm giảm công suất phát hiện thời, cần phải đưa công suất của các nguồn phát khác vào trong hệ thống điện Các sự cố liên tiếp trong hệ thống điện có thể gây ra sự mất điện trên diện rộng, giảm sự liên kết mạch vòng, phá hủy sự làm việc của các thiết bị Trong tương lai không xa, vấn đề kinh tế và môi trường, giới hạn của nguồn phát và sự gia tăng không ngừng của phụ tải là một áp lực đối với hệ thống điện để vận hành gần biên độ tin cậy hơn, chính vì thế việc xem xét ổn định động là việc làm cần thiết và cấp bách

Sự không ổn định trong HTĐ có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân khác nhau, do các nhiễu loạn tác động vào hệ thống Bởi vì hệ thống điện làm việc phụ thuộc vào các máy phát, nên chúng phải luôn luôn giữ ổn định và ở trạng thái đồng bộ,

để hệ thống đảm bảo vận hành an toàn Khi có những kích động lớn xảy ra đột ngột (như các sự cố ngắn mạch, sét đánh làm cắt đột ngột đường dây, thao tác cắt MBA cung cấp đang có phụ tải đưa ra sửa chữa ) làm mất cân bằng công suất, làm cho trạng thái cân bằng moment quay trong máy phát bị phá vỡ, xuất hiện gia tốc làm thay đổi mạnh góc lệch roto Quá trình quá độ diễn ra có thể ổn định hoặc không ổn định phụ thuộc mức độ của các kích động Loại ổn định như thế gọi là ổn định góc (Angular Stability) Vấn đề ổn định góc liên quan đến việc nghiên cứu sự dao động điện từ trong hệ thống điện

Một loại không ổn định khác có thể cũng xảy ra, không phải do sự mất đồng bộ của các máy phát mà là do sự sụp đổ điện áp tại các tải Gây ra ảnh hưởng đến một lượng lớn các tải trong HTĐ và ổn định này được gọi là ổn định điện áp (Voltage Stability)

Phụ thuộc vào mức độ nghiêm trọng của các nhiễu loạn, ổn định góc có thể chia làm 2 loại Khi có nhiễu loạn nhỏ, chẳng hạn như sự thay đổi của các tải và máy

phát đối HTĐ thì ổn định liên quan gọi là ổn định tín hiệu nhỏ (small signal stability) Ngược lại, khi có nhiễu loạn lớn xảy ra đối hệ thống, chẳng hạn như:

sự cố trên đường dây truyền tải, các tải thay đổi đột ngột, sự cố các máy phát, đóng cắt trên đường dây v.v ổn định liên quan gọi là ổn định quá độ (transient stability)

Theo P.Kunder và nhóm IEEE/CIGRE [CIGRE 04] thì ổn định quá độ là “ khả năng của hệ thống điện giữ được đồng bộ khi chịu đựng các nhiễu loạn, chẳng hạn như sự cố trên đường dây truyền tải, mất máy phát điện hay mất các tải lớn”

và phân chia ra các dạng mất ổn định của hệ thống điện như sau:

Ổn định hệ thống

- Có khả năng duy trì ở trạng thái cân bằng

- Cân bằng giữa các nội lực đối ngược nhau

- Ổn định duy trì một điện áp chấp nhận

- Cân bằng công suất phản kháng

Ổn định Dài hạn

Ổn định

Quá độ

Ổn định nhiễuloạn điện áp

- Nhiễu loạn lớn

- Ổn định ở First – wing

- Thời gian nghiên cứu đến 10s

Ổn định điện áp ở nhiễu loạn bé

2.2 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH

Để ngăn ngừa cắt điện liên tiếp (cascading) trong suốt quá trình nhiễu loạn, đã có hàng nghìn công trình nghiên cứu đã thực hiện liên quan đến việc quy hoạch và vận hành HTĐ Theo truyền thống, việc phân tích ổn định quá độ đã thực hiện để hiểu được khả năng ổn định của HTĐ khi chịu đựng các nhiễu loạn xác định và các đáp ứng của hệ thống, chẳng hạn: sự cản dịu các dao động của máy phát, hệ thống trở lại điều kiện vận hành bình thường Mục đích chính của việc nghiên cứu ổn định quá độ là thiết lập các giới hạn ổn định, khả năng mang tải của các máy phát tới hạn, điện áp tại nút quan trọng v.v Các tình trạng của hệ thống được mô phỏng và kiểm tra thời thực trên máy tính, nhưng trong việc vận hành

có những sự cố xảy ra ngoài dự đoán của chúng ta Nên muốn biết được ảnh hưởng của chúng thì phải tính toán một cách trực tuyến các giới hạn ổn định quá

độ Chính vì thế kỹ thuật đánh giá nhanh ổn định quá độ cần phải thay đổi ứng các đáp ứng của hệ thống, để có thể áp dụng trực tuyến Thực tế, đã có nhiều phương pháp để phân tích ổn định quá độ Có thể chia làm 6 loại chính:

• Phương pháp mô phỏng theo miền thời gian (Time domain simulation methods)

• Phương pháp trực tiếp (Direct methods)

• Phương pháp xác xuất (Probabilistic methods)

• Phương pháp gián tiếp (Indirect methods)

• Phương pháp lai (The hybrid method)

• Phương pháp hệ thống Hamiltonian

2.2.1 Phương pháp mô phỏng theo miền thời gian

Phương pháp mô phỏng theo miền thời gian (Time Domain Simulation method)

là phương pháp phân tích ổn định phổ biến nhất bởi vì tính đơn giản và dễ hiểu của nó Trong phương pháp này, kỹ thuật tích phân số từng bước được dùng để

giải các phương trình phi tuyến (còn gọi là phương pháp Indirect methods) , tìm

ra các quỹ đạo chuyển động của máy điện Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi một khối lượng tính toán và thời gian xứ lý lớn khi giải quyết các hệ thống có quy mô và không tìm được biên ổn định của HTĐ Biên ổn định là rất cần thiết

để phân loại các sự cố khác nhau và giúp chúng ta đưa ra các biện pháp cần thiết

• Mỗi sự cố được xem xét một cách riêng lẽ

• Giới hạn ổn định đạt được bởi các phép thử khác nhau

• Cần những khoảng bước thời gian rất nhỏ để duy trì độ chính xác và ổn định số

Theo [CDR 98] đã trình bày vấn đề “Đánh giá ràng buộc ổn định trực tuyến cho

hệ thống phức tạp”, tác giả đã miêu tả phương pháp hiệu chỉnh việc phân tích theo miền thời gian cho hệ thống phức tạp Bài báo đã miêu tả cách dùng thực tế của phương pháp mô phỏng theo miền thời gian cho hệ thống phức tạp dựa trên 3 chỉ số: Biên năng lượng cho ổn định quá độ và hệ số cản dịu hệ thống cho sự không ổn định dao động, Coherent Clustering Giải thuật phát triển ở đây là một

hệ thống giám sát an ninh động trực tuyến dựa trên phương pháp mô phỏng theo miền thời gian và kỹ thuật xử lý phân bố và được gọi là giải thuật đánh giá ràng buộc ổn định - Stability Constraint Assessment Algorithm (SCM) Hơn nữa, độ nhạy hệ thống và các điều kiện ràng buộc của máy phát cũng được tính toán, nó giúp ích cho việc điều khiển ngăn ngừa, hiệu chỉnh và giám sát an ninh hệ thống

2.2.2 Các phương pháp trực tiếp

Hiện nay, các phương pháp trực tiếp (Direct Methods) được xem như là sự lựa

chọn tốt nhất cho việc giải các phương trình phi tuyến Phương pháp trực tiếp dùng phân tích ổn định quá độ có thể xác định ổn định mà không tích hợp các phương trình vi phân miêu tả hệ thống sau sự cố

Mặc dù phương pháp mô phỏng theo miền thời gian là phương pháp đáng tin cậy nhất nhưng việc tính toán mất nhiều thời gian và không thể xác định biên ổn định

và áp dụng một cách trực tuyến Để khắc phục các nhược điểm này của phương

pháp mô phỏng theo miền thời gian, hai phương pháp hàm năng lượng (Transient Energy Function- TEF) và tiêu chuẩn diện tích (Equal Area Criterion

-EAC) đã được đề cập Ưu điểm chính của phương pháp trực tiếp là tính toán biên ổn định, giúp cho việc xác định giới hạn ổn định một cách nhanh chóng

Phương pháp hàm năng lượng quá độ

Các phương pháp năng lượng cơ bản áp dụng cho phân tích ổn định quá độ là các trường hợp đặc biệt của phương pháp hàm Lyapunov tổng quát thứ hai [GE66] Các hàm Lyapunov phù hợp để phân tích các hệ thống phức tạp.Tuy nhiên Ribbens-Pavella đã chứng minh rằng các hàm Lyapunov được bắt nguồn từ các biến trạng thái thích hợp, tương đương hàm năng lượng quá độ được phát triển bởi Aylett [PA58]

Phát triển và đánh giá một phương pháp phân tích để xác định trực tiếp ổn định quá độ được miêu tả bởi T Athey et al [APV 79] Phương pháp được phát triển dựa trên việc phân tích năng lượng quá độ và giải thích sự nhiễu loạn của hệ thống và các ảnh hưởng của điện dẫn truyền tải lên hoạt động hệ thống Phương pháp phỏng đoán thời gian cắt tới hạn đối ổn định quá độ trong dao động ban đầu (first swing) Hơn thế nữa, khả năng thực tế của phương phương pháp này áp dụng phân tích cho cả suốt thời gian quy hoạch và vận hành của hệ thống

Hiện nay, phương pháp hàm năng lượng quá độ được biết như phương pháp nổi tiếng để đánh giá nhanh ổn định quá độ Nhóm CIGRE trong báo cáo của họ đã phân tích phương pháp này [CIGRE 92] Phương pháp hàm năng lượng quá độ

có thuận lợi là tính toán biên năng lượng quá độ (transient energy margin -TEM), cho phép xác định nhanh giới hạn năng lượng quá độ bằng các phương pháp độ nhạy Có 3 kỹ thuật chính trong phương pháp hàm năng lượng quá độ đã được đề cập bởi nhiều tác giả, như sau:

• Phương pháp duy trì sự cố liên tục

• Phương pháp điều khiển điểm cân bằng không ổn định (controlling

unstable equilibrium point -UEP)

• Phương pháp lai (hybrid method )

Phương pháp điều khiển UEP [FVN 87] dùng miền (x|V(x)<Vcr) để xác định miền ổn định, năng lượng tới hạn Vcr là năng lượng thế năng tại điểm cân bằng không ổn định UEP Để đánh giá việc điều khiển điểm cân bằng không ổn định UEP, có hai phương pháp: Mô hình phương pháp nhiễu loạn [FVF84] và phương pháp điểm hiện tại [CW 91] đã được đề cập Bên cạnh gặp khó khăn để tính toán điểm cân bằng không ổn định UEP, phương pháp điều khiển UEP còn hạn chế đối mô hình hệ thống cổ điển (classical system model)

Phương pháp duy trì sự cố liên tục mô phỏng quỹ đạo sự cố và đỉnh năng lượng thế năng đầu tiên của quỹ đạo này được xác định (gần bằng năng lượng tới hạn) Trong phương pháp này, thời gian cắt tới hạn (critical clearing time -CCT) có thể được đánh giá cho các máy phát nhiễu loạn [VBF 91] mà ở chúng bề mặt biên năng lượng thế năng (potential energy boundary surface -PEBS) gần bằng với điểm điều khiển không cân bằng UEP Tuy nhiên, cách tính điều khiển điểm UEP

là khó hơn so với hai phương pháp ở trên

Những năm gần đây nhiều tác giả cũng đã nghiên cứu cải tiến, ứng dụng phương pháp hàm năng lượng trong vấn đề ổn định như:

[SK 04] đã đề cập đến phương pháp ổn định dựa trên tái cấu trúc máy phát dùng

độ nhạy biên năng lượng ổn định (EM) (EM được tính toán dựa trên cấu trúc mô hình năng lượng dự trữ) Phương pháp này dùng chỉ số độ nhạy để đánh giá sự

thay đổi của EM đối với sự thay đối các nguồn phát ứng các mô hình tải khác nhau mà không cần phải tính toán điểm cân bằng không ổn định UEP

Theo [WMT 04] tác giả đã trình bày một phương pháp để nghiên ổn định cục bộ trong hệ thống điện nhiều máy phát Biên giới hạn ổn định cục bộ được đánh giá thông qua chu kỳ giới hạn không ổn định sử dụng lý thuyết điểm rẽ nhánh (Hopf bifurcation) Bài báo này cũng trình bày một phương pháp số để phân tích các đặc tính phi tuyến trong hệ thống điện bởi việc thu thập các dữ liệu dao động công suất, ở đây các số hạng phi tuyến đa bậc được xác định bởi phương pháp trọng số bình phương tối thiểu

Áp dụng các phương pháp trực tiếp hàm Lyapunov trong việc đánh giá ổn định quá độ của hệ thống điện đã được trình bày kỹ trong [PMA 89] Để đánh giá năng lượng ổn định của một sự cố thì năng lượng đạt được trong suốt quá trình

sự cố được so sánh với năng lượng lớn nhất mà hệ thống hấp thụ Năng lượng này được miêu tả trong các số hạng ứng với khoảng thời gian sự cố, cắt sự cố, điểm cân bằng ổn định sau sự cố và liên quan đến điểm cân bằng không ổn định sau sự cố Mỗi sự cố ứng với thời gian cắt khác nhau sẽ có quỹ đạo sự cố và hàm năng lượng quá độ khác nhau

Cũng theo [PMA 89] phương pháp bề mặt biên năng lượng thế năng (the potential energy boundary surface method -PEBS) được giới thiệu đầu tiên bởi

Kakimoto et al, đề cập đến sự thuận lợi khi tránh khỏi việc xác định điểm cân bằng không ổn định (UEP) Một hệ thống điện dưới các điều kiện quá độ được miêu tả như một quả banh lăn trong hình cái bát, mà bề mặt của nó giống như bề mặt năng lượng thế năng phụ thuộc vào cấu hình hệ thống trong quá trình sự cố Ban đầu, hệ thống điện (quả banh) ở tại điểm cân bằng ổn định trước sự cố (stable equilibrium point -SEP), ứng với năng lượng thế năng thấp nhất Miền của bề mặt năng lượng thế năng gần với điểm SEP được bao bọc một tập hợp các điểm yên ngựa, thường được gọi là điểm không cân bằng (UEP) Bề mặt liên kết tất cả các điểm UEPs được gọi là bề mặt biên năng lượng thế năng (PEPS), nó là hình chiếu của miền ổn định lên không gian của các góc rotor Khi một hệ thống điện chịu đựng một sự cố, các góc rotor sẽ dao động khỏi các vị trí cân bằng Điều này tương đương với quả banh di chuyển khỏi điểm cân bằng ổn định trên

bề mặt năng lượng thế năng Suốt khoảng thời gian sự cố, quả banh đạt được cả năng lượng thế năng và động năng Lúc sự cố được cắt, quả banh tiếp tục lăn trên

bề mặt năng lượng, chuyển đổi động năng thành thế năng Nếu quả banh chuyển đổi tất cả năng lượng động năng thành năng lượng thế năng trước khi đạt đến PEBS thì hệ thống ổn định và ngược lại Trong phương pháp trực tiếp phân tích

ổn định quá độ, mức độ ổn định được đo lường bởi việc so sánh năng lượng thế năng của hệ thống tại điểm cân bằng so với tổng số năng lượng quá độ bơm vào

hệ thống khi sự cố Hay theo [AM 83] đề cập đến phương pháp siêu mặt phẳng

tiếp tuyến (tangent hyperplanes) và siêu bề mặt tiếp tuyến (tangent hypersurface), một phương pháp thuận lợi cho việc đánh giá ổn định quá độ

Phương pháp này tính toán miền ổn định của hệ thống bởi các siêu mặt phẳng và siêu bề mặt tiếp tuyến với biên ổn định của các điểm cân bằng không ổn định Cùng với việc áp dụng mạng nơron nhân tạo (ANN) trong các lĩnh khác của hệ thống điện thì trong việc đánh giá ổn định, [AR 96] tác giả đã dùng mạng ANN

để đánh giá an ninh động bằng phương pháp nhận biết mẫu (Pattern recognition using neural networks) và phương pháp điều khiển bổ sung rời rạc, các mẫu huấn

luyện và các mạng ANN khác nhau cũng được nghiên cứu ứng các loại sự cố khác nhau Phương pháp này được áp dụng cho hệ thống thực bao gồm cả việc điều khiển bổ sung rời rạc Phương pháp đã nghiên cứu và miêu tả sự khác nhau của các mẫu huấn luyện và cấu trúc mạng neural Đầu vào của mạng bao gồm cấu hình thay đổi của HTĐ, tải, mức độ phát và các sự cố khác nhau Một cấu trúc các mẫu huấn luyện đặc biệt được đưa ra nhằm giảm sai số phân loại Các kết quả đồ họa của bài báo rất có ích cho người vận hành hệ thống lựa chọn các hành động điều khiển ngăn ngừa thích hợp

Liên quan đến hàm Lyapunov áp dụng cho hệ thống điện có điện dẫn truyền tải Newton G.Bretas, Luis F.C.Alberto [BA 03] và [LP 97] đã xây dựng hàm Lyapunov mở rộng dựa trên nguyên tắc bất biến, phương pháp này xác định góc cắt tới hạn một cách chính xác cho hệ thống điện có tổn thất Đã áp dụng thành công cho mô hình một mát phát và nhiều máy phát Tuy nhiên, phương pháp vẫn chưa áp dụng được cho mô hình máy phát đầy đủ và mô hình các loại tải khác nhau

Ngoài ra theo [ISM 98] của Felice Iavernaro, Massimo La Scala, Francesca Mazzia đã đề cập đến phương pháp “Biên của vùng ổn định dựa trên phương

pháp điều khiển điểm cân bằng không ổn định- A boundary of stability region based controlling unstable equilibrium point method” hay còn gọi là phương

pháp BCU để áp dụng phân tích trực tiếp ổn định quá độ của hệ thống điện Điểm khác biệt giữa phương pháp BCU so với các phương pháp điều khiển trực tiếp hiện tại là tìm và điều khiển một cách chính xác điểm U.E.P trên quỹ đạo sự cố với nền tảng lý thuyết hoàn chỉnh Phương pháp này dựa trên quan hệ giữa biên của vùng ổn định của một HTĐ và hệ thống rút gọn Phương pháp BCU tìm điểm điều khiển U.E.P một cách dễ dàng, nhanh chóng thông qua hệ thống điện rút gọn và đã mô phỏng, kiểm tra thành công trên hệ thống IEEE 50 máy phát, 145 nút

Phương pháp tiêu chuẩn diện tích mở rộng (EEAC)

Phương pháp hệ thống tương đương một máy phát (Single Machine Equivalent System -SMES) hay phương pháp tiêu chuẩn diện tích mở rộng dựa trên phương

pháp tiêu chuẩn diện tích (Equal Area Criterion -EAC) đã được đề cập đầu tiên bởi Kimbark [EK 94] Phương pháp EAC là phương pháp dễ nhất và là phương pháp cơ bản để kiểm tra ổn định của hệ thống 2 máy phát mà không cần giải hệ

phương trình chuyển động nhưng nó không thể áp dụng cho hệ thống có nhiều máy phát Các cách giải ổn định dựa trên EAC đã đề cập trong cuốn “Power System Analysis”[GS 94], nhưng không có phềm mềm đồ họa nào đề cập đến EAC

Atif Jaman Khan et al [AF 98] cung cấp một phầm mềm gọi là EAC_TSTAB dựa trên phương pháp hàm năng lượng Phần mềm này hiển thị một cách trực quan về EAC giúp chúng ta hiểu được các khái niệm về ổn định HTĐ Phần mềm có thể

sử dụng cho đường dây có tổn thất, cắt sự cố, sự cố ứng tổng trở sự cố bằng không hay khác không Ưu điểm của phương pháp EEAC là việc tính toán biên

ổn định và thời gian tới hạn dựa trên các phương trình đại số chính xác

Phương pháp EEAC biến đổi tương đương hệ thống nhiều máy phát thành hệ thống một máy phát Phương pháp này là một phương pháp trực tiếp để đánh giá

ổn định hệ thống điện có nhiều máy phát một cách trực tuyến và đã được đề cập bởi Y.Xue et al [XCP 88] Phương pháp này biến đổi thay thế hệ thống điện có nhiều máy phát thành hệ thống tương đương hai máy phát sau đó biến đổi tương đương thành hệ thống gồm 1 máy phát nối thanh cái vô cùng lớn Vì thế việc giải quyết ổn định HTĐ được thực hiện bởi các phương trình đại số, áp dụng tiêu chuẩn diện tích Hơn thế nữa một kỹ thuật về ma trận tổng dẫn rút gọn được phát triển, nó đã chứng minh hiệu quả cho việc đánh giá HTĐ lớn và nhiều sự cố Y.Xue et al [XCP 89] đã giải thích thêm về tiêu chuẩn diện tích mở rộng, tính đúng đắn, tổng quát hóa và các ứng dụng của nó

M.H.Haque et al [MH 94] đề cập đến một phương pháp xác định ổn định của hệ thống nhiều máy phát mà không cần thay thế hệ thống thành hệ thống tương đương với một máy phát nối thanh cái vô cùng lớn (Single Machine Infinite Bus -SMIB) Phương pháp này giả sử rằng chỉ có một máy phát bị nhiễu loạn nghiêm trọng và nó ảnh hưởng đến sự không ổn định của hệ thống Tính chất động của các máy phát không ổn định được giả sử là có ảnh hưởng không lớn đối hệ thống Tuy nhiên, phương pháp này phải tính toán vòng lặp để tìm ra điểm ổn định không cân bằng

Cũng cùng tác giả M.H Haque et al, [MH 95] đề cập phương pháp thay vì tính toán tốn nhiều thời gian để tìm ra UEP thì sẽ đánh giá công suất tăng tốc của các máy phát nhiễu loạn dọc theo quỹ đạo sự cố Phương pháp này cũng giả sử loại

ra một máy phát nhiễu loạn nghiêm trọng và các máy phát chuyển động không ổn định Phương pháp này xác định sự ổn định của hệ thống nhiều máy phát bằng cách kiểm tra giới hạn ổn định của mỗi duy nhất một máy phát và gọi là máy phát tới hạn, nó được phân biệt bởi theo dõi sự thay đổi công suất tăng tốc của máy phát dao động nghiêm trọng Phương pháp này dùng lý thuyết tiêu chuẩn diện tích, xác định thời gian cắt tới hạn một cách đơn giản bởi tiêu chuẩn Taylor mở rộng nhiều bậc

2.2.3 Phương pháp lai (Hybrid method)

Để tránh tính toán tốn thời gian như phương pháp mô phỏng theo miền thời gian

và giới hạn của phương pháp trực tiếp, Maria et al [MTK90] đầu tiên đã giới thiệu phương pháp Hybrid Phương pháp Hybrid là sự kết hợp các ưu điểm của

cả 2 phương pháp: Phương pháp kỹ thuật mô phỏng theo miền thời gian và phương pháp trực tiếp phân tích ổn định Phương pháp Hybrid đầu tiên tính toán quỹ đạo hệ thống thực, mô phỏng theo miền thời gian trong khoảng thời gian ngắn, sau đó tính biên năng lượng quá độ như là một chỉ số để xét ổn định

Phương pháp Hybrid, hiện nay được xem là phương pháp ưu điểm và giảm bớt các hạn chế khi so với các phương pháp khác Một đặc điểm nổi bật của phương pháp Hybrid, khả năng áp dụng cho mô hình máy phát chi tiết có kích từ và các tải phi tuyến Nhiều kỹ thuật mới khác cũng được phát triển để nâng cao hiệu quả của phương pháp Hybrid trong việc đánh giá ổn định quá độ một cách trực tuyến Phương pháp sự cố giả -pseudo fault [TGEA 93] và phương pháp second kick [MVC 94] là hai phương pháp được công bố gần đây, cải thiện phương pháp hybrid mở rộng để áp dụng cho các mô hình hệ thống chi tiết Việc xác định TEM đối với phương pháp Hybrid phụ thuộc vào mô phỏng quỹ đạo sau sự cố Ứng trường hợp không ổn định TEM được xác định như năng lượng động năng hiệu chỉnh tại điểm hiện tại của quỹ đạo sau sự cố

Ứng trường hợp ổn định TEM được xác định độ lệch thế năng giữa điểm đỉnh PE

và điểm hiện tại tại PEBS mà nó được đánh giá dọc theo quỹ đạo pseudo fault dùng luật hình thang [TGEA 93]

Kỹ thuật mới được phát triển trong vài năm gần đây dùng để nâng cao hiệu quả của phương pháp Hybrid đáng để chú ý và rất hữu ích Bài báo của S Liu et al [LWY 96] đã mở rộng phân tích ổn định quá độ đối hàm năng lượng dựa trên cấu trúc mô hình bảo toàn (structure preserving model-SPM) Khi phương pháp hybrid được mở rộng thành SPM thì điểm quan trọng trong việc nghiên cứu không chỉ các biến trạng thái động (góc công suất máy phát, gia tốc góc) mà còn

có các biến trạng thái đại số (biên độ điện áp của hệ thống, góc điện áp) trong các phương trình hệ thống SPM dùng các phương trình vi phân đại số cho hệ thống động được tham chiếu tương ứng với góc trung tâm

SPM dùng trong phương pháp này có thể khắc phục các nhược điểm của mô hình

cổ điển.Ưu điểm của phương pháp này cung cấp, đo lường mức độ ổn định và tin cậy hơn các phương pháp trực tiếp mặc dù thời gian tính toán lớn hơn Phương pháp này dùng biên năng lượng ổn định để xác định giới hạn ổn định một cách thực tế hơn so với phương pháp lai cổ điển

Phương pháp khác của phương pháp Hybrid gọi là phương pháp tương đương một máy phát (Single Machine Equivalent -SIME) phương pháp này dựa vào

việc mô phỏng theo miền thời gian, kết hợp tính toán các giới hạn ổn định bằng tiêu chuẩn diện tích Nguyên tắc của phương pháp này đã được giới thiệu trong các bài báo [ZWRP 96a] [ZWRP 96b] bởi Y Zhang et al Trong phương pháp này, SIME thay thế một hệ thống điện nhiều máy phát thành một phát nối thanh cái vô cùng lớn và đánh giá ổn định bằng cách:

• Chạy chương trình mô phỏng theo miền thời gian của hệ thống nhiều máy phát trong khoảng thời gian ngắn

• Tính toán biên ổn định bởi tiêu chuẩn diện tích

• Đánh giá giới hạn ổn định (góc cắt tới hạn và giới hạn công suất) bằng cách ngoại suy liên tiếp các biên độ ổn định

2.2.4 Phương pháp xác suất (Probabilistic methods)

Các phương pháp xác suất đánh giá ổn định cung cấp một sự lựa chọn hữu ích đối mô hình cổ điển và Lyapunov Các phương pháp này cố gắng cho biết sự ổn định của một hệ thống như Billinton and Kuruganty [BK 81], Anderson and Bose [AB 83] Khả năng ổn định được xác định như khả năng mà hệ thống giữ được ổn định khi có một nhiễu loạn xảy ra Xác suất tự nhiên của một nhiễu loạn (vị trí, loại sự cố, mức độ) và các đặc tính thống kê về việc dự báo các điều kiện vận hành (thời tiết, tải v.v ) cũng được giới thiệu trong các bài báo này Tuy nhiên phương pháp đánh giá xác suất chỉ tính toán và ứng dụng cho các bài toán quy hoạch Phương pháp này có thể hữu ích và thú vị hơn nếu như kết hợp với kỹ thuật nhận biết mẫu

2.2.5 Phương pháp hệ thống Hamiltonian

Yuanzhang Sun và Jiangnan Peng [SP 04] đã trình bày phương pháp một hàm Lyapunov mới, được xây dựng dựa trên các hàm năng lượng quá độ và hệ thống Hamiltonian Phương pháp này đã xem xét ảnh hưởng của các quá trình điều khiển đối ổn định quá độ dựa trên các phương trình Hamiltonian, vấn đề này các phương pháp khác chưa đề cập và nghiên cứu đến

Bài báo đã trình bày hiệu quả của phương pháp để đánh giá nhanh ổn định qúa độ

hệ thống điện khi có các hành động điều khiển khẩn cấp và đã áp dụng thành công cho hệ thống gồm một máy phát nối thanh cái vô cùng lớn Tuy chưa áp dụng cho HTĐ nhiều máy phát nhưng hệ thống phương trình Hamiltonian vốn có khái niệm cơ bản từ lĩnh vực cơ học cổ điển, với lý thuyết hoàn chỉnh, việc áp dụng vào việc đánh giá ổn định HTĐ là một hướng mới và đầy triển vọng trong tương lai

2.3 TỔNG QUAN VỀ FACTS VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN

Trong những năm qua, nhờ sự phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực điện tử công suất, vi xử lý, vi điện tử, kỹ thuật thông tin liên lạc đã làm cho hệ thống truyền tải

và hệ thống phân phối điện tin cậy hơn, dễ điều khiển hơn, hiệu quả hơn Facts được xem là khái niệm mới, nó bao gồm thiết bị bù VAR tĩnh xuất hiện từ những năm 1970 Trong quá khứ, việc điều khiển phân bố công suất là không thể dễ dàng điều khiển bởi vì các thông số đường dây liên quan đến việc phân bố công suất trong HTĐ là không thể thay đổi được Bằng cách ứng dụng các thiết bị Facts, việc điều khiển linh loạt hệ thống điện có thể đạt được

Hệ thống truyền tải linh hoạt (Flexible AC transmission systems- FACTS) là

giống với hệ thống DC cao áp và có quan hệ với sự phát triển thyristor, được thiết kế nhằm khắc phục các nhược điểm trong giới hạn điều khiển cơ của hệ thống truyền tải AC.Việc áp dụng các bộ điều khiển điện tử công suất có tốc độ cao và tin cậy giúp nâng cao hiệu quả trong hệ thống điện như sau:

- Điều điều khiển phân bố công suất được lớn hơn, có thể điều khiển việc phân bố công suất tối ưu, giảm thiểu tổn thất, điều khiển phân bố công suất song song

- Khả năng tải của đường dây truyền tải gần với giới hạn nhiệt của nó hơn (nhưng không quá tải)

- Khả năng truyền tải công suất giữa các vùng điều khiển được là lớn hơn,

vì thế biên dự trữ của các máy phát được giảm xuống

- Ngăn ngừa việc mất điện từng đợt liên tiếp (cascade outages) do ảnh hưởng của sự cố và sự hư hỏng của thiết bị

- Giảm các dao động trong hệ thống điện mà chúng có khả năng làm mất đồng bộ hệ thống, làm hư hỏng thiết bị và giảm khả năng truyền tải của đường dây

- Hệ thống linh hoạt giúp giải quyết các vấn đề liên quan đến sự ràng buộc các thông số của hệ thống điện bằng cách bù nối tiếp, bù ngang, bù góc pha và các sự cố liên quan đến sự dao động tần số thấp

- Lợi ích đầu tiên của bộ điều khiển FACTS là điểu khiển nhanh dòng điện, điện áp hay tổng trở sau nhiễu loạn Chính vì thế, một sự trông mong quan trọng từ các bộ điều khiển FACTS là giảm ảnh hưởng của các nhiễu loạn ban đầu Áp dụng các thiết bị FACTS dựa trên các tiêu chuẩn cơ bản sau:

- Giải pháp sử dụng FACTS không phải là mong đợi để thay thế các giải pháp thông thường, phải xem xét bổ sung chúng khi thấy cần thiết do yếu

tố điều khiển và hành động nhanh chóng

- Áp dụng FACTS nên có thể thực hiện khi quá tải hệ thống điện trong thời gian ngắn nhằm nâng cao sự linh hoạt mà điều này không thể thực hiện nếu không có thiết bị FACTS

Một vài ứng dụng của thiết bị FACTS đối trạng thái xác lập và trạng thái động như bảng sau:

Bảng 2.1 Áp dụng các thiết bị FACTS trong trạng thái xác lập

khắc phục Giải pháp thuận lợi Thiết bị FACTS

Điện áp thấp khi tải nặng

Cung cấp công suất phản kháng Bù Ngang, Bù dọc TCSC,SVC STATCOM ,

Phân bố công suất phản kháng Đóng cắt các tụ bù ngang TCSC, TCR, SVC Điện áp

thấp khi tải nhẹ Hấp thụ công suất phản kháng

Đóng bù ngang bằng kháng

TCR,SVC STATCOM Hấp thụ công

suất phản kháng Thêm vào cuộn kháng TCR,SVC Điện áp

cao sau khi mất điện Bảo vệ thiết bị Thêm vào chống sét van

TCVL

Cung cấp công suất phản kháng Đóng cắt tụ bù ngang/ bù ngang

bằng kháng

TCSC,SVC STATCOM Điện áp

thấp sau khi mất điện Ngăn ngừa quá tải

Bù nối tiếp bằng kháng điện

TCSC,IPC Giới hạn điện áp

Điện áp thấp và quá tải

Cung cấp công suất phản kháng

và giới hạn sự quá tải

Kết hợp hai hay nhiều thiết bị TCSC,STATCOM UPF'C,SVC

Đường dây hay MBA

bị quá tải

Giảm tải Thêm đường dây/

MBA

TCSC, TCPS Giới hạn nhiệt

Cắt mạch song song

Giới hạn tải của mạch

Thêm vào cuộn kháng nối tiếp

IPC,UPFC

Nội dung Vấn đề Hành động

khắc phục Giải pháp thuận lợi Thiết bị FACTS

Điều chỉnh cảm kháng nối tiếp

Thêm vào kháng nối tiếp/ bù nối tiếp

TCSC, UPFC Chia sẽ các

tải song song Điều chỉnh góc pha Thêm PAR TCPS

Phân bố vòng

( Loop flow)

post fault sharing Phân bố lại mạng điện PAR, tụ bù nối tiếp/kháng điện TCSC, UPFC Mức độ ngắn

mạch

Dòng sự cố tăng

Giới hạn dòng ngắn mạch

Thêm vào cuộn kháng

TCP

Cộng hưởng

đồng bộ Máy phát dao động Dập tắt dao động Giới hạn các bộ bù nối tiếp NGH, TCSC

Bảng 2.2 Áp dụng FACTS trong trạng thái quá độ

động năng

Brake resistor TCBR

Ổn định quá độ

Điều khiển phân bố

Dập tắt dao động Dập tắt dao động

(Damp oscillation)

Exciter stabilizer TCSC,STATCOM

Điều chỉnh điện áp quá

độ

Switch capacitor STATCOM,UPFC,

SVC

Điều khiển điện áp

sau sự cố Dynamic How control Switch capacitor TCPAR,UPFC,SV

C

Hổ trợ công suất phản kháng

Shunt Capacitor STATCOM,UPFC,

SVC

Ổn định điện áp

Điều khiển HTĐ LTC, HVDC control UPFC, TCSC

Trong đó:

IPC : Inphase Power Controller

LTC : Transformer Load Tap Changer

NGH : Hingorani Damper

PAR : Phase Angle Regulator

STATCOM : Static Synchronous Compensator

TCPAR : Thyristor Controlled Phase Angle Regulator

TCSC : Thyristor Controlled Series Capacitor

TCR : Thyristor Controlled Reactor

TSBR : Thyristor Switch Brake Resistor

UPFC : Unified Power Flow Controller

SVC : Static Var Compensator

Nội dung trong luận án này sẽ nghiên cứu về ứng dụng thiết bị FACTS trong lĩnh vực ổn định quá độ và điểu khiển, một lĩnh vực còn mới mẻ trên thế giới và ở Việt Nam

Sau đây sẽ tổng quan một vài nghiên cứu về FACTS trong lĩnh vực ổn định và điều khiển:

Theo Mehrdad Ghandhari, Anderson, A.Hiskens [GAH 01] đưa ra phương pháp dùng hàm Lyapunov để điều khiển các thiết bị bù nối tiếp Phương pháp này sử dụng các thông số từ hàm Lyapunov như là tín hiệu ngược âm để điều khiển các thiết bị bù nối tiếp Các tác giả đưa ra lý thuyết dựa vào hàm Lyapunov để điều khiển giảm dao động công suất trong hệ thống điện nhiều máy phát

C.S Yu, C.W.Liu [YL 02] đầu tiên giới thiệu về mô hình tương đương 2 máy phát tự hiệu chỉnh áp dụng cho điều khiển ổn định thiết bị FACTS dùng tín hiệu

đo lường pha thời thực Kiểu mô hình tương đương 2 máy phát chỉ sử dụng tín hiệu phasor thời thực từ bộ đo lường pha đồng bộ (PMUs) Sai số giữa mô hình

đề cập và hệ thống điện thực tế được khắc phục bởi việc đo lường thời thực Tính chất khả năng đáp ứng và tính Robust cũng đuợc xem xét trong mô hình.Mô hình

mà bài báo đưa ra thích hợp cho việc việc điều khiển ổn định quá độ Thông qua

mô hình tương đương 2 máy phát, phương pháp này đã áp dụng thành công kỹ thuật tuyến tính hóa ngược trực tiếp (DFL) để điều khiển ổn định đối hệ thống

điện nhiều máy phát có liên kết Các thông số và mô hình không chắc chắn cũng được xem xét trong kỹ thuật DFL

Mặc dù đã áp dụng thành công cho hệ thống điện 3 vùng, sáu máy phát, có lắp đặt 2 bộ TCSC và mô hình của 2 tác giả đưa ra có hiệu quả trong việc giảm dao động giữa các hệ thống liên kết dưới các điều kiện và mức độ sự cố khác nhau.Tuy nhiên, phương pháp này vẫn chưa xét đến đường dây có tổn thất và mô hình tải không phải hằng số, đồng thời sự dao động chỉ xem xét trong việc liên kết giữa các vùng mà không xét đến sự dao động trong bản thân nó

Trong những năm vừa qua có nhiều công trình nghiên cứu đến việc nâng cao ổn định , giảm dao động trong hệ thống bằng cách ứng dụng các thiết bị FACTS như

bộ bù nối tiếp điều khiển bằng thyristor (TCSC), máy biến áp dịch pha điều khiển bằng thyristor (TCPST) hay bộ UPFC [AGA 97], riêng J.Chen, TT.Lie, D.M Viathgamuwa [CLV 03] đề cập đến việc dùng bộ chỉnh lưu nguồn áp VSC dựa trên các hệ thống truyền tải AC linh hoạt (FACTS) để giảm dao động trong HTĐ Phương pháp này dùng kỹ thuật Fuzzy logic mờ để điều khiển VSC-dựa trên các thiết bị FACTS, việc điều khiển chỉ thực hiện đối với biên độ điện áp bơm vào, còn góc pha của điện áp bơm vào vẫn giữ hằng số (pi/2) Tín hiệu đưa vào bộ điều khiển Fuzzy logic là tín hiệu góc pha điện áp (được đo lường cục bộ) giữa 2 nút khác nhau Phương pháp này đã áp dụng và thử nghiệm thành công cho mô hình một máy phát nối thanh cái vô cùng lớn (SMIB) trên phần mềm PSCAD/EMTDC

J.M.Ramírez, R.J.Dávalos, I.Coronado [RDC 02] đã giới thiệu cách dùng một tiêu chuẩn tối ưu để kết hợp các thiết bị FACTS và bộ PSS Đặc tính điều khiển vòng kín đa bậc được áp dụng để thiết kế phối hợp nhiều thiết bị FACTS và bộ PSS nhằm nâng cao ổn định trong HTĐ Tương tự phối hợp các thiết bị FACTS, G.Li, T.T.Lie, G.B.Shresttha and K.L.Lo [LLSL 00] cũng đã trình bày vấn đề này, bằng cách phối hợp các thiết bị dùng VSCs

[DMP 00] do P.K Dash, S.Mishra, G.Panda thực hiện đã giới thiệu phương pháp dùng bộ điều khiển lôgíc mờ tỷ lệ cộng khâu tích phân áp dụng cho các thiết bị FACTS trong hệ thống điện nhiều máy phát Bộ điều khiển này được thiết kế bằng cách dùng bộ điều khiển logic mờ tăng cường thay thế cho phần tử tỷ lệ trong bộ điều khiển PI thông thường và cung cấp một giới hạn độ lợi rất lớn trong việc điều khiển phi tuyến Bộ điều khiển này thích hợp cho các thiết bị bù nối tiếp như UPFC, TCSC và TCPST v.v lắp đặt trên hệ thống điện nhiều máy phát nhằm giảm dao động trong HTĐ

[FSL 04] đã trình bày phương pháp lựa chọn tín hiệu đầu vào cho một và nhiều thiết bị FACTS lắp trên hệ thống điện nhỏ và lớn Phân tích khả năng điều khiển của các tín hiệu đầu vào, đầu ra khác nhau nhằm đánh giá các tín hiệu nào là phù hợp cho các bộ SVC, SSSC, UPFC để cản dịu sự dao động trong HTĐ Phương

pháp này đã dùng giá trị riêng tối thiểu (minimum singular values –MSV), nửa mặt phẳng pha zeros biên phải (RHP-zeros), mảng độ lợi tương đối (RGA), giá trị riêng Hankel (HSV) như là các tín hiệu để tìm sự ổn định trong hệ thống SISO

và MIMO Đối hệ thống SISO chỉ có một thiết bị FACTs thì bài báo cho thấy chỉ

có tín hiệu RHP-zeros được dùng để giới hạn sự hoạt động của hệ thống vòng kín

và HSV dùng để giám sát và điều khiển, còn trong hệ thống MIMO thì dùng RGA và MSV

Trong lĩnh vực áp dụng hàm năng lượng kết hợp thiết bị FACTS để nâng cao tính

ổn định trong HTĐ, K.N.Shubhanga, Anil M.Kulkarni [SK 02] đã giới thiệu phương pháp dùng cấu trúc độ nhạy biên bảo toàn năng lượng để xác định ảnh hưởng của thiết bị FACTS đến việc nâng cao ổn định của HTĐ Mô hình cấu trúc bảo toàn năng lượng được dùng để tìm các biểu thức đơn giản về biên năng lượng khi có các thiết bị bù ngang và bù nối tiếp.Trong các biểu thức này bao gồm các số hạng về biên độ dòng điện đối thiết bị bù nối tiếp và biên độ điện áp đối các thiết bị bù ngang Phương pháp trình bày đã áp dụng thành công cho mô hình máy phát cổ điển và chi tiết trên hệ thống 39 nút của England

Ổn định quá độ là yếu tố chính giới hạn khả năng truyền tải của đường dây dài Khả năng tận dụng công suất đặt ra nhiều vấn đề trong việc cải thiện ổn định quá

độ, đặc biệt là giới hạn ổn định first swing và tăng hiệu quả sử dụng của các đường dây truyền tải hiện hữu Một hệ thống điện có thể được xem xét là ổn định first swing nếu như góc của tất cả các máy điện ứng góc chuẩn là góc trung tâm (COA) tăng lên (giảm xuống) đến 1 giá trị đỉnh (thung lũng) và sau đó bắt đầu trở lại ổn định Hay nói cách khác, hiện tượng tốc độ bằng zero (góc maximum

và minimum) của tất cả các máy phát đều đảm bảo sự ổn định first swing của hệ thống điện Thông thường thì hiện tượng first swing trong hệ thống điện là ổn định bởi vì có các bộ giảm dao động, các bộ kích từ v.v chúng luôn luôn giúp giảm dao động đối các dao động xảy ra tiếp theo sau Trong những năm gần đây thiết bị FACTS đã được ứng dụng vào hệ thống điện ở một số quốc gia tiên tiến, thiết bị FACTS có khả năng điều khiển hệ thống rất nhanh và theo khái niệm tiêu chuẩn diện tích (EAC) thì FACTS làm tăng diện tích hãm tốc, vì thế chúng cải thiện tính ổn định trong hệ thống điện Thiết bị FACTS thường được điều khiển liên tục hoặc rời rạc nhằm giảm dao động trong hệ thống điện Điều khiển liên lục không sử dụng hết khả năng của các thiết bị FACTS Ngược lại, điều khiển rời rạc phát huy hết các lợi ích của thiết bị FACTS Điều khiển liên tục rất có hiệu quả trong việc cải thiện vấn đề ổn định gây ra bởi các nhiễu loạn nhỏ Tuy nhiên, để cải thiện ổn định quá độ thì cần phải có các hành động điều khiển lớn hơn và nhiều hơn, đáp ứng yêu cầu này thì chỉ có việc điều khiển rời rạc

(hay còn gọi là điều khiển bang-bang hay BBC) là thích hợp Trong việc điều khiển BBC mô hình vận hành thiết bị được thay đổi (từ hoàn toàn dung kháng đến hoàn toàn cảm kháng hay ngược lại) tại vài điểm rời rạc Theo nhiều bài báo

nghiên cứu đã cho thấy rằng việc điều khiển bang-bang (BBC) là không thể dùng toàn bộ diện tích tăng tốc để giữ ổn định trong HTĐ

Liên quan vấn đề này, M.H Haque et al [MH 04] đã giới thiệu phương pháp điều khiển mới đối các thiết bị FACTS để cải thiện giới hạn ổn định first swing Phương này điều khiển bằng cách, đầu tiên điều khiển sao cho diện tích hãm tốc

là lớn nhất sau đó sử dụng hết diện tích này để cân đối với diện tích tăng tốc Phương pháp này đòi hỏi phải vận hành các thiết bị FACTS hết công suất định mức của chúng một cách liên tục đến khi tốc độ máy điện đạt đến giá trị âm hợp

lý Bài báo đã áp dụng kỹ thuật điều khiển này cho thiết bị SVC và STACOM trên hệ thống điện một máy phát nối thanh cái vô cùng lớn và hệ thống nhiều máy phát Trên cả hai hệ thống phương pháp đề cập đã chứng tỏ ưu điểm về giới hạn ổn định là cao hơn nhiều so phương pháp điều khiển BBC

Trên đây là giới thiệu các thiết bị FACTS và khả năng làm tắt dao động, thế nhưng trong số các thiết bị FACTS thì thiết bị nào là giảm dao động tốt nhất

[MCRR 03] do các tác giả Nadarajah Mithulananthan,Claudio A.Canizares; John Reeve and Graham J Rogers thực hiện đã giới thiệu và so sánh các kỹ thuật

điều khiển khác nhau cho việc làm tắt những dao động không mong muốn trong

hệ thống điện bằng bộ ổn định hệ thống điện PSS, bộ bù công suất phản kháng tĩnh SVC và bộ bù ngang đồng bộ tĩnh STATCOM Vấn đề dao động được phân tích dựa trên: Quan điểm rẽ nhánh Hopf, phương pháp trị riêng mở rộng cho việc nghiên cứu các bộ điều khiển, điểm đặt thiết bị FACTS và việc sử dụng các tín hiệu điều khiển khác nhau như thế nào để làm tắt các dao động trong hệ thống Việc so sánh được thực hiện trên hệ thống chuẩn cho nghiên cứu ổn định, hệ IEEE 50 máy, 145 nút

Có hai vấn đề chính liên quan đến thiết bị FACTS ngoài vấn đề kích cỡ và loại Một là vị trí đặt và hai là cách chọn tín hiệu đầu vào điều khiển Đối với vấn đề làm tắt dao động thì bộ điều khiển phải được đặt ở vị trí nào để các trị riêng tới hạn phải nằm bên nửa mặt phẳng trái Vị trí này có thể không phải là vị trí làm tăng khả năng tải của hệ thống và cải thiện điện áp Có một vài phương pháp đã nghiên cứu và phương pháp phân tích độ nhạy trị riêng được dùng cho việc xác định vị trí đặt FACTS [YLM 98] [MCRR 03] đưa ra một phương pháp mới dựa trên phân tích trị riêng mở rộng nhằm xác định vị trí thích hợp để đặt thiết bị FACTS làm tắt các dao động Bài báo cho thấy việc đặt SVC và STATCOM ở vị trí nào thì không làm tắt dao động, vì nhiệm vụ chính của các bộ này là điều khiển điện áp Do đó, để làm tăng việc làm tắt các dao động của hệ thống, cần phải có khối điều khiển với tín hiệu đầu vào nào đó

Tín hiệu điều khiển đầu vào thường được lấy gần để tránh các tín hiệu ở xa Việc lựa chọn các tín hiệu này thường là các dòng công suất tác dụng/phản kháng và dòng điện ở các đường dây gần nhau Ở [MCRR 03] có một chỉ số quan sát chế

độ được đưa vào để đánh giá tín hiệu đầu vào tốt nhất Tín hiệu thêm vào được

nuôi thông qua khối điều khiển washout để tránh ảnh hưởng vận hành xác lập của

bộ điều khiển, và một khối điều khiển sớm-trễ pha được dùng để nâng cao đáp ứng động của hệ thống, như hình 1và 2 sau:

Hình 2.1 Cấu trúc của SVC trong đó B là điện dẫn ngang tương đương của bộ điều khiển

[MCRR 03]

Hình 2.2 Điều khiển pha của STATCOM, trong đó α là độ dịch pha

giữa nguồn áp ac VSC và điện áp nút của nó V [MCRR 03]

Các dao động do điểm rẽ

nhánh Hopf khởi nguồn do

quá tải một đường dây

Khả năng làm tắt dao động

của SVC khi một đường dây

bị quá tải

Khả năng làm tắt dao

động của STACOM khi

một đường dây bị quá tải